Pourquoi une vague de chaleur sollicite les installations frigorifiques à plusieurs niveaux

Situation initiale :

Lors de la dernière vague de chaleur, avec des températures extérieures dépassant les 40 °C, de nombreux exploitants d'installations frigorifiques et de congélation ont dû faire face à une hausse des températures, à des durées de fonctionnement plus longues, voire à des pannes dues à la haute pression. On suppose souvent que la température extérieure est seule responsable de ces problèmes. En réalité, plusieurs effets thermodynamiques agissent simultanément – et c'est précisément leur combinaison qui pousse de nombreuses installations frigorifiques à la limite de leur capacité.

La chaleur ne disparaît pas – elle doit être transportée

La fonction d'une installation frigorifique n'est pas de produire du froid. Elle transporte la chaleur d'un niveau de température bas vers un niveau plus élevé.

L'évaporateur extrait la chaleur de la chambre froide. Le compresseur augmente ensuite la pression et la température du fluide frigorigène afin que cette chaleur puisse être rejetée dans l'environnement par le condenseur.

Plus la chaleur pénètre dans la chambre froide, plus l'installation doit transporter d'énergie.

L'air n'est en fait pas le véritable problème

Beaucoup pensent qu'il faut principalement refroidir l'air chaud. En réalité, l'air possède une capacité thermique et une masse relativement faibles.

Les véritables accumulateurs de chaleur sont :

• les murs et les plafonds
• les sols en béton
• les rayonnages et les équipements de stockage
• les machines et les installations de manutention
• les emballages
• les palettes
• les marchandises stockées
• le rayonnement solaire sur le bâtiment

Tous ces composants se réchauffent continuellement pendant une vague de chaleur et transmettent leur chaleur à la chambre froide.

L'installation frigorifique doit évacuer durablement cette énergie supplémentaire.

L'apport thermique augmente avec la température extérieure

Le flux thermique à travers la paroi d'une chambre froide peut être décrit de manière simplifiée par l'équation suivante :

Q̇ = U · A · ΔT

Où :

• U est le coefficient de transmission thermique de la paroi,
• A est la surface,
• ΔT est la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur.

Un exemple :

Une chambre de congélation fonctionne à -20 °C.

À une température extérieure de 20 °C, la différence de température est de 40 Kelvin.

Si la température extérieure monte à 40 °C, cette différence passe à 60 Kelvin.

Le flux thermique à travers la même paroi augmente donc théoriquement d'environ 50 %.

Et cela vaut simultanément pour les murs, le plafond, le sol, les portes et tous les ponts thermiques.

L'installation frigorifique doit donc absorber beaucoup plus d'énergie thermique que lors d'une journée d'été normale.

L'humidité est un consommateur d'énergie souvent sous-estimé

L'humidité de l'air est souvent encore plus critique que la température.

Si de l'air estival chaud pénètre dans une chambre de congélation, il ne suffit pas de refroidir cet air à -20 °C.

La vapeur d'eau contenue doit d'abord :

• se condenser,
• ensuite geler,
• puis être également refroidie jusqu'à la température de stockage.

De l'énergie supplémentaire est nécessaire pour chacune de ces transitions de phase.

Cette chaleur latente sollicite l'installation frigorifique beaucoup plus fortement que le simple refroidissement de l'air.

Conséquences :

• givrage plus rapide des évaporateurs,
• cycles de dégivrage plus fréquents,
• durées de fonctionnement du compresseur plus longues,
• augmentation de la consommation d'énergie.

Le condenseur travaille également dans de moins bonnes conditions

Alors que l'évaporateur doit absorber de plus en plus de chaleur, les conditions de travail du condenseur se dégradent simultanément.

Pour que la chaleur puisse être rejetée dans l'environnement, le fluide frigorigène doit toujours avoir une température supérieure à celle de l'air extérieur.

Si la température extérieure passe de 25 °C à 40 °C, la température de condensation précédente ne suffit plus.

La haute pression augmente jusqu'à ce que le fluide frigorigène soit suffisamment chaud pour pouvoir évacuer la chaleur nécessaire vers l'extérieur.

La température de condensation plus élevée entraîne immédiatement :

• une pression plus élevée,
• un taux de compression plus important,
• une puissance du compresseur accrue,
• une augmentation de la consommation électrique.

Pourquoi le COP diminue-t-il ?

Le COP décrit le rapport entre la puissance frigorifique produite et la puissance électrique absorbée.

Pendant une vague de chaleur, deux effets agissent simultanément :

• L'installation doit transporter beaucoup plus de chaleur.
• Le compresseur nécessite plus d'énergie électrique en raison du taux de compression plus élevé.

La consommation de puissance électrique augmente donc plus rapidement que la puissance frigorifique réellement utilisable.

Le COP diminue.

Cela explique pourquoi de nombreuses installations fonctionnent presque en continu pendant les journées chaudes tout en ayant du mal à maintenir leur température de consigne.

Petites causes – grands effets

De légères restrictions peuvent déjà considérablement amplifier l'effet décrit.

Cela inclut, par exemple :

• des ailettes de condenseur encrassées,
• des flux d'air bloqués,
• une évacuation de l'air vicié insuffisante,
• le rayonnement solaire direct sur le condenseur,
• des évaporateurs givrés,
• des filtres encrassés,
• un débit d'air trop faible.

Toute détérioration du transfert thermique contraint l'installation à une température de condensation plus élevée – et donc à une consommation d'énergie plus importante.

Conclusion

Une vague de chaleur sollicite les installations frigorifiques de multiples façons.

Non seulement l'air extérieur chaud complique l'évacuation de la chaleur au condenseur, mais l'apport de chaleur dans la chambre froide augmente également considérablement via l'enveloppe du bâtiment, les produits et l'humidité de l'air.

L'installation frigorifique doit donc transporter beaucoup plus d'énergie alors que ses conditions de travail se dégradent en parallèle.

C'est précisément pourquoi une maintenance régulière, des échangeurs thermiques propres, un flux d'air optimal et une surveillance continue de la température sont décisifs pour détecter précocement les pertes de puissance et éviter les pannes.

Car les problèmes ne s'annoncent souvent pas par une défaillance soudaine, mais par une hausse lente de la température et des durées de fonctionnement du compresseur de plus en plus longues.