Utilisation des échangeurs air/sol pour le chauffage et le rafraîchissement des bâtiments

Acronyme: PUITS CANADIENS

Mots clés
puits canadien, échangeur air/sol, diffusion de chaleur, préchauffage et le rafraîchissement passif, stockage solaire

Auteurs
Hollmuller P., B. Lachal

Responsable du projet
P. Hollmuller

Résumé

L'utilisation d'échangeurs air/sol pour le préchauffage et le rafraîchissement des bâtiments bénéficie dernièrement d'un regain d'intérêt, avec des utilisations variées telles que le stockage solaire (à court ou moyen terme), le puits canadiens (préchauffage / rafraîchissement du renouvellement d'air) ou encore le délestage thermique de pompes à chaleur air/air. Nous avons commencé à nous intéresser à cette problématique sur la base de projets concrets, implantés de façon pilote sur des bâtiments réels, dont nous avons assuré le suivi scientifique. C'est en cours d'analyse, par compulsion de la littérature tout comme au cours de discussions avec les professionnels de l'énergétique, que nous nous sommes rendus compte :

1. du manque de compréhension des phénomènes physiques sous-jacents au problème abordé, ce qui expliquait l'absence de règles de dimensionnement simplifiées et la construction fréquente d'objets à posteriori reconnus comme étant surdimensionnés.
2. d'une compréhension erronée ou du moins incomplète de ce que représente la prestation thermique d'un échangeur air/sol, qui ne se limite pas à la mise en oeuvre d'un différentiel de température entrée/sortie.
3. de l'absence quasi totale d'analyse systémique liée à l'intégration de tels objets dans un complexe plus vaste qui s'appelle bâtiment et système technique.

But
Le but de cette étude fut de répondre aux questions posées ci-dessus par la mise en oeuvre d'une série d'approches scientifiques complémentaires, à savoir :

1. des mesures in-situ sur une série de réalisations pilotes.
2. du calcul analytique en situation géométrique simplifiée, permettant d'acquérir une bonne compréhension des phénomènes et de dégager les "règles du pouce" utiles à l'ingénieur.
3. de la modélisation numérique, permettant d'étendre la capacité de calcul à des géométries plus complexes.
4. l'analyse systémique de deux types d'utilisation des échangeurs air/sol , à savoir le stockage diurne d'excès solaires en serres horticoles (boucle ouverte), et le préchauffage / rafraîchissement par puits canadien (boucle fermée).

Résultats
L'étude complète, finalisée dans une thèse interdisciplinaire en Sciences, a permis de dégager les résultats principaux suivants :

1. L'analyse systémique du couplage entre échangeur air/sol, bâtiment et système technique s'est avérée fondamentale. Elle a mis en évidence la faible complémentarité du puits canadien avec le récupérateur sur air vicié, ainsi que l'importance du couplage diffusif entre l'échangeur et le bâtiment, qui dans le cas de puits canadiens peut être catastrophique (le puits soutirant, en hiver, de la chaleur au bâtiment), alors que dans le cas du stockage solaire il participe fortement à la réduction de la demande de chauffage.
2. Le point qui précède est directement lié au niveau de température auquel on travaille. Celui-ci induit également une différenciation de la prestation thermique du flux d'air, selon qu'à la sortie de l'échangeur celui-ci se situe en dessus ou en dessous du seuil de confort. Ainsi, dans le cas des puits canadiens et sous nos climats, l'amortissement hivernal de l'oscillation annuelle, à des températures situées en dessous du seuil de confort inférieur de 20°C, n'induit rien d'autre qu'une économie sur le préchauffage du renouvellement d'air, auquel elle est intrinsèquement liée par minimisation du débit. Au contraire, l'amortissement estival de l'oscillation diurne est suffisante à produire une température de ventilation en dessous du seuil de confort supérieur de 26°C, permettant une prestation énergétique à part entière, qui peut être accrue par augmentation du débit.
3. Enfin la tentative de compréhension fine des phénomènes physiques, sous-jacents à la nature diffusive de ce mode de stockage, s'est soldée par un double succès : d'une part l'élaboration de règles du pouces et d'un outil de pré-dimensionnement simplifié (modèle analytique avec transformée de Fourier); d'autre part, la mise en évidence d'un phénomène nouveau, permettant le déphasage à amortissement quasi-nul dune oscillation thermique : découverte prometteuse qui, dans la foulée de ce travail, ouvrira une recherche financée par l'Office fédéral de l'énergie.

Voir aussi
Projet "COSTEAU : rendement énergétique et économique d'un collecteur terrestre à eau pour le chauffage et le rafraîchissement d'un bâtiment administratif"
Projet "GEOSER : stockage solaire a court terme en serres horticoles"
Projet "DEPHASEUR"

Publications

Utilisation des échangeurs air/sol pour le chauffage et le rafraîchissement des bâtiments. Mesures in situ, modélisation analytique, simulation numérique et analyse systémique
P. Hollmuller, Thèse, Université de Genève, 2002. (pdf)

Cooling and preheating with buried pipe systems : monitoring, simulation and economic aspects
P. Hollmuller, B. Lachal, Energy and Buildings, 33/5, 2001, pp. 509-518. (pdf)

Potentiels de rafraîchissement et préchauffage par échangeurs air/sol : méthodologie d'évaluation et étude paramétrique sous différents climats
P. Hollmuller, Travail de diplôme, Cycle postgrade en énergie, Ecole polytechnique fédérale de Lausanne, 2000. (pdf)

Cooling with air-to-earth heat exchangers versus direct night cooling : a parametric study for different climates
P. Hollmuller, B. Lachal, Proceedings de PLEA’01, Univesidade federal de Santa Catarina, Florianopolis, 2001. (pdf)

Analytical characterisation of amplitude-dampening and phase-shifting in air/soil heat-exchangers
P. Hollmuller, Int. Journal of Heat and Mass Transfer 46, 2003, pp. 4303-4317. (pdf)

TRNSYS compatible moist air hypocaust model
P. Hollmuller, B. Lachal, rapport final, CUEPE, Université de Genève, 1998. (pdf)