BESOINS ENERGETIQUE. L énergie finale est l énergie dont l utilisateur va se servir pour répondre à ses besoins.

Transcription

1 I Besoins en énergie finale Etat des lieux L énergie finale est l énergie dont l utilisateur va se servir pour répondre à ses besoins. I.1 Quelle est l énergie finale la plus consommée? Les besoins en énergie des activités humaines s expriment au travers de la consommation en énergie finale. La figure ci-dessous montre que nous avons aujourd hui essentiellement recours aux produits pétroliers. Cette tendance est confirmée en France avec près de 51% de l énergie finale consommée, sur un total de 165,5 MTEP en I.2 Quels usages sont les plus énergivores? La répartition des consommations en énergie finale se fait principalement sur trois secteurs : les transports (marchandises et personnes), l habitat et l industrie. En France l habitat et les transports représentent plus de 50% des consommations d énergie finale. I.3 Quelles énergies finales pour quels secteurs d activité? Le secteur du transport est principalement centré sur l usage des produits pétroliers, alors que l habitat et le bâtiment répartissent leurs besoins sur plusieurs pôles. On observe aussi que mise à part la valorisation des déchets urbains et celle de combustibles renouvelables issus de la biomasse tel que le bois, les ressources en énergies renouvelables ne sont que très peu valorisés aujourd hui. 1/9

2 II Besoins énergétiques liés au bâtiment et aux transports Les besoins énergétiques liés au secteur du bâtiment et de l habitat sont associés à des besoins vitaux de l être humain qui sont : se protéger des rigueurs de l environnement, se maintenir en bonne santé, se nourrir et communiquer. Les besoins énergétiques liés aux transports répondent à la nécessité de se déplacer et de déplacer des marchandises. III Caractérisation des besoins énergétiques d un habitat Les besoins énergétiques d un habitat sont liés aux besoins en confort (thermique et lumineux) et en hygiène de ses occupants. Ils se traduisent par des besoins en : Chauffage, Eau chaude sanitaire, Eclairage, Climatisation. Ils sont fonctions des comportements des occupants, du bâtiment, des équipements techniques assurant le confort et de l environnement climatique dans lequel est plongé le bâtiment. III.1 Comment évaluer les besoins en chauffage? Ce bilan fait apparaître des pertes de chaleur : Pertes par transmission thermique au travers des parois de l enveloppe du bâtiment, Pertes liées aux circulations d air volontaires (ventilation) et involontaires (infiltration) au travers de l enveloppe du bâtiment, Pertes par transmission thermique au travers de défauts d isolation liés à la liaison mécanique des planchers et des murs par exemple. Ces points particuliers sont appelés les ponts thermiques. Toutes les pertes sont proportionnelles à l écart de température maintenu entre l intérieur du bâtiment et l extérieur. La puissance perdue peut dons s écrire : Φ = H.(T int T ext ) W, avec H en W/ C. 2/9

3 Exercice 1 On souhaite maintenir une température intérieure de 19 C, lorsque la température extérieure sous abri est de -5 C. On donne H paroi = 70 W/ C. Déterminer les pertes par les parois En imaginant que la température de -5 C soit mesurée 6 heures pendant la saison de chauffe, calculer l énergie perdue aux travers des parois. III.2 Notion de degré heure Les degrés heure Dh sont le résultat de la mesure de la température horaire moyenne extérieure d'un lieu géographique donné, par rapport à la température de référence intérieure de 18 C (Vaud) ou 20 C (Genève). Accumulés sur une durée d'une semaine, ils servent à comparer la consommation en combustible ou en énergie de chauffage d'une habitation, d'une semaine ou d'une saison à l'autre, et à détecter d'éventuelles anomalies. Exercice 2 On donne pour la station météo de Marseille et pour la saison de chauffe : Dh(18 C) = C.h Le coefficient H correspondant à l ensemble des déperditions est estimé à 120 W/ C. Déterminer l énergie permettant de compenser ces besoins en chaleurs. Le bilan thermique d un bâtiment fait également apparaître des apports en chaleur : Apports solaires au travers de parois vitrées, Apports internes liés au occupants (une personne au repos apport une puissance d environ 100W), Apports internes liés aux équipements qui consomment de l énergie et dissipent de la chaleur au sein du bâtiment, III.3 Comment évaluer les besoins en ECS (Eau Chaude Sanitaire)? Ce besoin s exprime au travers de l usage de l eau chaude pour l hygiène corporelle et le lavage essentiellement. On peut considérer qu une personne consomme en France dans le secteur de l habitat environs 50 litres d eau à 60 C chaque jour. Exemple sur l énergie et la puissance nécessaire à une douche Une douche est un événement court qui se traduit en moyenne par le puisage d une eau chaude sanitaire à 38 C, Avec un débit de l ordre de 0,2 l/s pendant une durée de 6 minutes. Les besoins en énergie sont alors de E ECS = 2,32 kw.h La puissance à développer pour assurer cette production au fil de l eau P ECS = 23,2 kw. 3/9

4 III.4 Comment évaluer les besoins en éclairage? L éclairage d une surface se mesure en lux. On observe que l œil humain s adapte facilement à des niveaux d éclairement très variable. IV Caractérisation des besoins énergétiques d un véhicule Un véhicule pour se déplacer doit lutter contre un certain nombre de forces. Elles sont dues aux frottements : fluides/solide, solide/solide. Elles sont également le fruit des accélérations. Tous ces efforts sont des charges qui détermineront les consommations énergétiques du véhicule. Détermination des charges mécaniques appliquées à un véhicule Pertes par frottement Solide/Roues Force de frottement de roulement F roulement = C r.m.g (N) Puissance dissipée par frottement de roulement P roulement = F roulement.v = C r.m.g.v (W) Pertes par frottement Fluide aérodynamique Force de frottement aérodynamique F fluide = 1/2.ρ.v 2.C x.s f (N) Puissance dissipée par frottement aérodynamique P fluide = F fluide.v = 1/2. ρ.v 3.C x.s f (W) Charge liée à une pente Résistance liée à la pente F pente = sin(α).m.g (N) Puissance dissipée par la ente F pente = sin(α).m.g.v (W) Charge liée à une accélération Force liée à une accélération constante F accélération = m.γ (N) Puissance liée à une accélération constante F accélération = m.γ.v (W) Notations m= masse du véhicule en Kg α= angle de la pente C r = coefficient de frottement de roulement C x = coefficient aérodynamique de trainée γ= accélération en m.s -2 S f = surface correspondant à la projection g= accélération de la pesanteur m.s -2 du véhicule sur un plan perpendiculaire au ρ= masse volumique du fluide Kg.m -3 mouvement par rapport au fluide. On l appelle aussi maître couple. 4/9

5 BESOINS ENERGETIQUE Exercice 3 Un véhicule automobile d une masse de 1500 Kg roule à une vitesse de 50 km/h sur le plat On donne Cr = 10 et Cx = 0,26 ; Sf = 1,8 m ; ρ = 1,24 kg/m. Déterminer les pertes par frottement IV.1 Activité -4 Un tramway d une masse de 65 tonnes roule à une vitesse de 50 km/h sur le plat. On donne Cr = 2.10 et 2 3 Cx = 0,28 ; Sf = 8 m ; ρ = 1,24 kg/m. Déterminer les besoins en puissance mécanique. 5/9

6 IV.2 Comment déterminer les besoins en énergie d un véhicule? Sur un trajet les paramètres vitesse, accélération ne cessent de varier. Pour déterminer les besoins en énergie, il faut savoir comment varient ces paramètres dans le temps. Par exemple, l enregistrement de l accélération sur un tramway donne le graphe suivant : On observe que les accélérations et décélérations sont modérées pour des raisons de confort, et restent inférieures en valeur absolue à 1,8 m.s -1. IV.4 Couples résistants De manière générale les couples résistants auxquels les moteurs doivent faire face peuvent varier en fonction de la fréquence de rotation. La figure ci-dessous représente les différents couples élémentaires que l on peut rencontrer. Le couple résistant d un système réel est une combinaison de ces couples élémentaires. 1 Couple constant. Ce comportement est lié à une accélération constante (la pesanteur par exemple) 2 Couple quadratique. Ce comportement est lié à un frottement fluide (frottement aérodynamique par exemple) 3 Couple décroissant avec la vitesse. Ce comportement est lié à l inertie mécanique d une charge à entrainer (essoreuse par exemple) 6/9

7 V Exercices d applications V.1 Besoins en chaleur d un habitat On donne H total = 150 W. C -1 ; T ext = -7 C Dh 19 C = C.h ; Dh 20 C = C.h Déterminer les besoins en puissance et en énergie de cet habitat pour une température intérieure de 19 C et une température intérieure de 20 C. V.2 Pertes d énergie au travers des parois d un réfrigérateur On donne H paroi = 2,3 W. C -1 Le réfrigérateur est plongé dans une ambiance. 22 C toute l année. La température intérieure est maintenue à 6 C toute l année. Déterminer les degrés heures dans ce cas. Déterminer les apports en chaleur au travers des parois chaque année. 7/9

8 V.3 Puissance perdue par renouvellement d air Une salle de classe accueille 30 élèves à qui on doit apporter individuellement un débit d air neuf hygiénique de 10 m 3.h -1. La température de l air intérieure est maintenue é 20 C. La température extérieure est de 0 C. On donne pour la saison de chauffe : Dh 20 C = C.h On rappelle : Cpair = J.kg -1.K -1 ; ρair = 1,24 kg.m -3 Déterminer la puissance nécessaire au chauffage de ce débit d air. Sachant que les élèves occupent cette salle en moyenne 25 % du temps pendant la saison de chauffe, quels sont les besoins en énergie associés à ce renouvellement d air? V.4 Transport sur autoroute Un camion de 32 tonnes est lancé à 85 km/h sur autoroute. On donne : Cr = et Cx = 0,6 ; Sf = 7,9 m 2 ; ρ = 1,24 kg/m 3. Déterminer les besoins en puissance mécanique de ce camion, les besoins en énergie sur 100 km. 8/9

9 V.5 Transport sur rail Un wagon de 40 tonnes est lancé à 90 km/h. On donne : Cr = ; Cx = 0,6 ; Sf = 9 m 2 ; ρ = 1,24 kg/m 3. Déterminer les besoins en puissance mécanique de ce wagon et les besoins en énergie sur 100 km. 9/9