Les principaux critères de sélection des fluides frigorigènes à faible impact environnemental

Les critères de sélection utilisés dans l’évaluation d’un fluide frigorigène portent sur les propriétés thermodynamiques, la sécurité, la réglementation, les critères techniques, les critères économiques et la disponibilité.



Les critères thermodynamiques

• La température d’évaporation la plus basse doit être supérieure à la température normale d’ébullition. La totalité du circuit de la PAC doit être en surpression vis-à-vis de l’extérieur afin d’éviter le risque d’introduction d’air atmosphérique et de vapeur d’eau, et surtout la masse volumique doit être suffisamment élevée pour éviter des volumes balayés trop grands et donc des coûts prohibitifs pour les compresseurs.
• La température de condensation doit être inférieure à la température critique. Les mélanges correspondant à une température critique inférieure à 65 °C ne sont pas considérés.
• La température de refoulement doit être inférieure à 130 °C pour éviter la décomposition des lubrifiants et préserver la durée de vie des compresseurs.
• La pression au condenseur doit être inférieure à 4 MPa. Le prix d’une installation frigorifique s’accroît à partir d'un seuil de pression nominal de fonctionnement. Des pressions de condensation élevées nécessitent des matériels adaptés (compresseurs, échangeurs, organes de régulation et de détente) qui ne sont pas toujours disponibles en grande quantité aujourd’hui. Dans cette étude, deux catégories sont choisies correspondant à une pression inférieure à 3 MPa et une pression entre 3 et 4 MPa respectivement.
• Le taux de compression doit être aussi limité à une valeur inférieure à 6,5. Les taux de compression élevés sont généralement la cause d’échauffements excessifs du fluide et entraînent la diminution des rendements volumétriques et effectifs et donc une augmentation de la consommation énergétique du compresseur.
• Le glissement de température de certains mélanges de fluides frigorigènes au cours des changements d’état ne doit pas dépasser un certain seuil. Les mélanges retenus présentent un glissement de température inférieur à 15 K à la condensation.
• La puissance calorifique volumétrique est définie par la quantité de chaleur produite par unité de volume de fluide frigorigène aspiré par le compresseur. Plus cette quantité est élevée, plus la PAC est de dimensions réduites et son coût moins élevé. Ce critère est en rapport direct avec la température normale d'ébullition et la masse molaire du fluide.

Les impacts sur l’environnement

L’impact des fluides frigorigènes chlorés sur l’ozone stratosphérique est désigné par le terme anglais ODP (ozone depletion potential) ou bien encore par l’acronyme PAOS (potentiel d’action sur l’ozone stratosphérique). Seuls les fluides frigorigènes ayant un ODP nul et une durée de vie atmosphérique limitée sont évalués dans la méthode de sélection.

L’impact sur l'accroissement de l'effet de serre GWP (global warming potential) traduit par l’acronyme PAES (potentiel d’action sur l’effet de serre) ou PRG (potentiel de réchauffement global) des frigorigènes halocarbonés est non négligeable. Les efforts pour accroître l’usage de fluides "naturels" (CO₂ , eau, ammoniac, propane, butane, etc.) et des HFC à faible GWP sont continus depuis 1990.

Le critère « TEWI » pour l’évaluation de l’impact environnemental des pompes à chaleur résidentielles peut être directement introduit dans la méthode de sélection. Son introduction nécessite la connaissance exacte de la charge en fluide frigorigène du système, du taux de récupération du fluide en fin de vie, du taux annuel d’émission, du mix de production d’électricité et des conditions climatiques. Ces valeurs varient largement en fonction du mélange, du système et du pays considéré. De ce fait, dans l’étude qui suit, seuls le COP et le GWP sont introduits. Les mélanges les plus efficaces sont ceux vérifiant à la fois un GWP faible et un COP élevé.

La sécurité

La toxicité et l’inflammabilité sont des critères importants de sécurité. Tous les fluides purs choisis dans cette étude sont non toxiques. Cependant l’exclusion des fluides inflammables diminue la possibilité d’atteindre des faibles valeurs de GWP et exige donc de trouver une méthode de classification par degré d’inflammabilité. Dans cette étude le "RF-number" est utilisé pour le classement du niveau d'inflammabilité.

Les critères techniques

Tous les fluides purs analysés sont compatibles avec le cuivre et les lubrifiants usuels. Ces fluides sont en majorité des HFC associés à des huiles polyolesters (POE). L’ammoniac est l’un des fluides frigorigènes le plus efficace énergétiquement pour les niveaux de températures étudiées. Cependant, son caractère corrosif et toxique entraîne une série de contraintes d'architecture (par ex. système indirect) et de matériaux (non utilisation du cuivre et de ses alliages) qui, dans la pratique, limitent son usage en particulier dans les bâtiments résidentiels. Ce fluide est donc exclu de cette étude.

La conductivité thermique, l’efficacité des échanges thermiques, l’aptitude aux fuites et le comportement en présence d’eau ne sont pas traités dans cette revue systématique.

Les critères économiques

Le prix du compresseur, des échangeurs, des conduites et des accessoires installés (robinets d’arrêt, robinets régulateurs, filtres, etc.) dépendent directement du choix du fluide frigorigène et de ses critères techniques et thermodynamiques. Le prix du fluide frigorigène par unité de volume et des lubrifiants associés, ainsi que la disponibilité sont aussi des facteurs importants pour une substitution rapide des anciens fluides frigorigènes par de nouveaux candidats. De ce fait, les fluides purs choisis dans cette étude sont des fluides frigorigènes actuellement utilisés et les mélanges qui en résultent peuvent être facilement fabriqués.