Sommaire
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Certifications et normes
Les certifications 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 les installations entre elles 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.
EUROVENT 
site
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 égal 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.
Les essais sont effectués en fonction du type de meuble et dans des conditions d’ambiance prédéfinies et pour des températures de denrées spécifiques à l’usage du meuble :
Les types d’application
|
Application à utiliser pour |
Température positive Denrées réfrigérées |
Température négative Denrées congelées, surgelées et crèmes glacées |
|---|---|---|
| Horizontal | ||
| 1 | Réfrigéré, service par le personnel. | Surgelé. |
| 2 | Réfrigéré, service par le personnel. | Surgelé, avec réserve incorporée. |
| 3 | Réfrigéré, ouvert, mural. | Surgelé, ouvert, muraltop, … |
| 4 | Réfrigéré, ouvert, îlot. | Surgelé, ouvert, îlot. |
| 5 | Réfrigéré, vitré,mural. | Surgelé, vitré,mural. |
| 6 | Réfrigéré, vitré, îlot. | Surgelé, vitré, îlot. |
|
Vertical
|
||
| 1 | Réfrigéré, semi-vertical. | Surgelé, semi-vertical. |
| 2 | Réfrigéré, à étagères. | Surgelé, à étagères. |
| 3 | Réfrigéré, pour chariot à façade amovible. | |
| 4 | Réfrigéré, à portes vitrées. | Surgelé, à portes vitrées. |
| Combiné | ||
| 2 |
Réfrigéré, haut ouvert, bas ouvert.
|
Surgelé, haut ouvert, bas ouvert.
|
| 2 |
Réfrigéré, haut ouvert, bas fermé.
|
Surgelé, haut ouvert, bas fermé.
|
| 3 |
Réfrigéré, haut à portes vitrées, bas ouvert.
|
Surgelé, haut à portes vitrées, bas ouvert.
|
| 4 |
Réfrigéré, haut à portes vitrées, bas fermé.
|
Surgelé, haut à portes vitrées, bas fermé.
|
| 5 |
Multi température, haut ouvert, bas ouvert.
|
|
| 6 |
Multi température, haut ouvert, bas fermé.
|
|
| 7 |
Multi température, haut à portes. vitrées, bas ouvert.
|
|
| 8 |
Multi température, haut à portes vitrées, bas fermé.
|
|
Source : Eurovent.
Les conditions d’ambiance sont :
| Classes de climat des chambres test | Température sèche [°C] | Humidité relative [%] | Point de rosée [°C] | Humidité absolue [gd’eau/kgair 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 |
Source : Eurovent.
Les classes de températures des paquets de denrées test sont :
| Classe de température des paquets tests | La plus haute température du paquet test le plus chaud doit être inférieure | La plus basse température du paquet test le plus froid doit être supérieure | La plus basse température du paquet test le plus chaud doit être inférieure |
|---|---|---|---|
| L1 | -15 | – | -18 |
| L2 | -12 | – | -18 |
| L3 | -12 | – | -15 |
| M1 | 5 | -1 | – |
| M2 | 7 | -1 | – |
| H1 | 10 | +1 | – |
| H2 | 10 | -1 | – |
Consommation d’énergie annuelle conventionnelle CAEC
La consommation d’énergie électrique de réfrigération (REC) est une valeur conventionnelle qui ne peut pas être directement utilisée pour calculer la consommation d’énergie annuelle dans un magasin. Pour obtenir une idée grossière de la consommation annuelle d’un meuble, une formule conventionnelle a été acceptée par les fabricants participant au programme de certification EUROVENT pour un meuble ouvert, réfrigéré à étagères, sans rideau de nuit.
|
CAEC [kWh/m².an] = 365 [jours/an] x (DEC + 0,5 x REC) [kWh/j] / TDA [m²] où :
|
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 de terrain.
Les valeurs ont été établies pour les classes de température des paquets M (sans rentrer dans les détails, les paquets sont eux aussi normalisés afin de reproduire le plus fidèlement possible le comportement des denrées) 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 |
| 3H2 | 9,6 | |
| IVC1, IVC2, (IVC3) | 3H2 | 17,3 |
| 3H2 | 21,0 | |
| IVC4 | 3M1 | 13,9 |
| IHF1, IHF3, IHF4 | 3L3 | 21,5 |
| 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 |
Norme
EN ISO 23953 : Meubles frigorifiques de vente- partie 2 : classification, exigences et méthodes d’essai (ISO 23953 : 2005)
EUROVENT se base principalement sur cette norme pour certifier les meubles frigorifiques.
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 précises.
| Exemple.
Un meuble RVC1 travaillant dans une classe de température 3H2 signifie que :
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 :
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 : Pmoyen = TEC x (TDA / L) / 24 [kW/ml] (où ml = mètre linéaire) Pmoyen = 12,5 [kWh/jour.m²] x (2,73 [m²] / 2,1 [m]) / 24 [h/jour] Pmoyen = 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.
Apport thermiques
Le meuble frigorifique subit en permanence des agressions de l’extérieur ou de l’intérieur sous forme d’apports thermiques et hydriques. l’évaporateur installé dans le meuble doit en permanence les combattre par échange thermique :
- avec l’air pour les évaporateurs qui travaillent en convection naturelle ou forcée;
- avec les plaques de contact pour les évaporateurs prévus pour l’échange par conduction.
On retrouve différents apports, 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 Ppen (convection de surface et conduction au travers des parois);
- les apports de chaleur par les ouvertures libres via ou pas le rideau d’air Pind (induction de l’air de l’ambiance);
- les apports de chaleur par rayonnement Pray des parois de l’ambiance avec celle du meuble.
Apports de chaleur par pénétration Ppen
Les parois des meubles se composent généralement de panneaux sandwich (acier/isolant/acier) qui limitent les pénétrations de chaleur par conduction de l’ambiance des zones de vente vers l’intérieur du meuble. Les déperditions négatives ou pénétrations au travers des parois sont fonction :
- de la composition des parois;
- de l’importance des surfaces de pénétration;
- de l’écart de température de part et d’autre des parois.
On évalue l’apport de chaleur par pénétration Ppen par la relation suivante :
|
Ppen = K moyen_paroi x Sparoi x (Tambiance – Tinterne) [W] |
Pour autant que l’écart de température entre l’ambiance et l’intérieur du meuble frigorifique reste constant, les apports internes par pénétration sont théoriquement constants de jour comme de nuit.
Apports de chaleur par induction du rideau d’air Pind
Les meubles frigorifiques ouverts sont les “mauvais élèves énergétiques” des commerces dans le sens où le rideau d’air qui protège chaque meuble agit comme un véritable piège à chaleur tant sensible que latente. Non seulement il climatise l’ambiance (en température) mais aussi il l’a déshumidifié. En effet, il n’est pas rare d’observer des ambiances de vente où le taux d’humidité reste aux alentours des 30 %. Pour autant que le rideau d’air soit mal réglé ou perturbé par des denrées, des porte-prix, …, l’échange thermique de l’ambiance avec le meuble peut changer du tout au tout.
L’apport de chaleur par induction dépend de beaucoup de facteurs. On citera principalement :
- le taux d’induction Xrideau_air du rideau d’air. Celui-ci représente l’efficacité du rideau d’air et est défini comme le rapport m a/mrideau_air où :
- ma = débit massique d’air de l’ambiance externe entraînée et induite par le rideau d’air en [kg/s];
- mrideau_air = débit massique du rideau d’air en [kg/s].
- le débit massique m rideau_air du rideau d’air en [kg/s];
- de l’écart d’enthalpie (chaleur sensible et latente) (hambiance – hinterne) entre l’ambiance externe et interne au meuble en [kJ/kg].
On évalue l’apport de chaleur par induction Pind par la relation suivante :
|
Pind = Xrideau_air x mrideau_air x (hambiance – hinterne) x 1000 [W] |
Lorsqu’on veut évaluer les apports par induction de jour et de nuit, ils sont différents sachant qu’en pratique les commerçants équipent généralement leurs meubles de rideaux de nuit. L’induction d’air de la zone de vente vers les meubles est alors fortement réduite. On peut considérer que le rideau d’air agit comme une paroi mince soumise une convection interne importante (de par le rideau d’air en fonctionnement permanent) et une convection externe faible.
Lorsque les rideaux de nuit sont placés devant l’ouverture des meubles, l’apport de chaleur par induction devient :
|
Pind = Kmoyen_rideau x Srideau x (Tambiance – Tinterne) [W] |
Apports de chaleur par rayonnement des parois Pray
Les denrées à l’intérieur des meubles et les parois de la zone de vente (plafond par exemple) qui se voient mutuellement, échangent de la chaleur par rayonnement pour autant qu’elles soient à des températures différentes. Les parois chaudes du plafond (à 30 °C par exemple) réchauffent les denrées visibles du plafond.
L’apport de chaleur par rayonnement est assez complexe à mettre en évidence. En simplifiant, cet échange dépend :
- de la surface d’ouverture du meuble A ouverture en [m²];
- de l’écart de température entre l’intérieur du meuble et la température des parois vues par l’ouverture du meuble en (tparoi – ti) [K];
- du coefficient équivalent d’échange par rayonnement hro de deux corps noirs parallèles en [W/m².K];
- du facteur de correction d’émission mutuelle entre deux corps gris (thermiquement) φ1de surface parallèle;
- du facteur d’angle φ2associé à φ1 lorsque les surfaces ne sont pas parallèles
On évalue l’apport de chaleur par rayonnement Qray par la relation suivante :
|
Pray = hro x Aouverture (Tparoi – T i) x φ1 x φ2 [W] |
Tout comme les apports par induction, ceux par rayonnement sont influencés de nuit par la pose du rideau de nuit. Pour autant que le rideau de nuit soit légèrement isolant la température de paroi du rideau sera plus élevée et échangera moins avec les parois de la zone de vente. En régime de nuit, en simplifiant, on peut considérer que les principaux apports par l’ouverture du meuble sont des apports par pénétration du rideau de nuit dont on inclurait la composante par rayonnement.
La relation en période de nuit devient alors :
|
Pray = Krideau_nuit x Aouverture (Tparoi – T i) [W] |
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 Pecl;
- les apports de chaleur par l’intégration des moteurs des ventilateurs dans le réseau de distribution d’air du meuble Event (le moteur chauffe);
- les apports de chaleur des cordons chauffants Pcordon_chauf;
- les apports de chaleur ponctuels par les systèmes de dégivrage Pdeg.
Apports de chaleur par l’éclairage
L’éclairage dans le volume utile de chargement contribue aussi au réchauffement des denrées alimentaires. La chaleur évacuée par l’évaporateur est grosso modo la puissance électrique qui alimente l’éclairage, à savoir la puissance des lampes et des auxiliaires s’ils sont placés dans le volume utile. Généralement, ce sont des tubes fluorescents qui équipent les meubles frigorifiques. Les ballasts qui les alimentent peuvent se trouver ou pas dans le volume utile; d’où l’importance d’avoir des luminaires énergétiquement performants.
L’apport de chaleur procuré par les éclairages est repris dans la relation suivante :
|
Pecl = Pélectrique_luminaire + Pélectrique_ballast (si dans le volume utile de chargement) [W] |
Apports de chaleur des ventilateurs
Les ventilateurs placés dans la reprise d’air, en amont des évaporateurs, dissipent aussi leur chaleur. Tout comme l’éclairage placé dans le volume utile, la puissance électrique alimentant les ventilateurs est transformée en chaleur.
On évalue l’apport de chaleur des ventilateurs Pvent par la relation suivante :
|
Pvent = Pélectrique_ventilateur [W] |
Apports de chaleur dû au dégivrage
Le dégivrage est un mal nécessaire sachant que les meubles frigorifiques ouverts sont des déshumidificateurs puissants. L’humidité de l’air de l’ambiance se retrouve sous forme de givre, de gel ou encore de glace (quand il est trop tard) sur les ailettes de l’évaporateur. L’apport de chaleur lors de l’opération de dégivrage est ponctuel.
On évalue l’apport de chaleur du dégivrage Pdeg par la relation suivante :
|
Pdeg = Pélectrique_dégivage [W] |
- en froid positif, on essaye d’effectuer un dégivrage naturel en coupant l’alimentation de l’évaporateur en froid;
- en froid négatif, on effectue des dégivrages par des résistances chauffantes placées sur l’évaporateur.
Apports de chaleur dû aux cordons chauffants
Les cordons chauffants sont en général placés au niveau des vitrages afin de réduire les risques de condensation au niveau des surfaces vitrées (porte vitrée, miroir, …), des ponts thermiques inévitables, …
On évalue l’apport de chaleur dû aux cordons chauffants Pcord_chauf par la relation suivante :
|
Pcord_chauf = Pélectrique_cordon_chauffant [W] |
Bilans thermique et énergétique
L’évaluation du bilan thermique 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 marques différentes (voir certification EUROVENT).
Évaluation théorique des consommations journalières
L’évaluation théorique du bilan énergétique journalier est plus parlant que le bilan thermique des puissances mises en jeu, car elle 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.
| Pour évaluer le coefficient de conductivité thermique d’une paroi. |
Bilan thermique
Les bilans thermiques instantanés de jour et de nuit sont différents. Ils s’expriment par la somme des déperditions tant internes qu’externes selon la période de la journée, à savoir :
| Bilan thermique instantané de jour Pjour =
Σ P apports_jour = P pen + Pind_jour + Pray_jour + Pecl + Pvent [W] Bilan thermique instantané de nuit Pnuit = Σ P apports_nuit = P pen + Pind_nuit + Pray_nuit + Pvent [W] |
Bilan énergétique
Le bilan énergétique journalier représente l’énergie nécessaire à l’évaporateur du meuble frigorifique pour vaincre les apports internes et externes. Il s’écrit de la manière suivante :
|
Bilan énergétique meuble positif Q Q = Pjour x tjour + Pnuit x tnuit [kWh/jour] Bilan énergétique meuble négatif Q Q = Pjour x tjour + Pnuit x tnuit + Pdégivrage x nbre_dégivr x tdégivr [kWh/jour] avec :
|
Calculs du bilan énergétique d’un meuble ouvert vertical positif
Bilan énergétique
| Pour évaluer le bilan énergétique d’un meuble frigorifique ouvert vertical. |
L’énergie frigorifique journalière est l’énergie froid consommée par l’évaporateur du meuble ouvert. Le bilan énergétique issu du calcul théorique est repris dans le tableau suivant :
|
Q = Pjour x tjour + Pnuit x tnuit [kWh/jour] |
|||
| Apports de chaleur | Énergie de jour (10 heures/jour) | Energie de nuit (14 heures/jour) | Energie total journalière |
| Pénétration | 1,4 | 1,9 | 3,3 |
| Induction | 20,7 | 8,2 | 28,9 |
| Rayonnement | 3,2 | 0 | 3,2 |
| Ventilation/cordon chaud | 2,1 | 2,9 | 5,0 |
| Éclairage | 2,9 | 0 | 2,9 |
| Total | 43,5 | ||
| Total/m² | 43,5/4,25 = 10,23 [kWh/m².jour] | ||
Pour ce cas de figure, le bilan énergétique est repris ci-dessous :
Meuble frigorifique vertical : bilan énergétique journalier.
Puissance frigorifique de l’évaporateur
Vu la présence d’un système de dégivrage électrique (en négatif, le dégivrage naturel ne suffit pas), la détermination de la puissance frigorifique du meuble doit s’effectuer en partant de l’énergie journalière. Soit :
|
P0 = Q / (24 – nombredégivrage x tempsdégivrage) |
Puissance frigorifique spécifique
La puissance frigorifique spécifique ou couramment connue sous le nom de puissance par mètre linéaire de meuble frigorifique est de :
|
Pml = P 0 / longueur du meuble Pml = 3100 / 7,5 Pml = 413 [W/ml] |
Commentaires
- Une majorité importante des apports sont dus à l’induction au travers du rideau d’air (cousu de fil blanc) en journée; d’où l’importance de la maîtrise du rideau d’air;
- pour être tout à fait rigoureux dans le calcul de l’énergie consommée par le meuble frigorifique, il faudrait tenir compte de l’énergie consommée par le dégivrage des évaporateurs. Cependant, fréquemment, le dégivrage s’effectue par la coupure de la production de froid alimentant l’évaporateur, signifiant que seule la relance après le dégivrage consommera de l’énergie à l’évaporateur; la figure suivante montre que l’énergie mise en jeu pour compenser un dégivrage par arrêt de l’évaporateur est difficile à évaluer, mais intuitivement reste faible par rapport à l’induction.
Profil de puissance d’une centrale de froid.
- Le graphique ci-dessus montre aussi que, dans la pratique, le rapport puissance à l’évaporateur de jour et de nuit est de l’ordre de 1.8 plutôt que 3. En effet, l’efficacité du rideau de nuit n’est pas aussi bonne que l’on pourrait s’y attendre théoriquement.
- Le calcul théorique de l’énergie frigorifique journalière du meuble est de 10,23 [kWh/m².jour]. Pour pouvoir la comparer par rapport à la TEC d’EUROVENT il serait nécessaire d’y ajouter la consommation du groupe de froid. Pour une installation performante (COP de 4 par exemple), la consommation du compresseur serait de l’ordre de 10,23 / 4 = 2.56 [kWh/m².jour]. On en déduit le TEC = 10,23 + 2.56 = 12,8 [kWh/m².jour]. En se référant au tableau de la moyenne européenne des TEC, pour ce type de meuble, TEC = 10,1 [kWh/m².jour].
Calculs du bilan énergétique d’un meuble ouvert horizontal négatif
Bilan énergétique
| Pour évaluer le bilan énergétique d’un meuble frigorifique ouvert horizontal négatif. |
L’énergie frigorifique journalière est l’énergie froide consommée par l’évaporateur du meuble ouvert. Le bilan énergétique issu du calcul théorique est repris dans le tableau suivant :
| Q = Pjour x tjour + Σ P apports_nuit x tfermeture + Pdégivrage x nbre_dégivr x tdégivr [kWh/jour] | |||
| Apports de chaleur | Energie de jour (10 heures/jour) | Energie de nuit (14) heures/jour) | Energie total journalière |
| Pénétration | 4,2 | 5,9 | 10,1 |
| Induction | 13,1 | 12,4 | 25,6 |
| Rayonnement | 15,5 | 0 | 15,5 |
| Ventilation/ cordon chaud | 4,4 | 6,1 | 10,5 |
| Dégivrage | 9,6 | 0 | 9,6 |
| Total | 71,4 | ||
| Total/m² | 71,4/8,25 = 8,6 kWh/m².jour] | ||
Pour ce cas de figure, le bilan énergétique est repris ci-dessous :
Meuble frigorifique vertical : bilan énergétique journalier.
Puissance frigorifique de l’évaporateur
Vu la présence d’un système de dégivrage électrique (en négatif, le dégivrage naturel ne suffit pas), la détermination de la puissance frigorifique du meuble doit s’effectuer en partant de l’énergie journalière. Soit :
|
P0 = Q / (24 – nombredégivrage x tempsdégivrage) P0 = 71,4 / (24 – 2 x 0.5) P0 = 3.1 [kW] |
Puissance frigorifique spécifique
La puissance frigorifique spécifique ou couramment connue sous le nom de puissance par mètre linéaire de meuble frigorifique est de :
|
Pml = P 0 / longueur du meuble Pml = 3 100 / 7,5 Pml = 413 [W/ml] |
Commentaires
- La puissance par mètre linéaire d’un meuble frigorifique horizontal négatif est moins énergivore que son homologue vertical positif de par la conception qui induit des échanges thermiques avec l’ambiance plus importants.
- Pour autant que l’on puisse correctement contrôler les déperditions de nuit, les consommations énergétiques peuvent être limitées de manière drastique.
- Le calcul théorique de l’énergie frigorifique journalière du meuble est de 8,6 [kWh/m².jour]. Pour pouvoir la comparer par rapport au TEC d’EUROVENT il serait nécessaire d’y ajouter la consommation du groupe de froid. Pour une installation performante (COP de 2,5 en froid négatif par exemple), la consommation du compresseur serait de l’ordre de 8,6 / 2,5 = 3,5 [kWh/m².jour]. On en déduit le TEC = 8,6 + 3,5 = 12,1 [kWh/m².jour]. En se référent au tableau de la moyenne européenne des TEC, pour ce type de meuble, TEC = 13 [kWh/m².jour].
Puissances frigorifiques spécifiques et températures
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 | 0,25 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 |
Température
La puissance frigorifique est toujours liée à une température d’évaporation qui permet de tenir la température de consigne au sein du meuble frigorifique.
| 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 |
| -23/-25 | -33 à -38 |
Bilan énergétique par simulation
Les valeurs des bilans énergétiques sont des valeurs approchées instantanées qui ne tiennent pas compte des variations du climat intérieur au magasin lui-même influencé par des paramètres tels que :
- les conditions climatiques externes (températures, humidité, ensoleillement, vent, pluie, …);
- le profil d’occupation du magasin;
- les apports internes (rayon HiFi, type d’éclairage et leur gestion, …);
- …
Une simulation a été réalisée à partir de TRNSYS (logiciel de simulation dynamique du comportement thermique des bâtiments en fonction du climat externe) en modélisant une surface de 2 000 m². On tient compte :
- de la composition des parois de l’enveloppe;
- des systèmes de ventilation, de chauffage, de climatisation et de leur gestion;
- de l’occupation des surfaces de vente, des réserves, … (profil d’occupation hebdomadaire);
- des apports internes d’éclairage, …;
Apports en fonction de la température externe
Sur une année climatique de référence (8 760 heures) les apports tant internes qu’externes varient en permanence. Les agressions thermiques, elles aussi, changent. En quelle proportion ? C’est ce que la simulation dynamique tente de montrer.
Simulation
Il est extrêmement rare que des meubles frigorifiques soient dans des conditions de fonctionnement nominal. Une manière d’évaluer les variations de la puissance frigorifique nécessaire au meuble frigorifique pour assurer la continuité de la chaîne de froid (température constante) en fonction des agressions thermiques, est de décortiquer les différentes puissances quand le climat interne au magasin varie. Bien que les systèmes HVAC (Heating Ventilation Air Conditioning) soient prévus pour assurer le confort du personnel et des clients au sein des zones de vente et, par conséquent, capables de maintenir un climat stable dans le magasin, les variations de températures et d’humidité sont inévitables de par :
- les apports internes,
- les courants d’air;
- le climat externe ;
- ….
Une manière intéressante de quantifier les variations relatives des apports aux meubles, est de voir leur évolution pour une semaine en période froide et chaude.
Période froide
Sur le graphe ci-dessus, l’évolution des apports est représentée sur une période d’une semaine. On constate que :
- le climat intérieur évolue en fonction du climat externe et des apports internes. On voit en effet les apports évoluer selon plus ou moins le même profil que la température externe. Le déphasage et la pente différente de la courbe de température externe résultent respectivement de l’inertie du bâtiment et des denrées et de la variation différente des apports internes liés à l’activité du magasin;
- lors de l’inactivité du magasin (en dehors des heures d’ouverture de semaine et le dimanche), les apports sont fortement réduits de par la pose des rideaux de nuit et de la coupure de l’éclairage;
- les apports par induction au travers du rideau d’air sont importants; ce sont eux qui sont fortement influencés par les conditions d’ambiance internes et indirectement externes.
Période chaude
De même que pour la période froide, sur le graphe ci-dessus, l’évolution des apports est représentée sur une période d’une semaine en période chaude. On constate de nouveau que :
- les apports par induction prennent la mesure sur les autres apports. Il est donc important d’optimiser le rideau d’air.
Puissance frigorifique
Le graphe ci-dessous exprime la variation des apports en fonction de la température extérieure. Le total représente la puissance nécessaire à l’évaporateur pour combattre les apports tant internes qu’externes au meuble frigorifique.
Commentaires
On constate qu’effectivement c’est l’induction de l’air de la zone de vente par le rideau d’air du meuble qui varie en fonction du climat externe. La puissance à l’évaporateur peut atteindre :
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en période de canicule, de 1 200 à 1 400 [W/ml];
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en période froide normale, de 400 à 600 [W/ml].
Au vu de ces valeurs, la sollicitation de la machine frigorifique (compresseur principalement) risque d’être importante non seulement au niveau de l’évaporateur, mais aussi au niveau du condenseur (directement influencé par les conditions climatiques externes).
Influence du rideau d’air
Comme souvent mentionné ci-avant, 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 voir plus dans certaines conditions.
Écart de température au niveau des meubles frigorifiques positif et négatif.
Problèmes liés aux meubles frigorifiques ouverts
Les meubles horizontaux
Les meubles frigorifiques horizontaux sont dans une situation instable dans le sens où :
- un rien (courant d’air, chargement, …) peut perturber l’équilibre par rapport à la différence de densité entre l’air chaud au dessus de l’ouverture du meuble qui a tendance à monter et l’air froid plus lourd qui a, quant à lui, tendance à vouloir descendre et rester confiné dans le meuble (effet baignoire). Ceci est vrai d’autant plus que le volume utile du meuble est rempli de denrées;
- comme un meuble frigorifique ouvert agit comme un véritable déshumidificateur de l’air ambiant (la pression partielle de l’air dans le meuble est plus faible que celle dans l’air ambiant de la zone de vente), du givre, de la neige ou encore de la glace se forme sur les denrées.
Les meubles verticaux
Les meubles frigorifiques verticaux sont aussi dans une situation instable dans le sens où :
- le froid du meuble s’écoule vers l’extérieur par l’ouverture;
- la quantité, la masse (inertie) et la position des denrées influencent cet écoulement. En situation réelle, le contrôle de l’écoulement est très difficile à maîtriser vu le mouvement incessant des denrées, des mains pour les prendre, les courants d’air souvent présent dans les zones de vente, …
Une solution partielle : les rideaux d’air
Les rideaux d’air vont donc tenter de “désensibiliser ” les meubles frigorifiques ouverts par rapport aux perturbations externes et par la même occasion réduire les déperditions thermiques de l’ambiance vers l’intérieur du meuble.
Bilan hygrothermique d’un meuble horizontal à flux asymétrique
Humidité : l’établissement du bilan de l’humidité est primordial afin de réduire au maximum les échanges de vapeur d’eau entre l’ambiance externe et le meuble et, par conséquent, diminuer les quantités de givre, de glace et de neige au niveau principalement fixées sur l’évaporateur.
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Bilan de l’humidité (sortie bouche = entrée reprise) M*1 x (x1)+ M*a x (xa) = M*1 x (x2)+ M*a x (x2) avec :
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Thermique : de même, l’établissement du bilan thermique permet de minimiser les échanges entre l’ambiance et l’intérieur du meuble.
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Bilan thermique (sortie bouche = entrée reprise) M*1 x h1+ M*a x ha + Qdenrées= M*1 x h2 + M*a x h2 avec :
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Taux d’induction : il caractérise l’efficacité du rideau d’air, soit :
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Taux d’induction X = M*a / M*1 avec :
Il peut aussi s’exprimer par les relations suivantes : taux d’induction X = x2 – x1 / xa – x2 ou encore taux d’induction X = t 2 – t 1 / ta – t2 avec :
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On voit tout de suite qu’un rideau d’air efficace a une valeur de taux d’induction faible. Des taux d’induction de l’ordre de 0,05 à 0,06 sont couramment rencontrés dans la pratique.
Bilan hygrothermique d’un meuble vertical à flux vertical symétrique
Pour les meubles frigorifiques verticaux, c’est le même principe de raisonnement pour déterminer le bilan hygrothermique :
Humidité :
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Bilan de l’humidité (sortie bouche = entrée reprise) M*1 x (x1)+ M*a x (xa) + M*i x (xi)= M*1 x (x2)+ M*a x (x2) + M*i x (x2)
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Thermique : de même, l’établissement du bilan thermique permet de minimiser les échanges entre l’ambiance et l’intérieur du meuble.
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Bilan thermique (sortie bouche = entrée reprise) M*1 x (h1)+ M*a x (ha) + M*i x (hi)= M*1 x (h2)+ M*a x (h2) + M*i x (h2) avec :
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Taux d’induction : il caractérise l’efficacité du rideau d’air, soit :
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Taux d’induction X = M*a / M*1 si M*i = M*a (flux symétrique) ainsi que xi = x1 (denrées emballées) avec :
Le taux d’induction peut aussi s’exprimer par les relations suivantes : Taux d’induction X = x2 – x1 / (xa – x2) – (x2 – x1) ou encore Taux d’induction X = h 2 – h 1 / (ha – h2) – (h2 – h 1) avec :
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Un taux d’induction souvent rencontré dans la pratique se situe aux alentours des 0,1 à 0,2.
Influence de l’évaporateur
Il est important qu’un évaporateur soit bien dimensionné pour combattre les apports thermiques du meuble. Une surface d’échange insuffisante entraîne une saturation de l’évaporateur en température. Pour des applications proche de 0°C, la prise en glace ou le givrage est plus rapide entraînant une surconsommation du meuble.
La figure suivante représente l’évolution des températures, à la fois pour l’air qui passe au travers des ailettes d’échange et le fluide frigorigène au travers des tuyauteries :
- au fur et à mesure que l’air traverse les différents rangs d’ailettes, sa température diminue selon une loi logarithmique et passe de la température t1 à la température t2;
- par contre, le fluide frigorigène se vaporise tout au long du trajet inverse à température plus ou moins constante (suivant le type de fluide utilisé) et ce, jusqu’au moment où la dernière goutte liquide devient gazeuse (point c où le titre du fluide Xr = 1 : 1 correspond à un fluide totalement gazeux). À partir de ce point, le fluide frigorigène entre dans sa phase de surchauffe et voit sa température augmenter (segment c-d).
L’évaporateur est principalement caractérisé par sa puissance frigorifique :
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Po = K0 x Séchange x Δtmln |
et dépendant des paramètres suivants :
Le coefficient global d’échange moyen K0[W/m².K) s’exprimant sous la forme :
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K0 = f1 / ((Séchange / (Si x αi)) + (1 / (Φ x αe)) avec :
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La surface d’échange côté air de l’échangeur Séchange [m²] :
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Séchange ~ 2 x VE / pas avec :
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L’écart moyen logarithmique de température Δtmln* corrigé défini par la relation suivante :
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Δtmln* = 0,95 x f2 x ((t1 – t2)/ ln ((t1 – tfluide_frigorigène) / (t2 – tfluide_frigorigène))) [K] avec :
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Influence du givrage
Principe de givrage
L’humidité de l’air ambiant de la zone de vente passant au travers du rideau d’air migre naturellement vers les parties froides du meuble et plus particulièrement vers l’évaporateur. Cette humidité se condense et givre sur les ailettes pour les applications de froid commercial (même pour les applications “positives”, la température d’évaporation est négative par exemple -10°C). Dans des applications de congélation, il arrive que l’humidité dans l’air se transforme directement en cristaux de neige qui peuvent se fixer par exemple et malheureusement sur les pales des ventilateurs de manière non homogène pouvant entraîner la destruction des ventilateurs (“balourd”).
Formation de givre.
La formation de givre entraîne une réduction de la puissance frigorifique P0 suite à :
- une réduction du débit d’air passant au travers de l’évaporateur;
- et par conséquent une augmentation des pertes de charge dans le circuit de refroidissement;
- une augmentation de la résistance thermique de la surface de refroidissement;
- une chute de la température du fluide frigorigène.
Aussi, il découle de la réduction de débit que l’efficacité du rideau d’air sera moindre en favorisant l’augmentation des apports par induction, le passage accru de l’humidité de l’air ambiant et l’augmentation de la température de l’intérieur du meuble, … C’est en fait le principe du “chien qui se mange la queue”.
Sur le diagramme psychométrie ci-dessous, le givre qui se forme sur l’évaporateur correspond à l’humidité prise dans l’ambiance de vente et/ou au niveau des denrées non emballées.
Le givrage représente donc une contrainte importante pour le commerçant sachant que :
- l’on risque de briser la chaîne du froid;
- le meuble frigorifique devra être équipé de systèmes de dégivrage pouvant entraîner des consommations énergétiques supplémentaires.
Il est donc nécessaire d’effectuer des dégivrages réguliers.
Poids énergétique du dégivrage
Quel que soit le type de dégivrage (naturel ou électrique principalement), pendant cette opération, de la chaleur est retirée à la résistance chauffante ou à l’ambiance de vente en première approximation :
- pour faire fondre le givre;
- par les masses de l’évaporateur, du meuble et des denrées.
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Exemple : On considère en gros la répartition énergétique suivante pour un meuble frigorifique type gondole (longueur = 2,5 m) pour produits surgelés.
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Temps du dégivrage
Dans le cas d’un dégivrage électrique et connaissant la puissance de la résistance électrique, il est possible d’évaluer le temps de dégivrage par la relation d’équilibre suivante :
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∑énergies absorbées = ∑apports énergétiques Où les apports énergétiques sont l’énergie fournie par la résistance chauffante pendant le temps de dégivrage et l’énergie apportée par l’ambiance externe au meuble, l’éclairage, les ventilateurs, … |
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Exemple : En reprenant l’exemple ci-dessus et en considérant une résistance chauffante de 3 kW et des apports internes et externes de l’ordre de 1 kW, le bilan énergétique s’écrit : 1,43 [kWh] = (1 + 3) [kW] x tempsdégivrage [h] Le calcul du temps de dégivrage donne : tempsdégivrage [h] = 1,43 [kWh] / (1 + 3) [kW] tempsdégivrage = 0.36 [h] ou 21 [min] |
Influence de la protection de l’ouverture
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 % |
| porte vitrée | – | |||
| négatif | porte vitrée | porte vitrée | 25 à 30 % |
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 Ri de l’ordre de 0,43 m².K/W) et la paroi externe peu ventilée (résistance thermique d’échange superficiel Re 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 RT est donnée par la relation suivante :
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RT = Re + R1 + Ri [m².K/W] RT = 0,043 + 0.125 + faible RT ~ 0,125 [m².K/W] |
Le coefficient de transmise thermique global U de la paroi s’exprime par la relation suivante :
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U = 1 / RT 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 (PDF) 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.
Influence 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. Si l’efficacité de la production de froid n’est 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 ambiant.
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.
Composition fronton.
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.
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) (PDF) 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 enseignent 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 %.
Influence des ventilateurs
Les ventilateurs fonctionnent en permanence afin de maintenir les températures de consigne au sein des meubles. La puissance électrique nécessaire pour faire tourner les pales du ventilateur et, par conséquent, pour déplacer l’air au sein du meuble, est transformée en chaleur et participe au réchauffement de l’ambiance interne du meuble. Cet apport représente de l’ordre de 3 à 5 % de la consommation énergétique de la production de froid à l’évaporateur.
Influence des cordons chauffants
Les cordons servant à éviter la présence de buée sur les portes vitrées et à empêcher les portes des meubles mixtes d’être bloquées par le givre ou la glace. Ce type d’apports influence aussi le bilan énergétique du meuble. On estime sa participation à la dégradation du bilan énergétique à ~1 %.
Auteur : D.D.
Antidote appliqué : Thibaud
Style css des tableaux : Thibaud
Juin 2009 : mise en page – Sylvie