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Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars 2012 1 Daprès les.

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1 Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars Daprès les productions du lycée Raoul Follereau de Belfort MM. Pascal Morlong (SI) et Triponey (SPC) Thème sociétal Les économies dénergie dans lhabitat dans une démarche de développement durable

2 Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars Problématique Comment prévoir le plus finement possible la consommation énergétique dun pavillon à usage dhabitation ?

3 Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars Objectifs : - La découverte du contexte, les paramètres caractéristiques, lanalyse des prescriptions réglementaires (RT 2012), - Les notions de flux, les déperditions, les solutions techniques, - Lanalyse des relevés dun bâtiment existant, la simulation par deux types de logiciels, - La mesure de lécart performances simulées / performances mesurées, - La mesure de lécart performances mesurées / performances attendues, - La mesure de lécart performances simulées / performances attendues, - Lanalyse et linterprétation de ces écarts. Situation dans le cycle de formation : Deuxième partie de lannée en classe de première ou première partie de lannée en classe de terminale.

4 Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars Les connaissances et capacités visées A2 : mettre en relation les propriétés du matériau avec les performances du système B1 : décrire les lois dévolution 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 dénergie B4 : modifier les paramètres dun 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

5 Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars Titre 2 Texte calibri 18 Organisation temporelle de la séquence Cours (2h) TD (2h) Semaine 1 LMMJVSD TP (2h) Synthèse (2h) Évaluation (2h) Semaine 2 LMMJVSD Lancement mini projet

6 Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars Le système choisi Les caractéristiques du bâtiment sont connues. Le scénario de vie du bâtiment est connu.

7 Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars

8 Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars 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, léclairage, 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 lhabitation, - la composition des murs, des sols, et des plafonds, des baies vitrées, - l'installation de chauffage, - lorientation du bâtiment, - les déperditions du bâtiment, - lestimation de la consommation énergétique annuelle ainsi que le coût correspondant.

9 Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars Phase de lancement Semaine 1 LMMJVSD Semaine 2 LMMJVSD C TP S E MP TD 2h

10 Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars 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 LMMJVSD Semaine 2 LMMJVSD C TP S E MP TD 2h Phase de lancement

11 Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars Vidéo collective : bien isoler sa maison - La répartition des déperditions thermiques. - Les différents types disolants. -Comment agit un isolant ? -Les paramètres dépendant de la résistance thermique R. -La valeur optimale de R. - Des recommandations. Semaine 1 LMMJVSD Semaine 2 LMMJVSD TD TP S E MP Cours 2 h

12 Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars Réinvestissement - Analogies ThermiqueElectriqueMécaniqueHydraulique La chaleur Courant dentropie Intensité électrique i Ampère(A) Force Newton (N) Débit Q m 3 /s Résistance thermique R m².K/W Résistance électrique R Ohm (Ω) Coefficient de frottement Perte de charge de la canalisation Température Kelvin (K) Potentiel Volts (V) Vitesse v(m.s -1 ) Pression (altitude) Pascal (Pa) Différence de température T = R Loi dOhm 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*ΔP Watt (W) Semaine 1 LMMJVSD Semaine 2 LMMJVSD TD TP S E MP Cours 2 h

13 Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars La résistance thermique Semaine 1 LMMJVSD Semaine 2 LMMJVSD TD TP S E MP Cours 2 h

14 Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars Le flux de chaleur Semaine 1 LMMJVSD Semaine 2 LMMJVSD TD TP S E MP Cours 2 h

15 Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars Exercice : Comparaison des déperditions pour un mur isolé et non isolé de 10 m² avec T=15°K Semaine 1 LMMJVSD Semaine 2 LMMJVSD TD TP S E MP Cours 2 h Φ = 43,8W Φ = 600W

16 Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars Expérience collective Tests de différents matériaux et solutions techniques disolation Semaine 1 LMMJVSD Semaine 2 LMMJVSD TD TP S E MP Cours 2 h

17 Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars Groupe 1/3 Semaine 1 LMMJVSD Semaine 2 LMMJVSD TD C S E MP TP 2h

18 Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars Groupe 1/3 Influence de lorientation et de la surface des baies vitrées Orientation des baies % de Surface habitable de parois vitrées 25% Nord 25% Sud 25% Est 25% Ouest 40% Sud 20% Nord 20% Est 20% Ouest 50% Nord 50% Sud 65% Sud 35% Nord 12% % % Semaine 1 LMMJVSD Semaine 2 LMMJVSD TD C S E MP TP 2h unité : kWhep/m 2.an

19 Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars Lisolation de la maison simulée est performante. Une sur isolation est inutile. Groupe 1/3 Influence de lépaisseur de lisolant des murs extérieurs et du plancher haut. Semaine 1 LMMJVSD Semaine 2 LMMJVSD TD C S E MP TP 2h

20 Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars Pour optimiser la consommation énergétique dun 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 dénergie solaire, maison lumineuse et agréable à vivre), Ne pas sur isoler les murs et les combles. Groupe 1/3 Bilan de létude Semaine 1 LMMJVSD Semaine 2 LMMJVSD TD C S E MP TP 2h

21 Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars Groupe 2/3 Semaine 1 LMMJVSD Semaine 2 LMMJVSD TD C S E MP TP 2h

22 Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars kWhep/m².an 67 kWhep/m².an Groupe 2/3 Deux logiciels de simulation utilisés Semaine 1 LMMJVSD Semaine 2 LMMJVSD TD C S E MP TP 2h

23 Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars : consommation de gaz, : consommation d é lectricit é. 56 kWhep/m².an Groupe 2/3 Mesures réelles Semaine 1 LMMJVSD Semaine 2 LMMJVSD TD C S E MP TP 2h

24 Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars Justification des écarts simulation / mesures : Trop de paramètres, pas tous maîtrisables, entrent en jeu : limpact des données climatiques variables dune année sur lautre, limpact du débit exact dair, limpact des apports de chaleur dus à lélectroménager, limpact des réglages et pilotages des installations. Groupe 2/3 Bilan de létude Semaine 1 LMMJVSD Semaine 2 LMMJVSD TD C S E MP TP 2h

25 Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars Groupe 3/3 Semaine 1 LMMJVSD Semaine 2 LMMJVSD TD C S E MP TP 2h

26 Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars : consommation de gaz, : consommation d é lectricit é. Groupe 3/3 Mesures réelles Semaine 1 LMMJVSD Semaine 2 LMMJVSD TD C S E MP TP 2h

27 Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars Consommation de 56 kWhep/m².an conforme à la RT Pour affiner la mesure, il faudrait instrumenter les prises électriques, Une maison neuve consomme toujours plus dénergie. Groupe 3/3 Bilan de létude Semaine 1 LMMJVSD Semaine 2 LMMJVSD TD C S E MP TP 2h

28 Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars Phase de restitution - Synthèse Semaine 1 LMMJVSD Semaine 2 LMMJVSD TD C TP E MP Synt. 2h

29 Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars Les élèves disposent dun rapport dune campagne de mesures sur un bâtiment de 7 étages, des résultats dune 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 LMMJVSD Semaine 2 LMMJVSD TD C TP S MP Eval 2h

30 Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars Les élèves, en groupes, sont les thermiciens dun BE. A partir des éléments dun bâtiment existant (construction 1990), ils quantifient les gains énergétiques réalisés: - en améliorant lisolation, - en remplaçant les menuiseries extérieures, la chaudière… - en augmentant les apports solaires. Lancement dun mini projet Semaine 1 LMMJVSD Semaine 2 LMMJVSD TD C TP S E Mini projet

31 Rénovation de lenseignement spécifique des sciences de lingénieur PNF enseignement spécifique des sciences de lingénieur Paris 27 mars Conclusion de lactivité : les acquis des élèves Identifier et caractériser les grandeurs agissant sur un système Proposer ou justifier un modèle Résoudre et simuler Valider un modèle Justifier le choix dun protocole expérimental Mettre en œuvre un protocole expérimental Analyser le besoin Analyser le système Caractériser des écarts Rechercher et traiter des informations Mettre en œuvre une communication SYSTÈME ANALYSER MODÉLISER EXPÉRIMENTER COMMUNIQUER Analyser le besoin Analyser le système Caractériser des écarts Analyse des écarts Analyser le besoin Analyser le système Caractériser des écarts Matériaux Identifier et caractériser les grandeurs agissant sur un système Proposer ou justifier un modèle Résoudre et simuler Valider un modèle Caractéristiques des grandeurs physiques Matériaux Notion de pertes dénergie Identifier et caractériser les grandeurs agissant sur un système Proposer ou justifier un modèle Résoudre et simuler Valider un modèle Grandeurs influentes dun modèle Structures Justifier le choix dun protocole expérimental Mettre en œuvre un protocole expérimental Modèles de comportement Rechercher et traiter des informations Mettre en œuvre une communication Sélection, tri et classement de données


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