Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique...
-
Upload
lorraine-joseph -
Category
Documents
-
view
103 -
download
0
Transcript of Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique...
PNF enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur Paris 27 mars 2012 2
Problématique
Comment prévoir le plus finement possible la consommation énergétique d’un pavillon à usage d’habitation ?
PNF enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur Paris 27 mars 2012 3
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.
PNF enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur Paris 27 mars 2012 4
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
PNF enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur Paris 27 mars 2012 5
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
PNF enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur Paris 27 mars 2012 6
Les caractéristiques du bâtiment sont connues.
Le scénario de vie du bâtiment est connu.
PNF enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur Paris 27 mars 2012 7
PNF enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur Paris 27 mars 2012 8
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.
PNF enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur Paris 27 mars 2012 9
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
PNF enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur Paris 27 mars 2012 10
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
PNF enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur Paris 27 mars 2012 11
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
PNF enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur Paris 27 mars 2012 12
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
PNF enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur Paris 27 mars 2012 13
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
PNF enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur Paris 27 mars 2012 14
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
PNF enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur Paris 27 mars 2012 15
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
PNF enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur Paris 27 mars 2012 16
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
PNF enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur Paris 27 mars 2012 17
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
PNF enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur Paris 27 mars 2012 18
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
PNF enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur Paris 27 mars 2012 19
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
PNF enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur Paris 27 mars 2012 20
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
PNF enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur Paris 27 mars 2012 21
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
PNF enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur Paris 27 mars 2012 22
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
PNF enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur Paris 27 mars 2012 24
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
PNF enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur Paris 27 mars 2012 25
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
PNF enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur Paris 27 mars 2012 27
•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
PNF enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur Paris 27 mars 2012 28
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
PNF enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur Paris 27 mars 2012 29
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
PNF enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur Paris 27 mars 2012 30
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
PNF enseignement spécifique des sciences de l’ingénieur Paris 27 mars 2012 31
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