Les échangeurs air-sol et leurs applications

L’échangeur air-sol, aussi appelé puits canadien ou puits provençal, semble avoir été découvert 3000 av. J.-C., alors que les premières structures, nommées hypocaustes, étaient utilisées pour le refroidissement naturel des bâtiments (Bahadori, 1979, cité dans Goswami et Ileslamlou, 1990). Le principe est simple : faire circuler un flux d’air dans un conduit enfoui dans le sol, où les variations de température sont moins importantes qu’à l’ambiant. En puisant ou rejetant la chaleur dans le sol, il est possible de préchauffer ou pré-refroidir l’air qui y passe avant de l’introduire dans le bâtiment.

L’appellation « puits canadien » aurait fait son apparition en 1977 par l’architecte français Claude Michmacher (Dupuis, 2012). Le fonctionnement des ÉAS est tributaire de l’inertie thermique du sol, comme le sont les autres systèmes géothermiques. Il est ainsi possible, en enfouissant un tube à une profondeur suffisante, de bénéficier d’une température du sol qui s’avère beaucoup plus stable que la température extérieure qui, elle, peut fluctuer de près de 60 °C entre le maximum et le minimum saisonnier, dans le cas du climat canadien. La Figure 1-3 montre une comparaison entre la température ambiante et la température du sol à des profondeurs de 1, 3 et 10 m pour la ville de Montréal. La température du sol a été estimée à partir de l’équation 1.2, d’abord développée par Kasuda et Achenbach (1965), puis mise à jour par Labs (1989). Il est possible de constater qu’à plus grande profondeur, l’onde de la température du sol est de plus en plus amortie et déphasée par rapport à la température en surface.

Échangeur air-sol

L’ÉAS doit être dimensionné pour traiter soit le débit d’air devant alimenter serpentin extérieur de la PàC ou encore l’air neuf du bâtiment. Deux différences fondamentales distinguent ces deux modes de fonctionnement. D’abord, le débit pour alimenter la PàC est plusieurs fois plus élevé que celui pour alimenter le bâtiment. Un échangeur plus grand doit donc être conçu pour alimenter la PàC. Bien entendu, cette configuration présentera un coût de mise en œuvre plus élevé. L’autre facteur qui différencie les deux modes de fonctionnement est la constance du débit à traiter. En effet, alors que le débit d’air neuf à fournir au bâtiment est continu, le fonctionnement de la PàC fait quant à lui en sorte que le débit d’air est intermittent. Un des avantages de la combinaison de l’ÉAS et de la PàC est l’atténuation des risques sur la santé qu’entraîneraient une mauvaise construction de l’ÉAS et l’accumulation d’humidité et de moisissures qui en découlerait. De ce fait, comme l’air n’est pas admis dans le bâtiment, il y a moins de risque pour la santé des occupants.

Le dimensionnement d’un ÉAS est difficile à réaliser en raison des multiples paramètres qui l’influencent. Par contre, Hollmuller (2002) a formulé quelques règles du pouce pour le dimensionnement préliminaire d’un ÉAS. Il a aussi mis en évidence que le caractère diffusif de l’échange thermique dans le sol amène deux phénomènes important pour la conception, soient l’amortissement et le déphasage de l’onde thermique. L’amortissement signifie que l’onde thermique est aplanie et que les crêtes de températures sont réduites, alors que le déphasage signifie que les crêtes sont décalées dans le temps. De plus, Hollmuller (2002) fait une distinction entre l’amortissement journalier et annuel, lequel vient modifier la profondeur de pénétration thermique. Ainsi, en connaissant le débit d’air à traiter, la diffusivité thermique du sol et la période d’amortissement de l’onde thermique, il est d’abord possible de déterminer la profondeur de pénétration thermique, tel que le montre l’équation (2.1) 0 .

Choix du matériau

Le choix du matériau du tube n’influence pas significativement l’échange thermique en raison de la faible épaisseur du tube (Ascione, Bellia et Minichiello, 2011; Badescu, 2006; Bansal, Misra, Das Agrawal et Mathur, 2009). Des considérations économiques et sanitaires doivent par contre être respectées. Des tubes ondulés, d’acier ou de plastique, représentent généralement l’option la moins onéreuse, mais présentent des inconvénients notables, tel qu’une importante perte de charge qui entraînerait une forte consommation des ventilateurs. De plus, les sillons de ces tubes favorisent l’accumulation d’eau, pouvant mener à une prolifération de bactéries qui dégraderaient la qualité de l’air. Des tubes de plastique lisses sont donc recommandés pour réduire ces risques, et offrent l’avantage d’être résistants à la corrosion. Le polychlorure de vinyle (PVC) et le polyéthylène à haute densité (PEHD) sont deux options possibles. Le PVC peut par contre libérer des émanations nocives pour la santé. De plus, les tubes de PVC semblent coûter plus cher que les tubes de PEHD. Des tubes d’acier ou de fonte seraient une option intéressante en raison de leur plus forte conductivité thermique, mais tel que mentionné précédemment, la faible épaisseur des tubes fait en sorte que l’utilisation de matériaux à forte conductivité thermique n’est pas justifiée. Finalement, des tubes de PEHD annelés à l’extérieur seulement représenteraient une option intéressante puisqu’ils permettent d’augmenter la surface d’échange à l’extérieur du tube. En revanche, leur épaisseur est plus grande et augmente leur résistance thermique, et les raccords de ce type de tube ne sont pas parfaitement étanches, laissant l’installation vulnérable aux infiltrations d’eau et de radon présents dans le sol. Le choix de matériau de tube pour les simulations s’arrête donc sur les tubes lisses de PEHD. Une analyse économique sera par contre réalisée après avoir optimisé la configuration de l’ÉAS pour vérifier si le coût du matériau des tubes influence significativement la rentabilité du système.

Dimensionnement de l’ÉAS pour les cas étudiés Le caractère diffusif de l’échange thermique avec le sol introduit deux phénomènes dont il est possible de tirer avantage : l’amortissement et le déphasage de l’onde thermique. D’abord, comme la température du sol à plus grande profondeur est relativement stable, il est possible d’amortir les crêtes de température journalières ou saisonnières, tel que décrit précédemment. Il est alors possible, pour un ÉAS suffisamment long, d’obtenir une température de sortie bien plus stable que la température ambiante. Le déphasage apparait quant à lui lorsque le pic saisonnier se déplace, faisant en sorte que la température maximale est observée à la fin de l’été ou au début de l’automne, et la température minimale à la fin de l’hiver. Il serait notamment intéressant de tirer profit de ce phénomène pour améliorer les performances de la PàC au début de la saison de chauffage. L’amortissement journalier serait intéressant si le système à l’essai fonctionnait à une température moyenne à peu près constante toute l’année, ce qui n’est pas le cas ici.

Nous nous concentrerons donc sur l’amortissement de l’onde annuelle, c’est-à-dire l’obtention d’une température de sortie qui se rapproche de la température moyenne du sol. Ainsi, il sera possible de réduire l’amplitude de température de sortie par rapport à celle observée pour la température ambiante, permettant de faire fonctionner la PàC à des températures où elle présente une meilleure efficacité. Le Tableau 2-6 montre les diamètres, les surfaces d’échange et les longueurs de tubes nécessaires, de même que la superficie et le volume d’excavation d’un échangeur cylindrique traitant le débit d’air neuf du bâtiment ou de la PàC. Une profondeur d’enfouissement de 3 m est considérée, de même qu’une largeur minimale d’excavation de 1 m ou de deux fois le diamètre du tube. Le débit de 4000 m3/h correspond à celui alimentant l’unité extérieure de la PàC, alors que le débit de 330 m3/h correspond à celui qui alimente le bâtiment en air neuf par l’entremise du VRC. Le cas qui considère le débit de 4000 m3/h sera identifié comme le cas #2 à partir du chapitre 3, alors que le cas traitant 330 m3/h sera identifié comme le cas #3.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Le fonctionnement des pompes à chaleur à air
1.2 Les échangeurs air-sol et leurs applications
CHAPITRE 2 DESCRIPTION DU SYSTÈME
2.1 Bâtiment
2.2 Pompe à chaleur
2.3 Échangeur air-sol
2.3.1 Modèle numérique de l’ÉAS
2.3.2 Choix du matériau
2.3.3 Dimensionnement de l’ÉAS pour les cas étudiés
2.4 Ventilateur-Récupérateur de chaleur
CHAPITRE 3 COMPARAISON DES CAS DE RÉFÉRENCE
3.1 Environnement TRNSYS
3.2 Bâtiment
3.3 Échangeur air-sol
3.3.1 Amortissement de l’onde saisonnière
3.4 Cas #1 – Bâtiment et pompe à chaleur
3.5 Cas #2 – Bâtiment, pompe à chaleur et échangeur air-sol
3.6 Cas #3 – Bâtiment et échangeur air-sol
3.7 Cas #4 – Alimentation hybride
3.7.1 Cas #4b – Alimentation de la PàC, cycle économiseur et apport d’air neuf au VRC
3.8 Calcul des pertes de charge de l’ÉAS
CHAPITRE 4 ÉTUDE PARAMÉTRIQUE DU SYSTÈME
4.1 Introduction
4.2 Alimentation de la pompe à chaleur
4.2.1 Étude paramétrique sur le cas #2a
4.2.2 Étude paramétrique sur le cas #2b
4.3 Étude paramétrique sur le cas #3
CHAPITRE 5 ANALYSE ÉCONOMIQUE
5.1 Calcul de la rentabilité simple
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES