1 ère partie : Solutions techniques

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1 1 ère partie : Solutions techniques Cette partie est consacrée à l étude de la solution technique imposée dans le cahier des charges et de la proposition d une autre solution. 1. Réaliser un schéma de principe complet des installations décrites dans le CCTP. - Voir documents annexes (les ventilateurs d extraction VEE ne sont pas représentés sur les schémas proposés). 2. Proposer brièvement une solution technique alternative au projet de base permettant d assurer le confort en hiver et en été dans la salle de spectacle, pour une utilisation pendant au maximum deux à trois soirs par semaine de cette salle. - Production de chaleur par chaudières électriques avec stockage dans ballon pendant les heures creuses. - Ventilation double flux avec récupération de chaleur par échangeur à plaques avec chauffage en hiver et rafraîchissement en été. - Production d eau glacée avec stockage dans ballon pendant les heures creuses pour alimenter les batteries froides. - Soufflage sous les sièges. 3. Faire un comparatif entre les deux solutions en faisant apparaître les éléments techniques de production, distribution, émission, diffusion CCTP Variante Production Chaudières gaz Chaudières électriques avec stockage heures creuses Production eau glacée Ventilation CTA double flux CTA double flux Chauffage Batteries eau chaude dans CTA Batteries eau chaude dans CTA Récupération Batteries eau glycolée Echangeurs à plaques et puits canadiens Diffusion Buses à jet longue portée Diffuseur de sol Rafraîchissement Puits canadiens et ventilation naturelle Rafraîchissement avec batteries dans CTA Confort Approximatif en été Bon car diffusion proche des utilisateurs et températures complètement maîtrisées en été Consommation Rafraîchissement gratuit mais limité Consommation plus important e en été

2 2 ème partie : Puissance calorifique Dans une démarche d avant projet, on vous demande de déterminer la puissance calorifique totale à installer afin de répondre au cahier des charges. Pour cela déterminer : 1. La puissance récupérée par les puits canadiens. Le débit d air réchauffé par le sol à prendre en compte est le débit des 4 centrales dont l air neuf passe par les puits canadiens, soit ( ) x 2 = m 3 /h. P = 0.34*120000*6 = 245 kw 2. Les déperditions par les parois de la zone centrale puis les déperditions totales du bâtiment. L x l ou h U dt Dp Mur ext ouest Vitrage ext nord Mur ext nord Mur ext est Mur ext sud Toiture Plancher bas Linéique 20% Infiltrations Vi n50 ei Ei W Débit infiltrations m3/h D zone centrale = 203 kw D autres locaux = 92 kw D totales = 295 kw 3. Les déperditions dues à l air neuf en justifiant auparavant les débits d air neuf de la salle de spectacle indiqués dans le CCTP. Débit d air neuf de la salle de spectacle : 7000 * 18 m 3 /h = m 3 /h Air neuf Qv = ( ) = m3/h P = 0.34 * * (19-(-11)) = 1958 kw 4. La puissance récupérable par les batteries à eau glycolée. KVS 400 Van = m 3 /h Tan 5 C 60% 1g/kgas 0.76 m 3 /kgas Vae = m 3 /h Tae 19 C 70% 10 g/kgas Choix échangeur type III Φ1 = 1 Φ2 = 6 % car Van = Vae Φan = Φae = 44 % Φ = 0.5 (Φan + Φae) + Φ1 + Φ2 = 0.5 ( ) = 50 % Φ = (Tas Tan) / (Tae Tan) Tas = Φ (Tae Tan) + Tan = 0.50 (19 (-5)) 5 = +7 C

3 Calcul de la puissance récupérée : si on considère que cette valeur de 7 C est la plus défavorable vis à vis du débit pris en considération, on peut calculer la puissance récupérée minimum en partant de cette valeur de température et en utilisant le débit total des 5 centrales. P = Qm (hf hi) = (Qv / v) (hf hi) = ( / ) (11 (-2)) = 665 kw Qv = m 3 /h hf = 11 kj/kg hi = -2 kj/kg Puissance totale = = kw

4 3 ème partie : Puits canadiens On veut vérifier le dimensionnement des puits canadiens dans une configuration donnée. 1. Expliquer le principe de fonctionnement des puits canadiens. Indiquer leurs avantages et leurs inconvénients. Pour amener de l air neuf dans un bâtiment on va faire passer cet air dans une canalisation enterrée ce qui permettra de préchauffer cet air en hiver et de le refroidir en été en échangeant de la chaleur avec le sol. L avantage principal est un gain énergétique donc financier avec un investissement très faible et donc un temps de retour très rapide. Les inconvénients principaux sont le risque de condensation et l entretien. 2. En considérant en hiver le sol à 2 m de profondeur à une température constante de 11 C déterminer l augmentation de température à la sortie du puits canadien quand la température extérieure est de 0 C. Indiquer le flux de chaleur total entre le sol et les puits canadiens pour cette même température. On négligera la résistance superficielle extérieure car on considèrera une liaison parfaite entre le sol à une température de 11 C et le béton. Chaque puit fera passer m 3 /h soit avec une masse volumique de l air prise à 1,2 kg/m kg/h soit 10 kg/s. re ln ln 1,17 rs r i i 0,02 r = + = + 1 = 0,0157 mk / W 2πr 2πλ 2 π*1 2 π*2 i 1 1 ψ = = = 64 W / mk r 0,0157 -ψx -64*50 10*1000 mc & ( ) ( ) T = T + T - T e = e = 3.01 C x amb 0 amb ( ) & mc & ( ) -ψl -64*50 10*1000 F= T0 -Tamb mc 1- e = 0-11 *10* e =-30.12kW Ł ł Ł ł soit pour les 4 puits un gain de chaleur de 120 kw. 3. Tracer les courbes des températures de soufflage en fonction de la température extérieure pour des longueurs de canalisations de 25, 50, 75 et 100m (en considérant toujours que l on a quatre puits canadiens) ainsi que les courbes du flux de chaleur total entre le sol et les puits canadiens pour ces mêmes longueurs. Discuter le choix réalisé.

5 T à la sortie du puits canadien en fonction de la t extérieure Température à la sortie du puits L=25m L=50m L=75m L=100m Text Température de l'air extérieur Puissance cédée aux 4 puits canadiens Puissance cédée en kw L=25m L=50m L=75m L=100m P=244,8kW Température extérieure On voit qu avec les nombreuses hypothèses de travail et simplificatrices que nous avons prises les puits canadiens fonctionneront de manière satisfaisante (apport de 6 C) jusqu à une température extérieure de 3 C. On voit qu augmenter la longueur des canalisations n est pas rentable : doubler la longueur ne permet de gagner que 2K. Il faudrait peut être envisager un plus grand nombre de canalisations ce qui permettrait de diminuer la vitesse de l air et donc d augmenter l échange.

6 4 ème partie: Aéraulique de la salle de spectacle A l aide des données techniques imposées par le CCTP et en se limitant à la moitié de la salle de spectacle. 1. Dimensionner le réseau de soufflage de la salle de spectacle. On va placer au tant que possible les gaines au droit des coursives métalliques principales du gril à hauteur d homme pour faciliter l installation, le réglage et la maintenance. Espacement entre coursives principales : 12 m Hauteur des coursives : +8,50 m Hauteur des gaines : +10,20 m En prenant un espacement entre bouches de 5m le long d une gaine on obtient environ 30 bouches par CTA. CTA 4 : Q unitaire = / 30 = 1100 m 3 /h 300 l/s CTA 5 : Q unitaire = / 30 = 900 m 3 /h 250 l/s On prend des diamètres importants pour être dans une zone silencieuse du diagramme : CTA 5 : En bout de gaine Q = 2700 m 3 /h Φ 500 mm v = 4 m/s pdc = mmce/m En début de gaine Q = m 3 /h Φ 800 mm v = 6.5 m/s pdc = 0.05 mmce/m En raison des valeurs faibles des pertes de charge linéiques, un équilibrage ne sera pas utile. 2. Déterminer les bouches de soufflage. On se place dans le cas hiver uniquement. Etant donné le débit unitaire des bouches on choisit un modèle 400. Nous allons à présent calculer les angles d inclinaison à donner aux bouches. Schéma coupe d implantation 12 m Gaines 1.7 m 10.2 m Passerelle gril à m 1.7 m Zone d occupation A = 6m zone d occupation à +1,70 m donc H = (10,2 1,7) = 8,5 m

7 CTA 4 : type 400 q = 300 l/s Vl = 1 m/s D après le diagramme 1 : L = 12 m D après le diagramme 2 : pour un T de 8 K y = 1,5 m D où S = (H + y)/l = (8,5 + 1,5)/12 = 0.83 D après le tableau 3 : α w = 55. D après le diagramme 4 : TL / Tz = 0,1 donc TL = 0,8 K Il faudra donc incliner les buses à 55 pour cette partie d installation, l écart entre la température ambiante et la température à l extrémité du jet est inférieur à 1 K. CTA 5 : type 400 q = 250 l/s Vl = 1 m/s D après le diagramme 1 : L = 10 m D après le diagramme 2 : pour un T de 8 K y = 1,8 m On prendra pour ce cas une hauteur moyenne au niveau des gradins de 4,5 m D où S = (H + y)/l = (4,5 + 1,8)/10 = 0.63 D après le tableau 3 : α w = Réaliser en bifilaire l implantation du réseau sur la vue en plan de la demi-salle de spectacle en faisant apparaître les débits, les diamètres et les modèles de bouches (doc. réponse) Tracé du réseau voir plan en annexe.

8 5 ème partie : Comportement thermique du bâtiment 1. Etude de la climatisation de la salle de réception. - Calculer les charges été et hiver de cette pièce. - Dimensionner les appareils de traitement d air de la CTA Sur un schéma de principe de l installation, proposer une régulation pour cette centrale et tracer les graphes de régulation. Détermination des charges. On calculera uniquement les charges sensibles de la salle de réception, étant donné que l'on est en climatisation de confort et qu'il n'y a pas de contrôle d'humidité. On supposera que le local est en légère surpression donc qu'il n'y a pas de charges dues aux infiltrations. D'autre part l'air neuf sera traité par la CTA, donc pas de charges dues à la ventilation. Eté : Hypothèses : on considère que l'éclairage et que l'occupation sont permanents, donc pas de prise en compte du coefficient d'amortissement et de décalage. D'autre part, on suppose que la salle de réception peut être utilisée à tout moment de la journée : prise en compte de l'ensoleillement. - Ensoleillement : C ens = Fv.S.ϕ max Les 2 parois comprenant des vitrages sont les façades est et ouest. Or d'après le tableau fourni en annexe, les valeurs de ϕ max sont les mêmes pour ces 2 orientations (et en plus pour les mêmes mois de l'année) mais elles ne sont pas du tout obtenues au même moment de la journée. D'autre part pour la façade ouest, on remarque sur les plans la présence d'un auvent. Donc ϕ max = 515 W/m² La surface des vitrages de la façade ouest est de 99 m² et Fv = 0,6 D'où C ens = 30,6 kw - Occupants : C occ = N * Q 1pers avec : N : nombre de personnes, on a 1 personne par m² et S = 568 m² donc N = 568 personnes Q 1pers : apport de chaleur sensible par personne. Comme la température intérieure est de 26 C, Q 1pers = 65 W Donc C occ = 36,9 kw - Eclairage : C ecl = E 1m² * S avec : E 1m² = 15 W/m² S = 568 m² Donc C ecl = 8,5 kw - Transmissions par les parois : C trans = Σ (U.S).(Text - Ti) Ici dans un but de simplification (APS), on ne prendra pas en compte l'écart virtuel de température, on considèrera simplement T ext = 31 C. Parois U (W/m²K) S (m²) U*S (W/K) Murs 0, Vitrages 2, Plancher 0, Plafond 0, Liaisons 10% 84 Somme des U*S en W/K : 923 Remarques : - La surface du plafond est prise égale à celle du sol car la pente de cette paroi est relativement faible. - Pour les murs est et ouest, on prend en compte une hauteur moyenne.

9 Text = 31 C et Ti = 26 C Donc C trans = 4,6 kw. On a donc en été pour la salle de réception des apports sensibles de 80,6 kw. Hiver. Comme nous sommes en climatisation de confort, on ne prendra pas en compte les apports internes ni les apports solaires. On aura donc uniquement des déperditions à travers les parois. Σ (U.S) = 923 W/K (valeur identique à l'été). Ti = 19 C Text = -11 C On a donc des déperditions de 27,7 KW. Récapitulatif en kw HIVER ETE Transmission parois opaques Transmission vitrages Ensoleillement Eclairage Occupants Détermination des points de soufflage été et hiver. On va commencer par le cas été car c'est le plus défavorable. On a 2 possibilités : - soit on se fixe un écart de soufflage, - soit on se fixe un taux de brassage. Ici on va se fixer un écart de soufflage de 10 C en été car les charges sont importantes. Cette valeur est limite pour la climatisation de confort mais la hauteur sous plafond est relativement grande et nous permet donc de souffler un air assez froid. Ce qui nous donne une température de soufflage : Ts = 16 C. Nous allons à présent déterminer le débit de soufflage et le taux de brassage afin de vérifier que les valeurs ne sont pas aberrantes. On a Csens + qm as (Ts-Ti) = 0 Donc qm as = 8,06 kg as /s soit kg as /h. Soit en prenant un volume spécifique de 0.86 m 3 /kg as : qv = m 3 /h. Ce qui nous donne un taux de brassage : τ = qv / V avec V : volume de la salle de réception : 3521 m 3. τ = 7,1 h -1 Valeur qui est tout à fait acceptable. Pour l'hiver : on considère que le ventilateur fonctionne à débit volumique constant : soit qv = m 3 /h. Ce qui nous donne : qm as kg as /h (en considérant le volume spécifique de l'air identique en hiver et en été). On obtient donc la température de soufflage suivante : Ts = Ti - Csens / qm as = 22,4 C. On peut constater qu'en hiver l'écart de soufflage est relativement faible (3,4 C). Cela est du au fait que les charges été sont beaucoup plus importantes que celles d'hiver, et donc pour respecter un

10 écart de soufflage raisonnable en été, on est obligé de prendre un débit de soufflage important, ce qui nous donne un écart de soufflage faible en hiver. Débits d'air neuf : D'après le sujet, on a 18 m 3 /h/pers et 568 personnes ce qui nous donne m 3 /h. - Hiver : on a v = m 3 /kg as aux conditions extérieures, donc qm an = kg as /h - Eté : on a v = m 3 /kg as aux conditions extérieures, donc qm an = kg as /h. Points de mélange : Hiver : D'après la loi de conservation de la masse : qm ar = qm as - qm an = = kg as /h Etant donné les apports en humidité des occupants, on peut considérer que l'air intérieur sera plus humide de l'air extérieur, on prend donc : 19 C, 50 %. Détermination graphique du point de mélange : τ AR = qm ar / qm as = / = 0.53 Donc M : 5 C, 80 %. Eté D'après la loi des mélanges : qm ar = qm as - qm an = = kg as /h Etant donné que l'on va utiliser une batterie froide humide, on peut considérer que l'air intérieur sera plus sec que l'air extérieur : 26 C, 50 % Détermination graphique du point de mélange : τ AR = qm ar / qm as = / = 0.6 Donc M : 28 C, 46 %. Eléments de la centrale : Hiver : On va installer une batterie chaude dont la puissance est la suivante : P BC = qm as (h s - h m ). = (29016/3600)*( ) = 149 kw. Cette batterie chaude sera raccordée au réseau de chauffage du Zénith. Eté : On va installer une batterie froide. On a 2 possibilités : - soit une batterie froide à détente directe, - soit une batterie à eau glycolée. Etant donné que l'on a une seule batterie à alimenter, on va choisir une batterie à détente directe, même si la puissance risque d'être importante. On prend une température d'évaporation de 5 C et donc une température surface batterie de = 8 C. P BF = qm as (h m - h s ). = 153 kw. Diagramme de l air humide : voir annexes

11 2. Etude de la zone centrale en été - D après l installation prévue, quelle sera la température de soufflage en été? - En déduire la température intérieure d équilibre de la zone centrale (APS). - Température de soufflage : 31-6 =25 C Les écarts températures air/sol étant quasi identiques en été et en hiver (11-(-11) =22 C en hiver et = 20 C), on peut considérer que l écart de température sur l air reste voisin de 6 C. - Température d équilibre Ti de la zone centrale : Bilan thermique du local : Cs + qmas.(ts-ti) = 0 Avec Cs : charges sensibles dues : - à l éclairage de la scène : P /m².l.l = 500*40*20 = 400 kw, - aux occupants : N * Apports sensibles moyens d une personne = = 420 kw, - aux transferts par les parois : Σ (U.S).(Text Ti) = 5,547.(31-Ti). Et qmas : Débit total d air soufflé = m 3 /h. D où l équation suivante : (31-Ti) /(3600.0,84).(25-Ti) =0 et Ti = 38,4 C.

12 6 ème partie : Eclairage de la salle de réception On va réaliser l implantation des luminaires dans la salle de réception qui a pour dimensions 33 * 15 *2,90. Les données pour l étude simplifiée et les notices techniques sont en annexe. 1. Déterminer le nombre de luminaires minimum pour assurer l uniformité de l éclairement (prendre les valeurs constructeurs d interdistance). La notice technique du constructeur nous donne un espacement de 1,2h et on a h = 2,90-0,85 = 2,05m donc une interdistance maximale de2,46m. Sur les bords on prendra une valeur maximale de 1,23m. On aura donc 14 appareils dans la longueur et 7 appareils dans la largeur soit 98 appareils au minimum pour respecter les règles d uniformité. 2. Déterminer le flux total des lampes à installer Détermination de d : Facteur d empoussièrement : local propre f e = 0,95 Facteur de vieillissement des lampes : fluocompacte f L = 0,85 Facteur d altération du luminaire : luminaire courant f l = 0, d = = = 1,46 f. f. f 0,95*0,85*0,85 e L l Détermination de hu : Rendement du luminaire : η = 0,45 (donnée constructeur) Facteurs de réflexion : Classe du luminaire E : (donnée constructeur) 33*15 Indice du local : K = = 5,03 2,05*(33+ 15) Rapport de suspension : j = 0 Utilance : U = 1,15 Flux lumineux à installer : F 300*33*15*1,46 = = lm 0,45*1,15 3. Faire le choix des luminaires et lampes utilisées en le justifiant Cette salle étant une salle de réception on considèrera que l indice de rendu des couleurs sera important, on choisira donc des lampes Luminux de Luxe avec un IRC de 95. Pour déterminer ensuite si on prend des L36 ou L55 on va calculer la puissance et faire notre choix à partir de la puissance installée la plus faible (en conservant une implantation rectangulaire dans le local et en vérifiant les conditions d uniformité. Lampe Flux Nbre th de Nbre th de Nbre réel Nbre réel P installée lampes luminaires luminaires lampes L

13 L On choisira donc des lampes Dulux L36 Lumilux de luxe blanc chaud implantées de la manière suivante : 14 lampes dans la longueur espacement 2m40 et au bord 0m90. 8 lampes dans la largeur espacement 1m90 et au bord 0m Calculer l éclairement amené le premier jour de fonctionnement par un luminaire sur une table située à 15 de ce luminaire. Que vous inspire ce résultat? On lit sur la courbe photométrique donnée par le constructeur à un angle de 15 et pour un flux de 1000 lm une intensité de 140 cd. Donc pour nous I = 140*1,9*2= 532cd. La distance entre le luminaire et la table est de I cosα 532cos15 On a alors : E = = = 114lux 2 2 r 2,12 2,05 cos15 = 2,12m Cette valeur est inférieure aux 300lux demandés car sur chaque point arrive la lumière émise par plusieurs luminaires.

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15 Indice h : Evolution hiver Indice e : Evolution été T sb : Température de surface batterie froide I e M e E e T Sb S e I h S h M h E h

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21 Commentaires du jury Partie 1 La qualité des schémas de principe est faible par rapport à ce qui est attendu par les membres du jury. Un professeur agrégé en génie civil doit être capable de se faire comprendre à partir de schémas, il est donc nécessaire que les candidats fassent un effort significatif dans ce sens. Partie 2 Beaucoup de candidats ont oublié les infiltrations et les ponts thermiques dans le calcul des déperditions de la zone centrale. Les candidats ayant lu le sujet de manière correcte, ont vu qu il fallait déterminer les déperditions du bâtiment dans son ensemble et non uniquement de la zone centrale. Partie 3 Cette partie a été relativement peu traitée alors qu elle ne demandait que des connaissances de thermique de base : déperditions et transferts de chaleur à travers un cylindre. On peut estimer qu à ce niveau, les candidats doivent être capable de retrouver ces formules s ils ne les connaissent pas. Partie 4 Le jury est toujours étonné que des domaines de base tels que l aéraulique soient aussi peu traités et maîtrisés par les candidats. Quand le sujet demande une implantation de réseaux en bifilaire, il est surprenant qu aucun candidat ne le fasse! L utilisation de documentations constructeurs est une des bases du technicien, les candidats doivent donc s entraîner à utilisation des documents inconnus. Partie 5 Cette partie n évaluait que les connaissances minimales en climatisation. Il est donc inacceptable que des candidats ne prennent pas en compte l ensoleillement dans le calcul des charges d été ou au contraire comptent de manière simultanée l ensoleillement à l est et à l ouest! Le calcul d une température d équilibre ne semble pas connu des candidats. Partie 6 Cette partie a été très peu traitée. L éclairage faisant pourtant partie des équipements techniques, il est donc souhaitable que les candidats ne s intéressent pas uniquement au chauffage, au froid ou à la climatisation mais également à des sujets tels que : l acoustique, l éclairage, la plomberie, l aéraulique, le traitement de l eau, l eau chaude sanitaire, la domotique, le traitement de déchets