Comment fonctionnent les réfrigérants dans les pompes à chaleur et quelles sont leurs incidences sur l'environnement

Les pompes à chaleur sont devenues des systèmes de chauffage et de refroidissement de plus en plus répandus ces dernières années, mais beaucoup ignorent que ces systèmes utilisent des réfrigérants pour fonctionner. Dans cet article, nous examinerons le fonctionnement des réfrigérants dans les pompes à chaleur et leur impact sur l'environnement.

Grâce à leurs particularités en termes d'économie d'énergie et d'efficacité, les pompes à chaleur constituent non seulement un système innovant pour chauffer, refroidir et produire de l'eau chaude sanitaire, mais aussi un élément clé de la stratégie de l'UE pour lutter contre le changement climatique. En effet, comme chacun le sait, l'objectif premier du Pacte vert européen (Green Deal) est d'atteindre la neutralité climatique d'ici 2050 pour tous les pays de l'UE.

 

La décarbonisation

L'Europe réglemente l'utilisation des réfrigérants avec l’objectif principal de parvenir rapidement à la décarbonisation. Un objectif, celui de la décarbonisation, qui trouve dans les pompes à chaleur un allié important, étant donné que l'extraction de l'énergie du sol, de l'air ou des eaux souterraines nécessaire à leur fonctionnement se traduit par une absence totale d'utilisation de gaz combustible.

 

Le rendement énergétique des pompes à chaleur

En tant que produits liés à l'énergie, les pompes à chaleur entrent dans le champ d'application de la directive du Parlement européen n° 2009/125/CE du 21 octobre 2009, qui réglemente l'écoconception et l’établit les exigences minimales en matière d’écoconception. Une directive qui a donné lieu à de nombreux règlements d'application au fil des ans, comme le règlement 813/2013 consacré aux systèmes de chauffage simples et combinés, et qui, rien qu'en 2021, permettra d'économiser plus de 120 milliards d'euros d'énergie. La directive 2010/30/UE du 19 mai 2010 a introduit l'étiquetage énergétique pour les produits liés à l'énergie, y compris les pompes à chaleur, qui met en évidence leur consommation en indiquant une classe énergétique et certains autres paramètres.

 

L'utilisation des énergies renouvelables

Lorsque l'on parle d'énergie renouvelable, on ne peut que se référer à la directive sur les énergies renouvelables (2009/28/CE), une directive axée sur le développement et la diffusion des énergies propres dans tous les secteurs de l'économie européenne, qui n'a cessé d'élargir ses objectifs au fil des ans. Après avoir atteint le premier objectif de produire au moins 20 % d'énergie renouvelable d'ici 2020, avec une consommation passant de 12,5 % en 2010 à 21,8 % en 2021, la Commission européenne a proposé d'atteindre 40 % d'ici 2030. Avec RePowerEU, le plan lancé en mai 2022 en réponse à l'émergence de problèmes sur le marché de l'énergie dus à l'invasion de l'Ukraine par la Russie, l'idée est de porter ce pourcentage à 45 %.
Mais ce n'est pas tout : grâce à cette initiative, les pays de l'UE ont réduit leur dépendance à l'égard des combustibles russes, économisé environ 20 % d'énergie et plafonné le prix du gaz et du pétrole.

Les pompes à chaleur et le fluide réfrigérant

Comme nous l'avons vu précédemment, les pompes à chaleur constituent une alternative écologique viable à la chaudière classique, car elles « exploitent » une source d'énergie thermique naturellement disponible pour transférer la chaleur d'un environnement plus froid à un environnement plus chaud. Une technologie innovante qui pollue moins et permet de réaliser d'importantes économies sur les factures d'électricité. Parmi les différents composants qui caractérisent les pompes à chaleur, aujourd'hui de plus en plus répandues dans les milieux résidentiels, commerciaux et industriels, il y a un élément qui peut avoir un fort impact environnemental et qui est absolument nécessaire au fonctionnement de l'appareil : le fluide réfrigérant.

Par le terme réfrigérant, la norme DIN EN 378-1 fait référence à un fluide utilisé dans un système de réfrigération qui permet la transmission de la chaleur grâce à ses propriétés physiques. Il s'agit d'un processus au cours duquel le réfrigérant passe par un circuit composé d'un compresseur, d'un condenseur, d'une vanne de laminage et d'un évaporateur, passant de l'état liquide à l'état gazeux et vice versa.

Nous entendons aussi souvent le terme « liquide de refroidissement », utilisé à tort comme synonyme de « réfrigérant ». Le liquide de refroidissement n'est pas, en effet, suffisant pour assurer le bon fonctionnement d'une pompe à chaleur, car il n'évacue la chaleur d'un objet que lorsque la température de l'environnement extérieur est plus basse. Par contre, le réfrigérant élimine la chaleur même lorsque la température ambiante est plus élevée que celle de l'objet à refroidir.

Quelles sont les caractéristiques et les principaux types de réfrigérants ?

Les fluides réfrigérants ne sont pas tous identiques. Au contraire, il existe des différences substantielles en fonction du domaine d'application dans lequel ils sont utilisés. Ils ont cependant certaines caractéristiques en commun, comme une structure chimique très stable et un coefficient de performance élevé. En plus, la plupart des réfrigérants se liquéfient à basse pression et présentent un volume de vapeur réduit et un point d’ébullition faible.

Les réfrigérants peuvent être divisés en trois catégories principales : les fluides organiques purs, tels que l'eau et l'ammoniac ; les hydrocarbures, tels que le butane, l'isobutane, le propane et le propylène ; et les hydrocarbures halogénés, à savoir les hydrofluorocarbures (HFC), les chlorofluorocarbures (CFC), les hydrochlorofluorocarbures (HCFC) et les perfluorocarbures (PFC). Mais quels sont les fluides réfrigérants les plus couramment utilisés dans les pompes à chaleur ? Tout d'abord, nous signalons ceux qui ne peuvent pas être utilisés. Les CFC et les HCFC, par exemple, ont été interdits parce qu'ils sont considérés comme les principaux responsables de la destruction de la couche d'ozone. Au lieu de cela, la norme actuelle exige l'utilisation de HFC dans les pompes à chaleur et, en général, dans les systèmes de climatisation des bâtiments et des véhicules.

Le règlement 517/2014 sur les gaz fluorés (F-Gas)

L'émission dans l'environnement de gaz à effet de serre fluorés, communément appelés F-Gas, provoque un réchauffement nettement plus important que le dioxyde de carbone. C'est pourquoi l'Union européenne exerce un contrôle de plus en plus strict sur les types de gaz réfrigérants qui peuvent être utilisés dans les appareils de chauffage et de refroidissement. Le règlement F-Gas 517/2014, publié en 2014, a fixé un certain nombre d'obligations, qui sont entrées en vigueur progressivement et deviendront effectives d'ici 2025. L'objectif ? Réduire les émissions de gaz à effet de serre fluorés de 79 % d'ici à 2030, par rapport à la moyenne 2009-2012. Mais quelles sont précisément les limites imposées par le règlement ? Les premières actions concrètes ont concerné les systèmes de réfrigération à usage commercial, tels que les comptoirs et les chambres froides dans les entrepôts et les supermarchés. En effet, début 2020, la réglementation a interdit l'utilisation dans ce type de système des gaz HFC, dont le potentiel de réchauffement planétaire GWP (indice indiquant la nocivité du gaz par rapport à l'effet de serre) est supérieur ou égal à 2 500. À partir de 2022, le potentiel de réchauffement planétaire GWP doit être inférieur à 150.

Par la suite, cette réglementation a également été étendue aux équipements des installations de réfrigération industrielle d'une capacité égale ou supérieure à 40 kW, où l'utilisation de gaz ayant un GWP inférieur à 150 a été interdite à partir du 1er janvier 2022, à l'exception du circuit primaire des systèmes en cascade, où le réfrigérant doit avoir un GWP inférieur à 1 500. En revanche, les climatiseurs résidentiels dont la charge de gaz est inférieure à 3 kg, c'est-à-dire les splits classiques, ne devront se conformer à une nouvelle réglementation qu'à partir de 2025, date à laquelle les gaz réfrigérants, dont le potentiel de réchauffement planétaire est supérieur à 750, ne pourront plus être utilisés dans tous les nouveaux modèles.

Comment choisir le bon réfrigérant ?

Si le premier critère, permettant de choisir un réfrigérant plutôt qu’un autre, concerne son domaine d'utilisation (climatisation, refroidissement, pompe à chaleur, etc.), de nombreux autres éléments sont à prendre en compte, qui concernent les aspects relatifs à l’environnement et à la sécurité, mais aussi les aspects thermodynamiques et économiques.

En termes de sécurité, les deux propriétés qui caractérisent les fluides réfrigérants sont la toxicité et l'inflammabilité. Pour un obtenir un cadre plus précis et une classification des risques, l'American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineering (ASHRAE) a identifié deux classes pour la première propriété (A = faible toxicité, B = forte toxicité) et trois classes pour la deuxième (1 = ininflammable, 2 = inflammable, 3 = très inflammable). Des exemples ? Les hydrocarbures, tels que le propane réfrigérant (R290) et le butane (R600), font partie de la classe A3, car ils sont non toxiques mais très inflammables, tandis que la plupart des hydrofluorocarbures (HFC) font partie de la classe A1.

Des réfrigérants respectueux de l'environnement: Clivet

Comme nous l'avons vu, à partir de 2025, les nouveaux acheteurs devront choisir des climatiseurs et des pompes à chaleur (avec une charge de gaz inférieure à 3 kg) qui utilisent des fluides réfrigérants ayant un indice de GWP inférieur à 750. Clivet s'est depuis longtemps adapté, en utilisant un fluide réfrigérant ayant un indice GWP plus faible que le mélange le plus couramment utilisé précédemment, à savoir le R-410A. Il s'agit du gaz R-32 qui, bien que considéré comme un réfrigérant de nouvelle génération, est déjà utilisé depuis plusieurs années en tant que composant à 50 % du même mélange R-410A. Le nouveau R-32, présent dans toutes les pompes à chaleur Clivet split et monobloc, se caractérise en effet par un potentiel de dégradation de la couche d’ozone ou ODP (Ozone Depletion Potential) de 0 et un GWP de 675 (environ un tiers de celui du gaz R-410A, qui est en moyenne de 2088).

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