Chambres froides et froid commercial

Une chambre froide est une boîte isolée dont un groupe frigorifique retire toute la chaleur qui y entre : par les parois, par la porte, avec les produits, les gens et les appareils. La dimensionner, c'est faire ce compte poste par poste, puis choisir une machine qui l'évacue en moins de 24 heures. Ce chapitre fait le bilan de deux chambres d'exemple, positive et négative, puis montre pourquoi le froid négatif change la façon de comprimer.

66.1 Froid positif, froid négatif

Le froid positif garde la chambre au-dessus de 0 °C : fruits et légumes, produits laitiers, viandes fraîches, plats cuisinés. Le produit ne gèle pas ; on ralentit seulement sa vie biologique et microbienne. Le froid négatif garde des produits congelés ou surgelés, dont l'eau est presque entièrement prise en glace.

Une chambre de stockage maintient des produits déjà à température ; sa charge vient surtout des parois et de la porte. Une chambre de mise en température refroidit ou tempère des produits qui arrivent chauds ; sa charge vient surtout des produits. Une chambre de congélation fait passer les produits du frais au congelé en quelques heures, et la chaleur latente de l'eau qui gèle y domine tout. Les trois se calculent avec les mêmes postes ; seul change leur poids.

66.2 L'installation de référence du chapitre

Le chapitre s'appuie sur une installation qui lui est propre : deux chambres jumelles d'une cuisine centrale, dans un hall à 25 °C et 50 % d'humidité. Toutes les valeurs sont des hypothèses d'exemple.

• Intérieur 5,0 × 4,0 × 2,8 m. Panneaux sandwich de 120 mm à âme de polyuréthane, conductivité 0,022 W/(m·K), murs, plafond et sol. Air à 30 °C sous la toiture du hall, sous-face du plancher à 15 °C.
• Porte de 1,0 × 2,0 m à rideau à lanières, 20 s d'ouverture par passage, passages répartis sur 8 heures par jour.
• Chambre positive à +2 °C, légumes : 5 000 kg en stock, 1 000 kg livrés par jour à 12 °C, 10 passages par heure, présence 4 heures par jour, dégivrage par l'air, 16 heures de marche.
• Chambre négative à −20 °C, surgelés : 8 000 kg en stock, 1 500 kg livrés par jour à −12 °C, 6 passages par heure, présence 2 heures par jour, dégivrage électrique quatre fois par jour, 18 heures de marche.
• Pour chacune, un groupe de condensation à air, dehors, au R290, condensant 15 K au-dessus de l'air extérieur de projet du cours, 31 °C, soit 46 °C comme au chapitre 43. Surchauffe 10 K, sous-refroidissement 3 K, rendement isentropique 0,65.

66.3 Le bilan poste par poste

Chaque poste se compte en puissance moyenne sur la journée ; la somme, multipliée par 24 heures, donne l'énergie à retirer chaque jour.

Les parois. Dans un panneau sandwich, les tôles ne comptent pas, l'isolant fait tout. Avec les résistances superficielles conventionnelles de l'EN ISO 6946 :

U = 1 / (R_si + e / λ + R_se) = 1 / (0,13 + 0,120 / 0,022 + 0,13) = 0,175 W/(m²·K)

Jonctions, angles, fixations et seuil ajoutent des ponts thermiques ; on majore de 10 %, soit 0,1925 W/(m²·K). Les surfaces se comptent à l'extérieur des panneaux : 57,64 m² de murs, 22,22 m² de plafond et autant de sol. Chaque face transmet U × A × (t_ext − t_ch) avec la température qui règne de son autre côté. L'épaisseur pèse vite : à 100 mm au lieu de 120, l'enveloppe de la chambre négative prend 143,1 W de plus.

Au soleil, on remplace la température de l'air par la température air-soleil t_e + α·I / h_e : pour une tôle claire (α = 0,4, h_e = 20 W/(m²·K)), 800 W/m² ajoutent 16,0 K, et 5,9 K en moyenne sur la journée. Si le plafond était une toiture au soleil, son flux croîtrait de 20 % pour la chambre positive. Dans un hall, la correction disparaît.

La porte. Porte ouverte, l'air froid, plus dense, s'écoule par le bas pendant que l'air tiède entre par le haut. Gosney et Olama ont donné en 1975 une relation pour ce double courant, reprise par l'ASHRAE pour les charges des locaux réfrigérés :

q = 0,221 · A · (h_i − h_r) · ρ_r · (1 − ρ_i / ρ_r)^0,5 · (g · H)^0,5 · F_m F_m = [2 / (1 + (ρ_r / ρ_i)^1/3)]^1,5

q est en kilowatts, A et H sont la surface et la hauteur de la baie, h et ρ l'enthalpie (kJ/kg) et la masse volumique de l'air humide du hall (i) et de la chambre (r). L'écart de densité est le moteur de l'échange, l'écart d'enthalpie sa charge. Pour la chambre positive, 50,25 et 11,08 kJ/kg donnent 27,28 kW porte grande ouverte ; pour la négative, 71,45 kW. Ces puissances ne durent que le temps des passages :

q_moyen = q · D_t · D_f · (1 − E) D_t = passages par jour × θ_p / 86 400

D_t est la fraction du temps porte ouverte : 80 passages de 20 s font 0,01852. Le facteur d'écoulement D_f rend compte de ce que l'échange n'atteint pas son régime à chaque ouverture ; on prend 0,8, valeur d'usage pour les grands écarts de température. E est l'efficacité de la protection de baie : un rideau à lanières en bon état arrête l'essentiel de l'échange, usé ou relevé par les chariots beaucoup moins ; on retient 0,8 comme ordre de grandeur en service. Sans rideau, la porte de la chambre positive coûte 404,1 W au lieu de 80,8 W. L'air entré apporte son eau, qui finit en givre sur l'évaporateur : 1,111 kg par jour en positif, 1,490 kg en négatif, cinq fois plus sans rideau.

Les produits. Siebel a proposé en 1892 de tirer chaleurs massiques et chaleur latente de la seule teneur en eau x_e :

c = 3,35 x_e + 0,84 kJ/(kg·K) au-dessus de la congélation c = 1,26 x_e + 0,84 en dessous L = 334 x_e kJ/kg

L'eau pure redonne 4,19 kJ/(kg·K) et la chaleur de fusion de la glace. Les légumes (x_e = 0,90, c = 3,855) ramenés de 12 à 2 °C en 24 heures demandent 446,2 W ; les surgelés repris de −12 °C, 239,2 W. Siebel suppose toute l'eau gelée dès le début de congélation ; en réalité une part reste liquide et gèle encore en refroidissant. Avec la fraction de glace usuelle (x_e − x_b)(1 − t_f / t), où x_b est l'eau liée et t_f le début de congélation, la glace passe de 53,2 à 56,7 % entre −12 et −20 °C, et ce poste approche 442,9 W, presque le double. Le bilan qui suit garde Siebel, comme le calcul usuel ; il sous-estime donc les produits réchauffés pendant leur livraison. Les fruits et légumes respirent : 24,0 mW/kg à 2 °C en ordre de grandeur, avec un facteur 2,5 par dizaine de degrés, soit 120,1 W pour 5 000 kg.

En congélation, la chaleur latente commande. Un lot de 500 kg de viande (x_e = 0,70, début de congélation vers −1,7 °C) porté de +5 à −18 °C demande 21,3 kJ/kg avant de geler, 233,8 kJ/kg pour geler et 28,1 kJ/kg ensuite : 283,2 kJ/kg, dont 83 % de latent. En 8 heures, 4,92 kW en moyenne, plus que toute la chambre négative de stockage.

Personnes, éclairage, machine. Une personne au travail dans le froid dégage q = 272 − 6 t watts selon l'ASHRAE : 260 W à +2 °C, 392 W à −20 °C, soit 43,3 W et 32,7 W en moyenne pour 4 et 2 heures de présence. L'éclairage à DEL, 5 W/m² pendant la présence, compte 16,7 W et 8,3 W. L'électricité des ventilateurs de l'évaporateur, prise à 4 % de sa puissance, finit en chaleur dans la chambre. Le dégivrage électrique aussi, sauf la part qui fond le givre et part avec l'eau : des résistances de 1 490 W, en marche une heure par jour, laissent 55,3 W de charge moyenne. Ventilateurs et dégivrage dépendent de la taille de l'évaporateur, qui dépend du bilan : on itère jusqu'à ce que la puissance ne bouge plus.

66.4 Durée de marche et puissance à installer

Le groupe ne tourne pas 24 heures sur 24 : il faut du temps pour dégivrer et une réserve pour les jours chargés. On fixe une durée de marche de projet, ici 16 heures en positif, où la batterie dégivre pendant les arrêts, et 18 heures en négatif :

Φ₀ = Q_jour / t_marche

1. Exemple 1, chambre positive à +2 °C. Murs 0,1925 × 57,64 × (25 − 2) = 255,2 W ; plafond 0,1925 × 22,22 × (30 − 2) = 119,7 W ; sol 0,1925 × 22,22 × (15 − 2) = 55,6 W ; enveloppe 430,5 W.
2. Porte : 27,28 kW × 0,01852 × 0,8 × (1 − 0,8) = 80,8 W.
3. Produits : 1 000 × 3,855 × (12 − 2) = 38 550 kJ par jour, soit 446,2 W, plus 120,1 W de respiration.
4. Personnes 260 × 4 / 24 = 43,3 W ; éclairage 100 × 4 / 24 = 16,7 W. Somme hors machine : 1 137,6 W.
5. L'évaporateur doit fournir (1 137,6 + 0,04 Φ₀) × 24 / 16, d'où Φ₀ = 1,82 kW et 72,6 W de ventilateurs.
6. Bilan : 1 210,3 W en moyenne, 29,05 kWh par jour. Produits 46,8 %, enveloppe 35,6 %, porte 6,7 %, ventilateurs 6,0 %. On installe 1,82 kW de froid à −3 °C d'évaporation.

La machine installée sert ensuite de jauge. À 30 passages par heure au lieu de 10, la marche passe à 18,14 heures ; à 10 passages sans rideau, à 20,27 heures. La chambre négative, dont l'enveloppe fait 61,8 % de la charge, atteint 21,78 heures à 20 passages et 24,85 heures à 30 : le groupe ne suit plus, et chaque watt entré par la porte apporte en plus du givre.

66.5 L'évaporateur, l'écart de température et l'humidité

L'évaporateur est une batterie à ailettes ventilée (chapitre 46), choisie par son écart de température ΔT₁ entre l'air qui y entre et l'évaporation. L'air en ressort presque saturé, plus froid que la chambre : plus la batterie est froide, plus elle retient d'eau et plus la chambre est sèche. Or un produit frais perd son eau en proportion du déficit de pression de vapeur entre sa surface et l'air. Avec un coefficient de transpiration d'ordre de grandeur pour un légume, un ΔT₁ de 4 K donne 86,6 % d'humidité et 0,16 % de perte de masse par jour ; notre choix de 5 K, 83,1 % et 0,21 % ; 10 K, 67,5 % et 0,40 %, soit 4,0 % en dix jours. Pour des légumes, cette eau perdue est du poids vendu : on garde un ΔT₁ faible et une batterie généreuse. Pour des produits emballés ou congelés, on accepte un écart plus grand, ici 7 K.

66.6 Le dégivrage

Sous 0 °C de paroi, l'eau de l'air givre. Le givre isole la batterie et bouche les ailettes : le débit d'air tombe, l'évaporation baisse, la puissance s'effondre. Le dégivrage par l'air suffit quand la chambre est nettement au-dessus de 0 °C : on coupe le froid, les ventilateurs soufflent l'air de la chambre sur la batterie ; c'est gratuit en énergie, mais cela prend du temps de marche. Le dégivrage électrique chauffe la batterie par des résistances logées entre les tubes ; simple, il domine dans les petites chambres négatives, mais tout ce qui ne fond pas le givre revient en charge. Le dégivrage par gaz chauds envoie dans l'évaporateur une partie du refoulement du compresseur : plus rapide, chauffé de l'intérieur des tubes, il demande des vannes et un circuit plus soignés et se rencontre surtout sur les centrales. La fin du dégivrage se commande sur la température de la batterie, et les ventilateurs ne repartent qu'une fois la batterie refroidie. L'entretien de ces organes relève du chapitre 72.

66.7 Le froid négatif : rapport de pression et refoulement

Le R290 évapore à −3 °C sous 4,325 bar pour la chambre positive, à −27 °C sous 1,886 bar pour la négative, et condense à 46 °C sous 15,690 bar. Le rapport de pression π = p_c / p₀ passe de 3,63 à 8,32, puis à 12,43 pour une chambre à −30 °C. La température de refoulement monte de 76,0 à 91,7 puis 100,0 °C, ce qui fatigue l'huile et les clapets ; le R32, à −20 °C, refoulerait à 171,1 °C. Le rendement volumétrique d'un compresseur à pistons à 4 % d'espace mort tombe de 0,911 à 0,765 puis 0,645. Le COP baisse de 2,78 à 1,50 puis 1,20. L'usage est de rester en mono-étagé jusqu'à un rapport de l'ordre de 8, d'étudier au-delà l'injection ou l'étagement, et de l'imposer au-delà de 12 environ (chapitre 45).

La compression bi-étagée met deux compresseurs en série ; entre eux, une bouteille intermédiaire refroidit le gaz de l'étage bas et sous-refroidit le liquide. La pression intermédiaire se prend en première approche à √(p₀ · p_c), qui partage également le rapport. La cascade emploie deux circuits : le circuit bas, ici au R744 (le CO₂), évapore dans la chambre et condense sur l'évaporateur du circuit haut, au R290, qui rejette la chaleur dehors.

1. Exemple 2, chambre négative à −20 °C. Évaporation à −27 °C, condensation à 46 °C. Mono-étagé : π = 15,690 / 1,886 = 8,32, refoulement 91,7 °C, COP 1,50, soit 44,6 % du COP de Carnot (3,37).
2. Bi-étagé à bouteille ouverte : p_i = √(1,886 × 15,690) = 5,439 bar (4,6 °C de saturation), π = 2,88 par étage, refoulements 36,7 et 62,1 °C. L'étage haut aspire 1,615 kg par kilogramme évaporé, car il reprend la vapeur de la bouteille. COP 1,728 : 14,9 % de mieux.
3. Cascade R744/R290, 5 K d'écart dans l'échangeur de cascade : le meilleur réglage condense le R744 à −2,5 °C (15,77 à 32,60 bar, π = 2,07, refoulement 48,6 °C) et évapore le R290 à −7,5 °C. COP 1,461 : 2,8 % de moins que le mono-étagé.
4. Pour 33,52 kWh de froid par jour : 22,29 kWh d'électricité en mono-étagé, 19,40 en bi-étagé (−13,0 %), 22,94 en cascade (+2,9 %). Compté toute l'année à la condensation de projet, le bi-étagé économise 1 055 kWh par an ; un air extérieur plus frais la plus grande partie de l'année réduit tous ces chiffres.

Le modèle garde le rendement isentropique de 0,65 à tous les rapports ; un vrai compresseur perd davantage à rapport élevé, si bien que le mono-étagé est flatté, et le gain réel de l'étagement comme de la cascade un peu plus grand. À −20 °C, celle-ci ne gagnerait que 7,4 % avec un échangeur parfait : chaque étage détend son liquide sans bouteille intermédiaire, là où le bi-étagé désurchauffe le gaz et sous-refroidit le liquide. L'écart de 5 K de l'échangeur lui coûte cet avantage. À −30 °C, le bi-étagé gagne 17,9 % et la cascade rejoint seulement un mono-étagé arrivé à la limite de son compresseur. La cascade se justifie surtout plus bas en température : sous −42 °C environ, le R290 évaporerait sous la pression atmosphérique (0,813 bar à −47 °C pour une chambre à −40 °C) et l'air entrerait par la moindre fuite. S'y ajoutent des refoulements bas, la petite cylindrée du R744 dense et un fluide inflammable cantonné dehors en petite charge.

66.8 Centrales et meubles de vente

Dans un supermarché, une centrale de compresseurs en parallèle sert tous les évaporateurs d'un même niveau de température. Les centrales neuves emploient de plus en plus le CO₂ en cycle transcritique booster. Son point critique est bas, 30,98 °C sous 73,77 bar : par temps chaud, le CO₂ ne se condense plus, un refroidisseur de gaz le refroidit au-dessus de la pression critique, puis une vanne le détend dans une bouteille à pression moyenne. Les postes positifs et négatifs y puisent leur liquide ; la vapeur des négatifs est remontée par un étage booster au niveau des positifs, puis l'étage haut comprime le tout : un bi-étagé partagé entre deux niveaux de froid, dont le rendement dépend du climat.

Un meuble de vente vertical ouvert n'est fermé que par un rideau d'air soufflé ; l'air du magasin qu'il entraîne et le rayonnement font l'essentiel de sa charge, et il refroidit l'allée. Des portes vitrées réduisent fortement cette charge, au prix de résistances antibuée. Un meuble autonome rejette sa chaleur dans le magasin, un meuble raccordé la renvoie à la centrale.

66.9 Fluides du froid commercial et règlement (UE) 2024/573

Le R404A a longtemps dominé le froid commercial négatif. Son potentiel de réchauffement planétaire (PRP), calculé avec les valeurs de l'annexe I du règlement (UE) 2024/573, vaut 3 922. Le règlement l'écarte par plusieurs voies :

• réfrigérateurs et congélateurs commerciaux autonomes (annexe IV, point 3) : HFC de PRP de 2 500 ou plus interdits depuis le 1^er janvier 2020, de 150 ou plus depuis le 1^er janvier 2022, autres gaz fluorés de PRP de 150 ou plus depuis le 1^er janvier 2025 ;
• centrales multipostes commerciales de 40 kW ou plus (point 6) : PRP de 150 ou plus interdit depuis le 1^er janvier 2022, sauf au circuit primaire d'une cascade, où un PRP inférieur à 1 500 reste admis ;
• tout équipement de réfrigération autonome, hors refroidisseurs (point 4) : gaz fluorés de PRP de 150 ou plus interdits depuis le 1^er janvier 2025, sauf exigence de sécurité ;
• autres équipements de réfrigération, hors refroidisseurs, dont les groupes de condensation des chambres (point 5) : HFC de PRP de 2 500 ou plus interdits depuis le 1^er janvier 2020 et tous gaz fluorés de ce niveau depuis le 1^er janvier 2025, hors applications sous −50 °C ; PRP de 150 ou plus à partir du 1^er janvier 2030, sauf exigence de sécurité ;
• entretien (article 13, paragraphe 3) : gaz de PRP de 2 500 ou plus interdits pour les équipements chargés de 40 tonnes équivalent CO₂ ou plus, et pour tout équipement de réfrigération depuis le 1^er janvier 2025, hors applications sous −50 °C ; un fluide régénéré ou recyclé reste toléré jusqu'au 1^er janvier 2030.

Le froid commercial neuf passe aux fluides naturels : CO₂ en centrale, R290 dans les meubles autonomes et les petits groupes, circuits indirects ailleurs. Le R290 est inflammable ; l'EN 378 limite sa charge selon l'emplacement et l'accès du public, ce qui pousse aux groupes compacts et aux boucles secondaires (chapitre 51). Les fluides sont traités au chapitre 44, le contrôle d'étanchéité au chapitre 72.

À retenir

• Bilan poste par poste : parois, porte, produits, personnes, éclairage, ventilateurs, dégivrage. Les produits dominent la chambre positive de l'exemple (46,8 %), l'enveloppe la négative (61,8 %).
• Porte : Gosney et Olama, puis D_t · D_f · (1 − E) ; un rideau à lanières en service divise la charge de la porte et le givre par cinq.
• Produits : Siebel par la teneur en eau ; la chaleur latente fait 83 % de la congélation d'une viande.
• Φ₀ = Q_jour / t_marche ; ventilateurs et dégivrage se bouclent sur Φ₀.
• Un ΔT₁ faible garde la chambre humide et les produits frais.
• En froid négatif, rapport de pression, refoulement et rendement volumétrique imposent l'étagement ou la cascade au-delà de 8 à 12. À −20 °C, le bi-étagé gagne 14,9 % ; à rendement isentropique égal, la cascade ne paie que plus bas.
• Le règlement (UE) 2024/573 a écarté le R404A ; le froid commercial passe au CO₂ et au R290.

Sources publiques : W. B. Gosney et H. A. L. Olama, « Heat and enthalpy gains through cold room doorways », Proceedings of the Institute of Refrigeration 72 (1975) ; ASHRAE, Handbook — Refrigeration, chapitres « Refrigerated-Facility Loads », « Thermal Properties of Foods » et « Commodity Storage Requirements » ; J. E. Siebel, « Specific heats of various products », Ice and Refrigeration 2 (1892) ; EN ISO 6946:2017 pour les résistances superficielles ; W. F. Stoecker, Industrial Refrigeration Handbook, et W. F. Stoecker et J. W. Jones, Refrigeration and Air Conditioning ; I. H. Bell, J. Wronski, S. Quoilin, V. Lemort, « Pure and pseudo-pure fluid thermophysical property evaluation and the open-source thermophysical property library CoolProp », Ind. Eng. Chem. Res. 53 (2014) ; NIST Chemistry WebBook (valeurs de contrôle) ; règlement (UE) 2024/573 du 7 février 2024 relatif aux gaz à effet de serre fluorés, article 13 et annexes I, IV et VI (texte Cellar) ; EN 378, nommée pour l'objet des limites de charge, sans valeur tirée. Tous les nombres du chapitre sont calculés par son modèle.