Diminuer les consommations énergétiques des meubles frigorifiques

On ne le dira jamais assez, le rideau d’air est le point faible des meubles frigorifiques ouverts. A lui seul, par induction de l’air ambiant de la zone de vente, il représente de l’ordre des 2/3 de la puissance frigorifique nécessaire. De l’optimisation du rideau d’air dépend les consommations énergétiques des groupes frigorifiques.

Apports de chaleur par induction

Taux d’induction

L’apport de chaleur par induction dépend de beaucoup de facteurs. L’apport de chaleur par induction P_ind est donné par la relation suivante :

Pind  = ma x (hambiance – hinterne) x 1000 [W] (1) où : Pind  = Xrideau_air x mrideau_air x (hambiance – hinterne) x 1000 [W] (2) Où : Xrideau_air : taux d’induction du rideau d’air. Celui-ci représente l’efficacité du rideau d’air et est défini comme le rapport ma / mrideau_air où : ma = débit massique d’air de l’ambiance externe entrainé et induit par le rideau d’air en [kg/s]; mrideau_air = débit massique du rideau d’air en [kg/s]; (hambiance – hinterne) : différence d’enthalpie entre l’ambiance externe et interne au meuble en [kJ/kg].

Si l’on veut optimiser les consommations dues à l’induction par le rideau d’air, il est nécessaire de réduire la masse m_a de l’air de l’ambiance induite par le rideau d’air (1). La quantification de la masse m_a est très difficile à préciser.

La formule (2) permet de mettre en évidence le taux d’induction X_{rideau_air} comme étant la quantité d’air ambiant entrainé dans le flux du rideau d’air.

L’exemple suivant permet de mettre en valeur l’utilité de déterminer le taux d’induction

Exemple. En prenant un rideau d’air d’un meuble frigorifique vertical ouvert, la littérature nous apprend que le taux d’induction peut être exprimé par la relation suivante : Xrideau_air = h2 – h1 / [1]ha – h2) – (h2 – h1 Où : h1 : enthalpie à la buse de soufflage [kJ/kg]; h2 : enthalpie à la bouche de reprise[kJ/kg]; ha : enthalpie de l’ambiance de la zone de vente [kJ/kg]. Hypothèse ha = 55 [kJ/kg]; h1 est +ou- constant et faible. Calculs L’équation ci-dessus peut être exprimée plus simplement par : Xrideau_air = h2  / (ha – 2h2) Pour différentes valeurs de h2 variant de 5 à 20 [kJ/kg], le taux d’induction varie et est représenté sur le graphique suivant : D’après les équations (1) et (2), l’induction d’air extérieur : ma = Xrideau_air x  mrideau_air ou ma = h2  / (ha – 2h2) x  mrideau_air Conclusions Pour que les apports dus à l’induction soient faibles, il faut que : le débit du rideau d’air mrideau_air soit faible; le transfert de chaleur de l’ambiance vers la bouche de reprise soit faible. On y arrive en réduisant au maximum la turbulence du rideau d’air.

En analysant cet exemple, on serait tenté d’en conclure que la présence du rideau d’air ne sert à rien. En fait, le rideau d’air étant nécessaire pour maintenir le froid dans le meuble, un débit minimum est nécessaire. De plus, le rideau d’air sert aussi à refroidir le meuble. L’air par son passage sur l’évaporateur est refroidi. Or, plus le débit d’air sur l’évaporateur est important plus l’échange thermique est grand. Il y a donc un optimum à trouver !

Des études extrêmement sophistiquées réalisées par les fabricants permettent d’établir un optimum afin de tenir compte à la fois :

• de la nécessite de maintenir les denrées froides et de confiner le froid dans le meuble;
• de l’optimisation de l’induction afin de limiter les apports externes venant de la zone de vente.

Suivant l’application et la géométrie du meuble, il existe toujours un débit d’air et une vitesse d’air optimaux au niveau du rideau.

Déformation du rideau d’air

L’effet “bilame” est connu pour affecter et déformer les rideaux d’air verticaux ou faiblement inclinés. Les différences de températures de part et d’autre du rideau d’air provoquent une différence de densité de l’air au niveau des faces intérieures et extérieures. Pour autant que la vitesse du rideau d’air devienne insuffisante, la différence de densité de l’air sur la profondeur du rideau génère des forces transversales de déformation du rideau. On observe que le rideau se déforme vers l’intérieur du meuble allant jusqu’à le briser.

Briser le rideau d’air équivaut à augmenter les apports externes et, par conséquent dégrader le bilan thermique et énergétique. Cet effet peut être réduit par :

• l’utilisation de meuble de type “cascade”;
• le positionnement correct des étagères en fonction du profil du rideau d’air;
• l’optimisation du chargement des denrées (pas de trou et pas de meuble vide);
• une vitesse d’air suffisante qui va naturellement affecter le bilan thermique et énergétique du meuble (donc attention à trouver l’optimum;
• l’utilisation d’un double rideau d’air.

    

Soufflage arrière de type “cascade” et double rideau d’air.

Les vitesses d’air recommandées pour les rideaux d’air

Comme on l’a vu ci-dessus, les échanges de chaleur entre l’ambiance des zones de vente et les denrées doivent être réduites au maximum. L’augmentation de la vitesse du rideau d’air devrait les limiter mais un débit trop important entraine une recrudescence des apports par induction, une augmentation des consommations des ventilateurs et, par conséquent, des apports internes des moteurs des ventilateurs. On conseille en pratique de limiter les vitesses des rideaux d’air :

• pour les meubles horizontaux, à 0,5 m/s;
• pour les meubles verticaux, entre 0,6 et 0,7 m/s.

Apports de chaleur par rayonnement

Les apports de chaleur par rayonnement peuvent être importants notamment lorsque l’application est négative. Dans ce cas, ils peuvent représenter de l’ordre de 40 % du total des apports internes et externes. Ils sont essentiellement produits par le rayonnement dans l’infrarouge lointain des surfaces “chaudes” faisant face à l’ouverture des meubles dont la température des faces internes et des emballages des denrées est froide (application positive : température de 0° à 8°C) voire très froide (application négative : température de -18 ° à -35°C).

On évalue l’apport de chaleur par rayonnement P_ray par la relation suivante :

Pray = hro x Aouverture (Tparoi – T i) x φ1 x φ2 [W] où : A ouverture : surface d’ouverture du meuble en [m²]; (tparoi – ti) : l’écart de température entre l’intérieur du meuble et la température des parois vues par l’ouverture du meuble en [K]; hro : coefficient équivalent d’échange par rayonnement hro de deux corps noir parallèles en [W/m².K]; φ1 : facteur de correction d’émission mutuelle entre deux corps gris (thermiquement) de surface parallèle; φ2 : facteur d’angle associé à φ1 lorsque les surfaces ne sont pas parallèles.

Dans une situation existante, des améliorations sont possibles en jouant sur le choix des parois faisant face à l’ouverture des meubles. En effet, chaque matériau possédant un coefficient d’émissivité, le placement entre les parois et l’ouverture du meuble d’une paroi à basse émissivité, permet de réduire de manière substantielle les apports par rayonnement.

Par exemple, les matériaux polis, notamment les métaux, ont vis-à-vis du rayonnement infrarouge (IR) des coefficients d’émissivité assez faibles; ce qui veut dire qu’ils ne réémettent pas ou peu le rayonnement visible et infrarouge proche et qu’ils réfléchissent le rayonnement infrarouge lointain (matériaux de construction dans notre cas).

L’émissivité des tôles d’aluminium ou d’alliages à base d’aluminium est de l’ordre de 0,1 à 0,15 pour les longueurs d’onde allant du visible à l’infrarouge.

Spectre visible et Infrarouge proche.

Dans l’infrarouge lointain, le même type d’aluminium passe d’une émissivité 0,1 à 0,8 et a tendance à se comporter comme un corps noir et par conséquent à réémettre le rayonnement.

Les meubles horizontaux

Réduction des apports

Les meubles horizontaux, de par leur position par rapport aux parois du magasin, sont des cibles privilégiées pour réduire les apports par rayonnement. En effet, en grande partie, ce sont les plafonds qui interagissent avec ce type de meubles.

L’emploi d’un “baldaquin” de forme concave au-dessus des gondoles à froid négatif et dont la face inférieure est recouverte d’un aluminium de type poli miroir non anodisé, peut, dans certains cas et selon le type de meuble, réduire la température des denrées positionnées en surface de l’ordre de 3 à 5 °C.

Gondole avec baldaquin.

Différentes configurations de gondole.

Et le confort ?

Pour les meubles frigorifiques horizontaux, de par la position des clients par rapport à l’ouverture, le fait ou non de placer des baldaquins ne modifie pas tellement le confort.

Les meubles verticaux

Les ouvertures des meubles verticaux quant à elles subissent les agressions par rayonnement venant des plafonds, des murs ou des rayons leur faisant face et dont les températures sont plus chaudes.

Réduction des apports

Un moyen simple de réduire les apports par rayonnement est de positionner (s’il y en a beaucoup) les meubles frigorifiques en face à face. Cette solution simple permet d’éliminer partiellement l’effet d’émissivité mutuelle vu que les températures des parois internes des meubles sont plus ou moins égales.

Allée froide en convection naturelle.

Tunnel froid.

Allée froide en convection forcée.

Et le confort ?

Ce type de composition des meubles est souvent appelé “allée froide” pour la simple raison qu’elles sont inconfortables”. En effet l’introduction d’un corps à 36 °C entre deux parois dont la température de surface est de l’ordre de 0°C implique que le corps chaud échange par rayonnement sa chaleur et, par conséquent, l’impression de froid est grande.

Performances des réflecteurs

Des essais ont été réalisés afin de déterminer la pertinence de ce type d’action. La comparaison est réalisée en prenant un meuble frigorifique horizontal possédant les caractéristiques suivantes :

• convection forcée;
• chargée d’une seule couche de paquets d’essais en emballage carton de couleur blanche.

Essai en laboratoire

Dans un local obscur, maintenu dans des conditions d’ambiance à 25°C pour un taux d’humidité de 60 %, et équipé d’un plafond type “corps noir”, on effectue un monitoring des températures de chaque paquet test. En régime stable, la moyenne des températures atteint – 15°C.

Dans les mêmes conditions d’ambiance, on place une paroi en aluminium poli entre le meuble et le plafond. La moyenne de la distribution des températures des paquets tests donne – 19°C.

On observe donc un abaissement des températures de l’ordre de 4°C. Les apports par rayonnement sont donc réduits et, par conséquent, les consommations énergétiques à l’évaporateur.

Pour être certain que ce ne soit pas un phénomène de réduction d’apports convectifs, toute chose restant égale, la tôle d’aluminium est peinte en blanc. On constate que les températures remontent aux alentours des – 15°C; la réduction d’apport est donc uniquement radiative.

Essai en magasin

La mise en place d’un baldaquin au dessus du même meuble donne un abaissement des températures de l’ordre de 3 à 5°C.

La variation des températures résulte de la manipulation et des déplacements fréquents des denrées par les clients ainsi que des opérations de dégivrages.

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Problème ?

On sait que les consommations énergétiques dues à l’éclairage sont payées deux fois et même plus :

• une première fois à travers les consommations électriques nécessaires pour mettre en valeur visuellement les denrées;
• une seconde fois parce que les lampes réchauffent l’ambiance interne du meuble se traduisant par une consommation électrique supplémentaire au niveau des groupes de froid;
• un peu plus même pour la simple raison que l’efficacité du tube en ambiance froide est réduite au moins de 40 %. Pour les accrocs de l’éclairage, ils seraient, au vu de l’effet médiocre de l’éclairage des étagères, de renforcer la puissance installée pour compenser le manque d’efficacité des lampes.

Emplacement de l’éclairage

L’emplacement de l’éclairage est sûrement la clef du problème. Un test a été réalisé dans une grande surface. L’idée était de couper l’éclairage des tablettes et de ne plus se servir, comme source lumineuse, que des tubes fluorescents en dehors de la partie réfrigérée du meuble. Cette initiative a pour avantage de :

• réduire la puissance installée des luminaires;
• réduire les apports internes défavorables au bilan thermique et frigorifique du meuble;
• augmenter l’efficacité des lampes puisqu’elles travaillent à température plus élevée.

Ceci est d’autant plus remarquable, que le magasin n’a pas enregistré de baisse du chiffre d’affaires pendant le test.

Gestion de l’éclairage

Simplement, une horloge peut assurer la coupure des luminaires pendant les heures de fermeture du magasin. On pourrait aussi arriver à un degré de sophistication en utilisant un superviseur (GTC ou Gestion Technique Centralisée) donnant des alarmes lorsque l’éclairage n’est pas éteint.

On serait tenté de le faire ! En fonction de l’évolution des apports, réduire ou pas la vitesse des ventilateurs est tentant. Il faut rester prudent sachant que le rideau d’air doit sa stabilité au débit donné par les ventilateurs. Les moyens pour contrôler cette stabilité à notre connaissance n’existent pas et donc il n’y a pas moyen de réguler le débit par rapport à l’efficacité du rideau d’air.