Etude du chauffage du conservatoire de Musique de Bourges

Etude du chauffage du conservatoire de Musique de Bourges STI2D Durée : 2 heures Devoir à rendre le 10 / 03 / 2014 Nom et Prénom : A. MISE EN SITUATION Les locaux de l ancien conservatoire de musique de Bourges étaient devenus trop exigus. La ville a décidé de créer une nouvelle école en mettant en place une démarche Haute Qualité Environnementale. Cette démarche vise à améliorer la conception ou la rénovation des bâtiments et des villes en limitant le plus possible leurs impacts environnementaux. Elle a décidé entre autre d installer une pompe à chaleur afin de chauffer ou climatiser le bâtiment. Vous venez d intégrer l entreprise d ingénierie qui a remporté l appel d offre sur les lots «courants forts» et «courants faibles». Vous êtes chargé d effectuer l étude de la pompe à chaleur. Le sujet comprend 5 parties : Partie A : la mise en situation. Partie B : le descriptif technique de l installation. Partie C : le principe de fonctionnement de la pompe à chaleur. Partie D : le questionnement. Partie E : la documentation technique. Votre démarche dans la partie D va consister à : Activité 1 : Etudier le fonctionnement de la PAC en mode chauffage. Activité 2 : Déterminer le coefficient de performance de la P.A.C. Activité 3 : Etudier la régulation de température. Activité 4 : Vérifier la protection moteur. Chauffage du conservatoire de musique de Bourges - Page 1 sur 13

B. DESCRIPTIF TECHNIQUE SIMPLIFIE DE L INSTALLATION Evaporateur Fluide frigorigène M 2Pompe à chaleur Energie électrique 1 Le réseau d eau de la nappe phréatique Question 1.1 Terre P2 T2 T1 T3 P1 Nappe phréatique 3Réseau chauffage primaire d eau chaude 5Ballon tampon 1,5 m 3 T4 M V1 Pompe Vanne Sonde de température 4Réseau secondaire d eau chaude Vanne motorisée électriquement M Radiateurs Plancher chauffant Centrale d air Conditionné Chauffage du conservatoire de musique de Bourges - Page 2 sur 13

C. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DE LA P.A.C. (pompe à chaleur) La pompe à chaleur sert à capter des calories (énergie calorifique) présentes dans l environnement (ici dans la nappe phréatique). Elle les transmet à une source chaude (radiateurs, plancher chauffant, centrale d air). On atteint ainsi une température de 55 C voire 65 C dans les canalisations de chauffage en minimisant l apport d énergie électrique. On utilise dans le circuit hydraulique de la P.A.C., un fluide frigorigène qui change d états (liquide ou gaz) ; de températures (basse ou haute) de pressions (haute ou basse). Ce fluide circule à travers un évaporateur, un compresseur, un condenseur et un détendeur. Pour capter les calories de la nappe phréatique, on utilise un EVAPORATEUR. En entrée de ce dernier, le fluide frigorigène est sous forme liquide à basse pression (B.P.) et à une température basse (-20 c). Au contact de l évaporateur, l eau de la nappe cède des calories Q1 au liquide frigorigène via l évaporateur. La température du fluide frigorigène augmente (+10 c) entraînant sa transformation (passage d un état liquide à un état gazeux). La pression reste basse. Nappe phréatique Afin d acheminer les calories en sortie de l évaporateur vers la source chaude, il faut forcer le transfert du froid vers le chaud. C est le rôle du COMPRESSEUR. Il apporte d autre part, de la chaleur grâce au travail W qu il effectue. Le transfert de calories obtenu en sortie du condenseur est égal à Q2, soit Q1+W, le gaz frigorigène est à haute pression (H.P). La température est alors haute (110 c). Le fluide transite alors à travers le CONDENSEUR. Il permet de céder les calories du fluide frigorigène au circuit de chauffage du bâtiment. En transmettant les calories, le gaz frigorigène perd en température et passe à 30 c environ. Le fluide change alors d état et devient liquide mais reste à H.P. Afin de fermer le cycle, il suffit de faire chuter la pression. C est le rôle du DETENDEUR. Le liquide frigorigène passe en B.P. et perd en température pour atteindre -20 c. Chauffage du conservatoire de musique de Bourges - Page 3 sur 13

D. QUESTIONNEMENT Activité 1 Etudier le fonctionnement de la P.A.C. en mode chauffage Situation du problème : Votre chef de projet souhaite que vous connaissiez le principe de fonctionnement de la pompe à chaleur (P.A.C). Afin de mieux appréhender ce procédé de chauffage, vous devez : - identifier les organes constituant la P.A.C. ; - identifier les différentes sous-fonctions constituant la PAC ; - identifier l état du fluide frigorigène dans les différentes phases du procédé. 1.1) Identifier sur le schéma descriptif de la page 2, les composants surlignés en vert. 1.2) Compléter le tableau suivant en indiquant les organes permettant de réaliser les 2 fonctions techniques. Organe --------------------------------- Fonction Transférer les calories du fluide frigorigène vers l eau du circuit de chauffage primaire --------------------------------- Augmenter la température et la pression du fluide frigorigène 1.3) Compléter le schéma suivant en indiquant l état du fluide frigorigène : - liquide ou gazeux, - sous basse pression (BP) ou haute pression (HP) dans ses différentes phases de transformation, - la température du fluide frigorigène. Remarque : vous pourrez vous aider du chapitre C page 3. Pression : ------------- Etat du fluide : ------------- Pression : B.P. Etat du fluide : liquide Température = --------- Température = -20 c Pression : ----------- Pression : ------------- Etat du fluide : ------------- Etat du fluide : ------------- Température = ------------- Température = ---------- Chauffage du conservatoire de musique de Bourges - Page 4 sur 13

Activité 2 Déterminer le coefficient de performance de la PAC Mise en situation Le client souhaite savoir quelle puissance fourni la pompe à chaleur pour 1 kilowatt absorbé, ainsi que le gain financier concernant la facture électrique. Afin de répondre à ce dernier, votre chef de projet vous demande de calculer le Coefficient de Performance réel du système total (en abrégé C.O.P). Il se calcule en utilisant la formule suivante : avec, la puissance thermique produite par le condenseur en kw. Elle correspond à la puissance fournie par la pompe à chaleur pour chauffer l eau du réseau chauffage primaire COP inst : COefficient de Performance instantanée ; P thco : Puissance thermique produite au niveau du Condenseur (en kw) ; q vc : débit de la pompe P2 du condenseur (en m 3 /s) ; ρ : masse volumique de l eau, soit 1000 kg/m 3 ; C eau : chaleur massique de l eau, soit 4,18 kj/(kg. C) ; θ cond : différence de température en degré Celsius ( C) de l eau entre les températures en entrée et en sortie du condenseur (réseau primaire chauffage) (θ sortie θ entrée ). Ces températures sont mesurées grâce aux sondes T1 et T2 (voir descriptif technique page 2) ; P a comp : puissance électrique absorbée par le compresseur ; P aux : puissances des équipements auxiliaires. Les équipements auxiliaires de l étude correspondent aux deux pompes et divers autres auxiliaires. Hypothèses : Débit de la pompe P2 = 50m 3 /h Température mesurée par la sonde T1= 59,5 c Température mesurée par la sonde T2 = 53,8 c. 2.1) Déterminer la puissance thermique produite au niveau du condenseur. On supposera pour la suite du problème que la puissance thermique P thco est de 330 kw. 2.2) Déterminer la puissance électrique nominale absorbée par la P.A.C (compresseur) en mode calorifique à l aide de la documentation technique 3. Chauffage du conservatoire de musique de Bourges - Page 5 sur 13

2.3) Calculer la puissance électrique d utilisation P u sachant que la P.A.C (compresseur) fonctionne à 75% de sa puissance nominale. On supposera pour la suite du problème, que la PAC absorbe une puissance de 83 kw. 2.4) Il faut ensuite déterminer la puissance des auxiliaires. Votre chef de projet souhaite que vous calculiez la puissance totale demandée par la pompe de relevage P1. Elle doit acheminer l eau de la nappe phréatique à 40 mètres de hauteur à un débit de 75 m 3 /h. Il vous donne la formule suivante : P pompe = ρ x g x H x Q Avec : ρ : masse volumique de l eau, soit 1000 kg/m 3 ; g : 9.81m/s² ; H : hauteur manométrique en mètre (m) ; Calculer la puissance hydraulique totale absorbée P h. Q : débit en m 3 /s. Pour la suite du problème, votre chef de projet vous indique que la pompe fournit une puissance totale hydraulique de 10 kw. Cette valeur prend en compte les pertes de charges du circuit hydraulique. 2.5) Calculer la puissance électrique P abs absorbée par la pompe de relevage sachant que son rendement est de 0,8. Pour la suite du problème, on supposera une puissance absorbée au niveau de la totalité des auxiliaires vaut 15 kw. Cette puissance est essentiellement due à cette pompe de relevage. 2.6) Calculer le COP système instantané. Pour la suite du problème, on supposera un COP. de 3,4. 2.7) Votre chef de projet vous rappelle que le client souhaite connaitre la puissance fournie par la pompe à chaleur pour 1 kilowatt absorbé. Quelle réponse allez-vous donner au client? Chauffage du conservatoire de musique de Bourges - Page 6 sur 13

2.8) Si on souhaite produire la même puissance thermique P thco avec des résistances électriques, quelle serait la puissance électrique consommée? 2.9) Evaluer le gain sur la facture électrique si on utilise une P.A.C. au lieu d un chauffage électrique à résistances? Activité 3 Etudier la régulation de température Mise en situation Votre chef de projet vous fournit une documentation technique expliquant le principe de la régulation centrale d un chauffage réalisée par une pompe à chaleur via un ballon tampon. Principe de la régulation (voir le schéma page 2) : Le régulateur calcule la température de consigne à fournir en sortie du ballon tampon 5 en fonction de la température extérieure afin de prendre en compte les déperditions dues aux murs, fenêtres, toitures. Ce type de régulation est appellé loi d eau. Plus la température extérieure est basse, plus la température d eau en sortie du chauffage est haute. Cette partie de la régulation n est pas étudiée. La PAC se met à fonctionner si la température mesurée par la sonde du haut (T3) est inférieure à la consigne de température calculée par le régulateur. Cela implique, dans un premier temps, la fermeture du circuit secondaire 4via la vanne motorisée V1. Lorsque l information «vanne V1 fermée» est détecté par l automate, la pompe à chaleur 2, la pompe P1 et la pompe primaire P2 démarrent. La température du circuit primaire augmente, chauffant par conduction ainsi l eau du ballon tampon 5. Lorsque la température détectée par la sonde du bas du ballon tampon (T4) a atteint la consigne de température désirée, la pompe à chaleur 2 est arrêtée ainsi que les pompes P1 et P2. La vanne motorisée s ouvre jusqu à ce que l information «vanne V1 ouverte» soit détecté par l automate. Les circuits de chauffage sont lors alimentés en chaleur par le réservoir tampon 5. Le cycle ne recommencera que lorsque la température détectée par la sonde du haut T3 sera inférieure à la consigne. Chauffage du conservatoire de musique de Bourges - Page 7 sur 13

Liste des variables API (Automate Programmable Industriel) utilisées pour la régulation de température Désignation Mnémonique Adresse automate Nature de l information Caractéristique Capteur de température T3 _sonde3_ %IW1.1 Entrée analogique Capteur * plage -25 C/70 C sortie 0-10V Capteur de température T4 _sonde4_ %IW1.2 Entrée analogique Capteur * plage 0 C/70 C sortie 0-10V Consigne température _consigne_ %MW200 Mot binaire Image de la température au niveau de la sonde T3 _temp3_ %MW201 Mot binaire Consigne de température calculée en fonction de la loi d eau Image de la température en haut du ballon tampon Image de la température au niveau de la sonde T4 _temp4_ %MW202 Mot binaire Image de la température en bas du ballon tampon Départ cycle _dcy_ %M100 Bit interne Départ cycle régulation Arrêt cycle _acy_ %M101 Bit interne Arrêt de cycle Vanne V1 fermée _V1fermée_ %I1 Entrée TOR Détecteur Vanne V1 ouverte _V1ouverte_ %I2 Entrée TOR Détecteur Contacteur Pompe P1 _P1_ %Q1 Sortie TOR Contacteur Pompe P2 _P2_ %Q2 Sortie TOR Contacteur PAC _PAC_ %Q3 Sortie TOR Fermer vanne V1 _FERMER V1_ %Q4 Sortie TOR Contacteur enclencher pompe P1 Contacteur enclencher pompe P2 Contacteur enclencher la P.A.C Electrovanne fermer la Vanne V1 Ouvrir vanne V1 _OUVRIR V1_ %Q5 Sortie TOR Electrovanne ouvrir la Vanne V1 * : Le capteur est constitué d une sonde PT100 et de son transmetteur associé. Votre chef de projet souhaite savoir si vous avez bien compris le principe de la régulation centrale du chauffage. Il vous demande de réaliser un chronogramme puis d en déduire le programme gérant la régulation. Remarque : La température en haut du ballon est supérieure à la température en bas du ballon. Ce phénomène physique est dû au mouvement de convection. 3.1) Compléter le chronogramme suivant qui vous permettra de mieux appréhender la gestion des pompes. Attention, dans cette question on ne gère pas les vannes. Chauffage du conservatoire de musique de Bourges - Page 8 sur 13

Remarque : lorsque l état d un contacteurs est à 1, l équipement concerné est en service et lorsque l état d un contacteurs est à 0, l équipement concerné est à l arrêt. Température mesurée en haut du ballon T3 Température mesurée en bas du ballon T4 56 c 51 c Température de consigne Contacteur pompe P1 Contacteur pompe P2 Contacteur PAC 1 0 1 0 1 0 t t t t 3.2) Compléter le schéma de raccordement du capteur T3 associé à son transmetteur sur l entrée analogique 1 de l automate en vous aidant des documentations techniques DT1 «Capteur de température JUMO» et DT2 «Entrée Analogique TWIDO». Votre chef de projet vous impose l emploi d une sonde à résistance à montage 3 fils. Schéma de raccordement du capteur de température au CAN : Symbole de la sonde à résistance à montage 3 fils. Alimentation Automate 0v + 24v Entrée Analogique %IW1.1 I- I+ Chauffage du conservatoire de musique de Bourges - Page 9 sur 13

3.3) Compléter le schéma bloc suivant. Le transmetteur fournit une tension 0-10v pour une plage de mesure de 0-70 c. Aidez vous de la documentation technique DT2 du Convertisseur Analogique Numérique (CAN). 70 c T3 θ V Capteur + transmetteur T3 V =. tension d entrée CAN V mot CAN %IW1.1=... X COEFF _temp3_= 7000 Calculer la valeur du coefficient «COEFF», afin que le mot _temp3_ prenne la valeur 7000, lorsque la température mesurée par le capteur T3 est de 70 c. COEFF =.. 3.4) Compléter le diagramme d états ci-contre en vous aidant : - du principe de la régulation, du chronogramme (qu. 3.1), - de la listes des variables utilisées par l API (tableau en page 8). ATTENTION : vous devez compléter les noms des états, des activités et des transition. Votre chef de projet vous demande dans cette question de prendre aussi en compte la gestion des vannes. Chauffage du conservatoire de musique de Bourges - Page 10 sur 13

Activité 4 Vérifier la protection moteur Situation du problème : Vous devez justifier du choix de la protection électrique du départ moteur compresseur. La pompe à chaleur Carrier a la référence 30XW 452. Le démarrage de ce moteur triphasé est direct. Le moteur est protégé par un disjonteur moteur. Sa référence est un NS250N avec un déclencheur STR22ME. Les caractéristiques principales du départ sont les suivantes : Caractéristique du réseau : réseau triphasé : 230 V / 400 V, 50 Hz. Caractéristiques du disjoncteur : calibre du déclencheur In = 220 A, réglage protection thermique Ir = 187 A. La protection du déclencheur magnétique est réglée à 13xIr avec une précision de ±15%. Vous devez maintenent calculer l intensité nominale du compresseur en mode calorifique puis vérifier les réglages du déclencheur. 4.1) On suppose que la puissance électrique consommée par le compresseur en hiver est de 110 kw. Calculer l intensité nominale du compresseur en vous aidant de ses caractéristiques électriques DT3. On supposera pour la suite du problème, un courant nominal de 185A. 4.2) Vérifier que le réglage Ir de la protection thermique du déclencheur est correct. Votre chef de projet souhaite savoir si, lors de la phase de démarrage, la protection magnétique du disjoncteur ne déclenche pas. 4.3) A partir de la documentation technique de la pompe à chaleur DT3, donner la valeur de l intensité maximale de démarrage du compresseur. 4.4) Calculer les intensités haute et basse du déclencheur magnétique du disjoncteur en prenant en compte la précision du déclencheur magnétique. Chauffage du conservatoire de musique de Bourges - Page 11 sur 13

Vérifier que la protection magnétique ne déclenche pas lors de la phase de démarrage. E. Documentations techniques DT1 - DOCUMENTATION TECHNIQUE 1: Capteur de température JUMO Documentation simplifiée Technique sonde PT100 Marque: Sonde PT100 JUMO Etemp B Symbole Type : 3 fils Plage de températures: -50 c à 260 c Documentation simplifiée du Transmetteur Marque: JUMO dtrans T03 TU Plage de mesures 0 c à 70 c Schéma de raccordement : Chauffage du conservatoire de musique de Bourges - Page 12 sur 13

DT2 - DOCUMENTATION TECHNIQUE 2: Entrée Analogique Automate TWIDO Marque: Référence Module de conversion Analogique Numérique pour micro contrôleur TWIDO TM2AMM6HT Résolution 12 Bit (-2048 à 2047) Caractéristique de transfert %IWx.y 4096 Entrée Tension différentielle 0-10V Schéma de raccordement Unité de Traitement API Mot numérique %IWx.y CAN V I+ I- V entrée V entrée %IWx.y : 10v IW : Mot d entrée Analogique X : Adresse du module Y : numéro de l entrée Exemple %IW1.2 est l entrée analogique 2 située dans le rack d adresse 1 DT3 - DOCUMENTATION TECHNIQUE 3: Pompe à chaleur Carrier Caractéristiques thermiques et frigorifiques Caractéristiques électriques du compresseur électrique électrique AC électrique électrique DT4 - DOCUMENTATION TECHNIQUE 4: Déclencheur STR22ME Chauffage du conservatoire de musique de Bourges - Page 13 sur 13