Le chauffage par pompe à chaleur est devenu une technologie de plus en plus populaire ces dernières années en raison de ses performances et de sa capacité à réduire les coûts sur la facture énergétique. La pompe à chaleur au fluide frigorigène CO2 (dioxyde de carbone) est une technologie innovante et éco-responsable qui offre des avantages supplémentaires par rapport aux pompes à chaleur de type classiques. Dans cet article, nous explorerons le fonctionnement, les avantages et les inconvénients de cette technologie de chauffage.
Pourquoi la PAC CO2 a de l’avenir !
Dans un cadre réglementaire toujours plus exigeant, l’utilisation de fluides frigorigènes à faible impact environnemental s’imposent progressivement. Le CO2 ou R744 est une substance inorganique pure, la dénomination de fluide naturel s’applique donc parfaitement à ce fluide. Il ne dégrade pas la couche d'ozone (ODP = 0) et a un potentiel de réchauffement global bas (GWP = 1). Ce statut de fluide naturel permet au R744 d’échapper à la réglementation F-GAS. Ce qui implique qu’il n’est pas soumis à l’obligation de récupération et au contrôle périodique d’étanchéité. Le dégazage dans l’atmosphère est autorisé en évitant les lieux confinés.
Les pompes à chaleur CO2 (air/eau) sont bien adaptées à la production d’eau chaude pour le chauffage et l’eau chaude sanitaire. Les températures d’eau obtenues sont élevées (60 à 75 °C) même avec des températures extérieures basses. Ce qui permet un traitement thermique anti-légionelles pour la production d’eau chaude sanitaire.
Le rendement global et saisonnier des PAC au R744 est très intéressant et au-dessus des pompes à chaleur dites classiques. Les coefficients de performance atteignent parfois des valeurs allant au-delà de 4, dans des zones géographiques tempérées.
Les freins au développement des PAC CO2
La faible température critique ( point critique) de ce fluide impose un cycle de fonctionnement transcritique. Ce qui complexifie un peu le circuit frigorifique et la compréhension de son fonctionnement.
L’utilisation du R744 s’accompagne de pressions de fonctionnement élevées en basse et haute pressions. Ce qui implique quelques précautions au niveau de l’outillage, manomètre et flexibles, devront être compatibles avec ces pressions particulièrement fortes. Le personnel intervenant sur ce type d’installation devra être formé sur les risques que représente la manipulation du CO2.
Autres risques liés :
- Brûlures au contact
- Risque de manque d’oxygène en cas de dégazage en milieu clos
Fonctionnement transcritique des PAC au R744
Pour définir ce qu’est un cycle transcritique, il faut comprendre la notion de point critique . Tous les fluides frigorigènes ont un point critique c'est-à-dire un point ou un ne peut pas observer de changement d'état liquide-gaz ou gaz/liquide, le fluide est dit alors supercritique.
Dans les installations avec des fluides frigorigènes dits classiques ce point n’est jamais dépassé, ce qui n’est pas le cas du CO2, car son point critique est très bas (31°C). C’est pour cette raison qu’il est utilisé dans beaucoup d’application dans un cycle transcritique.
Quelques valeurs de point critique de fluide,
- R410 = 72°C
- R600a = 135°C
- R 134a = 101°C
- NH3 = 133 °C
Dans le cycle frigorifique du CO2 son fonctionnement transcritique se fait en partie sous le point critique (évaporation) et en partie au-dessus de ce point ( sous-refroidissement sensible du fluide).
Le cycle transcritique comprend les mêmes composants qu’un cycle traditionnel, néanmoins au cours du refroidissement de la vapeur, après le compresseur, aucune condensation ne se produit car le fluide est supercritique. Dans ces conditions, l’échangeur est un simple refroidisseur ou gaz cooler. La phase de condensation s'effectue à l'aide d'un abaissement de pression et de température dans une zone ou le changement d'état est possible ( en-dessous de point critique).C'est une bouteille séparatrice (réservoir) ou un échangeur dédié qui permet le changement d'état suivant la technologie employée.
Description fonctionnement d’une pompe à chaleur au CO2
Schéma trés simplifié d'un cycle bi-étagé est aussi appelé booster. Aucun système de dégivrage n’est représenté pour simplifier.
Le fluide basse pression et basse température venant de l'évaporateur arrive au premier étage de compression, le fluide est refoulé vers l’aspiration du second étage de compression (pression intermédiaire).Le CO2 est porté à une pression supercritique dans ce deuxième étage (haute pression et haute température) pouvant atteindre 120 bar. Puis, il est sous-refroidi dans un échangeur appelé « Gas-cooler», le fluide est toujours sous forme de vapeur, il n'y a pas de changement d'état. Ici c’est un gas-cooler fluide/eau pour la production d'eau chaude ECS et pour le chauffage.
Le fluide se dirige vers un autre échangeur qui a deux fonctions :
- Permettre d’alimenter correctement en liquide le détendeur en amenant le fluide en dessous du point critique pour que la condensation soit possible.
- Permettre une injection de gaz entre les deux niveaux de compression.
Le fluide passe à travers le détendeur et l’évaporateur, puis retourne au premier étage de compression. Une bouteille anti-coup de liquide protège le compresseur du premier étage contre une arrivée massive de fluide à l'état liquide.
PAC CO2 appliquée à la production d’eau chaude
Le kit hydraulique peut être déporté ( local technique) ou incorporé dans la Pac elle-même. Possibilité d'avoir 2 à 3 niveaux de température d'eau chaude.
