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Chambres froides commerciales

Introduction

Les réfrigérateurs-chambres et les congélateurs-chambres que l'on retrouve généralement dans les restaurants-minute, les restaurants traditionnels, les cuisines collectives, les dépanneurs et autres commerces sont des chambres isolées de 7 à 23 m² de surface au sol sur 2,4 m de hauteur et réfrigérées par un système autonome.

À l'inverse, les grandes chambres froides des hypermarchés et des usines de transformation ou de conditionnement de produits alimentaires sont réfrigérées par un système frigorifique central. La présente fiche technique porte sur les réfrigérateurs-chambres et les congélateurs-chambres de petite taille et à système frigorifique autonome, bien que les nombreux conseils en matière d'économie d'énergie qu'elle contient puissent s'appliquer à des installations plus grandes.

Il existe environ 96 000 réfrigérateurs-chambres, congélateurs-chambres ou combinés au Canada, et il s'y vend chaque année environ 3 300 appareils neufs ou de remplacement.

Comme le montre le tableau 1, les appareils de réfrigération des chambres froides commerciales consomment une importante quantité d'électricité – de 16 200 kWh par an pour un réfrigérateur-chambre classique à 30 200 kWh par an pour un réfrigérateur/congélateur-chambre. En comparaison, une petite maison entièrement équipée à l'électricité consomme environ 30 000 kWh par an.

Table 1. Consommation électrique et coût d'utilisation des réfrigérateurs-chambres, congélateurs-chambres et combinés de taille moyenne

*Coût supposé de l'électricité : 0.08 $/kWh

Puissance frigorifique

La puissance frigorifique varie entre 1 ½ et 5 tonnes. La puissance frigorifique généralement admise pour les réfrigérateurs-chambres et les congélateurs-chambres des restaurants est de 2 et 3 tonnes, respectivement.

Structure

Le système frigorifique des chambres commerciales est habituellement composé de murs et d'un plafond préfabriqués isolés, d'une résistance thermique R 27 (8 ou 10 cm de mousse de polyuréthane) et d'un plancher isolé.

Conception du système

La figure 1 montre une conception de système classique. La chambre est réfrigérée par un conditionneur individuel ou à deux blocs comprenant :

• un ventilo-convecteur d'évaporateur (généralement monté près du plafond de la chambre)
• un compresseur (généralement monté à l'extérieur du toit de la chambre ou sur le plancher près de la chambre isolée)
• un serpentin de condensation qui peut être hydroréfrigéré ou aéroréfrigéré.

Figure 1. Réfrigérateur-chambre ou congélateur-chambre classique

Les systèmes frigorifiques plus grands sont également assemblés avec des panneaux préfabriqués; ils comprennent une seule grande machine frigorifique ou plusieurs systèmes frigorifiques de plus petite taille, à deux blocs ou autonomes. Dans les hypermarchés et les usines de transformation de produits alimentaires, où l'on trouve parfois également des caissons ou des vitrines réfrigérés, les chambres froides peuvent également être réfrigérées par une grande machine frigorifique centrale équipée d'un système de distribution de fluide frigorigène ou de liquide de refroidissement desservant la plupart des appareils de réfrigération.

Emplacement du condenseur

L'efficacité du système est parfois une affaire de choix. Il est ainsi possible d'améliorer l'efficacité du système frigorifique en installant les serpentins de condensation aéroréfrigérés à l'extérieur pendant l'hiver, en raison de la basse température de l'air extérieur en cette saison. L'installation intérieure de ces serpentins permet à la chaleur rejetée de chauffer l'immeuble en hiver, mais elle peut provoquer sa surchauffe dans des conditions plus chaudes et augmenter la charge de climatisation pendant l'été.

Fluides frigorigènes

Les chambres froides commerciales utilisent toutes un fluide de travail appelé fluide frigorigène. Le fluide frigorigène absorbe la chaleur de la chambre et la rejette par évaporation et par condensation dans le circuit frigorifique fermé. La chaleur peut être rejetée dans l'un des trois endroits suivants : l'intérieur de l'immeuble, l'eau de refroidissement (qui peut également être rejetée) ou l'extérieur de l'immeuble.

Le choix du fluide frigorigène exige un équilibre entre des exigences parfois conflictuelles comme :

• sa capacité de transfert de la chaleur
• sa stabilité chimique
• sa compatibilité avec les lubrifiants du compresseur
• son inflammabilité
• sa toxicité.

Pour certaines applications, les codes de sécurité préconisent un fluide frigorigène non inflammable de faible toxicité.

Les performances des éléments et des systèmes frigorifiques dépendent dans une large mesure des propriétés du fluide frigorigène choisi, et il conviendra d'optimiser la conception de la chambre froide commerciale pour obtenir le meilleur rendement possible.

Réfrigération et problèmes environnementaux

En raison de l'impact des fluides frigorigènes sur l'appauvrissement de la couche d'ozone et le changement climatique, il importe d'envisager les conséquences environnementales d'une fuite éventuelle du fluide frigorigène. Depuis les années 1940 et jusqu'à récemment encore, les fluides frigorigènes les plus communément employés étaient les chlorofluorocarbones (CFC) – notamment les R11, R12 et R502 –, et les hydrochlorofluorocarbones (HCFC) – en particulier les R22 et R123.

Les CFC nuisent plus à l'atmosphère que les HCFC. Les molécules des CFC comme les R11 et R12 ne contiennent que du carbone et des halons (chlore et fluor). En raison de leur plus grande stabilité, les CFC demeurent dans l'atmosphère pendant de nombreuses années et finissent par s'y diffuser. Là, les molécules des CFC se fractionnent et relâchent du chlore, lequel détruit l'ozone (et diminue ainsi la couche d'ozone). La couche d'ozone protège la Terre contre les rayons ultraviolets du soleil. Dans la basse atmosphère, ces molécules absorbent les rayons infrarouges, lesquels peuvent contribuer au changement climatique.

Le remplacement des halogènes d'une molécule de CFC par des atomes d'hydrogène réduit grandement sa durée de vie dans l'atmosphère et son impact environnemental. Les composés ainsi obtenus sont les HCFC, et ils représentent un moindre danger pour l'appauvrissement de la couche d'ozone et le changement climatique.

Parce que les CFC et les HCFC ont un impact négatif sur l'environnement, ces composés sont progressivement abandonnés conformément au Protocole de Montréal, un accord international qui vise à réguler la production des substances appauvrissant la couche d'ozone (SACO), dont les fluides frigorigènes qui contiennent du chlore et du brome. Le protocole original a été signé en 1987 par la Communauté économique européenne (aujourd'hui l'Union européenne) et 24 pays, dont le Canada et les États-Unis. Le Protocole de Montréal est en vigueur depuis le 1^er janvier 1989.

Les règlements nationaux canadiens et américains exigent l'abandon progressif des R22 et R142b pour les nouveaux équipements d'ici 2010 et de tous les HCFC d'ici 2020. Ces règlements tolèrent leur production comme composants de produits d'entretien et le stockage de ces produits d'entretien jusqu'à 2030, conformément au Protocole de Montréal. Certains pays européens ont déjà banni l'utilisation des HCFC dans les nouveaux équipements et même comme composants de produits d'entretien des équipements existants.

Deux frigorigènes permettent actuellement de modifier ou de remplacer les équipements réfrigérés à l'origine par les CFC : les HCFC et les HFC (hydrofluorocarbones). Les fluides frigorigènes qui alimentent actuellement (en 2005) les équipements modifiés et les nouveaux équipements sont les HFC-134a, les mélanges de HFC et les HCFC-22. Les mélanges de HCFC sont généralement utilisés uniquement dans les équipements modifiés. L'ammoniac est également envisagé pour les nouveaux équipements, lorsque les codes de sécurité le permettent. Il reste que le choix du fluide frigorigène idéal dépendra toujours du type d'équipement frigorifique et de ses conditions d'utilisation.

Choisir un équipement frigorifique

La conception des chambres réfrigérées et l'équipement frigorifique sont fonction de la température à maintenir, des fonctions requises et du besoin d'accéder aux portes des vitrines. Il importe également de tenir compte de la puissance frigorifique exigée – le besoin (pour des raisons sanitaires) de réfrigérer le produit, à partir de la température de la pièce, à une température donnée en un temps donné. La provision d'une surpuissance frigorifique qui permette de maintenir la chambre et les produits préréfrigérés qu'elle contient à la température cible permet de satisfaire cette dernière exigence. Le système de régulation de la température commande normalement les cycles de fonctionnement (marche-arrêt) du compresseur pour assurer le refroidissement exigé en fonction de la charge variable de l'espace réfrigéré.

Améliorer le rendement

L'attention accordée aux charges parasites, aux conditions d'utilisation et à la récupération de la chaleur peut améliorer le rendement d'un système frigorifique.

• Les charges parasites génèrent la chaleur qui doit être retirée par le compresseur. Elles ajoutent ainsi à la charge de refroidissement et augmentent l'énergie consommée. Les charges parasites proviennent des sources de chaleur contenues dans la chambre froide (éclairage intérieur, ventilateurs, système de dégivrage, appareils de chauffage qui empêchent la condensation de surface, etc.).
  
  
• Les conditions d'utilisation peuvent être améliorées par l'installation d'éléments frigorifiques qui réduisent la charge du compresseur.
  
  
• La récupération de la chaleur réduit l'utilisation de l'énergie totale en récupérant la chaleur rejetée par le système frigorifique et en l'utilisant pour chauffer l'eau de chauffage à usage domestique et les locaux.

On peut réduire la quantité d'énergie consommée par un système frigorifique en adaptant ou en améliorant certains des équipements éconergétiques décrits ci-après. Pour de plus amples renseignements, consulter le rapport d'Arthur D. Little, Inc. intitulé Energy Savings Potential for Commercial Refrigeration Equipment (en anglais uniquement).

Réduire les charges frigorifiques parasites

Les effets des équipements suivants sont cumulatifs. Ils réduisent la charge du compresseur progressivement et indépendamment les uns des autres.

• Compresseurs frigorifiques à haut rendement : Les compresseurs frigorifiques à haut rendement utilisent des moteurs électriques plus efficaces et génèrent moins de pertes de compression (sous forme de chaleur), lesquelles doivent être retirées par le système frigorifique. Les compresseurs frigorifiques à haut rendement permettent d'économiser de 5 à 10 p. 100 sur les coûts énergétiques.
  
  
• Moteurs de ventilateurs d'évaporateurs à haut rendement : Les moteurs de ventilateurs d'évaporateurs à haut rendement génèrent moins de chaleur dans la chambre froide que les moteurs conventionnels, réduisant ainsi les besoins énergétiques du moteur du ventilateur et du compresseur. Les moteurs de ventilateurs d'évaporateurs à haut rendement permettent d'économiser de 5 à 10 p. 100 sur les coûts énergétiques.
  
  
• Moteurs de ventilateurs de condenseurs à haut rendement : Les moteurs de ventilateurs de condenseurs à haut rendement peuvent également réduire les besoins énergétiques du système frigorifique. Parce qu'ils fonctionnent à l'extérieur de la chambre froide, les moteurs de ventilateurs de condenseurs à haut rendement permettent d'économiser de 3 à 5 p. 100 sur les coûts énergétiques.
  
  
• Éclairage à haut rendement : L'éclairage à haut rendement peut réduire la consommation énergétique et la charge de refroidissement du compresseur. Il convient pour cela de :
  
  
  • remplacer les ampoules à incandescence par des ampoules fluorescentes compactes;
    
    
  • remplacer les lampes fluorescentes T 12 et leurs ballasts magnétiques par des lampes fluorescentes T 8 et des ballasts électroniques.
    
    
  L'éclairage à haut rendement permet des économies d'énergie de 2 à 10 p. 100, selon la taille de l'espace réfrigéré et la conception et l'utilisation du système d'éclairage.
  
  
• Commandes d'appareils de chauffage anticondensation : Les portes des vitrines sont encadrées d'appareils de chauffage anticondensation qui protègent les surfaces externes de la condensation dans des conditions très humides. Ces appareils de chauffage fonctionnent généralement en continu, mais ils pourraient ne pas être utilisés par temps plus sec. Il est possible d'installer des commandes d'appareils de chauffage anticondensation qui détectent l'humidité et que l'on règle pour qu'ils arrêtent les appareils lorsqu'il n'y en a plus besoin. Les commandes d'appareils de chauffage anticondensation permettent des économies d'énergie de 2 à 4 p. 100 de la consommation d'énergie totale du système.
  
  
• Commandes de dégivrage : La formation de givre sur le serpentin de l'évaporateur crée une couche isolante qui réduit le transfert de chaleur par le serpentin et augmente la charge du compresseur. Pour éliminer ce givre, il faut chauffer, et qui dit chauffage dit consommation d'énergie.

Le cycle de dégivrage, que le dégivrage soit souhaité ou non, est habituellement déclenché par une minuterie. Les commandes de dégivrage éconergétiques éliminent les cycles de dégivrage inutiles. Les plus efficaces sont les commandes de demande de dégivrage, lesquelles déclenchent le dégivrage de multiples manières (en mesurant la température ou la baisse de pression dans l'évaporateur, en mesurant l'accumulation de givre et en détectant l'humidité, etc.). Ces commandes de dégivrage sont encore plus efficaces lorsqu'elles sont combinées à une simple minuterie qui déclenche le dégivrage. Les commandes de dégivrage permettent des économies d'énergie de 1 à 6 p. 100.

Améliorer les conditions d'utilisation

Les équipements et méthodes ci-après et leur application combinée ne sont pas nécessairement cumulatifs, puisque certains d'entre eux sont moins efficaces lorsqu'ils sont combinés à d'autres.

• Régulation flottante de la pression de refoulement : Sur les condenseurs aéroréfrigérés extérieurs, la régulation flottante de la pression de refoulement tire parti de la basse température de l'air extérieur pour réduire le travail du compresseur en faisant à la pression de refoulement en fonction des conditions climatiques extérieures. Il s'ensuit une réduction de la charge du compresseur et de la consommation d'énergie et une meilleure durée de vie du compresseur life. La régulation flottante de la pression de refoulement est standard sur la plupart des nouveaux systèmes et on peut l'installer sur des systèmes existants. Ce mode de régulation permet des économies d'énergie de 3 à 10 p. 100.
  
  
• Sous-refroidissement naturel du liquide frigorigène : Un condenseur surdimensionné – ou un échangeur de chaleur additionnel qui étend la zone de transfert de chaleur à la partie pleine de liquide d'un condenseur – peut compléter le refroidissement du fluide frigorigène condensé par un refroidissement naturel. La basse température du liquide frigorigène réduit la température de l'évaporateur et la charge du compresseur. Le sous-refroidissement naturel du liquide frigorigène permet des économies d'énergie de 5 à 9 p. 100.
  
  
• Sous-refroidissement mécanique du liquide frigorigène : Le refroidissement additionnel du liquide frigorigène réduit la température de l'évaporateur et augmente sensiblement la puissance frigorifique du système et le rendement global. Le liquide frigorigène peut être réfrigéré par un système de refroidissement mécanique d'une capacité relativement faible ou par une conduite de fluide frigorigène d'un système frigorifique central. Le sous-refroidissement mécanique du liquide frigorigène permet d'économiser jusqu'à 25 p. 100 d'énergie pour les systèmes frigorifiques des épiceries.
  
  
• Pompes de surpression de liquide : Les pompes de surpression de liquide sont de petites pompes à fluide frigorigène qui élèvent la pression du liquide dans la tuyauterie pour réduire la perte de puissance à basse pression de refoulement lorsque la température extérieure est faible. Cet équipement améliore le rendement et assure la circulation du lubrifiant dans le compresseur. Combinées à des condenseurs aéroréfrigérés, les pompes de surpression de liquide améliorent l'efficacité énergétique à mesure que la température de l'air extérieur baisse. Les économies d'énergie qu'ils permettent peuvent atteindre 20 p. 100.
  
  
• Condenseurs évaporatifs : Les systèmes frigorifiques qui utilisent des condenseurs aéroréfrigérés pour rejeter la chaleur peuvent être équipés d'un filtre humidifié pour refroidir l'air ambiant à mesure qu'il entre dans le condenseur. Ce filtre améliore la puissance du condenseur de refroidissement et refroidit le liquide frigorigène, réduisant ainsi la charge du compresseur. Les condenseurs évaporatifs permettent des économies d'énergie de 3 à 9 p. 100.

Récupérer la chaleur pour chauffer l'eau à usage domestique

Les réfrigérateurs-chambres et les congélateurs-chambres ont généralement leur propre groupe compresseur-condenseur, lequel est refroidi pour rejeter la chaleur générée au cours du cycle de réfrigération par la compression de la vapeur. Généralement, la chaleur est rejetée dans l'environnement (dans l'air ambiant ou dans l'eau). Dans le cas des systèmes hydroréfrigérés (à passage unique ou à recirculation), il est parfois possible de récupérer une partie de cette chaleur à d'autres fins.

La chaleur récupérée est généralement utilisée pour chauffer de l'eau à usage domestique parce qu'il faut de l'eau chaude tout au long de l'année. Les restaurants, par exemple, utilisent de grandes quantités d'eau chaude pour préparer les aliments et laver leurs équipements. La chaleur récupérée à partir de l'eau de refroidissement du condenseur peut servir à préchauffer l'eau du réservoir qui alimente le chauffe-eau. La fourniture d'eau chaude au chauffe-eau réduit la quantité d'énergie requise pour chauffer l'eau à usage domestique à la température utile. Lorsque l'utilisation de l'eau chaude et la récupération de la chaleur du condenseur sont méthodiquement coordonnées, le système frigorifique peut produire environ 25 à 40 p. 100 de l'énergie requise pour le chauffage de l'eau. Dans le cas des systèmes à passage unique, la récupération de la chaleur peut également sensiblement réduire la quantité et le coût de l'eau de l'aqueduc municipal qui serait normalement nécessaire au refroidissement.

Il existe une étude de cas instructive sur le Centre de santé Homewood de Guelph (Ontario), disponible sur le site Internet de l'Office de l'efficacité énergétique. Le centre récupère la chaleur de 10 compresseurs frigorifiques hydroréfrigérés indépendants de sa cuisine collective pour préchauffer son eau froide de 10°C à 30°C. Cela permet d'économiser environ 40 p. 100 du gaz nécessaire au chauffage de l'eau, et 9 000 m³ d'eau de refroidissement par an.

Les systèmes de récupération de chaleur sont des applications sur mesure qui utilisent des éléments de plomberie et de chauffage courants, mais ils doivent être adéquatement dimensionnés et conçus de sorte que le condenseur soit refroidi selon les exigences spécifiées dans toutes les conditions de service du système de récupération de chaleur. Pour s'en assurer, il convient de garder en secours le système frigorifique normal à passage unique.

Récupérer la chaleur pour chauffer des locaux

Lorsque le système frigorifique est aéroréfrigéré, la chaleur peut être rejetée à l'intérieur ou à l'extérieur de l'immeuble, selon l'emplacement du condenseur. Bien que le rejet de la chaleur à l'intérieur permette de chauffer l'immeuble pendant l'hiver, il est préférable de la rejeter à l'extérieur pendant l'été afin d'éviter la surchauffe de l'immeuble et un plus grand besoin de climatisation. Consultez un spécialiste du froid et un spécialiste du chauffage pour le choix du système de récupération de la chaleur le plus approprié.

Normes

Il n'existe pas actuellement de normes canadiennes sur l'efficacité énergétique des réfrigérateurs-chambres et des congélateurs-chambres. Il est possible, toutefois, de spécifier les options à haut rendement lors de la commande de nouveaux équipements ou de la rénovation des équipements existants.

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