Pour le puits canadien, econologie donne tous les moyens de calculer .
Physique complexe que j'essaye d'expliquer en ordre de grandeur simple, voire esquissé.
En général les puits canadiens sont sous dimensionnés !!!
Ici 60m2 de serre avec au moins 20kW (60 à 1kW/m2 réduit à 20 avec l'inclinaison du soleil, des pertes ou évalué en disant que 1/3 de la surface inclinée vers le soleil reçoit à fond ces 1kW/m2 ) entre 10h et 18h soit 8h de soleil intense qui chauffe.
Il faut donc évacuer au max 8kWh/m2 soit sur 60m2 480kWh par jour au max par canicule très forte.
Les tables avec les jours à nuages donnent en moyenne 4 à 5KWh/m2 en été région méditerranée, de mémoire.
Donc il faut évacuer 300 à 480 kWh par jour, de la serre au puits canadien, ou dans le tube mis sous terre.
Or il s'agit d'échange air circulant venant de la serre vers solide, plastique puis terre .
Ce qui limite le plus à court terme, c'est la faible conductivité de l'air, 0,026W/m°C par rapport à celle de solide typique comme argile 1W/m°C . qui passe de 1,28 à 0,52 avec humus !!
Voir la
table à fond des conductivité, chaleur spécifique et diffusivité dans :
http://fr.wikipedia.org/wiki/Diffusivit%C3%A9_thermique
(ma marotte, très utile)
Donc l'air est environ 30 fois moins conducteur que la plupart des matériaux usuels non métalliques.
Heureusement, l'air circulant, par convection ou circulateur a un écoulement turbulent, mélangeant tout, de sorte que la chaleur circule vite à la vitesse de cet air multiplié par sa capacité thermique.
Mais il reste contre toute surface
une fine couche limite visqueuse, sans turbulence typiquement autour du cm de 0,1 à 1cm suivant la turbulence et la vitesse de l'air. L'épaisseur diminue lentement avec la vitesse de turbulence. Aussi prendre environ 0,3cm est un choix simple pour se repérer et calculer les ordres de grandeur et éviter des facteurs 10 d'erreurs par ailleurs !!!.
Ces 0,3cm d'air isolant sur un échangeur, radiateur, tube de puits canadien, conduisent la chaleur avec le flux de 0,026W/m2 pour 1m d'épaisseur d'air et donc pour 0,3cm 1/0,03= 333 fois plus soit 0,026/0,003=8,66W/m2°C environ, valeur plus fiable à faible vitesse de l'air et plus élevée à grande vitesse, comme avec du mistral.
Mais cela fixe
l'ordre de grandeur réel à retenir environ 10W/m2°C
Donc si on veut évacuer la chaleur avec 10°C de différence on a un flux environ 100W/m2=0,1KW/m2,
10 fois moins que la puissance apportée par la soleil pour la même surface, (cas puits canadien avec air à 30°C vers terre à 20°C ) et si on a un radiateur en hiver c'est de l'eau dedans à 70°C vers 20°C ( au max ) soit 50°C de différence donc 5 fois plus, soit 500W/m2 .
Les radiateurs du commerce ont plusieurs couches d'air circulant par convection de façon à donner plus, et ceux de voiture très efficaces, ont une multiplication de la surface très finement divisée et une grande vitesse d'air dedans entre parois très proches, (mm, réduisant l'épaisseur d'air isolant à moins du mm, donc avec un flux 10 fois plus élevé).
Aussi pour évacuer vers une terre froide les 20KW avec 0,1KW/m2 il faut 20/0,1=200m2 de surface de tube dans le puits canadien.
Donc tube le plus gros possible et le plus long possible.
Cela explique pourquoi la plupart des puits canadien sont sous dimensionnés.
Une circulation d'eau est plus efficace, mais pas miraculeuse..
Donc il faut au mini mini une surface de tube au moins égale à celle de la serre, et idéalement 5 à 10 fois plus.
Un tube de 100mm usuel a une surface de 0,1xpixL=0,314m2/m de longueur et donc 1m2 par 3,18m de tube , ce qui montre qu'il faut au mini mini pour la surface de la serre 60m2 environ 191m de tube et 3 fois plus pour 200m2 d'échangeur.
C'est beaucoup, et il faut que si on met les tubes proches les uns des autres ils soient espacés de plus que la longueur de diffusion de la chaleur sur la durée de la canicule, pour l'argile, environ 1mm pour 1seconde, 100mm pour 10000=100x100=2,7h et 1m au bout de 1000x1000s=1million de secondes soit 11jours,57 qui peut être pris comme durèe de canicule à Nîmes à mon avis sauf en 2003.
Donc il faut des tubes de plus gros diamètre possible, vu le prix, et de longueur max possible, et espacés de 1m voire 0,5m si terre avec plein d'humus, (cannelé augmente la surface, mais pose des problèmes d'évacuation de
la condensation, énorme et une véritable vacherie à évacuer, ( sinon pourriture épouvantable ) ) , à évacuer avec pente de quelques % vers collecteurs adéquats à nettoyer souvent.
Toute l'eau évaporée dans la serre se retrouvera dedans les tubes, donc à 40°C, énorme, m3 d'eau, à remettre dans la serre !!!
Point essentiel à respecter avec grand soin, un écoulement par gravité est fondamental !!!
Si sous dimensionné, la serre se refroidira un peu mais pas assez comme désiré !!!!
Un radiateur de voiture peut évacuer des dizaines de KW en chauffant l'eau au max (80°C , voire 100°C, 6 à 8 fois plus de flux, en sens inverse de celui du moteur ) , mais la chaleur est à évacuer vers la terre qui conduit beaucoup moins, mais 40 fois plus que l'air.
Enfin, deuxième étape il faut évaluer le comportement de la terre ainsi chauffée, par cet air, dans le tuyau, ce qui relève de la diffusion thermique dans la terre, pour évacuer cette chaleur de plus en plus lentement avec le temps :
http://fr.wikipedia.org/wiki/Diffusivit%C3%A9_thermique
et surtout :
http://fr.wikipedia.org/wiki/Conduction_thermique
essentiel, mais d'un niveau de plus en plus élevé en lisant.
Aussi j'en donne
l'idée directrice cruciale :
1) la chaleur pénètre de plus lentement comme
la racine carrée du temps :
D =1mm2/s environ à un facteur 10 près
soit 1mm en 1s 100mm en 100x100=10000s= 2,7h et 1m en 1000x1000=1millions de secondes, soit 11jours,7
ceci à un facteur Racine carrée de 10 égale à 3 près !!! suivant le matériau sauf les métaux .
La figure montre ce ralentissement en racine du temps de la pénétration et aussi du flux thermique, fort au début et qui ralentit, pouvant donner l'impression que cela ne marche plus du tout à temps long !!
Donc le volume chauffé est comme le volume de terre sur cette longueur de diffusion thermique.
Mais aussi le flux thermique où débit de chaleur évacuée décroit comme la racine carrée du temps !!!
et donc l'efficacité du puits canadien décroit pareillement, forte au début mais bien moins bonne 11 jours après, le puits devenant bien chaud.
Ceci est inévitable. Si pas trop profond la terre est refroidie la nuit pour prendre une moyenne entre jour et nuit.
Un jour de période, comme oscillations entre jour et nuit, donne un temps donne sur 24x3600=86400s une distance de diffusion de
http://fr.wikipedia.org/wiki/Diffusivit%C3%A9_thermique
avec la pulsation Omega=2xPixT et T la période égale ici à 1jour=86400s
et la diffusion D=1mm2/s=10^-6.m2/s
delta=rac(2D/Omega)=rac(DxT/pi)=0,166m diffusion sur 8h environ.
Ainsi, on moyenne la température entre jour et nuit à une profondeur d'environ une à deux fois cette profondeur, environ 20 à 30cm (moins si c'est de l'humus avec de l'herbe épaisse dessus, nettement plus isolant )
Ainsi il est bon de mettre une
moitié environ des tuyaux peu profond à 20 à 30cm pour utiliser le froid de la nuit qui refroidit la terre à la moyenne sur un jour (30°C par canicule) et évite de surchauffer la terre, jamais refroidie vite à plus grande profondeur de 1 m sur moins de 11 jours.
Vu la longueur de diffusion plus courte pour jour vers nuit, on peut les mettre,
ces tuyaux plus proches entre eux, environ 30 à 40cm, tant qu'on veut refroidir le jour avec le froid de la nuit.
Le temps de refroidissement est voisin de celui passé pour l'échauffement, en diffusion.
Les tuyaux bien longs ainsi doivent être séparés entre faible et grande profondeur, pour les utiliser suivant besoins, avec
pente uniforme d'écoulement de condensation efficace dans de grands récipients, (comme pour la pluie et même pompe de récupération pour arrosage )
Il y a bien plus sur econologie, en particulier une thèse suisse épaisse très détaillée et fondamentale.
Mais il est fondamental de penser que c'est souvent sous dimensionné et la condensation une horreur à bien évacuer !!!
