POMPES À CHALEUR
Install Magazine 964 – octobre 2019

Fluides frigorigènes pour pompes à chaleur

Où va-t-on ?

La transition vers des fluides frigorigènes alternatifs et une utilisation plus efficace des fluides courants, sont aujourd’hui les questions les plus importantes du secteur. Elles trouvent leur origine dans la problématique du changement climatique et l’évolution des prix sur le marché des fluides frigorigènes. Le défi concernant les nouveaux fluides consiste à concilier les diverses exigences, à savoir, un rendement élevé, une sécurité la plus grande possible, et un impact le plus faible possible sur l’environnement.

Première constatation : les pompes à chaleur sont une technologie de chauffage respectueuse de l’environnement et prometteuse d’avenir. Une installation moderne permet d’économiser jusqu’à 70% d’émissions de CO2. Si ,de plus, la pompe à chaleur est alimentée en électricité verte, elle est même neutre sur un plan environnemental. Les experts s’accordent à dire que le passage aux pompes à chaleur est en passe de devenir l’un des principaux piliers de la transition énergétique. C’est la technologie de chauffage qui offre les meilleures perspectives d’avenir. L’impact du Règlement européen F-Gaz n’y change rien. Les constructeurs de pompes à chaleur continueront commercialiser des systèmes efficaces et sûrs, qui apporteront une contribution significative aux objectifs climatiques.

Cependant, les pompes à chaleur ont besoin d’un fluide frigorigène pour amener l’énergie de la source de chaleur (air, sol, géothermie, dans certains cas chaleur résiduelle) à une température utilisable. Il s’agit d’un fluide circulant en circuit fermé. Il s’évapore à basse pression et puise ainsi de l’énergie dans l’environnement. Dans le compresseur, sa température augmente et donc aussi sa température. L’énergie fournie par la source de chaleur et par l’entraînement peut alors être utilisée, tout d’abord pour maintenir les bâtiments en température, et pour chauffer de l’eau potable.

La plupart du temps, les pompes à chaleur courantes ont une capacité de fluide frigorigène comprise entre 1 et 6 kg selon le type de fluide et la puissance de l’installation. Le fluide n’est pas consommé ; il sert uniquement à transporter la chaleur et ne vieillit pas au cours du processus. Il ne doit donc, en principe, jamais être remplacé. Les circuits frigorigènes des pompes à chaleur sont fermés hermétiquement et le fluide ne peut pas s’échapper, tout comme dans le cas d’un réfrigérateur. Ceci est amplement contrôlé lors de fabrication. En outre, le règlement européen F-gaz impose des tests d’étanchéité réguliers, en fonction de la contenance en réfrigérant.

En fin de vie, les pompes à chaleur doivent être démantelées de façon professionnelle. Pour ce faire, le fluide frigorigène est complètement vidangé et collecté, et ensuite détruit ou recyclé et réutilisé.

Où en sommes-nous de la réglementation F-gaz ?

Le règlement sur les gaz fluorés a pour objectif de réduire progressivement la quantité totale de réfrigérants fluorés, exprimée en équivalent CO2, de manière à atteindre, à l’horizon 2030, une réduction de 79% par rapport à l’année de référence 1990. On appelle cela la phase de réduction progressive, ou ‘phase down’. L’étape la plus récente de cette réduction est intervenue en 2017 lorsque la quantité totale pouvant être commercialisée a été ramenée à 63% de celle de l’année de référence. L’étape suivante interviendra en 2021, avec une réduction à 45%. Le règlement s’applique à l’utilisation d’hydrofluorocarbures (HFC) partiellement halogénés, donc à de nombreux fluides frigorigènes courants pour pompes à chaleur. Le plafond, exprimé en équivalents CO2, pouvant être commercialisé, est systématiquement réduit. La réduction la plus récente de ce plafond a tout d’abord entraîné une augmentation des prix des réfrigérants couramment utilisés (R134a, R410A et R407C) La phase de réduction favorise donc le passage à des fluides frigorigènes à faible PRG (Potentiel de réchauffement global ou GWP Global Warming Potential) Pour ce faire il y a encore lieu, dans de nombreux cas, de mettre au point des composants appropriés.

Le règlement sur les gaz fluorés comporte aussi l’interdiction de certains fluides frigorigènes, mais ceci n’a pas de conséquences pour le secteur des pompes à chaleur. Le fluides frigorigènes actuels resteront disponibles, par exemple pour des réparations ou pour ajouter de petites quantités. Les fluides recyclés ne sont pas concernés par la réglementation. D’ailleurs, l’intérêt pour les fluides frigorigènes recyclés augmente ; leur réutilisation est devenue entre-temps une pratique courante.

Impact environnemental des fluides frigorigènes

Pour les pompes à chaleur on utilise habituellement des hydrofluorocarbures (HFC). Contrairement aux hydrochlorofluorocarbures (HCFC), interdits depuis longtemps en Europe, ils n’attaquent pas la couche d’ozone. Les HFC les plus couramment utilisés sont ininflammables et non toxiques. Ce sont donc des fluides frigorigènes sûrs et appartiennent donc à la classe de sécurité A1 au sens de l’ISO 817. Ils possèdent également d’excellentes propriétés thermodynamiques, de sorte que les pompes à chaleur équipées de ces fluides peuvent atteindre un très haut rendement.

L’effet sur le réchauffement climatique est exprimé par le Potentiel de réchauffement global ou PRG. La référence en la matière est l’effet de serre du CO2, dont le PRG est par définition équivalent à 1. Toutefois, pour un fluide frigorigène, cet effet nocif ne se produit qu’en cas de fuite, ce qui est bien sûr une circonstance exceptionnelle.

En raison de la phase de réduction progressive, il devient plus intéressant de passer à des fluides ayant un PRG plus faible. Ce sont notamment d’autres HFC, ou HFO (hydrofluoroléfines) ou encore les fluides frigorigènes dits ‘naturels’ tels que le CO2, l’ammoniac ou le propane.

Ces derniers ont un PRG très faible mais présentent également des inconvénients spécifiques tels que l’inflammabilité, la toxicité ou le rendement énergétique. Ceci limite leur utilisation à certaines applications spécifiques. Pour pouvoir les mettre en œuvre dans les pompes à chaleur, il faut des mesures complémentaires.

Le passage à des fluides frigorigènes à bas PRG peut se faire de différentes manières. Au niveau des appareils de chauffage, il y a des développements relativement récents de fluides appartenant à la classe des produits difficilement inflammables (classe de sécurité A2L). Il s’agit, entre autres, du R32 (difluorométhane) ou du R454B et du R454C (mélanges de HFO). En ce qui concerne les fluides frigorigènes naturels, l’on rencontre, dans le secteur des pompes à chaleur, surtout du propane (R290, classe de sécurité A3).

Le propane possède de bonnes propriétés thermodynamiques. Il est toutefois légèrement inflammable, raison pour laquelle de fortes exigences de sécurité s’imposent. Sa mise en œuvre à l’intérieur des bâtiments n’est pas encore très courante.
L’ammoniac est neutre sur le plan climatique et surtout utilisé dans les grosses installations de réfrigération. Il est rarement utilisé pour le chauffage. En raison de la forte enthalpie spécifique d’évaporation, la quantité de liquide de refroidissement peut être relativement faible. L’installation ne doit toutefois pas comporter de métaux contenant du cuivre. L’ammoniac est inflammable et toxique, et il peut aussi entraîner des lésions par contact. Sa forte odeur est immédiatement perceptible, même avec de faibles concentrations.
Le gaz carbonique, ou dioxyde de carbone (CO2) est ininflammable et non toxique. Les pompes à chaleur fonctionnant au CO2 peuvent atteindre de très hautes températures de départ. Aux faibles températures, elles sont cependant moins performantes que celles utilisant les fluides ci-dessus. Autre inconvénient : les pressions plus élevées. Tous les composants doivent donc résister spécialement à la pression.
Le R32 est un HFC qui est déjà utilisé comme composant dans différents mélanges de fluides frigorigènes. Son PRG est de 675, soit moins d’un tiers de celui du R410A. Il appartient à la classe des fluides difficilement inflammables (A2L).
Le R454B est un mélange de R32 et de HFO R1234yf. Son PRG est de 460, soit à peine 22% de celui du R410A. Le R454B est également un fluide difficilement inflammable, de la classe A2L. Le R454C est également un mélange de R32 et de R1234yf, mais alors avec un PRG encore plus bas, à savoir de 148. Tout comme le précédent, il s’agit d’un fluide difficilement inflammable, de classe A2L.

Les fluides frigorigènes utilisés actuellement dans les pompes à chaleur ne peuvent pas être remplacés, sans plus, par d’autres substances. Un fluide ne peut être remplacé qu’avec l’autorisation du constructeur de la pompe à chaleur ?

En ce qui concerne le PRG, les fluides frigorigènes peuvent se répartir en quatre classes :

PRG super bas : <150

PRG bas : 150 à 750

PRG élevé : 750 à 2500

PRG très élevé : >2500

Exemple : l’équivalent CO2 du R134a (Tétrafluoroéthane) est de 1430. Cela signifie qu’au cours des 100 premières années suivant la libération dans l’atmosphère d’un kilogramme de R134a, ce dernier contribue 1430 fois plus à l’effet de serre qu’un kilogramme de CO2. En d’autres termes, l’émission d’1 kg de R134a est égale à celle de 1430 kg de CO2.

Bilan climatique global

Lorsque l’on évalue une pompe à chaleur l’on ne peut pas se contenter de regarder aveuglément le fluide frigorigène. Pour une évaluation véritablement globale, il faut examiner l’impact de réchauffement total équivalent ou IRTE (soit en anglais : Total Equivalent Warming Impact ou TEWI) en fonction de l’application de la pompe à chaleur. Ce dernier prend en compte, entre autres, la consommation électrique au cours du fonctionnement. Pour les pompes à chaleur à entraînement électrique, cela englobe également les émissions de CO2 de la production d’électricité. Il est également possible de définir une valeur IRTE (TEWI) pour des appareils de chauffage traditionnels. Dans ce cas on tient compte uniquement de la consommation d’énergie en cours de fonctionnement. Comme les pompes à chaleur ont un pourcentage de fuite extrêmement faible, la valeur PRG (GWP) du liquide de refroidissement est en soi moins pertinente. Le facteur décisif est l’estimation globale des fuites, de la quantité de fluide frigorigène et des possibilités de recyclage. La valeur IRTE (TEWI) tient également compte de l’impact climatique lors du fonctionnement, par exemple l’impact résultant de la fonction de chauffage. On peut ainsi comparer entre elles différentes techniques.

Les paramètres suivants y jouent un rôle :

IRTE (TEWI) = ratio de fuite + perte au recyclage + besoin en énergie.

= PRG (GWP) x fuite annuelle x durée de fonctionnement

+ (PRG GWP x contenance en fluide x facteur de recyclage

2 durée de fonctionnement x besoin en énergie x émission de CO2

Comme le montre la figure 3, une pompe à chaleur s’avère toujours plus avantageuse en comparaison. Nous y avons comparé des pompes à chaleur utilisant différents fluides frigorigènes, avec une chaudière à condensation au gaz ayant un rendement élevé de 92%. Tous les systèmes possèdent une puissance de chauffage de 5 kW. Sur la base de 2000 heures de pleine charge, nous arrivons ainsi à un besoin en chauffage de 10 MWh. Pour simplifier, nous faisons l’hypothèse de pompes à chaleur présentant un coefficient de performance (COP) annuel de 4,2, une contenance en fluide frigorigène de 3 kg et des fuites de 1% par an. En fin de vie, 95% du fluide frigorigène restant sont recyclés. Les émissions de CO2 s’élèvent à 565 g de CO2/kWh pour l’électricité et à 250 g de CO2/kWh pour le gaz naturel. Il est immédiatement évident que l’impact climatique des fuites de fluide frigorigène est totalement négligeable en comparaison des émissions résultant de la consommation d’énergie. Pour plus de commodité, nous avons supposé que toutes les pompes à chaleur contenaient la même quantité de fluide frigorigène, bien que, dans la pratique, elle varie en fonction du type de fluide et du modèle de pompe à chaleur (monobloc ou split), même si la puissance calorifique est identique.

Aspects sécuritaires des fluides frigorigènes

En fonction des aspects de sécurité tels que l’inflammabilité et la toxicité, les fluides frigorigènes sont répartis en classes de sécurité telles que présentées au tableau 2.

Exigences contradictoires

Les fluides frigorigènes pour pompes à chaleur ont des propriétés différentes en termes de sécurité, d’efficacité et d’effet de serre. Toutefois, le fluide frigorigène idéal, qui n’aurait pas d’effet sur le climat, qui serait ininflammable et non toxique, et qui aurait d’excellentes propriétés thermodynamiques, n’existe pas. Chaque choix est donc toujours un compromis. En outre, l’aspect financier joue ici un rôle important. Par exemple, des mesures de sécurité supplémentaires impliquent généralement des coûts supplémentaires. Cela joue un rôle dans la sélection d’un fluide frigorigène.

Les nouveaux fluides frigorigènes en pratique

Le risque qu’une fois l’installation de la pompe à chaleur faite, il faille plus tard compléter ou remplacer le fluide frigorigène, est extrêmement mince. Les pompes à chaleur sont généralement hermétiquement scellées (versions monoblocs) ou à étanchéité permanente (versions ‘split’). Les fuites sont pratiquement exclues. Une fois la pompe à chaleur en fonctionnement, il n’y a normalement pas lieu de rajouter de fluide frigorigène.

S’il faut malgré tout une intervention, le fluide frigorigène peut en général être aspiré et réutilisé plus tard. Lorsque la réutilisation du fluide n’est plus possible, on peut, le plus souvent, opter pour sa transformation. Le recyclage et la transformation ne sont possibles que lorsque les différents fluides sont collectés de manière strictement séparée. Il ne faut pas oublier que le fluide frigorigène recyclé a la même qualité que le produit nouvellement produit. Il n’est pas inclus dans le quota de gaz F et la disponibilité de fluides recyclés réduit la tension entre l’offre et la demande sur le marché.

Dans une installation existante, le fluide frigorigène ne peut être remplacé que par un fluide du même type. En effet, le circuit de refroidissement d’une pompe à chaleur est adapté à un fluide frigorigène spécifique. Tous les composants étant optimisés pour ce fluide spécifique, le remplissage avec un fluide différent peut entraîner des pannes, d’autres paramètres de fonctionnement ou une perte de rendement drastique. En outre, si le fabricant de l’appareil n’a pas avalisé le fluide frigorigène, la garantie est caduque.

Il est absolument exclu de remplacer un fluide frigorigène ininflammable par un inflammable. Ceci équivaudrait à une faute grave. Si un accident survenait de ce fait, la responsabilité retomberait clairement sur l’entreprise d’installation ayant effectué le remplacement.

Que signifient des fluides frigorigènes alternatifs en termes d’installation et d’entretien ?

De nouveaux fluides frigorigènes impliquent nécessairement des modifications des circuits de refroidissement. Ceci entraîne l’obligation de développer les composants correspondants. Pour les fabricants de composants, il s’agit généralement d’un processus fastidieux.

En cas d’utilisation d’un fluide frigorigène de classe de sécurité différente, une nouvelle analyse de risque de l’installation est également requise. Cela commence par la conception des produits et des dispositifs de sécurité, qui doivent être adaptés à l’utilisation de substances inflammables. Il y a lieu, pour ce faire, de respecter les règlements et normes en vigueur.

L’utilisation de fluides frigorigènes alternatifs comportant un risque plus élevé d’inflammation est susceptible de limiter le choix de l’implantation de l’installation. Le manuel d’installation et de conception du fabricant doit dès lors être soigneusement respecté sur ce plan. La sécurité de l’installation devant rester garantie, cela signifie que pour un certain nombre de fluides, seule une installation à l’extérieur sera possible.
Les professionnels doivent s’informer régulièrement auprès des syndicats, des fabricants et des fournisseurs concernant les développements récents et prévisibles.
Une formation appropriée est requise pour travailler avec des liquides de refroidissement inflammables, par exemple conformément à la norme EN 13313.
Les nouveaux appareils avec des fluides frigorigènes inflammables comportent des exigences supplémentaires en matière d’installation, telles que par exemple les dimensions minimales des pièces en fonction du contenu total de fluide.
Lors du remplissage d’une pompe à chaleur avec des réfrigérants A2L ou A3, le fabricant doit investir dans des mesures de sécurité supplémentaires, tant pour les halles de production que pour les laboratoires d’essais.

Dans tous ces domaines, il est essentiel que les professionnels et l’industrie travaillent en étroite collaboration sur ce thème afin que les installateurs soient bien préparés à la manipulation de fluides frigorigènes alternatifs. En effet, il faut s’attendre à ce que la technologie des pompes à chaleur présente encore un potentiel de croissance considérable, même dans les bâtiments existants.

Par : Alexander Sperr (Bundesverband Wärmepumpe e.V.)

Figures : BWP