Les principes d'un fluide caloporteur

Certains fluides possèdent des propriétés de captation et restitution de la chaleur, comme l’eau dans les bouillottes ! Un principe utilisé depuis longtemps pour les logements à des fins de chauffage. Mais comment fonctionnent ces derniers et quelles formes prennent-ils ?

C’est quoi un fluide caloporteur ?

Utilisé depuis longtemps dans les circuits de chauffage central, l'usage d'un fluide caloporteur fait partie intégrante des procédés des différents systèmes de chauffage. Selon ces derniers, sa nature peut varier (liquide ou gaz) afin de répondre au mieux aux besoins de chauffe !

Comment fonctionne un fluide caloporteur et quel est son rôle ?

Le terme fluide caloporteur, parfois appelé caloriporteur, désigne un fluide qui a pour propriété de transporter la chaleur. Dans le cas ou de transport de froid, on parle alors de fluide frigoporteur. C’est ainsi que le fluide caloporteur est utilisé l’hiver pour alimenter votre système de chauffage ou l'été pour votre système de climatisation !

Ces fluides sont employés dans divers systèmes qui sont basés sur un procédé d'échanges thermiques. Les réfrigérateurs, les capteurs solaires thermiques ou encore les centrales nucléaires mettent en pratique des fluides différents qui jouent pourtant un rôle similaire. Assurer le transport des calories d'un point A à un point B.

Mais alors comment est-ce que ça fonctionne ? Prenons l’exemple le plus courant : l’eau. En entrant "froide" dans le circuit de chauffage, l'eau est chauffée au sein de la chaudière. Elle circule ensuite à travers tout le réseau de chauffage en transportant, avec elle, la chaleur emmagasinée qu'elle transmet aux radiateurs et autres émetteurs.

Ce principe est décliné pour une multitude d'usages qui emploient, selon les besoins, différents fluides caloporteurs. Ces derniers peuvent être liquides (eau, huiles, métaux liquides...) ou gazeux.

Pour connaître la capacité d’un fluide à transporter la chaleur, on prend par ailleurs sa conductivité thermique [λ] en compte. Soit sa capacité à diffuser de la chaleur dans le cas où il ferait 1° Kelvin et selon une certaine surface. Elle se calcule ainsi [λ=(W m−1 K−1)] :

👉 W pour l’unité de puissance watt.

👉 m pour mètre, ici noté m−1 pour le rapport épaisseur/surface, soit m/m².

👉 K pour la température kelvin, unité utilisée dans le système international d’unités.

Pour information, dans le cadre de l’eau, celle-ci est de 0,611. À titre indicatif, plus cette valeur est faible, plus le matériau est isolant. L'eau a donc une bonne conductivité thermique.

Liquide, gaz… Les différentes formes du fluide caloporteur

Les fluides caloporteurs se présentent sous différentes formes : liquide ou gazeuse. En industrie, il peut même s’agir de métaux liquide ! Pour choisir le fluide le plus adapté à une installation, qu’elle soit domestique ou industrielle, plusieurs critères sont à lister.

Il faut en effet prendre en compte la viscosité, les propriétés oxydantes, les capacité thermique volumique, la chaleur latente de vaporisation ainsi que la conductivité électrique du fluide.

Par ailleurs, certains fluides comme le fluide frigorigène contenu dans les pompes à chaleur, changent d’état au sein de leur système de chauffage en étant à la fois liquide et gazeux.

🔎 Les liquides

Comme indiqué précédemment, le fluide caloporteur le plus utilisé dans les usages domestiques, mais aussi industriels, est l’eau. En effet, son coût relativement faible et ses grandes capacités calorifiques (elle peut être utilisée pour des températures dépassant les 100° C) en font un liquide idéal. De plus, celle-ci ne se décompose pas et peut être, de ce fait, constamment réutilisée.

Toutefois, il est possible que l’eau ne soit pas présente sous sa forme pure mais contienne un additif afin :

👉 D’avoir un effet antigel, notamment si les tuyaux sont amenés à passer par l’extérieur.

👉 De réduire la corrosion, particulièrement le tartre et l’oxydation.

👉 De limiter la prolifération des bactéries pour minimiser la création de boue dans les tuyaux.

De nombreux fluides organiques sont aussi utilisés lorsque l’eau est inadaptée, à cause de la présence d’électricité par exemple. Il s’agit alors le plus souvent d’huiles minérales ou synthétiques, qui sont très peu corrosives. Leur viscosité élevée les limite en revanche très souvent aux petites installations électriques.

🔎 Les gaz

Ces derniers, en comparaison des liquides, peuvent être envoyés sous haute pression, ce qui permet notamment de réduire la taille de l’installation. Ils sont alors utilisés principalement pour deux fonctions, soit chauffer à haute température grâce à la pression exercée, soit pour leurs qualités frigorifiques. Leur utilisation dépend alors de leurs caractéristiques thermodynamiques.

En industrie, ils y sont utilisés, le plus souvent, pour refroidir les réacteurs dans les centrales nucléaires ou les générateurs des centrales électriques. Les principaux gaz caloporteurs utilisés sont :

• L’hydrogène
• L’hélium
• Le néon
• L’argon
• L’oxygène
• L’azote
• Le krypton
• Le xénon

Les usages domestiques, quant à eux, correspondent à différents systèmes comme les réfrigérateurs ou les pompes à chaleur qui utilisent alors les gaz R32 ou R410a ainsi que R290.

🔎 Les métaux liquides

En milieu industriel, il est aussi possible d’utiliser des métaux liquides en guise de fluide caloporteur. Ces derniers, en comparaison de leurs congénères liquides ou gazeux, présentent l’avantage de supporter des températures particulièrement élevées, entre 200 et 700°C.

Sont ainsi actuellement utilisés ou ont fait l’objet d'essais :

• Le mercure
• Le sodium
• Le lithium
• Le plomb
• Les alliages sodium-potassium
• Les alliages plomb-bismuth

Par ailleurs, les métaux liquides font preuves d’une grande stabilité thermique et d’une conductivité exceptionnelle, les rendant parfaitement adaptés au milieu industriel.

Quels systèmes de chauffage utilisent un fluide caloporteur ?

Le fluide caloporteur peut être utilisé à la fois pour sa capacité à transporter la chaleur au sein des circuits de chauffage central mais il peut aussi être employé au sein d'un appareil distinct du réseau. Tour d’horizon des différents systèmes utilisant un fluide caloporteur !

Les systèmes centraux utilisant de l’eau

Afin de diffuser la chaleur au cœur du réseau de chauffage, la systèmes centraux utilisent de l’eau comme fluide caloporteur. Celle-ci circule alors dans les émetteurs, qu’il s’agisse de radiateurs ou planchers chauffants, permettant à l’intérieur de l’habitation de se réchauffer.

👉 Les chaudières

Les chaudières à condensation, mais aussi au gaz, fioul ou charbon, utilisent le principe du fluide caloporteur pour fonctionner et diffuser la chaleur au sein du foyer. L’eau passe alors au travers des différents radiateurs ou du plancher chauffant.

En effet, le combustible utilisé va, dans un premier temps, réchauffer l’eau. Puis, celle-ci, en circulant, partage la chaleur emmagasinée avec les radiateurs qui eux-mêmes la transmettent au logement. L’eau peut parfois être mélangée à de l'éthylène-glycol ou méthyl glycol pour limiter le risque de gel.

En comparaison des radiateurs à fluides caloporteur, les chaudières :

✔️ Sont moins polluantes en raison de l’utilisation de l’eau comme fluide.

✔️ Sont éligibles aux subventions en cas de remplacement lorsqu’elles sont plus performantes énergétiquement. Pour en savoir plus, consultez notre guide "Les différentes aides pour le remplacement de votre chaudière".

👉 Les pompes à chaleur

Comme précédemment indiqué, les pompes à chaleur sont dotées d’un fluide caloporteur, néanmoins, ce dernier est d’origine frigorigène. Son fonctionnement diffère alors légèrement de celui utilisé pour les chaudières ou radiateurs électriques :

• 1

  Dans un premier temps, le fluide vient capter les calories dans l’air extérieur pour se réchauffer, passant alors de sa forme liquide à l’état gazeux.

• 2

  Puis, la pompe à chaleur le comprime grâce à un compresseur reproduisant un phénomène similaire à une pompe à vélo. Cette action a pour effet de chauffer le fluide en le faisant devenir hautement pressurisé.

• 3

  C’est à ce moment que le fluide transmet sa chaleur au réseau de chauffage pour chauffer l’intérieur de l’habitat.

• 4

  Dernière étape, le fluide retrouve son état liquide et passe par un détendeur afin d'abaisser sa pression et sa température avant de reprendre à nouveau le cours du circuit.

Par ailleurs, le fluide caloporteur de la pompe à chaleur fonctionne en circuit fermé . Celui-ci ne se diffuse jamais dans les circuits du système de chauffage, comme, par exemple, les radiateurs.

De ce fait, un système de chauffage central chauffé par une pompe à chaleur est un bon exemple d'application du principe des fluides frigoporteurs, équivalents des fluides caloporteurs pour le froid. L'usage combiné de deux fluides permettent d'exploiter les calories extérieures pour chauffer les différentes pièces de son logement.

👉 Le chauffe-eau solaire

Il n’y a pas que la température intérieure qui bénéficie des fluides caloporteurs ; l’eau chaude l’utilise aussi ! En effet, moins répandus que les chauffe-eaux électriques ou au gaz, les chauffe-eaux solaires fonctionnent aussi selon ce principe.

À l’aide de capteurs situés sur le toit du logement ou dans la cour, le fluide récupère l’énergie solaire puis la restitue ensuite dans le chauffe-eau. Ce dernier dépend néanmoins des conditions climatiques et de l’exposition au soleil.

Les radiateurs avec fluide caloporteur ou à inertie

Non rattachés au système central, certains radiateurs électriques fonctionnent avec un fluide caloporteur qui se réchauffe grâce à une résistance électrique. Il s’agit le plus souvent d’huile, puisque celle-ci ne représente pas de danger en cas de contact avec la résistance électrique. Ces derniers sont fabriqués à partir de fonte, céramique ou encore acier, qui leur apportent une bonne inertie thermique.

En comparaison des modèles à convection électrique, ils ne provoquent pas de sensation de chaleur désagréable due aux incessants marches et arrêts qui sont des sources de variations de température. Ainsi, si vous ne possédez pas de système de chauffage central, ces derniers possèdent de nombreux avantages :

✔️ Fini l’air ambiant sec comme avec les anciens radiateurs électriques ! Les fluides caloporteurs permettent de conserver un certain niveau d’humidité dans l’air.

✔️ Les produits les plus récents permettent de planifier des horaires de chauffage ou de spécifier une température de chauffe moins élevée la nuit.

✔️ Avec ces modèles, vous faites des économies d’énergie de l’ordre de 40 à 45 % comparé à ceux utilisant des convecteurs ! En effet, l’inertie permet de moins chauffer, tout comme les planifications horaires.

✔️ La chaleur ressentie est la même qu’avec un chauffage central !

✔️ Ces radiateurs permettent de rapidement atteindre la température demandée dans la pièce.

Néanmoins, quelques inconvénients importants sont à souligner si vous souhaitez utiliser des radiateurs à fluide caloporteur :

❌ Les huiles qui peuvent être utilisées sont considérées comme polluantes. Le choix de ce type de système de chauffage ne s'inscrit donc pas dans une démarche écologique.

❌ L'énergie électrique est aujourd'hui une des sources d'énergie les plus chères.

❌ En cas de projet de rénovation, ces radiateurs ne sont pas éligibles aux aides de l’État, ou peu, en dehors du taux de TVA réduit à 10 %.

En définitive, le principe des fluides caloporteurs est à la base de nombreuses applications industrielles spécifiques mais également d'autres à une échelle domestique. Que cela soit l'eau qui circule dans un réseau de radiateurs ou l'usage de fluides au sein d'appareils de chauffage, cette mécanique thermique incontournable se retrouve dans les différents systèmes de chauffage des plus archaïques aux plus innovants !

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