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Problématique

  Comment prévoir le plus finement possible la consommation énergétique d’un pavillon à usage d’habitation ?

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Objectifs :

- La découverte du contexte, les paramètres caractéristiques, l’analyse des prescriptions réglementaires (RT 2012),

- Les notions de flux, les déperditions, les solutions techniques,

- L’analyse des relevés d’un bâtiment existant, la simulation par deux types de logiciels,

- La mesure de l’écart performances simulées / performances mesurées,

- La mesure de l’écart performances mesurées / performances attendues, - La mesure de l’écart performances simulées / performances attendues,

- L’analyse et l’interprétation de ces écarts.

Situation dans le cycle de formation :

Deuxième partie de l’année en classe de première ou première partie de l’année en classe de terminale.

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Les connaissances et capacités visées

A2 : mettre en relation les propriétés du matériau avec les performances du

système

B1 : décrire les lois d’évolution des

grandeurs

A3 : quantifier des écarts et proposer des

causes aux écart constatés

B4 : proposer des modifications

structurelles pour améliorer les

performances du système

B1 : identifier les pertes d’énergie

B4 : modifier les paramètres d’un

modèle

D1 : optimiser les paramètres en vue de répondre au problème

posé

B1 : identifier les propriétés des matériaux des

composants qui influent sur le système

C2 : Analyser les résultats

expérimentaux

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Titre 2

Texte calibri 18

Organisation temporelle de la séquence

Cours (2h)

TD (2h)

Semaine 1

L M M J V S D

TP (2h)

Synthèse (2h)

Évaluation (2h)

Semaine 2

L M M J V S D

Lancement mini projet

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Les caractéristiques du bâtiment sont connues.

Le scénario de vie du bâtiment est connu.

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Besoin Connaître la consommation énergétique annuelle de la maison en kWhep/m².an

Indications quantifiées

dans la RT2012

Exigence maximale de consommation d'énergie primaire à 50 kWhep/m².an en moyenne (avec une variation de 40 à 60 selon la zone géographique).Cinq usages pris en compte : le chauffage, la production d'eau chaude sanitaire, le refroidissement, l’éclairage, auxiliaires (ventilateurs, pompes).La RT2012 fixe à 1/6 de la surface habitable la surface minimum de parois vitrées (16%).

Grandeurs mesurables Les consommations électriques, les consommations de gaz.

Grandeurs simulées

- Maquette numérique des plans de l’habitation,- la composition des murs, des sols, et des plafonds, des baies vitrées,- l'installation de chauffage,- l’orientation du bâtiment,- les déperditions du bâtiment ,- l’estimation de la consommation énergétique annuelle ainsi que le

coût correspondant.

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Phase de lancement

Semaine 1

L M M J V S D

Semaine 2

L M M J V S D

C TP S E MPTD 2h

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Les objectifs de la RT2012

Les exigences réglementaires :- BBIO : Besoins Bio climatiques- CEP : Consommation en Energie Primaire- TIC : Température Intérieure de Confort.

Les contrôles, les mesures.

Semaine 1

L M M J V S D

Semaine 2

L M M J V S D

C TP S E MPTD 2h

Phase de lancement

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Vidéo collective : bien isoler sa maison

- La répartition des déperditions thermiques.

- Les différents types d’isolants.

-Comment agit un isolant ?

-Les paramètres dépendant de la résistance thermique R.

-La valeur optimale de R.

- Des recommandations.

Semaine 1

L M M J V S D

Semaine 2

L M M J V S D

TD TP S E MPCours 2 h

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Réinvestissement - Analogies

Thermique Electrique Mécanique Hydraulique

La chaleurCourant d’entropie

Intensité électrique i

Ampère(A)

ForceNewton (N)

Débit Q m3/s

Résistance thermique R

m².K/W

Résistance électrique R

Ohm (Ω)

Coefficient de frottement

Perte de charge de la canalisation

Température Kelvin (K)

PotentielVolts (V)

Vitesse v(m.s-1)

Pression (altitude)Pascal (Pa)

Différence de température

T = R

Loi d’Ohm U=RI

Force de frottement

F = v

Puissance thermique

Flux de chaleur Watt (W)

Puissance électrique

P=U I Watt (W)

Puissance mécanique

P=C ou P=F V Watt (W)

Puissance hydraulique

P=Q*ΔPWatt (W)

Semaine 1

L M M J V S D

Semaine 2

L M M J V S D

TD TP S E MPCours 2 h

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La résistance thermique

Semaine 1

L M M J V S D

Semaine 2

L M M J V S D

TD TP S E MPCours 2 h

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Le flux de chaleur

Semaine 1

L M M J V S D

Semaine 2

L M M J V S D

TD TP S E MPCours 2 h

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Exercice : Comparaison des déperditions pour un mur isolé et non isolé de 10 m² avec T=15°K

Semaine 1

L M M J V S D

Semaine 2

L M M J V S D

TD TP S E MPCours 2 h

Φ = 43,8WΦ = 600W

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Expérience collective

Tests de différents matériaux et solutions techniques d’isolation

Semaine 1

L M M J V S D

Semaine 2

L M M J V S D

TD TP S E MPCours 2 h

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Groupe 1/3

Semaine 1

L M M J V S D

Semaine 2

L M M J V S D

TD C S E MP TP 2h

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Groupe 1/3

Influence de l’orientation et de la surface des baies vitrées

Orientation des

baies % de Surface habitablede parois vitrées

25% Nord25% Sud25% Est

25% Ouest

40% Sud 20% Nord20% Est

20% Ouest

50% Nord50% Sud

65% Sud 35% Nord

12% 78.08 76.46 77.07 74.94

16% 75.65 73.85 74.42 72.02

25% 72.06 69.42 69.83 66.54

Semaine 1

L M M J V S D

Semaine 2

L M M J V S D

TD C S E MP TP 2h

unité : kWhep/m2.an

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L’isolation de la maison simulée est performante.

Une sur isolation est inutile.

Groupe 1/3

Influence de l’épaisseur de l’isolant des murs extérieurs et du plancher haut.

Semaine 1

L M M J V S D

Semaine 2

L M M J V S D

TD C S E MP TP 2h

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Pour optimiser la consommation énergétique d’un bâtiment, il faut :

• Ouvrir la maison coté sud (baies vitrées) et la fermer côté nord,

• Avoir une surface de baies vitrées la plus grande possible (éclairage artificiel limité, apports gratuits d’énergie solaire, maison lumineuse et agréable à vivre),

• Ne pas sur isoler les murs et les combles.

Groupe 1/3Bilan de l’étude

Semaine 1

L M M J V S D

Semaine 2

L M M J V S D

TD C S E MP TP 2h

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Groupe 2/3

Semaine 1

L M M J V S D

Semaine 2

L M M J V S D

TD C S E MP TP 2h

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51 kWhep/m².an 67 kWhep/m².an

Groupe 2/3

Deux logiciels de simulation utilisés

Semaine 1

L M M J V S D

Semaine 2

L M M J V S D

TD C S E MP TP 2h

PNF enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur Paris 27 mars 2012 23

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 120

500

1000

1500

2000

2500

Consommation de (gaz +électricité) en 2011

Colonne CColonne B

Mois

KW

h

: consommation de gaz,: consommation d’électricité.

56 kWhep/m².an

Groupe 2/3

Mesures réelles

Semaine 1

L M M J V S D

Semaine 2

L M M J V S D

TD C S E MP TP 2h

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Justification des écarts simulation / mesures :

Trop de paramètres, pas tous maîtrisables, entrent en jeu :

• l’impact des données climatiques variables d’une année sur l’autre,

• l’impact du débit exact d’air ,

• l’impact des apports de chaleur dus à l’électroménager,

• l’impact des réglages et pilotages des installations.

Groupe 2/3

Bilan de l’étude

Semaine 1

L M M J V S D

Semaine 2

L M M J V S D

TD C S E MP TP 2h

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Groupe 3/3

Semaine 1

L M M J V S D

Semaine 2

L M M J V S D

TD C S E MP TP 2h

PNF enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur Paris 27 mars 2012 26

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 120

500

1000

1500

2000

2500

Consommation de (gaz +électricité) en 2011

Colonne CColonne B

Mois

KW

h : consommation de gaz,: consommation d’électricité.

Groupe 3/3

Mesures réelles

Semaine 1

L M M J V S D

Semaine 2

L M M J V S D

TD C S E MP TP 2h

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•Consommation de 56 kWhep/m².an conforme à la RT 2012.

•Pour affiner la mesure, il faudrait instrumenter les prises électriques,

•Une maison neuve consomme toujours plus d’énergie.

Groupe 3/3

Bilan de l’étude

Semaine 1

L M M J V S D

Semaine 2

L M M J V S D

TD C S E MP TP 2h

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Phase de restitution - Synthèse

Semaine 1

L M M J V S D

Semaine 2

L M M J V S D

TD C TP E MP Synt. 2h

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Les élèves disposent d’un rapport d’une campagne de mesures sur un bâtiment de 7 étages, des résultats d’une simulation dynamique et des exigences de la RT2012.

Le travail consiste à :- justifier les écarts,- calculer des déperditions,- proposer des modifications à apporter pour diminuer la consommation énergétique de ce bâtiment.

Evaluation

Semaine 1

L M M J V S D

Semaine 2

L M M J V S D

TD C TP S MP Eval 2h

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Les élèves, en groupes, sont les thermiciens d’un BE.

A partir des éléments d’un bâtiment existant (construction 1990), ils quantifient les gains énergétiques réalisés:- en améliorant l’isolation,- en remplaçant les menuiseries extérieures, la chaudière…- en augmentant les apports solaires.

Lancement d’un mini projet

Semaine 1

L M M J V S D

Semaine 2

L M M J V S D

TD C TP S E Mini projet

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Conclusion de l’activité : les acquis des élèves

Identifier et caractériser les grandeurs agissant sur un système Proposer ou justifier un modèle Résoudre et simulerValider un modèle

Justifier le choix d’un protocole expérimental Mettre en œuvre un protocole expérimental

Analyser le besoinAnalyser le systèmeCaractériser des écarts

Rechercher et traiter des informationsMettre en œuvre une communication

SYSTÈME

ANALYSER MODÉLISER

EXPÉRIMENTERCOMMUNIQUER

Analyser le besoinAnalyser le systèmeCaractériser des écarts

Analyse des écarts

Analyser le besoinAnalyser le systèmeCaractériser des écarts

Matériaux

Identifier et caractériser les grandeurs agissant sur un système Proposer ou justifier un modèle Résoudre et simulerValider un modèle

Caractéristiques des grandeurs

physiquesMatériaux

Notion de pertes

d’énergie Identifier et caractériser les grandeurs agissant sur un système Proposer ou justifier un modèle Résoudre et simulerValider un modèle

Grandeurs influentes

d’un modèle

Structures

Justifier le choix d’un protocole expérimental Mettre en œuvre un protocole expérimental

Modèles de comportement

Rechercher et traiter des informationsMettre en œuvre une communication

Sélection, tri et classement de

données