Installations Frigorifiques
Dans un magasin, le froid alimentaire peut être produit de deux façons, soit de façon centralisée avec des centrales frigorifiques, soit de façon décentralisée où chacun des meubles est autonomes.
Les installations semi-centralisées que l’on aborde par la suite, correspondent à la mise en place de plusieurs centrales frigorifiques de moyenne puissance, parfois implantées dans différents endroits du magasin, pour découpler le froid des installations.
On résume ci-dessous, les avantages et inconvénients (pratiques et historiques) entre les installations centralisées et décentralisées (exceptions des meubles basses consommations cf. partie Groupes logés Basse Consommation).
Le choix entre une installation centralisée ou décentralisée dépend de nombreux paramètres, notamment les priorités en termes de coût, de gestion de l’espace et de maintenance. Traditionnellement, les grands magasins optent pour des installations centralisées afin d’avoir une meilleure gestion énergétique et une maintenance simplifiée, tandis que les petits magasins préfèrent des installations décentralisées pour leur coût initial plus faible, leur flexibilité d’installation et le manque d’espace dédié à une centrale.
Les meubles autonomes de réfrigération à Basse Consommation peuvent offrir des économies d’énergie tout en permettant une flexibilité accrue dans la disposition des unités (cf. partie Groupes logés Basse Consommation).
On résume dans les parties suivantes, les différentes installations frigorifiques possibles dans le cadre d’une utilisation en réfrigération commerciale, et ceci pour les deux grandes parties installation centralisée et installation décentralisée.
Installations centralisée et semi-centralisée
Dans ce type d’installation, le froid est produit de façon centralisée, puis est distribué, via un réseau de canalisation, vers les différents postes de froid.
Généralement, les supermarchés et hypermarchés disposent d’une salle des machines avec deux centrales frigorifiques, une moyenne température (MT) et une basse température (BT). La moyenne température fonctionne entre -10 et -15°C pour la conservation des produits frais, tandis que la basse température fonctionne entre -35 et -38°C pour la conservation des produits surgelés.
Les centrales comportent deux compresseurs, ou plus, en parallèle et sont connectés à divers condenseurs, ou plus, et à divers dispositifs de refroidissement tels que les vitrines, les congélateurs ou les chambres froides.
Les cycles frigorifiques MT et BT peuvent être liés dans le cadre d’un cycle en cascade ou booster CO2 (partie Cycle en cascade et partie Cycle Booster Transcritique CO2).
Les différents postes de froid peuvent être alimentés en froid de façon indirecte ou directe comme on le verra par la suite.
Les installations semi-centralisées contiennent plusieurs systèmes MT et BT. Les systèmes spécifiques sont regroupés en fonction de la similitude des températures d’évaporation des points de froid. Les condenseurs peuvent être refroidis par air, mais une configuration intéressante est le refroidissement par eau (cf. partie Multiposte condenseurs à eau). Les groupes sont soit accolés aux vitrines, soit en arrière-boutiques ou en salles des machines.
On présente par la suite les différentes possibilités de systèmes centralisés (qui peuvent être décliné en semi-centralisés).
Multiposte en réfrigération directe
Une installation en réfrigération directe consiste à faire circuler le fluide frigorigène dans toute la surface de vente, là où il y en a besoin. Le fluide alimente directement les étalages de produits frais ou surgelés, sans intermédiaire, et les refroidis en s’évaporant.
On présente ci-dessous un schéma sommaire de ce type d’installation :
Multiposte en réfrigération indirecte
Une installation en réfrigération indirecte consiste à transmettre le froid porté par le fluide frigorigène à un réseau secondaire contenant un fluide appelé fluide frigoporteur (ex : eau glycolée). C’est ce deuxième réseau qui va alimenter en froid les différents meubles de présentation. L’intérêt est de minimiser la charge de fluide frigorigène et d’en limiter la présence en salle des machines uniquement, et non plus dans le magasin entier.
On présente ci-dessous un schéma sommaire de ce type d’installation :
Une des contraintes fortes d’une installation indirecte est la consommation énergétique des pompes pour la circulation du frigoporteur (eau glycolée) qui est très visqueux et de plus en plus à basse température (plus le frigoporteur fonctionne à basse température et plus la concentration en glycol doit être élevée, devenant de plus en plus visqueux et plus énergivore à faire circuler dans les circuits). Une possibilité pour atténuer ce problème est l’introduction d’un fluide à changement de phase comme le CO2 dans cette boucle secondaire (cf. partie Cycle CO2 Pompé).
Ce système peut aussi se faire avec la centrale totalement placée dans un groupe compact en extérieur nommé Chiller.
Cette solution ne nécessite alors pas de salle des machines et permet surtout d’atténuer fortement les contraintes sécuritaires dans le cadre de l’inflammabilité (utilisation du R290) et également de circuit sous pression (utilisation du R744), en confinant la charge de fluide frigorigène. Ce type d’installation nécessite potentiellement moins de mains-d’œuvre grâce à la standardisation de ces systèmes.
De la même façon que pour le système direct, les cycles frigorifiques MT et BT peuvent être liés dans le cadre d’un cycle en cascade ou booster CO2.
On présente ci-contre un schéma sommaire de ce type d’installation :
On résume dans les tableaux ci-dessous, les avantages et inconvénients en fonction du type de refroidissement direct ou indirect :
Multiposte condenseurs à eau
Les deux options, réfrigération directe et indirecte, peuvent être combinées à un circuit d’eau supplémentaire, bien que cela soit rarement le cas pour la réfrigération indirecte. Ici, le fluide frigorigène dans le condenseur n’est plus refroidi en extérieur par l’air ambiant, mais par un circuit avec un fluide généralement de type eau glycolée (afin de palier au température extérieur négative en hiver). Cette eau glycolée est ensuite refroidie en extérieur dans une tour aéroréfrigérante.
Généralement, ce type de système est présent sur des installations semi-centralisées. En effet, dans cette architecture, plusieurs groupes de froid sont disposés au plus proche des meubles de ventes, et alimentent en froid différent meuble. L’ensemble des condenseurs de ces installations est alors relié à une boucle d’eau pour pouvoir extraire la chaleur en un même point.
On présente ci-dessous un schéma sommaire de ce type d’installation pour une installation semi-centralisée :
On résume dans les tableaux ci-dessous, les avantages et inconvénients avec un circuit supplémentaire condenseur à eau :
Cycle en cascade
Les cycles en cascade sont utilisés dans les installations centralisées et semi-centralisées. Ce cycle permet une optimisation des systèmes en mettant en lien les boucles MT et BT. Le condenseur du cycle BT devient un évapo-condenseur (échangeur de chaleur en cascade) permettant l’évaporation du fluide de la boucle MT tout en condensant le fluide de la boucle BT.
Cette architecture comprend un rack de compresseur MT sur l’étage supérieur de la cascade, et un rack de compresseur BT sur l’étage inférieur de la cascade.
On présente ci-contre un schéma sommaire de ce type d’installation.
On résume dans les tableaux ci-dessous, les avantages et inconvénients de l’utilisation d’un cycle en cascade :
Cycle Booster Transcritique CO2
Les cycles booster CO2 transcritique sont composés de 2 étages MT et BT avec un seul circuit réfrigérant commun. Une des spécificités est que le condenseur est en fait un « gas cooler », permettant de refroidir le CO2 transcritique.
On présente ci-contre un schéma sommaire de ce type d’installation.
On résume dans les tableaux ci-dessous, les avantages et inconvénients de l’utilisation d’un cycle booster CO2 transcritique :
Cycle CO2 Pompé
Les cycles CO2 pompé (ou cascade CO2) sont des systèmes de réfrigération où le CO2 est utilisé comme fluide frigoporteur secondaire, et combiné à un cycle haute température HT qui permet d’extraire la chaleur vers l’extérieur. Dans ce type de système, un fluide frigorigène primaire est utilisé pour refroidir le CO2 dans un échangeur de chaleur. Le CO2 refroidi est ensuite pompé à travers des évaporateurs situés dans les zones MT (pas de détente), et détendu pour les évaporateurs en zone BT.
On présente ci-contre un schéma sommaire de ce type d’installation.
On résume dans les tableaux ci-dessous, les avantages et inconvénients de l’utilisation d’un cycle CO2 Pompé :
Installation décentralisée
Un groupe autonome (ou monoposte) est une unité de réfrigération où tous les composants nécessaires au fonctionnement sont intégrés dans une seule structure, et installés directement sur les équipements de vente, ces systèmes sont prêts à l’emploi sans nécessiter de connexions complexes à un réseau Centralisé.
Pour l’ensemble des solutions décentralisées présentées par la suite, il existe deux possibilités :
- Les groupes monoblocs, où tous les composants sont regroupés en une unité compacte.
- Les groupes déportés (ou splités), où les unités de condensations sont situées à un endroit différent de la zone à refroidir (extérieur ou autre). Les unités restent généralement proche les unes des autres (quelques mètres de distance).
Pour les vitrines et meubles en surface de vente, les groupes sont généralement de types monobloc avec les condenseurs directement sur les meubles.
Pour les chambres froides, les groupes peuvent être de type monobloc ou déportés suivant la disposition du magasin.
Les condenseurs peuvent être refroidis par air ou par eau. Le refroidissement par eau est généralement utilisé pour les groupes monoblocs, car la boucle d’eau permet de récupérer la chaleur de l’ensemble des meubles. Étant donné que les parties suivantes se concentrent sur ce type de refroidissement, les comparaisons porteront spécifiquement sur les groupes monoblocs.
On présente ci-dessous une comparaison avantages/inconvénients pour ces deux types de solutions décentralisées.
Groupe autonome refroidis à l’air
Ici, chaque module de vitrine et chaque pièce disposent de leur propre unité de condensation autonome avec condenseur refroidi par air.
Le condenseur peut être équipé d’une option de flux d’air inversé permettant un auto-nettoyage périodique du condenseur. Le nettoyage des condenseurs est ici crucial, car ceux-ci sont directement exposé aux conditions de la surface de vente.
On présente ci-contre un schéma sommaire de ce type d’installation.
Groupe autonome refroidis à l’eau
Ici, une boucle d’eau permet de récupérer la chaleur sur l’ensemble des condenseurs des groupes logés. Cette boucle d’eau permet de rejeter la chaleur à un endroit différent de la production de froid.
On présente ci-contre un schéma sommaire de ce type d’installation.
On présente ci-dessous une comparaison avantages/inconvénients pour ces deux types de refroidissement.
Groupes logés Basse Consommation
Comme nous l’avons constaté dans la tableau « Comparaison des installations centralisées et décentralisées » de ce début de page, l’installation décentralisée présente plusieurs inconvénients majeurs. Parmi ceux-ci figurent une robustesse réduite, une consommation d’énergie plus élevée, une maintenance parfois plus complexe, ainsi que des nuisances sonores en magasin et des rejets de chaleur potentiels.
Les groupes logés Basse Consommation apportent une solution à l’ensemble de ces inconvénients, mais ceci au détriment du coût initial qui devient de surcroit plus élevé.
On résume ci-dessous différent points clés concernant ces produits :
- Compresseurs à haut rendement énergétique et amélioré (moins bruyant)
- Utilisation d’échangeurs de chaleur plus efficaces et plus faible rejet de chaleur
- Utilisation de réfrigérants à faible GWP (R290)
- Maintenance simplifiée
- Isolation thermique renforcée
- Systèmes de contrôle avancés
- Coût initial plus élevé avec l’utilisation de composants de hautes qualités
- Expertise technique plus forte aux vues de la sophistication des composants
Les hautes performances techniques ne peuvent être obtenues qu’avec des composants de qualité, entrainant des prix d’acquisition élevés.
Les vitrines et meubles équipés de groupes logés Basse Consommation sont également améliorés au niveau du vitrage des portes et d’autres éléments, optimisant ainsi leur efficacité énergétique et leur performance globale.
Technologies supplémentaires
Groupes logés Basse Consommation
La Récupération de chaleur est une méthode efficace pour réutiliser l’énergie rejetée par les systèmes frigorifiques pour le chauffage des magasins. La désurchauffe de la vapeur à la sortie du compresseur permet de récupérer de la chaleur qui peut être utilisée pour la production d’eau chaude sanitaire (ECS) ou pour le Chauffage de l’air. Cette méthode est applicable à tous les systèmes centralisés.
Généralement la Récupération de chaleur se fait grâce à un échangeur de chaleur situé en amont du condenseur. La récupération se fait selon deux modes :
- Mode condensation : Le système de Récupération de chaleur désurchauffe et condense le réfrigérant en utilisant l’eau froide du réservoir. Toute la chaleur produite par le groupe frigorifique chauffe rapidement l’eau, ce qui permet de désactiver les ventilateurs du condenseur et de réaliser des économies d’énergie supplémentaires.
- Mode désurchauffe : Lorsque l’eau du réservoir est préchauffée et que l’énergie stockée ne diminue pas, les ventilateurs du condenseur s’activent pour évacuer la chaleur excédentaire. Le système continue à chauffer l’eau en désurchauffant le gaz.
On présente ci-dessous un schéma sommaire de ce type de système.
On résume ci-dessous, les avantages et inconvénients de la Récupération de chaleur :
Systèmes adiabatiques
Les Systèmes adiabatiques appliqués aux condenseurs à air des systèmes frigorifiques du froid commercial sont des techniques innovantes, et efficaces pour améliorer l’efficacité énergétique et la performance des systèmes de refroidissement, notamment en cas de chaleur excessive. L’objectif est d’introduire de l’eau dans le flux d’air afin que celle si absorbe la chaleur par évaporation et se refroidissent. Il existe trois possibilités pour cela :
- Système à brumisation : cette méthode utilise de fines gouttelettes d’eau pulvérisée directement dans l’air par des buses de pulvérisation pour abaisser la température de l’air entrant dans le condenseur.
- Système à pulvérisation : cette méthode utilise de fins jets d’eau directement projetés sur les surfaces des échangeurs (contrairement au système de brumisation qui injecte de très fines gouttelettes d’eau dans l’air). Cette méthode est également utilisée de manière artisanale en période de canicule, mais avec des jets d’eau de tuyau d’arrosage standard.
- Systèmes à panneaux médias : le refroidissement de l’air est ici fait au travers de panneaux médias en amont du passage au travers de l’échangeur. Lesdits média sont des matériaux poreux dans lesquelles de l’eau est injecté/ruisselle. L’air se refroidit en passant au travers de ce média poreux.
Bien que ces systèmes permettent en théorie au système de fonctionner de manière plus efficiente, leurs avantages sont surtout notables lors des périodes de chaleur intense, où la capacité de refroidissement naturelle est insuffisante.
On résume ci-dessous, les avantages et inconvénients des Systèmes adiabatiques :
On présente ci-dessous une comparaison entre les trois possibilités de refroidissement adiabatiques :
