Analyse comparative

Le choix du procédé de refroidissement dans la transformation et le stockage des denrées alimentaires a des répercussions considérables sur la qualité des produits, l’efficacité énergétique et la rentabilité. Cette étude compare le refroidissement conventionnel par air dans les chambres froides avec le refroidissement direct à l’eau glacée (hydrorefroidissement) en termes de performance thermodynamique, de vitesse de refroidissement, de préservation de la qualité et de coûts d’exploitation. L’analyse montre que l’eau, grâce à sa conductivité thermique 23,5 fois supérieure et à sa capacité thermique spécifique 4,2 fois plus élevée que celles de l’air, permet des taux de refroidissement nettement plus rapides ^[1][2]. L’hydrorefroidissement réduit le temps de refroidissement de 6 à 12 heures (refroidissement par air) à 15 à 25 minutes et prolonge ainsi significativement la durée de conservation des produits sensibles à la température ^[3][4]. Malgré des coûts d’investissement plus élevés, les systèmes d’hydrorefroidissement s’amortissent économiquement en 5 à 7 ans grâce à des coûts énergétiques spécifiques réduits, des cadences de production plus élevées et des pertes de qualité réduites ^[5][6].

Le refroidissement des denrées alimentaires immédiatement après la récolte ou après la transformation est déterminant pour le ralentissement des processus de dégradation biochimique, de la croissance microbienne et des réactions enzymatiques ^[7]. Les systèmes conventionnels de chambres froides à circulation d’air forcé dominent en raison de leurs faibles coûts d’investissement et de leur installation simple ^[8]. Les systèmes d’hydrorefroidissement, dans lesquels le produit entre directement en contact avec de l’eau froide (0,5 à 2 °C), offrent cependant des avantages thermodynamiques pertinents pour les applications critiques en termes de temps ^[4][9].

L’objectif de cette étude est une comparaison systématique des deux procédés en tenant compte des taux de transfert de chaleur, des temps de refroidissement, de la qualité du produit, de la consommation énergétique et de la rentabilité globale.

Le transfert de chaleur entre le produit et le fluide de refroidissement est décrit par le coefficient de transfert de chaleur h entre le fluide de refroidissement et le produit à refroidir :

$Q=h\cdot A\cdot (T_s-T_m)$

où Q est la puissance thermique transférée [W], A la surface [m²], T_s la température de surface du produit [°C] et T_m la température du fluide [°C] ^[9][10].

Valeurs typiques du coefficient de transfert de chaleur h :

Tableau 1 : Comparaison des coefficients de transfert de chaleur de différents fluides de refroidissement

Avec l’eau, on obtient ainsi des coefficients de transfert de chaleur 50 à 150 fois plus élevés qu’avec le refroidissement par air ^[1][11].

2.2 Conductivité thermique et capacité thermique

La conductivité thermique k [W/(m·K)] indique la capacité d’un milieu à conduire la chaleur :

• Air (20 °C): k = 0,026 W/(m·K)
• Eau (20 °C): k = 0,61 W/(m·K)

L’eau possède une conductivité thermique 23,5 fois supérieure à celle de l’air ^[1].

La capacité thermique spécifique c_p [kJ/(kg·K)] décrit la quantité d’énergie nécessaire pour le réchauffement :

• Air (20 °C): c_p = 1,005 kJ/(kg·K)
• Eau (20 °C): c_p = 4,18 kJ/(kg·K)

L’eau peut absorber 4,2 fois plus de chaleur par unité de masse que l’air ^[2]. À débit volumique égal, l’eau possède une capacité de transport de chaleur environ 3 500 fois supérieure ^[1].

Le temps de refroidissement est souvent exprimé en « Seven-Eighths Cooling Time » (t_7/8). C’est le temps nécessaire pour surmonter 87,5 % de la différence de température entre la température initiale du produit et celle du fluide de refroidissement ^[12][13].

Tableau 2 : Comparaison des temps de refroidissement typiques de différents procédés

L’hydrorefroidissement est environ 15 fois plus rapide que le refroidissement par air à convection forcée ^[4][9]. Un doublement de la vitesse de l’air réduit le temps de refroidissement de 30 à 40 %, tandis qu’une augmentation de 0,2 à 3,65 m/s le réduit d’un facteur 3 à 6 ^[14]. Néanmoins, le refroidissement par air dure considérablement plus longtemps qu’avec l’eau.

3.2 Exemple de calcul : Refroidissement d’épinards

Données de base :

• Température initiale des épinards : T₀ = 25 °C
• Température cible : T_z = 2 °C
• Température du fluide de refroidissement (air) : T_m = 0,5 °C
• Température du fluide de refroidissement (eau) : T_m = 0,5 °C
• Masse : 100 kg
• Capacité thermique spécifique des épinards : c_p = 4,0 kJ/(kg·K)

Chaleur à extraire :

$Q=m\cdot c_p\cdot \mathrm{\Delta }T=100 \mathrm{ }\text{kg}\cdot \mathrm{4,0} \mathrm{ }\text{kJ/(kg}\text{·}\text{K)}\cdot (25-2) \mathrm{ }\text{K}=9.200 \mathrm{ }\text{k}$

Refroidissement par air 

Le calcul du processus de refroidissement instationnaire nécessite en règle générale des méthodes de calcul numériques. Sous des hypothèses simplificatrices, des solutions analytiques sont également possibles [Source : VDI-Wärmeatlas, 12e édition 2019, section E2 Conduction thermique – instationnaire]. Sous des hypothèses fortement simplificatrices (entre autres : coefficient de transfert de chaleur constant, indépendant de la température pendant tout le processus de refroidissement ; la résistance au transfert de chaleur entre le fluide de refroidissement et le produit à refroidir est considérablement plus grande que la résistance interne de conduction thermique dans le produit) et pour des températures initiales et cibles identiques du produit et une température identique du fluide de refroidissement, le temps de refroidissement requis est approximativement inversement proportionnel au coefficient de transfert de chaleur entre le produit et le fluide de refroidissement. C’est-à-dire qu’avec des coefficients de transfert de chaleur typiques de h = 1000 W/(m² K) pour l’eau et de h = 50 W/(m² K) pour l’air, l’hydrorefroidissement est 20 fois plus rapide qu’avec l’air.

Un refroidissement rapide ralentit la respiration, la transpiration et la croissance microbienne ^[7][15].

• Refroidissement par air : Un refroidissement lent peut entraîner le flétrissement, une perte de poids (1 à 5 %) et une détérioration accrue ^[8][14]. En pratique, les pertes de poids causées par la transpiration lors du stockage en chambre froide de légumes-feuilles typiques se situent fréquemment autour de 3 % de la masse commercialisée, ce qui se traduit directement par un poids de vente réduit et donc des recettes moindres.
• Hydrorefroidissement : Un refroidissement rapide stoppe immédiatement la chaleur de champ, réduit le taux de respiration de 50 à 70 % et prolonge la durée de conservation de 30 à 50 % ^[4][7][15]. Des études sur les légumes-feuilles (épinards, laitue) et le piment ont montré que les produits hydrorefroidis présentaient une meilleure texture, une meilleure couleur et un brunissement des tiges moindre que les produits refroidis par air ^[7][15].

4.2 Limites de l’hydrorefroidissement

L’hydrorefroidissement ne convient pas aux produits sensibles à l’eau (par ex. champignons, oignons secs) et peut propager des agents pathogènes d’origine hydrique si la qualité de l’eau n’est pas contrôlée ^[4][9].

Les températures cibles inférieures à 0 °C ne sont atteignables qu’avec des additifs (par ex. sel).

Tableau 3 : Comparaison des coûts d’investissement

Les systèmes d’hydrorefroidissement nécessitent un traitement de l’eau, des pompes, des échangeurs de chaleur et des groupes frigorifiques à température d’évaporation plus élevée, ce qui augmente l’investissement initial de 40 à 80 % ^[5][17].

5.2 Coûts d’exploitation

Consommation énergétique :

Les systèmes refroidis par eau atteignent des valeurs COP (Coefficient of Performance) de 4 à 6, tandis que les systèmes refroidis par air présentent des COP de 2,5 à 3,5 ^[5][6].

Tableau 4 : Comparaison des coûts énergétiques spécifiques (6 000 heures de fonctionnement/an, 0,13 EUR/kWh)

Coûts d’eau et de maintenance :

Les systèmes d’hydrorefroidissement nécessitent 15 à 30 m³ d’eau par jour pour 100 kW de puissance frigorifique (avec recirculation) ^[18]. À 5,50 EUR/m³, les coûts annuels en eau s’élèvent à 5 500–11 000 EUR ^[6]. Les systèmes refroidis par air n’ont pas de coûts d’eau, mais des coûts de maintenance plus élevés pour les filtres et les ventilateurs.

Avantages de débit :

L’hydrorefroidissement permet 10 à 15 cycles de refroidissement par jour contre 1 à 2 pour le refroidissement par air ^[3]. Cela augmente le débit d’un facteur 5 à 10 et réduit considérablement les coûts fixes spécifiques.

5.3 Calcul d’amortissement (exemple)

Hypothèses :

• Puissance frigorifique : 100 kW
• Heures de fonctionnement : 6 000 h/an
• Prix de l’électricité : 0,13 EUR/kWh
• Prix de l’eau : 5,50 EUR/m³
• Valeur du produit : 5,50 EUR/kg
• Débit : 50 000 kg/an (refroidissement par air), 200 000 kg/an (hydrorefroidissement)

Comparaison des coûts (annuels) :

Tableau 5 : Coûts d’exploitation annuels

Avantage qualité (rebuts) :

• Refroidissement par air : 5 % de rebuts dus à la perte de qualité = 2 500 kg = 13 750 EUR de perte
• Hydrorefroidissement : 1 % de rebuts = 2 000 kg = 11 000 EUR de perte
• Économie : 2 750 EUR/an en faveur de l’hydrorefroidissement

Pertes de poids (3 % pour le refroidissement par air) :

Le refroidissement par air, plus lent, entraîne typiquement des pertes de poids d’environ 3 % de la masse commercialisée pour les légumes-feuilles et autres produits à forte transpiration. Pour un débit annuel de 50 000 kg et une valeur du produit de 5,50 EUR/kg :

• 3 % de 50 000 kg = 1 500 kg de perte de poids
• 1 500 kg · 5,50 EUR/kg = 8 250 EUR/an de perte directe de recettes pour le refroidissement par air

L’hydrorefroidissement réduit ces pertes par transpiration à un niveau négligeable, car le produit est refroidi rapidement et ne perd pratiquement pas d’eau supplémentaire dans le bain d’eau. Ce montant de 8 250 EUR/an représente donc un avantage économique supplémentaire de l’hydrorefroidissement.

Avantage de débit :

L’hydrorefroidissement permet un débit 4 fois supérieur (200 000 kg contre 50 000 kg). Avec une marge de contribution de 0,11 EUR par kg de marchandise supplémentaire transformée :

$\text{Marchandise supplémentaire}=150.000 \mathrm{ }\text{kg}\cdot \mathrm{0,11} \mathrm{ }\text{EUR/kg}=16.500 \mathrm{ }\text{EUR/Jahr}$

Bilan global (incl. perte de poids) :

• Surcoûts hydrorefroidissement (coûts d’exploitation) : 3 300 EUR/an
• Économie qualité (moins de rebuts) : 2 750 EUR/an
• Prévention des pertes de poids (3 %) : 8 250 EUR/an
• Avantage de débit : 16 500 EUR/an

Il en résulte un avantage net annuel:

$\text{Aventage} \text{net}=2.750+8.250+16.500-3.300=\text{EUR 24.200/}\text{an}$

Amortissement :

Pour un surinvestissement de 44 000 EUR pour l’installation d’hydrorefroidissement par rapport à la solution refroidie par air :

$\text{Payback}=\frac{44.000}{24.200}\approx \mathrm{1,8} \mathrm{ }\text{an}$

Sous des hypothèses conservatrices sans avantages de débit, la durée d’amortissement se situe toujours dans la fourchette de 3 à 7 ans ^[5][6]. La prise en compte d’une perte de poids réaliste de 3 % des produits refroidis par air montre cependant que des durées d’amortissement nettement plus courtes sont atteignables dans les applications à forte exigence de qualité et de volume.

L’hydrorefroidissement offre des avantages thermodynamiques incontestables : coefficients de transfert de chaleur 20 à 100 fois plus élevés, gain de temps de 15 à 25 fois et qualité du produit nettement supérieure ^[1][4][9]. L’avantage économique dépend cependant des facteurs suivants :

• Type de produit : L’hydrorefroidissement est idéal pour les légumes-feuilles, les baies et les légumes ; inadapté aux produits sensibles à l’eau.
• Débit : Pour des volumes élevés, l’hydrorefroidissement s’amortit rapidement grâce à des cadences de cycle plus élevées ^[3][4].
• Prix de l’énergie : Plus le prix de l’électricité est élevé, plus le refroidissement par eau, économe en énergie, est attractif ^[6][16].
• Exigences de qualité : Les marchés premium justifient l’investissement par une durée de conservation plus longue et un meilleur aspect ^[7][15].

Les systèmes modernes de stockage d’eau glacée avec refroidissement direct atteignent des valeurs COP supérieures à 5 et des économies d’énergie allant jusqu’à 50 % par rapport aux systèmes conventionnels ^[17][18]. La combinaison avec la récupération de chaleur (par ex. du refroidissement du lait) augmente encore l’efficacité globale ^[19].

Le refroidissement direct à l’eau glacée (hydrorefroidissement) surpasse nettement le refroidissement par air dans les chambres froides en termes de vitesse de refroidissement (facteur 15 à 25), de qualité du produit (30 à 50 % de durée de conservation supplémentaire) et d’efficacité énergétique (30 à 50 % de coûts énergétiques spécifiques en moins) ^[1][4][6][9]. Malgré des coûts d’investissement supérieurs de 40 à 80 %, l’hydrorefroidissement s’amortit pour des débits moyens à élevés en 3 à 7 ans grâce à des coûts d’exploitation réduits, des cadences de production plus élevées et des pertes de qualité réduites ^[5][6].

Le refroidissement par air, plus lent, entraîne en outre des pertes liées au poids de l’ordre de 3 % de la masse commercialisable, qui se traduisent directement par des recettes moindres. L’hydrorefroidissement réduit ces pertes par transpiration à un niveau quasiment négligeable, de sorte que le poids net vendable est largement préservé et qu’un surplus de recettes stable se dégage. En combinaison avec les coûts énergétiques réduits, la réduction des rebuts et les cadences de production plus élevées, ce surplus de recettes raccourcit nettement la durée d’amortissement de l’investissement en hydrorefroidissement et peut, selon le cas d’exploitation, au lieu de plusieurs années, descendre à nettement moins de deux ans.

Pour les produits sensibles au temps avec des exigences de qualité élevées et un volume de transformation suffisant, l’hydrorefroidissement représente ainsi, tant du point de vue qualitatif qu’économique, la solution clairement supérieure, tandis que le refroidissement par air reste une alternative économique principalement pour les produits sensibles à l’eau, les petits débits et les applications avec des exigences de qualité moindres.

^[1] CTM Magnetics. (2026). Air Cooled vs. Liquid Cooled: The Differences.
https://ctmmagnetics.com/general/air-cooled-vs-liquid-cooled-differences/

^[2] MTS DNC. (2024). Water vs. Air: Understanding Heat Transfer and Its Role in HVAC Systems Design.
https://www.mtsdnc.com/post/water-vs-air-understanding-heat-transfer-and-its-role-in-hvac-systems-design

^[3] All Cold Cooling. (2025). Vacuum Cooling vs. Traditional Cooling: Which is Better for Your Fresh Produce?
https://allcoldcooling.com/vacuum-cooling-vs-traditional-cooling-which-is-better-for-your-fresh-produce/

^[4] Virginia Tech, Agricultural and Food Technology. (n.d.). Hydrocooling.
https://psdocs.spes.vt.edu/AOFT/Hydrocooling.pdf

^[5] Linble Cold Room. (2025). Refrigeration Systems in Cold Rooms: Air-Cooled vs Water-Cooled Condensers.
https://www.linble-coldroom.com/refrigeration-systems-in-cold-rooms-air-cooled-vs-water-cooled-condensers/

^[6] Thermal Care. (n.d.). Air-Cooled vs. Water-Cooled Chiller Cost Savings.
https://www.thermalcare.com/air-cooled-vs-water-cooled/

^[7] ISHS. (n.d.). Comparison of Hydro-Cooling and Forced-Air Cooling for Red Hot Chili.
https://www.ishs.org/ishs-article/712_108

^[8] Runtecool. (2022). Analysis of the Advantages and Disadvantages of Air-Cooled vs Direct-Cooled Cold Storage. https://www.runtecool.com/news/analysis-of-the-advantages-and-disadvantages-of-air-cooled-vs-direct-cooled-cold-storage/

^[9] NC State Extension. (2025). Chapter 3b. Hydrocooling.
https://content.ces.ncsu.edu/introduction-to-the-postharvest-engineering-for-fresh-fruits-and-vegetables/3b-hydrocooling

^[10] Wikipedia. (2005). Heat Transfer Coefficient.
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^[11] Sinda Thermal. (2022). Comparison of Air Cooling and Liquid Cooling Technologies.
https://srcyrl.sindathermal.com/info/comparison-of-air-cooling-and-liquid-cooling-c-67103923.html

^[12] R. Paul Singh. (1997). Hydrocooling Virtual Experiment.
http://rpaulsingh.com/learning/virtual/experiments/hydrocooling/index.html

^[13] ScienceDirect. (2002). Hydrocooling Time Estimation Methods.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S073519330200307X

^[14] Oxford Academic. (2020). Evaluation and Optimization of Air-Based Precooling for Higher Quality Fresh Produce. https://academic.oup.com/fqs/article/4/2/59/5822988

^[15] ScienceDirect. (2015). Comparison of Industrial Precooling Systems for Minimally Processed Baby Spinach. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0925521414003214

^[16] Energy Resources Group. (2022). Air vs. Water Cooled Equipment.
https://www.energyresourcesgroupinc.com/erg-bulletin/air-vs-water-cooled-equipment/

^[17] HTT-AG. (2025). Ice Water Cooling for Dairy Plants.
https://www.htt-ag.com/solutions/ice-water-cooling-in-dairy-plants/

^[18] HTT-AG. (2025). Industrial Ice Storage in Combination with Direct Cooling Ice Water Chillers.
https://www.htt-ag.com/solutions/industrial-ice-storage-in-combination-with-direct-cooling-ice-water-chillers/

^[19] Agroscope. (n.d.). Recovering Heat from Milk Cooling Systems Saves Energy. https://www.agroscope.admin.ch/agroscope/de/home/aktuell/dossiers/n-p-kreislaeufe-optimieren/