Une résidence à énergie positive : photovoltaïque, pompe à chaleur. Bac Sti2d Antilles 2015

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La production et la consommation d'énergie sur le site.
 Énergie positive.
 Expliquer pourquoi le bâtiment étudié répond bien à la réglementation thermique RT2012.
 Expliquer pourquoi le bâtiment étudié est un bâtiment à énergie positive.
Calculer l'énergie consommée Econsommée dans ce bâtiment, pour une année, en kilowattheures (kW.h) puis en joules (J).
Calculer le surplus d'énergie DE (en kW.h) pour ce bâtiment, pour une année, défini par la différence entre l'énergie produite et l'énergie consommée.
Pour qu'une habitation soit qualifiée de « bâtiment à énergie positive » elle doit produire plus d'énergie qu'elle n'en consomme. Le bâtiment doit obligatoirement produire de l'énergie et cela à partir d'une source d'énergie renouvelable locale. D'après la réglementation thermique RT2012, la consommation énergétique d'un logement ne doit pas dépasser 50 kW.h.m-2.
La consommation annuelle énergétique est égale à  36,1 kW.h.m-2 ( valeur inférieure à 50
kW.h.m-2 ) et la production d'énergie électrique à l'aide de panneaux solaires photovoltaïques pour une production annuelle vaut : 38,1 kW.h.m-2, valeur supérieure à 36,1 kW.h.m-2.
Surface totale habitable des logements : 1660 m2.
Econsommée  = 1660 *36,1 = 5,9926 104 ~5,99 104 kWh ;
5,9926 104 *3,6 106 =2,157 1011 ~2,16 1011 J.
DE = (38,1-36,1) = 2,00 kWh m-2 ou 2,00 *1660 = 3,32 103 kWh.
Panneaux solaires photovoltaïques
Compléter le schéma du bilan énergétique d’un panneau solaire photovoltaïque.

Quel principe physique explique qu’une partie de l’énergie soit perdue sous forme d’énergie rayonnante ? La réflexion.
On donne les caractéristiques d’un panneau photovoltaïque : SUNPOWER-E20-327W.
Calculer la valeur de la puissance maximale électrique PELEC à l’aide des données du tableau..
PELEC = UMAX P IMAX P = 54,7 *5,98 = 327 W .
 Calculer la puissance reçue PRECUE par le panneau permettant d’obtenir cette puissance électrique.
PRECUE = PELEC / rendement = 327 / 0,201 = 1,627 103 ~1,63 103 W.
 Connaissant les conditions de test standard, en déduire la surface S (en m2) de ce panneau solaire. Ensoleillement 1000 W m-2.
S = 1,627 103 / 1000 = 1,63 m2.
Pour les panneaux solaires installés sur la toiture de la résidence « l’Avance », l’objectif annuel de production d’énergie électrique est : Eproduite = 63,2 MW.h. Montrer que cet objectif est réalisable.
Esolaire =1,2  MW h m-2 ; rendement : 0,20 ; Surface des panneaux S = 270 m2.
 
Eproduite =Esolaire * rendement * S =1,2 *0,20 *270=64,8 ~65 MWh. Objectif atteint.




Entretien des panneaux solaires.
Un nettoyage régulier de la surface des panneaux solaires est indispensable pour assurer une production d’électricité maximale et éviter leur usure prématurée.
Le produit décrit dans le document 5, et appelé dans le sujet « solution n°1 », est un des produits nettoyants existant aujourd’hui pour assurer cet entretien.
Quelle est la nature de la solution contenue dans ce bidon (acide, basique ou neutre) ?
Le pH est égal à 9 ( valeur supérieure à 7), le produit est basique.
Déterminer les concentrations en ions hydronium (ions H3O+ ) et en ions hydroxyde (ions HO- ) de la solution n°1à 25°C.
[
H3O+] = 10-pH =1 10-9 mol/L ; [HO-] = 10-14 /[H3O+] = 1 10-5 mol/L. 
En déduire lesquels des ions hydronium ou des ions hydroxyde sont majoritaires dans la solution n°1 à une température de 25 °C.
Les ions hydroxydes sont majoritaires.
Un technicien a l’idée d’ajouter à cette solution n°1 un peu d’une solution acide détartrante, appelée solution n°2, pour augmenter l’efficacité du nettoyage. Écrire l’équation bilan de la réaction chimique acide – base ayant lieuentre les ions hydroxyde (HO- ) de la solution n°1 et les ions
hydronium (
H3O+) de la solution n°2.
HO- aq+  H3O+aq ---> 2H2O.
 Sachant qu’il n’est pas souhaitable de modifier le pH de la solution n°1 (produit nettoyant), expliquer pourquoi le technicien ne devrait pas faire ce mélange.
En réalissant ce mélange, on consomme des ions hydroxyde et en conséquence le pH du mélange devient inférieur à 9.




Le chauffage et l’eau chaude sanitaire.
Pour ce bâtiment, le chauffage et l’eau chaude sanitaire sont produits par une pompe à chaleur et une chaudière à condensation en appoint.
Pompe à chaleur.
On s'intéresse tout d'abord au principe général d'une pompe à chaleur à travers l'exemple d'une pompe à chaleur électrique « air - eau ».
 Rappeler dans quel sens se fait spontanément l’échange d’énergie thermique entre un corps « chaud » et un corps « froid ».
Le transfert thermique s'effectue du corps chaud vers le corps froid.
 En déduire une condition sur la température du fluide caloporteur à son entrée dans l’évaporateur pour que le transfert d’énergie ait lieu dans le sens voulu.
La température du fluide doit être inférieure à celle de l'air extérieur( 10°C).
Compléter le document en indiquant les températures du fluide caloporteur aux différents points indiqués, en choisissant parmi les valeurs suivantes : 55 °C ; 47 °C ; 5 °C ; -2 °C.

D’après le schéma des « échanges d’énergie dans la pompe à chaleur », écrire une relation entre Qproduite (énergie produite), Qreçue (énergie reçue) et Eélectrique (énergie électrique consommée).

Qreçue + Eélectrique = Qproduite.
Le coefficient de performance de la pompe à chaleur étant COP =Qproduite / Eélectrique =4,00, calculer les valeurs de Eélectrique et de Qreçue (en kW.h).sachant que Qproduite = 1,00 kW.h.
Eélectrique =Qproduite / 4,00 = 0,250 kWh Qreçue=1,00-0,25 = 0,75 kWh.
Dans le bâtiment étudié, la pompe à chaleur utilisée est d’un modèle différent puisqu’il s’agit d’une pompe à chaleur à gaz à absorption.
 Indiquer dans quelle partie de la pompe a lieu la réaction dite « d’absorption ».
L'ammoniac est absorbé dans le compresseur thermochimique.
Parmi les possibilités suivantes, indiquer quel(s) fluide(s) est (sont) présent(s) dans le condenseur, le détendeur et l’évaporateur :
- mélange eau – ammoniac ; - eau ; - ammoniac.
 La courbe de pression de vapeur saturante de l’ammoniac étant donnée, préciser quelle doit être la pression (en bar) de l’ammoniac à sa sortie du compresseur puis à sa sortie du détendeur sachant qu’on veut qu’il se condense à une température de 50 °C ou 50+273 = 323 K (dans le condenseur) et qu’il se vaporise à une température de -15 °C ou 273-15 = 258 K (dans l’évaporateur) ?


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