Comment fonctionnent les climatiseurs et pompes à chaleur ? L’éclairage de la thermodynamique

Source: The Conversation – in French – By Alexandre Malley-Ernewein, Maître de Conférence au CETHIL (Centre d’Energétique et de Thermique de Lyon – UMR5008), Université Claude Bernard Lyon 1

De fortes chaleurs sont attendues sur la France dans le courant des prochains jours. Face à des étés toujours plus chauds, la climatisation est de plus en plus incontournable dans les commerces et les logis. Dans le même temps, les pompes à chaleur s’imposent pour chauffer de façon plus performante pendant la saison froide. Comment fonctionnent ces appareils ? Ils s’appuient en réalité sur les mêmes bases thermodynamiques. Mais attention : le changement climatique pourrait bien leur faire atteindre leurs limites physiques.

Après ceux de 2002 et de 2022, l’été 2025 a été le troisème été le plus chaud en France : deux vagues de chaleur l’ont marqué de par leur précocité, leur intensité et leur durée. Ainsi, l’été dernier a enregistré une anomalie thermique de + 1,9 °C (+ 3,3 °C pour juin).

En raison du changement climatique, et même lorsque nos sociétés auront atteint la neutralité carbone, la fréquence et l’intensité de ces épisodes de fortes chaleurs vont continuer à augmenter pendant plusieurs décennies. En conséquence, un sujet s’est imposé dans les discussions : la climatisation, en tant que moyen d’adaptation au changement climatique.

Avant même de débattre de la pertinence d’installer des climatiseurs et de mesurer leurs impacts (énergétique, sonore, thermique), il faut comprendre comment fonctionnent ces équipements. Les climatiseurs (et plus généralement, les systèmes de refroidissement) sont la directe application des principes d’une branche des sciences physiques, la thermodynamique, dont l’objet est l’étude des transferts d’énergie – en particulier de chaleur.

Spontanément, un transfert de chaleur survient du milieu présentant la température la plus élevée (la source chaude) vers celui de la plus faible température (la source froide). Par exemple, quand la température extérieure est supérieure à celle d’un local, le transfert de chaleur se produit de l’extérieur vers l’intérieur par l’intermédiaire des parois du bâtiment.

Un système de climatisation permet d’effectuer l’opération inverse, grâce à un apport d’énergie externe : prélever de l’énergie de la source froide (l’intérieur) pour la transférer vers la source chaude (l’extérieur). Il est alors possible de refroidir l’intérieur en rejetant l’énergie à l’extérieur, même s’il y fait plus chaud. Le principe de fonctionnement d’une pompe à chaleur (PAC) est le même : un local peut-être chauffé en récupérant de l’énergie à l’extérieur, alors même qu’il y fait plus froid.

Pour comprendre comment tout cela est possible, il faut mobiliser les savoirs issus de la thermodynamique.

Le cycle frigorifique, au cœur des climatiseurs et pompes à chaleur

Pour opérer ce transfert d’énergie, on tire parti des propriétés d’un fluide dit « frigorigène ». Ces derniers ont la particularité de pouvoir changer d’état, c’est-à-dire de passer d’une phase liquide à gazeuse et inversement. C’est souvent cette caractéristique qui sera utilisée pour extraire la chaleur.

On parle de « cycle frigorifique » pour décrire les quatre transformations successives qui sont permises par l’utilisation d’un climatiseur ou d’une pompe à chaleur.

Ces transformations peuvent être représentées sur un diagramme enthalpique, aussi appelé « diagramme de Mollier ». L’enthalpie est une grandeur physique souvent utilisée en thermodynamique. Elle peut être envisagée comme un potentiel énergétique qui inclut à la fois les énergies thermique (chaleur) et mécanique, en lien avec des variations de pression et de volume du système.

Schéma d’un diagramme de Mollier, avec les zones d’états et une isotherme (le long de celle-ci, la température est constante).
Fourni par l’auteur

Cette représentation peut sembler complexe à première vue, mais elle permet de visualiser rapidement l’évolution du fluide frigorigène et, en particulier, ses changements d’état. Elle présente la pression du fluide en ordonnée et son enthalpie en abscisse.

Ce diagramme est divisé en trois parties par la « cloche » qui est en son centre, nommée « courbe de saturation ». Celle-ci indique la limite entre différents états du fluide : à droite, le fluide à l’état de vapeur et, à gauche, le fluide sous forme de liquide. La zone située sous la courbe correspond à l’état de mélange liquide-vapeur du fluide.

Ce diagramme sert à représenter les transformations du cycle frigorifique, comme le montre le schéma ci-dessous.

Schéma d’un diagramme de Mollier, avec représentation des quatre transformations d’un cycle frigorifique simple.
Fourni par l’auteur

Les étapes sont les suivantes :

1 à 2 : le fluide frigorigène est à l’état de vapeur ; il est comprimé, ce qui fait augmenter sa pression et sa température ainsi que son enthalpie. C’est le seul apport d’énergie du cycle. Celle-ci est sous forme d’énergie mécanique, produite par un compresseur, qui lui-même consomme de l’électricité.
2 à 3 : le fluide, toujours à l’état de vapeur, mais à haute pression et haute température, traverse alors un échangeur de chaleur, dans lequel il va céder de l’énergie thermique à la source chaude (pour un climatiseur, l’air extérieur, pour une PAC en hiver, l’air intérieur), celle-ci étant nécessairement à une température plus basse que celle du fluide. Cet échangeur est appelé « condenseur », car ce refroidissement provoque la condensation de la vapeur qui devient liquide. L’enthalpie du fluide diminue alors.
3 à 4 : le fluide traverse un détendeur, où un changement de section de la conduite fait baisser la pression.
4 à 1 : le fluide, désormais majoritairement liquide, à basse pression et basse température, traverse un échangeur où il reçoit de la chaleur de la source froide (pour un climatiseur, l’air intérieur, pour une PAC en hiver, l’air extérieur), son enthalpie augmente. Cet échangeur est appelé « évaporateur », car le fluide frigorigène y passe de l’état liquide à celui de vapeur.

Le cycle frigorifique permet de, simultanément, refroidir et réchauffer les températures de deux milieux, par exemple intérieur et extérieur, en transférant de l’énergie de l’un à l’autre.
MakiZen, CC BY-NC-SA

Ces transformations peuvent sembler contre-intuitives, car le fluide frigorigène cède de la chaleur majoritairement sans changer de température, mais en changeant d’état. C’est la différence entre chaleur sensible – liée à un changement de température – et chaleur latente – liée à un changement d’état de la matière.

Le cycle est entretenu tant qu’il y a un besoin de transférer de la chaleur de la source froide à la source chaude, grâce au fonctionnement du compresseur qui met le fluide en mouvement.

Les « splits » extérieurs des pompes à chaleur et climatiseurs font désormais partie des paysages urbains.
Joost J. Bakker/Flickr, CC BY-NC

Lorsqu’un climatiseur est utilisé pour rafraîchir un local, le condenseur est placé à l’extérieur (le « split » extérieur) et l’évaporateur à l’intérieur (la « cassette »).

Dans le cas d’un système réversible, capable de chauffer en hiver et de refroidir en été, les échangeurs changent de rôle en fonction des saisons, à l’aide d’une vanne 4 voies.

Des systèmes poussés à leurs limites physiques par le changement climatique

Une des principales limites des climatiseurs réside dans leur principe même : leurs performances dépendent des caractéristiques du fluide frigorigène, mais aussi fortement des températures des sources froide et chaude.

Par exemple, l’énergie nécessaire à la compression augmente avec l’écart entre les températures des sources. Le coefficient de performance (COP), c’est-à-dire le rapport entre la chaleur extraite à l’évaporateur et l’électricité consommée, va alors baisser en proportion. C’est d’ailleurs pour cela que la consommation des pompes à chaleur, en hiver, augmente lorsque les températures extérieures diminues. Elles sont parfois munies, pour compenser la baisse du COP lors de températures extérieures très basses, de résistances électriques pour fournir un chauffage d’appoint.

En outre, un fluide frigorigène a des caractéristiques fixes, notamment l’enthalpie de changement d’état (et, en particulier, celle pour passer de l’état liquide à gazeux, que l’on appelle souvent « chaleur latente de vaporisation »), qui dépend de la pression et de la température. Si la température de la source chaude augmente, il ne sera peut-être pas possible de comprimer indéfiniment le fluide pour pouvoir lui céder de la chaleur. Autrement dit, on peut atteindre les limites physiques du cycle frigorifique pour le fluide utilisé.

Or, en France, avec le changement climatique, la température extérieure – la source chaude – va continuer à augmenter en été. Ainsi, un climatiseur installé en 2000 ou en 2020 ne sera pas nécessairement toujours capable de refroidir en 2035.

Par ailleurs, ces fluides ont un pouvoir de réchauffement bien supérieur à celui du CO₂, ce qui questionne leur usage en raison du risque de fuites. C’est pourquoi une réglementation de plus en plus contraignante s’applique à ces produits.

Des risques de « maladaptation » pour les villes

Dans ce contexte, deux problématiques vont se poser pour les villes : l’augmentation de la consommation électrique lors des périodes estivales et celle, locale, de la température dans les zones urbaines due au rejet de chaleur des climatiseurs.

Une étude de 2024 fondée sur des simulations numériques a ainsi montré, pour la ville de Toulouse (Haute-Garonne), que la généralisation de l’usage de la climatisation entraînerait une augmentation de la consommation énergétique en période estivale de 54 %. Si ces climatiseurs sont réversibles et peuvent assurer le chauffage en hiver, en fonctionnant comme une PAC, l’économie d’énergie sur l’année serait de l’ordre de 32 %, car ils ont un meilleur rendement que les chaudières et radiateurs qu’ils remplaceraient.

En 2012 déjà, d’autres simulations numériques montraient que, à Paris, l’augmentation locale de température due au rejet de chaleur pouvait atteindre 2 °C pendant une période de canicule similaire à celle de 2003. Ce résultat est toutefois à nuancer, car le modèle utilisé comporte des simplifications dans la représentation des phénomènes physiques. Ceci appelle à des études complémentaires.

Si les climatiseurs permettent d’évacuer la chaleur de nos lieux de vie, le changement climatique va exacerber leurs limites. Leur généralisation dans nos sociétés nous demande d’étudier leurs impacts sur nos environnements.

Dans tous les cas, elles ne sauraient être l’unique solution qui permettra d’assurer des conditions vivables, en particulier pour les publics les plus vulnérables (par exemple, personnes âgées, jeunes enfants, personnes malades).

Les auteurs ne travaillent pas, ne conseillent pas, ne possèdent pas de parts, ne reçoivent pas de fonds d’une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n’ont déclaré aucune autre affiliation que leur organisme de recherche.

– ref. Comment fonctionnent les climatiseurs et pompes à chaleur ? L’éclairage de la thermodynamique – https://theconversation.com/comment-fonctionnent-les-climatiseurs-et-pompes-a-chaleur-leclairage-de-la-thermodynamique-273417

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