Comment fonctionne la climatisation et comment s’en servir.

Un article (un peu difficile) mais qui permet de comprendre vraiment comment fonctionne une climatisation et qu vous permettra d’éviter toutes les erreurs courantes…

Le fonctionnement de la climatisation d’une maison ou d’une voiture est exactement le même que celui d’un réfrigérateur. La seule différence, c’est que dans le cas d’une climatisation, c’est nous qui sommes à l’intérieur d’une sorte de très grand réfrigérateur. La première conclusion qu’on doit en faire, c’est que la climatisation n’est vraiment efficace que si les portes et les fenêtres sont toutes complètements fermées, comme dans le cas d’un réfrigérateur, il ne fonctionne correctement que si sa porte est étanche.

Leur fonctionnement est basé sur le même principe physique : un gaz est comprimé par un compresseur. Comme tous les gaz comprimés, il s’échauffe. On le refroidis ensuite dans un radiateur (c’est la grille qu’on trouve souvent derrière le réfrigérateur et qui est chaude lorsqu’il fonctionne). Ce gaz circule donc dans le petit tube qui se trouve dans la grille à l’extérieur, et en se refroidissant, il se transforme en liquide et seulement ensuite, le tube pénètre à l’intérieur du réfrigérateur. Là les dimensions du tube augmentent, de manière à permettre au mélange gaz/liquide d’occuper davantage de volume. On dit que le gaz se détend et c’est à ce moment que le phénomène recherché se produit : pour se détendre un gaz à besoin de capter de la chaleur. Il la prend alors dans l’environnement qui se trouve autour du tube, et donc provoque son refroidissement. Ensuite, lorsque le gaz est totalement détendu, le tube ressort du réfrigérateur pour recommencer un nouveau cycle dans le compresseur : compression/échauffement à l’extérieur, détente/refroidissement à l’intérieur, et ainsi de suite. Le circuit du tube est complètement fermé et soudé. Dans un réfrigérateur, le gaz ne peut pas s’échapper (c’est une peu différent pour la climatisation d’une voiture).

Dans les faits, cela revient à chaque passage à prendre un peu de chaleur pour la faire sortir à l’extérieur du réfrigérateur, de la maison ou de la voiture… On voit ici qu’un réfrigérateur n’est pas une machine qui produit du froid, c’est seulement une machine qui déplace la chaleur d’un endroit à l’autre. En effet, aucune machine ne « produit de froid », parce que le froid, c’est… rien du tout, ou plutôt c’est l’absence de chaleur. Exactement comme le vide est l’absence de matière, le silence est l’absence de bruit, ou l’obscurité est l’absence de lumière. On ne produit pas « rien » : on éteint la lumière, on fait le silence, on fait le vide en pompant le gaz, on fait du froid en évacuant la chaleur.

Conséquences importantes :

1 Si la chaleur sort, elle se retrouve nécessairement quelque part ailleurs, il y a donc toujours un endroit qui la réceptionne et par conséquent qui s’échauffe. Le plus souvent c’est derrière le réfrigérateur ou dans le module échangeur qui se trouve à l’extérieur de la maison pour une climatisation. Il faut que cette grille laisse à son tour partir la chaleur : voilà pourquoi c’est une très mauvaise idée d’enfermer un réfrigérateur dans un meuble sans prévoir de ventilation suffisante comme on le fait fréquemment. Il sera inefficace, mourra prématurément et ne fera qu’alourdir votre facture d’électricité.

2 Le travail du réfrigérateur consiste donc à extraire en permanence la chaleur de l’intérieur, et il doit travailler une permanence parce que la chaleur de l’extérieur a tendance à toujours vouloir y revenir car la chaleur va toujours spontanément du plus chaud au plus froid, tout découle de cela, on y reviendra souvent quand on parlera d’isolation. Un réfrigérateur, c’est donc un peu comme une vieille barque qui aurait des trous dans la coque. On est obligé d’écoper en permanence, si on s’arrête elle coule. Si le compresseur s’arrête trop longtemps, le réfrigérateur revient à la même température que la pièce où il est parce que son isolation n’est jamais parfaite. Il est donc essentiel que la porte soit fermée et étanche et qu’il n’y ait pas de fuites. C’est la même chose pour la climatisation d’une maison, il ne faut pas laisser de porte entrouverte, il faut étancher, mais en même temps, il est indispensable de laisser un passage pour permettre à la chaleur extraite de sortir.

3 On ne produit pas de froid puisque le froid ce n’est rien du tout, on ne fait que transporter de la chaleur. Mais pour cela, il faut fournir du travail, ce qui est le rôle du compresseur, qui est entraîné par un moteur électrique qui consomme du courant. Il faut donc fournir de l’énergie pour déplacer la chaleur d’un endroit froid vers un endroit plus chaud.

Pour quelle raison ?

On a vu que la chaleur avait tendance naturellement à se propager du milieu qui est le plus chaud à celui le plus froid. C’est une loi fondamentale de la physique que tout le monde connait : la soupe refroidis dans l’assiette si on tarde trop à la consommer… On montre aussi que ce mouvement de la chaleur est capable de fournir un travail, si on utilise une machine adaptée. Un travail, c’est de l’énergie mécanique et une telle machine, c’est ce qu’on appelle un « moteur thermique » comme une machine à vapeur ou un moteur à essence. On peut montrer aussi que plus l’écart de température entre la « source chaude » et la « source froide » est important, plus la machine sera capable de fournir du travail pour une quantité d’énergie consommée. Cette différence entre les deux températures est très importante, elle va déterminer l’efficacité du moteur, ce qu’on appelle son « rendement ».

Dans le cas, d’un réfrigérateur, d’une climatisation, ou plus généralement de ce qu’on appelle une « pompe à chaleur », on va faire l’inverse de ce qu’on fait dans un moteur : on va essayer d’obliger la chaleur à faire le trajet inverse à celui qu’elle fait spontanément, c’est à dire qu’on va l’obliger se déplacer du corps froid vers le corps plus chaud. Et c’est pour faire cela qu’il faut fournir de l’énergie, c’est à dire alimenter en électricité le compresseur qui va effectuer ce travail. Et, de même que le rendement d’une machine est meilleur si l’écart entre la source chaude et la source froide est important, c’est à dire que le travail fourni est élevé, dans le cas d’une pompe a chaleur, ce sera le travail à fournir qui sera plus important si cet écart est élevé. Il faut donner beaucoup d’énergie pour extraire ce qui reste de chaleur d’un objet déjà très froid. Cela a des conséquences importantes pour les climatisations, notamment dans le cas de ce qu’on appelle les « climatisations réversibles » ou « inversibles ».

Une climatisation réversible a deux modes de fonctionnement. En mode « été », elle va déplacer la chaleur de l’intérieur de la maison pour la conduire dehors. Comme il fait plus chaud dehors qu’à l’intérieur, la chaleur a tendance à faire spontanément le trajet inverse. Il faut donc fournir du travail ce qui consomme de l’électricité pour obliger la chaleur à sortir de la maison. On a vu que ce travail sera plus important si il fait très chaud dehors et si la température recherchée à l’intérieur est très fraîche, c’est à dire qu’il est proportionnel à l’écart entre ces deux température.

En mode « hiver », on se retrouve dans une situation analogue. Le but est maintenant d’utiliser la pompe à chaleur pour réchauffer la maison. On va chercher à extraire de la chaleur à l’extérieur, là où il fait froid, pour la forcer à entre à l’intérieur de la maison, là où il fait plus chaud. Et là aussi, le travail à fournir, l’énergie à payer, sera proportionnel à l’écart entre les deux températures. S’il fait froid dehors, au plus fort de l’hiver, la pompe à chaleur consommera beaucoup d’électricité pour chauffer la maison. Pour mesurer son efficacité, on ne parle pas de « rendement », mais de quelque chose d’équivalent, « un coefficient de performance ». Ce coefficient signifie que si j’ai un COP de 3, je vais consommer 1 kW d’électricité pour forcer 3 kW de chaleur à entrer dans la maison. On voit que plus ce coefficient est élevé, plus c’est intéressant d’utiliser la pompe à chaleur en mode « hiver » pour chauffer la maison : tout se passe comme si je payais l’électricité trois fois moins cher que si je la consommais dans un radiateur électrique classique. Or ce « coefficient », comme le « rendement » dont c’est l’équivalent, dépend fortement de l’écart entre les deux températures, intérieure et extérieure. Il diminue si cet écart devient important. En clair, la pompe à chaleur sera plus efficace si la température extérieure est douce que si on l’utilise lors d’un hiver rigoureux. S’il fait très froid dehors, le coefficient se rapprochera de la valeur « 1 ». Cela signifie que l’efficacité de la pompe à chaleur se rapproche de celle d’un quelconque appareil de chauffage électrique. Ce n’est alors pas très pertinent de l’utiliser pour chauffer la maison : pourquoi utiliser une machine complexe, avec des cartes électroniques, des fluides, des pompes, des ventilateurs, un compresseur et des régulations, qui coûte plusieurs milliers d’euro et qu’il faut entretenir tous les ans, qui a une durée de vie limitée à quelques quelques années et qui aura la même efficacité, c’est à dire qui consommera la même quantité électricité qu’un banal radiateur électrique sans aucune mécanique qu’on pourra acheter quelques dizaines d’euro ? Cela montre qu’au plus fort de l’ hiver, lorsque la température extérieure devient très froide, il est préférable d’utiliser les méthodes de chauffages classiques. Là où la pompe à chaleur est vraiment efficace, c’est dans le cas des situations intermédiaires, plutôt en automne et au printemps, lorsque la température extérieure n’est pas trop basse. Tout cela dépend des machines et les constructeurs fournissement normalement des données dans leur documentation. On peut retenir, en pratique le principe suivant : si la température extérieure et inférieure à +5°c, il vaut mieux revenir aux modes de chauffage classique. C’est une excellente raison pour conserver un ou plusieurs modes de chauffages traditionnels si on décide d’installer une pompe à chaleur dans une maison, l’autre raison était qu’il faut se prémunir en cas de défaillance. La pompe à chaleur d’une maison peut tomber en panne comme la climatisation d’une voiture, et dans ce cas, la situation peut être très pénible si on n’a pas de solution alternative. La climatisation réversible, c’est surtout pour l’été… Pour l’hiver, le plus important, c’est d’isoler…

Il existe un grand nombre de fournisseurs de climatisation réversibles et deux types principaux d’installations : les « monosplits » et les « multisplits ». Un monosplit est généralement dédié à une pièce unique, il est autonome, il a sa source chaude et sa source froide qui sont reliées pas le circuit de gaz. On en installe un dans chacune des pièces qu’on souhaite climatiser et ils sont indépendants. Un « multisplit » a une seule pompe à chaleur à l’extérieur qui distribue la chaleur dans plusieurs pièces par plusieurs circuits. L’installation est moins coûteuse au départ, mais une défaillance unique pour mettre à l’arrêt le chauffage / climatisation dans toutes les pièces en même temps et le remplacement de l’ensemble est nécessairement plus compliqué et plus coûteux. Je ne suis pas favorable à cette solution.

Enfin d’autres types de pompes à chaleur existent, des nouvelles machines dite « à haute température », qui permettent d’exploiter le réseau des tuyauteries et éventuellement des radiateurs de chauffage central qui équipent beaucoup de maison de toutes époques de construction. La pompe à chaleur peut fonctionner « en relève de chaudière », c’est à dire qu’elle préchauffe l’eau du circuit avant que la chaudière la porte à sa température de fonctionnellement, ce qui permet d’économiser une partie de l’énergie, gaz ou fioul. Il existe aussi des machines qui peuvent fonctionner seule, en remplacement de la chaudière à gaz et qui permettent ainsi de continuer à utiliser l’ancien circuit de chauffage central. On peut déjà remarquer que si on a une pompe à chaleur et une chaudière à gaz, il ne semble pas intéressant d’utiliser la pompe à chaleur si le COP passe en dessous de 2 (cas d’une température extérieure très froide), l’électricité étant deux fois plus coûteuse que le gaz.

Ces machines conduisent à faire des investissement important, qui représentent parfois plusieurs dizaines de milliers d’euro pour, parfois, des résultats qui pourront être décevants. Les machines sont complexes, elles exigent des installateurs et des techniciens de maintenance un niveau de compétence qui, parfois, n’est pas au rendez-vous, avec des conséquences qui sont alors très difficiles pour l’utilisateur final.

On a vu qu’un pompe à chaleur fait la même chose que celui qui écope dans une vieille barque trouée : il doit travailler en permanence pour pouvoir se maintenir à flot. On va montrer dans la suite à qu’il vaut mieux commencer par s’intéresser aux fuites de la barque avant d’investir des sommes importantes dans une machine complexe et fragile. Toutes les machines sont plus ou moins fragiles.

Le plus important, c’est donc de commencer par s’intéresser à l’isolation d’une maison. C’est ce qu’on va faire par la suite.