Sciences et Technologies de l’Industrie et du Développement Durable





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BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE

Sciences et Technologies de l’Industrie et du Développement Durable
ENSEIGNEMENTS TECHNOLOGIQUES TRANSVERSAUX
Coefficient 8 – Durée 4 heures

Aucun document autorisé

Calculatrice autorisée





Surfaces vitrées et système d’occultation dans un bâtiment résidentiel.


http://www.cotemaison.fr/medias/394/202043_inventer-la-maison-de-demain.jpg


  • sujet (mise en situation et questions à traiter par le candidat)

    • mise en situation………… page 2

    • partie 1 (1 heure) pages 3 à 5

    • partie 2 (3 heures) pages 6 à 12

  • documents techniques pages 13 à 25

  • documents réponses page 26

Le sujet comporte deux parties indépendantes qui
peuvent être traitées dans un ordre indifférent.


Tous les calculs devront être détaillés sur votre copie.

Préciser les unités des résultats.

Les documents réponses DR1 à DR2 (page 26) seront
à rendre agrafés aux copies.


Mise en situation

Au cours de ces dernières décennies, l’évolution de l’architecture s’est traduite par une augmentation des surfaces vitrées des bâtiments. En parallèle, des systèmes d’occultation plus ou moins sophistiqués ont été intégré aux immeubles qu’ils soient commerciaux ou résidentiels. Cette évolution permet aux occupants de profiter de la lumière naturelle et d’avoir un meilleur contact avec l’extérieur tout en maîtrisant les consommations d’énergie et les conditions de confort, été comme hiver.

Le sujet est composé de deux études : l’une porte sur les surfaces vitrées d’un bâtiment résidentiel (partie 1 ; durée conseillée 1 heure) ; l’autre sur un système d’occultation (partie 2 ; durée conseillée 3 heures). Ces deux parties sont indépendantes et peuvent être traitées dans un ordre indifférent.

Partie 1 : Les surfaces vitréesimage 1ere partie.jpg

d’un bâtiment résidentiel

volet_demi_déroulé_couleur.bmp

Pages 3 à 5


Partie 2 : Autonomie énergétique et longévité du volet solaire pour fenêtre de toit

Pages 6 à 12




Les surfaces vitrées d’un bâtiment résidentiel

Problématique générale

Les progrès réalisés par la technologie du verre ont permis de faire évoluer les surfaces vitrées utilisées dans la construction : les simples vitrages d’autrefois ont laissé la place aux doubles et triples vitrages réalisés avec des verres de plus en plus performants séparés par des couches d’air ou de gaz noble (document technique DT1). Les compositions ainsi créées possèdent des caractéristiques techniques et économiques différentes qu’il faut adapter à une situation donnée.
Cette recherche d’optimisation énergétique amène à se poser la question du choix d’un vitrage pour une habitation donnée en tenant compte des impacts énergétiques, économiques et environnementaux liés à ce choix.

Système étudié et contexte de l’étude

L’étude proposée porte sur les surfaces vitrées de l’immeuble résidentiel édifié dans l’agglomération Lilloise dont le plan de masse figure sur le document technique DT2.

Cette étude se fera en 2 étapes :

  • étude énergétique et économique ;

  • étude des impacts environnementaux.

Nous nous limiterons à une étude en conditions hivernales (les aspects concernant le confort d’été ne seront pas étudiés).

Étude énergétique et économique

Thermiquement, une surface vitrée se caractérise principalement par sa conductance thermique (unité : W.m-2.K-1) et son facteur solaire S (sans unité). Lorsque la température extérieure est inférieure à la température intérieure, le vitrage laisse passer un flux thermique orienté de l’intérieur vers l’extérieur qui se traduit, pour une période donnée, par une perte d’énergie . A l’inverse, lorsque le vitrage est exposé au rayonnement solaire, celui-ci est traversé par un flux thermique de sens inverse qui se traduit par un gain d’énergie . En considérant les gains comme des valeurs positives et les pertes par des valeurs négatives, on peut calculer l’énergie mise en jeu par les échanges thermiques : = - . Les expressions suivantes permettent de calculer et (en kWh) :

= (0,024) x (Ug) x (NDJU18) x (A) et = (S) x (A) x (Fe) x (C1) x (E) avec :

  • Ug : conductance thermique du vitrage (en W.m-2.K-1) ;

  • NDJU18 : cumul des degrés jours unifiés (facteur caractérisant le cumul de la différence

de la température entre l’intérieur et l’extérieur). Voir doc DT3 ;

  • A : aire de la surface vitrée (en m²) ;

  • S : facteur solaire du vitrage (sans unité) ;

  • Fe : facteur d’ensoleillement (proportion d’ombrage créé par des obstacles liés au

bâtiment et à l’environnement) ;

  • C1 : coefficient d’orientation. Se référer au document DT4 ;

  • E : cumul de l’ensoleillement global reçu au point géographique considéré

(en kWh.m-2). Se référer au document DT3.

Hypothèses simplificatrices.

Pour la suite de l’étude, et dans le cadre d’une étude simplifiée, on ne tiendra pas compte des déperditions engendrées par le type de menuiserie (bois ou aluminium) ni des « effets de bords » (échanges thermiques à la périphérie de la surface vitrée). On considérera que la surface vitrée étudiée est de 1m² et on se placera dans le cadre d’une situation idéale dans laquelle le vitrage n’est pas masqué et est parfaitement propre (Fe=1).



On donne les paramètres intervenant dans le calcul de Et : conductance thermique ; cumul des degrés jour unifiés ; facteur solaire ; facteur d’ensoleillement ; cumul de l’ensoleillement. Dans les relations présentées ci-dessus et permettant les calculs des énergies échangées, identifier les paramètres internes des paramètres externes.









Calculer, pour la seule période hivernale et pour la façade Est, la valeur de Et (arrondie au kWh) pour le simple vitrage dont les caractéristiques sont données dans le document DT5. Préciser s’il s’agit d’une valeur positive (gain) ou négative (perte).

Voir :

DT2 DT3

DT4 DT5

Le tableau suivant donne les cumuls annuels de la période hivernale de , et calculées pour les doubles vitrages 1 et 2 ainsi que pour le triple vitrage :


- Tableau 1 -



En vous aidant du tableau 1, indiquer le vitrage le plus performant d’un point de vue énergétique correspondant à chaque exposition.




Pour la suite de l’étude, on se limite à l’exposition nord.

On souhaite comparer le triple vitrage et le double vitrage N°2.

L’immeuble est équipé d’une chaudière dont le prix de revient de l’énergie thermique fournie est de 0,10 € / (kWh). On considère :

  • la durée d’utilisation moyenne d’un vitrage à 30 ans ;

  • le prix de l’énergie stable.






Calculer le gain énergétique annuel engendré par l’utilisation de 1m² de triple vitrage comparé au double vitrage N°2. En déduire le gain économique correspondant pour une période de 1an puis pour une période de 30 ans. En tenant compte du surcoût lié à l’achat du triple vitrage, voir DT5, citer la solution la plus intéressante financièrement.

Voir :

Tableau 1 page4

DT5



Validation d’un point de vue développement durable.

L’objectif de cette partie est de quantifier les impacts environnementaux liés au choix du vitrage sur la totalité de son cycle de vie.

Afin de pouvoir quantifier les impacts environnementaux liés au choix du vitrage, on recherche le type de matériau utilisé dans la fabrication des différentes feuilles de verre. Une analyse multicritères est présentée sur le document DT6.



Justifier l’emploi des critères ‘coulabilité’, ‘prix’ et ‘conductivité thermique’ retenus dans cette analyse et indiquer la raison pour laquelle le critère ‘indice de réfraction’ semble ne pas permettre de faire un choix parmi les matériaux sélectionnés.

Voir DT1

Voir DT6






A partir des diagrammes du document DT6, identifier le type de matériau le plus performant pour la fabrication d’un vitrage en justifiant votre choix.

Voir DT6

On donne les impacts environnementaux liés aux cycles de vie du double vitrage N°2 et du triple vitrage :


- Tableau 2 –

Sur une période de 30 ans, choisir le triple vitrage plutôt que le double vitrage N°2 permet d’économiser 480 kWh sur le poste chauffage du bâtiment et ainsi d’éviter le rejet de 144 kg de CO2.



Sur le cycle de vie complet, calculer les écarts d’énergie consommée et de rejets de CO2 entre les deux solutions et donner le nom de la solution la plus efficace d’un point de vue développement durable.

Voir :

Tableau 2 page 5

Conclusion.



On se propose de comparer, pour le pignon nord, le double vitrage N°2 et le triple vitrage sur les critères énergétique, économique et environnemental. Indiquer pour chaque critère la solution la plus efficace en se référant aux résultats précédents.

Citer trois aspects de l’étude non pris en compte susceptibles d’influer sur le choix final.





Autonomie énergétique et longévité du volet solaire "VELUX"

Problématique générale :

Actuellement, les combles sont le plus souvent aménagés et équipés de fenêtres de toit. Dans le cadre d’une amélioration du confort de l’habitat, il est intéressant d’équiper ces fenêtres d’un volet roulant qui permet de contrôler la luminosité, d’accroître l’isolation thermique et d’augmenter le confort acoustique.

Pour répondre à des exigences de confort d’utilisation, de rénovation et de domotisation, certains modèles sont motorisés, pilotables à distance et autonomes en énergie (pas de passage de câbles électriques).
Ces évolutions techniques amènent à résoudre les problèmes suivants :

  • comment est assurée l’autonomie énergétique du système ;

  • comment est assurée la protection du système en cas de blocage du volet.



Présentation du système :

L’étude porte sur un volet roulant solaire de marque "VELUX".volet_déroulé_iso_filaire.bmp

volet_demi_déroulé_couleur

Les documents techniques présentant le système sont :

  • Aspects fonctionnels : DT7, DT8.

  • Aspects structurels : DT9, DT10, DT15.

  • Aspects comportementaux : DT14, DT16, DT17.


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