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Principe de fonctionnement

Une machine frigorifique transfère de la chaleur extraite d'une chambre froide, d'un meuble frigorifique ouvert, ... vers l'extérieur. Il semble dès lors logique de tenter de récupérer la chaleur sur le condenseur de la machine frigorifique.

Fonctionnement du condenseur

En principe, trois opérations successives se passent dans le condenseur de la machine frigorifique :

Evolution des températures du fluide frigorigène et du fluide de refroidissement.

  1. Dans une machine frigorifique, les gaz qui sont expulsés par le compresseur en fin de compression sont à très haute température (de 70 à 80°C). On dit qu'ils sont surchauffés. Comme la condensation se fait à une température largement inférieure (aux alentours de 40°C, par exemple), une quantité de chaleur va devoir être évacuée des gaz surchauffés pour les amener à leur température de condensation qui correspond à la pression de refoulement (dite pression de condensation). C'est la désurchauffe.

  2. Puis lors de la condensation elle-même, une importante quantité de chaleur va aussi devoir être évacuée pour liquéfier (si possible complètement) le fluide frigorigène gazeux.

  3. Enfin, si les conditions des échanges thermiques dans le condenseur le permettent (température du fluide refroidisseur suffisamment basse, débit du médium de refroidissement suffisamment important), le liquide condensé va subir le sous-refroidissement, ce qui améliore le rendement de l'évaporateur.

Récupération de l'énergie

Dans certains cas, on pourrait envisager de récupérer cette énergie pour chauffer de l'eau ou de l'air, au lieu de la gaspiller en pure perte :

  • si on a des besoins en eau chaude sanitaire de température pas trop élevée (45° à 50°C);
  • si on a des besoins de chauffage pour des allées froides, des locaux contigus, ...
  • si on veut éviter ou diminuer la puissance de climatisation du local des machines, ou faire des économies d'énergie sur ce poste;
  • si on veut participer à la lutte contre le réchauffement global de l'atmosphère.

La récupération de l'énergie du côté des condenseurs suppose évidemment des investissements supplémentaires par rapport à des machines classiques plus simples :

  • des échangeurs de condenseurs adaptés;
  • des réservoirs-tampons pour l'eau chaude sanitaire ou de chauffage;
  • une disposition plus compliquée des tuyauteries;
  • une bonne évaluation des pertes de charge dans les tuyauteries;
  • une régulation complète permettant le contrôle correct de toute l'installation, y compris des récupérateurs.

Etant donné les spécificités inhérentes à chaque projet, le rapport entre l'investissement et les économies d'énergie doit faire l'objet de calculs adaptés, à demander aux auteurs de projet. Il faut en effet considérer ensemble la machine frigorifique et les appareils de production d'eau chaude sanitaire ou de chauffage.

 Le bilan doit prendre en compte :

  • l'apport d'énergie "gratuite" par la machine frigorifique,
  • le fait que l'on doit quand même disposer, en plus des récupérateurs, d'une puissance installée suffisante pour pallier les périodes où la machine frigorifique ne fonctionne pas,
  • la pénalisation énergétique apportée toute l'année par l'échangeur supplémentaire,
  • le cas où le condenseur de la machine frigorifique doit assurer à lui seul, l'évacuation de toute la chaleur (lorsqu'il n'y a pas de besoin d'énergie dans les récupérateurs, ou quand ces derniers sont arrivés à leur consigne maximale de température).

Exemple d'application très intéressante

Le plus logique est de récupérer la chaleur sur le condenseur à air pour chauffer directement l'air d'un local. Ainsi, un supermarché Delhaize à Bruxelles évacue la chaleur du condenseur du groupe frigorifique (armoires de congélation) en créant un rideau d'air chaud à l'entrée du magasin. En été, la chaleur est déviée en toiture par un clapet.

Application au chauffage du magasin ou des annexes par l'air

 Le moins qu'on puisse dire, c'est que les idées de manquent pas quant à la récupération de la chaleur des condenseurs afin de chauffer l'ambiance des magasins directement ou des annexes indirectement.

La question traditionnelle qui revient dans les discussions est la suivant : "j'ai déjà payé mon électricité pour garder à basse température mes aliments, que puis-je faire de la chaleur des condenseurs ? C'est quand même idiot de la rejeter à l'extérieur en période froide alors que je dois en plus chauffer mon magasin !".

 On se propose d'analyser, de manière théorique, différents cas souvent rencontrés dans les magasins d'alimentation, à savoir :

  • Des meubles frigorifiques fermés avec le rejet de la chaleur de condensation dans l'ambiance du magasin et un appoint venant d'une chaudière traditionnelle.

  • Des meubles frigorifiques fermés avec le rejet de la chaleur de condensation à l'extérieur du magasin et le chauffage du magasin venant d'une chaudière traditionnelle.

  • Des meubles frigorifiques ouverts avec le rejet de la chaleur de condensation dans l'ambiance du magasin et un appoint venant d'une chaudière traditionnelle.

  • Des meubles frigorifiques ouverts avec le rejet de la chaleur de condensation à l'extérieur du magasin et le chauffage du magasin venant d'une chaudière traditionnelle.

Ici, on analyse les consommations énergétiques finales et primaires ainsi que le bilan CO2 des différentes configurations en tenant compte des valeurs de rendement et d'efficacité énergétiques des équipements :

  • La chaudière présente un rendement saisonnier sur PCI (Pouvoir Calorifique Inférieur) de 0.90 (valeur de la CWaPE ou Commission Wallonne Pour l'Energie).

  • Le rendement global des centrales belges est de 55 % (selon la CWaPe). Dans cet exercices, on se place dans une situation défavorable, à savoir que le rendement moyen belge des centrales (en tenant compte du rendement des centrales nucléaires) est plutôt de 38 %.

  • 1 kWh de gaz consommé représente 251 g de CO2.

  • Le prix actuel du gaz est estimé à 0.05 €/kWh PCI.

  • Le prix de l'électricité est évalué à 0.11 €/kWh.

Sur base du principe  :

"La véritable économie d'énergie est celle que l'on ne consomme pas !"

On ne recommandera jamais assez de fermer les meubles frigorifiques tout en rappelant qu'un meuble de 1 mètre de largeur (1 mètre linénaire) peut être comparé à un radiateur qui échangerait par convection et rayonnement de l'ordre de 800 W et représente les 2/3 de la demande de froid au niveau de l'évaporateur.

Il est sûrement l'heure de rappeler aussi que l'on a atteint le paradoxe de la chaîne alimentaire froide. En effet, on en arrive, depuis un certain temps, à réchauffer les "allées froides" des magasins et ce afin d'assurer le confort des clients.

"C'est une aberration énergétique criante !"

Pour bien illustrer ce petit "coup de gueule", l'étude simplifiée qui suit montre les effets conjugués du succès des meubles frigorifiques d'ouverture de plus en plus imposante avec les effets négatifs qui vont de paire, à savoir :

  • le risque accru pour la conservation de la chaîne du froid;
  • l'inconfort évident des "allées froides".

 Incorfort dans les allées froides.

Les principales valeurs de déperdition thermique du magasin en régime établi sont les suivantes :

  • Les déperditions au travers des parois et des entrées du magasin sont de 12 kW.

  • La puissance frigorifique nécessaire pour maintenir à température les denrées en froid positif est de 2 x 8 mètres linéaires (superette par exemple) de meubles linéaires ouverts représentant de l'ordre de 2 x 10 kW de froid à 4°C (température d'évaporation fixée à - 10°C).

Configuration 1 : meubles fermés, condenseurs dans une enceinte isolée

La configuration étudiée est la suivante :

  • Si les meubles frigorifiques de 2 x 10 kW sont équipés de portes vitrées au niveau des ouvertures, ils ne nécessitent plus que 2 x 3 kW de froid à l'évaporateur. En effet, sur base de l'étude du bilan thermique des meubles ouverts, les pertes par l'ouverture représentent de l'ordre de 66 % de la puissance disponible à l'évaporateur. En fermant ces ouvertures, la puissance nécessaire à l'évaporateur est de l'ordre de 2 x 3 kW. Pour le besoin du calcul énergétique, les compresseurs de 2 x 10 kW sont remplacés par des compresseurs 2 x 3 kW.

  • Les groupes de froid sont incorporés dans les meubles et la chaleur évacuée par les condenseurs est réintroduite dans le magasin pour assurer le confort des clients (dans les allées froides par exemple). Il est clair que ce type de configuration, comme on le verra par la suite, est la moins mauvaise des solutions par rapport aux consommations énergétiques primaires (consommations à la centrale pour l'électricité et consommations de gaz pour la chaudière).

  • La température de condensation des groupes condenseurs en interne est de l'ordre de 50°C afin de pouvoir chauffer l'air aux environs des 40°C pour une température d'air d'entrée au condenseur de 32°C. Le coefficient de performance du groupe condenseur est de 1.66 d'après un constructeur de machine frigorifique (COP's équivalents donnés par "Bitzer software" de BITZER et "select 6" de COPELAND).

  • La chaudière ne donne pas d'appoint de chaleur car, pour les besoins de l'exercice, on s'arrange pour avoir de faibles déperditions au travers des parois de l'enveloppe par une bonne isolation, un contrôle de la ventilation hygiénique, ...

Schéma

Performance des équipements

Le bilan thermique montre que le rejet de 9,6 kW dans l'ambiance du magasin permet à la chaudière de ne pas être allumée et compenser, non seulement les 6 kW pris par les meubles frigorifiques, mais aussi les 3.6 kW de déperdition au travers des parois. On pourrait dire que c'est du chauffage électrique et, par conséquent, à énergie primaire importante (rendement moyen des centrales électrique de 38 %), la seule différence étant que si on compare ce mode de chauffage par rapport à une pompe à chaleur :

  • la source froide (la source d'où provient l'énergie) est chaude puisque dans l'ambiance;

  • à la consommation près du compresseur, l'énergie, "tournant" sur elle même, est utilisée pour refroidir les meubles frigorifiques et, après utilisation, est restituée à l'ambiance;

  • la chaleur de compression excédentaire sert en fait à compenser les déperditions au travers des parois de l'enveloppe.

Bilan énergétique et CO2

Poste

Calcul

Unités

Energie finale (au niveau du magasin)

 

Energie chaudière

0

kWh/h

 

Energie compresseurs 

1.8 x 2 = 5.6 

kWh/h 

 

Energie condenseur

4.8 x 2 = 9.6

kWh/h 

Coût

5.6 x 0.11= 1

€/h

Energie primaire (à la centrale électrique)

 

Energie primaire

5.6 / 0.38= 14.7 

kWh/h 

 

CO2

23.1 x 0.251 = 3.7

kg/h de CO2

Configuration 2 : meubles fermés, condenseurs dans l'enceinte

La configuration étudiée est la suivante :

  • Si les meubles frigorifiques de 2 x 10 kW sont équipés de portes vitrées au niveau des ouvertures, ils ne nécessitent plus que 2 x 3 kW de froid à l'évaporateur. En effet, sur base de l'étude du bilan thermique des meubles ouverts, les pertes par l'ouverture représentent de l'ordre de 66 % de la puissance disponible à l'évaporateur. En fermant ces ouvertures, la puissance nécessaire à l'évaporateur est de l'ordre de 2 x 3 kW. Pour le besoin du calcul énergétique, les compresseurs de 2 x 10 kW sont remplacés par des compresseurs 2 x 3 kW.

  • Les groupes de froid sont incorporés dans les meubles et la chaleur évacuée par les condenseurs est réintroduite dans le magasin pour assurer le confort des clients (dans les allées froides par exemple). Il est clair que ce type de configuration, comme on le verra par la suite, est la moins mauvaise des solutions par rapport aux consommations énergétiques primaires (consommations à la centrale pour l'électricité et consommations de gaz pour la chaudière).

  • La température de condensation des groupes condenseurs en interne est de l'ordre de 50°C afin de pouvoir chauffer l'air aux environs des 40°C pour une température d'air d'entrée au condenseur de 32°C. Le coefficient de performance du groupe condenseur est de 1.66 d'après un constructeur de machine frigorifique (COP's équivalents donnés par "Bitzer software" de BITZER et "select 6" de COPELAND);

  • Un appoint de chaleur est nécessaire vu que l'enveloppe est moins performante que lors du cas précédent; c'est la chaudière qui le donne.

Schéma

Performance des équipements

Le bilan thermique montre que malgré le rejet de 9,2 kW dans l'ambiance du magasin, la chaudière doit apporter 8,8 kW pour maintenir un certain confort dans le magasin et compenser les déperditions de 12 kW au travers des parois et la perte de chaleur vers les meubles frigorifiques fermés (soit 6 kW).

Bilan énergétique et CO2

Poste

Calcul

Unités

Energie finale (au niveau du magasin)

 

Energie chaudière

8.4/0.9 = 9.3

kWh/h

 

Energie compresseurs 

1.8 x 2 = 5.6 

kWh/h 

 

Energie condenseur

4.8 x 2 = 9.6

kWh/h 

Coût

8.4 x 0.05 + 5.6 x 0.11= 1

€/h

Energie primaire (à la centrale électrique)

 

Energie primaire

8.4 + 5.6 / 0.38= 23.1 

kWh/h 

 

CO2

23.1 x 0.251 = 5.8

kg/h de CO2

Configuration 3 : meubles fermés, condenseurs à l'extérieur

La configuration étudiée est la suivante :

  • On garde les mêmes meubles frigorifiques avec des portes fermées.

  • Les groupes de froid (groupes condenseurs) sont placés à l'extérieur.

  • La température de condensation des groupes condenseurs en externe est de l'ordre de 22 °C pour un air externe moyenne sur l'année de 6 °C. Le coefficient de performance du groupe condenseur en externe est de 4.2 d'après le même constructeur de compresseur.

  • Un appoint de chaleur est nécessaire. C'est toujours la chaudière qui le donne.

Schéma

Performance des équipements

Le bilan thermique montre que, vu la bonne performance des compresseurs pour une température de condensation basse (COP de l'ordre de 4.2), les rejets de chaleur à l'extérieur sont limités. La chaudière doit apporter 16 kW pour maintenir un certain confort dans le magasin et compenser les déperditions de 12 kW au travers des parois et la perte de chaleur vers les meubles frigorifiques fermés (soit 6 kW).

Bilan énergétique et CO2

Poste

Calcul

Unités

Energie finale (au niveau du magasin)

 

Energie chaudière

18/0.9 = 20

kWh/h

 

Energie compresseurs 

0.7 x 2 = 1.4

kWh/h 

 

Energie condenseur

3.7 x 2 = 7.4

kWh/h 

Coût

20 x 0.05 + 1.4 x 0.11= 1.2

€/h

Energie primaire (à la centrale électrique)

 

Energie primaire

20 + 1.4 / 0.38= 23.7 

kWh/h 

 

CO2

23.7 x 0.251 = 5.9

kg/h de CO2

Configuration 4 : meubles ouverts, condenseurs dans l'enceinte

La configuration étudiée est la suivante :

  • Le commerçant décide d'investir dans des meubles frigorifiques ouverts pour les mêmes produits et la même capacité en volume. Il est nécessaire de remplacer aussi les compresseurs dans le sens où les apports externes par induction de l'air au travers de l'ouverture des meubles peuvent atteindre 60 % des apports totaux. Ce qui signifie que la puissance nécessaire à l'évaporateur sera de l'ordre de 2 x 10 kW au lieu de 2 x 3 kW.

  • Les groupes de froid (groupes condenseurs) sont dans l'enceinte du magasin afin que l'on puisse récupérer la chaleur au niveau des condenseurs.

  • La température de condensation des groupes condenseurs en interne est de l'ordre de 50°C afin de pouvoir chauffer l'air aux environs des 40°C pour une température d'air d'entrée au condenseur de 32°C. Le coefficient de performance du groupe condenseur est de 1.66 d'après un constructeur de machine frigorifique.

Schéma

Performance des équipements

Le bilan thermique montre que les compresseurs, vu leur performance médiocre (COP de 1.7), doivent évacuer plus de chaleur au niveau des condenseurs. Il en résulte que la chaudière, dans ce cas, n'a pas besoin de venir en appoint. La question clef est de savoir s'il faut récupérer la chaleur au prix de la dégradation de la performance énergétique des compresseurs ou l'inverse.

Bilan énergétique et CO2

Poste

Calcul

Unités

Energie finale (au niveau du magasin)

 

Energie chaudière

0

kWh/h

 

Energie compresseurs 

6 x 2 = 12 

kWh/h 

 

Energie condenseur

16 x 2 = 32

kWh/h 

Coût

0 x 0.05 + 12 x 0.11= 1.32

€/h

Energie primaire (à la centrale électrique)

 

Energie primaire

0 + 12 / 0.38= 31.6 

kWh/h 

 

CO2

31.6 x 0.251 = 7.9

kg/h de CO2

Configuration 5 : meubles ouverts, condenseurs à l'extérieur

La configuration étudiée est la suivante :

  • On garde les mêmes meubles frigorifiques ouverts (2 x 10 kW).

  • Les groupes de froid (groupes condenseurs) sont placés à l'extérieur.

  • La température de condensation des groupes condenseurs en externe est de l'ordre de 22°C pour un air externe moyenne sur l'année de 6°C. Le coefficient de performance du groupe condenseur en externe est de 4.2 d'après le même constructeur de compresseur.

  • Un appoint de chaleur est nécessaire. C'est toujours la chaudière qui le donne.

Schéma

Performance des équipements

Le bilan thermique montre que, vu la bonne performance des compresseurs pour une température de condensation basse (COP de l'ordre de 4.2), les rejets de chaleur à l'extérieur sont limités. La chaudière doit apporter 32 kW pour maintenir un certain confort dans le magasin et compenser les déperditions de 12 kW au travers des parois et la perte de chaleur vers les meubles frigorifiques ouverts (soit 20 kW).

Bilan énergétique et CO2

Poste

Calcul

Unités

Energie finale (au niveau du magasin)

 

Energie chaudière

32/0.9 = 35.6

kWh/h

 

Energie compresseurs 

2.4 x 2 = 4.8 

kWh/h 

 

Energie condenseur

12.4 x 2 = 24.8

kWh/h 

Coût

35.6 x 0.05 + 4.8 x 0.11= 2.3

€/h

Energie primaire (à la centrale électrique)

 

Energie primaire

35.6+ 4.8 / 0.38= 48.2

kWh/h 

 

CO2

48.2 x 0.251 = 12.1

kg/h de CO2

Conclusions

Tableau comparatif 

Configuration

Energie finale consommée chaudière [kWh/h]

Energie finale électrique consommée [kWh/h]

Energie primaire consommée [kWh/h]

Coût de l'énergie [€/h]

kg/h de CO2

Rejet de CO2 

Configuration 1

0

5.6

14.7

0.6

3.7

0

Configuration 2 

9.3

5.6

23.1

1

5.8

+57%

Configuration 3

20

1.4

23.7

1.2

5.9 

+59%

Configuration 4

0

12

31.6 

1.32

7.9

+ 113 %

Configuration 5

35.6

4.8

48.2

2.3

12.1

+ 227 %

Choix des meubles frigorifiques fermés

La toute première conclusion à tirer est qu'il faut choisir des meubles frigorifiques fermés quel que soit le type de denrée exposé. A ce sujet, au risque de passer pour des doux rêveurs, c'est possible de choisir des meubles tant en "froid positif" qu'en "froid négatif"avec des portes sans trop de risque pour que le chiffre d'affaire tombe en chute libre.

Récupération faible par rapport aux besoins de chaleur

C'est le cas des configurations 1 et 2.

Le tableau comparatif précédent permet de tirer des  conclusions :

  • En période froide, l'impact de la récupération de chaleur au niveau des condenseurs sur le bilan énergétique est mitigé par rapport à la solution où les groupes de condensation (compresseur et condenseur) sont placés à l'extérieur permettant, par l'air de refroidissement externe, d'optimiser le cycle frigorifique (COP de 4.2).

  • Le principe d'abaisser la température de condensation reste de toute façon immuable.

Récupération importante par rapport aux besoins de chaleur

C'est la cas des configurations 3 et 4.

Le tableau comparatif précédent permet de tirer des  conclusions :

  • En période froide, même si la performance énergétique des compresseurs est dégradée (COP de 1.66), par le fait que la température de condensation (le condenseur se trouve à l'intérieur) est élevée, il est intéressant de récupérer l'énergie de condensation. L'optimum se situe naturellement lorsque la chaleur rejetée par les condenseurs équivaut aux déperditions des parois de l'enveloppe du commerce.

  • En plus de récupérer la chaleur, on aura donc intérêt à limiter au maximum les déperditions de l'enveloppe qu'elles soient sous forme :
    • d'une meilleure isolation;
    • d'un meilleur contrôle des infiltrations au niveau des portes d'entrée et des réserves;
    • d'une gestion efficace de la ventilation de l'air hygiénique.

Exemple

Delhaize, par exemple, a mis au point un système similaire à celui représenté sur les figures ci-dessous permettant de récupérer la chaleur en période froide mais dégradant la performance de la machine frigorifique.

Là où le bas blesse, lorsque les condenseurs sont incorporés aux meubles frigorifiques ou dans l'enceinte même du magasin, c'est que lorsque les déperditions au travers des parois s'inversent (période chaude, apport solaire important, ...), il est nécessaire d'évacuer la chaleur des condenseurs à l'extérieur. Dans le cadre d'une installation de récupération de chaleur sur un condenseur à air, il n'est pas aisé de le réaliser.

 Schéma de principe en période froide (récupération); source : Delhaize.

Schéma de principe en période chaude (pas de récupération); source : Delhaize.

Remarques

La plupart des cas présentés ci-dessus, sont issus de cas réellement observés. Malheureusement, aucun monitoring des consommations n'est disponible à l'heure actuelle. A va de soi que le placement d'une batterie de chauffe au dessus de la tête des clients dans l'allée froide n'est pas un bon principe mais est juste utilisé comme moyen de provocation, d'interprétation ou de réaction des lecteurs. Ce principe donne les avantages et inconvénients suivants :

 

 

(+)

  • simple;
  • modulable;
  • ...

(-)

  • nécessite des vitesses d'air plus importantes afin d'amener l'air chaud à environ 1.5 m du sol pour assurer un certain confort thermique des clients;
  • augmente l'induction de l'air chaud au niveau du rideau d'air car le mouvement de l'air dans cette zone est amplifié;
  • ...

Application au chauffage du magasin ou des annexes par l'eau

Beaucoup de techniciens dans l'âme se retrouveront dans les configurations qui suivent sachant que tout un chacun recherche à récupérer un maximum d'énergie sur les consommations des groupes frigorifiques. De manière générale, il n'y a pas de solution miracle mais des solutions innovantes efficaces dans certaines conditions.

Récupération de la chaleur de refroidissement des gaz chauds du fluide frigorigène (CO2 pour chauffage au sol).

Configuration 1 : chauffage par air pulsé au pied des meubles

Cette configuration existe dans certains magasins Delhaize et est en cours de monitoring.

Elle se compose essentiellement :

  • D'un ballon de 1 000 litres constituant un condenseur à eau dont le secondaire est branché sur le collecteur principal de la chaufferie. Le primaire est en série avec le condenseur à air classique situé sur le toit du magasin.

  • Le condenseur à eau, via le collecteur de chauffage, alimente une batterie chaude de la centrale de traitement d'air.

  • La pulsion de l'air chaud s'effectue au niveau du pied du meuble frigorifique, assurant un certain confort au niveau de l'allée froide.

  • La reprise d'air de la centrale de traitement d'air se situe en hauteur.

  • La température d'air de pulsion au pied du meuble frigorifique peut être modulée en fonction de la température de reprise et de la température de l'air neuf nécessaire à la ventilation hygiénique. 

En période froide :

  • Le condenseur à eau réchauffe l'eau du ballon.

  • Le condenseur à air assure la condensation résiduelle et même un certain sous-refroidissement (ce qui permet d'améliorer la performance de la machine frigorifique).

  • La batterie chaude de la CTA (Centrale de Traitement d'Air) réchauffe l'air neuf mélangé à l'air de reprise pour la pulser au pied des meubles frigorifiques. Attention que le fait de pulser cet air à proximité des rideaux d'air des meubles pourrait augmenter les apports par induction du meuble.

En période chaude :

  • En principe, on ne devrait plus réchauffer l'air de pulsion au pied des meubles. En pratique, il se fait que l'ouverture des meubles étant de plus en plus importante, le refroidissement de l'air ambiant est véritablement présent et inconfortable pour les clients; d'où la tendance actuelle à réchauffer l'air même en été.

"Voilà un bon exemple de destruction d'énergie à grande échelle!"

  • Le condenseur à air assure l'évacuation de la chaleur de condensation.

Schéma

 Régime en période froide.

 Régime en période chaude.

Configuration 2 : Chauffage par le sol dans les allées froides

Cette configuration est à creuser. Toutes les réalisations ou idées à ce sujet sont les bienvenues.

Elle se composerait essentiellement :

  • D'un ballon constituant un condenseur à eau dont le secondaire est branché sur le collecteur principal de la chaufferie. Le primaire est en série avec le condenseur à air classique situé sur le toit du magasin.

  • Le condenseur à eau, via le collecteur de chauffage, alimente un réseau de chauffage au sol au niveau de l'allée froide.

  • D'une chaudière d'appoint raccordée sur le collecteur principal.

En période froide :

  • Le condenseur à eau réchauffe l'eau du ballon.

  • Le condenseur à air assure la condensation résiduelle et même un certain sous-refroidissement (ce qui permet d'améliorer la performance de la machine frigorifique).

  • Le réseau de chauffage au sol assure un chauffage rayonnant dans l'allée froide. Cette configuration peut être intéressante dans le sens où la chaleur rayonnant devrait influencer moins les meubles frigorifiques qui sont principalement sensibles aux apports par induction d'air (mélange convectif entre l'air de l'ambiance et celui du rideau d'air du meuble).

En période chaude :

  • Le condenseur à air assurerait l'évacuation de la chaleur de condensation.

Schéma

 Régime en période froide.

 Régime en période froide.

Intérêt ou pas du chauffage au sol

Parmi les avantages et les inconvénients du chauffage par le sol en association avec les meubles frigorifiques positifs ouverts en position verticale, on pointera principalement :

 

 

(+)

  • Le chauffage au sol apporte principalement de la chaleur par rayonnement. Or en froid positif, les principaux apports qui influencent prioritairement le bilan thermique et énergétique du meuble sont les apports par induction(mélange de l'air ambiant avec celui du rideau d'air froid). De plus, l'échange entre deux parois étant maximal lorsque celles-ci sont parallèles, les apports de chaleur dus au chauffage au sol seraient plus faibles.

  • Le confort devrait être optimal.

  • Les températures de condensation, pour ce type de chauffage, pourraient être basses.

  • ...

(-)

  • La mise en oeuvre d'un chauffage au sol est coûteuse.

  • Comme les magasins demandent une certaine flexibilité dans l'agencement des meubles frigorifiques, le chauffage au sol est un frein par rapport à cette flexibilité. Cependant, à la conception, il est possible par une bonne programmation de déterminer les emplacements dans les zones de vente où les meubles n'ont pratiquement aucune chance de bouger. De plus, il faut aussi tenir compte que les évacuations des condensats de dégivrage des meubles ainsi que les conduites liquides et gaz du circuit frigorifique sont souvent, eux aussi, figés voire encastrés dans le sol.

Application au préchauffage de l'eau chaude sanitaire

L'idée est ici de profiter d'un besoin de chauffage d'un fluide à basse température (la température de l'eau de ville varie entre 5° en hiver et 15°C en été. Mais le système ne fonctionnera bien que lorsque la puissance de récupération nécessaire est supérieure à la puissance fournie par le condenseur. Autrement dit, il faut que les besoins d'eau sanitaire soient très importants par rapport à la puissance de la machine frigorifique.

Ainsi, dans les commerces  où le froid alimentaire est nécessaire, les besoins d'eau chaude sanitaire peuvent être importants et une récupération de chaleur au condenseur se justifie tout à fait. Mais un ballon de préchauffage est propice au développement de la légionelle.

Il faut donc s'assurer que l'eau séjournera durant un temps suffisamment long dans le dernier ballon : 60°C durant 30 minutes ou 70°C durant 4 minutes, par exemple (en cas de débit de pointe, de l'eau "contaminée" risque de traverser seulement le 2ème ballon).

Configuration 1 : Un échangeur thermique parcouru par le fluide frigorigène est inséré au bas d'un ballon d'eau chaude

Dans le système ci-contre, un simple échangeur thermique (placé en série et en amont du condenseur normal) est inséré au bas d'un ballon d'eau chaude. Par effet de cheminée, la chaleur sera donnée à la zone la plus froide du ballon puis communiquée à l'ensemble du réservoir.

On parle de condenseur-désurchauffeur parce que la désurchauffe des gaz provenant du compresseur auront lieu dans cet échangeur.

La réglementation impose le principe selon lequel il ne doit pas y avoir de contact possible entre le fluide frigorigène et l'eau potable. En cas de perforation de l'enveloppe du fluide, la détérioration éventuelle doit se manifester à l'extérieur du dispositif.

Dans l'échangeur ci-dessus, une double paroi de sécurité est prévue selon DIN 1988.

Configuration 2 : Un ballon intermédiaire à double échange est intégré comme interface

On peut également prévoir un système à double échange :

Deux échangeurs sont intégrés dans un même ballon (1). Le premier échangeur est celui du condenseur de la machine frigorifique, le deuxième est le serpentin de préchauffage de l'eau chaude sanitaire.

Dans ce ballon intermédiaire, il n'y a aucun risque de dépôt calcaire puisque l'eau n'est jamais renouvelée.

En cas de fuite de fluide frigorigène, la pression dans le ballon augmente et une alarme est déclenchée.

Un deuxième condenseur en série est nécessaire pour le cas où le besoin de chauffage de l'eau sanitaire serait insuffisant.

Configuration 3 : en présence d'une boucle de distribution

Le régulateur de température de départ de la boucle utilise l'appoint lorsque le niveau de température du ballon est insuffisant.

Un tel schéma (contrairement au précédent) risque cependant d'être propice au développement de légionelles, puisque le ballon de récupération peut être à une température inférieure à 60°C durant un temps assez long. Il n'est pas à recommander si des douches sont présentes dans l'installation.

 

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