Bac S Antilles Session de remplacement 09/2014

Bac S Antilles Session de
remplacement 09/2014
EXERCICE II. LE BÂTIMENT À ÉNERGIE POSITIVE (10 points)
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Le « bâtiment à énergie positive » est un concept de bâtiment performant.
Il pourrait
peut-être constituer l'une des réponses possibles aux défis énergétiques et
environnementaux d'aujourd'hui. Il est toutefois encore peu mis en ?uvre,
notamment en raison des contraintes économiques et d'un faible retour
d'expérience. 1. Consommation d'énergie et « indice de développement humain ». À partir du document 1 et de vos connaissances, répondre aux questions
suivantes : 1.1. Estimer le coût annuel de la consommation électrique en France par
habitant. 1.2. Interpréter la figure 1 en 10 lignes maximum.
2. Une première piste pour une maison à énergie positive : utilisation de
matériaux isolants. Un pan de mur de 20 m² sépare l'intérieur de l'extérieur de la maison. De
l'intérieur vers l'extérieur, les matériaux utilisés sont les suivants :
- plâtre d'épaisseur e1 = 1,3 cm et de conductivité thermique ? =
0,325 W.m-1.K-1 ;
- polystyrène d'épaisseur e2 = 5,0 cm ;
- béton d'épaisseur e3 = 20 cm et de conductivité thermique ?' =
1,4 W.m-1.K-1 ;
- polystyrène d'épaisseur e4 = e2 = 5,0 cm ;
- ciment projeté d'épaisseur e5 = 1,5 cm et de conductivité thermique
?'' = 1,1 W.m-1.K-1. 2.1. Quel est le rôle du polystyrène ? Justifier le choix de ce matériau.
2.2. Déterminer la résistance thermique équivalente Rthe pour le pan de
mur.
2.3. Entre le polystyrène et la laine de chanvre, quel matériau serait-il
préférable d'utiliser ? La réponse sera soigneusement argumentée et
comportera un calcul.
3. Une seconde piste pour une maison à énergie positive : utilisation d'une
pompe à chaleur. 3.1. Pour évaluer les pertes thermiques d'une maison, on procède à
l'expérience suivante : la masse ma d'air à l'intérieur de la maison étant
initialement à la température T1 = 19,0 °C, on coupe le système de
chauffage pendant une durée ?t = 1,00 h. On mesure une température finale
T2 = 15,6 °C. Exprimer, puis calculer, la variation de l'énergie interne ?U de l'air
contenu dans la maison.
Données : capacité thermique massique de l'air : ca = 1000 J.K-1.kg-1 ;
volume intérieur de la maison : V = 400 m3 ;
masse volumique de l'air : ? = 1,3 kg.m-3.
3.2. Interpréter le signe du résultat obtenu à la question précédente.
3.3. Déterminer la puissance thermique Pth nécessaire au maintien d'une
température constante (égale à 19,0 °C) de l'air à l'intérieur de cette
maison.
3.4. En réalité, la puissance thermique que doit fournir la pompe à chaleur
pour chauffer l'habitation est P'th = 4,0 kW. Quelle peut être la raison de
l'écart avec la valeur trouvée à la question précédente ? On utilisera la
valeur de 4,0 kW pour la suite de l'exercice.
3.5. Qu'entend-on par l'expression « sens naturel » pour un transfert
thermique dans le document 5 ?
Qu'en est-il dans le cas de la pompe à chaleur ? Recopier et compléter
le schéma ci-dessous représentant le bilan énergétique de la pompe à
chaleur en faisant apparaître W, QC et QF et les sources en présence.
[pic]
3.6. Le coefficient de performance (COP) d'une pompe à chaleur est défini
par : COP =
3.6.1. Justifier cette expression. 3.6.2. Sachant que la puissance thermique nécessaire pour chauffer
l'habitation est
P'th = 4,0 kW, déterminer l'énergie QC échangée par le fluide
caloporteur avec l'habitat pendant 24 heures si l'on suppose que la
pompe à chaleur fonctionne sans interruption. 3.6.3. Le coefficient de performance de la pompe à chaleur étudiée vaut
3,1. En déduire le travail électrique W reçu par le compresseur de
la pompe à chaleur en une journée. 3.6.4. Calculer le coût journalier d'utilisation de cette pompe à
chaleur. 3.6.5. Calculer le coût journalier de la même habitation si celle-ci
était chauffée par des radiateurs électriques pour lesquels le
coefficient de performance vaut 1. Conclure. Document 1 :
La consommation d'énergie par habitant est liée au bien-être social d'un
pays. Celui-ci peut être mesuré par l' « indice de développement humain »
(IDH), indice basé sur des mesures de santé, de longévité, d'éducation et
de niveau de vie. La figure 1 représente l'indice de développement humain
en fonction de la consommation globale d'électricité par habitant et par
jour pour quelques pays.
[pic]
Figure 1
Prix du kWh d'électricité en France en 2013 : 0,13 E.
3.6.6. Proposer une piste supplémentaire pour compenser le coût
journalier d'utilisation de la pompe à chaleur. |Document 3 : Conductivité thermique et bilan carbone. |
| |
| |Polystyrène |Laine de chanvre |
|Conductivité thermique ? |0,036 |0,039 |
|(W.m-1.K-1) | | |
|Bilan carbone* |Élevé |Faible |
| |
|*Bilan carbone : le bilan carbone d'un produit ou d'une entité humaine |
|(individu, groupe, collectivité...) est un outil de comptabilisation des |
|émissions de gaz à effet de serre, tenant compte de l'énergie primaire et de |
|l'énergie finale du produit. |
Document 2 : Quelques définitions.
> La résistance thermique d'une paroi est définie par : Rth = avec :
- ? : conductivité thermique de la paroi en W.m-1.K-1
- S : surface de la paroi en m2
- e : épaisseur de la paroi en m
Document 4 : Bâtiments à énergie positive.
Les nouveaux bâtiments devraient bientôt produire en moyenne au moins
autant d'énergie qu'ils en consomment grâce à des dispositifs innovants.
Cet objectif d'habitat passif (ou « à énergie positive ») est fixé pour
2020 par le Grenelle 2 de l'environnement.
[pic]
Figure 2 : extrait du dossier de presse « Bâtiments intelligents et
efficacité énergétique », CEA. ? Piste 1 : l'isolation ; améliorer les matériaux isolants afin de diminuer
les pertes thermiques.
? Piste 2 : l'inertie, c'est-à-dire la capacité de la maison à amortir ou à
décaler les contraintes.
? Piste 3 : des panneaux solaires photovoltaïques pour produire
l'électricité.
? Piste 4 : le solaire thermique pour la production d'eau chaude sanitaire.
? Piste 5 : des batteries de stockage de l'électricité pour recharger le
véhicule électrique familial.
? Piste 6 : la géothermie, c'est-à-dire l'exploitation de l'énergie interne
du sol comme source d'énergie pour le chauffage, avec par exemple une pompe
à chaleur.
? Piste 7 : éléments domotiques pour optimiser la consommation d'énergie,
comme par exemple le pilotage automatisé des volets roulants. > Lorsque plusieurs parois sont superposées, la résistance thermique totale
est égale à la somme des résistances thermiques de chaque paroi. Document 5 : Fonctionnement d'une pompe à chaleur. La pompe à chaleur (PAC en abrégé) est destinée à assurer le chauffage d'un
local à partir d'une source de chaleur externe (l'air, le sol ou l'eau)
dont la température est inférieure à celle du système à chauffer. La PAC
est un matériel qui permet de réaliser un transfert thermique d'un milieu
froid vers un milieu chaud, c'est-à-dire inverse du sens naturel. Pour réaliser ce transfert « inverse », une dépense d'énergie est
nécessaire, elle correspond à un échange de travail W fourni par un
compresseur à un fluide caloporteur, c'est-à-dire un corps capable de
s'écouler et qui permet d'échanger de l'énergie avec les sources chaude et
froide. Ce fluide, au contact de la source froide extérieure (air, sol ou
eau), absorbe de l'énergie qu'il restitue ensuite lors de son contact avec
la source chaude, c'est-à-dire le local à chauffer. On fait donc décrire
une série de transformations au fluide qui le ramènent, périodiquement,
dans un état initial. On parle de « cycle thermodynamique ». Dans les PAC à condensation, l'absorption et la restitution d'énergie par
le fluide reposent sur le changement d'état de celui-ci :
- Son évaporation (passage du fluide de l'état liquide à l'état gazeux
dans l'évaporateur) permet l'absorption d'énergie lors du contact avec la
source froide extérieure, l'échange d'énergie est noté QF ;
- Sa condensation (passage du fluide de l'état gazeux à l'état liquide
dans le condenseur) permet la restitution d'énergie lors du contact avec le
local à chauffer, l'échange d'énergie est noté QC. [pic]