Thématique : Environnement

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1 Séquence 1: TP 2 h Sciences de l Ingénieur Thématique : Environnement Diminuer les ressources matérielles nécessaires à la réalisation et au fonctionnement d un système A1 analyser le besoin Problématique Comment évaluer l'impact environnemental du remplacement d un système de chauffage existant par un système de chauffage utilisant une pompe à chaleur Air/Eau. Ressources Documents : DT PAC.pdf et Prix_des_energies.pdf Vidéos : Pompe_chaleur_1.avi, Pompe_chaleur_aireau.mp4 et schema_pompe_chaleur_pro.swf 0 Ouvrir et parcourir les documents ressources, puis visionner les vidéos ressources avec un navigateur avant de répondre aux questions du TP. 1 Présentation de l'étude Considérons une habitation construite en 1994 en région parisienne (77) pourvue d'un terrain d un hectare à une altitude de 135 m, dont les caractéristiques sont les suivantes : Surface habitable : 180 m² plein pied hauteur sous plafond 2,40 m, Isolation selon critères RT2000, Chauffage actuel : chaudière fioul (rendement 80%) + Plancher chauffant Basse température, Consommation actuelle : 2060 l de fioul/an (1 l fioul équivaut à 10 kwh EP ) qui servent également à la production d'eau chaude (15 % environ), Alimentation électrique triphasé et monophasé disponible, Régulation de chauffage installée. Un diagnostic de performance énergétique a été réalisé l'an dernier, les résultats sont les suivants : 2 Spécification du besoin : exigences à respecter Ci-après est présenté le cahier des charges fonctionnel qu'il faut respecter dans le cadre de la modification du système de chauffage. Il est présenté à l'aide d'un diagramme des interacteurs et du cahier des charges lui même. TP Impact PAC G.Eiffel Page 1/6

2 1 Compléter le diagramme ci-dessous en faisant apparaitre les fonctions de service. FP1 FP2 FC1 FC2 FC3 3 Présentation du nouveau système de chauffage 3.1 Le chauffage par système de Pompe à Chaleur Air/Eau (Extraits d'une documentation de fabriquant de pompe à chaleur) «Le coût des énergies fossiles étant en constante augmentation, du fait de l appauvrissement des ressources naturelles, les maîtres d ouvrage et les chauffagistes se tournent désormais vers l utilisation d énergies renouvelables. Opter pour un système pompe à chaleur est la seule solution capable de réduire significativement les coûts de chauffage. Près de 90% de l énergie consommée par une famille sert au chauffage et à la production d eau chaude. Le choix de la pompe à chaleur permet de réduire la consommation d énergie de façon significative et de diminuer les coûts. La facture énergétique est ainsi diminuée et la planète protégée. TP Impact PAC G.Eiffel Page 2/6

3 Utiliser l énergie renouvelable naturelle et gratuite grâce à la mise en place d un système de pompe à chaleur permet de chauffer sa maison tout en bénéficiant d un confort optimal. En toute saison, la pompe à chaleur vous délivre une température agréable, toujours adaptée, naturelle et peu onéreuse. Les pompes à chaleur chauffent sans flamme et n émettent ainsi aucun polluant : ni CO 2, ni microparticules Leur système de fonctionnement particulier permet donc de réduire les émissions de CO 2 par rapport aux chaudières conventionnelles.» Étude théorique 1 Donner les critères à prendre en compte avant d'installer un système de chauffage par pompe à chaleur Air/Eau. 2 Citer les réglementations à prendre en compte avant l'installation d'une PAC? Que permettent-elles de garantir? 3 Déterminer si l'habitation remplit les critères pour l'installation d'un système de chauffage par Pompe à chaleur Air/Eau? On souhaite également que le système de chauffage puisse rafraîchir l'habitation en période estivale. 4 Dans ce cas quel type de PAC est à privilégier? Ce type de PAC est il compatible avec le plancher chauffant actuel? On vous fournit ci-dessous la courbe de déperdition de l habitation. Les conditions climatiques là où se situe l'habitation indiquent une température basse de - 5 C en hiver en moyenne 8 jours par an. 5 A partir de ces données déterminer la puissance calorifique minimum de la PAC à installer? *La courbe de déperdition représente le nombre de kw nécessaire pour maintenir une habitation à une température de 20 C en fonction de la température extérieure. TP Impact PAC G.Eiffel Page 3/6

4 6 Déterminer la consommation d'énergie primaire actuelle due au seul chauffage. 7 En supposant l'installation d'une PAC Air/Eau de COP moyen annuel 3, estimer la nouvelle consommation annuelle pour le chauffage en terme d'énergie primaire. (On estime qu'en France 1 kwh d'électricité consommé correspond à 2.58 kwh EP ) 8 A partir de la courbe ci-dessous et connaissant les conditions climatiques du lieu où se situe l'habitation, déterminer le modèle de PAC le plus adapté à cette habitation. 9 A partir du document "Prix des énergies" (prix août 2011), et en sachant que l'utilisation de la PAC en période estivale augmente la facture annuelle d'énergie de 10 %, calculer les économies réalisées en terme de dépense de chauffage. (Rappel 100 kwh équivalent à dix litres de Fioul domestique) TP Impact PAC G.Eiffel Page 4/6

5 10 Sachant que la consommation de chauffage représente 60% de la consommation d'énergie et 70% des émissions de Gaz à Effet de Serre sur le Diagnostic de Performance Énergétique, établir l'impact du changement de source de chauffage sur le Diagnostic de Performance Énergétique du logement. On considérera que la consommation due à la climatisation en période estivale augmentera de 10% la consommation de chauffage annuelle prévue. *En termes d'émissions de Gaz à Effet de Serre les références sont les suivantes : Pour la consommation d'électricité : 180 g eq CO 2 /kwh Pour le chauffage au fioul domestique : 300 g eq CO 2 /kwh Pour la consommation d'énergie : Pour les émissions de GES : 11 Conclure quant au respect des critères économiques et environnementaux du cahier des charges du système envisagé. Quels sont les critères qui restent encore à vérifier? 12 Le remplacement de la chaudière au fioul pose le problème du système de production d'eau chaude sanitaire, quelle solution proposeriez-vous et quelle étude devrait-on mener? TP Impact PAC G.Eiffel Page 5/6

6 4 Exercice d application avec une PAC eau/eau Les pompes à chaleur PAC (eau/eau) valorisent les calories de l eau des nappes phréatiques par le biais de réseaux de capteurs, de sondes ou de forages. Très performant quelle que soit la température hivernale. Dans certaines régions de France où les températures peuvent descendre très vite, on utilise de plus en plus des pompes a chaleur (PAC) eau /eau avec captage et rejet dans la nappe phréatique car l eau, même en hiver ne descend jamais en dessous de +10 C. Les émetteurs de chauffage requis pour diffuser la chaleur produite peuvent être de différents types : plancher solaire chauffant, radiateurs basse température... En effet, le COP (coefficient de performance) d une (PAC) eau /eau sera encore très bon grâce au niveau de température de l eau puisée. Une pompe à chaleur eau/eau réchauffe de l eau chaude basse température (eau de chauffage) d un débit de 1100 l/h. Pour le confort, on chauffe le plancher de la maison, la température doit sortir de la PAC à 40 C pour réchauffer le sol et retourner à 34 C. On donne la capacité thermique massique de l eau : 1 Ceau = 4180 J kg 1 K La masse volumique de l eau est : ρeau = 1000 kg m Déterminer la quantité de chaleur sensible Qs (J) qu apporte la PAC en une heure. Qs = 14 Calculer alors la puissance Pth (W) utile transportée par le débit d eau chaude. Pth = Nota : La quantité de chaleur sensible Q échangée par un corps qui passe d'une température T1 à une température T2 est donnée par la relation : où Q est la chaleur sensible (en J), m est la masse du corps (en kg), c est la chaleur massique de ce corps (en J.kg 1.K 1 ), T1 et T2 sont les températures initiales et finales du corps (en K). TP Impact PAC G.Eiffel Page 6/6