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Puits canadien : comment le dimensionner ?

Les contraintes à respecter pour un bon fonctionnement.

Puits canadien : comment le dimensionner ?
© Daniel Kulinski, Creative Commons.

Le puits canadien ou ÉAG (échangeur à air géothermique) ne bénéficie pas encore de règles de dimensionnement bien précises. Des études ont cependant énoncé quelques recommandations ou « règles du pouce ».

Le logiciel GAEA 

Le "Group for Building Physics &  Solar Energy" du département de physique de l'université de Siegen développe un logiciel nommé Gaea, disponible en version d’essai, qui calcule le dimensionnement d'un puits canadien et simule son comportement pour déterminer la rentabilité financière ! Ce logiciel très utile est disponible à cette adresse.

Vitesse de l’air

De la vitesse de l’air dans l’échangeur d’air géothermique va dépendre la qualité de l’échange de chaleur. La fourchette de vitesse recommandée par la Corporation des maitres mécaniciens en tuyauterie du Québec[1] est comprise entre 1,5 et 3,5 m/s pour un bon compromis entre l’échange thermique et les pertes de charge (effort à fournir par le ventilateur), qui sont à éviter.

Le tableau suivant donne le diamètre à utiliser en fonction du débit d’air extrait, le diamètre minimal correspondant à une vitesse de 1,5 m/s et le diamètre maximal à une vitesse de 3,5 m/s :

Débit d'air extrait

Diamètre recommandé (mm)

m3/h

l/s

Diamètre minimal

Diamètre maximal

100

28

100

150

125

35

150

150

150

42

150

200

200

56

150

200

250

69

200

250

300

83

200

250

Temps de parcours

Pour un échange optimal, la durée minimale de parcours dans l’ÉAG par l’air doit être de 20 secondes, l’échange maximal se faisant les 30 premières secondes.

Cette contrainte permet de déterminer une longueur minimale en utilisant le tableau précédent.

Par exemple : si vous avez choisi le diamètre minimum de 150 mm pour un débit de 200 m3/h, ce qui correspond comme dit précédemment à une vitesse de 1,5 m/s, alors il vous faudra une longueur minimale de 1,5 x 20 = 30 m.

Longueur du conduit

Une étude[2] a permis de déterminer une règle du pouce quant à la surface d’échange nécessaire selon que l’on veut privilégier le préchauffage ou le rafraichissement.

Tel que mentionné précédemment, le principe du puits canadien est d’utiliser l’inertie du sol pour amortir les montées ou descentes en température.

En mode préchauffage, on recherche un amortissement annuel ou saisonnier, c'est-à-dire que l’on cherche à capter la chaleur de la saison chaude captée par le sol mais pour l’utiliser en hiver.

En mode rafraîchissement (que nous déconseillons vivement sous nos latitudes), on recherche un amortissement journalier, c'est-à-dire capter la fraîcheur de la nuit précédente qui est toujours dans le sol.

Le tableau suivant donne le nombre de m² de surface d’échange par m3/h d’air extrait.

 

Ratio : m² par m3/h

Vitesse de l’air (m/s)

Amortissement journalier

Amortissement annuel

1

1/10

1/5

2

1/15

1/7

4

1/20

1/10

 

Par exemple si j’ai besoin d’un débit d’air extrait de 200 m3/h et que je souhaite privilégier le préchauffage en hiver, il me faut une surface d’échange de 200/7 ≈ 29 m²

De la surface d’échange on peut ensuite déduire la longueur de tube nécessaire  (pour les amateurs de mathématiques) :

Surface échange

Dimensionnement du ventilateur

Il est préférable de laisser cette partie à un professionnel ; mais on peut néanmoins utiliser le logiciel du fabricant de conduit aéraulique Helios pour calculer les pertes de charge de l’ÉAG.

En reprenant l’exemple précédent, on trouve les résultats suivants :

Calcul des pertes de charge sous Helios
Calcul des pertes de charge sous Helios

 

Le logiciel HELIOS peut être téléchargé sur le site du fabricant ou directement ici.

Vous pourrez ensuite allez chez un fournisseur et demander un ventilateur qui fournit un débit de 200 m3/h pour une perte de charge de 60 Pa.

Que sont les "pertes de charge"? 

Les pertes de charge sont des pertes d’énergie mécanique d’un fluide dû à la friction. Dans notre cas l’air en passant par le conduit subit des frottements contre les parois qui le ralentissent. Il y a également une perte de charge associée à chaque accessoire aéraulique, comme les coudes ou les tés car l’air y rencontre un obstacle et perd de l’énergie mécanique supplémentaire.

 

[1] André Dupuis, « Le puits canadien : une solution économique et verte pour préchauffer et rafraichir l’air neuf », Inter-Mécanique du Bâtiment, vol.27 n°24, mai 2012.

[2] HOLLMULLER, Pierre. Utilisation des échangeurs air/sol pour le chauffage et le rafraîchissement des bâtiments : mesures in situ, modélisation analytique, simulation numérique et analyse systémique . Thèse de doctorat : Univ. Genève, 2002, no. Sc. 3357

 

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