Chauffe-eau solaire : Fonctionnement

Capter gratuitement l'énergie du soleil avec des panneaux vitrés

L'énergie solaire est disponible gratuitement partout sur la Terre. En installant des panneaux solaires thermiques, on peut profiter de l'énergie solaire pour produire de l'eau chaude gratuitement et de façon écologique.

Produire de l'eau chaude solaire

Le plus simple est d'utiliser la chaleur récupérée pour produire de l'eau chaude, pour la salle de bains et la cuisine. Avec un chauffe-eau solaire, l'installation est très simple et tout à fait adaptée aux maisons existantes. Il est également envisageable de se chauffer avec de l'énergie solaire, mais il faut dans ce cas disposer d'un plancher chauffant. Cette dernière solution est donc utilisée dans les bâtiments neufs.

Estimer vos économies d'eau chaude

Le service gratuit Quelle Energie vous aide à simuler l'installation d'un chauffe-eau solaire chez vous. Vous pourrez ainsi connaître précisément les économies réalisables sur vos factures annuelles d'eau chaude avant de vous lancer dans ce projet.

Un fluide caloporteur pour transporter la chaleur, un ballon pour la stocker

L'énergie récupérée par les panneaux solaires est absorbée par un fluide dit "fluide caloporteur". Ce fluide circule dans des canalisations jusqu'au ballon d'eau chaude où il restitue la chaleur. Le ballon peut ainsi stocker l'eau chaude produite, il n'est pas nécessaire de tout consommer pendant les heures d'ensoleillement.

Un deuxième système en complément du chauffe-eau solaire

Le chauffe-eau solaire n'est pas toujours suffisant pour produire toute l'eau chaude. Lors de journées hivernales peu ensoleillées, par exemple, il peut être nécessaire de faire appel à un système d'appoint. On installe donc souvent un autre système, ou on garde le système existant, en appoint du chauffe-eau solaire (chaudière, chauffe-eau électrique...). En général, le chauffe-eau solaire assure environ 50 % de la production d'eau chaude.

Pompe à chaleur air-air : Zoom sur la climatisation

Un système de climatisation performant

La pompe à chaleur air-air n’est pas seulement un système de chauffage. Il existe sur le marché des modèles réversibles, c’est-à-dire que ces modèles produisent de la chaleur en hiver et un doux rafraîchissement en été. Ces modèles deux-en-un sont très pratiques dans le sud de la France où le besoin en climatisation est important pendant la saison estivale.

Quelle technologie pour quelle utilisation ?

Il existe plusieurs formes de pompes à chaleur air-air réversibles. La plus connue est le split mural. C’est un module que l’on place au mur (le plus souvent au-dessus des portes) qui peut être soit en mono-split ou en multi-split. Le mono-split est un système qui comporte un module intérieur pour un module extérieur. A contrario, le multi-split comporte plusieurs modules intérieurs pour un seul module extérieur. Ces différents modules intérieurs sont indépendants les uns des autres et leurs températures peuvent être différentes. Les systèmes split sont conseillés pour des logements de petite et moyenne taille. Pour les logements de grande taille, il existe un modèle de pompe à chaleur air-air réversible en gainable. Cette solution est intégrée dans un faux plafond ce qui la rend presque invisible.

Estimer vos économies de chauffage

Avec Quelle Energie, profitez d'un service gratuit de simulation pour estimer quelles économies pourraient être générées par l'installation d'une pompe à chaleur (PAC) air-air dans votre habitation. Nous prenons en compte votre système de chauffage actuel et la surface disponible pour installer l'unité extérieure de la PAC.

Un système entièrement automatique

Les pompes à chaleur air-air réversibles sont le plus souvent automatisées. Elles possèdent une régulation avec un thermostat d’ambiance soit incorporé, soit quelques fois déporté directement dans la télécommande de l’appareil. Dans le cas d’un multi-split, il est possible de régler indépendamment les différents modules intérieurs. En général, toutes ces informations sont à programmer avec une télécommande fournie avec la PAC air-air.

Pompe à chaleur air-air : Technique

Le COP : Coefficient de Performance de la pompe à chaleur

Le COP représente le nombre de kWh de chaleur produits, pour 1 kWh d'électricité consommée.

COP = (Quantité de chaleur produite) / (Quantité d'électricité consommée), sans unité.

Le COP d'une pompe à chaleur (PAC) air-air se situe le plus souvent autour de 3. Ce COP dépend de la température extérieure. Plus il fait froid dehors, moins le COP est élevé.

Estimer vos économies de chauffage

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La puissance calorifique : capacité de production de chaleur

La puissance calorifique (en kW) représente la capacité de production de chaleur de la PAC. Elle doit être calculée précisément par l'installateur pour éviter le sous-dimensionnement (maison pas assez chauffée) ou le surdimensionnement (maison assez chauffée mais surconsommation d'électricité).

Les puissances des pompes à chaleur (PAC) air-air se situent le plus souvent entre 5 et 20 kW.

Pompe à chaleur air-air : Installation

La pompe à chaleur (PAC) air-air est adaptée à tout type de maison

La pompe à chaleur (PAC) air-air peut s'adapter à tous les types de maison. Il suffit en fait de disposer d'un espace extérieur bien aéré : un jardin ou une cour. Les unités intérieures peuvent facilement être installées dans les différentes pièces à chauffer.

Un système bien adapté au remplacement de radiateurs électriques

La pompe à chaleur (PAC) air-air est particulièrement adaptée aux maisons équipées de radiateurs électriques. Pourquoi ? Tout simplement parce qu'elle ne nécessite pas de circuit de chauffage central, son installation est donc aisée. Il peut être intéressant de conserver les radiateurs électriques en appoint, pour les plus grands froids hivernaux.

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Un circuit de fluide frigorigène fait circuler la chaleur

Pour assurer la circulation de la chaleur entre l'unité extérieure et l'unité intérieure, l'installateur mettra en place un circuit de fluide frigorigène. Il est donc préférable de placer l'unité extérieure assez proche des unités intérieures.

Choisir un installateur et du matériel fiable

Pour être sûr de la qualité de la prestation et du matériel, choisissez un installateur certifié QualiPac ainsi qu'une pompe à chaleur certifiée Eurovent ou ayant fait l'objet d'un avis technique du CSTB (Centre Scientifique et Technique du Bâtiment).

Pompe à chaleur air-air : Fonctionnement

Capter gratuitement la chaleur présente dans l'air extérieur

La pompe à chaleur (PAC) air-air est une machine thermique fonctionnant sur le même principe que le réfrigérateur :

• Le réfrigérateur capte de la chaleur qu’il contient et la rejette dans la cuisine
• La pompe à chaleur (PAC) air-air capte de la chaleur à l'extérieur de la maison pour la rejeter dans la maison. On peut ainsi chauffer la maison, même pendant l'hiver.

Ces deux appareils consomment de l'électricité, pour faire circuler le fluide caloporteur.

La pompe à chaleur (PAC) air-air peut être utilisée pour le rafraîchissement

Le système peut être utilisé pour un rafraîchissement d'été. Toutefois, la température ne pourra être abaissée que de quelques degrés, et cette utilisation aura pour effet d'augmenter les factures d'électricité.

Estimer vos économies de chauffage

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L'unité extérieure capte des calories

L'unité extérieure est installée dans un endroit bien aéré : la cour ou le jardin de la maison. Cette unité est en fait un évaporateur, qui utilise les calories de l'air pour évaporer à très basse pression le fluide frigorigène qui circule dans la pompe à chaleur.

L'unité intérieure diffuse les calories dans l'air de la maison

Les calories stockées dans le fluide frigorigène sont restituées à l'intérieur de la maison, par l'unité intérieure. Cette unité intérieure, souvent un ventilo-convecteur, est en fait un condenseur dans lequel le liquide se condense pour restituer la chaleur et la diffuser dans l'air à l'intérieur de la maison.

La circulation du fluide consomme un peu d'électricité

Pour faire circuler le fluide frigorigène dans le circuit, la pompe à chaleur (PAC) air-air consomme de l'électricité, au niveau de l'élément appelé "compresseur". Toutefois, grâce à l'apport gratuit de l'air extérieur, la quantité d'électricité consommée est nettement inférieure à la quantité de chaleur diffusée dans la maison. On estime qu'en moyenne, une pompe à chaleur (PAC) air-air consomme 1 kWh d'électricité pour un peu moins de 3 kWh de chaleur produits. C'est ce qu'on appelle le COP (voir Caractéristiques techniques).

La performance de la pompe à chaleur (PAC) air-air dépend de la température extérieure

La pompe à chaleur (PAC) air-air peut fonctionner même lorsque les températures extérieures sont faibles : -10° C, -15° C. Dans ces conditions toutefois, les performances sont moins bonnes. Il peut donc être judicieux de conserver un autre système de chauffage en appoint comme, par exemple, des radiateurs électriques.

Isolation

  L'isolation thermiquedésigne l'ensemble des techniques mises en œuvre pour limiter les transferts de chaleur entre un milieu chaud et un milieu froid. 
   On retrouve de l'isolation thermique dans :

• le bâtiment (maintien d'une température de confort à l'intérieur des habitations) ;
• l'industrie ;
• l'automobile ;
• le textile ;
• etc.

• Échanges de chaleur

  Un échange de chaleur se produit entre deux milieux lorsqu'il existe une différence de température entre ces deux milieux. La chaleur se propage d'un milieu chaud vers le milieu froid par l’intermédiaire de :
  
• la conduction ;
• la rayonnement ;
• la convection ;
• la présence simultanée de deux à trois des phénomènes ci-dessus.

     Le but de l'isolation thermique est donc de diminuer les échanges de chaleur entre un corps froids et un corps chaud. Elle peut avoir pour but de garder la chaleur présente dans un volume comme pour une maison, elle peut aussi avoir pour but de garder le froid dans un volume comme pour un réfrigérateur. 
    Cela passe par l'interposition d'un système dédié entre le milieu chaud et le milieu froid. 
  Il s'agit le plus souvent de matériaux choisis à cet effet, que l'on appelle généralement des isolants thermiques. 
    Il peut aussi s'agir de flux d'air entre ces deux milieux.

Bâtiment

Pertes thermiques d'un bâtiment.

Articles détaillés : Thermique du bâtiment et Isolation thermique du bâtiment.

   L'isolation d'un bâtiment permet de diminuer les échanges de chaleur entre l'intérieur du bâtiment et l'environnement extérieur, et ainsi diminuer les besoins de chauffage et, le cas échéant, de climatisation.
    Cette isolation doit être pensée en fonction des contraintes climatiques du lieu où se situe le bâtiment. L'isolation thermique est le principe de base de la maison passive.
   Elle emprisonne la chaleur à l'intérieur en hiver et garde la maison fraîche en été.
  La lutte contre le gaspillage d’énergie passe par l’isolation thermique des bâtiments chauffés. En France, et dans de nombreux pays, elle fait l’objet de réglementations. 
  En France, l’isolation des nouveaux logements est obligatoire mais c’est aussi un moyen efficace de réduire les dépenses de chauffage et de climatisation tout en améliorant le confort. 
 Elle est encouragée par les pouvoirs publics, par exemple par le programme Isolto (Région Nord-Pas-de-Calais).

• Isolation des canalisations

  
  

  Exemple de coquille de laine de roche
      Les tuyauteries d’eau chaude doivent être isolées par mesure d’économie et celles d’eau froide pour éviter le gel. Les écoulements (gouttières, égouts, évacuations des eaux usées et des eaux vannes) ne doivent pas être oubliés.
  Pour les tuyaux de faible diamètre (10 à 30 mm), il existe des gaines cylindriques (« manchons ») en mousse qui se découpent facilement et peuvent se poser sur des canalisations en place. Les robinets et autres accessoires peuvent être emmaillotés dans de la laine isolante maintenue par un film mince de polyéthylène et du ruban adhésif. 
    Bien repérer à l’aide d’une étiquette visible la position et le rôle du robinet, ce peut être capital en cas de problème ou lors des opérations de maintenance.
  Les regards extérieurs abritant des vannes (voire le compteur de chantier) doivent être isolés avec du polystyrène expansé s’ils ne sont pas suffisamment enterrés.
   
  

Les meubles et les vitrines frigorifiques

                                                                                

      

Rôles et caractéristiques des équipements

Introduction

Le meuble frigorifique représente le dernier maillon de la chaîne du froid alimentaire avant que la denrée ne se retrouve en possession du consommateur. A ce stade, la mise en valeur des denrées alimentaires est primordiale tout en assurant leur conservation. En d'autres termes, le meuble frigorifique a donc pour mission de présenter ou d'exposer les denrées dans un volume utile à une température de conservation déterminée. Faisant partie d'une chaîne de froid normalement ininterrompue, cet équipement est uniquement prévu, et par conséquent dimensionné, pour maintenir la température des denrées et non les refroidir. Dans une chaîne de froid alimentaire classique, le refroidissement ou la congélation s'effectue à la production ou à la fabrication. Les étapes suivantes de la chaîne de froid n'ont plus qu'une action de maintien de la température par exemple :

• le camion ou le bateau frigorifique lors du transport;
• la chambre froide du magasin lors du stockage;
• ...

Deux fonctions sont donc attribuées aux meubles frigorifiques :

• la fonction d'exposition;
• la fonction de conservation.

Exposition des denrées

Le but avoué est l'achat de la denrée par le consommateur. Des études très poussées sur l''exposition des denrées ("merchandising") permettent de déterminer quelle est la meilleure stratégie commerciale pour favoriser la vente.

La fonction d'exposition conduit souvent :

• À "l'ouverture" large des ambiances frigorifiques d'exposition par rapport à l'ambiance de vente afin que les consommateurs puissent toucher, palper et soupeser les produits alimentaires.
• À éclairer fortement les denrées.

Rôle de conservation des denrées

Durant l'exposition, le meuble frigorifique doit maintenir la température et assurer la conservation des denrées alimentaires refroidies ou surgelées en "amont". De par les lois de la thermodynamique et à l'inverse de la fonction d'exposition, les meubles devraient au maximum protéger les denrées des agressions thermiques de toutes sortes par :

• la fermeture ou l'utilisation d'ouverture des ambiances réfrigérées les plus réduites possible ;
• la réduction maximale de leur éclairage;
• leur protection des rayonnements externes.

Equilibre des rôles

Sur le plan technique, les rôles d'exposition et de conservation des denrées alimentaires dans les meubles frigorifiques sont en totale contradiction :

• D'un côté, le consommateur doit pouvoir disposer des marchandises sans obstacle en bénéficiant de meuble à large ouverture et fortement éclairé ;
• de l'autre, le commerçant doit assurer une qualité de conservation des denrées avec comme impératif la fermeture ou la réduction des ouvertures des meubles au maximum, le moins d'éclairage possible, bref le moins d'échange thermique possible avec l'ambiance du magasin.

Comment concilier ces deux fonctions sans privilégier une des deux ?

Dans la pratique, on se rend vite compte que le commerçant va naturellement favoriser le meuble frigorifique qui "fait bien vendre". Néanmoins, les réglementations et les normes sont heureusement présentes pour rétablir l'équilibre entre les deux rôles que doivent jouer les meubles et les vitrines frigorifiques.

Malheureusement, c'est au détriment de l'efficacité énergétique des équipements. En effet, quelle que soit la qualité de la production frigorifique, le meuble frigorifique ouvert est bien plus consommateur d'énergie que le même meuble fermé par un rideau de nuit par exemple.

Le véritable défi des constructeurs de meubles frigorifiques se résume à optimiser l'efficacité énergétique tout en conservant le rôle d'exposition qui, naturellement, fait vendre les produits.

Technologie des meubles et vitrines frigorifiques

Généralités

La technologie des meubles frigorifiques a été directement importée des États-Unis au début des années 60. Pour cette raison, des termes américains sont restés dans le langage courant utilisés pour caractériser les meubles et les vitrines frigorifiques. On retrouve encore couramment des termes par exemple :

• facing;
• remodeling;
• shelving;
• marketing
• ...

Composition principale des meubles

Qu'ils soient de type vertical, horizontal, positif, négatif, ..., les meubles frigorifiques se décomposent en trois parties principales :

• la structure portante du meuble;
• les éléments frigorifiques;
• l'espace utile de vente, en d'autres termes le contenant;
• et si présentes les portes.

Meuble vertical fermé.	Vitrine horizontale.

Structure portante du meuble

C'est la carcasse du meuble. Outre les pièces de renfort, le soubassement, les évacuations des condensats de dégivrage, ..., elle se compose principalement d'une enveloppe isolée sous forme de panneaux "Sandwich" (acier-mousse isolante-acier). L'isolant est généralement du polyuréthane injecté (densité moyenne de 30 à 40 kg/m³) ou des panneaux de polystyrène raccordés entre eux. La qualité de la mise en oeuvre et l'épaisseur de l'isolant détermineront la performance énergétique du meuble sur le plan des pénétrations (ou déperdition négative).

Les éléments frigorifiques

A l'intérieur du meuble, on trouve les éléments qui constituent le système de réfrigération ou de congélation selon le cas. Ce système se compose essentiellement :

De l'évaporateur (1). De l'échangeur liquide/vapeur (2). Du détendeur thermostatique ou électronique (3). D'un système de distribution du liquide détendu particulièrement important lorsque les évaporateurs sont longs et que la ventilation ne peut être assurée sur toute la longueur des éléments frigorifiques (ce qui est souvent le cas dans les meubles frigorifiques). De moto-ventilateurs (4) qui pulsent l'air provenant de l'espace utile de vente du meuble au travers des évaporateurs et des circuits de distribution de l'air dans le meuble. De la gaine de soufflage (5) et de sa buse (6). Du rideau d'air (7). De la bouche d'aspiration (8). De la gaine de reprise (9). Et d'un rideau de nuit (10).

Les aménagements internes et les accessoires

Les aménagements internes sont constitués essentiellement des étagères, des plateaux, bacs, ... qui doivent être de qualité alimentaire lorsqu'ils sont en contact avec les denrées et facilement lavables de manière générale.

Les accessoires aux meubles à caractère de vente sont multiples (support balances, planches à découper, ...).

On compte aussi, pour améliorer la vente, sur l'éclairage des denrées.

Les types d'aménagement interne et les accessoires ont une influence non négligeable sur le "comportement frigorifique" et aéraulique du meuble et par conséquent sur leur efficacité énergétique.

Dimensions des meubles

Pour caractériser un meuble ou une vitrine frigorifique, des terminologies sont définies afin que tout le monde parle le même langage. Les constructeurs parlent souvent de :

• module ;
• meuble ou longueur ;
• linéaire.

Les modules

D'origine américaine, les meubles frigorifiques sont cotés en "pieds" au niveau de la longueur. De base, un module mesure 4 pieds ou 1,22 m et permet de loger sous les étagères ou les frontons des tubes fluorescents d'éclairage de 1,20 m (58 W par exemple). Des sous-modules de 2 pieds (ou 0,61 m) existent.

Basé sur la méthode américaine, les Européens ont développé une modulation différente d'une longueur de 1,25 m comme valeur de référence pour les grandes surfaces et des sous-modules de 0.5 m pour les commerces de détail.

Les meubles ou longueurs

Un meuble ou une longueur se compose de plusieurs modules qui doivent être définis d'emblée lors du dimensionnement de l'installation. Cependant, persiste l'option de concevoir une installation sur mesure.

Les linéaires

Un linéaire est un ensemble de meubles ou de longueurs ayant la même désignation (linéaire de boucherie, de produit laitier, de légume et fruit, ...). Ces meubles sont juxtaposés, mais pas nécessairement alignés.

Différentes configurations sont possibles. On citera principalement les linéaires :

• droits ou alignés ;
• en Z ;
• en L ;
• dos à dos ;
• en Y;
• fermés.

Les surfaces et le volume

Des paramètres comme les surfaces et les volumes permettent aussi de différencier les meubles ou vitrines frigorifiques.

En ce qui concerne les types de surface, on trouve pour une largeur de meuble unitaire : La surface de limite de chargement (1). La surface horizontale de chargement (2). La surface d'exposition (3). L'ouverture d'exposition (4). Le volume utile d'exposition (5) est l'élément qui détermine la capacité de stockage du meuble frigorifique.

Classifications

Critères : généralités

La classification des meubles frigorifiques est très ardue dans le sens où le nombre de modèles est important. Pour cette raison, il est nécessaire de déterminer des critères de classification :

• par le type même ;
• en fonction de l'ouverture ;
• en fonction du niveau d'accès ;
• par la manière de l'approvisionner ;
• en fonction du type de service ;
• par service ;
• en fonction de la classe de température ;
• en fonction de la nature des denrées
• en fonction du type d'emballage ;
• en fonction du support prévu pour les denrées ;
• en fonction du mode de distribution ;
• en fonction du mode de protection des ouvertures ;
• par la position de la production frigorifique ;
• par la configuration du linéaire ;
• par la longueur unitaire ;
• par le type de façade.

Critères : application

Deux grandes classes de meubles frigorifiques se dégagent, à savoir les meubles verticaux et horizontaux. Pour chacune de ces classes, les principaux critères peuvent être appliqués.

Les meubles frigorifiques horizontaux

	Comptoir	Vitrine	Etal	Gondole à groupe incorporé	Gondole murale	Mixte
Ouverture	fermé
	ouvert
Accès	dessus
	avant
	arrière
Chargement	dessus
	avant
	arrière
Service	libre service
	personnel présent
Application	positif
	négatif
Produits couramment rencontrés		viandes	traiteur, fromage, viande, pâtisseries	poissons	surgelé, crème glacée	surgelé, crème glacée
protection des produits	emballés
	non emballés
Supports	étagères
	plateaux
	table froide
	chariots/palettes
Froid	conductif
	convectif
	mixte
Protection ouvertures	piège à givre		vitrages
	rideau d'air
	soufflage arrière
	portes vitrées
Groupe de froid	Incorporé
	à distance
Meuble frigorifique	seul
	en linéaire
Longueur	déterminée
	modulaire
	optionnelle
Façade	bandeau panoramique
	éléments mobiles
	superstructure vitrées

Les meubles frigorifiques verticaux

Critères		Vertical n niveau (ouvert)	Vertical à service arrière	Vertical à chargement au sol	vertical basse température	Vertical à porte vitrée (fermé)
Ouverture	fermé
	ouvert
Accès	dessus
	avant
	arrière
Chargement	dessus
	avant
	arrière
Service	libre service
	personnel présent
Application	positif
	négatif
Produits couramment rencontrés		laitiers	pâtisseries	laitiers	surgelés, crème glacée
Protection des produits	emballés
	non emballés
Supports	étagères
	plateaux
	table froide
	chariots/palettes
Froid	conductif
	convectif
	mixte
Protection ouvertures	piège à givre
	rideau d'air
	soufflage arrière
	portes vitrées
Groupe de froid	incorporé
	à distance
Meuble frigorifique	seul
	en linéaire
Longueur	déterminée
	modulaire
	optionnelle
Façade	bandeau panoramique
	éléments mobiles
	superstructure vitrées

Configurations courantes

Les schémas repris ci-dessous sont des configurations courantes rencontrées dans les commerces.

Comptoir à convection naturelle.	Comptoir en convection forcée et service avant.
Gondole à convection forcée et service par les deux côtés.	Vitrine à étagère et étagère inférieure refroidie.
Meuble horizontal d'exposition mobile.	Etal frigorifique de poissonnerie.
Meuble vertical ouvert en convection naturelle.	Meuble vertical ouvert en convection forcée.
Meuble vertical à palette réfrigérée.	Meuble vertical réapprovisionné par l'arrière.
Meuble vertical négatif à double circuit d'air.	Meuble mixte (gondole et armoire) négatif à porte.
Gondole de type ouverte à convection naturelle.	Gondole de type ouverte à convection forcée.
Gondole dissymétrique simple négative à couvercle.	Double gondole dissymétrique dos à dos à convection forcée et rideaux d'air.
Gondole négative fermée.

La distribution du froid au sein du meuble

Généralités

La distribution du froid dans les meubles frigorifiques est très difficile à mettre en oeuvre. Les géométries des meubles pouvant être très complexes, pour assurer l'apport de "frigories" au niveau de chaque denrée et en quantité suffisante, cela nécessite une recherche et des développements complexes de la part des constructeurs.

Les constructeurs se basent sur un régime stationnaire de transmission de chaleur pour dimensionner et tester les équipements composant le meuble frigorifique.

Cependant, les denrées alimentaires exposées dans les meubles frigorifiques, qu'ils soient ouverts ou fermés, subissent en permanence des perturbations ou des agressions dues aux variations des conditions de température et d'humidité de l'ambiance du chargement et du déchargement des denrées, ... Concrètement le régime stationnaire est purement théorique, mais néanmoins nécessaire à la classification, la normalisation et le dimensionnement des meubles.

En régime stationnaire (ou permanent), le transfert des "frigories" au sein du meuble frigorifique, suivant les modèles s'effectue de trois manières différentes :

• par conduction ;
• par convection ;
• par rayonnement.

Ces trois modes de transfert sont exploités de différentes manières, seuls ou mixés afin de refroidir efficacement les denrées dans le volume utile de chargement. On distingue principalement :

• le froid convectif ;
• le froid conductif ;
• le froid mixte.

Le froid convectif

Les constructeurs utilisent l'air comme vecteur de transport des "frigories" afin de retirer la chaleur des denrées qui subissent des perturbations thermiques internes et externes au volume utile de chargement des meubles.

Pour réaliser le refroidissement des denrées par convection, on utilise principalement deux techniques :

• refroidissement par convection naturelle ;
• refroidissement par convection forcée.

Refroidissement par convection naturelle

L'air circule par gravité de haut en bas au travers de l'évaporateur grâce à l'action des variations de masse spécifique et par conséquent de température. La vitesse de déplacement de l'air au travers des denrées est faible (de l'ordre de 0,2 m/s). Ce type de refroidissement offre l'avantage de mettre en oeuvre très peu d'énergie électrique au sein même du meuble si ce n'est l'éclairage des denrées (certaines vitrines s'en passent même). On l'utilise couramment pour les vitrines frigorifiques amenées à contenir des denrées fragiles et minces. La mise en mouvement de l'air par convection naturelle est régie par l'écart de température présent entre l'air et la surface des ailettes de l'évaporateur.

Refroidissement par convection forcée

L'air réchauffé au niveau des denrées par les apports externes et internes se déplace avec l'aide de moto-ventilateurs au travers de l'évaporateur où il se refroidit. La vitesse de l'air est contrôlable, ce qui permet de l'adapter en fonction du type de denrées exposées dans le volume utile de chargement : Des vitesses d'air faibles et proches des vitesses en convection naturelle (de l'ordre de 0,2 à 0,3 m/s) seront choisies pour assurer le maintien des températures de denrées non-emballées et fragiles en réduisant leur sensibilité à l'oxydation et à la dessiccation (perte d'eau et par conséquent de masse). Des vitesses d'air plus importantes conviennent plus aux denrées préemballées ou conditionnées. En convection forcée, la flexibilité de la distribution de l'air est importante et permet, par exemple, de diriger une partie du flux d'air directement sur les denrées à des endroits difficilement accessibles en convection naturelle.

Le froid conductif

Dans ce cas, les parois ou les accessoires refroidis des meubles frigorifiques participent par contact direct et par conduction au maintien des températures des denrées. Les parois peuvent être des évaporateurs à part entière lorsqu'elles sont parcourues, au travers de serpentins, par le fluide frigorigène.

Deux systèmes de maintien de la température des denrées par conduction sont exploités par les constructeurs de meubles :

• refroidissement par contact direct;
• refroidissement par contact indirect.

Refroidissement par contact direct

En froid positif, on s'arrange pour que la température des parois ne soit pas trop sous 0°C de manière à éviter le collage de la denrée contre la paroi par son gel superficiel. On retrouve ce type de refroidissement lorsque les denrées sont fragiles au refroidissement convectif (dessiccation).

En froid négatif, les parois froides isolées par l'extérieur forment un bac entourant les denrées. Dans les parois, côtés intérieur du meuble, un serpentin sert d'évaporateur. Dans ce type de meuble (gondole à faible volume), les denrées doivent être compactes et en contact intime avec les parois pour favoriser le transfert de chaleur des parois aux denrées et des denrées entre elles. Dans la figure ci-contre, les deux évaporateurs servent de piège à givre en condensant l'humidité de l'air ambiant proche de l'ouverture et de refroidisseur pour les denrées de surface qui absorbent de la chaleur par rayonnement.

Refroidissement par contact indirect

C'est le système typique des étals de poissonnerie où la température à coeur des poissons doit être maintenue aux alentours des 0 à +2 °C. Un lit de glace étalé sur une table refroidie constitue un refroidissement par contact indirect. Le lit de glace permet : L'hydratation des poissons en permanence par la fusion à température constante de la glace (0°C). De maintenir un excellent contact thermique entre la table, la glace et les denrées. De garder la température à coeur proche de 0°C en recouvrant les denrées de glace. D'éviter le gel des produits de la mer en les isolant de la plaque froide qui elle se trouve sous les 0°C. De réduire la puissance frigorifique de l'étal.

Le froid mixte

Ce type de meuble ou de vitrine frigorifique regroupe le froid convectif et conductif. On utilise ce système dans le cadre de l'exposition de denrées non emballées et relativement volumineuses. On évite de la sorte les problèmes lié :

Au froid convectif seul : La nécessité de descendre les températures d'évaporation de manière franchement négative (- 10 °C pour des températures à coeur des denrées de l'ordre de 0/+ 2 °C). Le besoin d'augmenter les vitesses de l'air entraînant des risques d'oxydation et de dessiccation des produits non emballés. La surface d'échange limitée. Au froid conductif seul : Des apports frigorifiques limités par simple contact. Le risque de gel des denrées (du moins en surface) dans les applications positives. Une température des denrées hétérogènes.

Les rideaux d'air

Problématiques

La plupart des meubles ou vitrines frigorifiques sont ouverts par rapport à l'ambiance du commerce. Cette configuration est voulue afin de permettre au consommateur de voir, de toucher et de disposer des denrées très facilement. Cependant, l'écart de température entre le volume réfrigéré et l'ambiance du magasin peut, dans certains cas, atteindre les 45 à 50 K.

Cas des meubles horizontaux

Théoriquement, la densité importante de l'air froid favorise son maintien dans le volume utile de chargement ; ce qui est une bonne chose. Néanmoins, dans la pratique, un simple courant d'air dans un meuble rempli à la limite de chargement compromet le fragile équilibre. De plus, le volume utile froid a une pression partielle de vapeur plus faible que celle de l'air ambiant au dessus du meuble entraînant le passage de vapeur d'eau de l'ambiance vers le meuble. Le résultat final est la condensation de la vapeur d'eau sur les parois du meuble ou sur les produits stockés sous forme d'eau, de neige, de givre ou de glace.

Cas des meubles verticaux

Dans ce cas de figure, l'air froid à tendance à s'écouler et sortir du meuble réfrigérant. Des études poussées ont été menées afin de déterminer le comportement du flux d'air froid en fonction du chargement du meuble. En effet : la position des denrées sur les étagères ; leur masse (inertie thermique) ; leur quantité (meuble vide, chargement total ou partiel) ; l'absence d'espace vide; la présence d'obstacle ; la présence de courant d'air dans l'ambiance du magasin (v > 0,2 m/s) ; ... change drastiquement le comportement aéraulique et thermique du meuble.

Solution

Pour limiter d'une part les échanges thermiques importants susceptibles de réchauffer et donc de dégrader les produits de consommation et d'autre part les pertes énergétiques au niveau de la production de froid, les fabricants ont introduit le rideau d'air.

Rôle des rideaux d'air

Comme on l'a vu ci-dessus, les rideaux d'air ont un rôle essentiel dans l'optimisation des meubles frigorifiques au niveau thermique et énergétique. Ils doivent permettre principalement :

• lLaccès aux denrées contenues dans le volume utile de chargement. De par sa composition intrinsèque, l'air n'offre pas de résistance et convient parfaitement.
• De préserver l'ambiance froide intérieure du meuble à la température de conservation désirée.
• De réduire et contrôler les échanges de chaleur sensible (dus aux écarts de températures entre l'ambiante du magasin et le meuble) ainsi les échanges d'humidité (dus aux écarts de pression partielle).
• D'évacuer les apports thermiques par rayonnement des parois extérieures sur les denrées par convection forcée.
• De maîtriser le bouclage de l'air en circuit fermé.

Type de rideaux d'air

On rencontre sur le marché différents types de rideaux d'air :

• selon le type de meuble, horizontaux, inclinés ou verticaux ;
• en circuit ouvert ou fermé;
• simple ou multiples (certaines configurations sont à 3 rideaux parallèles);
• à flux orienté ou non par des buses de soufflage;
• selon la direction du flux pour les meubles verticaux (de haut en bas ou l'inverse);
• selon la position (dans le volume réfrigéré, hors du volume réfrigéré, à la limite de chargement);
• laminaires ou turbulents;
• symétriques ou asymétriques;
• ...

Principales caractéristiques des rideaux d'air

Les différentes caractéristiques des rideaux d'air citées ci-dessous permettent d'évaluer l'efficacité thermique et énergétique que l'on peut attendre d'eux. Pour un rideau d'air type, on définit :

• la portée H équivalant à l'ouverture du meuble ou encore la distance entre la buse de soufflage et la bouche de reprise;
• la longueur Lv du rideau d'air correspondant à celle du meuble;
• l'épaisseur B au niveau de la buse de soufflage;
• la température t1, le titre de vapeur d'eau x1 et la vitesse v1 du flux d'air à la sortie de la buse de soufflage;
• la direction A du flux d'air par rapport à l'horizontale pour les meubles horizontaux (gondoles par exemple) et la verticale pour les verticaux;
• le sens (vers le bas, vers le haut, ...);
• les températures et les titres de vapeur d'eau que le rideau sépare :
  • ambiance du magasin (ta, xa);
  • ambiance interne du meuble (ti, xi)
• le débit massique M1 à la buse de soufflage et à la bouche de reprise.

Les rideaux d'air symétriques

On dit d'un rideau d'air qu'il est symétrique lorsque le profil de vitesse par rapport à l'axe du flux du rideau est symétrique. Comme le montre la figure ci-contre, sur la hauteur de l'ouverture du meuble, le flux d'air du rideau, par frottement et turbulence entraîne ou induit tant à l'extérieur qu'à l'intérieur des masses d'air grandissantes qui le freinent et l'alourdissent. L'induction des masses d'air tant externe qu'interne a pour effet de réchauffer le rideau d'air et de le charger en humidité en évitant ainsi qu'elle ne puisse migrer vers l'intérieur du meuble. A la bouche de reprise, les masses induites tant à l'extérieur qu'à l'intérieur par le rideau d'air sont séparées : à l'extérieur, une certaine quantité d'air froid est perdue; à l'intérieur, une circulation secondaire se crée. L'induction de l'air à l'extérieur correspond sensiblement à la perte d'air froid à la bouche de reprise. En d'autres termes, plus le rideau est efficace moins il induit d'air ambiant et moins il rejette d'air froid à la bouche de reprise. L'air aspiré à la reprise a vu son enthalpie (son niveau énergétique) augmenter et par conséquent devra être refroidi au travers de l'évaporateur avant de recommencer un cycle. À noter que l'humidité qui a migré dans le rideau d'air se condensera sur l'évaporateur, d'où la nécessité de dégivrer régulièrement les évaporateurs pour éviter qu'ils ne "prennent en glace". Pour un meilleur bilan énergétique et thermique du meuble, il est nécessaire : de réduire l'induction de l'air extérieur en diminuant la vitesse du rideau d'air et les turbulences; d'augmenter l'échange thermique au travers de l'évaporateur et donc le débit. Pour concilier ces deux nécessités antinomiques, les constructeurs ont placé sur les meubles verticaux par exemple des panneaux munis de bouches de soufflage (système en cascade) répartissant ainsi le flux d'air refroidi à la sortie de l'évaporateur entre les bouches secondaires et le rideau d'air. Il en résulte un débit au rideau d'air optimisé et un débit maximum au travers de l'évaporateur.

Les rideaux d'air asymétriques

On dit d'un rideau d'air qu'il est asymétrique lorsque le profil de vitesse par rapport à l'axe du flux du rideau est asymétrique. En général, on s'arrange pour que la vitesse à proximité de la limite de chargement soit plus importante que celle qui induit l'air ambiant tout en évitant que le flux devienne turbulent. Ce dispositif permet : par convection, d'évacuer rapidement la chaleur accumulée en surface supérieure des denrées par rayonnement; de réduire l'induction de chaleur et d'humidité de l'extérieur. En général, on privilégie des rideaux d'air épais de manière à obtenir des débits suffisants à l'évaporateur pour un refroidissement efficace tout en garantissant des vitesses faibles de déplacement de l'air au niveau de l'ouverture du meuble.

Les évaporateurs

Spécificités

Les évaporateurs qui équipent les meubles frigorifiques sont assez différents des évaporateurs classiques. En effet, non seulement il est nécessaire d'optimiser la compacité des meubles afin de réduire leur emprise sur la surface de vente, mais aussi le volume utile de chargement. Ces deux critères font en sorte que l'espace réservé à l'évaporateur est réduit.

La conception et le dimensionnement des évaporateurs sont différents aussi selon que les meubles frigorifiques travaillent :

• en convection forcée;
• en convection naturelle;
• en conduction.

Convection forcée

La technologie des évaporateurs par convection forcée fait appel à un flux d'air qui échange sa chaleur à une batterie d'ailettes en aluminium en contact intime avec un réseau de tubes en cuivre dans lequel circule un fluide frigorigène comme montré ci-dessous.

Puissance frigorifique

En pratique, les fabricants réalisent des évaporateurs relativement plats, mais longs afin de ne pas perdre trop de puissance frigorifique. Cette puissance frigorifique s'exprime par la relation suivante :

Po = Ko x SE x tmln [W] Po = coefficient global d'échange moyen [W/m².K]. Ce coefficient Koprend en compte les échanges externes de chaleur tant sensible que latente (transfert de masse en eau ou en givre sur les surfaces externes des ailettes) entre l'air et les ailettes, et les échanges internes entre le fluide frigorigène et la surface interne des tubes. SE = surface d'échange externe [m²]. Pour un volume donné, la surface SE est approchée par la relation suivante : SE ~ 2 x VE / p [m²] VE = le volume de l'évaporateur. tmln = écart de température moyen logarithmique [K]. Cet écart théorique est représenté par la formule suivante : tmln = t1 - t2 / ln (t1 - t0 / t2 - t0) [K] t1 = la température de l'air à l'entrée de l'évaporateur. t2 = la température de l'air à la sortie de l'évaporateur.

Ordre de grandeur de puissance frigorifique

Le calcul de la puissance d'un évaporateur est très complexe. Aussi, il est plus simple dans la pratique de donner des ordres de grandeur de puissance frigorifique en fonction du type de comptoir.

FROID NEGATIF
Type de comptoir en convection forcée	Rideau d'air	Surface d'exposition [m²/ml]	Température d'application [°C]	Température d'évaporation [°C]	Puissance frigorifique [W/ml]
Gondole "self-service"	horizontal asymétrique laminaire	0,8	- 18 à -20	- 35	420 / 450
		1,1	- 23 à -25		630 / 670
Meuble vertical "self service"	triple rideau parallèle et turbulent	1	- 18 à -20		1 900 / 2 100
Meuble vertical "self-service" à portes vitrées	intérieur turbulent	0,84	- 23 à -25		800 / 860
Condition climatique de l'ambiance : régime établi à 25 °C et HR de 60 %.

Convection naturelle

Les comptoirs à convection naturelle sont plus utilisés dans le commerce de détail. Les évaporateurs quant à eux ressemblent à ceux utilisés en convection forcée. L'air traverse l'évaporateur de haut en bas en se basant sur l'effet de mise en mouvement de l'air par la présence d'une différence de température entre l'air et les surfaces de l'évaporateur.

Puissance frigorifique

Un peu comme en convection forcée, la puissance frigorifique s'exprime par la relation principale suivante :

Po = f1 x eN  x SE x tN [W] f1= coefficient prenant en compte la puissance latente due au transfert de masse en l'air humide et la surface de l'évaporateur (eau et givre). eN  = coefficient d'échange moyen en convection naturelle [W/m².K]. SE = surface d'échange externe [m²]. Pour un volume donné, la surface SE est approchée par la relation suivante : SE ~ 2 x VE / p [m²] VE = le volume de l'évaporateur. tN = écart de température entre la température de l'air à l'entrée de l'évaporateur et la température de surface de l'ailette.

Ordre de grandeur de puissance frigorifique

FROID POSITIF
Type de comptoir en convection forcée	Surface d'exposition [m²/ml]	Température d'application [°C]	Température d'évaporation [°C]	Puissance frigorifique [W/ml]
Vitrine pour les commerces de détail principalement	0,8 (protection de la vitrine par rapport à l'ambiance sous forme de vitrage	+ 2 à + 4	- 10	200 / 220
Condition climatique de l'ambiance : régime établi à 25 °C et HR de 60 %.

Conduction

Dans le cas des étals par exemple, on s'arrange pour que la température de la "plaque froide" soit plus basse que celle des denrées qui sont en contact avec elle. Le système utilise une plaque en inox en contact thermique intime avec un serpentin de tuyau en cuivre. Les déperditions "négatives" ou pénétrations de la chaleur au dos de l'ensemble de la plaque et du serpentin et le risque de condensation sont limitées par un isolant performant. En pratique, on s'arrange pour que l'écart de température entre la plaque froide et le fluide réfrigérant soit aux alentours des 5 K. Par cet écart, on tient compte :

• de la perte d'efficacité due au contact limité entre la plaque et le serpentin;
• de l'effet ailette de la plaque froide inter-tube ;
• de l'imperfection de l'isolation ;
• ...

La puissance frigorifique s'exprime approximativement par la relation principale suivante :

Po = Sp  x A  x (ta - tsf) [W] Sp = surface de la plaque froide [m²]. A = coefficient d'échange moyen [W/m².K]. Il vaut de l'ordre de 10 pour une plaque disposée au sein d'une vitrine et 16 pour une plaque en contact direct avec l'air ambiant. ta = température ambiante [K]. tsf = température moyenne de la surface de la plaque froide [K].

Protections des ouvertures

Rôles

Les protections d'ouverture des meubles frigorifiques sont indispensables sur le plan de la conservation des denrées ainsi qu'au niveau énergétique lorsque les commerces ne sont plus occupés (la nuit, les dimanches, ...). En effet, les 2/3 du temps les commerces sont fermés. Les déperditions "négatives" ou pénétrations thermiques des meubles sont principalement dues aux ouvertures (pertes par induction et rayonnement) et représentent les 3/4 des kWh perdus lorsqu'on établit le bilan énergétique du meuble, mais aussi du groupe frigorifique associé. D'où la nécessité pendant les périodes d'inoccupation de prévoir des protections. On les appelle communément les rideaux ou les manteaux de nuit.

  

Risques des protections

Généralement, les risques majeurs lors du placement de protection des ouvertures sont :

• le gel des denrées;
• le mauvais fonctionnement des compresseurs frigorifiques ("court-cycle");
• la condensation d'eau sur les denrées.

Caractéristiques

Les technologies utilisées pour les protections de nuit sont diverses et inventives. On citera :

• Les rideaux de nuit manuels et automatiques (motorisation sur horloge par exemple) qui peuvent équiper la plupart des meubles frigorifiques qu'ils soient horizontaux, verticaux, positifs ou négatifs. Ces rideaux sont généralement composés d'une toile souple, peuvent être réfléchissants (limitation de l'échange par rayonnement), microperforés (réduction du risque de condensation). Enfin, les rideaux peuvent être placés devant ou derrière le rideau d'air.
• Les couvertures souples, rigides non isolées, rigides isolées. Il est bien entendu que les couvertures rigides isolées constituent le "must" des protections puisqu'elles isolent complètement les denrées des agressions externes. Elles conviennent bien pour les applications en froid négatif horizontal. Suivant qu'elles sont placées au-dessus (risque de condensation sur la face supérieure) ou en dessous, les couvertures doivent permettre la réception d'eau de condensation. En froid négatif, les couvertures peuvent permettre de gagner entre 4 et 10 K de température au niveau des denrées les plus sollicitées.

L'éclairage

Spécificités

Les éclairages des meubles frigorifiques doivent remplir une mission particulière. Spécifiquement, ils sont sensés : Mettre en évidence les denrées contenues dans le volume utile de chargement pour favoriser la vente. Eviter l'éblouissement des clients et du personnel. Répartir uniformément le flux lumineux. Eviter de réchauffer les denrées. Et naturellement avoir un rendement énergétique performant.

Caractéristiques

La technologie utilisée dans le froid alimentaire est souvent celle des tubes fluorescents disposés derrière des frontons, sous les étagères, .... Ce type d'éclairage est efficace tant au niveau du confort, de la vente et énergétique pour autant que l'ambiance autour des tubes ne soit trop froide. En effet, les basses températures affectent fort le rendement lumineux des lampes fluorescentes.

Tubes fluorescents

A en croire la modularité des meubles frigorifiques, on dirait presque que c'est la technologie du froid alimentaire qui s'est adaptée à celle de l'éclairage plutôt que l'inverse. Effectivement, les modules de 1,2 m permettent d'intégrer très facilement des tubes fluorescents de la gamme des T8 ainsi que des T5.

Tube fluorescent sous tablette.

Modularité	Technologie T8	Technologie T5
1,2 m	36 W	28, 54 W
1,5 m	58 W	35, 49 W

LED de puissance

Actuellement, des constructeurs sont en train d'effectuer des essais sur les bandeaux de LED de puissance. Il est encore trop tôt pour se prononcer sur l'avenir des LED dans les comptoirs frigorifiques.