L énergie Valoriser les apports énergétiques dans un bâtiment

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1 L énergie Valoriser les apports énergétiques dans un bâtiment Travaux Dirigés 05 Le chauffe-eau solaire Filière Scientifique - Option Sciences de l Ingénieur LYCEE PAPE-CLEMENT - PESSAC 1 Lycée Pape CLEMENT - PESSAC

2 A - Rappel La réglementation thermique en vigueur, la RT 2012, s applique à tous les projets de bâtiments neufs des secteurs résidentiels, dont le dépôt de demande de permis de construire est déposé à partir du 1er Janvier Elle évoluera environ tous les sept ans (future RT 2020) pour atteindre l objectif fixé par le gouvernement d ici 2050 : réduire par quatre les émissions de gaz à effet de serre (facteur 4). La réglementation thermique 2012 s appuie sur 2 coefficients et 1 température : La consommation maximale Cep max, représente la capacité du bâtiment à limiter ses besoins en énergie. Elle s'applique à 5 postes : - chauffage, - refroidissement, - ECS (eau chaude sanitaire), - éclairage, - auxiliaires (de chauffage, de refroidissement, d'ecs et de ventilation). La consommation conventionnelle d'énergie du bâtiment doit être inférieure ou égale à une consommation maximale de 50 kwh EP /m².an. Elle peut varier suivant le type du bâtiment (Mc type), la localisation géographique (Mc géo), l altitude (Mc alt), la surface moyenne du logement (Mc surf), et selon les émissions de gaz à effet de serre des énergies utilisées (Mc GES). Le besoin bioclimatique maximal (Bbio max ), permet d optimiser la conception du bâtiment en fonction de la forme, de l orientation, de l environnement du bâtiment. Le Bbio est un coefficient visant à exprimer la conception du bâti en prenant en compte : isolation, démarche bioclimatique, apports solaires, éclairage naturel, orientations, mitoyenneté. La température intérieure de référence (Tic réf ), à ne pas dépasser pour garantir le confort d été : Tic = Tic réf. Elle est calculée en utilisant les données climatiques conventionnelles pour chaque zone climatique. La France est répartie en huit zones climatiques, qui sont regroupées en trois zones hiver (période de chauffage) : H1, H2 et H3, et quatre zones d'été (période de non chauffage) : a, b, c et d ainsi que 3 classes d'exposition au bruit des infrastructures de transport (BR1, BR2, BR3). La référence de la RT 2012 en Aquitaine est la zone climatique H2c. La consommation d'énergie du bâtiment devra être inférieure ou égale à 45 kwh EP /m².an. La RT 2012 doit respecter les exigences techniques suivantes : 1. La perméabilité à l air de l enveloppe du bâtiment permet d évaluer le débit de fuites sous 4 pascals (Pa) de l enveloppe extérieure, noté Q4 Pa surf (valeur officielle de perméabilité à l air). Cette valeur doit être inférieure ou égale 0,6 m 3 /h.m² de parois froides hors plancher en maison 2 Lycée Pape CLEMENT - PESSAC

3 individuelle (pour information : 1 m 3 /h.m² de parois froides hors plancher bas en immeuble collectif d'habitation). Des défauts de perméabilité à l air sont souvent rencontrés et peuvent causer une grande perte d énergie. Elle perturbe notamment la bonne maîtrise du renouvellement d air et augmente les déperditions thermiques du bâtiment. Les principales sources de fuites d air : - Liaisons façades et planchers : liaison mur-dalle sur terre-plein, liaison mur-dalle ou plancher en partie courante... - Menuiseries extérieures : seuil de porte palière, seuil de porte fenêtre, liaison mur-fenêtre au niveau du linteau... - Équipements électriques : interrupteurs sur paroi extérieure, prises de courant sur paroi extérieure, tableaux, gaines... - Trappes et éléments traversant les parois : trappe d accès aux combles, trappe d accès aux gaines techniques, L utilisation d énergies renouvelables est obligatoire dans une maison individuelle pour être conforme à la RT2012. Elle doit y recourir sous l une des formes suivantes : - Être raccordée à un réseau de chaleur alimenté à plus de 50% par une énergie renouvelable, - Démontrer que l utilisation des énergies renouvelables au Cep du bâtiment est supérieure ou égale à 5 kwh EP / (m².an), - Produire de l eau chaude sanitaire à partir, soit d un système solaire thermique, soit d un appareil de production d eau chaude sanitaire thermodynamique. C est ce dernier aspect «Produire de l eau chaude sanitaire à partir d un système solaire thermique» qui est l objet de notre étude. 3 Lycée Pape CLEMENT - PESSAC

4 B. Principe du chauffe-eau solaire Un chauffe-eau solaire se compose d'un capteur solaire thermique (qui se comporte comme une miniserre) [1] que l on nomme également absorbeur. Il permet de convertir l énergie solaire en énergie thermique. La vitre piège le rayonnement Infra-Rouge réémis par l absorbeur. Dans le circuit primaire [2] calorifugé circule le liquide caloporteur (eau + glycol). Le glycol permet d éviter le gel de ce fluide en hiver en absence de soleil. Ce liquide s'échauffe lorsqu'il passe dans les tubes du capteur solaire et se dirige vers le ballon de stockage [5] de l'eau sanitaire. Le liquide caloporteur cède sa chaleur à l'eau sanitaire par l'intermédiaire d'un échangeur thermique [3]. Une fois refroidi, le liquide caloporteur repart vers le capteur solaire où il sera à nouveau chauffé. Une pompe électrique [7] met en mouvement le liquide caloporteur lorsque la température de celui-ci est supérieure à celle de l'eau sanitaire du ballon. L'énergie solaire ne peut pas assurer la production d'eau chaude quelle que soit la saison. C'est pourquoi le ballon de stockage est également équipé d'un dispositif de chauffage d'appoint (ensemble [11] et [12]). Les 3 modes de transfert thermique (conduction, convection, rayonnement) interviennent dans le principe de fonctionnement de ce système. a. Pour chacune des zones citées ci-après, précisez la nature du transfert thermique : Au niveau du capteur solaire : Au niveau de l échangeur thermique [3] : À l intérieur du ballon de stockage [5] : 4 Lycée Pape CLEMENT - PESSAC

5 Le ballon est assimilé à un cylindre de hauteur h = 1 m et de volume V = 150 litres. L eau froide arrive à la température T F = 15 C et l eau chaude sanitaire doit sortir à la température T C = 65 C. L appareil est arrêté depuis plusieurs jours et doit être remis en fonctionnement. On considère qu il est rempli d eau froide à la température T F = 15 C. b. Calculer la quantité de chaleur, notée Q, pour élever la température de l eau jusqu à T F = 65 C. On donne la capacité thermique massique de l eau c = 4, J. Kg 1. K 1 c. Calculer la puissance minimale nécessaire pour que la durée de cette opération soit de 5 heures. On observe sur le circuit primaire la présence d un vase d expansion (il est possible de placer également une soupape de sécurité). d. Indiquer les raisons de la présence de ce système. Pour information, la dilatation thermique des fluides s exprime en fonction de la variation de volume V, qui est proportionnelle à la variation de température. V = γv 0 ΔT V 0 : volume initial en m 3, γ : coefficient de dilatation volumique en C 1 ou K 1, ΔT : écart de température en C ou K La dilatation de l eau présente une anomalie entre 0 C et 4 C. Entre ces deux températures, le volume diminue au fur et à mesure que la température augmente. Au-delà de 4 C, le coefficient de dilatation thermique de l eau varie avec la température : 0, K 1 pour 5 C < T < 10 C 1, K 1 pour 10 C < T < 20 C 3, K 1 pour 20 C < T < 40 C 4, K 1 pour 40 C < T < 60 C 5, K 1 pour 60 C < T < 80 C Dans certains cas, une valeur moyenne est choisie de K 1 Dans le cas du liquide du circuit primaire, eau + glycol, on peut considérer que 1 litre de ce mélange se dilate de 12 cm 3 quand il passe de 0 C à 50 C. Le rendement de l absorbeur est de η abs = 0,65. Il exprime l écart entre la puissance reçue par l absorbeur et la puissance que l absorbeur peut restituer. La température extérieure sous-abri est 5 Lycée Pape CLEMENT - PESSAC

6 T EXT = 30 C et la température à l intérieur du capteur T INT = 75 C. L absorbeur reçoit un éclairement énergétique moyen de P Eclairement = 800 W. m 2. a. Déterminer la surface de l absorbeur pour avoir une installation de puissance utile P utile = 1800 W. En supposant que toute la puissance utile disponible permet de réchauffer le fluide caloporteur (pas de déperditions thermiques de l absorbeur), b. Déterminer l écart de température du fluide caloporteur entre l entrée et la sortie de l absorbeur. 6 Lycée Pape CLEMENT - PESSAC

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