Photo de couverture : W. Carter/Wikimedia Commons

Puits Climatiques

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L’énergie utilisée pour climatiser et chauffer nos bâtiments représente une large part des émissions de gaz à effet de serre. Des solutions techniques pour réduire les dépenses énergétiques d’un bâtiment existent, parmi lesquelles on trouve les puits climatiques, ou échangeurs air-sol. Ce type de système fonctionne grâce à des tuyaux enterrés en profondeur, dans lesquels circule de l’air. Ces tuyaux sont reliés à un bâtiment et le ventilent tout en régulant sa température, leur position sous terre leur permettant de réchauffer l’air en hiver et de le rafraîchir en été, sans presque aucune dépense d’énergie.

Pourquoi est-ce important?

Entre 1971 et 2019, la production mondiale d’énergie a été multipliée par 2,6. Nous produisons et consommons de plus en plus d’énergie. Les énergies fossiles ont représenté plus de 80 % de la production d’énergie en 2019, avec le pétrole, le charbon et le gaz qui restent les sources d’énergie les plus importantes. En ce qui concerne l’électricité, le charbon est le principal contributeur à l’échelle mondiale. Consommer de l’énergie et plus précisément de l’électricité aujourd’hui, c’est encore utiliser des combustibles fossiles (1).

Les bâtiments résidentiels représentent à eux seuls 22 % de la consommation mondiale d’énergie et 17 % des émissions de gaz à effet de serre (2). La construction est un secteur où des améliorations massives en termes de consommation d’énergie et d’émissions doivent être apportées. Sachant que la majeure partie de l’énergie provient de sources fossiles et que la demande énergétique ne cesse d’augmenter, la priorité doit être d’économiser l’énergie partout où cela est possible. La sobriété est un principe clé. Les systèmes intégrés à la construction ou à la rénovation qui permettent de réduire considérablement les dépenses énergétiques d’un bâtiment doivent devenir la norme. L’un de ces systèmes est le puits climatique.

 

Quelle est la solution?

Les puits climatiques – également connus sous le nom d’échangeurs air-sol, de puits canadiens ou de puits provençaux – sont une solution passive, de ventilation naturelle et peu technique pour refroidir un bâtiment en été et le chauffer en hiver. Cette technique éprouvée est utilisée depuis des siècles, depuis les empires perse et romain.

Pendant la saison chaude, le sol est plus frais que l’air ambiant. Pendant la saison froide, c’est l’inverse. Ceci est dû à la température quasi constante du sol à partir d’une certaine profondeur (environ deux mètres). Grâce à un système de tubes souterrains enfouis dans le sol, les puits climatiques utilisent cette caractéristique naturelle pour chauffer ou refroidir l’air qui circule dans les tuyaux. Cet air va ensuite ventiler le bâtiment.

Les échangeurs air-sol se composent généralement de 5 éléments : une entrée d’air avec un filtre et une grille ; un conduit extérieur enterré dans le sol (à une profondeur comprise entre 1. 5 et 3 mètres) sur 30 à 50 mètres, avec une pente comprise entre 1 et 3 % pour évacuer la condensation et limiter les risques de moisissures ; un registre de by-pass (petite pièce mécanique qui permet de passer du chaud au froid sans intervention humaine) ; un regard (petite plaque, semblable à celle des égouts, qui vous permet, à vous ou à votre technicien, de vérifier votre installation) ; et un système de ventilation (simple, double flux, insufflation) pour répartir l’air dans tout le bâtiment (3).

Les puits climatiques sont utiles à condition que leurs tuyaux soient installés dans un climat où la température du sol est adéquate, qu’ils aient un diamètre suffisamment grand, qu’ils soient suffisamment longs, qu’ils soient enterrés suffisamment profondément, qu’ils soient capables d’exclure le radon (un gaz toxique qui peut se trouver sous terre) et qu’ils soient installés de manière à minimiser les problèmes de condensation potentiels. Plus les tubes sont enterrés profondément, plus ils sont performants. La taille des conduits doit être calculée en fonction de la taille du bâtiment, du débit d’air souhaité, de la nature du sol, de la zone géographique et du type d’installation choisi.

Les échangeurs air-sol peuvent être utilisés dans les infrastructures collectives, les bureaux et les bâtiments résidentiels, ainsi que dans les installations agricoles telles que les serres. Ils sont préférables pour les nouvelles constructions, car l’enfouissement des tuyaux et l’installation du système de ventilation nécessitent d’importants travaux. Une planification bien anticipée permet de réduire les contraintes logistiques.

Ce système offre une alternative durable pour réduire ou éliminer le besoin de systèmes de climatisation et de chauffage conventionnels à base de compresseurs dans certains climats. En outre, ils offrent l’avantage supplémentaire d’un apport d’air frais contrôlé, filtré et tempéré, ce qui est particulièrement précieux dans les bâtiments étanches et bien isolés.

14.3°C

Un puits climatique peut réchauffer l’air en hiver de plus de 14°C et refroidir l’air en été d’environ 7°C (4)

 

23%

Pour un immeuble de bureaux de 29 étages, l’utilisation d’un puits climatique représente une économie d’énergie de 23 %, soit environ 50 000 dollars canadiens par an (5)

 

20%

Dans les grands immeubles de bureaux, la climatisation peut représenter 20 % de la consommation d’énergie (6)

37%

Le charbon reste la source d’énergie dominante pour la production d’électricité, avec 37 % de toute l’électricité produite à partir de cette source en 2019 (7)

Actions clés

  • #1 Évaluer la situation, l'emplacement et le système

    Certains climats chauds et humides ne présentent que de faibles avantages pour de tels systèmes. De même, certains types de sol, qu’ils soient trop difficiles à creuser ou simplement trop secs et chauds, présentent des contre-indications à l’installation. Évaluer les coûts et les avantages de l’installation d’un tel système à long terme. Évaluer les impacts environnementaux et les atténuer.

  • #2 Choisir avec soin les matériaux et la conception

    Lors de la conception d’un système de puits climatique, le matériau des tubes doit être soigneusement choisi pour répondre au mieux aux besoins du bâtiment. Les grands bâtiments ont tendance à utiliser des tuyaux en béton, et les petits bâtiments des tubes en plastique de différents diamètres. Le système peut bénéficier d’une légère pente pour faire circuler l’eau de condensation vers un drain, évitant ainsi l’humidité dans les tubes. Les angles doivent également être soigneusement étudiés, les virages serrés étant à éviter car ils interrompent la circulation de l’air.

  • #3 Surveiller les indicateurs environnementaux

    Mesurer la température de l’air sortant des tubes par rapport à la température de l’air extérieur. Surveiller l’humidité de l’air et les concentrations de radon. Réagir rapidement en cas de résultats anormaux, car l’humidité et le radon peuvent entraîner de graves problèmes de santé.

  • #4 Nettoyage et entretien

    En fonction de la taille du système, il peut être utile de former et d’engager une personne responsable de sa surveillance et de son entretien. Si nécessaire, les tubes doivent être nettoyés et le système doit être entretenu en fonction de son usure naturelle (qui devrait être minime s’il a été correctement installé). Malgré les mesures de protection, des feuilles et des animaux peuvent s’introduire dans les conduits. Dans ce cas, avoir quelqu’un prêt à intervenir ou engager un professionnel pour l’occasion peut s’avérer très utile.

À considérer

Point d'attention

Toutes les régions et tous les sites ne conviennent pas aux échangeurs air-sol. Les conditions susceptibles d’entraver ou d’empêcher une mise en œuvre correcte sont notamment un substrat rocheux peu profond, une nappe phréatique élevée et un espace insuffisant, ainsi que la chaleur et l’humidité du climat.

Expériences réussies

Système de tunnels air-sol pour le refroidissement et chauffage d'un complexe hospitalier indien

À l’hôpital Saint Methodist, de Mathura, près de Delhi, le complexe hospitalier est construit sur un réseau de tunnels conçus pour réguler la température intérieure. Le bâtiment principal de l’hôpital s’élève sur trois étages, et chaque étage reçoit l’air des tunnels pour le chauffage et refroidissement des chambres. Les parois intérieures des tunnels ont été rendues imperméables à l’aide d’une couche de polyéthylène. À l’une des extrémités du tunnel, une tour de captation d’air a été construite pour alimenter les tunnels en air ambiant. Le tunnel de 80 mètres a une capacité de refroidissement d’environ 512 kWh et une capacité de chauffage de 269 kWh. (8)

Puits climatique géant au Canada

Le Earth Rangers Centre for Sustainable Technology (ERC), situé près de Toronto, au Canada, est un leader mondial en matière d’efficacité énergétique et d’opérations durables. Certifié LEED Or pour les nouvelles constructions en 2006 et plus récemment Platine dans le cadre de LEED pour les bâtiments existants, l’ERC est actuellement le bâtiment le mieux classé au Canada. L’installation fonctionne à moins de 9 kWh par pied carré, par an, et produit 30 % de sa consommation d’énergie sur place. Ces performances s’expliquent en partie par l’existence d’un vaste système d’échangeur air-sol qui prend la forme de tubes en béton sous le bâtiment. Avec neuf tubes constitués de tuyaux d’égout en béton préfabriqués de 20 m de long, enterrés à 3 m sous le niveau du sol, le système peut réchauffer l’air en hiver de 20 °C et refroidir l’air en été de 10 °C. (9)

Comment un puits climatique aide une tour de bureaux canadienne à économiser 50’000 dollars par an

À Edmonton, au Canada, l’Epcor Tower est une tour de bureaux dotée d’un vaste système de tubes qui s’étend sur quatre étages sous terre. Ces tuyaux en béton parcourent 900 mètres sous le sol d’un parking et on estime qu’ils refroidissent l’air de six à sept degrés Celsius en été et le préchauffent de dix degrés en hiver. (10)

Ventilation d’habitations à l’aide de cheminées solaires dans les climats chauds

Les cheminées solaires sont une technologie très proche des échangeurs air-sol, sauf qu’elles ne servent qu’à refroidir un bâtiment en faisant monter l’air chaud et en le faisant sortir à travers elles, attirant ainsi de l’air plus frais à l’intérieur. Elles constituent une solution intéressante pour ventiler les bâtiments dans les zones où le chauffage est rarement ou jamais nécessaire. Dans le village de Cofimvaba, à l’est du Cap, en Afrique du Sud, le centre scientifique a été construit en utilisant la technologie de l’habitat passif, y compris des cheminées solaires pour assurer le refroidissement et la ventilation. Pendant la construction, le projet consistait à atteindre une consommation nette nulle d’énergie et d’eau et à réduire l’évacuation des eaux usées et les déchets de construction. Le centre scientifique a ouvert ses portes en 2021. (11)

Outils et bonnes pratiques

  • Guide d’installation et de mise en service de puits climatiques, Grenelle Environnement, 2015

    Ce guide, issu d'un programme gouvernemental français, est destiné aux professionnels de la construction. Il vise à leur fournir toutes les ressources et informations sur les puits climatiques. Le guide permet d'approfondir les connaissances sur le système et d'aborder toutes les spécificités techniques de son installation.

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  • Design de puits climatiques, Home in the Earth, 2012 (en anglais)

    Ce guide approfondi fournit tous les détails techniques concernant l'installation d'un système d’échangeur air-sol. Il aborde les problèmes courants tels que l'humidité et les insectes, mais fournit également toutes les informations sur les matériaux, la longueur, le diamètre, la profondeur, l'agencement et les autres spécificités du système.

    Lire ici
  • Le Puits Climatique : La solution pour ventiler naturellement votre maison, 2022

    Cette fiche d'information donne un aperçu du fonctionnement des puits climatiques, ainsi que des paramètres importants à prendre en compte lorsque l'on envisage d'installer un tel système. Elle énumère les avantages et les situations optimales pour leur installation.

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  • My Earth Tube Story, Green Building Advisor, 2014 (en anglais)

    Malcolm Isaacs nous fait part de ses erreurs et de ses réflexions tout au long du processus d'installation d’un puits climatique pour sa maison dans l'Est du Canada. Il conclut en montrant que le système est rentable et très satisfaisant à utiliser.

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Pour aller plus loin

  • Le potentiel de climatisation et chauffage d’un puits climatique dans les bâtiments, Lee & Strand, 2008 (en anglais)

    Cet article de recherche présente un module de simulation de puits climatique. Il utilise le modèle pour étudier l'effet du rayon et de la longueur du tuyau, du débit d'air et de la profondeur du tuyau sur les performances globales du système dans diverses conditions au cours de la saison où la climatisation est requise. Il conclut que l'utilité d'un puits climatique dépend fortement du climat local.

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Sources

(1) Agence internationale de l’énergie, Bilans énergétiques mondiaux, 2022. Lire ici (en anglais)

(2) UNEP, Rapport sur la situation mondiale des bâtiments et de la construction, 2020. Lire ici (en anglais)

(3) Choisir.com, Le Puits Climatique: La solution pour ventiler naturellement votre maison, 2022. Lire ici

(4) Gouvernement du Canada, Nouvelle méthode économe en énergie pour chauffer et climatiser les bâtiments, 2018. Lire ici (en anglais)

(5) Qualico, CONSTRUIRE POUR LA DURABILITÉ À LA TOUR EPCOR, 2021. Lire ici (en anglais)

(6) ADEME, Écoresponsable au bureau, 2020. Lire ici (en anglais)

(7) Agence internationale de l’énergie, Bilans énergétiques mondiaux, 2021. Lire ici (en anglais)

(8) M.S. Sodha, A.K. Sharma, S.P. Singh, N.K. Bansal, Ashvini Kumar, Évaluation d’un système de tunnel terre-air pour le refroidissement/chauffage d’un complexe hospitalier, Building and Environment, Volume 20, Issue 2, 1985, Pages 115-122, ISSN 0360-1323, Lire ici (en anglais)

(9) Earth Rangers center for sustainable technology, HVAC Puits climatiques, Accéder 2023. Lire ici (en anglais)

(10) Green energy futures, Comment les puits climatiques permettent à la tour Epcor d’économiser 50 000 dollars par an, 2013, Lire ici (en anglais)

(11) Grobler, J., Conradie, D. C., & Van Wyk, L. V. (2019). Évaluation de l’efficacité des cheminées solaires pour le chauffage et le refroidissement : Une étude de cas., Worklist;22356 Alive2Green. Lire ici (en anglais)