Un tube souterrain est un tube enterré qui chauffe ou refroidit l'air qui s'y déplace. Les tubes souterrains peuvent être en circuit fermé où ils prennent l'air de l'intérieur d'une structure, le font circuler dans une boucle souterraine avant de le renvoyer à la structure, ou en circuit ouvert qui prend l'air de l'extérieur et l'amène dans la structure, ou en circuit ouvert à contre-courant où l'air est amené et l'air intérieur est évacué dans des tubes souterrains séparés. L'air peut être déplacé passivement par convection ou activement par des ventilateurs (souffleurs d'air). Le fait que l'air soit chauffé ou refroidi dépend de la température de l'air extérieur par rapport à la température intérieure et, surtout, de la température du sol à la profondeur à laquelle le tube est enterré. Cet article se concentre principalement sur les systèmes ouverts.
Contenu
Synonymes
Échangeurs de chaleur sol-air (EAHX / EAHE), [1] Échangeurs de chaleur géothermiques, [1] Canaux souterrains, [1] Échangeurs de chaleur à tubes souterrains (ETHE), [2] Échangeur de chaleur sol-air (GAHE), [3]
Théorie de base
Changements dans la température de l'air
La température de l'air à la surface de la Terre est soumise à des changements constants en raison des conditions météorologiques, du cycle jour/nuit et du cycle saisonnier. Par exemple, lorsqu'il fait beau, la température de l'air est plus élevée que lorsqu'il fait nuageux. La température de l'air baisse également la nuit. Les saisons sont créées par l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre lorsqu'elle tourne autour du Soleil. Dans les régions tempérées et polaires, pendant une partie de l'année, certains endroits seront inclinés vers le Soleil. Les jours sont plus longs et l'énergie de chauffage reçue par unité de surface est plus importante. Dans l'hémisphère nord, c'est en mai, juin et juillet et dans l'hémisphère sud, c'est en novembre, décembre et janvier. 6 mois plus tard, le même endroit sera incliné à l'opposé du soleil et les jours seront plus courts. Les régions équatoriales ne connaissent pas de changements significatifs dans les heures de clarté tout au long de l'année. Les caractéristiques macro et micro géographiques peuvent également avoir une forte influence sur la température de l'air à un endroit donné.
Changements dans la température du sol
La température de la terre réagit à ces changements de température de surface, car la chaleur est progressivement conduite à travers le sol. Cependant, la terre prend du temps pour se réchauffer et se refroidir, et donc la température de la terre est en retard par rapport à tout changement de température de l'air de surface (c'est-à-dire que la terre agit comme une masse thermique ). [4] Plus on s'enfonce dans la terre, plus les changements de température du sol doivent pénétrer en profondeur, et les changements constants de la température de l'air de surface commencent à s'émousser et à se fondre. [5] Plus important encore, cela signifie que la température du sol pendant la saison chaude sera plus froide que la température de l'air de surface, et inversement, la température du sol pendant la saison froide sera plus chaude que la température de surface. [6]
Température constante de la terre profonde
À une certaine profondeur, même les variations de température entre l'hiver et l'été s'équilibrent. On parle parfois de « température constante de la Terre profonde » [5] ou de « facteur de correction d'amplitude » [7] . En dessous de cette profondeur, la température de la Terre commence à augmenter progressivement, car de la chaleur monte également de l'intérieur de la Terre. [6] Les mesures exactes de cette température constante de la Terre profonde varient (peut-être en fonction de la situation géographique). Par exemple, dans le Montana, aux États-Unis, à 6 mètres de profondeur, la température est stable toute l'année à 7 degrés Celsius. [5] Au Royaume-Uni, elle se situe entre 8 et 11 °C à environ 15 mètres de profondeur. [6] La profondeur peut également varier en fonction du niveau d'humidité du sol (4,25 m, 5,5 m et 6,7 m pour les sols secs, moyens et humides respectivement). [7]
Échange de chaleur entre l'air et la terre
Lorsque l'air circule passivement dans le tube terrestre (par convection) ou activement à l'aide de ventilateurs/souffleurs d'air, toute différence de température entre l'air et la terre entourant le tube commence à s'égaliser. En effet, si l'air circule dans un tube suffisamment long, la température de l'air du tube tendra vers la température du sol environnant.
Pendant la saison chaude, l'air extérieur est plus chaud que la température du sol sous la surface. L'air extérieur qui pénètre dans un tube souterrain (de refroidissement) sera refroidi dans une certaine mesure. Cet air réchauffé pénètre ensuite à l'intérieur de la structure, fournissant de l'air frais et frais.
Pendant la saison froide, la température du sol sous la surface est plus chaude que la température de l'air à la surface, et donc l'inverse se produit : l'air dans le tube terrestre est réchauffé avant de pénétrer à l'intérieur, ce qui assure la ventilation et réduit le besoin d'autres mesures de chauffage.
Composants et considérations
Il n'existe pas de standardisation en termes de matériaux ou de conception. [3] C'est peut-être la raison pour laquelle certains fonctionnent et d'autres non, et pourquoi les opinions sur les tubes terrestres varient considérablement.
Admission
Les systèmes ouverts comportent par définition une prise d'air externe. Également appelé collecteur, [2] il peut prendre la forme d'une tour d'admission d'air verticale. [3] Les tours d'admission nécessitent un capot anti-pluie. [3] Il est conseillé d'installer un filtre ou un écran pour empêcher les insectes et les animaux de pénétrer dans le tube. [ 3] Il est judicieux de le placer à l'écart des odeurs et des polluants. [3] L'admission doit permettre l'élimination de la condensation. [5]
Si le tube souterrain est destiné au refroidissement, le capteur doit être placé dans une zone ombragée près d'un lac ou d'une rivière. [2] Si le tube souterrain est destiné au chauffage, le capteur sera mieux placé en plein soleil, loin de tout grand plan d'eau. [2] L'admission d'un système à contre-courant doit être positionnée de manière à ne pas aspirer l'air vicié et évacué par la sortie. [5] L'admission peut être orientée vers le vent dominant pour encourager l'entrée d'air passive. [8]
Matériau du tube
Les tuyaux en polychlorure de vinyle (PVC) sont courants car ils sont bon marché [5] et ne se dégradent pas lorsqu'ils sont enterrés (du moins pas pendant longtemps). Le béton a été utilisé et, bien qu'il résiste aux forces exercées sur lui par l'enfouissement et ne rouille pas ou ne se dégrade pas facilement, le béton évacue l'humidité. L'acier a également été utilisé, qui peut être galvanisé pour éviter la rouille.
La valeur R du matériau du tube est un élément à prendre en compte, c'est-à-dire que plus la valeur est faible, mieux c'est, car une bonne conductivité thermique est souhaitée. L'épaisseur de la paroi du tube affecte également la conductivité thermique, un tube plus fin conduisant mieux la chaleur entre les sols environnants qu'un tube plus épais, bien que des tubes plus fins réduisent la résistance. Les tubes plus fragiles peuvent être endommagés après le remblayage de la tranchée, à mesure que la terre se tasse. Placer du gravier compacté sous le tube peut aider à le soutenir. [5]
Surface interne du tube
La surface interne du tube peut être recouverte d'un matériau antimicrobien. [3] Elle doit être lisse plutôt que ondulée pour offrir moins de résistance au flux d'air.
Diamètre du tube
La plupart des systèmes ont tendance à utiliser des tubes d'un diamètre compris entre 10 cm (4 pouces) et 45 cm (8 pouces). [5]
Longueur du tube
Trop court et l'air ne sera pas suffisamment ajusté à la température de la terre entourant le tube. [3] Trop long et la pression de l'air chutera. [3]
Coût
Le coût financier est variable. Un chercheur a conclu qu'un système typique coûte entre 2000 et 3000 dollars canadiens (en 2001). [1] Un coût important peut être l'excavation de la terre. [1] Il peut y avoir un coût permanent si le système est doté de commandes actives, [1] ou de composants tels que des ventilateurs.
Retour sur investissement
Un chercheur a conclu que le temps moyen nécessaire pour que les économies d'énergie couvrent le coût initial était long (par exemple 9 ans ou 10 à 20 ans). [1]
Problèmes et inconvénients
Les problèmes liés aux tubes de terre sont généralement difficiles à corriger une fois qu'ils sont installés. [1] De nombreux systèmes qui ont rencontré des problèmes ont été mis hors service et scellés. [1]
Humidité et croissance des micro-organismes
L'humidité et la moisissure peuvent être présentes dans les systèmes à tubes géothermiques. Certains affirment que cela est dû à des systèmes mal conçus, mal installés, mal exploités et mal entretenus ; [1] d'autres concluent que le risque de détérioration de la qualité de l'air intérieur est important et que la technique ne peut être justifiée compte tenu des économies d'énergie limitées qu'elle permet. [9]
L'eau de pluie peut s'accumuler à l'intérieur des tubes souterrains [9] s'ils sont mal conçus. Cependant, l'humidité de l'air peut également se déposer à l'intérieur du tube sous forme de condensation lorsque l'air se déplace à travers. Cela se produit le plus souvent lorsque l'air est chaud et humide et que la terre est froide. [1] Les tubes de refroidissement de la terre peuvent donc bénéficier d'une déshumidification, en particulier dans les climats chauds et humides. [10] L'humidité peut entraîner la croissance de micro-organismes, en particulier de moisissures à l'intérieur du tube. [10] Cette moisissure libère des spores qui sont transportées par l'air dans la maison. Cela peut entraîner une odeur de moisi et même causer des problèmes de santé. [10] Des spores aériennes de penicilium, d'aspergillus fumigatus, d'aspergillus versicolor et d'aspergillus niger ont été détectées à l'intérieur d'une maison passive avec des tubes souterrains en Belgique. [9] Les occupants ont dû déménager en raison de problèmes de santé chroniques qui ont ensuite été résolus. [9]
Références
- ↑Aller jusqu'à :1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.10 Systèmes de ventilation à tubes géothermiques - Applicabilité au climat canadien. Didier Thevenard. Société canadienne d'hypothèques et de logement 2011
- ↑Aller jusqu'à :2.0 2.1 2.2 2.3 Down to Earth - Une « exhumation » des échangeurs de chaleur à tubes géothermiques. Robert Bean 2010. Publié à l'origine dans HPAC Canada, hébergé sur healthyheating.com
- ↑Aller jusqu'à :3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 Qu'est-ce qu'un échangeur de chaleur sol-air ? Ziger / Snead Architects 2010
- ↑ Maisons souterraines : comment construire une maison souterraine abordable. R Roy. New Society Publishers, 2006
- ↑Aller jusqu'à :5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 Stockage passif annuel de chaleur : améliorer la conception des abris en terre. John Hait. 2013
- ↑Aller jusqu'à :6.0 6.1 6.2 Pompes à chaleur géothermiques : développement de rapports géographiques pour la caractérisation potentielle des sites, numéro 1.2 . Ian Gale. British Geological Survey 2005.
- ↑Aller jusqu'à :7.0 7.1 Équipements mécaniques et électriques pour les bâtiments. Walter T. Grondzik, Alison G. Kwok 2014
- ↑ Référence de poche sur l'architecture solaire passive. D Thorpe. Earthscan de Routledge, 2018
- ↑Aller jusqu'à :9.0 9.1 9.2 9.3 Une maison passive belge rendue inhabitable par un air intérieur de mauvaise qualité . Martin Holladay. Green Building Advisor 2012
- ↑Aller jusqu'à :10.0 10.1 10.2 La maison solaire : chauffage et refroidissement passifs. Daniel D Chiras. Chelsea Green Publishing, 1er octobre 2002. p 177
