Physique chimie ; vers une habitation à énergie positive, BTS FED 09/20.

Physique chimie ; vers une habitation à énergie positive, BTS FED 09/20.

En poursuivant votre navigation sur ce site, vous acceptez l’utilisation de Cookies vous proposant des publicités adaptées à vos centres d’intérêts.

.. ..

.
.

.. ..
......

...
A. Isolation thermique de la maison.
I. Epaisseur d'isolant.
Les murs extérieurs vont être doublés avec de la brique, de la laine de verre et des plaques de plâtre.
1. Comparer les conductivités thermiques l de la laine de verre et des plaques de plâtre et en déduire le meilleur isolant.
Laine de verre : 0,032 ; plaque de plâtre : 0,320 W m^-1 K^-1.
La laine de verre et le meilleur isolant.
2. Montrer qu'une épaisseur de laine de verre d'environ 11 cm permet d'obtenir une résistance thermique totale des murs extérieurs avec doublages, R_totale =5,18 W^-1 m² K.
R_totale =R_i + R_e + R_brique + R_laine + R_plâtre .
R_i + R_e =0,17 ; R_brique =1,45 ;
R_laine = e_laine / l_laine =0,11 / 0,032 =3,44 ;
R_plâtre = e_plâtre / l_plâtre =0,013 / 0,32 =0,041 ;
R_totale =0,17 +1,45 + 3,44 +0,041 =5,10 W^-1 m² K.
II. Déperditions thermiques.
Besoins de chauffage en janvier.
Température de consigne intérieure T_i = 19°C ;
1. Montrer que la températe extérieure moyenne T_e pour le mois de janvier est égale à 2,2°C.
Degré Jour Unifié ( DJU) trentenaire = 15,8 °C en janvier.
Température ambiante de base : 18 °C.
T_e = 18 -15,8 = 2,2°C.
2. Les déperditions thermiques totales par conduction de la maison prenant en compte aussi les parties vitrées, le sol et le toit valent 370 W K^-1. Déterminer la valeur du flux thermique.
F = 370(T_i-T_e) =370 x(19-2,2)=6216 ~6,2 kW.
3. En déduire la valeur de Q_c en kW h /m² pour le mois de janvier sachant que la surface d'échange est estimée à 450 m².
Durée : 31 x24 =744 heures.
Q_c =6,2 x 744 / 450 =10,3 kW h /m² .
III. Besoins en énergies primaires.
Energie électrique finale pour le chauffage et pour l'année : 12,2 kW h / (m² an).
1. Sachant que le chauffage est assuré par une pompe à chaleur, calculer le Cep, énergie primaire associée uniquement au chauffage.
Coefficient = 2,58 pour l'électricité.
Energie primaire chauffage : 12,2 x 2,58 ~31,5 kW h / (m² an).
2. Déterminer si le Cep total satisfait à la RT 2012. ( Cep max = 50 kW h / (m² an).
Energie primaire ( Ecs + éclairage +autres) =7,3 +4,3 +0,5 +1,1 =13,2 kW h / (m² an).
Total : 31,5+13,2=44,7 kW h / (m² an).
Cette valeur étant inférieure à 50, le Cep total satisfait à la RT 2012.

B. Mise en place des panneaux solaires.
I. Caractéristiques d'un panneau photovoltaïque.
Le montage suivant a été réalisé.

1. Nommer les appareils de mesure.
V : voltmètre et A : ampèremètre.
2.1 Mesures de courant et de tension. Compléter la troisième ligne du tableau et tracer la caractéristique du panneau solaire P =f(U)

U(V)
38,12
36,42
34,59
32,35
30,95
25,43
10,78
5,97
0,25

I(A)
0
4,8
6,22
7,35
8,01
9,53
11,50
15,19
18,00

P = U x I (W)
0
174,8
215,1
237,8
247,9
242,3
124
90,7
4,5

2.2. En déduire la puissance maximale délivrée et la comparer à la valeur constructeur (250 W).
P_max ~248 W, en accord avec la valeur du constructeur.
2.3. Calculer le rendement de ce panneau pour un ensoleillement de 1000 W m^-2 dans le cas de la puissance maximale.
Surface du module : 1,64 x 0,99 =1,62 m².
Puissance solaire reçue par module : 1000 x 1,62 = 1,62 kW.
Rendement : 0,25 / 1,62= 0,15 ( 15 %).

...

....

II. Energie électrique produite.
On suppose que le rendement est de 15 % quelque soit l'ensoleillement. Les besoins en électricité de la maison sont estimés à 6500 kWh par an.
1. Estimer la valeur de l'ensoleillement un peu à l'ouest de Lyon.
3,9 kW h / m² par jour.
2. Calculer la surface S_p de panneaux solaires à poser sur la toiture pour couvrir les besoins.
6500 / 365 ~17,8 kW h / m² par jour.
Energie électrique disponible : 3,9 x 0,15 =0,585 kW h / m² par jour.
S_p = 17,8 / 0,585 ~30,4 m².
3. Les propriétaires décident de couvrir une surface du toit de 50 m².
La consommation électrique annuelle d'un spa est de 3 000 kWh.
Indiquer si cette surface de panneaux solaires permet de couvrir les besoins en éctricité et d'alimenter le spa. Justifier.
6500 +3000 =9500 kWh / an soit 9500 / 365 ~26 kWh par jour.
Surface de panneaux solaires nécessaires :26 /(3,9 x0,15) ~44,5 m².
50 m² de toit recouvert de panneaux suffisent.

III. Utilisation de l'énergie produite.
30 panneaux sont montés en série..
1. Rappeler le rôle de l'onduleur en sortie de panneau solaire.
Conversion courant continu, courant alternatif.
2. Pour un fonctionnement correspondant au watt-crête, calculer la tension U_T en sortie des panneaux.
Tension aux bornes d'un panneau : 31,17 V.
U_T = 31,17 x 30 =935 V.
3. Montrer que l'onduleur Kostal Piko 8.3 peut convenir.
Tension maximale d'entrée à vide : 950 V.
Puissance nominale 8,3 kW.

C. Analyse de l'eau pour le spa.
Le titre hydrotimétrique de l'eau doit être compris entre 10 et 20 °f.
1. Citer un inconvénient majeur d'une eau trop dure.
Dépôt de calcaire ; les canalisations s'entartent.
2. Le titrage de l'eau permet de déterminer les concentrations en ion Mg²⁺ et Ca²⁺ qui valent respectivement 11,7 mg / L et 26,9 mg / L.
2.1 Déterminer les concentrations molaires de ces ions.
[Mg²⁺] = 11,7 10^-3 / M(Mg) = 11,7 10^-3 / 24,3 =4,8 10^-4 mol / L ou 0,48 mmol / L.
[Ca²⁺] = 26,9 10^-3 / M(Ca) = 26,9 10^-3 / 40,1 =6,7 10^-4 mol / L ou 0,67 mmol / L.
2.2. Donner le protocole du titrage et légender le schéma.
On utilise un dosage complexométrique par l’EDTA, dans un milieu tamponné à pH = 9 (obtenu à l’aide d’un tampon ammoniacal). On dose les deux ions simultanément selon le protocole suivant :
• Pipeter exactement V_eau = 50,0 mL de l’eau étudiée et l’introduire dans un erlenmeyer de 150 mL.
• Ajouter une solution d’ammoniac à 7 mol.L^–1 jusqu’à atteindre pH = 9.
• Ajouter un peu de noir Eriochrome T (NET) de telle sorte que la solution soit colorée de manière soutenue tout en laissant encore la lumière traverser la solution.
• Doser la solution obtenue par l’EDTA à C₁ = 5,00.10^–2 mol.L^–1. Le volume équivalent est repéré par le changement de couleur de la solution. On repère pour l’expérience ainsi réalisée V₁ = 10,7 mL.L’EDTA (ou éthylène diammine tétracétate) est une tétrabase, notée Y^4–, associée au tétracide H₄Y. À pH = 9, Y^4– est la forme majoritaire.
Le NET donne en présence d’ions Mg²⁺ une coloration rouge due à la formation d’un complexe coloré. En l’absence d’ions Mg²⁺, et dans le domaine de pH considéré, la couleur d’une solution contenant du NET est bleue. On supposera que l’eau étudiée contient suffisamment d’ions Mg²⁺ pour que le changement de couleur serve d’indication de dosage de Ca²⁺ et Mg²⁺.

2.3 Déterminer si l'eau de la commune permet un fonctionnement optimal du spa.
[Mg²⁺] +[Ca²⁺] =4,8 10^-4 +6,7 10^-4 =11,5 10^-4 mol / L.
TH = ([Mg²⁺] +[Ca²⁺]) 10⁴ = 11,5°f.
Cette valeur étant comprise entre 10 et 20°f, l'eau permet un fonctionnement optimal du spa.

menu