Par Florence MOULINS - Société SANYO - juin 2009

Le COP de 3 qui diminue fortement quand les besoins de chauffage augmentent, n'est pas une fatalité. L'utilisation de fluides frigorigènes HFC n'est pas une unique solution. Une nouvelle génération de pompe à chaleur utilisant le CO2 (comprimé) présente une efficacité énergétique et un respect environnemental bien supérieurs aux meilleures PAC traditionnelles.

Pourquoi le CO2 pour la pompe à chaleur ?

Le CO2 est un fluide sain pour l'environnement et un réfrigérant naturel à très faible GWP (Pouvoir de Réchauffement Global) comparé aux HFC traditionnellement utilisés.

Le CO2 constituant la base de détermination du GWP, sa valeur est de 1 alors que les fluides réfrigérants hydro fluorés présentent des GWP de 1000 à 2000 fois plus élevés (équivalent CO2 émis sur 100 ans).

Il existe pourtant des solutions avec des fluides à GWP nul, comme les hydrocarbures ou l'ammoniac, toutefois, leur caractère inflammable et toxique les éloigne des applications domestiques.

Le CO2 présente pourtant une contrainte, celle des pressions utilisables; en effet son point critique est très bas (31°C) ce qui implique pour l'utilisation en pompe à chaleur un fonctionnement en zone transcritique. La conséquence en sera un bénéfice, conduisant à l'obtention de températures élevées.

La particularité d'un système au CO2 génère l'utilisation d'un sous-refroidisseur dont le rôle conduit à optimiser l'efficacité de la détente et l'évaporateur permettant ainsi d'assurer la puissance calorifique jusqu'à de très basses températures extérieures, et ce sans résistance électrique d'appoint, jusqu'à -18°C avec un modèle triphasé. Même si le CO2 présente une efficacité énergétique moindre que les HFC, cette caractéristique se révèle pourtant de façon différente si l'on considère un système pour la production de froid ou de chaleur. En effet, ce qui pourrait s'avérer rédhibitoire en froid est largement compensé en mode pompe à chaleur. Le fait de pouvoir travailler sans appoint jusqu'à de basses températures permet d'équilibrer la consommation énergétique globale.

Produire de l'ECS à bonne température

L'utilisation en zone transcritique permet de générer de l'eau chaude à haute température, utilisable pour de l'ECS. Une pompe à chaleur au CO2 est donc avant tout un système de production d'eau chaude pour le chauffage et l'ECS avec l'efficacité d'un système thermodynamique, soit un COP de 3,3 à condition nominale.

PAC au CO2 et PAC classiques

• Les coûts d'installation sont de même niveau.
• La pompe à chaleur ne prend pas plus de place.
• L'esthétique est indentique.
• Son niveau sonore est bas, elle fonctionne à de moins de 45dB-A pour la PAC de 4,5 kW, 48 dB-A pour celle de 9 kW (compresseur rotatif).

Comparatif entre système Inverter CO2 et on/off R410A.

Spécificité liés au dégivrage

Le rôle premier de la pompe à chaleur étant l'échange avec l'eau, le mode de dégivrage utilisé est bien évidemment un dégivrage par injection de gaz chaud, assurant le maintient de la production de chauffage. La plage d'utilisation de la pompe à chaleur la destine entre autres à des zones climatiques rigoureuses en hiver. Pour pallier au phénomène de dégivrage, la batterie extérieure dispose d'un système anti-glace; le bas de la batterie est parcouru par 2 tubes haute pression dont le rôle est d'empêcher cette formation de glace.

Fonctionnement thermodynamique

Le cycle thermodynamique utilisé présente certaines particularités liées à l'utilisation du CO2, aux pressions dues à l'utilisation transcritique et à l'efficacité de l'évaporateur. Comme signalé plus haut, un sous-refroidisseur est utilisé. Non seulement il joue un rôle essentiel dans l'efficacité du système, mais la détente opérée sur le gaz pour cet échange permet également une réinjection à l'étage intermédiaire du compresseur. La conséquence est la minimisation de la pression globale des gaz refoulés, et ainsi la réduction de la puissance absorbée par le compresseur.

Fonctionnement du réservoir

Comme signalé plus haut, le réservoir est la véritable intelligence du système dans son application. C'est l'utilisation conjointe de la pompe à chaleur et du réservoir qui procure la double fonctionnalité chauffage et production d'ECS, mais qui assure également sa bonne efficacité.

Le fonctionnement de la pompe à chaleur est géré par une loi d'eau qui sera définie en regard des besoins de chaque utilisation (zones géographiques & confort souhaité). La régulation comporte en outre programmation journalière et hebdomadaire, choix des points de consigne, etc ...

Les aspects sécuritaires et réglementaires

Les pressions utilisées dans un système thermodynamique fonctionnant avec du CO2 rendent plus que délicate une quelconque intervention sur le circuit frigorifique. En cas de défaillance, seul le changement pur et simple de la pompe à chaleur est réalisé. Il va de soi que face à ce mode obligé de gestion, le suivi quant à la qualité de fabrication est draconien, autant pour des raisons de sécurité que pour des raisons économiques.

La gamme de pompe à chaleur est composée de 2 types de puissances, 4,5 kW et 9 kW à 7°C extérieur pour un régime d'eau de 50°C en sortie et 30°C en entrée, la pompe à chaleur est disponible en version 230 volts monophasée et 400 volts triphasée.

Développées et très utilisées au Japon, ces pompes à chaleur ont fait leur entrée sur le marché européen en 2005. Leur particularité a fait de la Scandinavie la première cible avec les systèmes de 4,5 kW - la structure de l'habitat ne nécessitant pas davantage grâce à l'isolation et de la gestion d'air neuf.

A ce jour, plus de 4000 PAC sont installées. Leur succès reste constant, par la qualité du chauffage produit, par l'économie d'énergie générée et ainsi que par leur fiabilité.

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