FONCTIONNEMENT CLIMATISATION

Le climatiseur est l’un des appareils les plus efficaces pour l’obtention et le maintien d’un confort thermique optimal à l’intérieur d’un logement. Quel est son principe de fonctionnement ? Quels sont ses différents composants ? Comment interagissent-ils entre eux ? Découvrez les réponses dans la suite de ce guide sur le fonctionnement de la climatisation

Le phénomène thermodynamique

Le fonctionnement d’un climatiseur, comme celui d’une pompe à chaleur (PAC), est basé sur le phénomène thermodynamique. En effet, le premier principe de la thermodynamique stipule que l’énergie ne se crée pas mais qu’elle se transforme. C’est sur ce principe que s’appuie tout le processus de production de l’air frais soufflé par un climatiseur. Ce dernier déplace simplement la chaleur d’un milieu A à un milieu B, provoquant ainsi une baisse de température du milieu A qui devient plus confortable. Un système de régulation permet de maintenir la température à un niveau souhaité et d’éviter qu’elle baisse en dessous d’un certain seuil.

Le fonctionnement d’un climatiseur s’appuie également sur un phénomène appelé changement de phase. C’est grâce au changement de phase (ou d’état) du liquide caloporteur contenu dans le système de climatisation que le transfert et la transformation de l’énergie sont possibles. Lorsque, pour une raison ou une autre, ce changement de phase n’est plus possible, la climatisation ou le chauffage s’arrête.

Quels sont les composants d’un climatiseur ?

Le circuit frigorifique est le composant principal d’un climatiseur. Il comprend tous les éléments qui interviennent dans le processus de transfert de la chaleur. À cela s’ajoutent d’autres composants qui jouent des rôles secondaires.

Le circuit frigorifique

Le circuit frigorifique d’un climatiseur est composé des éléments suivants : fluide frigorigène, compresseur, condenseur, détendeur, évaporateur.

Fluide frigorigène

Le fluide frigorigène est un liquide qui change d’état de façon cyclique pour permettre au climatiseur de produire de l’air froid. Il est fabriqué à partir d’une combinaison spécifique de molécules qui lui confèrent un pouvoir caloporteur (capacité à transporter de la chaleur). Selon les utilisations, les éléments qui le composent varient.

Il existe actuellement 4 grandes familles de fluides frigorigènes sur le marché :

• Les HCFC (hydrochlorofluorocarbures)
• Les CFC (chlorofluorocarbures)
• Les HFC (hydrofluorocarbures)
• Les fluides naturels

En raison de leur dangerosité pour la couche d’ozone, les deux premiers types de fluides sont interdits d’utilisation en France depuis 1987. Actuellement, ce sont les HFC qui sont les plus répandus sur le marché des systèmes de climatisation et de chauffage. Dépourvus de chlore, ils ont un pouvoir réchauffant 14 800 fois supérieur à celui du CO2 et n’affectent pas directement la couche d’ozone. Ce sont néanmoins des gaz à effet de serre.

Les fluides naturels sont également de plus en plus répandus en Europe, car ils ont un effet presque nul sur la couche d’ozone. Ce ne sont pas des gaz à effet de serre. Ces fluides sont souvent fabriqués à base d’ammoniac, de CO2, d’isobutane et de propane.

Compresseur

Le compresseur a pour rôle d’augmenter la pression du fluide qui circule dans le circuit frigorigène lorsqu’il est à l’état gazeux. Il se trouve au début du cycle de production de l’air frais. Pour fonctionner, un compresseur utilise l’énergie électrique afin de brasser l’air à l’aide de ses composants mécaniques. C’est son fonctionnement qui génère une grande partie du bruit qu’émet l’unité extérieure d’un climatiseur lorsqu’il est en marche. Les fabricants utilisent actuellement trois types de compresseurs dans les systèmes de climatisation : les compresseurs scroll, à vis ou à piston.

Les compresseurs scroll sont composés d’un rotor en forme de spirale qui brasse l’air en continu en faisant un mouvement rotatif autour d’une autre spirale fixe. On les retrouve très souvent dans les systèmes de climatisation avec unité extérieure.

Les compresseurs à vis quant à eux contiennent une vis qui brasse le gaz en tournant entre un cylindre et une pièce rotative. Enfin, les compresseurs à piston intègrent un ou plusieurs pistons qui coulissent dans un cylindre pour comprimer le gaz. Ils sont également composés d’un clapet ou d’une soupape.

Condenseur

Le condenseur d’un système de climatisation joue un rôle de pré refroidissement du gaz frigorigène. Situé entre le compresseur et le détendeur, c’est l’un des deux échangeurs thermiques dont l’appareil est doté. C’est dans cette partie du système de refroidissement que le condensat se forme. Un condenseur est composé d’un serpentin qui est lié à des ailettes afin de favoriser l’échange d’énergie. Le serpentin est fait de tubes en cuivre à rainure internes, ce qui lui permet d’avoir une surface d’échange importante. Quant aux ailettes, elles peuvent être en aluminium, en acier inoxydable ou en acier traité spécialement contre la corrosion. Le condenseur est relié à un ventilateur qui joue un rôle de refroidisseur.

Il existe principalement deux types de condenseurs : les condenseurs à air et ceux à eau perdue. Les modèles à air sont les plus utilisés par les fabricants pour les systèmes de climatisation à usage domestique. Quant aux condenseurs à eau perdue, on les retrouve le plus souvent dans les appareils conçus pour les locaux professionnels. Il est très rare de trouver des condenseurs en pièces détachées, car ce sont des éléments très fiables qui tombent en panne très rarement.

Détendeur

Le détendeur est un petit boitier accolé à l’évaporateur qui joue un rôle inverse à celui du compresseur. Il fait perdre au fluide caloporteur sa pression afin de le préparer pour un nouvel échange thermique. C’est un composant passif dans le circuit frigorifique, mais il est indispensable pour le bon fonctionnement d’un climatiseur ou d’une pompe à chaleur.

Évaporateur

L’évaporateur est le premier échangeur thermique d’un climatiseur. Il a pour rôle d’absorber la chaleur ou la fraîcheur pour la faire entrer dans le circuit frigorique en vue de son transfert vers l’extérieur ou l’intérieur de l’habitat. Dans un système de climatisation split, cette pièce est localisée au niveau de l’unité intérieure. Pour une pompe à chaleur, l’évaporateur se situe plutôt à l’extérieur.

Les autres composantes d’un climatiseur

En dehors des principaux éléments constitutifs du circuit frigorigène, un climatiseur possède également d’autres composants qui contribuent à son bon fonctionnement :

• Moteur électrique et câble d’alimentation
• Ventilateur
• Récepteur d’infrarouge et télécommande ou thermostat
• Ailettes orientables pour le soufflage de l’air
• Gaines d’acheminement de l’air refroidi et grilles de ventilation (pour les climatiseurs gainables)

Comment fonctionne une climatisation ?

Maintenant que vous connaissez tous les composants d’un climatiseur, nous pouvons présenter de façon détaillée comment le système fonctionne. En effet, selon qu’il s’agit d’un appareil réversible ou classique, les processus impliqués varient légèrement.

Climatisation simple

Le fonctionnement d’un appareil de climatisation, qui est similaire à celui d’une pompe à chaleur, peut être subdivisé en quatre phases.

Tout commence dans l’évaporateur, où la chaleur de la pièce est absorbée à l’intérieur du circuit frigorigène. Les calories ainsi absorbées chauffent le fluide caloporteur qui est initialement à l’état liquide (à 80 % environ). Sous l’action de la chaleur, le liquide caloporteur s’évapore et progresse vers le compresseur cette fois-ci sous forme de gaz. Le premier échange thermique vient ainsi de s’achever.

Une fois dans le compresseur, le gaz désormais chaud (à basse pression) est brassé par des composants mécaniques de manière à monter encore plus en température. L’énergie électrique est utilisée à ce stade. À la sortie du compresseur, le fluide frigorigène est sous la forme d’un gaz à haute pression.

Il passe ensuite dans le condenseur. Durant cette troisième phase, la chaleur absorbée par le fluide caloporteur est évacuée vers l’extérieur et il repasse à son état initial (deuxième échange thermique). À l’issue de cette étape, le liquide est encore sous haute pression. Une fois dans le détendeur, sa température baisse jusqu’à repasser sous celle de l’air ambiant du logement.

Le liquide qui est désormais froid et à basse pression progresse jusqu’au niveau de l’évaporateur pour se charger à nouveau en calories. Durant cet échange, l’air frais est soufflé dans la pièce à travers le diffuseur du ventilo-convecteur. Le processus se poursuit continuellement jusqu’à ce qu’une température optimale soit obtenue dans la pièce, puis il s’arrête.

Ce mode de fonctionnement fait que les performances d’un climatiseur dépendent en partie de la température extérieure. Lorsque celle-ci devient anormalement élevée et que l’échange thermique ne peut plus se produire dans le condenseur, l’appareil ne marche plus bien. Généralement, la limite pour la plupart des systèmes de climatisation en vente sur le marché tourne autour de + 45 °C.

Rendement climatisation simple

Un appareil de climatisation utilise de l’électricité pour transférer la chaleur d’un milieu à un autre et produire de l’air froid. Son mode de fonctionnement qui est presque le même que celui d’une pompe à chaleur le rend très performant. Le rendement d’un climatiseur s’évalue à l’aide d’un indicateur appelé SEER (Seasonal Efficiency Energy Ratio) ou coefficient d’efficacité frigorifique énergétique. Ce coefficient représente le rapport entre la quantité de fraîcheur produite et la consommation énergétique de l’appareil.

Lorsque le SEER d’un climatiseur est de 4, cela signifie qu’il produit (transforme) l’équivalent de 4 kWh d’air frais pour chaque kWh d’électricité qu’il consomme. Plus cet indicateur est élevé, moins l’appareil sera énergivore. Les climatiseurs les plus performants ont un SEER proche de 8,5, voire beaucoup plus selon les modèles.

Climatisation réversible

Un climatiseur réversible (pompe à chaleur air-air) est tout simplement un climatiseur qui en plus de sa fonction de base, est capable de produire de l’air chaud et durant les périodes de froid. Pour cela, il inverse son cycle de fonctionnement. Voici comment se déroule le processus :

• L’évaporateur situé au niveau de l’unité extérieure du climatiseur absorbe les calories et provoque un changement d’état du fluide
• Le compresseur comprime le gaz et le fait monter en température
• Le condenseur transmet la chaleur vers l’intérieur de l’habitat via les émetteurs
• Le fluide frigorigène retrouve son état initial et est refroidi dans le détendeur avant de retourner au niveau de l’évaporateur pour un nouvel échange thermique

Comme vous pouvez le voir, le rôle des composants du circuit frigorifique ne change pas. Seul le sens de progression du fluide frigorigène change. De plus, dans ce cas-ci, l’air chaud est prélevé depuis l’extérieur de la maison afin d’être soufflé à l’intérieur.

Rendement climatisation réversible

Le rendement d’un climatiseur qui produit de la chaleur est évalué grâce à un autre indicateur de performance appelé SCOP (Seasonal Coefficient of Performance). Il représente le rapport entre la chaleur produite par le système de climatisation et sa consommation électrique. Lorsqu’un appareil à un SCOP de 3, cela signifie qu’il utilise 1 kWh d’électricité pour produire l’équivalent de 3 kWh de chaleur. Pour choisir un climatiseur réversible, il est conseillé d’opter pour un appareil ayant un SCOP proche de 4, ou plus.

Les deux coefficients SEER et SCOP sont fournis par les fabricants sur les fiches produits des systèmes de climatisation réversible.

Schéma climatisation

Le schéma suivant présente de façon claire et détaillée le fonctionnement d’un système de climatisation pour ce qui est de la production du froid.