Thermique, acoustique, bts Bâtiment 2018

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 θ_air = 4,0°C et celle du sol θ_sol = 10,0°C.
Un poêle à bois maintient la température intérieure de la maison à θ_i = 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 r_se = 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 ℓ_b = 2,5 m et hauteur h_b = 1,7 m

- Deux portes fenêtres, largeur ℓ_pf = 1,8 m et hauteur h_pf = 2,1 m

- Une porte pleine, largeur ℓ_po = 0,90 m et hauteur h_po = 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 r_si et r_se.
R = r_si + r_se + 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 r_m des murs extérieurs de la maison. Vérifier que sa valeur est de 2,1 m².K.W^-1.
r_m = r_si + r_se + 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 .
r_m = 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 j_m à travers les murs. Calculer sa valeur.
j_m =(q_i - q_air) / r_m = (19-4) / 2,1 = 7,14 ~7,1 W m^-2.
5) Calculer la surface S_m des murs.
S_m= 2 (10+7) x2,5 - 15-1,9 = 68,1 ~68 m².
6) Calculer le flux thermique Φ_m à travers les murs.
Φ_m =7,14 x 68,1 = 486,23 ~4,9 10² W.
7) Montrer que le flux thermique à travers le sol est Φ_sol = 3,9 10² W.
Φ_sol =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 D_b.
On mesure les niveaux d’intensité acoustique des bruits extérieurs L_ext et les niveaux d’intensité acoustique à l’intérieur de la maison L_int, 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 L_ext (dB)	75,8	73,0	77,5	74,3	70,2	68,4
Niveau de réception à l’intérieur L_int (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 L_T = 10 log( S 10^{0,1 L})).
- Formule de Sabine T_R = 0,16 V / A.
A = S a_i S_i.

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 L_ext =82,0 dB .
L_T = 10 log(10^7,58 + 10^7,3 +10^7,75 +10^7,43+10^7,02 +10^6,84).
L_T = 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 L_int = 50,4 dB..
c- Calculer l’isolement brut D_b.
D_b = 82,0 - 50,4 = 31,6 dB.

Temps de réverbération T_R dans le salon.

Données :
- Dimensions du salon : Longueur L_s = 6,00 m, largeur ℓ_s = 5,00 m et hauteur h_s = 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 T_R.
V = 6 ,0 x5,0 x2,5 = 75 m³.
T_R = 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 T_R diminue.
T_R < 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 l’Énergie)
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 R_S 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 R_T se fait sous la forme d'un rayonnement électromagnétique terrestre, essentiellement situé dans l'infrarouge. L'équilibre est assuré lorsque R_S=R_T.
- l'atmosphère peut alors jouer un rôle de couvercle pour ces radiations en absorbant les radiations R_T 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.
C₁₈H₃₈soit C_n H_2n+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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