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Choisir le condenseur de la machine frigorifique

Critères de choix généraux

Modes d’évacuation de la chaleur de condensation

Il faut évacuer la chaleur du réfrigérant vers l’air ambiant.
On distingue deux techniques :

soit refroidir directement le fluide frigorigène par l’air : c’est le rôle du condenseur à air.
soit refroidir le fluide frigorigène par de l’eau : la machine frigorifique sera équipée par un condenseur à eau. Mais cette eau doit alors être elle-même refroidie en toiture, via une tour de refroidissement.

Pour accroître la puissance de refroidissement, on peut profiter de l’énergie de vaporisation d’une eau pulvérisée au travers du courant d’air.
Le principe est le même que lorsque nous nous aspergeons la figure par temps très chaud : la vaporisation de l’eau refroidit notre peau.
Soit la pulvérisation est celle de l’eau qui circule dans le condenseur, soit c’est de l’eau indépendante de l’eau du circuit de condensation qui est pulvérisée.
Cela conduit aux 5 technologies développées dans la technologie des condenseurs.

Critères de choix globaux

Refroidissement direct par l’air

Energétiquement, la solution d’un refroidissement direct du fluide frigorigène par l’air extérieur possède des avantages, puisque tous les intermédiaires (et leurs consommations) sont évités et ainsi que la maintenance coûteuse de la tour de refroidissement.

Aujourd’hui, la pression de condensation des condenseurs à air est bien gérée par l’utilisation de la variation de vitesse électronique des ventilateurs des condenseurs. C’est la solution couramment adoptée lorsque l’on peut placer le groupe frigorifique sur la toiture ou, de manière générale, à l’extérieur dans un endroit ombragé et ventilé.

Condenseurs en toiture.

Condenseurs contre une façade et à l’ombre.

En toute logique, on retrouvera donc le condenseur à air en toiture. Mais la machine frigorifique est parfois située en cave. Dans ce cas, il est exclu de faire confiance à des « ventilations naturelles », des « soupiraux « , … la température dans la cave risquerait de monter fortement et le condenseur se retrouverait balayé par de l’air déjà réchauffé. La pression de condensation du fluide monterait et le compresseur verrait sa consommation fortement augmentée. Par forte chaleur, le compresseur ne pourrait suivre et déclencherait par son pressostat haute pression.
L’évacuation de la chaleur demande un réel balayage par un fluide frais et il appartient au bureau d’études de comparer 2 solutions :

Soit une gaine d’air est prévue pour apporter l’air extérieur au condenseur et évacuer l’air réchauffé (les pertes de charge générées créent des consommations au ventilateur).
Soit il est décidé de placer un condenseur à eau et de transférer l’eau chaude en toiture pour la refroidir dans une tour de refroidissement.

Le refroidissement direct par l’air est le moyen le plus couramment adopté en froid commercial. Il permet de disposer d’un système simple, peu coûteux, demandant peu d’entretien, …

Refroidissement indirect par l’air (via un circuit d’eau)

Le transfert de la chaleur par l’intermédiaire de l’eau est plus efficace (bon coefficient d’échange de l’eau, faible consommation d’une pompe par rapport à un ventilateur),… mais il y a investissement et consommation de la tour. Un bilan global doit être réalisé.

Actuellement, ce genre d’installation est très peu répandu dans les commerces pour le froid alimentaire, car les investissements sont importants et l’entretien conséquent. De plus, jusqu’à présent ce genre de technologie était réservé à des puissances de condensation importantes. Enfin, il ne faut pas négliger le problème des tours de refroidissement par rapport à la prolifération de légionelles.

Cette technique est régulièrement utilisée pour les applications de climatisation. Cela dit, le problème des légionelles étant souvent évoqué, même pour les applications de climatisation, dans la mesure du possible, on place des aéroréfrigérants (« dry cooler ») ou des unités de condenseurs à air.
Attention qu’en froid industriel et même en froid commercial on commence à utiliser des systèmes de refroidissement direct tels que :

Les condenseurs « évaporatifs » qui sont en quelque sorte des tours de refroidissement où le fluide à refroidir est directement le fluide frigorigène.
Les condenseurs « adiabatiques » où l’air d’entrée est d’abord refroidi adiabatiquement (sans échange de chaleur) par des « matelas » sur lesquels on fait ruisseler de l’eau.
Les condenseurs directs mixtes qui combinent les principes « évaporatifs » et « adiabatiques » dans un même système.

Température de condensation

Pour augmenter les performances du compresseur, on a tout intérêt à abaisser la température de condensation. Autrement dit, il faut augmenter la surface d’échange et augmenter le débit de circulation de l’air. Le « pincement », c’est-à-dire l’écart entre la température du fluide refroidissant à la sortie du condenseur et la température du fluide frigorigène sera minimal. Mais l’investissement et les pertes de charge en seront augmentés, et donc la consommation de la pompe…

Refroidissement direct par l’air

En pratique, pour un condenseur à air, la vitesse sera comprise entre 2 et 4 m/s et, si l’air entre avec une température de 30°C, la température de condensation s’établira entre 40°C et 50°C.

Refroidissement indirect par l’air (via un circuit d’eau)

Pour un condenseur évaporatif, le bureau d’études peut compter sur une température d’air de refroidissement à bulbe humide de l’ordre de 5 à 6 K en moins que la température à bulbe sec d’entrée du condenseur. Soit pour une température d’entrée de 30 °C d’air sec, la température d’air saturé peut atteindre des valeurs de 25°C.

Comparaison entre les modes de refroidissement

À partir d’une température de l’air de 30°C, quelle sera la température de condensation ? Tout dépend du type de refroidissement du fluide frigorigène choisi !
Voici les résultats comparés pour une température d’air de 30°C 40 % HR.

En partant du condenseur évaporatif, comparons les systèmes en fixant des valeurs moyennes : une « approche » de 5°C, un pincement des échangeurs de 6°C et un échauffement de la température de l’eau de 7°C.

Type de condenseur	T°air sec	Entrée condenseur	Sortie condenseur	T°condens. fluide frigorifique
Condenseur à air	30°	T° air = 30°	T° air = 37°	43°
Condenseur évaporatif	30°	T° air = 25°	T° air = 32°	38°

Le condenseur à air est pénalisant, car il provoque une augmentation de température de condensation du fluide (et donc une augmentation de la consommation du compresseur). L’augmentation de la consommation du compresseur est de 2 à 3% par degré K, ce qui n’est pas négligeable !

Critères acoustiques

Bruit aérien

La principale source de bruit d’un condenseur provient de(s) ventilateur(s).
On aura toujours intérêt à les faire fonctionner à faible vitesse.

L’émission du bruit des aérocondenseurs à ventilateurs hélicoïdes est pratiquement uniforme dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation des ventilateurs. Les faces d’aspiration et de refoulement d’air étant plus bruyantes que les autres, l’aérocondenseur doit être convenablement orienté par rapport aux plaignants potentiels.

Certains constructeurs proposent des moteurs de ventilateur à deux vitesses, option qui peut être déterminante dans certains cas. Ainsi, la petite vitesse pourra être utilisée la nuit, les bruits de fond et les besoins frigorifiques diminuant la nuit. Certains constructeurs annoncent qu’une réduction de moitié de la vitesse de rotation des ventilateurs entraîne un gain de 15 dB(A) sur le niveau de puissance acoustique de l’aérocondenseur.

Il est aussi possible d’utiliser des silencieux à baffles sur l’aspiration et le refoulement d’air mais ceux-ci risquent d’augmenter considérablement l’encombrement et les pertes de charge des aérocondenseurs. Certains matériaux absorbants peuvent servir de revêtement insonorisant de la carcasse, mais ceux-ci ne peuvent constituer une solution à eux seuls. Il est possible enfin, dans les cas les plus délicats, de disposer des écrans acoustiques autour de l’appareil.

Bruit solidien (ou bruit d’impact)

Les vibrations se transmettent vers les locaux sensibles par les tuyauteries en cuivre, et par la dalle sur laquelle est posé l’appareil. Il faut traiter les vibrations par dalle flottante posée sur isolateurs à ressort, utiliser des manchons antivibratoires pour le raccordement sur des canalisations, et des suspensions antivibratiles pour les supports des canalisations.

Choix d’un condenseur à air

Condenseur à air pour une installation de froid positif centralisée.

Groupe condenseur à air pour une chambre froide.

Il est évident que sous nos latitudes les températures extérieures (même avec le réchauffement climatique comme « épée de Damoclès ») restent fraîches et donnent raison aux concepteurs d’adopter une stratégie de refroidissement des condenseurs par air.

La répartition des points de température et d’humidité au cours de l’année sur le diagramme psychométrique ci-dessous montre qu’une grosse majorité des points températures du climat Belge se situe sous les 20 °C, avec un maximum du nombre d’heures aux alentours des 6-7 °C. Cette constatation signifie que la température de condensation, pour un écart de température entre le fluide dans sa phase de condensation et l’entrée du condenseur idéalement de 12°C (optimum de dimensionnement des condenseurs), se situe aux alentours des 8°C.

Actuellement, les équipements frigorifiques permettraient de pouvoir travailler avec des températures de condensation de l’ordre de 20°C; ce qui signifie que l’air pourrait suffire durant une bonne partie de l’année pour amener le fluide frigorigène à cette température.

Climat heure par heure en Belgique.

Fréquence des températures pour une année type.

Le gaz chaud du réfrigérant cède sa chaleur à l’air traversant le condenseur et passe à l’état liquide. L’entretien du condenseur à air est limité. Il n’y a aucun risque de gel en hiver. Mais le coefficient d’échange avec l’air étant faible, le condenseur sera volumineux, et donc lourd et encombrant.

Les températures de condensation sont directement liées aux conditions de température extérieure : la pression de condensation sera forte en été (dégradation du COP de la machine frigorifique), mais plus faible en hiver, entraînant d’ailleurs un besoin de régulation adaptée pour un fonctionnement correct.

L’exemple suivant donne une idée de la répercussion sur les consommations électriques du compresseur qu’entraine une augmentation de la température de condensation.

Exemple

Soit un groupe de condensation composé d’un compresseur semi-hermétique et d’un condenseur. La puissance utile nécessaire est de l’ordre de 22 kW. Un logiciel de fabricant de compresseurs donne des courbes caractéristiques en fonction des données de prédimensionnement suivantes :

type de fluide réfrigérant : R134A ;
température d’évaporation : – 10°C ;
température de condensation : 40 °C ;
surchauffe de 5 K

Puissance frigorifique

La puissance frigorifique disponible au niveau du compresseur passe de 22.8 à 21.2 [KW] en augmentant la température de condensation de 5K (27 à 32 °C); ce qui correspond à une baisse de puissance de l’ordre de 8 %.

Schéma Puissance frigorifique.

Puissance électrique absorbée par le moteur

Dans un même temps, la puissance électrique absorbée par le moteur électrique passe de 9 à 9.4 lorsque l’on augmente la température de condensation de 5 K (27 à 32 °C); ce qui correspond à une augmentation de puissance de l’ordre de 4 %.

Schéma Puissance électrique absorbée par le moteur

COP

Enfin, le COP quant à lui passe de 2.53 à 2,25 lorsque l’on augmente la température de condensation de 5 K (27 à 32 °C); ce qui correspond à une d’efficacité énergétique de l’ordre de 12 %. Si on simplifie le problème en considérant une relation linéaire entre le COP et la température de condensation, chaque augmentation de 1 K de la température de condensation réduit l’efficacité du compresseur de l’ordre de 2 %.

Schéma COP.

Choix du ventilateur

La circulation forcée de l’air nécessite des ventilateurs dont la consommation électrique n’est pas négligeable. De plus, ils constituent une source de bruits, par frottement de l’air sur les pales du ventilateur, mais aussi par frottement de l’air sur les ailettes de l’échangeur.
Deux types de ventilateurs sont utilisés :

pour les commerces, principalement le ventilateur hélicoïdal (ou axial);
le ventilateur centrifuge.

Ventilateur hélicoïdal

Le ventilateur hélicoïdal (ou axial) est choisi pour des appareils placés à l’air libre, là où le bruit ne constitue pas une nuisance pour le voisinage. Le niveau sonore dépend de la vitesse de rotation du ventilateur. Dans les emplacements exposés, le régime ne doit pas dépasser 500 t/min.

Si des ventilateurs existants sont trop bruyants, on peut les munir d’amortisseurs de bruit cylindriques (tenir compte de la perte de charge).

Ventilateur centrifuge

Le ventilateur centrifuge est souvent utilisé pour des appareils placés à l’intérieur d’un immeuble, raccordé à l’extérieur par des gaines (le ventilateur centrifuge peut vaincre des pertes de charges plus élevées).

Si le bruit du ventilateur dépasse les valeurs admissibles, on peut le munir d’amortisseurs de bruit.

La vitesse de passage de l’air est comprise généralement entre 2 et 4 m/s. Cette information dans le catalogue constructeur est un indice qualité puisque si elle se rapproche de 2 m/s, on a plus de garanties que l’appareil fera peu de bruit et que la consommation du ventilateur sera limitée (en fait, le constructeur a dû écarter davantage les ailettes pour faciliter le passage de l’air, donc l’appareil demandera plus de matière, sera plus volumineux et… sera plus cher : la qualité se paie !).

Complément de puissance par aspersion d’eau

Conception classique

Nombreuses sont les installations où, en exploitation, on voit fleurir des réseaux de tuyaux d’aspersion d’eau de ville servant à refroidir les batteries de condensation lors des périodes chaudes ou carrément caniculaires.
Est-ce un défaut de conception, de dimensionnement à la base ou un manque d’entretien régulier des batteries ?
Le débat est ouvert.

Système D des techniciens en période de canicule.

Mais l’idée de choisir un condenseur à air et de se dire que de temps en temps en période chaude on déploie des systèmes d’aspersion d’eau n’est pas un sacrilège. Cela dit, ces systèmes, bien qu’efficaces, restent du domaine de « l’amateurisme ». De plus, aux températures de condensation de l’ordre de 35-40°C, l’eau de ville de dureté (exprimé en degrés Français °F) élevée (ou incrustante au niveau entartrage) risque de réduire l’efficacité de l’échange du condenseur.

Donc méfiance !

Conception professionnelle et énergétique

Si dès le départ la volonté est de prévoir, lors des périodes caniculaires, un système permettant de maintenir une température de condensation acceptable :

sans approcher le niveau de déclenchement haute pression HP du compresseur (le condenseur n’arrive plus à évacuer la charge thermique);
en garantissant un taux de compresseur HP/BP raisonnable, et par conséquent une efficacité énergétique intéressante;

il est nécessaire de se diriger vers des condenseurs adiabatiques permettant de réduire la température d’entrée de l’air de refroidissement par aspersion de matelas d’eau. Cette technique, selon le fabricant permet de réduire la température de l’air de l’ordre de 5 à 7°C lorsque la température de l’air est supérieure à 24°C.

Condenseur adiabatique.
(Source : Balticare).

Cependant, dans un souci de conception énergétique, à savoir réduire la température de condensation au maximum des possibilités techniques des équipements du cycle frigorifique (Δde pression suffisant de part et d’autre du détendeur par exemple), l’utilisation de l’eau comme vecteur de refroidissement est la solution idéale sachant que les condenseurs « évaporatifs » donnent de bons résultats et s’adaptent petit à petit au marché du secteur commercial en terme de puissance de condensation.

Récupération d’eau de pluie

La récupération d’eau de pluie peut s’avérer intéressante pour aider les condenseurs à travailler dans de meilleures conditions en période chaude par aspersion de la batterie de condensation. Outre le fait que la récupération d’eau de pluie reste une approche durable au sens large du terme (utilisation de l’eau de pluie pour les sanitaires, volume tampon en cas de forte pluie, …), elle permettrait de pallier en période de canicule au manque d’efficacité des condenseurs à air. À l’heure actuelle, les condenseurs « adiabatiques » qui sont mis au point pour réduire significativement les températures d’entrée d’air aux condenseurs, pourraient utiliser l’eau de pluie.

En conception, la récupération d’eau de pluie est envisageable pour tous les types de commerce. En particulier, pour les supérettes, les supermarchés et les hypermarchés, cette récupération est envisageable d’autant plus que les surfaces de toiture sont importantes. La mise en place d’une telle installation nécessite néanmoins de l’espace :

- en zone rurale, cela pose peu de problèmes même dans le cas d’une rénovation importante;
- en zone urbaine, c’est au cas par cas en fonction de’ l’espace disponible.

Pour les moyennes et grandes surfaces, la récupération d’eau de pluie pourrait très bien s’organiser autour d’une citerne d’eau de pluie enterrée ou posée au niveau du parking sans trop compromettre la capacité de stationnement.

Quant au risque de développement de légionelles qu’entraînerait l’évaporation d’eau au niveau d’un condenseur adiabatique, par exemple, le risque semble réduit par le fait que l’évaporation de l’eau se situe aux alentours des 24°C lorsque la température de l’air extérieur est de l’ordre de 30°C par exemple. Il est toutefois conseillé de demander aux différents constructeurs de ce type de condenseur les résultats des tests bactériologiques effectués dans le cadre de cette problématique.

Sous-dimensionnement du compresseur

Le choix d’un condenseur adiabatique permet de réduire les températures de condensation surtout en période de canicule. Pourquoi, alors ne pas en profiter pour sous-dimensionner le compresseur ? En effet, comme le montre l’exemple suivant, pour une température de condensation moindre, un compresseur légèrement sous-dimensionné pourra donner une puissance frigorifique égale tout en consommant moins d’électricité.

Comme montré dans l’exemple, l’auteur et le maître d’ouvrage pourraient partir du principe que l’on réduit de 5 K par exemple la température de condensation pour le dimensionnement du compresseur. Cette décision permettrait de choisir un compresseur de taille plus petite avec, pour la même puissance frigorifique disponible, des performances énergétiques plus intéressantes.

Exemple,

Données

Soit un groupe de condensation composé d’un compresseur semi-hermétique et d’un condenseur. La puissance utile nécessaire est de l’ordre de 25 kW. Un logiciel de fabricant de compresseurs donne les valeurs consignées dans le tableau suivant en fonction des données de prédimensionnement suivantes :

type de fluide réfrigérant : R134A ;
température d’évaporation : – 10°C ;
surchauffe de 5 K

	Température de condensation
	43 °C	35 °C
Taile du compresseur	Modèle standard de gamme	Modèle juste en dessous
Puissance frigorifique [kW]	25,3	25
Puissance absorbée par le moteur [kW]	9,98	7,82
Débit de fluide réfrigérant [kg/h]	649	592
Sous-refroidissement [K]	3	3
COP	2,5	3,2

Les résultats du tableau nous montrent que pour une même puissance frigorifique et par le choix d’un compresseur de puissance plus faible, mais travaillant aussi à une température de condensation plus faible (35 °C au lieu de 43 °C), les performances de la seconde machine sont meilleures :

la puissance absorbée est plus faible et, par conséquent, le COP est meilleur;
le débit de fluide frigorigène est plus faible. On peut donc considérer que la charge de fluide frigorigène sera plus faible (impact sur l’environnement positif).

Conclusion

Il serait intéressant de comparer les prix de deux tailles différentes de compresseurs de même gamme. Si leur prix est identique (le modèle surdimensionné est dans une gamme plus standard que celui de plus faible puissance par exemple), il y a intérêt à choisir celui de la taille supérieure et de reporter le surinvestissement sur la régulation du condenseur par température flottante. En effet :

En période de canicule, le compresseur ne risque pas de tomber en sécurité haute pression et sera dans sa plage de puissance où la performance énergétique est bonne. On ne sera pas nécessairement obligé d’asperger les condenseurs avec de l’eau de ville (surcoût), …
Pour des conditions climatiques de mi-saison et de période froide, la température de condensation pourra être adaptée et, par conséquent, soulager le compresseur par un taux de compression réduit (donc un meilleur rendement volumétrique et énergétique).

Abaisser la température de l’air extérieur

Configuration externe

Aussi, l’emplacement du condenseur doit éviter un réchauffement local de l’air de refroidissement. Par exemple, un condenseur placé sur une toiture couverte de roofing noir entraînera une surchauffe locale de l’air de plusieurs degrés en période d’ensoleillement … Le placement de gravier blanc sur la toiture sera favorable.

L’emplacement du condenseur devra éviter un ensoleillement direct de l’échangeur. Si le placement à l’ombre est impossible, le placement d’un système d’ombrage permettra d’abaisser le niveau de température.

Configuration interne

Il faut éviter également qu’un recyclage de l’air ne se fasse autour du condenseur : de l’air chaud se mélange à l’air froid, la température de l’air d’aspiration augmente, … de même que la température de condensation.
C’est pourtant parfois une solution réalisée pour la limitation du niveau de bruit, puisque les parois latérales peuvent être couvertes d’absorbant acoustique… Qu’il est difficile de concilier toutes les contraintes…!

Dans la mesure du possible, il faut donc proscrire le placement du condenseur dans un local fermé. Si c’est le cas (pour des condenseurs de chambres frigorifiques, par exemple), il faut assurer une forte ventilation du local et même parfois sa climatisation, si on veut que la température de l’air du local reste suffisamment basse pour pouvoir continuer à refroidir les condenseurs sans faire monter la pression de condensation. On conviendra que cette situation est aberrante sur le plan énergétique !

Récupération de la chaleur de condensation

Il faut garder à l’esprit que l’optimisation du cycle frigorifique passe principalement par :

l’abaissement de la température de condensation dans les limites climatiques possibles;
l’augmentation de la température d’évaporation dans les limites permettant d’assurer la conservation des aliments.

Groupe condenseur à proximité du meuble frigorifique

Pour les machines frigorifiques de petite taille, le condenseur est souvent incorporé ou à proximité immédiate de la machine frigorifique; ce qui signifie que le groupe frigorifique se situe souvent dans l’ambiance du magasin. On utilise souvent des groupes de condensation qui comprennent à la fois :

le compresseur;
le condenseur à air;
les sécurités et la régulation;
les connexions fluidiques des lignes liquides et d’aspiration.

Groupe de condensation.
(Source : Danfoss).

Ce type d’équipement convient en général pour des installations de faible puissance (commerce de détail, chambre froide de boucherie).

En gardant en mémoire le grand principe de la température de condensation minimal à maintenir, une récupération de la chaleur est possible pour chauffer directement un local. Ainsi, un supermarché Delhaize utilise le principe de récupération de la chaleur de condensation :

En période froide, la chaleur du condenseur du groupe frigorifique (armoires de congélation) est soufflée sous le meuble frigorifique dans l’allée froide et contribue à réchauffer l’ambiance. C’est vrai que la température de condensation est élevée et, par conséquent, la performance du compresseur dégradé, mais elle est plus ou moins compensée par la chaleur récupérée afin d’assurer un confort dans les zones de vente.
En été, la chaleur est évacuée à l’extérieur par un jeu de clapets.

Configuration	Type de groupe de condensation	Type de meuble	Déperdition de l’enveloppe	Énergie finale Consommée chaudière [kWh/h]	Energie finale électrique consommée [kWh/h]	Energie primaire consommée [kWh/h]	Coût de l’énergie [€/h]	kg/h de CO₂
1	incorporé	fermé	faible	0	5.6	14.7	0.6	3.7
2	incorporé	fermé	forte	9.3	5.6	23.1	1	5.8
3	externe	fermé	forte	20	1.4	23.7	1.2	5.9
4	incorporé	ouvert	forte	0	12	31.6	1.32	7.9
5	externe	ouvert	forte	35.6	4.8	48.2	2.3	12.1

Condenseur à l’extérieur

Pour les machines frigorifiques de taille importante (supérette, supermarché, hypermarché, …), nécessitant des équipements tels que les centrales de compresseurs, la configuration classique est le placement du ou des condenseurs à l’extérieur (en toiture, à l’ombre d’un mur, …). En effet, thermiquement parlant, la gestion d’une telle quantité de chaleur dans une configuration interne serait impossible.

En ce qui concerne la récupération de chaleur sur ce type d’installation, vu que le condenseur est en dehors des zones de vente, on ne peut pas directement récupérer la chaleur des condenseurs dans les zones de vente. Le placement d’un équipement intermédiaire (ballon tampon par exemple) entre le compresseur et le condenseur permet la désurchauffe des gaz à la sortie des compresseurs. La chaleur de désurchauffe peut donc être utilisée pour chauffer un ballon d’eau. Un problème surgit cependant : la quantité de chaleur récupérée par désurchauffe est faible par rapport à la chaleur de condensation. Il est dès lors nécessaire de dimensionner le ballon afin de provoquer la phase de condensation dans le ballon. C’est pour cette raison que l’on ne peut concevoir une récupération de la chaleur de condensation

qu’à basse température (30-40°C);
qu’avec un ballon de récupération surdimensionné.

L’eau chaude qui en ressort peut servir :

à préchauffer directement l’eau chaude sanitaire;
à chauffer les zones de vente par un chauffage au sol par exemple.

Concevoir

Pour en savoir plus sur la récupération de chaleur, cliquez ici !

Choix d’un condenseur évaporatif

Condenseur évaporatif hybride.
(Source Balticare).

Le fluide frigorigène échange directement sa chaleur avec l’eau et l’air de refroidissement (il n’y a pas de couplage condenseur à eau – tour de refroidissement).
Tout comme les circuits de condensation à eau (condenseur à eau associé avec une tour de refroidissement), les condenseurs évaporatifs trouveront leur place dans les projets de froid alimentaire nécessitant des puissances élevées (de l’ordre de 300 kW froid minimum); ce qui correspond plus ou moins à la puissance nécessaire pour alimenter en froid un supermarché important (> 2 500 m² de surface au sol).

On utilisera ce type de condenseur au cas par cas sachant que le risque de développement de légionelles dépend de l’entretien et du contrôle fréquent de l’installation.

Ce type d’installation implique que les quantités de fluide frigorigène sont plus importantes vu qu’ils est forcément nécessaire de placer le condenseur évaporatif à l’extérieur parfois loin des compresseurs (groupe frigorifique dans la cave et le condenseur évaporatif en toiture par exemple). À cette solution, pour réduire les quantités de fluide frigorigène, on préfèrera alors le condenseur à eau associé avec une tour de refroidissement tout en étant bien conscient que cette solution nécessite de gérer efficacement les risques liés aux légionelles.

Choix d’un condenseur à eau

Le réfrigérant de la machine frigorifique cède sa chaleur à l’eau circulant dans le condenseur. Grâce au coefficient d’échange avec l’eau de 20 à 30 x plus élevé que le coefficient d’échange avec l’air, la taille du condenseur à eau sera plus réduite.

Contrairement à la climatisation des bâtiments tertiaires, en réfrigération commerciale, bien que les équipements aient évolué, le choix d’un condenseur à eau est très rare pour diverses raisons (bonnes ou mauvaises) :

Le condenseur à eau est nécessairement associé avec une tour de refroidissement (investissement plus important, circuits complexes, …). elle, est encombrante, génère du bruit, des frais d’entretien parfois importants, une éventuelle consommation d’eau, … Pourrait-on dire que l’on a déplacé le problème ?
Le risque d’entartrage du condenseur nécessite de traiter l’eau de refroidissement.
La réputation des tours de refroidissement, comme vecteur de développement des légionelles, n’a pas contribué à son développement dans les commerces surtout lorsqu’on choisit une tour de refroidissement ouverte (tout le circuit peut être contaminé).
L’investissement dans ce type de technologie est intéressant pour des puissances frigorifiques importantes; ce qui n’est pas souvent le cas dans les commerces.
La matière utilisée est souvent le cuivre ou l’acier, bons conducteurs thermiques, en fonction des contraintes (attention cependant que le cuivre ne peut pas être adopté en cas d’utilisation d’ammoniac comme fluide frigorigène).
…

Néanmoins, pour autant que la maintenance soit effectuée dans les règles de l’art, on pourrait envisager le choix de condenseur à eau associé à une tour de refroidissement fermée afin, pour des installations de moyenne puissance comme dans les supermarchés et hypermarchés, de réduire la quantité de fluide frigorigène comme c’est le cas dans certains pays tel que le Luxembourg par exemple. Donc le choix d’un échangeur à eau offrirait les avantages suivants :

L’échangeur sera moins encombrant.
Il est moins bruyant que le condenseur à air. Il permet plus facilement la récupération de chaleur puisque la chaleur est contenue dans de l’eau, plus facilement déplaçable.
La température de condensation peut plus facilement être stabilisée que dans les condenseurs à air.
…

Pour le refroidissement, on peut utiliser :

L’eau du réseau (eau potable), mais cette solution est à proscrire vu la consommation exorbitante d’eau qu’elle entraîne.
L’eau de nappes phréatiques, de lac ou de rivière (demander l’autorisation). Les eaux contiennent plus ou moins d’impuretés qui se déposent sur les tubes. Ces dépôts peuvent réduire considérablement le coefficient de transfert de chaleur. À défaut de la mise en place d’un système de nettoyage automatique, il faut surdimensionner l’échangeur de sorte que les performances de l’installation restent suffisantes.

Enfin, il se peut, lors d’une rénovation importante ou un changement d’affectation d’un immeuble par exemple (plutôt en milieu urbain), que les machines frigorifiques ne puissent être placées que dans les caves. Dans ce cas précis, il serait intéressant d’envisager le condenseur à eau pour autant que la puissance frigorifique soit suffisante.

Choix de la régulation

Principe de base : abaisser la température de condensation

Abaisser la température de condensation, c’est abaisser le niveau de pression à la sortie du compresseur, c’est donc diminuer le travail de celui-ci et l’énergie qu’il consomme.

Par exemple, abaisser la température de condensation de 10°C génère généralement plus de 10 % de réduction de la puissance électrique. Les constructeurs annoncent même 2 % d’économie par degré abaissé dans certains cas.
De plus, une basse température de condensation entraîne un niveau moins élevé de pression, ce qui permet souvent de choisir un compresseur d’un modèle plus petit, donc moins cher.

Nous devrions avoir d’excellents rendements dans nos régions où les canicules sont rares !

En théorie, c’est tout bénéfice pour le compresseur qui a moins de mal à travailler !

Et pourtant … ce n’est pas si simple de réduire la température de condensation. En effet, les interactions avec les autres équipements du circuit frigorifique vont limiter la plage de variation vers le bas de la température de condensation. Les interactions les plus marquantes se manifestent au niveau du détendeur thermostatique, du compresseur.

Influence sur le détendeur thermostatique

Le constructeur souhaite qu’une différence de pression minimale existe au niveau du détendeur, pour assurer une quantité de débit de fluide frigorifique suffisante dans l’évaporateur. C’est la Haute Pression HP qui pousse le réfrigérant à travers l’orifice de la vanne du détendeur.

Il en résulte, avec une haute pression trop faible, que l’alimentation en réfrigérant est insuffisante, particulièrement au démarrage.
Avec un détendeur thermostatique, il est donc nécessaire de maintenir une haute pression suffisamment élevée. Dès lors, le constructeur impose une pression minimale, côté HP, à la sortie du condenseur (par exemple 12 bars pour le R22).

Influence sur le compresseur

Vu que le détendeur n’alimente pas correctement l’évaporateur (surtout au démarrage), le compresseur, même s’il aspire correctement une partie des vapeurs du fluide frigorigène, est sous-alimenté. La basse pression devient aussi insuffisante et le groupe compresseur se met en sécurité basse pression. Mais comme cette sécurité est à réenclenchement automatique, le compresseur « pompe », se fatigue et finalement déclenche par son thermique.

Ce problème est renforcé en hiver… Si l’air est à 0°C, la surface d’échange devient excessive. De plus, on n’aura plus besoin de la pleine puissance frigorifique. De sorte que le condenseur sera largement surdimensionné pendant les périodes froides.

S’il fait plus froid dehors, le constructeur va diminuer le débit d’air de refroidissement (en arrêtant l’un ou l’autre ventilateur, par exemple), mais il va maintenir le niveau de pression ! en fait, la régulation des ventilateurs sera réalisée sur base du pressostat HP.

Supposons que le ventilateur du condenseur fonctionne en tout ou rien, avec l’exigence du constructeur de maintenir les 12 bars minimums.
Par exemple, il s’enclenche lorsque la pression monte à 16 bars et déclenche lorsque la pression descend à 12 bars. Ceci entraîne des cycles on-off « rapides » (+/- 2 min.) et une « fatigue » du moteur. En plus, la mise en route brutale du ventilateur provoquera une chute soudaine de la pression et de la température de condensation. Ceci provoque à son tour une ré-évaporation du liquide resté à la même température. Les bulles de vapeur provoquées par ce phénomène peuvent perturber le bon fonctionnement du détendeur et donc de l’installation (« flash gaz »).

Il y a économie sur le ventilateur… mais pas sur le compresseur !

Cas particulier

Comme le condenseur est entièrement à l’extérieur, par très basse température, c’est toute la masse métallique qui est à 0°C et, même clapets complètement fermés, le réfrigérant se condense à trop faible pression. Il faut dans ce cas rendre inopérants un certain nombre de tubes.

Pour les rendre inopérants, il suffit de remplir d’office certains tubes avec du réfrigérant liquide. Ce réfrigérant liquide sera sous-refroidi, mais la surface d’échange utile du condenseur ayant fortement diminué il ne pourra en condenser trop. Ce remplissage est obtenu par une vanne à 3 voies fonctionnant automatiquement et branchée sur un réservoir auxiliaire de réfrigérant.

Comme il faut une certaine quantité de liquide pour remplir ces tubes, il y a lieu de prévoir un réservoir et une quantité de réfrigérant suffisamment grande.

Première amélioration : travailler avec un ventilateur à vitesse variable ou une cascade de ventilateurs

En plus de la réduction de consommation électrique du ventilateur, on optimisera le fonctionnement du compresseur qui restera régulé à 12 bars (dès que la pression augmente, le ventilateur accélère; et si la charge augmente encore, c’est la pression qui augmente naturellement).

Si le condenseur dispose de plusieurs ventilateurs, on obtient un résultat similaire à partir d’une mise en cascade des ventilateurs, via un pressostat à plusieurs étages. Cette fois, la pression de condensation est stable, ce qui évite la formation de bulles de gaz à l’entrée de l’évaporateur.

Régulation condenseur à air.

Deuxième amélioration : travailler avec un détendeur électronique

Si le détendeur thermostatique travaille généralement avec une température minimale de condensation de 35°C, le détendeur électronique peut travailler avec une température minimale de condensation de l’ordre de 20°C voire moins dans certains cas! C’est essentiellement la capacité du détendeur électronique à gérer correctement l’alimentation de l’évaporateur, même avec des hautes pressions en amont faibles, qui conditionne la limite basse de température de condensation.

Détendeur électronique.

Il est plus cher à l’investissement, mais ce prix est largement récupéré par l’usage de l’installation.

Pression de condensation flottante

La présence d’un détendeur numérique permet d’optimiser la température de condensation en fonction de la charge du compresseur.

Exemple.

Voici la séquence prévue par un constructeur de régulation :

A 100 % de puissance, l’écart « température de condensation – fluide de refroidissement » est choisi à 12 K.

A 0 % de puissance, l’écart est de 4 K : la consommation du compresseur est diminuée par la baisse de pression de condensation et le ventilateur adaptera sa vitesse de rotation pour maintenir cette consigne. L’écart n’est pas de 0 K, car les ventilateurs tourneraient tout le temps.

Exemple.

si la T°ext = 30°C et Travail compresseur = 25 %, la T°condensation = 36°C;
si la T°ext = 30°C et Travail compresseur = 50 %, la T°condensation = 38°C
si la T°ext = 20°C et Travail compresseur = 25 %, la T°condensation = 26°C;
si la T°ext = 10°C et Travail compresseur = 25 %, la T°condensation = … 20°C car c’est la valeur minimale de condensation.

Remarque.

Adopter une température minimale de condensation de 20°C suppose que le sous-refroidissement soit suffisamment élevé. À défaut, la moindre perte de charge sur le tracé va provoquer une vaporisation dans le condenseur (« flash-gaz »). C’est parfois un problème rencontré lorsqu’il faut remonter plusieurs mètres avec la tuyauterie. Pour s’en prémunir, il est possible de sous-refroidir volontairement le liquide par la création d’une zone de sous-refroidissement dans le condenseur (voir figure), ou en plaçant un échangeur à plaques sur le liquide (à la sortie).

Posted By : 25 Sep, 2007

Choisir le compresseur de la machine frigorifique [Froid alimentaire]

Compresseur semi-hermétique en centrale.
(Source : carrefour Mons).

Les critères thermiques

Température d’évaporation la plus haute possible.

La température d’évaporation est naturellement dictée par la nécessité de maintenir dans l’espace à réfrigérer une température définie en fonction du type de denrée à conservation. Néanmoins, l’option de « coller » le plus haut possible à cette température nécessite de choisir des systèmes de régulation adéquats pour piloter la plupart des équipements du circuit frigorifique.
Le maintien d’une température « haute » ou « haute pression » dans l’évaporateur, quelle que soit la charge frigorifique au niveau de l’évaporateur, influence :

le choix du détendeur et de sa régulation par rapport à la surchauffe;
le choix de la régulation du compresseur.

Régulation de la surchauffe et du débit du compresseur.

Température de condensation la plus basse possible.

La température de condensation dépend en grande partie de la température de l’air pour un condenseur à air et de la température de l’eau pour un condenseur à eau. Néanmoins, l’option de « coller » le plus bas possible à cette température nécessite de choisir des systèmes de régulation adéquats pour piloter la plupart des équipements du circuit frigorifique.
Le maintien d’une température « basse » ou « basse pression » au condenseur, quelle que soit la charge frigorifique et les conditions externes d’échange, influence :

le choix du détendeur et de sa régulation par rapport à la différence de pression à laquelle il est soumis;
le choix du condenseur et de sa régulation;
le choix de la régulation du compresseur.

Régulation de la surchauffe et du débit du compresseur et de la pression de condensation.

Les critères de choix énergétique

Le coût du placement des installations frigorifiques commerciales est important et les compresseurs en représentent une part importante. Pour cette raison, sur le plan énergétique, il est nécessaire d’établir des critères de sélection. En réalité ils sont peu nombreux et les seuls à émerger vraiment sont :

le coefficient de performance énergétique EER (Energy efficiency Ratio) ou couramment appelé COP_froid;
le taux de compression HP/BP;
le rendement volumétrique.

Le coefficient de performance COP

Tous les compresseurs ne présentent pas une performance égale. Cette performance peut être mesurée via le COP de la machine frigorifique dans laquelle ils seront insérés.
Contrairement au domaine de la climatisation, en froid commercial, la détermination d’un EER ou COP_froid global et annuel d’une machine frigorifique n’est pas évidente à évaluer. La plupart des grandes marques adoptent très peu les protocoles d’établissement de performance énergétique des standards comme EUROVENT et AHRI (Air-conditioning and Refrigeration Institute).
Par contre, les fabricants de compresseurs renseignent de manière précise sur leur site des valeurs de EER ou permettent l’utilisation de leur logiciel de dimensionnement et de sélection en fonction de différents paramètres tels que :

la température d’évaporation;
la température de condensation;
le type de fluide frigorigène envisagé;
la valeur de sous-refroidissement
la valeur de surchauffe;
….

Pour un même compresseur sélectionné, la variation des valeurs des paramètres de sélection influence de manière différente la valeur du COP.

Prévoir dès le départ la mesure du COP de l’installation :

Pour la bonne gestion future d’une grosse installation, on peut imaginer de placer un compteur d’énergie sur l’eau glycolée d’un circuit caloporteur et un compteur électrique sur le compresseur (coût de l’ordre de 5 000 Euros). Il sera alors possible d’imposer un COP moyen annuel minimum à la société de maintenance… en laissant celle-ci se débrouiller pour y arriver. Un remboursement de la différence peut être prévu comme pénalité en cas de non-respect.

Le taux de compression HP/BP

Le taux de compression HP/BP d’un compresseur, comme son nom l’indique, est le rapport de la pression absolue de refoulement par celle d’aspiration. C’est une caractéristique principalement :

intrinsèque aux compresseurs à vis et scroll (caractéristiques géométriques et mécaniques du compresseur);
extrinsèque aux compresseurs à piston.

Mais comme toute machine au sens large du terme, la choisir hors de son contexte ne rime à rien. Les conditions de pression au niveau du condenseur pour la haute pression et de l’évaporateur pour la basse pression.
Le taux de compression influence les performances énergétiques du compresseur en influençant le rendement volumique de la machine.
Pour rappel, les conditions de pression et de température sont dictées au niveau :

du condenseur (haute pression) par les conditions externes de refroidissement (la température de l’air externe pour un condenseur à air par exemple);
de l’évaporateur (basse pression) par la charge frigorifique à refroidir à une certaine température (et donc à une certaine pression).

Les compresseurs à vis et scroll

Pour les compresseurs à vis comme pour les compresseurs scroll, le risque est de sélectionner un compresseur dont le taux de compression est trop élevé : le compresseur travaillera « pour rien » puisque le fluide frigorigène sera trop comprimé puis se détendra au travers de l’orifice de refoulement jusqu’à atteindre la pression de condensation.
La pression de condensation est liée au régime de fonctionnement du condenseur de l’installation. Il importe que la pression interne de refoulement soit la plus proche possible de la pression de condensation.
Le concepteur choisira un « rapport de volume interne » (cela correspond au taux de compression, mais exprimé sous forme d’un rapport entre les volumes à l’entrée et à la sortie du compresseur) approprié au cas d’utilisation et pour lequel le compresseur exige la plus faible puissance d’entraînement possible.
Pour les cas où les conditions de pression de fonctionnement varient fortement, on a mis au point le compresseur à vis à rapport de volume interne variable. Le taux de compression s’adapte automatiquement au rapport de pression utile en fonction des paramètres de température de condensation et de température d’évaporation.
Cette technique optimalise le rendement énergétique tant à pleine charge, qu’à charge partielle.
On peut atteindre sans problème des taux de compression importants sans trop dégrader les performances du compresseur. Des taux de compression importants sont obtenus grâce à l’huile qui réduit l’échauffement des gaz comprimés.

Les compresseurs à pistons

Pour les compresseurs à pistons, le taux de compression HP/BP est lié essentiellement aux conditions externes utiles en amont (évaporateur) et en aval (condenseur).
Pour rappel :

Le clapet d’aspiration côté évaporateur (BP) ne s’ouvrira que pour autant que la pression à l’intérieur de la chambre de compression (au point mort bas) soit inférieure à celle dans la tuyauterie d’aspiration.
De même, le clapet de refoulement côté condenseur (HP) ne s’ouvrira que pour autant que la pression à l’intérieur de cette même chambre e compression (au point mort haut) soit supérieure à celle régnant dans la conduite de refoulement.

En général, les compresseurs à pistons, pour des raisons mécaniques et d’étanchéité, n’admettent que des taux de compression de l’ordre de 8 voire maximum 10.
On en déduit que :

pour les applications à froid positif (température d’évaporation de l’ordre de -3 à -14°C), les compresseurs mono étagés suffisent dans la plupart des cas.
à l’inverse, pour les applications à froid négatif (température d’évaporation de l’ordre de -30 à -38°C), les compresseurs biétagés sont utilisés.

Le rendement volumétrique

À une vitesse donnée, un compresseur est garanti par un volume balayé; c’est une des caractéristiques de la plaque signalétique. Mais en réalité, pour certains compresseurs tel que celui à piston, le volume réel aspiré est inférieur au volume balayé. Le taux compression influence fondamentalement l’écart entre le volume réel et le volume balayé, cet écart augmentant avec l’augmentation du rapport HP/BP.
Le rendement volumétrique exprime le rapport entre le volume réel et le volume balayé. Ce rendement volumétrique souvent exprimé en fonction du taux de compression est différent pour les compresseurs à vis et ceux à piston.

Les compresseurs à vis

Étant donné que les compresseurs à vis ont un espace mort pratiquement inexistant, le rendement volumétrique de ces machines est assez bon même à des taux de compression élevés.

À titre d’exemple,

Le graphique ci-dessous illustre l’abaque que fournissent les fabricants de compresseurs à vis. Même si le taux de compression en croissant dégrade le rendement volumétrique, pour un rapport HP/BP de 12, le rendement volumétrique est toujours de 80 %. Le rendement volumétrique se dégrade lorsque la pression en aval augmente pour la simple raison que le reflux des gaz de refoulement vers l’aspiration augmente aussi.

Exemple de courbe de rendement volumétrique d’un fabricant.

Les compresseurs à pistons

Le rendement volumétrique est donné par la relation suivante :

η = 1 – 0,05 x (HP/BP)

A titre d’exemple,

Aux mêmes conditions de fonctionnement que le compresseur à vis ci-dessus, le rendement volumétrique d’un compresseur à pistons est de :

η = 1 – 0,05 x (HP/BP)

η = 1 – 0,05 x 12

η = 0,4 ou 40 %

Cette formule est empirique et permet d’évaluer le rendement volumétrique avec une bonne approximation.

Pour les compresseurs à pistons, le volume balayé est défini par la relation suivante :

V_b = ( π x D² / 4) x C x n x N x 60 [m³/h]

Où :

D : diamètre du cylindre [m];
C : course du piston [m];
n : vitesse de rotation [tr/min];
N : nombre de cylindres;

On voit tout de suite que pour assurer un volume réel équivalent au volume nécessaire à fournir la puissance frigorifique utile, le compresseur devra tourner plus vite toute autre chose restant égale. Par conséquent, la consommation électrique du moteur entrainant le compresseur sera plus importante et défavorable, à puissance frigorifique utile égale, à la performance énergétique du compresseur.

Vue globale

La puissance frigorifique à atteindre constitue un critère de choix classique de départ, mais la sélection d’un compresseur demande une vue globale sur les typologies disponibles en fonction de la puissance frigorifique et sur le mode de régulation de puissance. Un camion peut être très performant, mais s’il est trop puissant, il n’atteint pas la performance de 2 camionnettes…
Dans le tableau synthèse de sélection, on trouvera les deux critères rassemblés.

Choix du type de compresseur

Il existe de nombreuses technologies de conception des compresseurs.

Techniques

Pour découvrir ces diverses technologies, cliquez ici !

Pour aider à la sélection, il est possible de les regrouper par « familles » et d’en tirer leur propriétés communes selon :

le mode de compression;
l’association moteur-compresseur.

Mode de compression

On distingue les compresseurs par le mode de compression :

Les compresseurs volumétriques;
les compresseurs centrifuges;

Les compresseurs volumétriques

Compresseur à vis (Source Bitzer) et compresseur scroll (Source Copeland).

Compresseur semi-hermétique à piston.
(Source Bitzer).

La compression du fluide frigorigène se fait par réduction du volume de la chambre de compression. Il existe des compresseurs à piston, à vis, à spirales (compresseurs scroll) et des compresseurs rotatifs.

Le compresseur centrifuge

La compression du fluide est créée par la force centrifuge générée par une roue à aubes. On parle de turbocompresseur. Les turbo-compresseurs sont souvent choisis dans des applications industrielles de grosses puissances.

Association moteur-compresseur

On les distingue également par l’association moteur-compresseur :

Le compresseur ouvert

Le moteur est dissocié du compresseur et raccordé par un manchon ou une courroie. L’accès aux différents éléments est possible pour réparation et la vitesse de rotation est modifiable en changeant la poulie du moteur. Mais ces deux avantages (fort théoriques…) ne compensent pas le défaut majeur de l’existence d’un joint d’étanchéité rotatif à la traversée du carter par l’arbre. Ce joint, qui doit être lubrifié pour assurer l’étanchéité, est source de fuites… inacceptables aujourd’hui dans un contexte « zéro-fuite » de fluide réfrigérant.

Le compresseur hermétique

Le moteur et compresseur sont enfermés dans une même enveloppe. Le joint tournant disparaît et avec lui le risque de fuite. Mais des contraintes nouvelles apparaissent, dont le fait que le refroidissement du moteur est réalisé par le fluide frigorigène lui-même. Cet échauffement est préjudiciable au cycle frigorifique puisque la température à l’aspiration du compresseur augmente. De plus, si le moteur vient à griller, c’est l’ensemble du circuit frigorifique qui sera pollué : un nettoyage complet du circuit doit être réalisé si l’on veut éviter de nouveaux ennuis. En cas de problème, il n’est plus possible de réparer… Dès lors, un organe de sécurité contre la surchauffe (Klixon) est incorporé. Grâce à cette sécurité thermique, montée dans les enroulements du moteur ou sur ces derniers, l’alimentation électrique sera coupée lors d’une surchauffe du moteur.
Le compresseur hermétique est couramment utilisé pour les petites et moyennes puissances : climatiseurs, armoires de climatisation, pompes à chaleur, …

Le compresseur semi-hermétique

qui réalise un compromis entre les deux produits précédents. Il tente de bénéficier des avantages du groupe ouvert (accès aux mécanismes) et du groupe hermétique (limitation des fuites). Mais l’étanchéité reste imparfaite (nombre de joints non négligeable) et le prix est sensiblement plus élevé que pour le compresseur hermétique.
Le compresseur semi-hermétique est utilisé pour les moyennes puissances

Comment choisir ?

Machines tournantes ?

Globalement en climatisation et réfrigération industrielle, la tendance actuelle est :

à l’abandon des machines à mouvement alternatif (compresseur à pistons),
au développement des machines tournantes, à came rotative, à spirale rotative (scroll) ou à vis.

Le compresseur à vis et compresseur scroll (Source Bitzer).

Les avantages et inconvénients :

(+)

une réduction des pièces mécaniques en mouvement (suppression des clapets) et donc une plus grande fiabilité,
un rendement volumétrique d’un compresseur assez bon grâce à l’absence d’espaces morts, comme dans les compresseurs à pistons,
une plus grande longévité,
un niveau sonore nettement plus favorable (moins de vibrations), surtout pour les appareils hermétiques,
une moindre sensibilité aux entrées de fluide frigorigène liquide (« coups de liquide » destructeurs des compresseurs à pistons),
un coût de maintenance également plus faible, puisque le risque de panne est diminué.

(-)

leur coût d’achat plus élevé;
nécessité de personnel qualifié;
en cas de défaillance, les compresseurs hermétiques tels que les scroll’s doivent être remplacés et sont limités en puissance;
les compresseurs à vis sont de plus grosse puissance et moins adaptés à la puissance frigorifique nécessaire habituellement dans les commerces.

Machines alternatives ?

Le compresseur semi-hermétique à piston (source Bitzer).

Les spécialistes du froid alimentaire dans la distribution quant à eux continuent de préconiser les compresseurs à pistons semi-hermétiques.
Les avantages et inconvénients :

(+)

l’investissement est raisonnable;
la réparation est facile;
au niveau des centrales de compresseurs, le niveau de puissance frigorifique est très modulable par le découpage par étage ainsi qu’une régulation de vitesse sur un des compresseurs;
la gamme de puissance frigorifique unitaire est étendue.

(-)

leur longévité est limitée;
ils sont sensibles aux entrées de fluide frigorigène liquide;
le risque de panne n’est pas négligeable;
…

En matière d’environnement

On choisira des compresseurs hermétiques ou semi-hermétiques pour atteindre l’objectif zéro-fuite de fluide frigorigène, objectif qui sera un jour ou est déjà obligatoire au niveau réglementaire.

Suralimentation des compresseurs à vis

Le fonctionnement technique de la suralimentation dépasse la portée de nos propos, mais le principe de base consiste à injecter une quantité de fluide frigorigène supplémentaire dans le compresseur, à une pression intermédiaire entre la pression de condensation et d’aspiration.
La puissance frigorifique en est nettement améliorée alors que la puissance absorbée n’augmente que légèrement.

Le dimensionnement du compresseur

Dimensionnement classique du compresseur

La puissance de la machine frigorifique a été dimensionnée pour répondre aux conditions de fonctionnement extrêmes (période de canicule), sans compter les surdimensionnements liés aux incertitudes d’utilisation des meubles et des chambres frigorifiques.

Généralités

La première économie consiste à évaluer au plus près la puissance frigorifique nécessaire, car la machine frigorifique s’adapte mal aux bas régimes. Chaque palier de diminution de 25 % de la puissance frigorifique du groupe ne réduit la puissance électrique absorbée que de 10 % en moyenne !
Le dimensionnement courant du compresseur pour une installation de froid alimentaire est naturellement conditionné par :

la puissance frigorifique à fournir
le type de fluide réfrigérant;
la température nécessaire à l’application au niveau de l’évaporateur (froid positif ou négatif, type de denrées à conserver, …) et ce, dans des conditions optimales;
la température extrême qu’il peut régner au niveau du condenseur (température de l’air ou de l’eau selon le type de condenseur).

Une température de condensation qui revient régulièrement dans le dimensionnement classique est de l’ordre de 40°C; ce qui correspond, compte tenu d’un « pincement » (caractérise le dimensionnement du condenseur) de l’ordre de 8 K, à une température d’entrée d’air de 32°C. Cette température d’air d’entrée correspond à une température « caniculaire ».
Ce qui est terrible dans le froid alimentaire, par rapport à la climatisation de bâtiment tertiaire où on pourrait tolérer un certain inconfort momentané, c’est que les règlementations et normes en matière de respect de la chaîne de froid sont très contraignantes (il y a va de la santé des consommateurs) et imposent aux commerçants de prendre les précautions qui s’imposent afin de respecter les températures de conservation. En d’autres termes, le bureau d’étude chargé du dimensionnement des compresseurs n’hésitera pas à prendre une valeur de 40°C de température de condensation même si on observe des températures d’air de l’ordre de 32°C quelques heures sur les 8 760 heures qui composent une année et donc de surdimensionner la puissance des compresseurs.

Froid négatif

On rappelle, de par les limites mécaniques des compresseurs à pistons, par exemple, que le taux de compression HP/BP ne peut pas dépasser en pratique la valeur de 8. En froid négatif, le taux de compression HP/BP nécessaire pour assurer au niveau de l’évaporateur des températures de l’ordre de -35°C implique un taux de compression de l’ordre de 15. Ces applications demandent donc de découper la phase de compression en deux étages.

« Lorsque le taux de compression est trop élevé, on travaille plutôt avec deux étages ».

Afin de réduire au maximum la taille (ou la cylindrée) des compresseurs, la pression intermédiaire entre les deux étages de compression doit être choisie de manière précise. La formule suivante exprime l’optimum de la pression intermédiaire P_i :

P_i = ( HP x BP)^0,5 [bars abs]

Où :

HP : Haute Pression absolue côté aspiration du compresseur [bars];
BP : Basse Pression absolue côté refoulement du compresseur [bars].

Différentes solutions existent pour étager le taux de compression HP/BP :

deux compresseurs séparés sont placés l’un à la suite de l’autre (en série). Mais cette solution est coûteuse;
un compresseur biétagé monobloc permet d’atteindre des taux de compression importants avec l’avantage de n’investir que dans une seule machine.

Le choix de la régulation de puissance du compresseur

Même si la puissance frigorifique du compresseur est calculée au plus juste pour une température de condensation raisonnable, il faut choisir une régulation qui lui permette de répondre à des besoins frigorifiques généralement beaucoup plus faibles que la valeur nominale et fluctuants dans le temps.
Diverses techniques de régulation sont possibles :

La variation de la puissance du compresseur

La variation de la puissance frigorifique de l’application de froid alimentaire (puissance utile à l’évaporateur) conditionne le fonctionnement du compresseur. Pour y répondre, comme le compresseur est de type volumétrique, il doit adapter sa puissance en faisant varier le volume de fluide frigorigène qui le traverse.
À l’heure actuelle, classiquement, la solution consiste à faire varier la puissance du compresseur :

soit en créant une cascade entre plusieurs compresseurs (= compresseurs en centrales);
par variation de la vitesse du compresseur.

Cascade de plusieurs compresseurs

À partir du moment où la puissance frigorifique devient importante (superettes, supermarchés ou hypermarchés), le choix d’une centrale de compresseurs s’impose pour les raisons suivantes :

fiabilité et sécurité d’alimentation en fluide frigorigène (ne pas « casser » la chaîne du froid) puisque les machines sont indépendantes;
modulation de la puissance frigorifique par enclenchement ou déclenchement successifs des différents compresseurs de la centrale.

La variation progressive de la puissance est énergétiquement favorable puisqu’aucune machine n’est dégradée dans son fonctionnement.

Centrale de 3 compresseurs en parallèle.

Bien sûr, le coût d’investissement est plus élevé que si l’on utilisait une seule grosse machine, mais imaginerait-on d’installer une grosse chaudière sans prévoir une cascade pour reprendre les faibles besoins de la mi-saison ?
Un découpage de la puissance en étages est recommandé, tout particulièrement lorsque les variations de charge sont importantes.
Il en résultera :
Un gain sur les kWh (énergie) :

car le « petit » compresseur alimentera un condenseur surdimensionné pour ses besoins, d’où une pression de condensation plus basse,
car le rendement du moteur du compresseur sera amélioré.
Une longévité accrue de l’installation par un fonctionnement plus régulier.
Une sécurité d’exploitation.
Un gain sur la pointe 1/4 horaire en kW (puissance), facturée par la société de distribution.

En général, on établit les enclenchements en cascade sur base de l’évolution de la pression d’aspiration de la centrale des compresseurs. Le tout est temporisé de telle sorte que les compresseurs ne s’enclenchent pas tous les uns à la suite des autres.

La variation de vitesse du compresseur

Centrale positive avec variateur de vitesse des compresseurs.
(Source : Carrefour Mons).

C’est une autre solution avantageuse en plein développement : soit un moteur d’entraînement à deux vitesses, soit un entraînement à vitesse variable. Cette dernière technique est sans aucun doute à recommander actuellement.
Le régime de vitesse s’adapte à la puissance de réfrigération souhaitée.
Par exemple, un variateur de fréquence génère une tension dont la fréquence varie entre 20 et 60 Hz. S’il s’agit d’un moteur prévu pour fonctionner à 1 500 tours à 50 Hz, il tournera entre 600 et 1 800 tours/min selon les besoins.
Pourquoi la limitation à 20 Hz ? Un défaut de lubrification du compresseur peut apparaît à basse vitesse, mais les constructeurs améliorent les systèmes régulièrement et trouvent des solutions.
Cette technique de variation de puissance par la variation de vitesse du compresseur (encore appelée INVERTER) entraine :

Un meilleur respect des températures de conservation des denrées (bonne stabilité de la température à l’évaporateur, car régulation de la pression à l’aspiration du compresseur).
Un rendement énergétique supérieur aux autres techniques de régulation de puissance, car on ne détruit pas le rendement volumétrique, on givre moins (en chambre frigorifique), on limite les dépassements de consigne de régulation propre aux systèmes de régulation tout ou rien (liés au différentiel de régulation).
Une réduction du bruit et des vibrations.
Un cos phi élevé (entre 0,95 et 0,98), ce qui permet d’éviter des pénalités ou le placement de condensateurs de compensation.

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Le supplément de coût (si un compresseur coûte 100, sa version avec variateur de vitesse tournera entre 150 et 180) sera rapidement amorti par l’économie d’exploitation. Il ne sera plus nécessaire de prévoir un démarrage étoile-triangle » puisqu’un démarrage « en douceur » est réalisé par le variateur.
A priori, les différents types de compresseurs peuvent être équipés de cette technique (excepté les petits compresseurs hermétiques), mais s’il s’agit de greffer un variateur sur un matériel existant, une consultation préalable du fabricant sera bienvenue (risque de défaut de lubrification).
Cette technique est également intéressante pour les compresseurs à vis (énergétiquement plus efficace que la régulation par tiroir), mais des troubles de lubrification et un échauffement du moteur peuvent apparaître à vitesse réduite.

La mise à l’arrêt de cylindres

Méthode assez répandue parmi les techniques de découpage de la puissance, il est possible de jouer avec la mise hors service des cylindres (ce qui peut s’adapter sur une installation existante).
Avantage :

pour éviter les pointes de courant de démarrage, il est possible de démarrer à vide le compresseur.

Inconvénients :

Ce réglage est énergétiquement moins favorable; les cylindres tournant à vide ont pour conséquence que, pour une puissance de réfrigération de 50 %, par exemple, la machine absorbe encore environ 65 % de la puissance d’entraînement.
La variation de la puissance n’est pas continue (sauts de puissance).
L’usure de la machine est pratiquement identique à vide ou en charge.

L’obturation de l’orifice d’aspiration

À cet égard, le réglage par un étranglement dans la conduite d’aspiration n’est pas meilleur. On modifie alors la puissance de réfrigération en agissant sur le débit du réfrigérant.

L’injection des gaz chauds

Quant au réglage de la puissance du compresseur par injection des gaz chauds dans l’évaporateur ou à l’entrée du compresseur, il faut le qualifier de « pur gaspillage d’énergie ». Dans ce cas, la puissance absorbée reste la même lorsque la puissance de réfrigération diminue. De plus, ils provoquent un échauffement du moteur. Dans la mesure du possible, il faut mettre ce système aberrant hors service dans les installations existantes.
C’est le compresseur qui travaille sur lui-même. On pourrait tenter l’image suivante : une pompe remonte de l’eau de la cave vers le rez-de-chaussée. Si l’eau vient à manquer, on risque de faire caviter la pompe. Aussi, on décider de redescendre de l’eau vers la cave, de réinjecter de l’eau supplémentaire à l’entrée de la pompe. Ainsi, on est sûr que le débit de la pompe restera suffisant !

(A ne pas confondre avec le dégivrage par injection de gaz chauds, qui est par contre une technique très efficace de dégivrage).

Tableau synthèse de sélection

L’importance d’une mesure préalable !

La mise en place d’une régulation performante demande de connaître la puissance effective nécessaire en fonction des saisons. Aussi, si le choix d’un compresseur doit être fait en vue du remplacement d’une machine existante, on placera un simple compteur horaire sur l’alimentation électrique du compresseur actuel pour ainsi connaître son temps de fonctionnement et donc la puissance moyenne demandée. Cela permettra de mieux choisir la nouvelle machine frigorifique.

Si l’installation doit vaincre les apports d’une machine spécifique à enclenchement discontinu, la puissance moyenne peut être trompeuse : à certains moments, c’est la puissance totale qui est demandée, et zéro le reste du temps… Idéalement, on enregistrera la puissance demandée, en relevant en parallèle la source des apports thermiques.

Le tableau de synthèse ci-dessous se base sur l’analyse des catalogues des constructeurs de référence en matière de froid alimentaire positif et négatif. Les compresseurs repris sont les plus couramment rencontrés dans les commerces. Mais on notera que pour la plupart des installations actuelles, le compresseur à pistons semi-hermétique est largement choisi.

	Plages de puissance (kW frigorifiques)	Régulation adaptée
Compresseur scroll	de 1 à 40, … kW par compresseur (mais possibilité de puissance supérieure par mise en parallèle de compresseurs)	Modulation de puissance optimale, par variation de la vitesse de rotation ou par mise en « centrale »
Compresseur à piston
Ouvert	de…, 2 à 100, … kW	Étanchéité aux fluides frigorigènes insuffisante aujourd’hui
Semi-hermétique	de …,2 à 60, ….kW	Un compresseur à plusieurs étages ou plusieurs compresseurs en cascade (« centrale ») Variation de la vitesse de rotation
Compresseur à vis	de …40 à 250 kW	Excellente fiabilité et longévité Modulation de puissance par « tiroirs » très souple, de 100 à 10 %, avec une très faible dégradation du COP par la régulation « par tiroirs », du moins au-dessus de 50 % de la puissance.

Compresseur à pistons
Semi-hermétique bi-étage	de …, 6 à 60, … kW	Modulation de puissance optimale par mise en centrale

Remarque.

Choisir un compresseur performant, c’est bien. Le placer dans un environnement favorable, c’est mieux. En pratique, on sera très attentif aux assembliers qui proposent
« un échangeur + un compresseur + un échangeur ».
L’ensemble forme une machine frigorifique, certes, mais les pertes de charge liées aux échangeurs sont parfois très élevées pour le compresseur, ce qui augmente fortement sa consommation !
On choisira de préférence une installation globale, montée d’usine et dont le fabricant garantit la performance globale.

Les critères acoustiques

En local technique

C’est le compresseur qui génère le plus de bruit, il est donc toujours préférable de le placer en local technique lorsque l’on dispose d’un espace suffisant, tandis que le condenseur refroidi par air est placé en terrasse. Cette solution est la plus adaptée en ce qui concerne la diminution des nuisances sonores vers l’extérieur du bâtiment.

Lorsque les compresseurs sont placés en local technique, ils masquent tous les bruits de détente ou de circulation interne des fluides dans la machine.
Pour diminuer les nuisances acoustiques du compresseur, il faut mettre en place les dispositifs suivants :

Mettre un capot acoustique sur la machine.
Prévoir une dalle flottante équipée d’isolateurs à ressorts.
Placer des plots en élastomère entre la machine et la dalle flottante.

Si le groupe évaporateur/compresseur est implanté au-dessus de locaux occupés, on peut placer un matelas de laine de verre entre la dalle flottante et le socle de propreté de la machine.
N.B. : la suspension antivibratile des compresseurs ne peut ne pas être suffisamment efficace, car les compresseurs sont reliés aux autres éléments de façon rigide. Ainsi, on utilisera des manchettes souples pour relier l’évaporateur aux canalisations du réseau hydraulique.

En terrasse

Si on ne dispose pas d’un local de service, évaporateur, compresseurs et condenseur seront placés en terrasse. Mais, sur le plan acoustique, ce type de disposition est toujours à éviter.
Dans tous les cas, il faudra éloigner au maximum les compresseurs de tous les plaignants potentiels.
Remarquons que l’éloignement de la machine impose des longueurs de canalisations plus importantes, ce qui peut avoir une influence sur le dimensionnement des équipements (collecteurs, pompes, …) et augmenter le coût de l’installation.
Il faudra éviter de placer les compresseurs à proximité de parois qui pourraient augmenter sa directivité vers une zone sensible. Au contraire, il faudra envisager de placer la machine de façon à la cacher derrière un obstacle. Ainsi, en terrasse, on pourra placer la machine derrière la cabine d’ascenseur ou profiter de la présence de l’armoire électrique de la machine, par exemple.
Remarque.
Si la réduction des nuisances acoustiques est un critère important, le placement d’un variateur de vitesse sur le compresseur (qui se justifie déjà pour des raisons énergétiques) est incontournable.
Certains variateurs peuvent être paramétrés pour « sauter » la(les) gamme(s) de fréquence(s) qui génère(nt) des vibrations du compresseur (fréquences de résonance de la machine). Simplement, il ne s’arrête pas sur ces fréquences critiques.

À titre d’exemple, voici quelques niveaux sonores donnés par un fabricant de groupes refroidisseurs de liquide (pression sonore mesurée à 10 m en champ libre en dBA).

– machines équipées de compresseur scroll hermétique :

Puissance comprise entre 3 et 15 kW : 55 à 86 dBA

– machines équipées de compresseur à piston semi-hermétique :

Puissance comprise entre 6 et 50 kW : 60 à 80 dBA

– machines équipées de compresseur à vis :

Puissance comprise entre 40 et 210 kW : > 60 dBA

Le choix de l’alimentation en « noyé » des évaporateurs

Le choix de l’alimentation en « noyé » des évaporateurs associés à la machine frigorifique permet d’optimiser les performances de l’évaporateur par une augmentation significative de l’effet utile par kg de fluide frigorigène. Pour autant que la conduite d’aspiration soit de courte longueur et bien isolée, la surchauffe est faible. Par conséquent, le débit massique est réduit au minimum et permet d’obtenir des valeurs de performance énergétique meilleures.
Dans la mesure du possible, le placement des machines frigorifiques en hauteur par rapport à l’évaporateur permettra de l’alimenter par gravité. C’est entre autre pour cette raison que les commerces qui disposent d’une puissance frigorifique importante préfèrent placer le local technique accueillant les machines frigorifiques en toiture.

Posted By : 25 Sep, 2007

Choisir les meubles frigorifiques

Les critères de choix liés à la vente des denrées

Bien évidemment, la toute première fonction d’un meuble frigorifique est de mettre en valeur des denrées afin qu’elles soient vendues. Les principaux critères de choix des meubles frigorifiques par rapport à la motivation de vente sont liés aux types :

de denrées vendues;
de vente;
de magasin;
de système frigorifique;
de service.

Adaptation aux denrées vendues

Le choix des meubles frigorifiques liés aux types de denrées dépend principalement :

de la nature des denrées elle-même, des emballages et du conditionnement;
de la compatibilité des matériaux du meuble en contact avec les denrées;
de la température de conservation nécessaire (imposée suivant les denrées);
du mode de distribution du froid;
du volume utile de stockage;
de la hauteur minimale de chargement adaptée aux produits;
…

Adaptation à la forme de vente

Les meubles frigorifiques seront différents suivant :

la politique commerciale soutenue aboutissant généralement au libre-service ou service traditionnel;
qu’il s’agit d’alimentation générale ou spécialisée.

Adaptation à la surface de vente

Il faut prendre en compte :

la grandeur du commerce, sa géométrie, le flux possible des clients,
la présence ou non de « caddy’s »;
les conditions d’ambiance (température, humidité, …);
la disposition des autres rayonnages;
le « design » général du magasin;
…

Adaptation au système frigorifique

Le système frigorifique est lié à la configuration du magasin (en site urbain, rural, toiture plate, surface disponible à l’arrière du commerce ou pas, cave ventilée, …). En effet, on ne peut pas se permettre, par exemple, de placer des condenseurs ou des compresseurs bruyants à l’extérieur en site résidentiel sans prendre des précautions préalables.

L’adaptation des meubles au système frigorifique suit la même logique :

groupe incorporé au meuble ou pas;
groupe de froid centralisé en toiture;
condenseur à air ou à eau;
…

Adaptation au service

Il faut enfin tenir compte :

de la robustesse;
de la fiabilité;
de la durée de vie;
accessibilité avant arrière;
souplesse d’utilisation;
facilité de maintenance préventive et corrective;
…

Les critères de choix liés aux coûts

Il est important de citer les critères de choix liés aux différents coûts qu’il est nécessaire de prévoir avant de choisir tel ou tel type de meuble frigorifique.

Les coûts

Les principaux coûts sont naturellement :

L’investissement qui comprend les meubles frigorifiques proprement dits, les systèmes frigorifiques, l’installation, la réception, … On en déduit un coût global d’investissement annuel comprenant l’investissement lui-même et l’intérêt annuel du capital immobilisé.

L’exploitation qui inclut le coût de l’énergie, les entretiens, le loyer annuel par rapport à la surface occupée par les meubles, les montants de police d’assurance couvrant les équipements et la perte des denrées. Sur le même principe que l’investissement, on en déduit un coût d’exploitation annuel.

Le coût total annuel est donné par la formule suivante :

coût total annuel = coût global d’investissement annuel + coût d’exploitation annuel

Les critères de choix spécifiques

Les critères de choix des meubles frigorifiques self-service se présentent sous forme de ratios spécifiques :

Le ratio « chargement » exprimé par la relation :

chargement = coût total annuel / surface horizontale de chargement (2) [€/m²]

Le ratio « exposition » exprimé par la relation :

exposition = coût total annuel / surface d’exposition (3) [€/m²]

Le ratio « ouverture » exprimé par la relation :

ouverture = coût total annuel / l’ouverture d’exposition (4) [€/m²]

Le ratio « volume » exprimé par la relation :

volume = coût total annuel / volume utile [€/m³]

Les critères globaux de choix liés à l’énergie

Lors de projets de conception, l’aspect énergétique était auparavant négligé au profit naturellement de la vente. Vu l’augmentation constante des prix de l’énergie électrique et par une prise de conscience timide des problèmes d’environnement que cause la production de froid, c’est l’instant, le moment de réfléchir aux choix futurs permettant d’allier quatre éléments indissociables :

la qualité du froid alimentaire;
la vente;
le confort des clients et du personnel;
l’énergie.

Une ou des solutions radicales ?

Existe-t-il un bon compromis entre ces quatre facteurs ? Il existe une ou plusieurs solutions ! Le problème est qu’elles sont évidentes, mais semblent bloquer les commerçants et les responsables « marketing » des grandes et moyennes surfaces dans leur choix de meubles frigorifiques.

Peu importe les moyens et techniques mis en œuvre, mais il suffit de prévoir le confinement ou l’enfermement du froid dans une boîte isolée pour améliorer directement l’efficacité énergétique du froid alimentaire. Certains magasins (ils se reconnaîtront) appliquent ce principe depuis déjà longtemps, d’autres se lancent timidement.

Confinement de l’ensemble du froid alimentaire ou pas ?

Confinement des produits frais dans une enceinte bien isolée

Meuble frigorifique ouvert.

Confinement et isolation légère (double vitrage).

Confinement et isolation importante (enceinte opaque).

Là où on arrive à l’optimum énergétique et thermique, c’est lorsque les produits frais sont confinés dans des espaces réfrigérés et isolés des zones de vente classique tempérée. En terme de confort, naturellement, ce n’est pas l’idéal bien que finalement ce n’est qu’une question d’organisation (prévoir une petite laine en été ne pose pas beaucoup de problème). Les pionniers dans ce domaine sont bien connus et adoptent ce principe depuis des années voire plus d’une décennie. On peut dire que ce concept est passé dans les mœurs aujourd’hui. Au vu des personnes rencontrées dans ce type de magasin, toutes les couches de la population y sont représentées. Ce n’est pas nécessairement une question de « standing » comme certains pourraient le laisser entendre.

Confinement des produits frais dans une enceinte légèrement isolée et vitrée

Un autre concept a vu le jour il n’ y a pas longtemps. Dans un premier temps, on pourrait dire que la solution est mauvaise. A bien y regarder, elle se situe juste entre :

les meubles frigorifiques ouverts qui absorbent un maximum de chaleur de l’ambiance de vente global au point que même en période chaude dans certains commerces on soit obligé de chauffer;

et l’enceinte fermée et isolée du reste de l’ambiance globale de vente.

Ce concept serait-il le bon vieux compromis à la belge ?

(+)

confinement des denrées dans une enceinte séparée du reste des surfaces de vente réduisant ainsi le risque de devoir chauffer ces surfaces par apport de froid trop important comme on l’observe pour l’instant avec la prolifération des meubles frigorifiques ouverts;

la « cage » de verre est une approche marketing intéressante. Bien qu’il y fasse froid, l’impression d’inconfort est moins présente que dans une ambiance totalement occulte;

si l’on pousse le concept plus loin on pourrait envisager de placer l’éclairage en dehors de l’espace en verre et, par conséquent de réduire les apports de chaleur produits par les luminaires.

(-)

l’isolation du vitrage est relativement faible. On pourrait espérer réaliser un coefficient de transmission thermique U des parois de l’ordre de 1,1 [W/m².K]. À noter qu’une isolation de 6 cm donne, elle, de l’ordre de 0,4 [W/m².K];

les ouvertures auraient pu être des lamelles verticales ou des portes automatiques, mais pas des rideaux d’air mettant en jeu des consommations électriques supplémentaires au niveau des ventilateurs.

Meubles ouverts ou fermés ?

Meubles frigorifiques négatifs horizontaux

Le choix de fermeture simple en plexiglas sur les gondoles négatives montre une solution rapidement rentable, car elle permet de réduire les consommations énergétiques de l’ordre de 30 à 40 % par rapport à un choix de meubles ouverts. Cette solution a été retenue en amélioration par une chaîne de distribution en Belgique sans observer de baisse du chiffre d’affaire significative. Dès lors, en conception, il semble plus évident de se lancer directement dans cette voie. En effet, ce qui rebute tout un chacun est le changement. Donc si cela marche en rénovation, il ne doit pas y avoir d’obstacle majeur en nouvelle conception.

Meubles frigorifiques positifs verticaux

C’est là que les anciens Belges s’empoignèrent, car le « client roi » doit pouvoir apprécier les denrées sans contrainte d’ouverture et de fermeture de porte. La question qui se pose immédiatement est de savoir pourquoi une méthode qui semble marcher avec le froid négatif ne fonctionne pas pour le froid positif. Est-ce une question :

d’éducation à la consommation : on comprend que le froid négatif doit être confiné parce que les crèmes glacées fondent s’il n’y a pas de confinement du froid et que le froid positif peut être assimilé à la climatisation où les fenêtres peuvent rester ouvertes;

d’investissement : le nombre de mètres linéaires de ce type de meubles frigorifiques étant important cela peut éventuellement rebuter les gérants de se lancer;

C’est une des questions qui reste en suspend.

Choix énergétique progressivement intéressant
Une des solutions intéressantes dans un magasin biologique d’une commune bruxelloise est le choix de placer des lamelles en matière plastique quasi transparentes. Cette technique, selon le gérant du magasin n’a pas l’air de freiner l’achat de denrées. Pour être tout à fait objectif, il est hésitant à protéger l’ensemble de ces meubles par ce type de confinement.

Si on considère que ces lamelles arrivent au même degré de protection que les rideaux de nuit, on peut considérer que les réductions de consommations énergétiques peuvent atteindre aussi 30 à 40 %.

Exemple.

En analysant le graphique suivant issu d’une simulation (TRNSYS) de 50 mètres linéaires de meubles frigorifiques ouverts et verticaux maintenant aux frais des produits laitiers, on constate qu’en retirant les 7 000 [W] d’apport interne dû à l’éclairage pendant l’ouverture du magasin, le simple fait de placer des rideaux de nuit, on réduit de l’ordre de 40 % la demande en puissance de l’évaporateur à la machine de froid

simulation (TRNSYS) de 50 mètres linéaires de meubles frigorifiques ouverts et verticaux

Si l’on considère que les protections de jour peuvent être assimilées à celle de nuit au niveau de la performance, on peut effectivement réduire de 40 % (dans ce cas-ci) les consommations énergétiques de l’installation de froid alimentaire.

Le choix délibéré de meubles frigorifiques verticaux positifs fermés par des portes vitrées pose naturellement le problème des prix.

Le choix des meubles

On n’insistera jamais assez sur la priorité à donner sur le choix de meuble frigorifique fermé !

Le choix des meubles frigorifiques s’inscrit presque toujours dans un cadre de sur-mesure pour les commerces de détail. Pour les moyennes et grandes surfaces, ce choix peut se réaliser dans des gammes plus standards. Quoi qu’il en soi, la motivation première, comme on l’a vu, est toujours liée à la conservation des denrées dans un environnement « hostile » pour elles.

Selon les différents critères énoncés ci-avant, un choix de meubles frigorifiques se dégage. Les fabricants classent en général les meubles selon :

la température de conservation positive ou négative (quelle valeur) ?
le type ouvert mixte ou fermé, vertical ou horizontal ?
l’aménagement interne avec combien d’étagères, avec ou sans éclairage des tablettes, …?
équipé d’un convection forcée ou pas ?
équipé de porte vitrée, de rideau de nuit, de combien de cordons chauffants ?
…

Pour les marques reconnues sur le marché des meubles frigorifiques, la classification EUROVENT aide à standardiser les catalogues. Les fabricants classent donc les meubles par rapport :

aux conditions d’ambiance de la zone de vente dans laquelle le meuble sera placé (classe d’ambiance);
aux conditions de conservation des denrées au sein du meuble (régime de température des « paquets les plus chauds, les plus froids, …);
à leurs dimensions (nombre de mètres linéaires, hauteur, …);
au nombre d’étagères;
à la présence d’éclairage;
…

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Pour en savoir plus sur le classement des meubles frigorifiques ouverts selon EUROVENT, cliquez ici !

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Pour en savoir plus sur le classement des meubles frigorifiques fermés selon EUROVENT, cliquez ici !

Température

La puissance frigorifique est donc toujours liée à une température d’évaporation qui permet de tenir la température de consigne au sein du meuble frigorifique. Le tableau suivant donne un aperçu des températures d’évaporation couramment rencontrées dans le froid alimentaire en fonction des températures de conservation.

Type de meuble	Température de service interne au meuble frigorifique [°C]	Température de l’évaporateur[°C]
Froid positif	+ 6/+8	– 3 à – 5
	+ 4/+ 6	– 4 à – 10
	+ 2/+ 4	– 6 à – 12
	0/+ 2	– 8 à – 14
Froid négatif	– 18/- 20	– 30 à – 35
Froid négatif	– 23/- 25	– 33 à – 38

Appréhender les dépenses énergétiques

L’évaluation du bilan thermique et énergétique permet de préciser la puissance frigorifique nécessaire pour combattre les agressions thermiques du meuble. La puissance frigorifique appliquée à des meubles linéaires et rapportée au mètre linéaire en [W/ml] est un ratio important souvent utilisé par les professionnels pour comparer la performance de différents meubles de même type, mais de marque différente (voir certification EUROVENT). Dans le cadre d’un dimensionnement, les bureaux d’étude ou fabricants s’appuient sur ces valeurs.

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Pour en savoir plus sur l’évaluation du bilan énergétique des meubles frigorifiques, cliquez ici !

Pour se rendre bien compte de l’impact de son choix de meuble frigorifique en froid positif et négatif, il est nécessaire de rappeler brièvement les différents apports qui influencent les consommations énergétiques des meubles, à savoir :

les apports externes;
les apports internes.

Apports externes

Les agressions externes représentent une bonne partie des apports thermiques. Elles sont dues aux conditions d’ambiance (température et humidité) des zones de vente entourant les meubles.

On retrouve principalement :

les apports de chaleur par les parois (convection de surface et conduction au travers des parois);
les apports de chaleur par les ouvertures libres via ou pas le rideau d’air (induction de l’air de l’ambiance);
les apports de chaleur par rayonnement des parois de l’ambiance avec celle du meuble.

Apports internes

Pour maintenir le meuble à température et dans des bonnes conditions de fonctionnement ainsi que pour rendre les denrées attrayantes, des apports internes sont produits.
On retrouve principalement :

les apports de chaleur par l’éclairage ;
les apports de chaleur par l’intégration des moteurs des ventilateurs dans le réseau de distribution d’air du meuble (le moteur chauffe);
les apports de chaleur des cordons chauffants ;
les apports de chaleur ponctuels par les systèmes de dégivrage .

Évaluation théorique des consommations journalières

L’évaluation théorique du bilan énergétique journalier prend en compte les modifications de régime des apports thermiques tels que l’éclairage pendant la journée, la réduction de l’induction lors de la mise en place du rideau de nuit après la fermeture du magasin, les dégivrages, …, sur une période de 24 heures. Cette période est la même que celle utilisée par EUROVENT pour caractériser les meubles frigorifiques.

Meuble frigorifique vertical positif : bilan énergétique journalier.

Meuble frigorifique négatif : bilan énergétique journalier.

EUROVENT site

Les certifications énergétiques sont en général des initiatives volontaires de la part des constructeurs pour permettre aux bureaux d’études, fournisseurs et utilisateurs de choisir correctement leurs équipements en comparant des pommes avec des pommes dans le cadre d’une concurrence saine. Une certification est accordée à un fabricant lorsque l’équipement testé selon un protocole de mesure préétabli, identique pour tous les équipements de la même famille et basé sur les normes EN en vigueur.

Caractéristiques certifiées

Dans le domaine de l’HVACR (Heating Ventilation Air Conditioning and Refrigeration), une certification qui donne une bonne garantie de qualité notamment au niveau énergétique est EUROVENT. Les exigences des fabricants, à savoir la puissance, la consommation d’énergie et le niveau sonore sont correctement évalués dans le cadre de la demande de certification, et ce, conformément aux normes EN en vigueur.

Pour les meubles frigorifiques, la certification EUROVENT porte plus particulièrement sur les caractéristiques de performances énergétiques suivantes :

la consommation d’énergie électrique de réfrigération REC (du groupe de froid) en [kWh/j];
la consommation d’énergie électrique directe DEC (avec 12 heures d’éclairage) en [kWh/j]. Attention que pour les meubles à groupe de condensation incorporé, DEC est égale à la somme de toutes les énergies électriques consommées par le meuble frigorifique incluant l’énergie du compresseur ;
la consommation d’énergie électrique totale TEC en [kWh/j], avec :
- TEC pour les meubles à groupe de condensation séparé = REC + DEC ;
- TEC pour les meubles à groupe de condensation incorporé = DEC.

Évaluer	Pour en savoir plus sur l’évaluation des performances énergétiques des meubles frigorifiques ouverts, cliquez ici !
Évaluer	Pour en savoir plus sur l’évaluation des performances énergétiques des meubles frigorifiques fermés, cliquez ici !

Valeurs européennes moyennes TEC / TDA

Le tableau ci-dessous donne un exemple des valeurs moyennes des consommations pour le marché européen. Les valeurs ont été collectées et moyennées par le groupe WG14 d’Eurovent / Cecomaf sur la base des chiffres fournis par les fabricants et l’expérience terrain.

Les valeurs ont été établies pour les classes de température des paquets M définies en laboratoire :

Famille de meubles	Classe de température du meuble (classe de l’ambiance + denrée)	Moyenne européenne TEC /TDA [kWh/jour.m²]
Pour meubles à groupe de condensation incorporé
IHC1, IHC2, IHC3, IHC4	3H2	8,2
IHC1, IHC2, IHC3, IHC4	3H2	9,6
IVC1, IVC2, (IVC3)	3H2	17,3
IVC1, IVC2, (IVC3)	3H2	21,0
IVC4	3M1	13,9
IHF1, IHF3, IHF4	3L3	21,5
IHF1, IHF3, IHF4	3L1	36,0
IHF5, IHF6	3L1	17,8
IVF4	3L1	30,5
IYF1, IYF2, IYF3, IYF4	3L3	32,3
IYM6	3H2/3L1	25,3
Pour meubles à groupe de condensation séparé (à groupe extérieur)
RHC1	3H	6,2
RHC1	3M2	6,7
RHC3, RHC4	3H	5,5
RHC3, RHC4	3M2	5,8
RVC1, RVC2	3H	10,1
RVC1, RVC2	3M2	12,3
RVC1, RVC2	3M1	13,4
RVC3	3H	13,8
RHF3, RHF4	3L3	13
RVF4	3L1	28,5
RVF1	3L3	29

H = horizontal
V= vertical
Y = combiné
C = réfrigéré
F = surgelé
M = multi-température
A = assisté
S = libre service
R = groupe de condensation séparé
I = groupe de condensation incorporé

Source EUROVENT.

Consommation énergétique certifiée

Actuellement, la plupart des constructeurs, comme le montre le chapitre précédent, se fient aux résultats donnés par la certification EUROVENT. La méthode d’essai est très précise et permet, entre autres, de déterminer :

la qualité du meuble pour maintenir les températures escomptées à l’intérieur du volume utile de chargement ;
les consommations énergétiques globales.

Les essais sont réalisés dans des conditions de températures et d’humidité précises.

Exemple.

Un meuble RVC1 travaillant dans une classe de température 3H2 signifie que :

le type d’application est 1; à savoir : Réfrigéré, semi-vertical
la température et l’humidité de l’ambiance dans laquelle est plongé le meuble est :

Classes de climat des chambres test	Température sèche [°C]	Humidité relative [%]	Point de rosée [°C]	Humidité absolue [g_d’eau/kg_{air sec}]
0	20	50	9,3	7,3
1	16	80	12,6	9,1
2	22	65	15,2	10,8
3	25	60	16,7	12
4	30	55	20	14,8
5	27	70	21,1	15,8
6	40	40	23,9	18,8
7	35	75	30	27,3
8	23,9	55	14,3	10,2

les températures souhaitées au niveau des denrées sont :

Classe de température des paquets tests	La plus haute température du paquet test le plus chaud doit être < [°C]	La plus basse température du paquet test le plus froid doit être > [°C]	La plus basse température du paquet test le plus chaud doit être < [°C]
L1	-15	–	-18
L2	-12	–	-18
L3	-12	–	-15
M1	5	-1	–
M2	7	-1	–
H1	10	+1	–
H2	10	-1	–

pour un type de meuble précis, on détermine la consommation énergétique moyenne :

Famille de meubles	Classe de température du meuble (classe de l’ambiance + denrée)	Moyenne européenne TEC /TDA [kWh/jour.m²]
Pour meubles à groupe de condensation séparé
RVC1, RVC2	3H	10,1

H = horizontal
V= vertical
Y = combiné
C = réfrigéré
F = surgelé
M = multi-température
A = assisté
S = libre service
R = groupe de condensation séparé
I = groupe de condensation incorporé

Source EUROVENT.

La valeur de 10,1 [kWh/jour.m²] est donc une consommation moyenne établie pour l’ensemble des meubles verticaux positifs à groupe de froid séparé et à étagères.

Lorsqu’on analyse de plus près un cas spécifique de meuble, EUROVENT donne les valeurs suivantes pour un RCV1 3H2 :

Modèle

Réfrigérant

Agencement interne

Nombre d’étagères

Rideau de nuit

DEC pour 12 heures d’éclairage [kWh/jour]

REC [kWh/jour]

Surface totale d’exposition

TDA [m²]

TEC/TDA [kWh/jour.m²]

…

R404A

TNLS (ou étagères horizontales non éclairées

1 ou 2

non

6,46

27,7

2,73

12,5

Sachant que ce type de meuble a une ouverture TDA de 2,73 [m²] pour une longueur L de 2,95 [m], on peut évaluer la puissance moyenne absorbée par le meuble. Soit :

P_moyen = TEC x (TDA / L) / 24 [kW/ml] (où ml = mètre linéaire)

P_moyen = 12,5 [kWh/jour.m²] x (2,73 [m²] / 2,1 [m]) / 24 [h/jour]

P_moyen = 0,670 [kW/ml]

Tout ceci signifie que les essais aboutissant à une certification du meuble frigorifique sont réalisés dans des conditions d’ambiance tout à fait particulières. Cette certification est naturellement nécessaire pour permettre aux bureaux d’études en technique spéciale ou au maître d’ouvrage de pouvoir comparer les meubles de même classe ou de même famille ensemble. Les résultats des mesures des consommations énergétiques sont des moyennes, mais ne représentent pas les consommations réelles en fonction des conditions ambiantes de température et d’humidité variables à l’intérieur du commerce.

Puissance frigorifique nécessaire

Une fois le choix des meubles effectué, on peut déterminer assez aisément par les catalogues la puissance frigorifique nécessaire pour son application. Cette puissance conditionnera la valeur de la puissance de l’évaporateur et naturellement celle du compresseur associé.

Exemple.

Un commerçant aimerait investir dans un meuble frigorifique vertical ouvert pour une application en froid positif. Un catalogue de fabricant propose différentes longueurs disponibles pour ce type d’application. La proposition suivante fait l’affaire du commerçant : 3H1 MNLS L250.

Puissance

Classe 3 – 25°C / 60 % d’humidité relative
Type de meuble	Classe de conservation	Aménagements internes	Température d’évaporation [°C]	W/m	Puissance frigorifique [W]
Type de meuble	Classe de conservation	Aménagements internes	Température d’évaporation [°C]	W/m	L125*	….	L250	L375
	3M2	HLNS	-8	1 245	1 555	…	3 110	5 495
	3H2	HLNS	-4	1 120	1 400	…	2 810	4 950
…	…	…	…	…	…	…	…	…
	3M1	HLNS	-9	1 695	2 120	…	4 240	6 355
	3M2	HLNS	-6	1 460	1 825	…	3 650	5 480
	3M2	MNLS	-8	1 715	2 145	…	4 285	6 425
	3H1	HLNS	-3	1 380	1 720	…	3 450	5 170
	3H1	MNLS	-4	1 535	1 915	…	3 840	5 755

HNLS = avec étagères non éclairées
MNLS = avec miroir et étagères non éclairées

* Longueur de meuble [L125 = 125 cm]

Source Constan.

On se rend compte que la puissance frigorifique spécifique du meuble retenu est de 1 535 [W/m].

Remarque : énergie

Dans le cadre d’une campagne de dimensionnement énergétique, on prévoit de déterminer, sur base de la puissance spécifique donnée dans le catalogue, la consommation énergétique journalière [kWh/jour.m²] du meuble et de la comparer à la valeur moyenne européenne TEC/TDA pour le même type de meuble. Le site d’EUROVENT donne pour ce type de meuble une consommation TEC/TDA de 9,05 [kWh/jour.m²] à comparer à la valeur européenne moyenne TEC/TDA qui est de 13,8 [kWh/jour.m²]. A première vue, ce type de meuble répond correctement aux critères énergétiques donnés par EUROVENT.

Attention qu’il est important de connaître la puissance des meubles éclairage compris. En effet, le calcul du TEC/TDA tient compte de la consommation de l’éclairage à raison de 12 heures par jour. Or dans l’exemple pris, les consommations d’éclairage sous les étagères ne sont pas reprises. Le constructeur renseigne :

une puissance supplémentaire à ajouter à la puissance froid de 30 [W/ml]. Pour ce type de meuble, si on considère 5 étagères, le supplément de puissance dû à l’éclairage est de 30 [W/ml] x 5 = 150 [W/ml]. Le catalogue nous renseigne une hauteur de meuble de 1,8 [m]. La valeur de la consommation pour 12 heures de fonctionnement par jour de l’éclairage est alors de :

TEC / TDA = ((150 [W/ml] x 12 [heures/jour]) / 1,8 [m]) + 9,05 [kWh/m².jour]

TEC / TDA = 1 000 [Wh/m².jour] + 9,05 [kWh/m².jour]

TEC / TDA = 10,05 [kWh/m².jour]

On constate que le rapport TEC/TDA du meuble considéré reste toujours en deçà de la valeur de 13,8 [kWh/jour.m²] proposée par EUROVENT.

une température d’évaporation à abaisser en fonction de la présence ou pas d’éclairage. pour chaque lampe présente sous les étagères, il faut abaisser la température d’évaporation de l’ordre de 0,5°C avec une limite basse de -10°C.

Puissance spécifique pour différents types de meubles

Suivant le type de meuble frigorifique, la puissance spécifique est la puissance frigorifique à l’évaporateur par mètre linéaire de meuble, unité souvent rencontrée dans le froid alimentaire.

Comme on l’a vu plus haut, une manière souvent utilisée pour classifier les meubles frigorifiques, est de se baser sur la puissance frigorifique spécifique ou la puissance frigorifique par mètre linéaire ou par module de porte en fonction des conditions classiques définies par EUROVENT (température d’ambiance de 25°C et une humidité relative de 60 %).

Meuble frigorifique à applications positives

Famille de meubles	Surface d’exposition [m²/ml]	Température de service [°C]	Puissance frigorifique spécifique [kW/ml]
Vitrine service par le personnel en convection naturelle	0,8	2 à 4	0,2 à 0,25
Vitrine service par le personnel en convection forcée	0,8	2 à 4	0,25 à 0,28
Comptoir horizontal self-service en convection	0,9	0 à 2	0,4 à 0,43
Meuble vertical self-service en convection forcée	1,3	4 à 6	1,2 à 1,3

Meuble frigorifique à applications négatives

Famille de meubles	Type de rideau d’air	Surface d’exposition [m²/ml] ou [m²/porte]	Température de service [°C]	Puissance frigorifique spécifique [kW/ml]
Gondole self-service en convection forcée	horizontale, asymétrique, laminaire	0,8	-18 à -20	0,42 à 0,45
Vitrine service par le personnel en convection forcée	horizontal, asymétrique, laminaire	1,1	-23 à -25	0,63 à 0,67
Meuble vertical self-service en convection	verticale, à 3 flux parallèles, turbulents	1,1	-18 à -20	1,9 à 2,1
Meuble vertical self-service en convection forcée	portes vitrées, rideau d’air interne turbulent	0,84	-23 à -25	0,8 0,86

Variation des paramètres de dimensionnement par rapport à la classe d’ambiance

Cas d’un type de meuble vertical positif

La puissance frigorifique et la température d’évaporation varient en fonction de la température et du taux d’humidité de l’ambiance dans laquelle les meubles seront placés (classe d’ambiance). En général, la classe d’ambiance qui est prise comme référence pour les essais en laboratoire (EUROVENT utilise cette classe) est la classe 3 (25°C, 60 % d’humidité relative).

Exemple.

Le tableau suivant montre les variations de puissance et de température et sert de référence au dimensionnement dans ce cas-ci des meubles verticaux positifs ouverts.

Φ₀: puissance frigorifique en classe 3 T₀ : température d’évaporation en classe 3 T_min : température de service en classe 3
Classe d’ambiance	Température d’ambiance	Humidité d’ambiance	Facteur de correction de la puissance frigorifique	Correction de la température d’évaporation
	[°C]	[% HR]
2	22	65	Φ₀x 0,88	T₀+ 1,5°C	T_min+ 1,5°C
3	25	60	Référence
4	30	55	Φ₀x 1,22	T₀– 2,5°C	T_min– 2,5°C
6	27	70	Φ₀x 1,22	T₀– 2,5°C	T_min– 2,5°C

Source Constan.

Cas d’un type de meuble mixte négatif

La puissance frigorifique et le nombre de dégivrages varient en fonction de la température et du taux d’humidité de l’ambiance dans laquelle les meubles seront placés (classe d’ambiance). Tout comme les meubles à applications positives, la classe d’ambiance qui est prise comme référence pour les essais en laboratoire (EUROVENT utilise cette classe) est la classe 3 (25°C, 60 % d’humidité relative).

Exemple.

Le tableau suivant montre les variations et de nombre de dégivrages et sert de référence au dimensionnement dans ce cas-ci des meubles verticaux mixtes négatifs.

Φ₀: puissance frigorifique en classe 3 T₀ : température d’évaporation en classe 3 T_min : température de service en classe 3
Classe d’ambiance	Température d’ambiance	Humidité d’ambiance	Facteur de correction de la puissance frigorifique	Correction de la température d’évaporation	Dégivrage
–	[°C]	[% HR]
2	22	65	Φ₀x 0,96	Référence	1
3	25	60	Référence		1
4	30	55	Φ₀x 1,2		2
6	27	70	Φ₀x 1,2		2

Source Constan.

Le choix des portes des meubles fermés

Si vos optez pour un choix de meuble frigorifique fermé, les problèmes de conservation des denrées et de consommation énergétique se simplifient énormément. Beaucoup diront que c’est aux dépens de la vente, de l’ergonomie, de la convivialité, … Il n’empêche, par une campagne de sensibilisation bien orchestrée, la réduction des consommations énergétiques couplée avec un accroissement de la garantie de qualité de conservation des denrées, dues au choix de meubles fermés peut se révéler être un outil marketing « puissant ».

La sensibilisation à l’énergie serait-elle une force de vente ? Tout pourrait porter à y croire.

Les fermetures vitrées permettent de voir les denrées. Mais il faut être correct, le rapport entre les denrées et le client n’est pas aussi puissant que lorsqu’on choisit un meuble ouvert (besoin de « toucher » très facilement les denrées).

Meuble vertical fermé self-service.

Pour les convaincus, le choix d’un meuble équipé d’une porte vitrée, même pour les applications positives, doit prendre en compte la qualité du vitrage et des châssis de porte dans le sens où :

ils garantissent le confinement de l »espace froid;
ils maîtrisent les problèmes de condensation au niveau des points froids.

Les vitrages

Les vitrages sont choisis pour éviter à la fois la condensation interne et externe, et réduire les apports externes de l’ambiance de vente par radiation principalement.

Plusieurs types de vitrage existent sur le marché. Par exemple, un fabricant de verre propose le vitrage suivant :

Le vitrage est double;

la face 2 est une couche à la fois basse émissivité et soumise à une tension DC (courant continu) permettant de réduire les risques de condensation sur la face 1;

attention que le fabricant n’aborde pas le risque de condensation sur la face 4 du vitrage lors de l’ouverture de la porte. Une hypothèse peut être émise en supposant que par convection la couche chauffante transmette sa chaleur à la face 3 et ensuite par conduction à la face 4.

On veillera donc à se renseigner :

quelles sont les consommations énergétiques des couches conductrices des vitrages ?

l’application de la tension aux bornes de la couche est-elle permanente ou peut-elle être interrompue lorsque la porte reste fermée en certains temps ?

En effet, tout apport prolongé de chaleur se répercute sur le bilan thermique et énergétique du meuble favorisant naturellement la surconsommation de la machine frigorifique.

Répartition des températures sur la face 2 du vitrage.

Connexions des alimentations des couches conductrices.

Source : Schott.

Les châssis

Les châssis sont aussi soumis au risque de condensation et de gel pour les meubles à application négative; raison pour laquelle les châssis sont équipés, eux aussi, de cordons chauffants évitant le blocage des portes au niveau des joints de porte. Il est intéressant de se renseigner si l’alimentation électrique des cordons chauffants est permanente ou pas.

Alimentation cordon chauffant.

Source Constan.

Le choix du type de rideau d’air des meubles ouverts

Comme souvent mentionné le point faible des meubles frigorifiques ouverts est naturellement la difficulté de maintenir une température interne basse au sein du meuble par rapport à une ambiance des zones de vente de l’ordre de 20°C, soit un écart de température pouvant aller jusqu’à 50°C voire plus dans certaines conditions.

Ecart de température au niveau des meubles frigorifiques positif et négatif.

Si la décision finale ne sait pas échapper au choix d’un meuble frigorifique ouvert, il faudra prévoir en base un rideau d’air performant surtout pour les meubles verticaux qui sont beaucoup plus sensibles aux variations du taux d’induction de l’air ambiant.

Évaluer

Pour en savoir plus sur l’évaluation des performances énergétiques du rideau d’air, cliquez ici !

Le choix du type de rideau d’air est principalement fonction de :

la position de l’ouverture du meuble (horizontale, verticale, inclinée, …);
la longueur de l’ouverture;
l’écart de température

Les fabricants proposent généralement le choix entre un rideau d’air simple ou double tout en sachant que le rideau d’air double augmente le nombre de ventilateurs dans le meuble afin de maintenir un taux d’induction correct (un taux d’induction souvent rencontré dans la pratique se situe aux alentours des 0,1 à 0,2).

Exemple.

Le tableau suivant montre, pour un type de meuble vertical positif ouvert, les caractéristiques des ventilateurs dimensionnés pour assurer la stabilité du ou des rideaux d’air.

Standard
Nombre de rideaux d’air	Longueur du meuble [cm]	Nombre de ventilateurs	Puissance des ventilateurs [W]
1	125	2	76
	188	2	76
	250	3	114
	375	4	152
2	125	3	114
	188	5	190
	250	6	228
	375	9	342

Source Constan.

Suivant l’exemple ci-dessus, on constate que le choix du type de rideau d’air n’est donc pas anodin puisque dans certains cas la puissance des ventilateurs est plus que doublé. À noter qu’en principe la puissance frigorifique de l’évaporateur ne doit pas être renforcée puisque les ventilateurs supplémentaires sont placés en dehors de l’enceinte froide du meuble et ne participent donc pas à l’augmentation des apports internes.

Selon les dires d’un installateur, l’efficacité des doubles rideaux n’est pas probante. Néanmoins, la prudence nécessite que lors d’un projet d’acquisition de meubles frigorifiques le commerçant demande des précisions quant à la puissance frigorifique du meuble par rapport à la consommation électrique supplémentaire des ventilateurs du second rideau.

Exemple.

Le tableau suivant montre, pour un type de meuble vertical positif ouvert, les puissances frigorifiques spécifiques pour un simple ou un double rideau d’air.

Classe 3 – 25°C / 60 % d’humidité relative
Type de meuble	Classe de conservation	Aménagements internes	Température d’évaporation [°C]	Puissance froid spécifique [W/m]
rideau simple	3M2	HLNS	-8	1 390
rideau simple	3H2	HLNS	-4	1 200
…	…	…	…	…
rideau double	3M1	HLNS	-9	1 630
	3M2	HLNS	-6	1 370
	3M2	MNLS	-8	1 610
	3H1	HLNS	-3	1 295
	3H1	MNLS	-4	1 445

HNLS = avec étagères non éclairées
MNLS = avec miroir et étagères non éclairées

Source Constan.

On constate que le rideau double nécessite une puissance frigorifique plus importante de l’ordre de 15 % dans ce cas-ci.

Le choix du système de dégivrage

Quand on parle de système de dégivrage, on parle surtout d’un système d’optimisation du fonctionnement du meuble frigorifique par rapport au dégivrage nécessaire :

dans le cas des applications positives, un régulateur intégré au meuble permettra l’optimisation du temps de coupure de l’alimentation de l’évaporateur;

dans le cas des applications négatives, le même régulateur permettra d’optimiser le temps d’alimentation de la résistance électrique.

Des techniques comme la détection de la fin du palier de fusion de la glace ou du givre par exemple, permettent de réduire au maximum ce temps de dégivrage.

Le choix de la protection de nuit des meubles ouverts

L’ouverture des meubles frigorifiques sur la zone de vente est un enjeu majeur sur la gestion à la fois thermique et énergétique du meuble. Tout serait beaucoup plus simple si ces ouvertures étaient fermées par des portes isolées. Seulement, comme maintes fois signalées, l’ouverture libre des meubles est un argument visiblement de poids pour la vente. Les différentes parades pour limiter les apports par les ouvertures sont reprises dans le tableau suivant en s’inspirant de la littérature (Meubles et vitrines frigorifiques, G. Rigot; PYC édition; 2000) :

Type de meuble	Type d’application	Période de jour	période de nuit	Réduction des consommations énergétiques
Horizontal	négative	rideau d’air	rideau de nuit	8 à 15 %
			couvercle simple	15 à 30 %
			couvercle isolé	25 à 45 %
Vertical	positif	rideau d’air	rideau de nuit	12 à 30 %
	positif	rideau d’air	porte vitrée	–
	négatif	porte vitrée	porte vitrée	25 à 30 %

Rideau de nuit

En partant du principe que pour certaines applications, l’ouverture du meuble doit rester libre, les constructeurs de meubles ont développé la protection de nuit ou « rideau de nuit ».

Le fait de tirer le rideau de nuit à la fermeture du magasin transforme, en simplifiant, les apports par induction et rayonnement au travers du rideau d’air du meuble en apports par pénétration au travers d’une paroi mince ; la face interne de la paroi étant fortement ventilée (résistance thermique d’échange superficiel R_i de l’ordre de 0,43 m².K/W) et la paroi externe peu ventilée (résistance thermique d’échange superficiel R_e de l’ordre de 0,125 m².K/W). Pour une épaisseur de rideau faible (rideau synthétique l’épaisseur e de l’ordre de 3 mm) la résistance thermique du rideau est faible (R₁ = e/λ de l’ordre de 1). La résistance thermique totale de la paroi R_T est donnée par la relation suivante :

R_T = R_e + R₁ + R_i [m².K/W]

R_T = 0,043 + 0.125 + faible

R_T ~ 0,125 [m².K/W]

Le coefficient de transmise thermique global U de la paroi s’exprime par la relation suivante :

U = 1 / R_T

U = 1 / 0,125

U ~ 8 à 10 [W/m².K]

La simulation du passage d’un régime d’induction de journée à un régime par pénétration au travers du rideau de nuit en laissant l’éclairage allumé la nuit donne les résultats suivants :

On constate que la réduction des apports par induction est de l’ordre de 37 %. Des monitorings effectués dans le cadre de campagnes de mesures énergétiques menées par Enertech pour l’Ademe en France ont montré que la principale consommation de nuit des meubles frigorifiques ouverts positifs était due à l’induction. En effet, les meubles, à l’époque du monitoring n’étaient pas équipés de rideau de nuit. Leurs estimations de réduction de la consommation énergétique de nuit avec la pose de « couverture de nuit » était de l’ordre de :

35 % en période chaude;
28 % en période froide.

Ces informations recoupent d’autres résultats de campagne de mesure des consommations énergétiques.

Le choix de l’éclairage

L’éclairage intensif des meubles est-il un critère de vente ?

On sait aussi que les apports internes comme l »éclairage régissent la puissance frigorifique nécessaire au maintien des températures au sein des meubles. La présence d’éclairage au sein du meuble non seulement représente une consommation électrique en soi mais nuit aussi à la consommation énergétique des groupes de production de froid. En simplifiant, le commerçant passe deux fois à la caisse. Pour tant soi peu que l’efficacité de la production de froid ne soit pas optimisée, sa consommation énergétique sera double.

Éclairage de tablette au sein du meuble.

Le placement d’éclairage dans l’enceinte même réfrigérée est une mauvaise chose en soi. En effet, la plupart du temps, les constructeurs de meubles frigorifiques utilisent des lampes fluorescentes. Le problème est que ce type de lampes a une basse efficacité lumineuse aux basses températures comme le montre la figure suivante :

Efficacité lumineuse en fonction de la température ambiante.

Composition fronton.

Extrait d’une étude de cas

En réalisant le monitoring des consommations hebdomadaires essentiellement électriques des installations de froid alimentaire, on peut tout de suite évaluer l’influence de l’éclairage des meubles sur leur bilan énergétique.

L’étude de cas réalisée par Enertech pour l’Ademe (France) sur un supermarché de 1 500 m² nous enseigne un certain nombre de choses par rapport à cet éclairage.

Les courbes hebdomadaires et journalières nous informent que les consommations de froid positif sont principalement influencées ici par l’éclairage et le climat. En effet, on voit que l’allumage de l’éclairage perturbe nettement la production de froid. Les fronts raides descendant et montant sur le temps de midi montrent cette influence. Il faut toutefois rester prudent car on voit nettement que le climat intervient (surtout en période chaude comme c’est le cas ici).

La simulation dynamique réalisée au moyen de TRNSYS nous montre que l’éclairage est responsable de l’augmentation des consommations énergétique à hauteur de ~10 %.

Actuellement, certaines grandes surfaces effectuent des essais afin de voir quel est l’impact de la suppression de l’éclairage dans les meubles frigorifiques sur la vente. Les résultats ne sont pas encore disponibles.Les luminaires placés en dehors de l’enceinte réfrigérée, quant à eux, sont plus efficaces dans le sens où ils n’interviennent pas comme apports internes dans le bilan frigorifique du meuble mais en plus fonctionnent dans une plage de température où le flux lumineux est meilleur.

Posted By : 25 Sep, 2007

Choisir les tuyauteries des installations frigorifiques [Concevoir – Froid alimentaire]

Les conduites d’aspiration

Outre la nécessité de concevoir les conduites d’aspiration de manière correcte par rapport au retour d’huile vers le compresseur, il est nécessaire, dans un souci énergétique :

de limiter les pertes de charge entre l’évaporateur et le compresseur;
d’isoler suffisamment.

Limitation des pertes de charge

La figure ci-dessous montre clairement l’influence des pertes de charge sur le fonctionnement du compresseur. En effet, des pertes de charge importantes dans la conduite d’aspiration augmentent le travail de compression du compresseur (le taux de compression HP/BP augmente).

Variation des pertes de charge dans la conduite d’aspiration.

La longueur, les déviations et les changements de niveaux des canalisations influencent les pertes de charge et les retours d’huile au compresseur. Dans cette optique, une judicieuse implantation des moto-compresseurs et condenseurs, par rapport aux chambres froides, doit être étudiée avec soin comme par exemple :

la proximité du compresseur par rapport à l’évaporateur;

si le compresseur ne peut être près des meubles ou des chambres frigorifiques, il est nécessaire de prévoir un tracé des conduites le plus rectiligne possible.

Isolation des conduites

Le manque d’isolation, tout comme les pertes de charge augmente le travail de compresseur pour amener le fluide frigorigène à la pression de condensation.
Cet aspect est d’autant plus important que les conduites sont longues, car plus elles le sont, plus les apports par la canalisation d’aspiration seront importants, et cela nuit au rendement et à la puissance de l’installation.

Influence de l’isolation de la conduite d’aspiration.

Les conduites liquides

Isolation des conduites

Le but premier de l’isolation des conduites et des accessoires de la ligne liquide est d’éviter le « flash gaz » (le liquide sortant du condenseur se vaporise à nouveau au contact de parois chaudes) au niveau du détendeur, dans le cas où le sous-refroidissement à la sortie du condenseur ne serait pas suffisant (sous dimensionnement du condenseur par exemple).

Energétiquement parlant, un sous-refroidissement du fluide frigorigène est bénéfique pour le cycle. Donc, dans le cas où la ligne liquide traverse une zone chaude, on a intérêt à isoler les conduites pour éviter le « flash gaz » et y gagner énergétiquement.

La figure ci-dessous montre clairement l’influence de l’isolation de la ligne liquide sur l’échange frigorifique dans l’évaporateur.

Influence de l’isolation de la conduite liquide.

Cet aspect est de nouveau d’autant plus important que les conduites sont longues, car plus elles le sont, plus les apports par la canalisation liquide seront importants.

Posted By : 25 Sep, 2007

Choisir l’implantation de la zone froide [Concevoir – Froid alimentaire]

Une part de l’énergie frigorifique va servir à refroidir (et donc assécher) l’air extérieur jusqu’à la température de consigne des meubles frigorifiques, de la chambre froide, des ateliers de boucherie, …

Cette part d’énergie peut être élevée dans l’ensemble du bilan frigorifique si cet air est chaud et humide.

Ainsi, dans un projet de conception ou de rénovation conséquent, il sera important de respecter une certaine hiérarchisation des priorités :

L’implantation des zones « froide » par rapport au contexte externe (l’orientation du bâtiment, présence d’autres bâtiments ou pas , milieu rural ou urbain, ..).

L’implantation des zones « froide » par rapport au contexte interne (présence d’apports internes tels que fours, rôtissoires, … à proximité directe des chambres froides, des ateliers de boucherie, des meubles frigorifiques, …).

Le confinement des zones « froide » par rapport aux zones adjacentes (chambre fermée, chambre semi-fermée, meuble frigorifique ouvert, …).

Contexte externe

L’implantation des zones « froide » dans le commerce par rapport à l’orientation du bâtiment est primordiale dans le sens où on peut maîtriser l’impact des apports solaires de façon plus simple. Par la même occasion, on pourra placer, dans les limites de faisabilité (autorisations urbanistiques, voisinage, …), les condenseurs côté nord. Le placement des condenseurs sous abri de préférence le long des façades nord permet de naturellement lui procurer de l’ombre.

Condenseur à l’ombre d’une façade (orientation nord).

Contexte interne

L’implantation des zones « froide » dans le commerce par rapport aux zones dites « chaudes » doit être prise en compte. L’influence directe des zones, l’une par rapport à l’autre, risque de compromettre le bilan énergétique par une destruction de l’énergie (on chauffe et on refroidit en même temps dans la même zone). Il faut donc, dans la mesure du possible, éloigner les sources chaudes des zones froides.

Confinement

Les zones non accessibles au public

Même si les zones froides sont bien positionnées par rapport à l’environnement externe et interne, il va de soi que leur confinement est impératif et permet de réduire de manière appréciable les besoins frigorifiques. L’idéal réside dans le choix d’une isolation performante des parois délimitant la zone « froide » par rapport aux autres zones de vente dites « chaudes ».

Le confinement des zones non accessibles au public peut être facilement obtenu sachant que :

la conception des parois « sandwich » est maîtrisée par les fabricants;
les accès entre les zones (réserve générale et chambre froide par exemple) peuvent être contrôlés efficacement par des portes étanches munies de joints performants et gérés par des alarmes.

Sécurité de porte de chambre frigorifique.

Si cela ne gêne pas l’utilisation, une zone tampon ou un sas avec des portes-va-et-vient peut être créé devant les portes des frigos pour disposer d’un espace qui aurait une température moyenne et une humidité relative plus basses.

Exemple.

Soit une chambre froide négative de dimensions intérieures : L = 4 m, l = 4 m, h = 3 m.
L’air intérieur a les caractéristiques suivantes : t° = -18°C, HR = 50 %.
La chambre est « sollicitée » pendant 8 h/jours. Il y a 10 interventions par heure; pendant chacune d’elle, la porte est laissée ouverte pendant 10 secondes.

L’air extérieur a les caractéristiques suivantes : t° = 35°C, HR = 90 %.

Avec cette utilisation, il y a un renouvellement de 15,7 volumes par jour. L’énergie nécessaire pour refroidir et assécher l’air par les ouvertures de portes est de 40,5 kWh par jour (pendant la période d’utilisation).

Avec une meilleure implantation, l’air extérieur a les caractéristiques suivantes : t° = 22°C, HR = 50 %.

Avec cette utilisation, il y a un renouvellement de 12 volumes par jour. L’énergie nécessaire pour refroidir et assécher l’air par les ouvertures de portes est de 13,4 kWh par jour (pendant la période d’utilisation).

Soit une économie de (40,5 – 13,4) = 27,1 kWh/jour.

Avec un COP global moyen de 2,5 et un prix moyen de 0,11 € du kWh, cela représente une économie de (27,1 [kWh] / 2,5) x 0,11 [€] x 260 [jours], soit 342 € par an pour une seule chambre froide.

À cela, il faut ajouter le gain d’énergie électrique pour les dégivrages (environ 6,3 kWh).

Les zones accessibles au public

Il n’en va pas de même pour les zones accessibles aux clients (comme les self-services dans les superettes, les super et hypermarchés). On tentera de minimiser les échanges de chaleur entre les zones « froides » et « chaudes » par le confinement.

Le confinement idéal des denrées alimentaires, tant au niveau thermique qu’énergétique, s’impose de lui-même :

par l’adaptation du concept de chambre frigorifique au grand public (parois isolées);
par la réduction des échanges thermiques au niveau des accès.

Il va de soi que le confinement se réalise au détriment du confort des clients.

« Quoique ? Une petite laine ne ferait-elle pas l’affaire en été »?

Meuble frigorifique ouvert.
Confinement et isolation légère (double vitrage).

Confinement et isolation importante (enceinte opaque).

Posted By : 25 Sep, 2007

Récupérer la chaleur au condenseur de la machine frigorifique [Concevoir – Froid alimentaire]

Principe de fonctionnement

Une machine frigorifique transfère de la chaleur extraite d’une chambre froide, d’un meuble frigorifique ouvert, … vers l’extérieur. Il semble dès lors logique de tenter de récupérer la chaleur sur le condenseur de la machine frigorifique.

Fonctionnement du condenseur

En principe, trois opérations successives se passent dans le condenseur de la machine frigorifique :

Evolution des températures du fluide frigorigène et du fluide de refroidissement.

Dans une machine frigorifique, les gaz qui sont expulsés par le compresseur en fin de compression sont à très haute température (de 70 à 80°C). On dit qu’ils sont surchauffés. Comme la condensation se fait à une température largement inférieure (aux alentours de 40°C, par exemple), une quantité de chaleur va devoir être évacuée des gaz surchauffés pour les amener à leur température de condensation qui correspond à la pression de refoulement (dite pression de condensation). C’est la désurchauffe.
Puis lors de la condensation elle-même, une importante quantité de chaleur va aussi devoir être évacuée pour liquéfier (si possible complètement) le fluide frigorigène gazeux.
Enfin, si les conditions des échanges thermiques dans le condenseur le permettent (température du fluide refroidisseur suffisamment basse, débit du médium de refroidissement suffisamment important), le liquide condensé va subir le sous-refroidissement, ce qui améliore le rendement de l’évaporateur.

Récupération de l’énergie

Dans certains cas, on pourrait envisager de récupérer cette énergie pour chauffer de l’eau ou de l’air, au lieu de la gaspiller en pure perte :

si on a des besoins en eau chaude sanitaire de température pas trop élevée (45° à 50°C);
si on a des besoins de chauffage pour des allées froides, des locaux contigus, …
si on veut éviter ou diminuer la puissance de climatisation du local des machines, ou faire des économies d’énergie sur ce poste;
si on veut participer à la lutte contre le réchauffement global de l’atmosphère.

La récupération de l’énergie du côté des condenseurs suppose évidemment des investissements supplémentaires par rapport à des machines classiques plus simples :

des échangeurs de condenseurs adaptés;
des réservoirs-tampons pour l’eau chaude sanitaire ou de chauffage;
une disposition plus compliquée des tuyauteries;
une bonne évaluation des pertes de charge dans les tuyauteries;
une régulation complète permettant le contrôle correct de toute l’installation, y compris des récupérateurs.

Étant donné les spécificités inhérentes à chaque projet, le rapport entre l’investissement et les économies d’énergie doit faire l’objet de calculs adaptés, à demander aux auteurs de projet. Il faut en effet considérer ensemble la machine frigorifique et les appareils de production d’eau chaude sanitaire ou de chauffage.

Le bilan doit prendre en compte :

l’apport d’énergie « gratuite » par la machine frigorifique,
le fait que l’on doit quand même disposer, en plus des récupérateurs, d’une puissance installée suffisante pour pallier les périodes où la machine frigorifique ne fonctionne pas,
la pénalisation énergétique apportée toute l’année par l’échangeur supplémentaire,
le cas où le condenseur de la machine frigorifique doit assurer à lui seul, l’évacuation de toute la chaleur (lorsqu’il n’y a pas de besoin d’énergie dans les récupérateurs, ou quand ces derniers sont arrivés à leur consigne maximale de température).

Exemple d’application très intéressante

Le plus logique est de récupérer la chaleur sur le condenseur à air pour chauffer directement l’air d’un local. Ainsi, un supermarché Delhaize à Bruxelles évacue la chaleur du condenseur du groupe frigorifique (armoires de congélation) en créant un rideau d’air chaud à l’entrée du magasin. En été, la chaleur est déviée en toiture par un clapet.

Application au chauffage du magasin ou des annexes par l’air

Le moins qu’on puisse dire, c’est que les idées de manquent pas quant à la récupération de la chaleur des condenseurs afin de chauffer l’ambiance des magasins directement ou des annexes indirectement.

La question traditionnelle qui revient dans les discussions est la suivant : « j’ai déjà payé mon électricité pour garder à basse température mes aliments, que puis-je faire de la chaleur des condenseurs ? C’est quand même idiot de la rejeter à l’extérieur en période froide alors que je dois en plus chauffer mon magasin ! ».

On se propose d’analyser, de manière théorique, différents cas souvent rencontrés dans les magasins d’alimentation, à savoir :

Des meubles frigorifiques fermés avec le rejet de la chaleur de condensation dans l’ambiance du magasin et un appoint venant d’une chaudière traditionnelle.
Des meubles frigorifiques fermés avec le rejet de la chaleur de condensation à l’extérieur du magasin et le chauffage du magasin venant d’une chaudière traditionnelle.
Des meubles frigorifiques ouverts avec le rejet de la chaleur de condensation dans l’ambiance du magasin et un appoint venant d’une chaudière traditionnelle.
Des meubles frigorifiques ouverts avec le rejet de la chaleur de condensation à l’extérieur du magasin et le chauffage du magasin venant d’une chaudière traditionnelle.

Ici, on analyse les consommations énergétiques finales et primaires ainsi que le bilan CO₂des différentes configurations en tenant compte des valeurs de rendement et d’efficacité énergétiques des équipements :

La chaudière présente un rendement saisonnier sur PCI (Pouvoir Calorifique Inférieur) de 0.90 (valeur de la CWaPE ou Commission Wallonne Pour l’Énergie).
Le rendement global des centrales belges est de 55 % (selon la CWaPe). Dans cet exercices, on se place dans une situation défavorable, à savoir que le rendement moyen belge des centrales (en tenant compte du rendement des centrales nucléaires) est plutôt de 38 %.
1 kWh de gaz consommé représente 251 g de CO_{_2.}
Le prix actuel du gaz est estimé à 0.05 €/kWh PCI.
Le prix de l’électricité est évalué à 0.11 €/kWh.

Sur base du principe :

« La véritable économie d’énergie est celle que l’on ne consomme pas ! »

On ne recommandera jamais assez de fermer les meubles frigorifiques tout en rappelant qu’un meuble de 1 mètre de largeur (1 mètre linénaire) peut être comparé à un radiateur qui échangerait par convection et rayonnement de l’ordre de 800 W et représente les 2/3 de la demande de froid au niveau de l’évaporateur.

Il est sûrement l’heure de rappeler aussi que l’on a atteint le paradoxe de la chaîne alimentaire froide. En effet, on en arrive, depuis un certain temps, à réchauffer les « allées froides » des magasins et ce afin d’assurer le confort des clients.

« C’est une aberration énergétique criante ! »

Pour bien illustrer ce petit « coup de gueule », l’étude simplifiée qui suit montre les effets conjugués du succès des meubles frigorifiques d’ouverture de plus en plus imposante avec les effets négatifs qui vont de paire, à savoir :

le risque accru pour la conservation de la chaîne du froid;
l’inconfort évident des « allées froides ».

Incorfort dans les allées froides.

Les principales valeurs de déperdition thermique du magasin en régime établi sont les suivantes :

Les déperditions au travers des parois et des entrées du magasin sont de 12 kW.
La puissance frigorifique nécessaire pour maintenir à température les denrées en froid positif est de 2 x 8 mètres linéaires (superette par exemple) de meubles linéaires ouverts représentant de l’ordre de 2 x 10 kW de froid à 4°C (température d’évaporation fixée à – 10°C).

Configuration 1 : meubles fermés, condenseurs dans une enceinte isolée

La configuration étudiée est la suivante :

Si les meubles frigorifiques de 2 x 10 kW sont équipés de portes vitrées au niveau des ouvertures, ils ne nécessitent plus que 2 x 3 kW de froid à l’évaporateur. En effet, sur base de l’étude du bilan thermique des meubles ouverts, les pertes par l’ouverture représentent de l’ordre de 66 % de la puissance disponible à l’évaporateur. En fermant ces ouvertures, la puissance nécessaire à l’évaporateur est de l’ordre de 2 x 3 kW. Pour le besoin du calcul énergétique, les compresseurs de 2 x 10 kW sont remplacés par des compresseurs 2 x 3 kW.
Les groupes de froid sont incorporés dans les meubles et la chaleur évacuée par les condenseurs est réintroduite dans le magasin pour assurer le confort des clients (dans les allées froides par exemple). Il est clair que ce type de configuration, comme on le verra par la suite, est la moins mauvaise des solutions par rapport aux consommations énergétiques primaires (consommations à la centrale pour l’électricité et consommations de gaz pour la chaudière).
La température de condensation des groupes condenseurs en interne est de l’ordre de 50°C afin de pouvoir chauffer l’air aux environs des 40°C pour une température d’air d’entrée au condenseur de 32°C. Le coefficient de performance du groupe condenseur est de 1.66 d’après un constructeur de machine frigorifique (COP’s équivalents donnés par « Bitzer software » de BITZER et « select 6 » de COPELAND).
La chaudière ne donne pas d’appoint de chaleur car, pour les besoins de l’exercice, on s’arrange pour avoir de faibles déperditions au travers des parois de l’enveloppe par une bonne isolation, un contrôle de la ventilation hygiénique, …

Schéma

Performance des équipements

Le bilan thermique montre que le rejet de 9,6 kW dans l’ambiance du magasin permet à la chaudière de ne pas être allumée et compenser, non seulement les 6 kW pris par les meubles frigorifiques, mais aussi les 3.6 kW de déperdition au travers des parois. On pourrait dire que c’est du chauffage électrique et, par conséquent, à énergie primaire importante (rendement moyen des centrales électrique de 38 %), la seule différence étant que si on compare ce mode de chauffage par rapport à une pompe à chaleur :

la source froide (la source d’où provient l’énergie) est chaude puisque dans l’ambiance;
à la consommation près du compresseur, l’énergie, « tournant » sur elle même, est utilisée pour refroidir les meubles frigorifiques et, après utilisation, est restituée à l’ambiance;
la chaleur de compression excédentaire sert en fait à compenser les déperditions au travers des parois de l’enveloppe.

Bilan énergétique et CO₂

Poste		Calcul	Unités
Energie finale (au niveau du magasin)
	Energie chaudière	0	kWh/h
	Energie compresseurs	1.8 x 2 = 5.6	kWh/h
	Energie condenseur	4.8 x 2 = 9.6	kWh/h
	Coût	5.6 x 0.11= 1	€/h
Energie primaire (à la centrale électrique)
	Energie primaire	5.6 / 0.38= 14.7	kWh/h
	CO₂	23.1 x 0.251 = 3.7	kg/h de CO₂

Configuration 2 : meubles fermés, condenseurs dans l’enceinte

La configuration étudiée est la suivante :

Si les meubles frigorifiques de 2 x 10 kW sont équipés de portes vitrées au niveau des ouvertures, ils ne nécessitent plus que 2 x 3 kW de froid à l’évaporateur. En effet, sur base de l’étude du bilan thermique des meubles ouverts, les pertes par l’ouverture représentent de l’ordre de 66 % de la puissance disponible à l’évaporateur. En fermant ces ouvertures, la puissance nécessaire à l’évaporateur est de l’ordre de 2 x 3 kW. Pour le besoin du calcul énergétique, les compresseurs de 2 x 10 kW sont remplacés par des compresseurs 2 x 3 kW.
Les groupes de froid sont incorporés dans les meubles et la chaleur évacuée par les condenseurs est réintroduite dans le magasin pour assurer le confort des clients (dans les allées froides par exemple). Il est clair que ce type de configuration, comme on le verra par la suite, est la moins mauvaise des solutions par rapport aux consommations énergétiques primaires (consommations à la centrale pour l’électricité et consommations de gaz pour la chaudière).
La température de condensation des groupes condenseurs en interne est de l’ordre de 50°C afin de pouvoir chauffer l’air aux environs des 40°C pour une température d’air d’entrée au condenseur de 32°C. Le coefficient de performance du groupe condenseur est de 1.66 d’après un constructeur de machine frigorifique (COP’s équivalents donnés par « Bitzer software » de BITZER et « select 6 » de COPELAND);
Un appoint de chaleur est nécessaire vu que l’enveloppe est moins performante que lors du cas précédent; c’est la chaudière qui le donne.

Schéma

Performance des équipements

Le bilan thermique montre que malgré le rejet de 9,2 kW dans l’ambiance du magasin, la chaudière doit apporter 8,8 kW pour maintenir un certain confort dans le magasin et compenser les déperditions de 12 kW au travers des parois et la perte de chaleur vers les meubles frigorifiques fermés (soit 6 kW).

Bilan énergétique et CO₂

Poste		Calcul	Unités
Energie finale (au niveau du magasin)
	Energie chaudière	8.4/0.9 = 9.3	kWh/h
	Energie compresseurs	1.8 x 2 = 5.6	kWh/h
	Energie condenseur	4.8 x 2 = 9.6	kWh/h
	Coût	8.4 x 0.05 + 5.6 x 0.11= 1	€/h
Energie primaire (à la centrale électrique)
	Energie primaire	8.4 + 5.6 / 0.38= 23.1	kWh/h
	CO₂	23.1 x 0.251 = 5.8	kg/h de CO₂

Configuration 3 : meubles fermés, condenseurs à l’extérieur

La configuration étudiée est la suivante :

On garde les mêmes meubles frigorifiques avec des portes fermées.
Les groupes de froid (groupes condenseurs) sont placés à l’extérieur.
La température de condensation des groupes condenseurs en externe est de l’ordre de 22 °C pour un air externe moyenne sur l’année de 6 °C. Le coefficient de performance du groupe condenseur en externe est de 4.2 d’après le même constructeur de compresseur.
Un appoint de chaleur est nécessaire. C’est toujours la chaudière qui le donne.

Schéma

Performance des équipements

Le bilan thermique montre que, vu la bonne performance des compresseurs pour une température de condensation basse (COP de l’ordre de 4.2), les rejets de chaleur à l’extérieur sont limités. La chaudière doit apporter 16 kW pour maintenir un certain confort dans le magasin et compenser les déperditions de 12 kW au travers des parois et la perte de chaleur vers les meubles frigorifiques fermés (soit 6 kW).

Bilan énergétique et CO₂

Poste		Calcul	Unités
Energie finale (au niveau du magasin)
	Energie chaudière	18/0.9 = 20	kWh/h
	Energie compresseurs	0.7 x 2 = 1.4	kWh/h
	Energie condenseur	3.7 x 2 = 7.4	kWh/h
	Coût	20 x 0.05 + 1.4 x 0.11= 1.2	€/h
Energie primaire (à la centrale électrique)
	Energie primaire	20 + 1.4 / 0.38= 23.7	kWh/h
	CO₂	23.7 x 0.251 = 5.9	kg/h de CO₂

Configuration 4 : meubles ouverts, condenseurs dans l’enceinte

La configuration étudiée est la suivante :

Le commerçant décide d’investir dans des meubles frigorifiques ouverts pour les mêmes produits et la même capacité en volume. Il est nécessaire de remplacer aussi les compresseurs dans le sens où les apports externes par induction de l’air au travers de l’ouverture des meubles peuvent atteindre 60 % des apports totaux. Ce qui signifie que la puissance nécessaire à l’évaporateur sera de l’ordre de 2 x 10 kW au lieu de 2 x 3 kW.
Les groupes de froid (groupes condenseurs) sont dans l’enceinte du magasin afin que l’on puisse récupérer la chaleur au niveau des condenseurs.
La température de condensation des groupes condenseurs en interne est de l’ordre de 50°C afin de pouvoir chauffer l’air aux environs des 40°C pour une température d’air d’entrée au condenseur de 32°C. Le coefficient de performance du groupe condenseur est de 1.66 d’après un constructeur de machine frigorifique.

Schéma

Performance des équipements

Le bilan thermique montre que les compresseurs, vu leur performance médiocre (COP de 1.7), doivent évacuer plus de chaleur au niveau des condenseurs. Il en résulte que la chaudière, dans ce cas, n’a pas besoin de venir en appoint. La question clef est de savoir s’il faut récupérer la chaleur au prix de la dégradation de la performance énergétique des compresseurs ou l’inverse.

Bilan énergétique et CO2

Poste		Calcul	Unités
Energie finale (au niveau du magasin)
	Energie chaudière	0	kWh/h
	Energie compresseurs	6 x 2 = 12	kWh/h
	Energie condenseur	16 x 2 = 32	kWh/h
	Coût	0 x 0.05 + 12 x 0.11= 1.32	€/h
Energie primaire (à la centrale électrique)
	Energie primaire	0 + 12 / 0.38= 31.6	kWh/h
	CO₂	31.6 x 0.251 = 7.9	kg/h de CO₂

Configuration 5 : meubles ouverts, condenseurs à l’extérieur

La configuration étudiée est la suivante :

On garde les mêmes meubles frigorifiques ouverts (2 x 10 kW).
Les groupes de froid (groupes condenseurs) sont placés à l’extérieur.
La température de condensation des groupes condenseurs en externe est de l’ordre de 22°C pour un air externe moyenne sur l’année de 6°C. Le coefficient de performance du groupe condenseur en externe est de 4.2 d’après le même constructeur de compresseur.
Un appoint de chaleur est nécessaire. C’est toujours la chaudière qui le donne.

Schéma

Performance des équipements

Le bilan thermique montre que, vu la bonne performance des compresseurs pour une température de condensation basse (COP de l’ordre de 4.2), les rejets de chaleur à l’extérieur sont limités. La chaudière doit apporter 32 kW pour maintenir un certain confort dans le magasin et compenser les déperditions de 12 kW au travers des parois et la perte de chaleur vers les meubles frigorifiques ouverts (soit 20 kW).

Bilan énergétique et CO₂

Poste		Calcul	Unités
Energie finale (au niveau du magasin)
	Energie chaudière	32/0.9 = 35.6	kWh/h
	Energie compresseurs	2.4 x 2 = 4.8	kWh/h
	Energie condenseur	12.4 x 2 = 24.8	kWh/h
	Coût	35.6 x 0.05 + 4.8 x 0.11= 2.3	€/h
Energie primaire (à la centrale électrique)
	Energie primaire	35.6+ 4.8 / 0.38= 48.2	kWh/h
	CO₂	48.2 x 0.251 = 12.1	kg/h de CO₂

Conclusions

Tableau comparatif

Configuration	Energie finale consommée chaudière [kWh/h]	Energie finale électrique consommée [kWh/h]	Energie primaire consommée [kWh/h]	Coût de l’énergie [€/h]	kg/h de CO₂	Rejet de CO₂
Configuration 1	0	5.6	14.7	0.6	3.7	0
Configuration 2	9.3	5.6	23.1	1	5.8	+57%
Configuration 3	20	1.4	23.7	1.2	5.9	+59%
Configuration 4	0	12	31.6	1.32	7.9	+ 113 %
Configuration 5	35.6	4.8	48.2	2.3	12.1	+ 227 %

Choix des meubles frigorifiques fermés

La toute première conclusion à tirer est qu’il faut choisir des meubles frigorifiques fermés quel que soit le type de denrée exposé. À ce sujet, au risque de passer pour des doux rêveurs, c’est possible de choisir des meubles tant en « froid positif » qu’en « froid négatif »avec des portes sans trop de risque pour que le chiffre d’affaire tombe en chute libre.

Récupération faible par rapport aux besoins de chaleur

C’est le cas des configurations 1 et 2.
Le tableau comparatif précédent permet de tirer des conclusions :

En période froide, l’impact de la récupération de chaleur au niveau des condenseurs sur le bilan énergétique est mitigé par rapport à la solution où les groupes de condensation (compresseur et condenseur) sont placés à l’extérieur permettant, par l’air de refroidissement externe, d’optimiser le cycle frigorifique (COP de 4.2).
Le principe d’abaisser la température de condensation reste de toute façon immuable.

Récupération importante par rapport aux besoins de chaleur

C’est la cas des configurations 3 et 4.
Le tableau comparatif précédent permet de tirer des conclusions :

En période froide, même si la performance énergétique des compresseurs est dégradée (COP de 1.66), par le fait que la température de condensation (le condenseur se trouve à l’intérieur) est élevée, il est intéressant de récupérer l’énergie de condensation. L’optimum se situe naturellement lorsque la chaleur rejetée par les condenseurs équivaut aux déperditions des parois de l’enveloppe du commerce.
En plus de récupérer la chaleur, on aura donc intérêt à limiter au maximum les déperditions de l’enveloppe qu’elles soient sous forme :
- d’une meilleure isolation;
- d’un meilleur contrôle des infiltrations au niveau des portes d’entrée et des réserves;
- d’une gestion efficace de la ventilation de l’air hygiénique.

Exemple

Delhaize, par exemple, a mis au point un système similaire à celui représenté sur les figures ci-dessous permettant de récupérer la chaleur en période froide mais dégradant la performance de la machine frigorifique.

Là où le bas blesse, lorsque les condenseurs sont incorporés aux meubles frigorifiques ou dans l’enceinte même du magasin, c’est que lorsque les déperditions au travers des parois s’inversent (période chaude, apport solaire important, …), il est nécessaire d’évacuer la chaleur des condenseurs à l’extérieur. Dans le cadre d’une installation de récupération de chaleur sur un condenseur à air, il n’est pas aisé de le réaliser.

Schéma de principe en période froide (récupération); source : Delhaize.

Schéma de principe en période chaude (pas de récupération); source : Delhaize.

Remarques

La plupart des cas présentés ci-dessus, sont issus de cas réellement observés. Malheureusement, aucun monitoring des consommations n’est disponible à l’heure actuelle. A va de soi que le placement d’une batterie de chauffe au dessus de la tête des clients dans l’allée froide n’est pas un bon principe mais est juste utilisé comme moyen de provocation, d’interprétation ou de réaction des lecteurs. Ce principe donne les avantages et inconvénients suivants :

(+)

simple;
modulable;
…

(-)

nécessite des vitesses d’air plus importantes afin d’amener l’air chaud à environ 1.5 m du sol pour assurer un certain confort thermique des clients;
augmente l’induction de l’air chaud au niveau du rideau d’air car le mouvement de l’air dans cette zone est amplifié;
…

Application au chauffage du magasin ou des annexes par l’eau

Beaucoup de techniciens dans l’âme se retrouveront dans les configurations qui suivent sachant que tout un chacun recherche à récupérer un maximum d’énergie sur les consommations des groupes frigorifiques. De manière générale, il n’y a pas de solution miracle mais des solutions innovantes efficaces dans certaines conditions.

Récupération de la chaleur de refroidissement des gaz chauds du fluide frigorigène (CO₂ pour chauffage au sol).

Configuration 1 : chauffage par air pulsé au pied des meubles

Cette configuration existe dans certains magasins Delhaize et est en cours de monitoring.
Elle se compose essentiellement :

D’un ballon de 1 000 litres constituant un condenseur à eau dont le secondaire est branché sur le collecteur principal de la chaufferie. Le primaire est en série avec le condenseur à air classique situé sur le toit du magasin.
Le condenseur à eau, via le collecteur de chauffage, alimente une batterie chaude de la centrale de traitement d’air.
La pulsion de l’air chaud s’effectue au niveau du pied du meuble frigorifique, assurant un certain confort au niveau de l’allée froide.
La reprise d’air de la centrale de traitement d’air se situe en hauteur.
La température d’air de pulsion au pied du meuble frigorifique peut être modulée en fonction de la température de reprise et de la température de l’air neuf nécessaire à la ventilation hygiénique.

En période froide :

Le condenseur à eau réchauffe l’eau du ballon.
Le condenseur à air assure la condensation résiduelle et même un certain sous-refroidissement (ce qui permet d’améliorer la performance de la machine frigorifique).
La batterie chaude de la CTA (Centrale de Traitement d’Air) réchauffe l’air neuf mélangé à l’air de reprise pour la pulser au pied des meubles frigorifiques. Attention que le fait de pulser cet air à proximité des rideaux d’air des meubles pourrait augmenter les apports par induction du meuble.

En période chaude :

En principe, on ne devrait plus réchauffer l’air de pulsion au pied des meubles. En pratique, il se fait que l’ouverture des meubles étant de plus en plus importante, le refroidissement de l’air ambiant est véritablement présent et inconfortable pour les clients; d’où la tendance actuelle à réchauffer l’air même en été.

« Voilà un bon exemple de destruction d’énergie à grande échelle! »

Le condenseur à air assure l’évacuation de la chaleur de condensation.

Schéma

Régime en période froide.

Régime en période chaude.

Configuration 2 : Chauffage par le sol dans les allées froides

Cette configuration est à creuser. Toutes les réalisations ou idées à ce sujet sont les bienvenues.

Elle se composerait essentiellement :

D’un ballon constituant un condenseur à eau dont le secondaire est branché sur le collecteur principal de la chaufferie. Le primaire est en série avec le condenseur à air classique situé sur le toit du magasin.
Le condenseur à eau, via le collecteur de chauffage, alimente un réseau de chauffage au sol au niveau de l’allée froide.
D’une chaudière d’appoint raccordée sur le collecteur principal.

En période froide :

Le condenseur à eau réchauffe l’eau du ballon.
Le condenseur à air assure la condensation résiduelle et même un certain sous-refroidissement (ce qui permet d’améliorer la performance de la machine frigorifique).
Le réseau de chauffage au sol assure un chauffage rayonnant dans l’allée froide. Cette configuration peut être intéressante dans le sens où la chaleur rayonnant devrait influencer moins les meubles frigorifiques qui sont principalement sensibles aux apports par induction d’air (mélange convectif entre l’air de l’ambiance et celui du rideau d’air du meuble).

En période chaude :

Le condenseur à air assurerait l’évacuation de la chaleur de condensation.

Schéma

Régime en période froide.

Intérêt ou pas du chauffage au sol

Parmi les avantages et les inconvénients du chauffage par le sol en association avec les meubles frigorifiques positifs ouverts en position verticale, on pointera principalement :

(+)

Le chauffage au sol apporte principalement de la chaleur par rayonnement. Or en froid positif, les principaux apports qui influencent prioritairement le bilan thermique et énergétique du meuble sont les apports par induction(mélange de l’air ambiant avec celui du rideau d’air froid). De plus, l’échange entre deux parois étant maximal lorsque celles-ci sont parallèles, les apports de chaleur dus au chauffage au sol seraient plus faibles.
Le confort devrait être optimal.
Les températures de condensation, pour ce type de chauffage, pourraient être basses.
…

(-)

La mise en œuvre d’un chauffage au sol est coûteuse.
Comme les magasins demandent une certaine flexibilité dans l’agencement des meubles frigorifiques, le chauffage au sol est un frein par rapport à cette flexibilité. Cependant, à la conception, il est possible par une bonne programmation de déterminer les emplacements dans les zones de vente où les meubles n’ont pratiquement aucune chance de bouger. De plus, il faut aussi tenir compte que les évacuations des condensats de dégivrage des meubles ainsi que les conduites liquides et gaz du circuit frigorifique sont souvent, eux aussi, figés voire encastrés dans le sol.

Application au préchauffage de l’eau chaude sanitaire

L’idée est ici de profiter d’un besoin de chauffage d’un fluide à basse température (la température de l’eau de ville varie entre 5° en hiver et 15°C en été. Mais le système ne fonctionnera bien que lorsque la puissance de récupération nécessaire est supérieure à la puissance fournie par le condenseur. Autrement dit, il faut que les besoins d’eau sanitaire soient très importants par rapport à la puissance de la machine frigorifique.

Ainsi, dans les commerces où le froid alimentaire est nécessaire, les besoins d’eau chaude sanitaire peuvent être importants et une récupération de chaleur au condenseur se justifie tout à fait. Mais un ballon de préchauffage est propice au développement de la légionelle.

Il faut donc s’assurer que l’eau séjournera durant un temps suffisamment long dans le dernier ballon : 60°C durant 30 minutes ou 70°C durant 4 minutes, par exemple (en cas de débit de pointe, de l’eau « contaminée » risque de traverser seulement le 2ème ballon).

Configuration 1 : Un échangeur thermique parcouru par le fluide frigorigène est inséré au bas d’un ballon d’eau chaude

Dans le système ci-contre, un simple échangeur thermique (placé en série et en amont du condenseur normal) est inséré au bas d’un ballon d’eau chaude. Par effet de cheminée, la chaleur sera donnée à la zone la plus froide du ballon puis communiquée à l’ensemble du réservoir.

On parle de condenseur-désurchauffeur parce que la désurchauffe des gaz provenant du compresseur auront lieu dans cet échangeur.

La réglementation impose le principe selon lequel il ne doit pas y avoir de contact possible entre le fluide frigorigène et l’eau potable. En cas de perforation de l’enveloppe du fluide, la détérioration éventuelle doit se manifester à l’extérieur du dispositif.

Dans l’échangeur ci-dessus, une double paroi de sécurité est prévue selon DIN 1988.

Configuration 2 : Un ballon intermédiaire à double échange est intégré comme interface

On peut également prévoir un système à double échange :

Deux échangeurs sont intégrés dans un même ballon (1). Le premier échangeur est celui du condenseur de la machine frigorifique, le deuxième est le serpentin de préchauffage de l’eau chaude sanitaire.

Dans ce ballon intermédiaire, il n’y a aucun risque de dépôt calcaire puisque l’eau n’est jamais renouvelée.

En cas de fuite de fluide frigorigène, la pression dans le ballon augmente et une alarme est déclenchée.

Un deuxième condenseur en série est nécessaire pour le cas où le besoin de chauffage de l’eau sanitaire serait insuffisant.

Configuration 3 : en présence d’une boucle de distribution

Le régulateur de température de départ de la boucle utilise l’appoint lorsque le niveau de température du ballon est insuffisant.

Un tel schéma (contrairement au précédent) risque cependant d’être propice au développement de légionelles, puisque le ballon de récupération peut être à une température inférieure à 60°C durant un temps assez long. Il n’est pas à recommander si des douches sont présentes dans l’installation.

Posted By : 25 Sep, 2007

Choisir les chambres de stockage et de conservation

Type d’enceinte de conservation

Il existe différents types d’enceintes de conservation :

l’armoire froide,
la chambre froide compacte,
la chambre froide modulable, démontable, et la chambre froide bâtie.

Les chambres froides se différencient par des volumes différents.
La réglementation prévoit d’affecter une enceinte :

à chaque famille de matières premières (c’est-à-dire « à risque différent ») : produits laitiers, viandes, volailles et charcuterie non stables, produits stables et semi-conserves,
aux plats plats cuisinés à l’avance,
à l’ensemble des produits surgelés.

Le choix du type d’enceinte se fait donc en fonction des différents volumes à entreposer. Il faut cependant noter que pour les commerces de détail, la réglementation autorise cependant l’entreposage de matières premières à « risques différents » dans une même enceinte à condition que la séparation se fasse par un autre moyen : le zonage, l’emballage.

La chambre froide modulable, démontable est préférable à la chambre froide bâtie. En effet, elle présente un certain nombre d’avantages par rapport à cette dernière :

Elle n’immobilise pas de surface de façon définitive ce qui est particulièrement intéressant dans l’optique d’aménagements futurs ou de modifications de l’activité.
Elle est moins onéreuse du point de vue investissement (le montage est très rapide).

Il faudrait en principe construire les chambres en envisageant leur possible démontage sans devoir casser tout le bâtiment environnant ! Un fameux défi pour les concepteurs et les constructeurs qui ne s’en préoccupent guère. C’est pourquoi cela devrait être demandé par le maître de l’ouvrage qui y a intérêt pour une bonne gestion à long terme.

La chambre froide bâtie permet, en revanche, de réaliser des enceintes plus facilement intégrables : les angles ne sont pas nécessairement droits, les dimensions ne sont plus tributaires du module standard.

Volume et puissance

Le volume nécessaire dépend du nombre de repas, du choix de la gamme des produits, du rythme de livraison.

Le calcul exact du volume de l’enceinte se fait à partir d’une quantité moyenne d’un type d’aliments pour la vente, des dimensions standards du matériel de livraison de cet aliment, des dimensions standards du matériel de stockage et du nombre de jours pendant lesquels l’enceinte doit assurer l’approvisionnement.

Il s’agit d’un calcul de bureau d’études; nous ne l’aborderons pas ici. Cependant, on choisit de préférence, et si c’est possible, une chambre de forme rectangulaire et compacte : rapport entre la largeur et la longueur proche de 0,8 par exemple. Ce choix permet de diminuer les pertes par conduction à travers les parois de l’enceinte.

L’évaporateur

Photo évaporateur.

(1) carrosserie; (2) batterie; (3) ventilateur; (4) dégivrage.

La puissance de l’évaporateur se calcule à partir du bilan frigorifique. Mais attention le bilan frigorifique doit parfois être adapté en fonction de conditions particulières.
Exemples.

Une chambre froide peut se trouver à proximité d’une source chaude telle qu’un four, par exemple. Dans ce cas, le four transmet de la chaleur par conduction du sol, par convection et par rayonnement.
Dans ce cas, un évaporateur calculé « normalement » ne suffit pas à satisfaire la consigne de température intérieure.
Bien sûr, cette situation est à éviter absolument pour des raisons énergétiques.

Dans certaines chambres froides négatives sur terre-plein, un chauffage sous le sol doit être prévu pour éviter le gel du sol s’il y a présence d’eau à faible profondeur.
Dans ce cas, la puissance du chauffage doit être ajoutée aux apports par le sol.
Ce chauffage se fait par câbles électriques ou tuyaux de circulation d’eau. Ces tuyaux peuvent être connectés par un échangeur au condenseur de la machine.

Le bilan frigorifique est un calcul itératif. En effet, certains paramètres à introduire dans le calcul du bilan dépendent des résultats de ce calcul.
Exemple, la puissance frigorifique due au dégivrage :

Elle dépend de la masse de l’évaporateur. Or celle-ci dépend du résultat du calcul du bilan frigorifique.

Elle dépend également du nombre de dégivrages. Or, celui-ci dépend de la masse de givre piégée sur les ailettes des évaporateurs, de l’écartement de ces ailettes, de la surface d’échange des évaporateurs (qui conditionne l’épaisseur moyenne de givre collé sur les ailettes) et de la configuration de la machine qui dépend elle-même du résultat du calcul du bilan.

Il faut aussi se rappeler que le rendement d’un évaporateur baisse au fur et à mesure que du givre vient se placer dans les interstices entre les ailettes.

Cela veut dire que si on diminue artificiellement le nombre de dégivrages, on diminue évidemment l’énergie nécessaire pour les dégivrages parce qu’il faut moins souvent chauffer les masses métalliques, mais on diminue aussi le rendement des évaporateurs (et donc de la machine entière) avec le grand danger d’avoir des évaporateurs bourrés de glace, ce qui provoquera finalement l’arrêt de la machine.

Remarque : un isolant perd ses propriétés au cours du temps. Après 10 ans, le coefficient de conductivité thermique des isolants thermiques actuels augmente, selon certaines sources, de 20 à 25 %. Le bilan frigorifique doit en tenir compte. Il devrait, selon cette source, considérer une épaisseur d’isolant plus faible que celle qui est mise réellement en œuvre de manière à ce que l’évaporateur soit suffisant en fin de vie.

Il est fondamental de dimensionner largement l’évaporateur pour diminuer la consommation énergétique. Le sous-dimensionnement de l’évaporateur va réduire les coûts… mais l’évaporateur va, dans ce cas, travailler à très basse température pour donner le froid attendu. Non seulement le compresseur aura du mal mais en plus il va givrer fortement.

Et le coût d’exploitation en sera très pénalisant !

Le dimensionnement doit particulièrement être vérifié lorsqu’on achète une chambre préfabriquée avec groupe frigorifique incorporé où le risque d’avoir un évaporateur sous-dimensionné est réellement présent.

La chambre froide est munie d’un ventilateur au niveau de l’évaporateur. Celui-ci permet un meilleur échange (température constante et uniforme dans l’ensemble de l’enceinte) et donc une meilleure efficacité énergétique.

Régulation

Lorsqu’on n’a pas de régulation de puissance, la machine fait du ON-OFF, entre l’arrêt (en théorie la puissance zéro) et la marche (en théorie la puissance maximale, qui est la puissance moyenne multipliée par le coefficient 16/24, par exemple). L’ordre de la mise en marche-arrêt de la machine est donné par la régulation, dont le principal acteur est le thermostat d’ambiance dans la chambre. Tant que la température de consigne n’est pas atteinte, le thermostat commande la marche de la machine, qui travaille alors à plein régime (à pleine puissance). Lorsqu’on a une régulation de puissance, la puissance de la machine monte et descend par paliers. Cela permet de tenir compte des demandes réduites en dehors des périodes d’utilisation intensive, pour ne pas faire marcher la machine à pleine puissance avec des cycles ON courts et des cycles OFF longs.

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Précautions à prendre au niveau de l’utilisation de l’enceinte

Une organisation rationnelle des interventions dans les chambres froides peut être source d’économies d’énergie. On peut regrouper les interventions et laisser les portes ouvertes pendant un temps qui sera le plus court possible.

Il y aura ainsi moins d’air humide qui entrera à l’intérieur de l’enceinte. Au niveau économies d’énergie, on gagne ainsi sur trois plans :

au niveau de l’énergie nécessaire pour dégivrer,
au niveau de l’énergie nécessaire au refroidissement et au séchage de l’air humide qui entre dans l’enceinte,
au niveau de l’énergie nécessaire pour éliminer les quantités de chaleur accumulées dans les évaporateurs au moment des dégivrages, dont le nombre et la durée peuvent diminuer.

Vous pouvez examiner un exemple qui quantifie ces gains en cliquant ici !

Caractéristiques techniques générales

L’enceinte de conservation doit comporter un enregistrement permanent de la température (0 à 3°C). Les graphiques de température doivent être conservés durant un mois.

Les enceintes de congélation supérieure à 10 m³, doivent également comporter un système d’enregistrement automatique de la température. Les enregistrements doivent être datés et conservés pendant 1 an (A.M. belge du 28 01 1993). Les produits de même nature y sont regroupés par zone.

Les portes des chambres négatives doivent être équipées d’un cordon chauffant pour éviter qu’elles ne soient bloquées par la glace.

Les fluides frigorigènes CFC (Chlorofluorocarbone) sont interdits pour des raisons écologiques. Les HCFC (hydro chlorofluorocarbone) sont à éviter pour les mêmes raisons. Ils sont d’ailleurs en voie d’interdiction (interdiction prévue pour 2015).

Pour des raisons de coûts, de disponibilité, de compatibilité avec les installations et de respect de la réglementation, les fluides les plus utilisés sont le R134a (qui remplace le R12) pour les chambres positives (de 0 à 4 °C ) et le R507 (qui remplacent le R502) ou le R404a pour les chambres négatives (-10°C-> ~ -25°C). Ces fluides sont des HFC (hydrofluorocarbone).

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Lorsque l’humidité est préjudiciable (stockage de cartons, par exemple) on peut ajouter un circuit de traitement de l’air.

Pour limiter les pertes lors de l’ouverture des portes, on peut prévoir des languettes en plastic à l’entrée de la chambre froide.

Pour faciliter la maintenance, les compresseurs des différentes chambres froides sont regroupés dans un même local. Un local situé en façade facilite sa ventilation. D’après certaines sources au-delà de 15 compresseurs, il est plus rentable de prévoir une centrale de froid.

Refroidissement du condenseur

Pour améliorer l’échange thermique au niveau du condenseur entre le fluide frigorigène et l’ambiance extérieure, on peut prévoir un ventilateur, ou mieux, on fait circuler de l’eau courante sur le condenseur. Le rendement du groupe est ainsi amélioré.

La puissance frigorifique pour une même quantité de frigories est de 10 à 15 % plus faible pour un groupe à eau. Dans les coûts d’utilisation d’un groupe à eau, il faudra tenir compte de la consommation en eau qui de nos jours paraît peu durable dans le cas de l’eau de ville et acceptable avec de l’eau de pluie par exemple.

La chaleur des condenseurs des installations frigorifiques peut être récupérée pour préchauffer l’eau sanitaire.

L’échangeur du récupérateur est placé en série sur celui de la machine frigorifique.

D’après les fabricants, ce système peut être intéressant à partir d’une installation frigorifique dont la puissance installée des compresseurs est de 3 500 W.

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Category Archives: Froid alimentaire

Choisir le condenseur de la machine frigorifique

Critères de choix généraux

Modes d’évacuation de la chaleur de condensation

Critères de choix globaux

Refroidissement direct par l’air

Refroidissement indirect par l’air (via un circuit d’eau)

Température de condensation

Refroidissement direct par l’air

Refroidissement indirect par l’air (via un circuit d’eau)

Comparaison entre les modes de refroidissement

Critères acoustiques

Bruit aérien

Bruit solidien (ou bruit d’impact)

Choix d’un condenseur à air

Choix du ventilateur

Ventilateur hélicoïdal

Ventilateur centrifuge

Complément de puissance par aspersion d’eau

Conception classique

Conception professionnelle et énergétique

Récupération d’eau de pluie

Sous-dimensionnement du compresseur

Données

Conclusion

Abaisser la température de l’air extérieur

Configuration externe

Configuration interne

Récupération de la chaleur de condensation

Groupe condenseur à proximité du meuble frigorifique

Condenseur à l’extérieur

Choix d’un condenseur évaporatif

Choix d’un condenseur à eau

Choix de la régulation

Principe de base : abaisser la température de condensation

Influence sur le détendeur thermostatique

Influence sur le compresseur

Cas particulier

Première amélioration : travailler avec un ventilateur à vitesse variable ou une cascade de ventilateurs

Deuxième amélioration : travailler avec un détendeur électronique

Pression de condensation flottante

Choisir le compresseur de la machine frigorifique [Froid alimentaire]

Les critères thermiques

Température d’évaporation la plus haute possible.

Température de condensation la plus basse possible.

Les critères de choix énergétique

Le coefficient de performance COP

Le taux de compression HP/BP

Les compresseurs à vis et scroll

Les compresseurs à pistons

Le rendement volumétrique

Les compresseurs à vis

Les compresseurs à pistons

Vue globale

Choix du type de compresseur

Mode de compression

Les compresseurs volumétriques

Le compresseur centrifuge

Association moteur-compresseur

Le compresseur ouvert

Le compresseur hermétique

Le compresseur semi-hermétique

Comment choisir ?

Machines tournantes ?

Machines alternatives ?

En matière d’environnement

Suralimentation des compresseurs à vis

Le dimensionnement du compresseur

Dimensionnement classique du compresseur

Généralités

Froid négatif

Le choix de la régulation de puissance du compresseur

La variation de la puissance du compresseur

Cascade de plusieurs compresseurs

La variation de vitesse du compresseur

La mise à l’arrêt de cylindres

L’obturation de l’orifice d’aspiration

L’injection des gaz chauds

Tableau synthèse de sélection

Les critères acoustiques