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Enseigner en STI2D Séminaire académique STI2D – mai 2012 Stratégies pédagogiques I nspection P édagogique R égionale Groupe S.T.I. Enseignement technologique.

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1 Enseigner en STI2D Séminaire académique STI2D – mai 2012 Stratégies pédagogiques I nspection P édagogique R égionale Groupe S.T.I. Enseignement technologique en STI2D Structurer des séquences construisant des connaissances sur la matière, lénergie, linformation au travers dune habitation 1

2 Enseigner en STI2D Lhabitat est un système technique comme un autre Cest un système technique qui pour répondre un besoin, nécessite dêtre structuré autour des trois composantes : matériaux, énergie, information 2

3 Enseigner en STI2D 3 Lhabitat est un système technique comme un autre

4 Enseigner en STI2D 4 Lhabitat est un système technique comme un autre

5 Enseigner en STI2D Lhabitat et les contraintes du développement durable 5 Répartition des émissions de CO2

6 Enseigner en STI2D 6 Eau froide Eau chaude Chauffer Air à θ1 Air à θ2 Clima-tiser Lumière L1 Lumière L2 Eclairer Lénergie dans le système « habitat » La place de la chaine dénergie dans lhabitat est liée à lutilisation et l'optimisation des énergies mises en œuvre pour le confort dune habitation. Les approches fonctionnelle, structurelle et comportementale permettent de présenter, de justifier les principales solutions techniques et d'aborder l'efficacité énergétique du système « habitat ». Approche globale de chaine dénergie dans lhabitat

7 Enseigner en STI2D Problématique des flux dénergie dans lhabitat 7 Besoin thermique de chauffage Déperdition des parois Pertes Etanchéité du bâti Sortie dair ventilation Biomasse Besoin thermique ECS Déperdition par évacuation eau chaude Chaleur Chaleur directe

8 Enseigner en STI2D 8 La règlementation en vigueur Lhabitat et son comportement énergétique

9 Enseigner en STI2D 9 Lhabitat est un système technique comme un autre

10 Enseigner en STI2D 10 Lhabitat et son comportement énergétique Les labels

11 Enseigner en STI2D La maison bioclimatique 11 Optimisation de laspect architectural Insertion environnementale Réduction des consommations énergétiques Confort de lusager

12 Enseigner en STI2D La maison passive Une maison passive est un bâtiment dont les besoins en chauffage sont très faibles : moins de 15 kWh/m2/an dénergie finale (soit léquivalent à 1.5 litres de fuel/m2/an). La maison passive a pour concept de minimiser les déperditions thermiques dans le bâtiment et d'utiliser de façon optimale l'énergie apportée par le soleil 12 M E I

13 Enseigner en STI2D Lhabitat : un support denseignement STI2D Pour lenseignement de spécialité Approfondissement des solutions technologiques Mettre en relation larchitecture et lefficacité énergétique Evaluer par simulation les performances thermiques de plusieurs solutions technologiques Sinscrire dans la démarche de projet technologique : Concevoir une solution constructive en réponse à une performance Etudier une réhabilitation dun bâtiment pour répondre à un niveau de performance thermique. 13 Pour lenseignement transversal Approches et concepts Découvrir les problématiques énergétiques Une approche structurelle du système Mettre en relation des matériaux et des performances Une approche comportementale du système Une approche qualitative et « performantielle » Une approche culturelle des solutions technologiques de la construction bâtiment MEI AC

14 Enseigner en STI2D 14 Quelques remarques sur lETT en STI2D

15 Enseigner en STI2D Enseignement technologique transversal : Séq. 1 Objectif de formation O1 - Caractériser des systèmes privilégiant un usage raisonné du point de vue développement durable O2 - Identifier les éléments permettant la limitation de limpact environnemental dun système et de ses constituantsConnaissances Matériaux composites. Comportement caractéristiques des matériaux selon un point de vue. Thermiques (échauffement par conduction). Compétences CO 1.1 Justifier les choix des matériaux dans une approche de développement durable CO 2.1 Identifier les flux et la forme de lénergie Lien avec Physique-Chimie HABITAT : transferts thermiques : conduction, flux thermique, résistance thermique, caractéristiques des matériaux. Situation-problème Quelles sont les caractéristiques thermiques des matériaux qui sont prises en compte dans la construction dun habitat ? Comment se comportent-ils quand on les associe ? Ressources Moyens didactiques Dossier numérique de la construction. Cahier des charges. Dossier technique matériaux de construction. Ordinateur. Banc dessai de transmission de chaleur (exemple PTC 100 Didactec). Démarche dinvestigation Etude préliminaire sur dossier apports théoriques TP1 comparatif sur la conduction de 2 matériaux TP2 sur la conduction thermique de 2 matériaux en contact Restitution des élèves Connaissances en synthèse Phénomènes conduction, convection, rayonnement. Caractéristiques des matériaux de construction : conductivité thermique - le flux thermique - Rth - – Le comportement global de 2 matériaux superposés ne change pas en fonction de leur position par rapport à la chaleur. M E I Caractéristiques thermiques des matériaux de lhabitat

16 Enseigner en STI2D Enseignement technologique transversal : Séq. 1 Activité 1 : Etude de dossier technique (cahier des charges) Quelle est la constitution des murs extérieurs de cet habitat ? Quels sont les matériaux utilisés ? Quelles sont leurs caractéristiques et performance thermique ? Résultats attendus : Béton cellulaire Liège spécial façade matériaux Masse volumi que (kg/m 3 ) conductivité thermique λ (W/m.K) chaleur spécifique (J/kg.K) Résistance diffusion vapeur d'eau μ mu (-) énergie grise d'origine non renouvelable (kWh/m 3 ) impact environnemental/ changement climatique (kg eq CO 2 /m 3 ) Liège expansé Béton cellulaire 350kg/m Bloc béton (Parpaing de ciment) Les murs extérieurs de la maison sont constitués de blocs en béton cellulaire recouverts à lextérieur de liège. Comparés à un mur traditionnel, les matériaux utilisés possède une densité plus faible, donc davantage dair emprisonné dans le matériau. EXPLICITER COMPRENDRE SAPPROPRIER 16 IDENTIFIER

17 Enseigner en STI2D Enseignement technologique transversal : Séq. 1 Transfert par conduction à travers la paroi Transfert par convection entre lambiance et la paroi Transfert par rayonnement entre la source et la paroi Les transferts de chaleur font partie des modes les plus communs déchange dénergie. Ils interviennent naturellement à lintérieur dun système dont toutes les régions ne sont pas à la même température, ou entre 2 systèmes dès quil existe entre eux une différence de température quelque soit le milieu qui les sépare. Dans le cas dune paroi, il existe 3 types de transfert de la chaleur : Activité 2 : Apports théoriques SAPPROPRIER 17

18 Enseigner en STI2D Enseignement technologique transversal : Séq. 1 Comment évaluer le flux de chaleur à travers une paroi « simple » ? Soit une paroi simple - composée dun seul matériau - de résistance thermique R th, séparant le milieu intérieur à la température int et le milieu extérieur à la température ext. > 0 si ext < int La chaleur migre toujours du milieu de plus chaud vers le milieu le plus froid. e int ext se si Flux et sont les températures de surface de la paroi si se Rth est la résistance thermique de la paroi La résistance thermique traduit « numériquement » laptitude dune paroi à conduire ou non la chaleur. La résistance dépend de lépaisseur de la paroi et de la conductivité du matériau qui la compose SAPPROPRIER 18 Activité 2 : Apports théoriques

19 Enseigner en STI2D Enseignement technologique transversal : Séq. 1 Activité 3 : travaux pratiques dexpérimentation Une résistance chauffante de forme plane est régulée de manière à ce que sa température de surface soit stabilisée à une valeur de consigne choisie par lutilisateur. Pour la contrôler, une sonde de température, intégrée à la plaque chauffante, mesure en continu la température de surface de la plaque. Un jeu de différents matériaux permet détudier différents modes de transfert de la chaleur à savoir la conduction et la convection. Une sonde de contact mobile permet de mesurer la température de surface des matériaux étudiés. Surface du matériau testé = 0,0625m 2 EXPERIMENTER EVALUER θse θsi Matériau testé Travail demandé TP1 (en RPE) : Déterminer expérimentalement la valeur des coefficients de conductivité thermique de deux matériaux : plâtre et laine de roche dépaisseur e = 6 mm. Résultats attendus : Présentation des mesures et des résultats sous forme dun tableau. M1 M2 19 EXPLICITER MatériauxEpaisseur Masse vol θ siθ seΔ θP (W) ʎ Plâtre seul 6 mm Laine de roche seule 6 mm Relations utilisées : Relations utilisées : P = U. S. Δ θ [W] et U = 1/Rth [W.m-².K- 1 ] ; Rth = e/ ʎ [m².K.W -1 ] Conclusion : Plus un matériau est dense (moins dair), plus il est conducteur thermique.

20 Enseigner en STI2D Enseignement technologique transversal : Séq. 1 M1+M2 M2+M1 EXPERIMENTER EVALUER Travail demandé TP2 (en régime permanent) : Déterminer expérimentalement la valeur du coefficient de conductivité thermique des 2 matériaux : Plâtre et laine de roche de même épaisseur (6) et en contact. Résultats attendus : Présentation des mesures et des résultats sous forme dun tableau. 20 EXPLICITER Activité 3 : travaux pratiques dexpérimentation MatériauxEpaisseurθ si θ intermédiaire platre/L. ROCHE θ seΔ θ (θsi-θse) Δ θ (θ si – θ entre les 2 couches) Intermédiaire P (W)ʎ LRoche ʎ PL ρ=825 kg.m-3 Rglobal ( LR et plâtre) Plâtre + Laine de roche Laine de roche + Plâtre Conclusion : On constate que lordre de superposition des matériaux constitutifs dune paroi na pas dincidence sur la conductivité globale de cette paroi.

21 Enseigner en STI2D Objectif de formation O2 - Identifier les éléments permettant la limitation de limpact environnemental dun système et de ses constituants O4 - Décoder lorganisation fonctionnelle, structurelle dun système. Connaissances matériaux composites. Comportement caractéristiques des matériaux selon un point de vue. Thermiques (échauffement par conduction). Compétences CO 2.2 Justifier les solutions constructives dun système au regard des impacts environnementaux et économiques engendrés sur le cycle de vie. CO 4.4 Identifier et caractériser des solutions techniques relatives aux matériaux dun système. Lien avec Physique-Chimie HABITAT : transferts thermiques : conduction, flux thermique, résistance thermique, caractéristiques des matériaux. Situation-problème Dans le cadre de lélaboration de son projet, le maître douvrage de la maison du Trégor souhaite faire une étude comparative de différentes solutions constructives pour la réalisation des murs de la maison. Assistant darchitecte,vous êtes en charge de cette étude. Ressources Moyens didactiques Documentation technique sur les solutions constructives, caractéristiques des matériaux, tableau de calcul pour déterminer les critères et construire la comparaison des solutions constructives. Démarche dinvestigation Apports théoriques Identification des caractéristiques Comparaison des performances des solutions constructives Restitution des équipes délèves Connaissances en synthèse Les résistances thermiques de parois superposées sajoutent. Le choix des matériaux pour construire et isoler un habitat prend en compte lépaisseur du mur, la résistance thermique, lénergie grise et limpact environnemental, le coût, la masse par m² de paroi. 21 Enseignement technologique transversal : Séq. 2 M E I Limpact environnemental dans le choix des matériaux

22 Enseigner en STI2D Enseignement technologique transversal : Séq. 2 Les parois des bâtiments sont très rarement composées dun seul et unique matériau. Comment évaluer la résistance thermique dune paroi composite ? Les résistances thermiques des parois en série sajoutent se si R th1 R th2 R th3 Flux se si e2e2 e3e3 e1e1 Mur Lame dair Complexe isolant 22 Activité 1 : Apports théoriques SAPPROPRIER

23 Enseigner en STI2D Enseignement technologique transversal : Séq. 2 Les critères retenus pour mener cette étude sont : La résistance thermique qui a une incidence directe sur la consommation dénergie pour assurer le chauffage ou le rafraichissement de lhabitation. Lénergie grise et Limpact environnemental qui permettent dévaluer respectivement la quantité dénergie nécessaire et lincidence sur le rejet de CO 2 dans latmosphère lors la fabrication des différents matériaux Le coût La masse par m² de paroi qui a une incidence sur le dimensionnement des fondations de louvrage Lépaisseur qui peut avoir une incidence sur le rapport Surface Habitable/SHOB de la construction. Les critères retenus pour mener cette étude sont : La résistance thermique qui a une incidence directe sur la consommation dénergie pour assurer le chauffage ou le rafraichissement de lhabitation. Lénergie grise et Limpact environnemental qui permettent dévaluer respectivement la quantité dénergie nécessaire et lincidence sur le rejet de CO 2 dans latmosphère lors la fabrication des différents matériaux Le coût La masse par m² de paroi qui a une incidence sur le dimensionnement des fondations de louvrage Lépaisseur qui peut avoir une incidence sur le rapport Surface Habitable/SHOB de la construction. Activité 2 : Etude didentification des caractéristiques

24 Enseigner en STI2D Enseignement technologique transversal : Séq. 2 les ressources suivantes sont à disposition : Fiches descriptives des solutions envisagées Notre étude se limite à la prise en compte de la résistance thermique des différentes solutions étudiées. Pour affiner notre investigation on pourrait prendre la chaleur spécifique des différents matériaux qui a une incidence sur le comportement de la paroi en régime transitoire… Un catalogue en ligne des différents matériaux Une feuille de calcul pour déterminer les principaux critères de comparaison Activité 2 : Identification des caractéristiques des solutions constructives SIMULER SAPPROPRIER IDENTIFIER

25 Enseigner en STI2D Enseignement technologique transversal : Séq Analyse des données du cahier des charges 2 2 – Collecte des informations utiles dans les ressources à disposition 3 3 – Report des principaux critères de comparaison Sur la feuille de calcul Activité 2 : Identification des caractéristiques des solutions constructives ANALYSER IDENTIFIER

26 Enseigner en STI2D Enseignement technologique transversal : Séq. 2 Pour comparer les différentes solutions nous allons utiliser une feuille de calcul Excel. Dans un premier temps nous devons saisir les différentes critères en précisant pour chacun : son rang, lunité, Max/min pour préciser comment évaluer la note, éventuellement une pondération. Pour chaque solution on saisit la valeur obtenue pour chaque critère. La feuille établit automatiquement une note en fonction des valeurs Max/min et de lamplitude de notation choisie Activité 3 : Etude comparative des solutions constructives SIMULER

27 Enseigner en STI2D Enseignement technologique transversal : Séq. 2 En cliquant sur « Résultat » la feuille de calcul génère automatiquement un diagramme « Radar » et calcule une note sur 100 pour chacune des solutions étudiées en fonction des aires de chaque diagramme. Sur la base de ces résultats on peut alors se livrer à une analyse et en tirer les avantages et les inconvénients de chaque solution Dans notre cas, la structure à ossature bois arrive en première position devant la structure Béton Cellulaire + Isolant liège. Néanmoins on constate que dun point de vue strictement thermique la solution qui arrive en seconde position est plus performante. ANALYSER Activité 3 : Etude comparative des solutions constructives

28 Enseigner en STI2D 28 Enseignement technologique transversal : Séq. 3 Autre approche comportementale dun bâtiment. Au-delà du régime permanent établi, il est possible en ETT détudier le comportement dun mur en régime transitoire et de montrer lincidence de linertie des matériaux, laide de la simulation « Matlab ». Réalisez cette simulation Problématique : Est-ce que le béton a une plus grande inertie thermique que la laine de verre ? MUR ambiance dans la maisonAir extérieur La modélisation est fournie aux élèves

29 Enseigner en STI2D 29 Enseignement technologique transversal : Séq. 3 TP réalisé par F.LEMAIRE – Lycée Emilie de Breteuil – Montigny le Bretonneux (78)

30 Enseigner en STI2D 30 Enseignement technologique transversal : Séq. 3 Comparer linertie dun mur de 10 cm de béton, avec un mur de 10 cm de laine de verre Grâce au Scope, déterminer qui a le moins dinertie thermique, béton ou laine de verre. Tracer lallure des courbes, répondre à la problématique. Laine de verre Béton

31 Enseigner en STI2D 31 Enseignement technologique transversal : Séq. 4 Objectif de formation O5 – Utiliser un modèle de comportement pour prédire le fonctionnement ou valider une performanceConnaissances Comportement énergétique des systèmes Utilisation raisonnée des ressources. Minimisation de la consommation énergétique Compétences CO 5.2 Identifier des variables internes et externes utiles à une modélisation, simuler et valider le comportement du modèle. Situation-problème Quels sont les incidences énergétiques et environnementales des solutions constructives amélioratives dun habitat ? Ressources Moyens didactiques CdC dun maison. Le logiciel « DiagDPE ». Tableur-grapheur. Documents ressources numériques sur le chauffage par PAC géothermique. ECS thermodynamique. Autres solutions Démarche dinvestigation Collecte des données à partir du CdC dune maison Identification des données techniques nécessaires 5 Simulations du comportement énergétique Exposé sur les solutions technologiques et leurs impacts Connaissances en synthèse Lensemble des déperditions dans lhabitat. Définition et rôle du DPE. Indice defficacité énergétique et démission de GES. Rôle et principe technique de différentes solutions technologiques de chauffage dun bâtiment et de ECS répondant à la recherche defficacité énergétique et de réduction des GES. M E I Relation entre choix technologique et efficacité énergétique Séquence daprès 1 proposition de léquipe STI 2D du lycée Monge de Savigny/orge

32 Enseigner en STI2D 32 Enseignement technologique transversal : Séq. 4 Activité 1 : Identification des caractéristiques du bâtiment étudié 1 - On donne un CdC de la maison TREGOR de construction « traditionnelle » de 1995 : plans, solutions et caractéristiques techniques de lenveloppe, de la couverture, du plancher, du système de chauffage, du système ECS. APPROPRIATION DU CAHIER DES CHARGES

33 Enseigner en STI2D 33 Enseignement technologique transversal : Séq Identification des données utiles à la saisie dans un logiciel de détermination du DPE, dans un tableau de préparation. Activité 1 : Identification des caractéristiques du bâtiment étudié 2 – Etude de dossier sur lefficacité énergétique, la RT 2012, les labels, le DPE et ses modalités. IDENTIFIER SAPPROPRIER

34 Enseigner en STI2D 34 Enseignement technologique transversal : Séq. 4 Activité 2 : saisie des informations techniques de la maison dans DiagDPE Saisie de la constitution de la maison : description, murs de lenveloppe, toiture, plancher, portes, fenêtres, ESC, chauffage… Saisie des informations techniques de chaque partie constitutive de la maison à laide des données du CdC

35 Enseigner en STI2D 35 Enseignement technologique transversal : Séq. 4 Activité 2 : saisie des informations techniques de la maison dans DiagDPE

36 Enseigner en STI2D 36 Enseignement technologique transversal : Séq. 4 Activité 3 : Simulations de la performance énergétique dans DiagDPE 1 - Maison TREGOR « traditionnelle » (1995) État initial 2 - Maison TREGOR « traditionnelle » (1995) + Vitres Orientés au soleil

37 Enseigner en STI2D 37 Enseignement technologique transversal : Séq. 4 Activité 3 : Simulations de la performance énergétique dans DiagDPE 3 - Maison TREGOR « traditionnelle » (1995) Mur en béton cellulaire + isolant U=0, Maison TREGOR « traditionnelle » (1995) Chauffage - Pompe à chaleur géothermique plancher chauffant

38 Enseigner en STI2D 38 Enseignement technologique transversal : Séq. 4 Activité 3 : Simulations de la performance énergétique dans DiagDPE 5 - Maison TREGOR « traditionnelle » (1995) Chauffe-eau thermodynamique + complément solaire soleil IsolationchauffageECS soleil Isolationchauffage ECS Constat : cest lévolution de la solution du chauffage qui procure le plus efficacité et de réduction des GES.

39 Enseigner en STI2D 39 Enseignement technologique transversal : Séq. 4 Activité 4 : Découverte des solutions damélioration énergétique Après létude des solutions de construction et disolement dun bâtiment, il est proposé aux élèves de découvrir en ETT au travers détudes de dossier, différentes solutions technologiques de chauffage et de système dECS. Ces technologies ne sont abordées quen terme de description et de principe général. (exposé déquipe délèves). Elles feront lobjet dun approfondissemen t pour les élèves de la spécialité EE.

40 Enseigner en STI2D Fin de la partie enseignement transversal 40


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