Zoom sur le fluide frigorigène

publié le 02/08/2024 | mis à jour le 26/08/2024 | par Mareva Gobbini

Le fluide frigorigène, qu’est-ce que c’est ?

Un fluide frigorigène est une substance avec des propriétés physico-chimiques permettant le transfert de l’énergie thermique pour produire de la chaleur ou du froid.

Le fluide frigorigène est utilisé pour faire fonctionner :

• des cycles frigorifiques d’absorption d’énergie thermique (calories) dans une pièce ;
• des cycles thermodynamiques de captation des calories à l’extérieur d’un logement pour produire de la chaleur/froid à l’intérieur d’une pièce.

À l’échelle individuelle, vous utilisez au quotidien des systèmes de production de chaleur ou de froid avec des fluides frigorigènes :

• une pompe à chaleur (air-air, air-eau, géothermique) ;
• un climatiseur fixe ou mobile ;
• une voiture avec climatisation ;
• un réfrigérateur ou un congélateur.

À l’échelle industrielle ou commerciale, les fluides frigorigènes permettent de faire fonctionner le cycle frigorifique des :

• chambres froides ;
• vitrines réfrigérées ;
• camions frigorifiques ;
• climatisations des bâtiments, etc.

Dans un cycle de production frigorifique, on le connaît sous le nom commun de gaz de climatisation ou gaz réfrigérant.

Fonctionnement fluide frigorigène

Un fluide frigorigène est une substance pure ou un mélange de substances qui circule dans le circuit fermé d’équipements de production de refroidissement ou de chauffage. Il passe par différents états de compression/détente (état liquide ou gazeux) pour produire du froid ou de la chaleur.

Utilisation du fluide frigorigène pour la production de chaleur

Prenons l’exemple du fonctionnement du fluide frigorigène d’une pompe à chaleur :

1. Le liquide frigorigène capte les calories de l’environnement extérieur (air, eau ou sol) via l’unité extérieure de la PAC ;
2. Cette énergie thermique passe par un évaporateur qui transforme le liquide frigorigène de l’état liquide à l’état gazeux ;
3. Le gaz frigorigène monte ensuite en pression et en température via un compresseur ;
4. Le passage dans un condenseur permet au gaz frigorigène de retrouver son état liquide et de libérer la chaleur produite via l’air (ventilo-convecteur) ou un liquide caloporteur (radiateurs à eau ou plancher chauffant) ;
5. Enfin, le passage dans le détendeur de la PAC permet au fluide frigorigène de baisser en pression et en température ;
6. Le cycle thermodynamique se reproduit en continu jusqu’à ce que la température de consigne de la PAC soit atteinte.

Utilisation du fluide frigorigène pour la production de froid

Le fonctionnement du fluide frigorigène dans un cycle frigorifique (congélateur, réfrigérateur, climatiseur) est inversé par rapport au cycle de production de froid. L’énergie thermique est absorbée à l’intérieur du logement pour être expulsée à l’extérieur :

1. Le fluide frigorigène en basse pression et basse température passe dans le compresseur du circuit fermé du système de production de froid ;
2. La phase de compression commence par une montée en pression et en température du liquide frigorigène via le compresseur et change d’état physique (liquide vers gazeux) ;
3. Le gaz frigorigène circule dans le circuit fermé et passe par le condenseur. Via cette phase de condensation, il change encore d’état physique (gaz à liquide) ;
4. La phase de détente permet d’abaisser la température et la pression du liquide frigorigène ;
5. Enfin, vient la phase d’évaporation où le liquide réfrigérant continue à circuler jusqu’à un évaporateur. Il monte de nouveau en pression en absorbant les calories de l’environnement, ce qui a pour effet de refroidir ledit environnement. Sous la pression constante, le liquide se transforme en gaz. On dit qu’il est vaporisé ;
6. À la sortie de l’évaporateur, le gaz frigorigène baisse en température et en pression ;
7. Le cycle frigorifique recommence lors du passage du gaz dans le compresseur.

Quels sont les différents types de fluide frigorigène ?

On distingue 4 familles ou catégories de fluide frigorigène classées en fonction de leurs propriétés physico-chimiques.

Cette classification des fluides frigorigènes suit une nomenclature qui permet d’identifier :

• les fluides purs ou les mélanges de substances ;
• leurs propriétés ;
• leur dangerosité (toxicité et inflammabilité) sur l’environnement ou les personnes selon la classification ASHRAE. La toxicité du fluide est classée par les lettres A (toxicité faible) à B (toxicité forte). L’inflammabilité du fluide est classée par les numéros de 1 (non inflammable) à 4 (très inflammable) ;
• leur désignation commerciale (R32, R141, R401A, etc.).

Les fluides inorganiques pures

Ces fluides frigorigènes sont principalement au nombre de trois : l’ammoniac, le dioxyde de carbone (CO₂) et l’eau :

• L’ammoniac est un gaz incolore qui comporte de bonnes propriétés physiques de transfert de chaleur. Toutefois, il se caractérise par une odeur piquante désagréable. Il est aussi toxique et peut provoquer de fortes irritations respiratoires ou des brûlures cutanées à l’état liquide. Il s’agit également d’un fluide frigorigène inflammable. Toutefois, l’ammoniac n’a pas d’impact sur la couche d’ozone ni d’effet de serre ;
• Le dioxyde de carbone est un gaz nécessitant une haute pression pour faire fonctionner un cycle frigorifique ou thermodynamique. Il est de plus toxique à haute dose dans l’atmosphère et peut se transformer en gaz asphyxiant dans un lieu confiné ;
• L’eau est un liquide caloporteur non toxique avec un impact environnemental nul. Néanmoins, son application dans un cycle frigorigène ou thermodynamique reste limitée à un usage industriel : solidification sous 0 °C et forte pression pour transférer la chaleur.

Les hydrocarbures

Les hydrocarbures sont des fluides frigorigènes composés d’atomes de carbone et d’hydrogènes :

• le butane ;
• le propane ;
• le propylène ;
• l’isobutane.

Ces fluides frigorigènes issus des hydrocarbures disposent d’un pouvoir calorifique optimal et une bonne stabilité à température ambiante. Toutefois, ils sont extrêmement inflammables et polluants. Ils peuvent présenter un risque de toxicité en cas d’exposition. Enfin, les hydrocarbures sont considérés comme de puissants gaz à effet de serre qui génèrent de la pollution et causent des maladies respiratoires.

Les fluides frigorigènes hydrocarbures sont principalement utilisés pour la production du froid industriel (butane, propylène ou propane) ou domestique (isobutane).

Les hydrocarbures halogénés

Les hydrocarbures halogénés se composent de 4 fluides frigorigènes utilisés pour leur très bonne capacité de transfert de chaleur en cycle frigorifique et thermodynamique.

Ils ne présentent pas de dangerosité majeure pour les personnes en termes de toxicité (sauf concentration élevée dans l’air ou contact physique) et ne sont pas inflammables (sauf températures extrêmes). Toutefois, certains fluides sont interdits à la commercialisation et d’utilisation à cause de leur impact néfaste sur l’environnement :

• les chlorofluorocarbures (CFC) sont la 1^re génération de fluides frigorigènes. Ils sont constitués de chlore ou de carbone. Ils impactent directement la couche d’ozone et sont interdits d’utilisation/commercialisation depuis le protocole de Montréal de 1987 ;
• les perfluorocarbures (PFC) sont des gaz fluorés de la même génération que les CFC. Puissants gaz à effet de serre, ils sont interdits d’utilisation comme gaz réfrigérant depuis le protocole de Kyoto ;
• les hydrochlorofluorocarbures (HCFC) sont des composés de chlore, de fluor et de carbone. Ils font partie de la 2^e génération de fluides frigorigènes. À l’instar des CFC, les HCFC sont des destructeurs de couche d’ozone. Ils sont interdits à la commercialisation et d’utilisation en France depuis 2015 ;
• les hydrofluorocarbures (HFC) sont des composés de fluor, d’hydrogène et de carbone. Moins néfastes pour la couche d’ozone, ces fluides frigorigènes de 3^e génération sont de puissants gaz à effet de serre et ont une action directe sur le réchauffement climatique. Ils sont progressivement interdits en France jusqu’en 2030 ;
• les hydrofluoroléfines (HFO), des fluides frigorigènes de 4^e génération, sont composés de fluor, d’hydrogène et de carbone comme les HFC mais avec des concentrations inférieures. Ils présentent moins de dangerosité pour l’environnement.

Les autres substances

Ils existent des fluides frigorigènes à utilisation particulière ou ponctuelle :

• l’éther ;
• les amines aliphatiques ;
• les alcools d’éthanol et de méthanol.

Quel fluide frigorigène pour une climatisation ou une pompe à chaleur ?

Les fluides frigorigènes d’un climatiseur, d’une voiture ou d’une pompe à chaleur sont choisis en fonction de leurs propriétés thermodynamiques et frigorifiques. Ils doivent cumuler un certain nombre de capacités physico-chimiques :

• une capacité élevée de transfert de chaleur ;
• une bonne capacité frigorifique ;
• un haut niveau de température critique ;
• une stabilité chimique ;
• un niveau de compression optimal par rapport au système de chauffage/froid.

Comme nous venons de voir dans le point précédent, tous les fluides frigorigènes présentent un niveau de risque plus ou moins important.

Les constructeurs doivent donc tenir compte du danger d’un fluide frigorigène pour l’utilisateur et l’environnement. Les risques de toxicité et d’inflammabilité sont évalués en fonction du type de système et de l’utilisation consacré (industriel, commercial, domestique).

Enfin, l’impact environnement d’un fluide frigorigène est aussi un critère de choix déterminant. De nombreux fluides frigorigènes sont soumis à la réglementation F-gaz (directive européenne du 7 février 2024) et font l’objet d’une interdiction progressive en France entre 2020 et 2035 :

Le R32, le gaz frigorigène de transition

Actuellement, le R32 est le fluide frigorigène le plus utilisé dans les systèmes de production de chauffage et de froid (pompes à chaleur, climatiseur, chauffe-eau thermodynamique, système frigorifique) en installation domestique/tertiaire. Il représente près de 80 % des fluides frigorigènes présents sur le marché en France.

Pour se conformer à la réglementation F-gaz, le fluide frigorigène R32 est en effet préféré aux hydrocarbures halogénés HFC R410a et au R134a par de nombreux constructeurs de PAC ou de climatiseurs en raison de son PRG de 675 kg eq.CO₂ contre 2 088 kg eq.CO₂ pour le 410a ou 1 433 kg eq.CO₂ pour le R134a.

Néanmoins, le R32 devra être abandonné dès 2030 comme tous les autres fluides HFC avec un PRG supérieur à 150 kg eq.CO₂. C’est pourquoi, les constructeurs et les pouvoirs publics envisagent l’introduction de fluides frigorigènes naturels dans les différents systèmes de production de froid et de chauffage à destination des particuliers et des professionnels.

Les fluides frigorigènes naturels dans les bâtiments commerciaux ou résidentiels

L’ammoniac, le dioxyde de carbone et le propane R290 sont des solutions alternatives possibles aux gaz fluorés (fluide frigorigène HFC) envisagées par le Ministère de la transition écologique. Ces fluides frigorigènes naturels sont ainsi autorisés dans différentes applications de froid ou de chauffage dont :

• le froid domestique (réfrigérateur, congélateur) ;
• le froid commercial ;
• les systèmes de climatisation mono et multi-split ;
• les pompes à chaleur résidentielles ;
• la climatisation automobile.

L’utilisation de fluides frigorigènes à faible impact environnemental présente certains avantages par rapport aux HFC :

• un PRG nul ou quasi-nul, bien que ces gaz frigorigènes naturels puissent être toxiques pour les humains en exposition directe (fuite), voire hautement inflammables. Leur utilisation dans des équipements de climatisation et de réfrigération est possible sous contrôle strict des installations ;
• une efficacité énergétique importante, ce qui permet à l’usage d’augmenter le rendement de la PAC ou du climatiseur, et in fine de réaliser des économies d’énergie à l’année.

Quand renouveler ou remplacer un fluide frigorigène dans une PAC ?

En principe, un fluide frigorigène circule dans le circuit fermé d’une climatisation (mobile, fixe ou automobile) ou d’une pompe à chaleur. Il n’est pas censé s’évaporer dans la nature, ce qui normalement limite son renouvellement. Toutefois, il peut y avoir un manque d’étanchéité du système de production de froid ou de chaleur avec pour conséquence une fuite du gaz frigorigène.

Vous constatez une fuite du climatiseur ou de la PAC ? Pour rappel, l’entretien est obligatoire :

• tous les deux ans pour les modèles de PAC air-air, PAC air-eau ou PAC géothermiques avec une puissance entre 4 et 70 kW avec une charge de fluide frigorigène HFC supérieure à 2 kg ;
• tous les ans pour les PAC ou les climatiseurs avec une charge de fluide frigorigène HFC supérieure à 5 T eq.CO₂ (selon réglementation F-gaz).

L’entretien d’un climatiseur ou d’une PAC doit être réalisé par un professionnel disposant d’une attestation de manipulation des fluides frigorigènes délivrée par un organisme certifié (AFNOR, Bureau Veritas, Dekra).