Choisir sa pompe à chaleur : quel est le meilleur type de fluide frigorigène ?

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Le réfrigérant est au cœur de chaque pompe à chaleur. Il s’agit du gaz qui est comprimé pour pomper la chaleur qui réchauffe votre maison. Mais les différentes marques de pompes à chaleur contiennent des réfrigérants différents. Le choix du fluide frigorigène influe sur les performances, la facilité d’entretien et l’impact environnemental des pompes à chaleur. Il est donc important de bien comprendre comment le type de fluide utilisé dans votre installation va impacter le coefficient de performance de votre pompe à chaleur. En outre, au-delà de la simple performance calorifique ; certains des fluides utilisés sont absolument pas écologiques (leur capacité d’effet de serre est beaucoup plus importante que le CO2 rejeté par votre chaudière gaz par exemple) ; et il convient donc de les éviter pour ne pas aggraver encore plus ce que l’on voulait éviter en passant à un chauffage plus écologique. Alors pour un choix de pompe à chaleur plus responsable, voici un nouvel article de notre dossier  » Pourquoi une pompe à chaleur » !

Que sont les réfrigérants ? Un élément central du fonctionnement de votre PaC

Réfrigérants : une définition

Les liquides qui sont utilisés dans le processus du cycle de réfrigération sont appelés fluides (puisqu’ils sont liquides) calorifiques (puisque leur température va changer selon qu’ils se condensent ou s’évaporent.). Ils sont couramment utilisés dans les systèmes de climatisation et les pompes à chaleur. Les fluides frigorigènes étant toxiques, inflammables et responsables de la disparition de la couche d’ozone, ils sont très réglementés par les autorités concernées. Vous vous posez peut-être une question ! Si les réfrigérants sont toxiques, comment puis-je les choisir ? Un fluide frigorigène idéal et responsable doit être non corrosif, non toxique, ininflammable et ne pas participer à l’effet de serre – du moins pas plus que le CO2 rejeté par une installation traditionnelle. Voyons comment les réfrigérants fonctionnent dans la pompe à chaleur.

Comment fonctionnent les réfrigérants dans les pompes à chaleur ?

Comme nous l’avons vu plus haut, les réfrigérants sont les plus utilisés dans le cycle de réfrigération. En dehors des différents types de systèmes de chauffage et de refroidissement, tous les réfrigérants fonctionnent de manière similaire – et vous pouvez avoir plus de détail en consultant mon article « comment fonctionne une pompe à chaleur ». Pour faire un rapide résumé de cet article : les réfrigérants passent entre les principaux composants que sont le compresseur, le condenseur, le dispositif d’expansion et l’évaporateur pour générer / absorber de la chaleur en jouant sur le changement d’état du fluide de liquide à gazeux.  

Les types courants de réfrigérants ont un point d’ébullition bas par rapport à l’eau. Cela leur permet de s’évaporer en peu de temps et avec une utilisation minimale d’énergie thermique.

L’idée derrière cela est donc de jouer sur l’état du liquide en jouant sur sa pression : à forte pression, le fluide est liquide, a pression ambiante, le fluide est gazeux. Or quand il se condense (passe de gazeux à liquide), il émet de la chaleur et quand il s’évapore (passe de liquide a gazeux) il absorbe la chaleur (et « produit donc du froid »).

Ainsi une pompe à chaleur va jouer sur cela en augmentant ou absorbant la chaleur présente dans un système rempli d’un liquide qui transporte les calories (donc le froid ou le chaud). En mode chauffage, la pompe va chauffer le liquide caloporteur (qui transporte les calories) en provoquant la condensation du fluide via son compresseur et le condenseur. Le froid généré par l’évaporation du fluide sera lui évacué à l’extérieur de la maison. En mode climatisation, c’est la même chose, mais en sens inverse, cette fois-ci le circuit interne de la maison sera refroidi et la chaleur rejetée à l’extérieur de la maison.

Comment choisir sa pompe à chaleur en évaluant son réfrigérant ?

Quels sont les facteurs importants a prendre en compte pour bien choisir son fluide réfrigérant ?

  • Le niveau de toxicité est faible.
  • Propriété d’ininflammabilité.
  • Son potentiel d’appauvrissement de la couche d’ozone est nul.
  • Potentiel d’effet de serre très faible.
  • Excellentes propriétés thermodynamiques et faibles besoins énergétiques pour changer d’état gazeux/liquide.

Quels sont les critères de sélection des réfrigérants pour les pompes à chaleur

Avant d’examiner les critères de sélection des réfrigérants pour les pompes à chaleur, voyons les caractéristiques d’un réfrigérant idéal.

  • Il a un point d’ébullition normal inférieur à 0 degré Celsius.
  • Les réfrigérants idéaux sont non-toxiques et ininflammables.
  • Il sera facilement détectable en cas de fuite.
  • Abordable et recyclable.
  • Utilisation stable dans des conditions d’exploitation.
  • Écologique et faible débit de gaz.

C’est ici qu’interviennent les principaux critères de sélection des réfrigérants dans les pompes à chaleur :

Pression

La pression de condensation varie pour différents réfrigérants à une température donnée. Certains réfrigérants auront une température très élevée et la pression deviendra trop élevée. Dans ce cas, ces réfrigérants ne peuvent pas être utilisés pour les pompes à chaleur. D’un autre côté, la basse pression présente également des risques. La basse pression nécessite un volume élevé et donc un investissement plus important.

Température critique

Dans un réfrigérant, la température critique est la température au-dessus de laquelle un gaz (vapeur) réfrigérant ne peut être liquéfié, quelle que soit la pression. À partir d’une certaine température, le réfrigérant atteint une zone supercritique (zone où la pression et la température sont supérieures au point critique). La phase fluide et la phase gazeuse du réfrigérant ne peuvent alors plus être distinguées dans la zone supercritique.

Efficacité énergétique

L’efficacité énergétique varie en fonction du choix des réfrigérants utilisés.

Réfrigérants synthétiques et naturels

La contribution des réfrigérants synthétiques aux gaz à effet de serre en cas de fuite sera élevée. L’effet sera 3000 fois supérieur à celui du CO2.

 Quels sont les types courants de réfrigérants utilisés dans les pompes à chaleur ?

Des codes spécifiques sont utilisés pour désigner les réfrigérants. Le code commence par la lettre « R », qui désigne le réfrigérant, suivie de chiffres. Les codes décrivent également les propriétés d’un réfrigérant particulier. Le code général des réfrigérants est Rxyz. Où R(nombre d’atomes de C-1)(nombre d’atomes de H -1)(nombre d’atomes de F).

Pour approfondir, quelques exemple
Série R400 : Les mélanges zoetrope qui n’ont pas de point d’évaporation mais plutôt une plage d’évaporation. L’évaporation n’aura pas lieu à une température fixe mais aura lieu lors de l’augmentation de la température de quelques degrés.
Série R500 : Mélanges azéotropes dont le point d’évaporation est fixe.
Série R600 : Réfrigérants organiques.
Série R700 : Réfrigérants inorganiques.

 R134a

Le réfrigérant de type R134a peut être utilisé pour les systèmes de pompe à chaleur de taille moyenne et grande. Son efficacité est supérieure à celle des réfrigérants R407c et R410a, mais inférieure à celle du réfrigérant NH3. Comme il a une faible pression, le coût d’investissement sera élevé.

R407c et R410a

Ils sont couramment utilisés dans les pompes à chaleur de petite et moyenne taille. Les deux réfrigérants sont largement utilisés pour les installations à double usage. Le R410a atteindra un état supercritique au-dessus d’une température de 71 °C. L’efficacité est plus élevée et l’investissement est faible par rapport au R13a.

R600 (butane) et R600a (isobutane)

Ces réfrigérants sont généralement utilisés pour des températures supérieures à 80 °C. Dans le cas des réfrigérants R600 et R600a, l’augmentation de la pression avec la température est beaucoup plus faible. Comme ces fluides sont explosifs, les installations doivent être effectuées en toute sécurité.

R717 (Ammoniac)

En ce qui concerne l’utilisation industrielle, le R717 est le réfrigérant le plus approprié pour les pompes à chaleur. L’efficacité de l’ammoniac est élevée et peut être facilement appliquée à des températures inférieures à 80 °C. La caractéristique la plus impressionnante de l’ammoniac est qu’il s’agit d’un réfrigérant naturel qui ne contribue pas à l’effet de serre. Il est inflammable et toxique. D’autre part, en raison de son odeur, les fuites peuvent être facilement détectées. Il doit être installé conformément à la norme PGS-13.

R32

Le R32 est un réfrigérant à un seul composant qui représente un des meilleurs rapport entre efficacité énergétique, faisabilité économique et durabilité environnementale. C’est sans surprise que ce dernier modifie la tendance dans le secteur des pompes à chaleur et a déjà connu une augmentation massive des parts de marché. Pourtant on le verra plus bas, il ne représente pas la meilleure alternative d’un point de vue strictement écologique.

R-1234ze

Le réfrigérant R1234ze a un faible PRG. Il constitue une alternative économe en énergie aux réfrigérants traditionnels pour les applications de réfrigération et de climatisation à haute et moyenne température. Le R1234ze est largement utilisé dans la réfrigération de bureau, commerciale et industrielle. Néanmoins, ile ne peut être chargé que dans des appareils dédiés du fait de son explosivité potentielle

Choisir sa pompe à chaleur : comparatif en fonction des familles de gaz frigorigène

Les interdites : pompes à chaleur de la famille des CFC (chlorofluorocarbure) et HCFC (hydrochlorofluorocarbure) ?

On y retrouvera les gaz R-11 (CFC-11), R-12 (CFC-12), R-22 (HCFC-22)

La sécurité, la stabilité et la facilité de fabrication ont fait des CFC et des HCFC les réfrigérants les plus populaires dans les pompes à chaleur. Cependant, les HCFC endommagent la couche d’ozone, et les CFC sont extrêmement nocifs. C’est pourquoi ces deux catégories de réfrigérants ont été progressivement éliminées à partir de 1987 dans le cadre du protocole de Montréal. Ils sont également de puissants gaz à effet de serre. (Le R-12 est 3 400 fois plus puissant que le dioxyde de carbone en tant que gaz à effet de serre).

Aujourd’hui, les pompes à chaleur vendues dans l’Union européenne ne contiennent ni CFC ni HCFC. Et depuis 2015, il est également illégal d’utiliser des CFC et des HCFC pour l’entretien des anciens équipements.

Celles à éviter, les pompes à chaleur de la famille HFC (hydrofluorocarbure)

On y retrouvera les gaz R-32 (HFC-32), R-134a (HFC-134a), R-410a (HFC-410a).

Après le Protocole de Montréal, les fabricants avaient besoin de remplacer les CFC et les HCFC. Leur réponse a été les HFC. Les HFC sont beaucoup moins nocifs pour la couche d’ozone que les CFC ou les HCFC. Malheureusement, les HFC n’en sont pas moins de puissants gaz à effet de serre. Le R-410a, par exemple, a un potentiel de réchauffement planétaire 2 088 fois supérieur à celui du dioxyde de carbone.

Les HFC occupent aujourd’hui une part importante du marché des pompes à chaleur en France. Toutefois, l’Union européenne tente de changer cette situation en réduisant progressivement la consommation de HFC. Un système de quotas est actuellement en place, la limite des HFC diminuant chaque année. D’ici à 2030, le quota de HFC sera inférieur de 79 % au niveau de référence de 2009-2012. Cependant, la réduction progressive ne se déroule pas exactement comme prévu, car les contrebandiers gèrent un marché noir florissant pour les HFC dans l’UE qui parasite le marché des rechargements de pompe à chaleur..

Les fabricants de pompes à chaleur qui utilisent des HFC se tournent vers le R-32. Le R-32 a un potentiel de réchauffement planétaire nettement inférieur (675) à celui du R-134a (1 430) ou du R-410a (2 088). Mais à terme, le R-32 sera probablement éliminé lui aussi.

Pourquoi faut il fuir les pompes à chaleur HFC ?

Mon conseil est d’éviter les pompes à chaleur HFC dans la mesure du possible. Non seulement pour des raisons environnementales, mais aussi parce que les pompes à chaleur HFC deviendront de plus en plus difficiles à entretenir lorsque l’UE luttera contre la contrebande de HFC. Vous ne voulez pas découvrir que votre pompe à chaleur est impossible à réparer dans 10 ans parce que la recharge en réfrigérant est illégale !

Si vous optez pour une pompe à chaleur HFC, le R-32 est probablement la meilleure option, car son potentiel de réchauffement global est inférieur à celui de la plupart des autres HFC. Les recharges sont donc susceptibles d’être disponibles pendant quelques décennies. En revanche, le R134a et le R410a ont un potentiel de réchauffement planétaire élevé et seront éliminés progressivement plus tôt.

Ma deuxième mise en garde est de se méfier des fabricants et des vendeurs de pompes à chaleur. Vous entendrez souvent dire que certains HFC sont « écologiques ». Il est vrai que certains HFC sont beaucoup moins nocifs que d’autres. Mais tous les réfrigérants HFC sont de puissants gaz à effet de serre.

Pour être juste envers les pompes à chaleur HFC, je dois noter qu’elles contribuent toujours beaucoup moins au réchauffement de la planète que la combustion de pétrole ou de gaz pour le chauffage. Par exemple, la combustion de 1 000 litres de pétrole par an pendant 20 ans libère environ 51 tonnes de CO2. En revanche, la charge de réfrigérant R-32 d’une pompe à chaleur typique équivaut à environ 2 tonnes de CO2. Mais pourquoi risquer des ennuis à terme, alors qu’il existe de meilleures solutions ?

Les marques qui vendent des pompes à chaleur à base de HFC sont Daikin (R-410a et R-32), Samsung (R-32), Mitsubishi/Ecodan (R-32), Panasonic (R-410a) et Stiebel Eltron (R-410a).

Que penser des pompes à chaleur de la famille HFO (hydrofluorooléfines)

On y retrouvera le gaz R-1234yf ou HFO-1234yf

Les HFO sont chimiquement apparentés aux HFC. La différence est que les HFO se décomposent rapidement lorsqu’ils sont libérés dans l’atmosphère. Ainsi, non seulement ils sont sans danger pour la couche d’ozone, mais ils ont également un faible potentiel de réchauffement de la planète. Hourra !

Cette fragilité des HFO a toutefois des inconvénients. Le premier inconvénient est que la plupart des HFO ne peuvent pas être utilisés dans les pompes à chaleur à haute température, car les températures élevées détruiraient ces réfrigérants. Deuxièmement, il y a un risque de pollution lorsque les HFO se décomposent dans l’environnement. Il s’agit toutefois d’un problème relativement mineur, car les quantités de HFO utilisées sont probablement trop faibles pour être nuisibles.

Dans l’ensemble, les HFO sont susceptibles de mieux résister à l’avenir que les HFC.

Pompes à chaleur de la famille HC (Hydrocarbure)

On y retrouvera les gaz R-290 (propane), R-600 (butane), R-600a (isobutane).

Les hydrocarbures (HC) ont d’excellentes propriétés en tant que réfrigérants : Ils sont non toxiques, efficaces et inoffensifs pour l’environnement en petites quantités. Cependant, ils ont été remplacés par les CFC dans les années 1930 en raison de problèmes… d’inflammabilité ; on l’aura compris !

Grâce aux progrès technologiques, les hydrocarbures peuvent désormais être utilisés en toute sécurité comme réfrigérants. En effet, presque tous les réfrigérateurs domestiques vendus dans l’UE utilisent aujourd’hui des réfrigérants HC (généralement R-600a).

Le marché des pompes à chaleur évolue également rapidement vers les réfrigérants HC. Le R-290 est particulièrement populaire, car il fonctionne dans la plage de température idéale pour les pompes à chaleur. Les pompes à chaleur utilisant des fluides frigorigènes HC sont un choix sûr pour l’avenir, car les recharges devraient être disponibles pendant longtemps.

Les marques qui proposent des pompes à chaleur utilisant le fluide frigorigène HC (R-290) sont notamment Valiant, Wolf, Roth et NIBE.

La plus écologique (mais pas encore dispo en Europe), la pompe à chaleur au CO2

On y retrouvera le gaz R-744 (dioxyde de carbone, CO2)

Le CO2 possède d’excellentes propriétés en tant que réfrigérant. Il est non toxique, ininflammable, inoffensif pour l’environnement en petites quantités et stable. Le principal inconvénient est la très haute pression nécessaire pour transformer le CO2 en un liquide utilisable en réfrigération. Cela nécessite des matériaux plus solides et entraîne des coûts de fabrication plus élevés.

Les pompes à chaleur au CO2 sont bien adaptées aux applications à haute température. Elles peuvent donc remplacer avantageusement les chaudières à mazout en utilisant les radiateurs existants, ou dans les maisons qui utilisent beaucoup d’eau chaude sanitaire. Les pompes à chaleur au CO2 sont déjà largement utilisées au Japon et commencent à apparaître en Europe.

Ma seule réserve concernant les pompes à chaleur au CO2 est qu’il s’agit d’une technologie moins bien établie en Europe. Cela signifie qu’il pourrait être plus difficile de trouver quelqu’un qui puisse entretenir votre pompe à chaleur, si le besoin s’en fait sentir. En particulier, les propriétés du CO2 sont très différentes de celles des autres réfrigérants, et il faut donc des compétences différentes pour travailler avec ce gaz. Par conséquent, si vous optez pour une pompe à chaleur au CO2, assurez-vous qu’elle provient d’une marque solide et qu’elle bénéficie d’une solide garantie. D’autre part, les pompes à chaleur au CO2 sont à l’abri des futures réglementations environnementales.

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