Thermique, acoustique, chimie organique, bts Bâtiment 2018.

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(Définition et contexte de la construction durable)

 On appelle construction durable, toute construction ou rénovation qui, tout en assurant la qualité de vie des occupants, maîtrise ses impacts sur l’environnement et assure une performance énergétique optimale, en utilisant autant que possible les énergies renouvelables et les ressources naturelles et locales. On parle aussi d’éco-construction.
 À l’heure où les citoyens ont de plus en plus conscience de leur environnement et de sa nécessaire préservation, il est impératif que l’habitat prenne en en compte ces dimensions.
 Loin de constituer un effet de mode, les enjeux sont considérables.
 Réaliser et promouvoir un habitat différent, économe en énergie et respectueux de l’environnement, est une préoccupation majeure que les entreprises de bâtiment intègrent de plus en plus dans leurs pratiques.

(D’après le site http://www.ffbatiment.fr/)

  Dans ce sujet, on étudie les caractéristiques thermiques d’une maison éco-construite, puis on en vérifie le confort acoustique.
 On s’interroge également sur l’influence du mode de chauffage sur l’émission de dioxyde de carbone, gaz en partie responsable de l’effet de serre.

 Thermique.
 On dit d’une maison qu’elle est passive lorsque ses besoins en chauffage sont inférieurs à 15 kWh par m2 habitable et par an contre 250 à 300 kWh par m2 habitable et par an en moyenne pour les besoins en chauffage d’un bâtiment classique.

(D’après le site http://frekopedia.org)

 Une maison, sans étage et de surface habitable 68 m2 est construite dans une région où la température de l’air extérieur, durant la période hivernale est en moyenne de θair = 4,0°C et celle du sol θsol = 10,0°C.
 Un poêle à bois maintient la température intérieure de la maison à θi = 19°C.
Données :
• Isolation des murs extérieurs, du sol, des combles, des vitrages et de la porte :


résistances thermiques surfaciques d’échange superficiel interne et externe :
r
si = 0,11 m2.K.W-1 et rse = 0,060 m2.K.W-1

• Dimensions de la maison : Longueur L = 10, 0 m, largeur ℓ = 7,0 m, hauteur h = 2,5 m

• La maison possède :

- Deux baies vitrées, largeur ℓb = 2,5 m et hauteur hb = 1,7 m

- Deux portes fenêtres, largeur ℓpf = 1,8 m et hauteur hpf = 2,1 m

- Une porte pleine, largeur ℓpo = 0,90 m et hauteur hpo = 2,1 m

  1) Donner l’expression de la résistance thermique surfacique d’une paroi simple en fonction de son épaisseur e, de sa conductivité thermique l et des résistances thermiques surfaciques superficielles rsi et rse.
R = rsi + rse + e / l.
  2) Dans quel sens doivent évoluer ces caractéristiques afin d’augmenter l’isolation de la maison ?
L'isolation est meilleure si la résistance thermique est grande. Il faut augmenter l'épaisseur e et diminuer  la conductivite thermique.
  3) Donner l’expression de la résistance thermique surfacique rm des murs extérieurs de la maison. Vérifier que sa valeur est de 2,1 m2.K.W-1.
rm = rsi + rse + e enduit plâtre / l enduit plâtre + e brique plâtre / l brique plâtre + e liège / l liège+ e brique creuse / l brique creuse + e enduit sable / l sable .
rm = 0,11 + 0,060 + 0,015 / 0,50 + 0,05 / 0,80 + 0,06 / 0,04 +0,20 / 0,60 + 0,025 / 1,1 = 0,17 +0,03 +0,0625 +1,5 +0,333 +0,0227 ~2,1 m2.K.W-1.
  4) Exprimer le flux thermique surfacique jm à travers les murs. Calculer sa valeur.
jm =(qi - qair) / rm = (19-4) / 2,1 = 7,14 ~7,1  W m-2.
  5) Calculer la surface Sm des murs.
Sm = 2 (10+7) x2,5 - 15-1,9 = 68,1 ~68 m2.
  6) Calculer le flux thermique Φm à travers les murs.
Φm =7,14 x 68,1 = 486,23 ~4,9 102 W.
  7) Montrer que le flux thermique à travers le sol est Φsol = 3,9 102 W.
Φsol =70 x (19-10) /1,6 = 393,75 ~3,9 102 W.

  8) Montrer que le flux thermique total qui sort de la maison est Φ = 1,3 kW.
Φ =486,23 + 393,75 + 2,7 102 +1,3 102 +77 =1357 ~1,3 103 W = 1,3 kW.

 La période de chauffage en hiver dure 100 jours.
  9) Peut-on considérer cette maison éco-construite comme passive ?
1,3 x 100 x 24 = 3,1 103 kWh an-1.
3,1 103 / 68 ~46
kWh an-1m-2.
Une maison est passive lorsque ses besoins en chauffage sont inférieurs à 15 kWh par m2 habitable et par an  . Cette maison n'est pas passive.


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Acoustique .

Isolement brut Db.
 On mesure les niveaux d’intensité acoustique des bruits extérieurs Lext et les niveaux d’intensité acoustique à l’intérieur de la maison Lint, pour différentes bandes d’octave.
Les mesures sont données par le tableau suivant :

Fréquence centrale (Hz)

125

250

500

1000

2000

4000

Niveau d’émission extérieure Lext (dB)

75,8

73,0

77,5

74,3

70,2

68,4

Niveau de réception à l’intérieur Lint (dB)

45,6

42,3

41,6

44,2

39,8

37,1

 L’isolement acoustique brut est une mesure expérimentale de l’affaiblissement acoustique.
 Il correspond à la différence entre le niveau d’intensité acoustique global extérieur et le niveau d’intensité acoustique global dans le local.

Données :

- Niveau d’intensité acoustique L = 10 log ( I / I0).

 Intensité acoustique au seuil d’audibilité I0 = 10-12 W m-2.
- Loi de composition des niveaux d’intensité acoustique  LT = 10 log( S 100,1 L)).
- Formule de Sabine TR = 0,16 V / A.
A = S ai Si.

  1) a- Quel appareil permet de mesurer un niveau d’intensité acoustique ?
Le sonomètre.
      b- Montrer que le niveau d’intensité acoustique glob,84) = al des bruits extérieurs vaut Lext =82,0 dB .
LT = 10 log(107,58 + 107,3 +107,75 +107,43 +107,02 +106,84).
LT = 10 log((3,80 +1,99 +5,62 +2,69 +1,05 +0,69)107 )=10 log(1,584 107) = 82,0 dB.
 Le niveau d’intensité acoustique global à l’intérieur vaut Lint = 50,4 dB..
      c- Calculer l’isolement brut Db.
Db = 82,0 - 50,4 = 31,6 dB.

 Temps de réverbération TR dans le salon.

Données :
- Dimensions du salon : Longueur Ls = 6,00 m, largeur ℓs = 5,00 m et hauteur hs = 2,50 m
- Le salon possède une porte-fenêtre, une baie vitrée et une porte donnant sur la cuisine.
- Un faible temps de réverbération, inférieur à 0,5 s, permet de réduire la fatigue et le stress.
  2) a- Donner la définition du temps de réverbération.
Le temps de réverbération est la durée au bout de laquelle le niveau d'intensité acoustique a chuté de 60 dB après extinction de la source sonore.      b- Compléter le tableau ci-dessous. Montrer que l’aire d’absorption équivalente A du salon est égale à 24 m2.

Surface S ( m2)
coefficient d'absorption a
Aire équivalente (m2)
Mur et plafond
75,6
0,25
75,6 x0,25 = 18,9
Sol
30,0
0,12
30 x0,12 =3,6
Porte
1,90
0,10
1,9 x0,10 = 0,19
Baie vitrée et porte fenètre
7,50
0,18
7,50 x0,18 = 1,35
Aire équivalente A =
24,0

       c- Calculer le temps de réverbération TR.
V = 6 ,0 x5,0 x2,5 = 75 m3.
TR = 0,16 x75 / 24 =0,50 s.
 Le calcul du temps de réverbération est réalisé pour le salon vide (c’est-à-dire sans personne dans la pièce, ni mobilier, ni tapis).
       d- Comment évolue ce temps de réverbération lorsque le salon est occupé ?
Conclure.
Quand le salon est occupé et meublé, l'aire équivalente augmente et TR diminue.
TR < 0,50 s ; le stress et la fatigue sont réduits.


Moins d’émission de dioxyde de carbone avec le bois

 Lors de sa combustion, le bois ne fait que libérer dans l’air le dioxyde de carbone qu’il a absorbé durant sa croissance.
 Son impact est donc neutre sur l’effet de serre, sous réserve que l’équilibre entre le développement et le prélèvement sur la ressource globale soit respecté.
 Selon les études de l’ADEME, en comptabilisant l’énergie consommée du « puits » à la chaleur produite y compris les étapes de transport et raffinage, le chauffage au gaz, au fioul et à l’électricité émet respectivement 222, 480 et environ 180 kg de dioxyde de carbone par kWh.
Le chauffage au bois n’en émet que 40.
 Ainsi l’utilisation du bois permet de diviser les émissions de dioxyde de carbone par 12 par rapport au fioul et par 6 par rapport au gaz.
(D’après le guide de l’Agence De l’Environnement Et de la Maîtrise de lÉnergie)

ADEME : « Se chauffer au bois » - Mars 2

Le chauffage de la maison est assuré par un poêle à bois.
 Le propriétaire a préféré ce mode de chauffage à une chaudière au fioul.
 Le bois est constitué principalement de cellulose C6H10O5 et le fioul de molécules C18H38.

Données :

 

Fioul

Bois

Pouvoir calorifique inférieur

PCI


10 kWh.L-1

4,0 kWh.kg-1

Masse volumique

0,84 kg.L-1

 

- 1 MWh = 106 Wh

  1) Qu’est-ce que l’effet de serre ?
L'effet de serre est avnt tout un phénomène naturel. Il permet à notre planète de maintenir une température moyenne à la surface du globe de 15°C. Sans celui-ci, cette température moyenne serait de l'ordre de -18°C. Il existe un effet de serre additionnel, dù à l'importance des rejets en dioxyde de carbone, qui risque de compromettre l'équilibre climatique. Pour comprendre l'effet de serre, on retiendra la modélisation très simplifiée suivante :
- une énergie thermique RS parvient à la surface de la terre sous lea forme de rayonnement électromagnétique solaire. Les fréquences de ces radiations sont celles du visible.
- la terre recevant cette énergie doit la restituer vers l'espace. Cette restitution d'énergie RT se fait sous la forme d'un rayonnement électromagnétique terrestre, essentiellement situé dans l'infrarouge. L'équilibre est assuré lorsque RS=RT.
- l'atmosphère peut alors jouer un rôle de couvercle pour ces radiations en absorbant les radiations RT retenant ainsi l'énergie émise par la terre et la réémettant vers l'espace. Le dioxyde de carbone intervient dans ce processus.

 Le raffinage est l’ensemble des opérations de traitement du pétrole brut.
  2) Citer une des étapes du raffinage.
Séparation des constituants par distillation.
Craquage catalytique des hydrocarbures lourds.
  3) a- À quelle famille organique appartient le constituant principal du fioul ? Justifier.
C18H38 soit Cn H2n+2, famille des alcanes.
      b- Donner le nom et la formule brute d’un autre composé de cette famille.
Butane C4 H10 ; propane C3H8.
 La combustion complète du fioul dans le dioxygène de l’air produit du dioxyde de carbone et de l’eau.
  4) Réécrire et compléter l’équation de la réaction de combustion du fioul.
C18H38 +27,5O2 = 18 CO2 + 19 H2O.
  5) Calculer la masse de fioul nécessaire pour produire 1 MWh d’énergie.
1 MWh =1000 kWh.
Volume de fioul : 1000 / PCI fioul = 1000 / 10 = 100 L, soit 100 x 0,84 = 84 kg.
  6) En déduire la quantité de matière correspondante.
M(C18H38) =18 x12 +38 = 254 g / mol.
84 103 / 254 =330,7 ~331 mol.
  7) Vérifier que la quantité de matière de dioxyde de carbone alors produite est n = 6,0 103 mol.
330,7 x18 = 5953 ~6,0 103 mol.
  8) En déduire la masse de dioxyde de carbone alors produite correspondante.
M(CO2) = 44 g / mol ; m = 44 x 5963 = 2,62 105 g ~ 2,6 102 kg.
  9) Comparer avec la valeur du document de l’ADEME, et proposer une explication.
L'ADME propose 480kg, cette valeur prend en compte le transport et le raffnage.

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