Essayez sur votre propre chambre : notre calculateur gratuit de bilan thermique de chambre froide vous donne la puissance frigorifique requise en six étapes courtes.
Le calcul de la charge frigorifique permet de choisir correctement et économiquement les équipements du cycle du système de réfrigération. Si les éléments du système sont bien choisis, il fonctionnera efficacement et comme prévu pendant de nombreuses années.
Dans cet article, nous expliquons comment calculer la charge frigorifique d’une chambre froide. Nous examinons d’abord les sources de chaleur, puis nous étudions un exemple simplifié de calcul.
La charge frigorifique se calcule en 4 grands groupes
1- Pertes de chaleur par les murs, le sol et le plafond qui entourent le volume refroidi
2- Air chaud entrant dans la chambre froide lorsque la porte est ouverte
3- Charge thermique des produits stockés
4- Chaleur des sources internes de la chambre froide (personnes, éclairage, moteurs, etc.)
Une fois toutes ces charges prises en compte, l’épaisseur du panneau sandwich est déterminée selon la valeur U et le pays où sera construite la chambre froide. Cette valeur doit être aussi basse que possible. Augmenter l’épaisseur d’isolation et réduire la perméabilité thermique diminue la charge frigorifique, mais augmente le coût d’installation. Selon les conditions, cela représente 5 à 15 % des besoins de refroidissement.
Les pertes de chaleur dues à la porte ou à d’autres causes sont intégrées au calcul lors de la conception. Pour un calcul correct, il faut connaître l’usage réel de la chambre froide. Cette part représente 10 à 15 % de la puissance frigorifique totale.
Le principal facteur de la charge frigorifique est constitué par les produits placés dans la chambre froide. Il faut aussi tenir compte de la charge due à l’emballage des produits à refroidir. La chaleur des produits représente 55 à 70 % de la puissance totale.
Enfin, on prend en compte les autres sources de chaleur à l’intérieur de la chambre : il faut considérer le temps de travail, les personnes, le dégivrage, les moteurs électriques et l’éclairage. Cela représente 10 à 15 % de la puissance frigorifique totale.
Exemple de calcul de la charge frigorifique
Concevons un exemple de chambre froide de 8,0*5,0*4,0 m, où 6 tonnes de produits sont entrées chaque jour et 30 tonnes de pommes sont stockées en permanence.
1 – Charges de transmission
- Air ambiant (autour de l’entrepôt) à 30 °C et 50 % d’humidité relative, air intérieur (conditions voulues dans l’entrepôt) à 1 °C et 95 % d’humidité relative.
- Les murs, le toit et les sols sont isolés avec 80 mm de polyuréthane, de valeur U 0,28 W / m2.K.
- Comme les panneaux de sol ne conviennent pas au passage des chariots élévateurs dans les entrepôts industriels, nous utiliserons une plaque d’isolation XPS. Épaisseur 80 mm, U 0,42 W / m2.K
- La température du sol est de 10 °C.
Pour calculer la charge de transmission, nous utilisons la formule suivante :
Q = U x A x (température extérieure – température intérieure) x 24 ÷ 1000
- Q = charge thermique en kWh / jour
- U = valeur d’isolation U du panneau sandwich (W / m2.K)
- A = surface du plafond, des murs et du sol (à calculer) (m2)
- Température intérieure = température de l’air dans la chambre (°C)
- Température extérieure = température de l’air ambiant extérieur (°C)
- 24 = heures par jour
- 1000 = conversion des watts en kW.
Le calcul de « A » est assez simple :
- Mur = 8 m x 4 m = 32 m2
- Mur = 8 m x 4 m = 32 m2
- Mur = 5 m x 4 m = 20 m2
- Mur = 5 m x 4 m = 20 m2
Toit = 5 m x 8 m = 40 m2
Sol = 5 m x 8 m = 40 m2
Le sol doit être calculé séparément des murs et du plafond, car l’écart de température sous le sol est différent, et donc aussi le transfert de chaleur.
Murs et plafond
Q = U x A x (temp. extérieure – temp. intérieure) x 24 ÷ 1000
Q = 0.28W / m2.K x 144 m2 x (30°C – 1°C) x 24 ÷ 1000
Q = 28,06 kWh / jour
[144m2 = 32m2 + 32m2 + 20m2 + 20m2 + 40m2]
Sol
Q = U x A x (temp. extérieure – temp. intérieure) x 24 ÷ 1000
Q = 0.42W / m2.K x 40m2 x (10°C – 1°C) x 24 ÷ 1000
Q = 3,63 kWh / jour
Apport de chaleur total par conduction = 28,06 kWh/jour + 3,63 kWh/jour = 31,69 kWh/jour
2- Charge des produits
À cette étape, nous calculons la puissance frigorifique due aux produits placés dans l’entrepôt.
Dans cet exemple, nous stockons des pommes. Si vous effectuez des opérations comme la congélation ou un refroidissement supplémentaire, vous devez aussi calculer séparément leur apport de chaleur. Ici, nous ne faisons que du refroidissement.
Chaque jour, 6 000 kg de pommes arrivent à l’entrepôt à 10 °C, avec une capacité thermique de 0,87 kcal/kg.
Nous pouvons utiliser la formule suivante :
Q = m x Cp x DT (température d’entrée du produit – température intérieure) / 860
- Q = kWh / jour
- CP = capacité thermique massique des produits (kJ/kg.°C)
- m = masse des produits ajoutés (kg)
- Température d’entrée du produit = température d’entrée du produit (°C)
- Température dans la chambre froide = température à l’intérieur de la chambre froide (°C)
- 860 = taux de conversion kcal en kWh
Calcul
Q = m x C x (température d’entrée du produit – température de la chambre froide) / 860
Q = 6 000 kg x 0,87 kcal / kg°C x (10 °C – 1 °C) / 860
Q = 54,6 kWh / jour
3- Calcul de la charge frigorifique due à la respiration du produit
L’étape suivante consiste à calculer la charge frigorifique due à la respiration du produit. Dans cet exemple, nous utilisons une chaleur de respiration moyenne de 1,9 kJ/kg par jour pour la pomme, mais cette valeur varie avec le temps et la température. Nous appliquons ici une seule valeur pour simplifier le calcul, car cette charge n’est pas considérée comme critique. Dans notre exemple, 30 000 kg de pommes sont stockés dans l’entrepôt. Nous utilisons la formule suivante :
Q = m x resp / 3600
- Q = kWh / jour
- m = quantité de produit dans l’entrepôt (kg)
- resp = chaleur de respiration du produit (1,9 kJ / kg)
- 3600 = conversion des kJ en kWh.
Q = m x resp / 3600
Q = 30 000 kg x 1,9 kJ/kg / 3600
Q = 15,9 kWh / jour
Si l’on additionne la charge du nouveau produit entrant dans l’entrepôt et celle de la respiration du produit, on obtient une charge frigorifique totale de 70,5 kWh/jour.
4 – Charge thermique interne : calcul de la charge due aux personnes
La chaleur dégagée par les personnes qui travaillent dans la chambre froide varie selon la température et le volume de l’entrepôt.
Si l’on considère que 2 personnes travailleront 4 heures dans notre entrepôt de pommes, la formule est la suivante.
Q = nombre de personnes x temps x chaleur / 1000
- Q = kWh / jour
- Nombre de personnes = nombre de personnes travaillant dans l’entrepôt
- Temps = durée passée dans l’entrepôt par personne (heures)
- Chaleur = pertes de chaleur par personne et par heure (watts)
- 1000 = conversion des watts en kW
Calcul :
Q = temps x nombre de personnes x puissance thermique / 1000
Q = 4 heures x 2 personnes x 271 watts / 1000
Q = 2,16 kWh/jour
Charge thermique interne : calcul de la charge due à l’éclairage
À l’étape suivante, nous calculons la chaleur produite par l’éclairage. La formule utilisée est :
Q = lampes x temps x watts / 1000
- Q = kWh / jour,
- Lampes = nombre de lampes dans la chambre froide
- Heures = durée d’utilisation quotidienne de l’éclairage
- Watts = puissance de l’éclairage
- 1000 = conversion des watts en kW
S’il y a 3 lampes de 120 W chacune, allumées 4 heures par jour, le calcul est le suivant :
Q = lampes x temps x watts / 1000
Q = 3 x 4 heures x 120 W / 1000
Q = 1,44 kWh/jour
Charge interne totale : la charge des personnes (2,16 kWh/jour) et celle de l’éclairage (1,44 kWh/jour) donnent un total de 3,6 kWh/jour.
Charge des équipements : calcul de la charge due aux moteurs de ventilateur
Calculons maintenant la charge thermique des moteurs de ventilateur des évaporateurs.
Q = ventilateurs x temps x watts / 1000
- Q = kWh/jour
- Ventilateurs = nombre de ventilateurs
- Temps = durée de fonctionnement des ventilateurs par jour (heures)
- Watts = puissance nominale des moteurs de ventilateur (watts)
- 1000 = conversion des watts en kW.
L’évaporateur de cette chambre froide utilise 3 ventilateurs de 300 W chacun, et nous supposons qu’ils fonctionnent 16 heures par jour.
Calcul :
Q = ventilateurs x temps x watts / 1000
Q = 3 x 16 heures x 300 W / 1000
Q = 14,4 kWh / jour
Charge des équipements : calcul de la charge due au dégivrage
Calculons maintenant la charge thermique due au dégivrage de l’évaporateur. Nous utilisons la formule suivante :
Q = temps x puissance x cycles de dégivrage x rendement
- Q = kWh / jour,
- Puissance = puissance de la résistance (kW)
- Temps = durée du dégivrage (heures)
- Cycles de dégivrage = nombre de dégivrages par jour
- Rendement = part de la chaleur transmise à l’ambiance (%)
Dans cet exemple, des résistances de 1,5 kW sont utilisées dans notre chambre froide. Elles fonctionnent 20 minutes, 3 fois par jour, et 30 % de l’énergie consommée est transmise à la chambre froide.
Q = 1,5 kW x 0,33 heure x 3 x 0,3
Q = 0,45 kWh/jour
La charge frigorifique totale des équipements est égale à la charge des ventilateurs (14,4 kWh/jour) plus celle du dégivrage (0,45 kWh/jour), soit 14,85 kWh/jour.
Calcul de la charge due aux infiltrations
À cette étape, il faut calculer la charge thermique due aux infiltrations d’air. Nous utilisons la formule ci-dessous :
Q = volume x énergie x renouvellements x (température extérieure – température intérieure) / 3600
- Q = kWh / j
- Renouvellements = nombre de renouvellements de volume par jour
- Volume = volume de la chambre froide
- Énergie = énergie par mètre cube et par degré Celsius
- Température extérieure = température de l’air extérieur
- Température intérieure = température de la chambre froide
- 3600 = conversion des kJ en kWh.
En supposant que la porte crée 5 renouvellements d’air par jour à cause des entrées et sorties de produits, le volume est de 160 m3, chaque mètre cube d’air neuf représente 2 kJ/°C, l’air extérieur est à 30 °C et l’air intérieur à 1 °C.
Q = renouvellements x volume x énergie x (température extérieure – température intérieure) / 3600
Q = 5 x 160 m3 x 2 kJ/°C x (30 °C – 1 °C) / 3600
Q = 12,88 kWh / jour
Charge frigorifique totale
Pour calculer la charge frigorifique totale, il suffit d’additionner toutes les valeurs calculées.
Charge de transmission : 31,69 kWh / jour
Charge des produits : 70,5 kWh / jour
Charge interne : 3,6 kWh / jour
Charge des équipements : 14,85 kWh / jour
Charge d’infiltration : 12,88 kWh / jour
Total = 133,52 kWh / jour
Coefficient de sécurité
Il peut y avoir des écarts entre la conception et la réalisation. Selon le projet, on peut les absorber en ajoutant une marge de 5 à 25 %.
Utilisons ici un coefficient de sécurité de 10 %. En multipliant la charge frigorifique par 1,1, on obtient une charge totale de 146,87 kWh/jour.
Calcul de la puissance frigorifique
Il reste à calculer la puissance frigorifique nécessaire pour évacuer cet apport de chaleur. Pour cela, on divise la charge totale par 16, car l’appareil est prévu pour fonctionner 16 heures par jour. La puissance requise pour notre groupe frigorifique est donc de 146,87/16 = 9,18 kW.
