Technique 10 juin 2025
Réinventer le chauffage intérieur
Comment les pompes à chaleur au CO₂ sous-critique peuvent transformer l’électrification en climat froid
Une expression dit que dans une voiture, le pare-brise est plus grand que le rétroviseur parce que le futur, qui est devant nous, est plus important que le passé se trouvant derrière. Cependant, regarder en arrière peut parfois aider à innover.
De plus en plus de gestionnaires immobiliers cherchent à se départir d’équipements au gaz et à électrifier leurs bâtiments. Non seulement l’électrification réduit les émissions de GES, mais lorsque réalisée à l’aide de thermopompes, elle peut aussi réduire les frais d’exploitation. Jusqu’à présent, les options de chauffage par thermopompe dans les climats froids étaient limitées. La géothermie est coûteuse et peut occasionner des problèmes d’opération, tandis que les réfrigérants contenus dans la plupart des unités d’aérothermie restreignent leur utilisation comme source de chaleur principale. D’où la question suivante : est-il possible de chauffer un bâtiment avec l’aérothermie tout au long de l’année dans les climats froids ?
Choisir le bon réfrigérant
Pour trouver un équipement d’aérothermie capable de fournir de la chaleur à des températures ambiantes basses, il faut d’abord identifier le meilleur réfrigérant. Les facteurs à considérer sont notamment les risques environnementaux, le potentiel de déplétion ozonique (PDO) et la disponibilité à long terme. La liste, qui ne cesse de s’allonger, comprend des réfrigérants de nouvelle génération, ainsi que des centaines de réfrigérants plus anciens, dont l’utilisation remonte parfois jusqu’aux années 1700.
Certains innovateurs se sont d’ailleurs tournés vers le passé en positionnant le CO2 comme réfrigérant de l’avenir. Il est sécuritaire, abondant naturellement, ininflammable, son PDO est nul et est relativement peu couteux. Les progrès réalisés récemment ont même fait du CO2 l’un des principaux réfrigérants du secteur commercial. Son potentiel va même plus loin, car il existe désormais des thermopompes sous-critiques au CO2 performantes par temps froid, respectueuses de l’environnement, moins coûteuses et moins énergivores. Cette avancée pourrait avoir un impact positif sur la consommation d’énergie et les émissions de GES des bâtiments, en particulier au Québec, où les unités d’aérothermie conventionnelles ne pouvaient jusqu’à maintenant chauffer adéquatement lors des mois les plus froids.
Retour en arrière – Le CO2 comme réfrigérant
L’utilisation du CO2 comme réfrigérant remonte au XIXe siècle. Il a alors servi de substitut aux réfrigérants toxiques et inflammables, tels que l’ammoniac et le dioxyde de soufre.
Les propriétés thermophysiques du CO2 en font un réfrigérant idéal, car il possède une enthalpie de vaporisation élevée et n’est pas sujet aux glissements de température. Parmi les réfrigérants aux caractéristiques similaires, le CO2 se distingue par son faible potentiel de réchauffement global (PRG) et un PDO nul.
Au début du 20e siècle, le CO2 était très utilisé dans les systèmes de réfrigération de la marine marchande et pour des applications industrielles, car il est non toxique et ininflammable. Cependant, les systèmes au CO2 fonctionnent généralement à des pressions très élevées, nécessitant des composants robustes, ce qui a rendu ce gaz moins populaire que les réfrigérants synthétiques émergents du milieu du 20e siècle, tels que les chlorofluorocarbones (CFC) et les hydrochlorofluorocarbones (HCFC).
Alors que les préoccupations environnementales concernant l’appauvrissement de la couche d’ozone et le PRG des réfrigérants synthétiques se sont accrues dans les années 1990 et 2000, le CO2 a connu un regain de popularité. Dans les années 1990, des innovations ont conduit au développement de systèmes de réfrigération au CO2 opérant dans un cycle transcritique. Aujourd’hui, le CO2 (désigné sous le nom de R-744) est largement utilisé dans les supermarchés, pour la réfrigération commerciale à grande échelle et pour la climatisation automobile. Il est apprécié pour son faible PRG et ses excellentes propriétés de transfert de chaleur. Grâce aux progrès réalisés dans la conception et l’efficacité des systèmes, la réfrigération au CO2 continue de gagner du terrain en tant que solution durable pour réduire les émissions de GES liées aux systèmes de refroidissement.
Le CO2 est maintenant utilisé dans les chauffe-eau domestiques. Recourir au CO2 pour le chauffage d’unités CVC est toutefois moins courant. Bien que certains fabricants proposent de tels produits, ces derniers fonctionnent à des pressions transcritiques, ce qui limite le potentiel de récupération de la chaleur et rend l’équipement plus cher, plus susceptible de tomber en panne et plus coûteux à entretenir.
Les thermopompes au CO2 en cycle sous-critique fonctionnent à des températures et à des pressions plus basses. Elles sont donc moins chères et moins complexes techniquement que les unités opérant dans un cycle transcritique. Cependant, une conception innovante est nécessaire pour surmonter les défis techniques liés à leur intégration dans les systèmes de chauffage de bâtiments. Une fois ces difficultés surmontées, il est possible d’obtenir des bénéfices similaires à ceux des applications de réfrigération : des performances accrues avec un équipement au PRG plus faible.
Examinons maintenant quelques-uns des défis et avantages potentiels du CO2 sous-critique comme réfrigérant d’une unité d’aérothermie.
Cycle transcritique ou sous-critique ?
Les unités d’aérothermie au CO2 opérant dans un cycle transcritique peuvent fournir des températures d’eau de sortie supérieures à 180 °F, ce qui est idéal pour le chauffage de l’eau domestique et de procédés industriels. Dans les sections d’un circuit transcritique, les pressions sont supérieures au point critique de 1069 psia pour le CO2. Une pression élevée augmente les frais d’entretien et les risques de fuite de réfrigérant. L’adoption du cycle transcritique pour des équipements de chauffage de petites capacités, tels que les chauffe-eau domestiques, semble plus probable que pour des équipements de grande capacité pour lesquels les coûts liés à l’augmentation des pressions ne sont pas compensés par les avantages.
Inversement, les systèmes de CO2 opérant en cycle sous-critiques sont efficaces quand les températures d’opération sont plus basses, soit sous le point critique du CO2. Comme les pressions et les températures sont plus basses, les systèmes sous-critiques coûtent moins cher, consomment moins d’énergie et ont des frais d’entretien réduits par rapport aux systèmes opérant dans un cycle transcritique.
En raison des propriétés thermiques du CO2, une thermopompe opérant dans un cycle sous-critique peut extraire efficacement de la chaleur à des températures allant jusqu’à -30 °C. Il s’agit donc d’un excellent choix pour chauffer les bâtiments québécois !
Un autre avantage du cycle sous-critique du réfrigérant est que, contrairement au cycle transcritique, la partie condensation du cycle se produit comme un changement de phase, à une pression et une température constantes. Le processus est donc plus efficace, ce qui se traduit par des économies d’énergie et un COP plus élevé.
Pour en savoir plus sur les différences entre le CO2 utilisé en cycle sous-critique et le CO2 en cycle transcritique, consulter l’article « Comprendre les cycles de réfrigération – Sous-critique et transcritique ».
Opération à basse température
Contrairement aux thermopompes transcritiques classiques, une unité sous-critique au CO2 peut fonctionner efficacement sur des boucles de chauffage à faible différentiel de température. La limite est la température de sortie de la thermopompe. Un cycle sous-critique ne dépassera pas la température du point critique. Pour le CO2, cette température est de 31,1 °C (87,8 °F). Une température de sortie maximale de 24 °C (75 °F) est raisonnable. Fonctionner à basse température élargit la gamme d’applications potentielles du cycle sous-critique. Toutefois, la faible température de sortie de la thermopompe limite sa capacité à remplacer entièrement la source de chauffage principale dans la plupart des systèmes existants où la température de l’eau peut se situer entre 140 et 190 °F. Des solutions innovantes sont nécessaires pour tirer avantage du potentiel d’efficacité énergétique des thermopompes au CO2 opérant dans un cycle sous-critique.
Les configurations les plus probables risquent d’être les systèmes en cascade avec thermopompe eau-eau. Traditionnellement, la géothermie est utilisée quand l’aérothermie conventionnelle ne convient pas parce que les puits peuvent fournir une chaleur basse température relativement constante, même en hiver. Toutefois, l’aérothermie au CO2 sous-critique peut, tout comme la géothermie, fournir une température d’au moins 60 °F tout au long de l’année, même dans les climats nordiques.
L’écart de coût entre ces deux options peut se chiffrer en millions de dollars selon la capacité du système. La géothermie s’accompagne également d’un risque lié au forage. Des conditions inattendues du sol et de la roche-mère peuvent rendre les puits moins performants. En outre, les champs géothermiques nécessitent généralement une recharge thermique pendant l’été, ce qui peut s’avérer difficile si les charges de chauffage et de refroidissement ne sont pas correctement équilibrées tout au long de l’année.
En revanche, les températures de l’air sont connues tout au long de l’année et l’aérothermie présente moins de risques que la géothermie. Des unités au CO₂ opérant dans un cycle sous-critique peuvent extraire la chaleur de l’air extérieur en hiver, fournir une température de sortie limitée et maintenir la température de l’eau de chauffage requise. Les coefficients de performance globaux (COP) d’un tel système de chauffage, qui varient selon la charge et la température de l’air extérieur, devraient se situer entre 2 et 5.
Une technologie très prometteuse
L’aérothermie au CO2 en cycle sous-critique est une technologie très prometteuse, en particulier dans les climats rigoureux où l’aérothermie traditionnelle peine à fonctionner lorsqu’il fait très froid. Dans un contexte où il faut électrifier les bâtiments et en réduire les émissions de GES, l’aérothermie au CO2 sous-critique peut constituer une partie importante de la solution.
Ecosystem est toujours à la recherche de moyens innovants pour améliorer l’efficacité et aider ses clients à atteindre leurs objectifs. Un partenariat a d’ailleurs été établi avec un fabricant de thermopompes. Soutenu par le gouvernement du Québec, ce partenariat vise à développer un système d’aérothermie au CO2 sous-critique de grande capacité pour les climats nordiques.
Pour plus de détails, consulter l’article « Développement d’un système d’aérothermie au CO2 de grande capacité».
Défis liés aux équipements
Pour concevoir et développer une pompe à chaleur air-eau de grande capacité utilisant le CO2 dans un cycle sous-critique, Ecosystem s’est associé à RefPlus par l’intermédiaire de sa filiale Ceptek. Il s’agit d’un fabricant québécois d’équipements de réfrigération sur mesure. Leur grande expérience avec le CO2 utilisé comme réfrigérant dans diverses applications, de même que leurs capacités de conception et de fabrication en font un partenaire de développement idéal pour la technologie voulue.
Étant donné que le nouveau système d’aérothermie est destiné à fournir de la chaleur à des températures inférieures au point de congélation, sa conception et son développement devront relever les défis suivants :
Recours à un système split
Tirer avantage de la capacité de chauffage à basse température du CO2 en cycle sous-critique signifie que l’équipement fonctionnera à des températures inférieures au point de congélation. Une telle conception doit donc tenir compte des risques de gel dans le système hydronique. Si elles opèrent dans des climats nordiques, la plupart des unités autonomes actuellement disponibles nécessitent un fluide caloporteur intermédiaire (comme le glycol) pour circuler entre la thermopompe et le système de chauffage.
En concevant l’équipement comme un système split air-air, la tuyauterie demeure à l’intérieur et le réfrigérant circule vers l’équipement extérieur. Il n’est alors pas nécessaire d’utiliser du glycol ou d’autres mesures de protection contre le gel. Cela simplifie l’installation, réduit les pertes d’énergie et permet de loger la thermopompe à l’intérieur, ce qui la protège des conditions climatiques difficiles et améliore sa durabilité.
Cycles de dégivrage et gestion de la condensation
Sur une thermopompe qui fournit de la chaleur, le serpentin d’évaporation côté air sera souvent à une température inférieure au point de rosée de l’air. Cette situation entraînera de la condensation lorsque les températures sont inférieures au point de congélation. Si rien n’est fait, le condensat se transforme en glace. Pour dégivrer le serpentin, prévenir les dommages et maintenir les performances, un cycle de dégivrage doit être intégré dans la conception et le fonctionnement de la thermopompe.
Un cycle de dégivrage qui utilise les gaz de décharge des compresseurs peut dégivrer l’évaporateur sans recourir à des éléments électriques. L’on peut ainsi parfois réduire le coût d’installation de la thermopompe en évitant d’augmenter la capacité électrique d’un bâtiment. Cette approche évite aussi les pointes de consommation d’électricité et les risques de surtension.
Une fois retiré du serpentin de l’évaporateur, le condensat doit rester liquide jusqu’à ce qu’il puisse être évacué. Pour ce faire, il faut utiliser des chauffe-bassins et des canalisations de chauffage électriques ou hydroniques.
Serpentin d’évaporateur horizontal
Les serpentins traditionnels en forme de V des unités d’aérothermie peuvent devenir problématiques en hiver alors que les vents peuvent générer des amas de neige qui atteignent les serpentins et affectent leur cycle normal de dégivrage. Avec un serpentin d’évaporation horizontal, la neige est moins susceptible de nuire au fonctionnement. Cette orientation est également moins sujette à la variabilité du transfert de chaleur qui accompagne les rafales hivernales. Les enceintes de protection, couramment utilisées pour faire face au vent et aux conditions météorologiques, sont moins susceptibles d’être nécessaires avec un serpentin d’évaporation horizontal.
À quoi s’attendre pour l’avenir
Le recours à l’aérothermie au CO2 offre de belles possibilités d’électrification du chauffage. Le développement des équipements et leur intégration aux systèmes de chauffage d’un bâtiment posent des défis uniques, mais les avantages financiers et environnementaux peuvent être considérables. Le CO2 est un réfrigérant qui a une longue histoire, mais aussi un brillant avenir !
