Q1) En quelle unité exprime-t-on la consommation d énergie dans le DPE? Comment la convertir dans l unité d énergie du système international (usi)? En kilowattheure : 1 kwh = 10 3 Wh et 1 Wh = 3600 J Q2) Quelle sont les sources d énergie thermique dans une maison? Rayonnement solaire, appareils électroménagers, appareils de chauffage, éclairage, occupants Q3) En vous aidant du doc.1 en annexe, indiquer la répartition des pertes thermiques dans une maison. Toit ( 30%), murs ( 25%), air renouvelé et fuites ( 20%), fenêtres ( 13%), planchers ( 7%), pont thermique*( 5%) Compétences travaillées : Rechercher, extraire et organiser l information utile Formuler des hypothèses pertinentes Associer un modèle à un phénomène Mettre en œuvre un raisonnement Q4) Décrire les trois modes de transferts thermiques du point de vue microscopique. A) Transfert par rayonnement : l énergie du rayonnement (E=h.ν) excite les particules de la matière et augmente leur Ec microscopique. B) Transfert par conduction : C est le mode de transfert qui apparaît toujours dans un fluide ou un solide dès qu il y a un gradient de température. Sans transport macroscopique de matière, il s agit d un transfert de proche en proche par chocs microscopiques entre particules d énergie différente, les particules les plus énergétiques transmettant de l énergie cinétique à celles qui en ont moins. C) Transfert par convection : les molécules d air s éloignent les unes des autres lorsqu elles sont plus agitées ; l air chaud est donc moins dense et s élève au milieu de l air plus froid en prenant sa place... Q5) Quels sont les types de transferts thermiques mis en jeu au niveau des zones ou des équipements suivants d une maison : murs? dalle de béton? toiture? vitres? radiateur? climatiseur? cheminée? Murs extérieurs B (dans murs), C (vent), A (rayonnement diurne du Soleil, rayonnement nocturne du mur vers le ciel) Dalle béton sur vide sanitaire B Toiture A, B, C Vitres A, B, C (principalement de l extérieur -énergie rayonnée par Soleil qui traverse la vitre-, vers l intérieur) Radiateur et climatiseur C (mouvements convectifs d air) Cheminée A (paroi de la cheminée chaude), 2, 3 Q6) Dans quel sens se réalise un transfert énergétique entre deux corps? Quand s arrête-t-il? D après l exemple du mur de béton, le transfert thermique s effectue du corps chaud vers le corps froid. Le transfert cesse lorsque les deux corps sont en équilibre thermique.
Q7) Pour parler du flux thermique on utilise parfois le terme «puissance» thermique. Est-ce correct? Oui car s exprime en Watt Q8) Quelle est l unité de la résistance thermique R? unité (R) = unité (T) / unité () => unité (R) = K.W -1 ou C.W -1 car il s agit d une différence (rappel: T(K)=T( C)+273) Q9) Si l on fait l analogie avec l électricité, à quelles grandeurs correspondent et? A quelle catégorie de circuits électriques correspond une association de plusieurs couches de matériaux différents? Électricité Thermodynamique cause U : différence de potentiel en V (cause) T : différence de température en K Effet I : intensité du courant électrique en A : flux thermique en W Résistance électrique R : en ohm thermique R : en K.W -1 loi d ohm : U = R.I de Fourier : T = R Les résistances thermiques s additionnent comme des résistances électriques dans les circuits en série. Sur le document ci-contre, e est l'épaisseur nécessaire pour qu'une paroi en béton armé (B.A.) présente les mêmes performances thermiques qu'une paroi idéale d épaisseur 5,0 cm en laine minérale (L.M.). Q10) En vous aidant du doc.2 en annexe, calculer la valeur de e puis commenter cette phrase extraite d une brochure sur l isolation thermique : «Les matériaux lourds de maçonnerie ne constituent jamais une isolation acceptable» Résistance thermique de la paroi en laine minérale : elm R. * S L épaisseur e de béton armé qui permet d avoir la même résistance thermique est telle que : Soit : e BA e LM LM AN : e = 2,2*5.10 /0,04 = 2,8m LM 5,0 cm e R * BA S Pour avoir une bonne isolation avec une paroi en béton armé, il faudrait des épaisseurs de murs de près de 3 m! => les matériaux lourds de maçonnerie comme le béton armé ne permettent pas une bonne isolation thermique. e =? Q11) Comparer qualitativement les résistances thermiques de la paroi en verre et de la paroi constituée d air. (justifier) T = R totale Puisque est le même pour les deux vitrages et pour la lame d air donc on peut comparer directement les résistances thermiques à partir de T : pour le verre, T est plus petit donc la résistance thermique du verre est plus faible que celle de la lame d air. Q12) Déterminer le flux thermique d une fenêtre constituée seulement d un vitrage puis d une fenêtre constituée du double vitrage décrit ci-dessus. Conclusion? simple = T / R simple avec R simple = e(verre) double = T / R double avec R double = 2* λverre.s e + e(air) λverre.s λair.s AN : simple = 15*1,2/4,0.10-3 = 4,5.10 3 W AN : double = 15/[2*4,0.10-3 /1,2 + 18.10-3 /0,0262 ] = 22 W => le double vitrage permet réduire considérable les pertes d énergie thermique au niveau des fenêtres
Q13) Calculer la valeur du flux thermique par conduction, à travers les murs extérieurs de la maison BBC auquel se rapporte le document 3, lorsque la température intérieure est de 18 C et la température extérieure de 0 C (pour simplifier on ne tiendra pas compte des surfaces des portes et des parois vitrées). En déduire l énergie thermique dissipée chaque jour vers l extérieur en kwh. Il faut calculer au préalable la surface totale des murs et la résistance thermique des murs. 2 Surface totale des murs : H P H 2 ( L ) 3,0 2 (10,0 8,0) 1,1.10 2 m S totale Résistance thermique des murs : R mur = R1 + R2 + R3 + R4 avec : R 1 la résistance thermique de la paroi de plaque de plâtre, d épaisseur e 1 R 2 la résistance thermique de la paroi de laine de verre, d épaisseur e 2 R 3 la résistance thermique de la paroi de béton plein, d épaisseur e 3 R 4 la résistance thermique de la paroi de bois de sapin, d épaisseur e 4 Sachant que R = e, on obtient : 1 e1 e2 e3 e4 λ.s Rmur ( ) S R mur 1 1,1.10 placo Flux thermique par conduction à travers les murs : laine verre 0,013 0,25 0,10 0,040 béton plein 0,18 1,7 boissapin 0,030 0,14 ( ) 2,6.10 K. 2 T R mur W -1 AN pour un écart de température int /ext de 18 C = 18 K : 18 6,9.10 2 W 0,026 => Energie thermique dissipée chaque jour vers l extérieur : Q = Δt AN : Q = 6,9.10 2 *24*3600 = 6,0.10 7 J = 17 kwh Q14) Sur le schéma ci-dessus, repassé en vert le circuit d insufflation d air neuf, en rouge le circuit d insufflation d air vicié et entourer l échangeur de chaleur. Circuit d insufflation d air neuf : pièces sèches ; Circuit de récupération d air vicié : pièces humides Q15) Expliquer dans quel sens se fait le transfert de chaleur entre l air entrant et l air sortant suivant les saisons. Un transfert de chaleur se fait toujours dela source chaude vers la source froide (irréversible si spontanné) : - l été, le transfert de chaleur se fait de l air entrant vers l air sortant (T entrant > T sortant ) ; l air sortant prend de l énergie à l air entrant donc le refroidit - l hiver, c est l inverse : le transfert de chaleur se fait de l air sortant vers l air sortant (T entrant < T sortant ) ; l air sortant donne de l énergie à l air entrant et le réchauffe. Q16) Calculer les quantités de chaleur Q 1 et Q 2 reçues et perdues chaque seconde par l air entrant et par l air sortant. En déduire si le fonctionnement de la VMC est optimal? Pour l air entrant : i (air extérieur entrant) = 2,0 C f (air insufflé) = 15,0 C Air entrant i= 2,0 C Au niveau de l échangeur : Air insufflé f= 15,0 C Pour l air sortant : i (air repris) = 19,0 C f (air sortant) = 5,0 C f= 5,0 C Air sortant i= 19,0 C Air repris
Quantité de chaleur reçue chaque seconde par l air entrant : Q m. c.( - ). V. c.( - ) 1 air air f i air air air f i Sachant que le volume Vair d air soufflé ou repris en 1 seconde est : 3 Alors : Q 1 1,283,33.10 1,00.10 13,0 554 J V air 120 3600 3,33.10 m 3 De même, on calcule la quantité de chaleur Q2 perdue chaque seconde par l air sortant : 3 Q 2 1,283,33.10 1,00.10 14,0 597 J => le fonctionnement de la VMC n est pas optimal car l énergie cédée par l air sortant n a pas été totalement récupérée par l air entrant : Q 1 < Q 2 (il y a des pertes au niveau des gaines qui ne sont pas parfaitement isolées et au niveau des combles qui ne sont pas chauffés) Q17) Une VMC double flux est parfois associée à un puits canadien comme indiqué sur le schéma ci-contre : Dans ce cas, l air entrant passe dans un tube enterré à quelques mètres de profondeur. Quel est l intérêt d un tel dispositif? L air prélevé (air extérieur entrant) reste ainsi à température quasi-constante (environ 12 C) : il ne sera pas trop froid en hiver et pas trop chaud en été. En hiver, cela revient à réaliser un préchauffage de l air extérieur qui alimentera la VMC et sera soufflé : des économies de chauffage seront ainsi réalisées. En été, cela revient à réaliser un prérefroidissement de l air extérieur qui alimentera la VMC : une température plus basse pourra être obtenue dans la maison. Q18) En vous aidant du doc.4, attribuer à chacune des étapes successives 1, 2, 3 et 4 le titre et la description qui conviennent en liant les cases du doc.5.
Q19) Légender le doc.6 avec les termes suivants : évaporateur, condenseur, compresseur, détendeur. Indiquer l état physique du fluide frigorigène et préciser à quels endroits ont lieu les échanges d énergie thermique. Une PAC installée dans une maison BBC a une puissance thermique (restituée au circuit de chauffage) de 15 kw. Q20) Sachant que son COP est égal à 3,0, calculer l énergie Q 1 prélevée à l air extérieur en une heure puis l énergie électrique consommée en une heure. D après l énoncé, l énergie thermique restituée par la pompe en une heure est : Q 2 = 15 kw x 1h = 15 kwh Par ailleurs : Q2 W = COP AN : Le bilan énergétique de la PAC s écrit : W 15,0/3 5,0 kwh Q1 Q2 -W AN : Q 15,0 5,0 10 kwh 1 Q21) Quelle est, en pourcentage, l économie d énergie électrique réalisée pour les usagers de la PAC par rapport au chauffage par radiateurs électriques? Sans la pompe à chaleur, l énergie électrique consommée en une heure aurait été W él =Q 2 =15 kwh Avec la PAC, l énergie électrique consommée en une heure par le moteur est W él =W=5,0 kwh=w él /3 On a ainsi économisé les 2/3 de l énergie initiale, soit un pourcentage de 67%.
Q22) En conclusion de cette activité, argumenter sur les solutions permettant de réaliser des économies d énergie dans un habitat. Réduction des pertes avec parois isolantes, double vitrage, exposition au sud des surfaces vitrées, utilisation de la végétation pour ralentir le vent, panneaux solaires, PAC et VMC...