Quel est le rôle du fluide frigorigène dans une pompe à chaleur ?

Le fluide frigorigène : un élément clé des pompes à chaleur

Pour les adeptes du chauffage, il est vrai qu'on en parle peu. Au moment de choisir une pompe à chaleur (PAC), on évoque plutôt la puissance, les branchements, le positionnement de l'unité extérieure, etc. Le fluide frigorigène, lui, reste dans l'ombre.

Comme indiqué plus haut, il est pourtant l'élément essentiel de votre système de chauffage, sans qui rien ne serait possible. Et pour cause, c'est à lui que revient la lourde tâche de récupérer la chaleur de l'environnement extérieur pour l'amener à l'intérieur du logement.

Sans lui, la pompe à chaleur n'aurait pas grand intérêt...

Mais comment cela fonctionne-t-il ? Quelles caractéristiques lui permettent de réaliser ce tour de force ?

Tout est affaire de thermodynamique, un nom un peu barbare pour un phénomène que nous décrivons simplement dans cet article. Alors plongeons plus en détail dans les différentes propriétés et la grande variété des fluides frigorigènes pour mieux souligner leur importance dans les systèmes de chauffage de nouvelle génération.

• Quel est le rôle exact du fluide frigorigène dans une pompe à chaleur ?
• Les grandes familles de fluides frigorigènes
• La réglementation liée aux fluides frigorigènes
• Comment choisir un bon fluide frigorigène ?

Quel est le rôle exact du fluide frigorigène dans une pompe à chaleur ?

Au coeur de toute pompe à chaleur se trouve un élément invisible qui pourtant a son importance. Nous avons en effet évoqué le fait que le fluide frigorigène était à l'origine du transfert de chaleur de l'extérieur vers l'intérieur.

Mais comment cela s'opère-t-il exactement ?

Chauffage et climatisation : le circuit frigorigène de la pompe à chaleur

C'est simple, le fluide frigorigène parvient à absorber la chaleur à basse température dans l'environnement extérieur, la transporter habilement à l'intérieur puis restituer de l'énergie thermique par le jeu des changements de température et de pression pour une chaleur douce dans le logement.

En d'autres termes, le fluide frigorigène agit comme un messager de la chaleur, faisant des allers-retours entre extérieur et intérieur et réciproquement pour vous offrir un confort optimal, tout en préservant l'environnement.

Étudions plus précisément le processus qui se déroule en 4 étapes :

• L'évaporation

Le fluide frigorigène se vaporise sous l'effet des calories présentes dans l'environnement extérieur. Ces calories lui sont amenées par le biais d'un ventilateur (pompe à chaleur aérothermique) ou de capteurs placés dans le sous-sol (pompe à chaleur géothermique).

• La compression

Le fluide est maintenant sous forme gazeuse. Il est alors comprimé par le compresseur, ce qui augmente encore sa température.

• La condensation

Le gaz chaud est acheminé vers un échangeur de chaleur traversé par le circuit de chauffage du logement.

C'est là qu'il se condense : il repasse à l'état liquide tout en transférant sa chaleur à l'eau circulant ensuite dans les radiateurs ou le plancher chauffant du logement (c'est le cas de la pompe à chaleur air-eau). Le phénomène peut également servir à augmenter la température de l'eau sanitaire utilisée dans la cuisine ou la salle de bain.

Dans le cas de la pompe à chaleur air-air, l'énergie thermique récupérée permet de chauffer directement l'air des pièces à vivre par l'intermédiaire de ventilo-convecteurs.

• La détente

Le fluide frigorigène retrouve ensuite une pression normale au niveau du détendeur, ce qui achève de le refroidir. Il peut repartir pour un nouveau cycle.

Pour être efficace, un bon fluide frigorigène doit donc être capable de s'évaporer à basse température sous pression atmosphérique, puis de transporter l'énergie thermique accumulée.

Où trouve-t-on les fluides frigorigènes dans la vie quotidienne ?

Nous venons de décrire le fonctionnement de l'unité extérieure d'une pompe à chaleur destinée à la production de chauffage. La plupart des appareils peuvent inverser leur action pour évacuer la chaleur de la maison.

Les climatiseurs fonctionnent sur ce principe. Il s'agit souvent de pompes à chaleur air-air dites réversibles.

Autres applications bien connues, le réfrigérateur et le congélateur qui présentent le même type de cycle frigorifique.

Liquide ou gaz ? Frigorigène, frigorifique, réfrigérant ? Quelles différences ?

C'est vrai qu'il y a de quoi se sentir un peu perdu ! Les choses sont pourtant plus simples qu'il n'y paraît...

Le fluide frigorigène est tour à tour liquide ou gaz au cours du cycle opérant au sein de la pompe à chaleur. C'est d'ailleurs pour cette raison que l'on parle d'un fluide de manière générale !

Voyons maintenant la définition de quelques adjectifs :

• frigorigène : se dit d'un fluide suivant un cycle permettant de prendre de la chaleur d'un milieu à basse température pour la transférer vers un autre environnement ;

• frigorifique ou réfrigérant : qui produit du froid ;

• caloporteur : se dit d'un fluide qui transporte ou évacue de la chaleur.

En bref, le fluide circulant dans la PAC peut se qualifier de frigorigène comme de caloporteur. On dit parfois la formule suivante "qu'il suit un cycle frigorifique" ou réfrigérant pour évoquer son utilisation dans les climatiseurs ou les réfrigérateurs. Mais le même cycle s’applique à la production de chauffage.

Les grandes familles de fluides frigorigènes

Leur nature chimique

On distingue plusieurs catégories de fluides frigorigènes :

• les chlorofluorocarbures (CFC),

• les hydrochlorofluorocarbures (HCFC),

• les hydrofluorocarbures (HFC),

• les hydrocarbures (éthane, propane, butane par exemple),

• les fluides inorganiques tels que l'ammoniac, l'eau ou le dioxyde de carbone.

Ces fluides peuvent être utilisés purs ou en mélanges (pour les hydrocarbures halogénés).

GWP, émissions de CO2, toxicité : l'impact des fluides frigorigènes sur l'homme ou l'environnement

Ces molécules sont par nature très volatiles puisque le fluide doit s'évaporer facilement, à basse température. Elles peuvent donc avoir un impact sur notre atmosphère.

Dans ce domaine, on regarde notamment :

• Leur potentiel de réchauffement global (PRG)

On parle également de GWP ou Global Warming Potential.

Il s'agit d'un indicateur traduisant l'impact d'un gaz sur l'effet de serre et le réchauffement de la planète. Il permet de comparer les composés par rapport à une référence commune, le CO2 ou dioxyde de carbone dont le PRG est fixé à 1.

Le PRG d'un gaz s'exprime à l'aide de la formule suivante :

PRG = tonne équivalent CO2 / tonne de gaz

En d'autres termes, un gaz ayant un PRG de 100 produira un effet de serre 100 fois plus important que le CO2 sur une période donnée.

• Leur Potentiel de Déplétion Ozone (ou ODP en anglais, Ozone Depletion Potential)

Il s'agit de déterminer dans quelle mesure un gaz spécifique est capable d'endommager la couche d'ozone. Cette fois, la référence choisie est le trichlorofluorométhane et l'indicateur fonctionne de la même manière que le précédent.

• Les risques divers

Certains fluides peuvent également présenter un danger immédiat pour l'homme. Il peut s'agir d'une certaine toxicité ou d'un caractère inflammable.

R32, R410A, R290, HFC ou encore HCFC : comment fonctionne la nomenclature ?

Pour identifier et classer les fluides frigorigènes, on emploie généralement la nomenclature établie par l'ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers).

Elle est assez complexe !

Retenez que les fluides frigorigènes sont désignés par la formule suivante :

• Par la lettre « R » comme « réfrigérants ».
• S'ensuivent une série de chiffres permettant de décrypter la structure chimique de la molécule (nombre d'atomes de carbone, d'hydrogène, de chlore ou de fluor par exemple).

Le tableau suivant reprend quelques-uns des principaux fluides frigorigènes, ainsi que leur impact sur l'environnement :

La réglementation liée aux fluides frigorigènes

Puisque ces fluides représentent souvent un danger pour l'homme ou pour l'environnement, les légistes s'en sont rapidement mêlés, interdisant certains composés ou imposant des restrictions.

Petit historique des fluides frigorigènes

• Les débuts

Nos ancêtres ne connaissaient pas vraiment les fluides frigorigènes ! Ils n'en étaient pas moins très astucieux !

La glace était récoltée pendant l'hiver puis savamment entreposée pour retarder la fonte au maximum.

Les techniques d'architecture jouaient sur la circulation ou les changements d'état de l'eau pour rafraîchir leurs habitations et conserver leurs aliments.

• Le XIXe siècle et le début du XXe

Voilà que l'on commence à produire du froid de manière plus industrielle en utilisant ce que l'on appelle les fluides naturels (eau, CO2, ammoniac, chlorure de méthyl, dioxyde de soufre, propane, isobutane, etc.)

La célèbre marque « Frigidaire » est créée en 1918 par General Motors !

Si les fluides utilisés possèdent généralement de bonnes propriétés thermodynamiques, ils présentent aussi de nombreux problèmes de toxicité, d'inflammabilité ou de mise en œuvre.

• Des années 30 au protocole de Montréal

C'est à partir de 1929 que sont découverts et développés les hydrocarbures halogénés. Plusieurs équipes de chercheurs étaient en quête de fluides à la fois efficaces et moins dangereux que leurs prédécesseurs.

Ni toxiques ni inflammables, les CFC et les HCFC sont dès lors largement utilisés, et souvent plus connus sous leur nom commercial, Fréon.

Mais leur action néfaste sur la couche d'ozone finit par poser problème. En 1987, le protocole de Montréal impose l'arrêt progressif de leur utilisation.

Les HFC, quant à eux, n'ont pas d'action sur la couche d'ozone mais contribuent à l'effet de serre. En 2016, à Kigali, un amendement au protocole de Montréal les place également sur la sellette et prévoit leur abandon.

• Le règlement F-Gaz ou 517/2014

Il est propre à l'Union Européenne et vise à la réduction des gaz à effet de serre (diminution d'au moins 55% d'ici 2030, ainsi que mentionné dans le Pacte Vert). Il s'harmonise également avec le protocole de Montréal et son amendement en organisant la quasi-disparition des HFC.

Quels seront les fluides frigorigènes les plus utilisés à l'avenir ?

Si tout est interdit, comment donc allons-nous chauffer ou refroidir nos maisons ?

Il reste d'autres options, notamment l'utilisation de HFO, ou hydrofluoro-oléfines. Ces nouveaux fluides possèdent une durée de vie très courte dans l'atmosphère et présentent un PRG proche de 1. Leur mise en œuvre demande cependant quelques précautions en raison d'un léger caractère inflammable.

Les fabricants travaillent également sur l'utilisation de mélanges, ou des fluides purs dits naturels, tels que le propane (voir le paragraphe consacré au fluide R290), avec, là encore, quelques contraintes de mise en œuvre.

La certification permettant de manipuler les fluides frigorigènes

Outre les restrictions et interdictions, d'autres précautions sont prises pour éviter toute émission de fluides frigorigènes dans l'atmosphère.

La réglementation F-Gaz a engendré de nombreuses règles concernant leur manipulation au niveau national. Des contraintes s'appliquent à tous les acteurs de la chaîne :

• Les installateurs d'équipements contenant les fluides frigorigènes concernés (prenons le cas de la pompe à chaleur)

Leur entreprise doit être détentrice d'une attestation de capacité délivrée par un organisme agréé. Chaque professionnel doit lui-même obtenir un certificat d'aptitude à la manipulation des fluides et effectuer un suivi méticuleux de chaque intervention.

• Les propriétaires d'équipements

Ils sont tenus de faire appel à des installateurs agréés et de demander des contrôles réguliers d'étanchéité, afin de limiter tout risque de fuite.

Si vous possédez une pompe à chaleur pour le chauffage de votre maison, un entretien annuel est suffisant.

• Les distributeurs de fluides

Ils tiennent le compte des quantités de fluides vendus et vérifient les attestations des acheteurs.

• Les distributeurs d'équipements

Ils proposent des appareils préremplis et s'assurent de leur traçabilité.

La récupération et le recyclage des fluides frigorigènes

Les contraintes précédentes permettent donc de tracer le moindre kilo de fluide frigorigène de type HFC. La récupération et le recyclage sont également soumis à de nombreuses règles.

Les distributeurs de fluides doivent par exemple fournir les emballages nécessaires et reprendre gratuitement les quantités usagées.

Tout est fait pour que le risque de dommage environnemental soit, au final, le plus faible possible.

Comment choisir un bon fluide frigorigène ?

Les caractéristiques d'un bon fluide frigorigène

Au moment de sélectionner un fluide frigorigène pur ou en mélange pour équiper pompes à chaleur et autres systèmes de production de froid, les fabricants considèrent plusieurs critères :

• Les propriétés thermodynamiques

C'est un critère essentiel ! Les propriétés thermodynamiques déterminent l'efficacité du fluide frigorigène dans la fonction qui lui est assignée. Parmi elles, la température d'évaporation à pression atmosphérique et la conductivité thermique.

• Les propriétés techniques diverses

Le fluide doit par exemple être compatible avec les matériaux utilisés pour fabriquer l'équipement.

• L'impact environnemental

Le fluide ne doit pas s'attaquer à la couche d'ozone et présenter un PRG aussi faible que possible afin de limiter l'effet de serre.

Il en va de la réputation des pompes à chaleur ! Elles ont en effet été développées pour offrir une alternative plus vertueuse aux systèmes traditionnels, utilisant des combustibles fossiles.

• La sécurité

Le fluide frigorigène doit être facilement manipulable, sans danger pour l'homme (toxicité ou inflammabilité).

• L'aspect économique

Dernier point important, le fluide doit être facilement disponible, sans augmenter drastiquement le coût total de l'installation.

Focus sur le fluide frigorigène R290

Sur la base de ces critères, Saunier Duval a équipé plusieurs de ses pompes à chaleur du fluide R290.

Il présente d'excellentes qualités techniques et thermodynamiques pour garantir aux appareils un très bon rendement. Sans effet sur la couche d'ozone, il possède également un PRG limité à 3, largement inférieur aux valeurs des fluides frigorigènes traditionnels.

Le fluide R290 n'est pas soumis à la réglementation F-Gaz et ne nécessite aucune démarche spécifique auprès des distributeurs.

Son utilisation est par ailleurs entièrement sécurisée : le circuit frigorigène est scellé dans l'unité extérieure et l'installation n'exige aucune manipulation du composé.

En un mot, le fluide R290 est notre nouveau héros, œuvrant en silence à votre confort thermique et sanitaire !

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