Comment fonctionne la climatisation

Indispensable lors des fortes chaleurs pour améliorer la qualité de vie et réduire la mortalité, la climatisation est pourtant la mal-aimée de beaucoup de Français. Mais peu savent comment elle fonctionne. 

Un thread de Pierre Marty pour en expliquer le fonctionnement.

Pour commencer, je vais expliquer comment fonctionne une pompe à chaleur, c’est plus compréhensible.

 

Comment faire du chaud avec du froid ?

Vous savez qu’en apportant de l’énergie à un fluide on peut l’évaporer (ex : la cuisson des pâtes).

Et pour chauffer, pas obligé d’avoir une casserole sur le feu, un échangeur fonctionne aussi.
Imaginez un long tuyau en cuivre enroulé dans votre four thermostat 180° dans lequel on fait entrer de l’eau à 20°. Pour peu que le tuyau soit assez long, l’eau ressort sous forme de vapeur.

On vient d’inventer un échangeur, et si celui-ci sert à faire évaporer un liquide, on l’appellera… évaporateur (oui, les ingénieurs sont des foufous).

À retenir : un évaporateur permet de faire bouillir un liquide en prélevant de l’énergie dans son environnement. Autrement dit, il peut refroidir cet environnement.

Eh oui, le four ne reste pas magiquement à 180°, il faut sans cesse lui fournir de l’énergie, sans quoi sa température aurait baissé au contact de l’eau dans le tuyau.

Maintenant, imaginons l’opération inverse. Un tuyau en cuivre enroulé dans votre bain à 37° (ou tout simplement à l’air libre) dans lequel on fait entrer de la vapeur : il en ressortira de l’eau liquide. La vapeur a condensé en cédant son énergie à votre bain.

On appellera condenseur ce tuyau. Il permet de chauffer son environnement.

Pour une pompe à chaleur, on placera donc le condenseur dans la maison (il chauffe) et l’évaporateur dehors (il prélève de la chaleur en refroidissant son environnement).

Sauf qu’en l’état on a un problème : comment faire évaporer un liquide dans un environnement froid (l’air extérieur), puis le faire condenser dans un environnement chaud (la maison) ?

Normalement, c’est l’inverse qui se produit !

C’est là qu’intervient tout le génie des machines frigorifiques.

En jouant sur la pression du fluide on va pouvoir monter ou descendre la température d’ébullition. C’est ce qui se produit dans votre cocotte-minute.

En fermant solidement le couvercle vous pouvez monter la pression à l’intérieur. Ce faisant, vous montez aussi la température d’ébullition. Dans une cocotte-minute, la pression monte typiquement à 1,8 bar (80 % au-dessus de la pression atmosphérique) et l’eau bout alors à 120°. C’est, au passage, tout l’intérêt de la cocotte-minute, avec cette température plus élevée vous cuisez les aliments plus vite.

Inversement, vous savez peut-être qu’en altitude la pression baisse et l’eau bout à moins de 100°.

Il faut donc davantage de temps pour cuire les pâtes.

Si on monte la pression, on monte la température d’ébullition, et si on baisse la pression, on baisse la température d’ébullition. Facile !

Il suffit donc de placer notre évaporateur à l’extérieur et lui envoyer un liquide à très basse pression afin qu’il puisse… bouillir à environ -10° ! Et placer un condenseur dans l’habitation et lui envoyer de la vapeur à pression suffisante pour qu’il condense à environ 20°.

À dire vrai, l’eau n’est pas le fluide le plus adapté pour ça.

On choisira d’autres fluides dont les pressions et températures d’ébullition sont plus adaptées. On les appellera des fluides frigorifiques. À titre d’exemple, l’azote bout à -196° sous pression ambiante, mais ce n’est pas un fluide frigorifique, à ma connaissance.

Pour monter et baisser la pression du fluide on utilisera un compresseur.

C’est d’ailleurs l’organe principal de votre pompe à chaleur, et celui qui consomme le plus d’énergie. C’est aussi celui qui va faire circuler le fluide frigorifique dans tout un circuit qui est fermé.

Je récapitule tout :

1. On évapore à l’extérieur en échangeant avec l’air extérieur froid grâce à une pression basse du fluide.
2. Le fluide frigorifique, maintenant sous forme de gaz, est compressé et envoyé dans l’habitation.
3. Le gaz frigorifique cède alors l’énergie acquise dehors en se condensant, et réchauffe alors l’habitat.
4. Le fluide frigorifique repasse à basse pression grâce à un détendeur, et est renvoyé vers l’évaporateur où il repart pour un tour.

 

C’est donc un cycle fermé. On parle de cycle frigorifique.

En termes de bilan énergétique (et c’est là que c’est génial) on peut voir sur le schéma que 75 % de la chaleur restituée à l’habitat provient de l’extérieur, et seulement 25 % du compresseur.

Autrement dit, en fournissant 2,5 kW à votre PAC, elle vous fournira 10 kW de chaleur.

Votre habitat est donc principalement chauffé par refroidissement de l’environnement.

 

Et votre réfrigérateur ?

Cette fois-ci, c’est l’enceinte que l’on veut refroidir. On va donc y placer l’évaporateur, et on met le condenseur dehors.

 

 

Et la climatisation, enfin

Eh bien comme pour le réfrigérateur, on place l’évaporateur à l’intérieur où il va capter l’énergie (= refroidir) ; et le condenseur dehors, où il va céder la chaleur.

La plupart des climatisations sont réversibles, elles peuvent se transformer en pompe à chaleur, il suffit d’inverser le cycle : l’évaporateur devient condenseur, et le condenseur devient évaporateur.

Voilà vous savez l’essentiel.

J’espère que vous avez tout compris, que c’était clair, et que vous comprenez mieux comment fonctionnent ces petites merveilles d’ingénierie et d’efficience.