L’altitude joue un rôle essentiel dans la conception et le fonctionnement des chambres froides. À mesure que l’altitude augmente, la pression atmosphérique diminue, modifiant ainsi le comportement thermodynamique de l’air et des réfrigérants. Si ces changements ne sont pas pris en compte, ils peuvent entraîner une réduction de la capacité de refroidissement, une utilisation inefficace de l’énergie et une perte de contrôle de la température.

Dans cet article, nous explorons les mécanismes par lesquels l’altitude influe sur les performances des chambres froides, nous mettons en évidence les considérations relatives à la conception et les ajustements opérationnels.

1. Principes de base de la pression atmosphérique et de la réfrigération

1.1. Variation de la pression atmosphérique

• Référence au niveau de la mer : au niveau de la mer (0 m), la pression atmosphérique standard est d’environ 101,3 kPa (14,7 psi).
• Effet de l’altitude : à chaque augmentation de 1 000 m d’altitude, la pression atmosphérique diminue d’environ 11 à 12 kPa. Par exemple :
  • 1 000 m : ~89,9 kPa
  • 2 000 m : ~79,5 kPa
  • 3 000 m : ~70,1 kPa

Cette réduction de la pression a des conséquences directes sur le cycle du réfrigérant et les performances du condenseur/évaporateur.

1.2. Aperçu du cycle de réfrigération

• Évaporateur : absorbe la chaleur de la chambre froide en évaporant le réfrigérant liquide à basse pression.
• Compresseur : augmente la pression et la température du réfrigérant, le préparant ainsi à la condensation.
• Condenseur : rejette la chaleur dans l’air ambiant (ou dans l’eau), condensant le réfrigérant pour le ramener à l’état liquide.
• Dispositif de détente : abaisse la pression et la température du réfrigérant avant qu’il n’entre dans l’évaporateur.

À des altitudes plus élevées, la pression ambiante plus faible modifie à la fois le point d’ébullition du réfrigérant et la capacité du condenseur à rejeter la chaleur.

2. Effets thermodynamiques de l’altitude

2.1. Températures d’ébullition et de condensation plus basses

• Abaissement du point d’ébullition : la réduction de la pression atmosphérique abaisse le point d’ébullition des liquides, y compris les réfrigérants. Pour une pression donnée, le réfrigérant bout (s’évapore) à une température plus basse qu’au niveau de la mer.
• Saturation du réfrigérant : dans le condenseur, la pression de saturation du réfrigérant est liée à la pression ambiante. Une pression ambiante plus faible signifie que le réfrigérant se condense à une température de saturation plus basse pour une même pression.

Implications

• Réduction de l’écart de température : la différence de température (« écart ») entre l’évaporateur (chambre froide) et le condenseur (ambiance) peut augmenter ou diminuer en fonction de la conception du système. Un écart plus faible peut réduire le travail du compresseur, tandis qu’un écart plus important l’augmente.
• Réglages du sous-refroidissement et de la surchauffe : les réglages de contrôle du sous-refroidissement (réfrigérant liquide en dessous de la saturation) et de la surchauffe (réfrigérant vapeur au-dessus de la saturation) doivent être recalibrés en altitude afin d’éviter tout transfert de liquide ou tout noyage du compresseur.

2.2. Densité de l’air et transfert de chaleur

• Réduction de la densité de l’air : à 2 000 m, la densité de l’air est d’environ 80 % de celle au niveau de la mer. La réduction de la densité de l’air entraîne une diminution du nombre de molécules disponibles pour transférer la chaleur dans les serpentins du condenseur et de l’évaporateur.
• Coefficient de transfert thermique : avec un air moins dense, les performances de transfert thermique par convection se détériorent. Les ventilateurs et les serpentins doivent fonctionner plus fort ou être redimensionnés pour atteindre les mêmes taux de rejet/absorption de chaleur.

3. Impact sur les composants de la chambre froide

3.1. Compresseurs

• Réduction du débit massique : une pression plus faible côté aspiration entraîne une réduction du débit massique de vapeur de réfrigérant dans le compresseur. Cela peut diminuer la capacité de refroidissement.
• Augmentation de la pression de refoulement : dans certains cas, le compresseur peut avoir des températures de refoulement plus élevées lorsqu’il condense à une pression plus basse, ce qui affecte la viscosité du lubrifiant et la longévité des composants.

Conseil d’utilisation : certains fabricants de compresseurs proposent des kits pour haute altitude (par exemple, des soupapes modifiées ou des taux de compression plus faibles) afin de maintenir la capacité à des altitudes supérieures à 1 500 m.

3.2. Condenseurs

Condenseurs refroidis par air :

• Performances des ventilateurs : les ventilateurs génèrent moins de débit d’air dans un air plus rare. Par conséquent, les serpentins du condenseur peuvent ne pas évacuer la chaleur efficacement, ce qui entraîne des pressions de condensation plus élevées si elles ne sont pas correctement réglées.
• Dimensionnement des serpentins : une surface de serpentin plus grande ou une capacité de ventilation supplémentaire est souvent nécessaire à des altitudes plus élevées.

Condenseurs refroidis par eau :

• Efficacité de l’échange thermique : bien que les systèmes refroidis par eau soient moins sensibles aux variations de la densité de l’air, les tours de refroidissement par évaporation ou les unités de rejet de chaleur dépendent toujours de l’air ambiant ; par conséquent, des ajustements peuvent encore être nécessaires à des altitudes très élevées.

3.3. Évaporateurs

• Comportement au givrage : lorsque la pression et l’humidité ambiantes sont plus faibles, la vitesse et la répartition du givre sur les serpentins de l’évaporateur peuvent changer. Dans certaines régions sèches et de haute altitude, le givre peut se former plus lentement, mais fondre en formant des zones humides localisées, ce qui affecte les cycles de dégivrage.
• Considérations relatives au débit d’air : les ventilateurs des évaporateurs subissent des réductions similaires du débit d’air dans l’air raréfié, ce qui peut entraîner un refroidissement inégal ou une stratification si la vitesse des ventilateurs n’est pas augmentée ou si l’inclinaison des pales n’est pas ajustée.

3.4. Commandes et charge de réfrigérant

• Réglages des pressostats : les pressostats haute pression et basse pression doivent être recalibrés en fonction de la réduction des pressions d’aspiration et de refoulement.
• Étalonnage du thermostat : Les thermostats et les capteurs de pression doivent être vérifiés à l’aide d’instruments de référence étalonnés, car leurs lectures peuvent être faussées par une pression plus faible.
• Charge de réfrigérant : Dans certains cas, une légère réduction de la charge de réfrigérant permet de maintenir une couverture adéquate de l’évaporateur et réduit le risque de retour d’eau vers le compresseur. Toutefois, cela doit être mis en balance avec les exigences de capacité.

4. Ajustements de conception et d’ingénierie

4.1. Dimensionnement du système

• Facteurs de correction de capacité : de nombreux fabricants d’équipements fournissent des tableaux de correction. Par exemple, à 2 000 m, un compresseur d’une puissance nominale de 100 kW au niveau de la mer peut ne fournir qu’environ 85 kW. Les concepteurs spécifient un surdimensionnement ou sélectionnent des équipements avec une capacité nominale plus élevée.
• Dimensionnement du condenseur : augmentez la surface frontale des condenseurs refroidis par air de 10 à 15 % tous les 1 000 m au-dessus de 1 500 m d’altitude, ou passez à des systèmes à double ventilateur pour compenser la densité réduite de l’air.
• Sélection du moteur du ventilateur : utilisez des moteurs conçus pour un régime plus élevé à un couple plus faible afin de maintenir le débit d’air dans un air plus rare. Les variateurs de fréquence (VFD) peuvent aider à régler avec précision les performances des ventilateurs.

4.2. Isolation et enveloppe du bâtiment

• Valeurs R d’isolation : Bien que l’altitude en soi n’ait pas d’incidence directe sur les propriétés d’isolation, les températures ambiantes plus froides en altitude nécessitent souvent des valeurs R plus élevées pour éviter le soulèvement dû au gel ou une infiltration thermique excessive.
• Étanchéité à l’air : La densité réduite de l’air peut exacerber l’infiltration ; colmatez méticuleusement toutes les fissures afin de garder l’air froid à l’intérieur et l’air humide extérieur à l’extérieur, en particulier dans les régions où les variations de température diurnes sont importantes.

4.3. Systèmes de dégivrage

• Programmation du dégivrage : L’air plus rare contient souvent moins d’humidité, ce qui peut réduire les taux d’accumulation de givre. Les cycles de dégivrage programmables peuvent être allongés ou décalés vers des périodes creuses afin d’économiser de l’énergie.
• Dégivrage à gaz chaud : À très haute altitude, où les serpentins de dégivrage électriques ont un transfert de chaleur réduit, les systèmes de dégivrage à gaz chaud offrent un dégivrage plus fiable.

4.4. Sélection du réfrigérant

• Réfrigérants à basse pression : certains réfrigérants ont un comportement plus prévisible à haute altitude. Par exemple, le R-404A ou ses alternatives à faible PRG (comme le R-448A ou le R-449A) maintiennent des performances assez constantes jusqu’à des températures d’évaporation de 0 °C.
• Considérations relatives au point critique : à très haute altitude (au-dessus de ~3 000 m), le point critique de certains réfrigérants se rapproche des températures de condensation ambiantes, ce qui peut réduire les marges de sous-refroidissement. Dans ces cas, les réfrigérants à pression critique plus élevée (par exemple, le R-410A) peuvent être préférables si la conception le permet.

5. Étude de cas : chambre froide à 2 500 m d’altitude

5.1. Conditions de référence

• Emplacement : ville de montagne à 2 500 m (≈8 200 ft).
• Environnement typique : 15 °C en moyenne en été, 5 °C en moyenne en hiver. Humidité ~40 %.
• Température cible de la chambre froide : –18 °C pour le stockage de produits congelés.

5.2. Sélection des équipements

• Compresseur : modèle sélectionné avec une capacité nominale de 120 kW au niveau de la mer, fournissant environ 100 kW à 2 500 m (facteur de correction ≈0,83).
• Condenseur : refroidi par air, avec une surface de serpentin 20 % plus grande que l’équivalent au niveau de la mer, deux ventilateurs séquentiels et des variateurs de fréquence pour un contrôle précis du débit d’air.
• Évaporateur : serpentin standard, mais avec un débit d’air supérieur de 10 % (grâce à des ventilateurs EC à vitesse de rotation plus élevée) pour compenser la densité d’air réduite.
• Réfrigérant : R-448A, choisi pour ses performances stables à proximité de la température critique à des altitudes modérément élevées.

5.3. Contrôle et mise en service

• Pressostats : calibrés par rapport à un manomètre de référence ; coupure haute pression réglée à 30 bars, coupure basse pression à 2,3 bars (au lieu de 33 bars et 2,6 bars au niveau de la mer respectivement).
• Thermostats : capteurs de température électroniques installés à plusieurs hauteurs dans la pièce pour détecter la stratification.
• Dégivrage : cycle de dégivrage à gaz chaud programmé toutes les 48 heures, prolongé de 30 % par rapport à la recommandation au niveau de la mer, en raison d’une formation de givre plus lente.

5.4. Résultats de performance

• Capacité de refroidissement : -18 °C atteint dans les 4 heures suivant un démarrage à pleine charge, comparable à la référence au niveau de la mer à -18 °C en 3,5 heures (légèrement plus long en raison de la réduction de la capacité).
• Consommation d’énergie : la consommation électrique a augmenté d’environ 12 % en raison de la taille plus importante des ventilateurs et de la durée de fonctionnement plus longue des compresseurs. Cependant, la consommation est restée dans les limites acceptables du budget opérationnel.
• Stabilité de la température : variations de ±0,5 °C, indiquant un contrôle efficace malgré les contraintes liées à l’altitude.

7. Résumé des principaux ajustements en fonction de l’altitude

Plage d’élévation	Réduction de pression	Correction du compresseur	Réglage du condenseur	Changements au niveau du ventilateur/serpentin
Niveau de la mer (0 – 500 m)	0–6 kPa	Aucun	Standard	Standard
Modéré (500 à 1 500 m)	6–17 kPa	Baisse de capacité de 5 à 10 %	+5 à 10 % de surface de serpentin ou ventilateurs à fréquence variable	+5 à 10 % de vitesse du ventilateur
Élevée (1 500 – 3 000 m)	17–31 kPa	Baisse de capacité de 10 à 20 %	+10 à 20 % de surface de serpentin, deux ventilateurs	+10 à 15 % de vitesse de ventilation, ventilateurs EC à régime plus élevé
Très élevé (> 3 000 m)	>31 kPa	>20 % de baisse de capacité	+20 à 30 % de surface de serpentin, kit spécialisé	Vitesse variable pour compenser l’air raréfié, assistance par air canalisé possible