Choix concernant le dégivrage
En bref !
Du côté de la chambre froide ou du meuble frigorifique fermé ou mixte négatif, le givre diminue le transfert thermique entre l’air et la surface extérieure de la batterie. L'apport de froid vers la chambre se fait moins bien. La température de la chambre froide monte quelque peu.
D'autre part, du côté du circuit frigorifique, le compresseur de la machine frigorifique travaille avec une mauvaise efficacité énergétique : la couche de glace sur l'évaporateur peut être comparée à un couverture posée sur un radiateur (pour obtenir la même chaleur, il faudra augmenter la température de l'eau et diminuer le rendement en chaudière).
Il faut donc débarrasser périodiquement l'évaporateur du givre formé : c'est le dégivrage.
La chambre frigorifique doit donc être équipée d'un dégivrage automatique.
Le personnel d'exploitation, s'il n'effectue pas lui-même le dégivrage, doit cependant en vérifier le bon déroulement et surtout s'assurer périodiquement que les dégivrages sont effectués complètement. Aucune trace de givre ne doit alors subsister sur la surface froide à la fin du dégivrage.
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Précautions à prendre au niveau du choix de l'enceinte et du groupe d'une chambre froide |
Au niveau de la configuration de l'enceinte et pour éviter au mieux la formation de givre sur l'évaporateur, il est préférable que celui-ci soit situé loin de l'entrée par laquelle est amené l'air chaud et humide.
Exemple. La chambre froide est installée chez un grossiste en fruits et légumes. L'évaporateur de la chambre froide se situe comme sur le dessin ci-après : La porte est ouverte toute la journée pour permettre aux clients (des petites supérettes) de venir faire leurs achats, des bandes en plastique sont installées pour limiter les pertes frigorifiques. La température d'évaporation étant de -8° un dégivrage est nécessaire. La proximité de la porte favorise les entrées d'air à température moyenne de 20°. Cet air chaud est aspiré par l'évaporateur et du givre apparaît très vite sur la batterie. Un dégivrage est nécessaire toutes les deux heures alors que dans d'autres conditions seuls 3 à 4 dégivrages par 24 heures seraient suffisants. Pour éviter des consommations importantes d'électricité et une régulation qui apporterait toujours des soucis, il a été prévu d'arrêter la production frigorifique toutes les deux heures tout en laissant tourner les ventilateurs de l'évaporateur. On dégivre 10 minutes uniquement grâce à la température ambiante de l'air. |
En ce qui concerne l'installation, pour faciliter et optimiser les opérations de dégivrage, on choisit, de préférence, une installation avec :
- Une vanne magnétique sur le circuit frigorifique (juste avant l'évaporateur).
Cette vanne va permettre d'arrêter le cycle du fluide frigorigène lors d'un dégivrage : lors d'un dégivrage, l'alimentation électrique de la vanne magnétique est coupée. La vanne se ferme. La Basse Pression au compresseur descend et le compresseur s'arrête dès que le niveau réglé sur le pressostat Basse Pression est atteint.
Quand il n'y a pas de vanne magnétique, le compresseur est directement arrêté électriquement (contacteur). Mais dans ce cas, une migration de réfrigérant peut se produire et encore continuer à s'évaporer, ce qui peut poser problème. - Des manchons souples placés à la sortie du ventilateur de l'évaporateur si la technique de dégivrage produit de la chaleur sur l'évaporateur. Lors d'un dégivrage, lorsque la ventilation est à l'arrêt, ce manchon retombe et se rabat sur la surface de pulsion du ventilateur. Une barrière physique est ainsi créée autour de la chaleur produite dans l'évaporateur pour dégivrer l'évaporateur.
Ces manchons souples en fibre polyester sont encore appelés "shut up".
Précautions à prendre au niveau de l'utilisation de l'enceinte d'une chambre froide |
Une organisation rationnelle des interventions dans les chambres froides peut être source d'économies d'énergie substantielles. On peut regrouper les interventions et laisser les portes ouvertes pendant un temps le plus court possible.
Il y aura ainsi moins d'air humide qui entrera à l'intérieur de l'enceinte. Au niveau économies d'énergie, on gagne ainsi sur trois plans :
- au niveau de l'énergie nécessaire pour dégivrer,
- au niveau de l'énergie nécessaire au refroidissement et au séchage de l'air humide qui entre dans l'enceinte,
- au niveau de l'énergie nécessaire pour éliminer les quantités de chaleur accumulées dans les évaporateurs au moment des dégivrages, dont le nombre et la durée peuvent diminuer.
Exemple. Soit une chambre froide négative de dimensions intérieures : L'air à l'extérieur de la chambre a les caractéristiques suivantes : L'air intérieur a les caractéristiques suivantes : La chambre est "sollicitée" pendant 12 h/jours. Il y a 10 interventions par heure, pendant chacune d'elle la porte est laissée ouverte pendant 30 secondes. Avec une meilleure organisation, le personnel n'ouvre plus la porte que 5 fois par heure et ne la laisse plus ouverte que 6 secondes par intervention. Il faut ajouter à cette économie, l'énergie gagnée sur le refroidissement et le séchage de l'air entrant dans la chambre froide, ainsi que sur le givrage de la vapeur qu'il contient. Avec un COP global moyen de 2,5 et un coût moyen de 0,115 € du kWh électrique, cela représente une économie supplémentaire de : ((109,6-11) [kWh] / 2,5) x 0,11 [€] x 260 [jours], soit 1179 € par an. Dans cet exemple, on n'a pas diminué le nombre de dégivrages dans le cas où il y a moins de vapeur qui entre dans la chambre. Cela représente, en fait, une économie supplémentaire, car il faut moins d'énergie pour refroidir les masses métalliques des évaporateurs, chauffées lors des dégivrages. Remarque : vu la remarque ci-dessous, cet exemple sert plus à montrer qu'il y a de grosses possibilités d'économies par une utilisation rationnelle de la chambre froide qu'à donner des chiffres exacts. En effet, la masse de l'évaporateur ainsi que le nombre de dégivrages ont été encodés de manière arbitraire. |
Si vous voulez estimer vous même les possibilités d'économiser de l'énergie grâce à une utilisation rationnelle de votre chambre froide, cliquez ici ! Mais ATTENTION : ce tableau doit être utilisé avec beaucoup de précautions ! En effet, les résultats dépendent de paramètres introduits par l'utilisateur. Or ces paramètres ne sont pas toujours connus et dépendent eux-mêmes du résultat des calculs. Par exemple :
Il faut aussi se rappeler que le rendement d'un évaporateur baisse au fur et à mesure que du givre vient se placer dans les interstices entre les ailettes. En fait, cela revient à dire que le calcul des machines frigorifiques doit être un calcul intégré où les éléments du bilan frigorifique ne peuvent pas toujours être envisagés séparément, comme c'est le cas ici avec ce tableau...; il s'agit d'un calcul itératif ! |
Choix de la technique de dégivrage |
Le réchauffage de la batterie pour assurer la fusion du givre peut se faire de diverses façons :
- par résistance chauffante,
- par introduction de vapeurs refoulées par le compresseur,
- par aspersion d'eau sur la surface externe, givrée, de la batterie,
- par circulation d'air.
Les deux premières méthodes citées ci-dessus sont les plus courantes :
Par résistance chauffante
Des résistances chauffantes sont imbriquées dans les tubes en cuivre qui composent la batterie de l'évaporateur. Leur position et leur puissance sont étudiées par le fabricant de manière à répartir uniformément la chaleur produite à l'ensemble de la batterie.
Avantages, inconvénients et choix
C'est une méthode simple, très répandue pour les unités de puissance moyenne.
Elle n'est pas dénuée de divers inconvénients : la consommation se fait en électricité directe, et donc à un prix élevé en journée, surtout si la période de dégivrage a lieu durant la pointe quart-horaire du mois.
Précautions
Dans les équipements frigorifiques des grandes cuisines, la place disponible fait souvent défaut et la tendance des architectes est de sélectionner du matériel très compact. D'autre part, les budgets sont de plus en plus étroits, ce qui ne facilite pas la sélection de matériel de qualité.
Cependant pour assurer un bon fonctionnement du dégivrage à long terme, certaines précautions sont à prendre :
- Les résistances n'ont pas une durée de vie éternelle. Elles doivent être remplacées en cas de défaillance. Lors de l'installation de l'évaporateur, il ne faudra donc pas oublier de tenir compte de leur longueur (généralement la longueur de l'évaporateur) et laisser l'espace nécessaire pour permettre de les extraire de leur " doigt de gant ".
- Toutes les résistances sont fixées à l'aide de fixation ad hoc dans la batterie. Il importe de fixer également les nouvelles qui seraient introduites après un remplacement.
En effet, si les résistances ne sont pas bien fixées, les dilatations produites lors du chauffage et du refroidissement peuvent faire bouger les résistances et les faire sortir de leur position avec comme conséquence de ne plus chauffer uniformément la batterie.
Par introduction de vapeurs refoulées par le compresseur
Cette technique, encore appelée dégivrage par "vapeurs chaudes" ou par "gaz chauds", consiste à inverser le cycle et à faire fonctionner l'évaporateur, le temps du dégivrage, en condenseur.
Avantages, inconvénients et choix
L'inversion de cycle est très économique, notamment car les vapeurs chaudes sont directement introduites dans les tubes avec des températures très élevées (avec le R22 on peut facilement atteindre plus de 90°). Les temps de dégivrage sont donc très courts : parfois quelques secondes suffisent.
Néanmoins, cette méthode complique le réseau des conduites frigorifiques : des éléments supplémentaires tels que la vanne à 4 voies (qui sert à l'inversion de cycle), vannes magnétiques pour couper les circuits, etc. viennent s'ajouter à l'installation.
Ainsi, elle est surtout utilisée dans les installations industrielles.
Dans les équipements frigorifiques des grandes surfaces, il n'y a que les machines à glaçons (lit de glace en poissonnerie), quand il en existe, qui sont parfois munies d'un système d'inversion de cycle pour démouler les glaçons.
Par aspersion d'eau sur la surface externe, givrée, de la batterie
Avantages, inconvénients et choix
Cette technique est parfois utilisée pour des enceintes froides à des températures voisines de 0°C et pour des enceintes demandant une humidité élevée (chambres de conservation de fruits). La consommation d'eau, fluide de plus en plus coûteux, est un inconvénient.
Par circulation d'air de la chambre
De l'air provenant soit de l'intérieur de la chambre même, soit de l'extérieur, est envoyé sur l'échangeur. Dans le premier cas, le dégivrage est très lent. Dans le second, il faut isoler l'évaporateur de la chambre, ce qui n'est pas pratique.
Avantages, inconvénients et choix
L'inertie des produits stockés doit être suffisante à maintenir l'ambiance dans une fourchette de température acceptable. C'est donc une technique qui n'est pas à utiliser pour des chambres froides qui sont quasi vides juste avant le réapprovisionnement.
La première de ces méthodes a l'avantage de récupérer totalement l'énergie frigorifique stockée dans la glace. De plus, seule une horloge est nécessaire pour interrompre la production frigorifique. Elle ne tombe donc jamais en panne.
En général, cette méthode est utilisée avec une température de chambre supérieure à 0°C et lorsque les enceintes ne sont pas trop sollicitées par des ouvertures de portes. Mais la pratique montre que certains régulateurs "intelligents" utilisent également ce système lorsque la température est fortement négative, grâce au fait qu'en dessous de -5°C la structure de la glace est très différente (beaucoup plus poudreuse et donc moins collante : une sublimation est alors possible).
Remarque : cette technique est celle utilisée par un fabricant qui propose une régulation intelligente des dégivrages.
Choix de la régulation du dégivrage |
Le dégivrage est une source de consommation d'énergie :
- Par l'apport de chaleur nécessaire à la fusion du givre (effet utile).
- Suite à l'échauffement, suivi du refroidissement, de la masse métallique de la batterie (effet nuisible).
- Par le réchauffement partiel, suivi de la remise en température de la chambre froide, une partie de la chaleur que nécessite le dégivrage ayant été perdu dans cette enceinte (effet nuisible).
Il existe donc une fréquence optimale de dégivrage pour minimiser l'énergie dépensée par cette opération :
- Trop fréquents, ils sont effectués alors qu'une faible quantité de givre s'est déposée sur la surface froide, l'effet utile est insuffisant devant les effets nuisibles qui l'accompagnent.
- Trop peu fréquents, la masse excessive de givre présente sur la batterie diminue l'efficacité énergétique de la machine frigorifique.
Choix du type de régulation
Pour les petites enceintes, une régulation par horloge peut suffire. Mais mal utilisée, cette régulation peut conduire à des aberrations énergétiques : qu'il y ait présence ou non de glace, le dégivrage est enclenché à l'heure programmée, la durée du dégivrage est fixe, quelle que soit la présence effective de glace.
Ainsi, en fonction des conditions d'exploitation des enceintes froides (peu ou beaucoup d'ouvertures de portes), les agents d'exploitation devront modifier la fréquence des dégivrages par le réglage des horloges, et une sonde de fin de dégivrage doit permettre à l'installation de redémarrer plus rapidement que la période fixée.
Cependant ils ne doivent, en aucun cas, intervenir sur la séquence. Certaines d'entre elles, interne des opérations de dégivrage si elles sont mal conduites, peuvent créer des écarts de pression intolérables entre l'intérieur et l'extérieur des chambres froides.
Pour les plus grandes enceintes, il est indispensable, au niveau énergétique, que la séquence des dégivrages réels se rapproche au mieux de la séquence utile. On utilise pour cela une régulation électronique intelligente de dégivrage. De tels systèmes permettent des économies substantielles.
Il en existe au moins deux sur le marché :
- Le premier système de régulation électronique intelligent permet d'espacer la séquence de dégivrages initialement programmés s'il n'a pas détecté de phase de fusion suffisamment longue durant les 10 dernières opérations de dégivrage programmées.
- Le second système de régulation électronique intelligent détecte la présence de glace à partir de deux sondes de température (l'une mesure la température ambiante de la chambre, l'autre est placée dans les ailettes de l'évaporateur). L'explication de ce principe ne nous a pas été détaillée.
Chez ce fabricant, le critère d'arrêt du dégivrage classique est une température d'évaporateur de 10°C. Cela semble élevé, mais c'est, semble-t-il, une sécurité par rapport à l'absence totale de glace.
En plus de cette détection de givre, ce système choisit un dégivrage par circulation d'air de la chambre chaque fois que la température intérieure le permet. Ce qui est très intéressant au niveau énergétique puisque non seulement il ne faut pas produire de la chaleur pour le dégivrage, mais qu'en plus, toute l'énergie latente contenue dans la glace sera restituée à l'ambiance.
Un dégivrage classique par résistance chauffante n'aura lieu que lorsqu'il n'est pas possible d'attendre la fusion de la glace par l'air ambiant.
Quel que soit le système de régulation intelligente, la souplesse de ces appareils par rapport aux thermostats mécaniques permet d'affiner les réglages et de proposer des fonctions complémentaires :
- alarmes,
- possibilité de faire fonctionner le congélateur avec une consigne abaissée de 5°C la nuit (pour bénéficier du courant de nuit),
- possibilité de délester durant la pointe 1/4 horaire,
- ...
D'après le fabricant du second système ci-dessus, l'investissement (+/- 1 625 €) est amorti en moins d'un an.
Exemple. Une chaîne de supermarchés belge a adopté ce système pour l'ensemble de ses chambres froides depuis 2 ans. Un des responsables techniques nous a confirmé que l'investissement a largement été amorti sur cette période en regard des économies d'énergie apportées (plus de 20 % de la consommation de la chambre). Une généralisation de ce système à l'ensemble des points de vente est programmée. |
De plus, ces systèmes peuvent tout à fait s'adapter sur des installations existantes.
Lors de la pose d'un système de régulation de dégivrage, il est important de l'adapter au mieux à la chambre froide et à son utilisation. Il appartient au frigoriste de bien poser au client les questions pour comprendre son mode de travail et de câbler la régulation la plus appropriée.
Autres précautions...
Pour optimiser le dégivrage, le frigoriste ne doit pas oublier de prévoir deux temporisations dans les étapes de dégivrage :
- Après l'opération de dégivrage proprement-dite, il faut prévoir une temporisation avant l'ouverture de la vanne magnétique (permettant à la production frigorifique de reprendre). Cette précaution permet d'assurer l'égouttage.
- Ensuite, il faut prévoir une deuxième temporisation avant la remise en fonctionnement des ventilateurs de l'évaporateur. Cette temporisation permet à la batterie d'atteindre une température moyenne inférieure ou égale à celle de l'enceinte. A défaut, la remise en route prématurée des ventilateurs peut envoyer de la chaleur dans la chambre froide et/ou des gouttelettes d'eau encore présentes.
Il veillera aussi à prévoir un système de sécurité qui arrête le dégivrage dès qu'une température ambiante excessive est atteinte. Cette sécurité doit, par exemple, être accompagnée d'une alarme qui prévient le personnel du problème.
Cette précaution est d'autant plus importante que les produits stockés sont coûteux.
Exemple. Il est déjà arrivé qu'un contacteur qui commandait les résistances électriques de dégivrage d'une enceinte stockant des crustacés, du caviar, etc. reste bloqué et que du chauffage soit diffusé toute la nuit dans la chambre avant que le personnel ne s'en aperçoive le lendemain matin. |
Évacuation des condensats |
Il faut prévoir un raccordement de décharge pour l'évacuation des condensats ou des eaux de dégivrage.
Dans les chambres froides négatives, pour éviter le gel, les tuyaux qui évacuent les condensèrent doivent être calorifugés, voir chauffés. L'évacuation par le haut à l'aide d'une pompe de relevage offre l'avantage d'éviter les passages de tuyaux à l'intérieur de l'enceinte (en général, l'évaporateur est suspendu au plafond). De façon générale, il faut chercher à sortir les condensats par le chemin le plus court de la chambre froide vers l'extérieur de manière à éviter tout souci.
L'exploitation devra toujours veiller à la bonne évacuation des eaux de dégivrage, et donc maintenir toujours libre de givre non fondu le bac de collecte de ces eaux. Elle doit également veiller au bon état de la conduite d'évacuation et de son système de chauffage (pour les chambres à températures négatives).
L'écoulement des condensats est primordial pour assurer de parfait dégivrage. Un bac de condensats qui ne se vide pas va provoquer très rapidement la prise en glace de la batterie par simple conduction entre l'eau et les ailettes.
Les meubles frigorifiques fermés, mixtes ou ouverts négatifs |
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Meuble mixte négatif | Meuble fermé négatif | Meuble ouvert négatif à ventilation forcée |
Le dégivrage "forcé" par les moyens courants tel que les résistances chauffantes ou par injection de gaz chaud côté circuit frigorifique est un mal nécessaire pour les meubles frigorifiques fermés, mixtes ou ouverts négatifs. En général, ce sont les mêmes techniques de dégivrage que les chambres frigorifiques qui leur sont appliquées.
A l'heure actuelle, sur la plupart des meubles de ce type, les équipements de dégivrage sont prévus en standard sous forme de résistances électriques.
La technique, par injection de gaz chaud à l'évaporateur nécessite une installation plus complexe et, par conséquent plus coûteuse.
Paramètres de régulation du dégivrage "forcé"
Un fabricant de meubles frigorifiques renseigne les paramètres de réglage des meubles frigorifiques négatifs. On peut y retrouver des valeurs de réglage standards en fonction de la classe d'ambiance déterminée par 
Paramètre | Définition | Optimum énergétique |
T0 | température d'évaporation [°C] | la plus faible possible |
N/24h | le nombre de dégivrage par 24 heures [N/24 heures] | le plus faible possible |
Tter | la température en fin de dégivrage [°C] | la plus basse possible |
td | la durée de dégivrage [min] | la plus faible possible |
tegout | le temps d'égouttage [min] | le plus faible possible |
tvent | le temps de retard pour redémarrer les ventilateurs [min] | - |
Il est bien entendu que tous ces paramètres doivent trouver leur optimum énergétique suivant le type d'application, d'ambiance des zones de vente avoisinantes, ..., tout en conservant la qualité du froid alimentaire.
Pour différents modèles de meubles frigorifiques et pour une température d'évaporation T0 [°C],ces paramètres sont consignés dans le tableau ci-dessous.
Type de meuble négatif | Référence | Type de dégivrage | T0[°C] | N/24 [N/24 heures] | Tter[°C] | td[min] | tegout[min] | tvent[min] |
Meuble mixte vertical 3L1 | électrique | -35 | 1 | 5 | 40 | 10 | 5 | |
Meuble vertical vitré 3L1 | électrique | -35 | 1 | 15 | 30 | 10 | 5 | |
gaz chaud | 1 | 10 | 10 | 5 | 5 | |||
Meuble vertical vitré 3M1 | électrique | -10 | 1 | 10 | 10 | 5 | 0 | |
Meuble horizontal 3L1 | électrique et gaz chaud | -35 | 2 | 5 | 45 | - | - | |
Meuble horizontal 3L3 | électrique | -10 | 2 | 10 | 45 | - | - | |
Source : Costan (Sabcobel). | ||||||||
Le choix du type de dégivrage (électrique ou gaz chaud) a de l'importance dans le sens où, énergétiquement parlant, l'injection de gaz chaud semble intéressante.
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Pré-programmation des dégivrages
Lorsque le magasin est composé d'un nombre impressionnant de meubles linéaires (cas des super et hypermarchés), la programmation des temps de dégivrage doit être décalée dans le temps sachant que l'appel de puissance électrique des compresseurs, pour redescendre les températures des meubles à leur valeur nominale, peut être important. La possibilité de mettre en réseau les régulateurs individuels de chaque meuble avec un superviseur (GTC : Gestion Technique Centralisée), facilite la tâche des gestionnaires techniques des magasins.
La programmation d'un décalage des démarrages des dégivrages dans le temps permet de maîtriser les pointes de courant responsable des pointes quart-horaire excessives alourdissant la facture électrique.
Les meubles frigorifiques positifs |
Meuble convection naturel positif (vitrine). | Meuble ouvert vertical positif avec rideau d'air en convection forcée. |
Pour les applications en froid positif, il est possible de se passer du dégivrage "forcé" par résistance chauffante ou "injection de gaz chauds". Le "dégivrage naturel" suffit dans la plupart des cas.
A noter qu'en option il est toujours possible de placer des résistances de dégivrage, mais ce serait prêcher contre sa chapelle puisqu'il est possible de s'en passer.Il faut compter de l'ordre de 60 à 70 W/ml pour des résistances électriques simples.
Paramètres de régulation du dégivrage "naturel"
Le principal paramètre de ce type de dégivrage est la durée de dégivrage td [min]. Les fabricants par défaut programme des temps dégivrage maximum de l'ordre de 40 à 45 minutes. Il est nécessaire de choisir une régulation qui permette de réduire les temps de dégivrage en fonction de la classe d'ambiance. Dans la réalité, c'est au cas par cas et suivant le climat interne que va dépendre le temps de dégivrage.
Dans l'absolu, le dégivrage "naturel" est intéressant puisque pendant cette phase :
- la production de froid est interrompue;
- il n'y a pas de consommation électrique de dégivrage proprement dite.
Pré-programmation des dégivrages
Le même type de programmation décalée que pour les meubles de froid négatif en centralisant toutes les demandes de dégivrage au niveau d'une gestion technique centralisée (GTC) est aussi possible pour les meubles frigorifiques positifs.
Source : Delhaize Mutsaart.
Ici, on visera l'interruption de ou d'une partie de la production de froid couplée avec :
- L'arrêt des circulateurs sur une boucle caloporteur. On privilégiera l'arrêt des circulateurs individuels des meubles frigorifiques plutôt que l'arrêt du ou des circulateurs centraux (on parlera alors de pompe de circulation) afin d'espacer dans le temps les dégivrages individuels et, par conséquent, les pointes d'appel de puissance électrique à la fin d'un dégivrage programmé central.
Boucle monotube : arrêt individuel des circulateurs de meuble.
- La fermeture de l'alimentation d'une vanne en amont du détendeur.
Boucle caloporteuse : fermeture individuelle des vannes d'alimentation des évaporateurs de meubles.
Détente directe : réglage individuel des détendeurs des meubles frigorifiques.
La programmation d'un décalage des démarrages des dégivrages dans le temps permet de maîtriser les pointes de courant responsable des pointes quart-horaire excessives alourdissant la facture électrique.
Exemple. Le cas d'un hypermarché où la facture d'électricité risque d'être salée de par le non-décalage des débuts de dégivrage sur 150 m de meubles linéaires positifs.
Période d'enregistrement sur 24 heures. En analysant de plus près, on se rend compte que l'appel de puissance de la journée 430 KW a été enregistré comme pointe quart-horaire à 07h30; ce qui signifie que la facture électrique intègrera cette valeur comme pointe quart-horaire mensuelle. On aurait pu éviter cette pointe en décalant les périodes de dégivrage dans le temps. |
