Sujet du Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable 2021 · Métropole Candidat libre - Energies et Environnement (EE)

Réhabilitation du centre nautique des Vals du Dauphiné

Mise en situation

Le centre nautique des Vals du Dauphiné à La Tour-du-Pin est situé dans le département de l’Isère (38) entre Lyon et Grenoble. La piscine est ouverte toute l’année, à des horaires variés.

L’établissement est équipé d’un bassin sportif intérieur. Pour les beaux jours, la piscine municipale dispose également d’un espace extérieur composé d’un second bassin, d’un plongeoir et d’une pataugeoire pour les enfants. Des équipements de bien-être comme un solarium permettent de se détendre.

Ouvert au début des années 1970, ce centre nautique intercommunal dispose d’une architecture particulière, que les habitants souhaitent conserver et valoriser. Construit à flanc de colline, les bassins posés sur des pieux profondément ancrés au sol sont répartis sur deux niveaux et l’ensemble de l’équipement sur 4 niveaux. Après plus de quarante années de fonctionnement et bien que régulièrement entretenu, le bâtiment poursuit sa rénovation afin de s’adapter aux normes en vigueur et de contrôler ses consommations énergétiques.

Au programme d’importants travaux de rénovation ont donc été entrepris tels que:

le remplacement des menuiseries extérieures du RDC et R+1 y compris le sas d’entrée;

le remplacement de la centrale de traitement de l’air (CTA);

la rénovation du traitement d’eau avec système de pompage et réchauffage bassin;

la rénovation complète de la chaufferie: mise en place d’une nouvelle chaudière à condensation et d’une micro-cogénération, reprise de tous les départs chaufferies;

le système de gestion technique du bâtiment (GTB) qui supervise et contrôle les services comme le chauffage, la ventilation et le conditionnement d’air, s’assurant qu’ils fonctionnent de la façon la plus efficace et la plus économique possible;

le remplacement des luminaires par des LED dans la halle du bassin sportif.

Partie 1: quelle est la solution la plus intéressante d'un point de vue énergétique et écologique, dans le cadre de la rénovation du centre aquatique ?

Étude du bilan énergétique et écologique

Question 1.1

DT1: Consommation énergétique moyenne des piscines en France

Décrire, d'après le document DT1, la tendance des consommations énergétiques des piscines françaises.

Citer la technologie de consommation d'énergie la plus performante.

Question 1.3

DT4: Impact environnemental de la cogénération au centre nautique de la tour du pin

Rejets · Sans cogénération · Avec cogénération · Différentiel · Différentiel %

Emissions de Dioxyde de Carbone · 138,25 t · 149,4 t · +11,15 t · +8%

Emissions de Dioxyde de Soufre · 71,87 kg · 58,59 kg · -13,28 kg · -18%

Emissions de Oxyde d'Azote · 140,83 kg · 137,6 kg · -3,23 kg · -2%

Emissions d'autres particules · 171,145 kg · 155,61 kg · -15,535 kg · -9%

Justifier le choix de la cogénération d'un point de vue du bilan écologique, pour le centre aquatique de la Tour du Pin.

Réhabilitation du centre nautique des Vals du Dauphiné

Mise en situation

Le centre nautique des Vals du Dauphiné à La Tour-du-Pin est situé dans le département de l’Isère (38) entre Lyon et Grenoble. La piscine est ouverte toute l’année, à des horaires variés.

L’établissement est équipé d’un bassin sportif intérieur. Pour les beaux jours, la piscine municipale dispose également d’un espace extérieur composé d’un second bassin, d’un plongeoir et d’une pataugeoire pour les enfants. Des équipements de bien-être comme un solarium permettent de se détendre.

Ouvert au début des années 1970, ce centre nautique intercommunal dispose d’une architecture particulière, que les habitants souhaitent conserver et valoriser. Construit à flanc de colline, les bassins posés sur des pieux profondément ancrés au sol sont répartis sur deux niveaux et l’ensemble de l’équipement sur 4 niveaux. Après plus de quarante années de fonctionnement et bien que régulièrement entretenu, le bâtiment poursuit sa rénovation afin de s’adapter aux normes en vigueur et de contrôler ses consommations énergétiques.

Au programme d’importants travaux de rénovation ont donc été entrepris tels que:

le remplacement des menuiseries extérieures du RDC et R+1 y compris le sas d’entrée;

le remplacement de la centrale de traitement de l’air (CTA);

la rénovation du traitement d’eau avec système de pompage et réchauffage bassin;

la rénovation complète de la chaufferie: mise en place d’une nouvelle chaudière à condensation et d’une micro-cogénération, reprise de tous les départs chaufferies;

le système de gestion technique du bâtiment (GTB) qui supervise et contrôle les services comme le chauffage, la ventilation et le conditionnement d’air, s’assurant qu’ils fonctionnent de la façon la plus efficace et la plus économique possible;

le remplacement des luminaires par des LED dans la halle du bassin sportif.

Partie 1: quelle est la solution la plus intéressante d'un point de vue énergétique et écologique, dans le cadre de la rénovation du centre aquatique ?

Principe de la cogénération

La cogénération est la production simultanée d'une énergie thermique et d'une énergie mécanique à partir d'une unique source d'énergie primaire. L'énergie thermique est utilisée pour les besoins de chauffage du bâtiment et des bassins (avec ou sans production d'Eau Chaude Sanitaire). L'énergie mécanique est utilisée pour produire de l'électricité via un alternateur.

Principe de la cogénération

Documents techniques

DT2: Diagramme des blocs internes de la chaufferie (circuit primaire)

DT3: Diagramme des blocs internes du module de cogénération

Question 1.2

Identifier les deux blocs du diagramme de blocs internes (IBD) de la chaufferie permettant de chauffer l'eau des bassins.

Cocher, sur le DR1, les cases correspondant aux flux d'énergies entrant ou sortant du module de cogénération.

DR1: Nature des énergies mises en jeu dans le module de cogénération

· Énergie fossile · Énergie mécanique · Énergie électrique · Énergie thermique

Absorbée / Entrée · Utile / Sortie · Absorbée / Entrée · Utile / Sortie · Absorbée / Entrée · Utile / Sortie · Absorbée / Entrée · Utile / Sortie

Moteur thermique

Alternateur

Échangeur échappement · · X · X

Échangeur circuits primaires/secondaires

Réhabilitation du centre nautique des Vals du Dauphiné

Mise en situation

Le centre nautique des Vals du Dauphiné à La Tour-du-Pin est situé dans le département de l’Isère (38) entre Lyon et Grenoble. La piscine est ouverte toute l’année, à des horaires variés.

L’établissement est équipé d’un bassin sportif intérieur. Pour les beaux jours, la piscine municipale dispose également d’un espace extérieur composé d’un second bassin, d’un plongeoir et d’une pataugeoire pour les enfants. Des équipements de bien-être comme un solarium permettent de se détendre.

Ouvert au début des années 1970, ce centre nautique intercommunal dispose d’une architecture particulière, que les habitants souhaitent conserver et valoriser. Construit à flanc de colline, les bassins posés sur des pieux profondément ancrés au sol sont répartis sur deux niveaux et l’ensemble de l’équipement sur 4 niveaux. Après plus de quarante années de fonctionnement et bien que régulièrement entretenu, le bâtiment poursuit sa rénovation afin de s’adapter aux normes en vigueur et de contrôler ses consommations énergétiques.

Au programme d’importants travaux de rénovation ont donc été entrepris tels que:

le remplacement des menuiseries extérieures du RDC et R+1 y compris le sas d’entrée;

le remplacement de la centrale de traitement de l’air (CTA);

la rénovation du traitement d’eau avec système de pompage et réchauffage bassin;

la rénovation complète de la chaufferie: mise en place d’une nouvelle chaudière à condensation et d’une micro-cogénération, reprise de tous les départs chaufferies;

le système de gestion technique du bâtiment (GTB) qui supervise et contrôle les services comme le chauffage, la ventilation et le conditionnement d’air, s’assurant qu’ils fonctionnent de la façon la plus efficace et la plus économique possible;

le remplacement des luminaires par des LED dans la halle du bassin sportif.

Partie 2: la solution énergétique alternative par Cogénération au Gaz Naturel est-elle pertinente d'un point de vue économique ?

EDF Obligations d'Achat, aussi nommé EDF OA est l'entité d'EDF responsable de l'achat des énergies renouvelables ou à forte efficacité énergétique. L'entreprise est dans l'obligation d'acheter cette énergie, en vertu du code de l'énergie. D'après l'Arrêté du 3 novembre 2016 fixant les conditions d'achat et du complément de rémunération pour l'électricité produite par les installations de cogénération d'électricité et de chaleur valorisée à partir de gaz naturel, l'année est découpée en deux parties: l'hiver contractuel compris entre le 1er novembre et le 31 mars, et l'été contractuel compris entre le 1er avril et le 30 octobre.

En première approche, le choix d'un moteur ecoGEN33-Agc a été fait (voir DT6), il consomme une puissance $P_{\text{gaz}}$ de $98\text{ kW}$. On prendra le temps de production pour la revente à $3600\text{ heures}$ par an.

DT5: Tarifs énergie gaz et électricité

Tarifs Énergie

Prix gaz

32 € / MWh

Prix électricité

90 € / MWh

Tarif C16 (rachat électricité par EDF OA)

147,90 € / MWh

Question 2.1

Calculer l'énergie $E_{\text{gaz}}$ consommée par an en $\text{MW}\cdot\text{h}$ pour la revente. Déterminer le coût du gaz consommé par an (voir DT5).

Question 2.2

Le rendement électrique du système de cogénération est de $33{,}8\,\%$. Calculer la puissance électrique $P_{\text{élec}}$ délivrée par l'installation, déterminer l'énergie électrique $E_{\text{élec}}$ produite par an et en déduire le gain en euros/an dû à la revente de la totalité de l'électricité (voir DT5).

Question 2.3

La cogénération permet de réduire la consommation de gaz et fait faire une économie de $9376\text{ euros}$ par an sur la facture de gaz.

Déduire le gain d'exploitation par an en euros sur le tableau récapitulatif des coûts d'exploitation à partir du document réponse DR2.

DR2: Récapitulatif des coûts d'exploitation

Récapitulatif des coûts d'exploitation

Coût gaz consommé

- €/an (Question 2.1)

Coût du gaz économisé

+ 9376 euros/an

Revente électricité

+ €/an (Question 2.2)

Maintenance

- 1944 €/an

Révision annuelle

- 1238 €/an

Gain d'exploitation

DT6: Caractéristiques des moteurs de cogénération

Moteur

Puissance gaz

Puissance thermique

Puissance électrique

Investissement

Gain exploitation

Temps de retour sur investissement

ecoGEN33-Agc

98 kW

73.4 kW

97 300 euros

À déterminer

Gbox50

139 kW

97 kW

47 kW

103 445 euros

16 114 euros

6.4 ans

ecoGEN50-Agc

147 kW

84 kW

50 kW

123 970 euros

13 323 euros

9.3 ans

ecoGEN70-Agc

204 kW

114 kW

70 kW

141 106 euros

19 347 euros

7.3 ans

Aura 404

246 kW

141 kW

90 kW

184 026 euros

24 687 euros

7.5 ans

Déterminer, à l'aide du document DT6, le nombre d'années nécessaires (temps de retour sur investissement) pour amortir le coût de l'installation d'un système de cogénération avec un moteur ecoGEN33-Agc.

Question 2.4

Le maître d'ouvrage souhaite un temps de retour sur investissement inférieur à $8\text{ ans}$. La puissance utile pour couvrir les besoins en chauffage de la piscine doit être limitée à $85\text{ kW}$ de puissance thermique car il est techniquement impossible de stocker tout excédant de production.

Justifier si le choix du moteur ecoGEN33-Agc est pertinent par rapport aux autres moteurs présentés sur le document DT6.

Réhabilitation du centre nautique des Vals du Dauphiné

Mise en situation

Le centre nautique des Vals du Dauphiné à La Tour-du-Pin est situé dans le département de l’Isère (38) entre Lyon et Grenoble. La piscine est ouverte toute l’année, à des horaires variés.

L’établissement est équipé d’un bassin sportif intérieur. Pour les beaux jours, la piscine municipale dispose également d’un espace extérieur composé d’un second bassin, d’un plongeoir et d’une pataugeoire pour les enfants. Des équipements de bien-être comme un solarium permettent de se détendre.

Ouvert au début des années 1970, ce centre nautique intercommunal dispose d’une architecture particulière, que les habitants souhaitent conserver et valoriser. Construit à flanc de colline, les bassins posés sur des pieux profondément ancrés au sol sont répartis sur deux niveaux et l’ensemble de l’équipement sur 4 niveaux. Après plus de quarante années de fonctionnement et bien que régulièrement entretenu, le bâtiment poursuit sa rénovation afin de s’adapter aux normes en vigueur et de contrôler ses consommations énergétiques.

Au programme d’importants travaux de rénovation ont donc été entrepris tels que:

le remplacement des menuiseries extérieures du RDC et R+1 y compris le sas d’entrée;

le remplacement de la centrale de traitement de l’air (CTA);

la rénovation du traitement d’eau avec système de pompage et réchauffage bassin;

la rénovation complète de la chaufferie: mise en place d’une nouvelle chaudière à condensation et d’une micro-cogénération, reprise de tous les départs chaufferies;

le système de gestion technique du bâtiment (GTB) qui supervise et contrôle les services comme le chauffage, la ventilation et le conditionnement d’air, s’assurant qu’ils fonctionnent de la façon la plus efficace et la plus économique possible;

le remplacement des luminaires par des LED dans la halle du bassin sportif.

Partie commune - Validation des composants de filtrage

Partie 3: les normes de filtration sont-elles respectées ?

La question de l'hygiène en piscine et le nettoyage des locaux sont essentiels. Le manque d'hygiène reste une des principales sources de pollution.

Un baigneur propage 30 millions de bactéries (1 million pour une personne ayant pris une douche savonnée), 25 à 60 ml d'urine, jusqu'à 1 l de sueur et 0,5 g de matières organiques. La contamination est principalement localisée au niveau du film superficiel de l'eau mais affecte aussi la totalité de l'eau de tous les bassins, l'air et les sols. La filtration de l'eau des bassins est donc essentielle.

Question 3.1: Indiquer quelles sont les exigences satisfaites par les éléments suivants – bâche tampon, filtres bassins, pompes bassins – à partir du document technique DT8 ci-dessous.

Réhabilitation du centre nautique des Vals du Dauphiné

Mise en situation

Le centre nautique des Vals du Dauphiné à La Tour-du-Pin est situé dans le département de l’Isère (38) entre Lyon et Grenoble. La piscine est ouverte toute l’année, à des horaires variés.

L’établissement est équipé d’un bassin sportif intérieur. Pour les beaux jours, la piscine municipale dispose également d’un espace extérieur composé d’un second bassin, d’un plongeoir et d’une pataugeoire pour les enfants. Des équipements de bien-être comme un solarium permettent de se détendre.

Ouvert au début des années 1970, ce centre nautique intercommunal dispose d’une architecture particulière, que les habitants souhaitent conserver et valoriser. Construit à flanc de colline, les bassins posés sur des pieux profondément ancrés au sol sont répartis sur deux niveaux et l’ensemble de l’équipement sur 4 niveaux. Après plus de quarante années de fonctionnement et bien que régulièrement entretenu, le bâtiment poursuit sa rénovation afin de s’adapter aux normes en vigueur et de contrôler ses consommations énergétiques.

Au programme d’importants travaux de rénovation ont donc été entrepris tels que:

le remplacement des menuiseries extérieures du RDC et R+1 y compris le sas d’entrée;

le remplacement de la centrale de traitement de l’air (CTA);

la rénovation du traitement d’eau avec système de pompage et réchauffage bassin;

la rénovation complète de la chaufferie: mise en place d’une nouvelle chaudière à condensation et d’une micro-cogénération, reprise de tous les départs chaufferies;

le système de gestion technique du bâtiment (GTB) qui supervise et contrôle les services comme le chauffage, la ventilation et le conditionnement d’air, s’assurant qu’ils fonctionnent de la façon la plus efficace et la plus économique possible;

le remplacement des luminaires par des LED dans la halle du bassin sportif.

Partie 3: les normes de filtration sont-elles respectées ?

La question de l'hygiène en piscine et le nettoyage des locaux sont essentiels. Le manque d'hygiène reste une des principales sources de pollution.

Un baigneur propage 30 millions de bactéries (1 million pour une personne ayant pris une douche savonnée), 25 à 60 ml d'urine, jusqu'à 1 l de sueur et 0,5 g de matières organiques. La contamination est principalement localisée au niveau du film superficiel de l'eau mais affecte aussi la totalité de l'eau de tous les bassins, l'air et les sols. La filtration de l'eau des bassins est donc essentielle.

Question 3.2

Identifier, sur le document DR3, le circuit d'aspiration et le circuit de refoulement lors de la filtration de l'eau du bassin extérieur et du bassin intérieur (circuit C1) à partir du document DT8.

Justifier la réponse en donnant au moins un argument technique.

Compléter le tableau ci-dessous avec les termes « refoulement » ou « aspiration »:

cheminement de l'eau

Couleur utilisée

Justification:

Circuit de

Circuit de

L'hydraulicité (circulation de l'eau) d'une piscine doit permettre à la fois d'éviter les zones mortes (zones d'eau non brassées), d'évacuer la pollution rapidement et d'assurer une diffusion uniforme du désinfectant. On distingue trois manières d'assurer la circulation de l'eau:

- Circulation classique: l'évacuation de l'eau est assurée par une ou plusieurs bondes de fond et les arrivées sont disposées en petite profondeur.

- Circulation inversée: l'évacuation de l'eau se fait exclusivement par la surface, (skimmers ou goulottes périphériques) tandis que l'eau traitée arrive par des bouches situées au fond ou à la base des parois.

- Circulation mixte: dans ce cas, l'évacuation se fait simultanément par la surface et le fond. La circulation mixte permet l'évacuation efficace des pollutions ainsi qu'un bon brassage du milieu. Les arrivées d'eau sont situées prioritairement sur les parois, en petite profondeur.

Question 3.3

Indiquer quel est le type d'hydraulicité utilisé dans la piscine (classique, inversé ou mixte). Justifier votre réponse.

Le circuit de filtration C1 est utilisé aussi bien pour le nettoyage du bassin extérieur (en été) que du bassin intérieur (en hiver). Pour la suite de l'étude on s'intéressera uniquement à la filtration durant l'été où seul le bassin extérieur est utilisé.

Question 3.4

Calculer le volume du bassin extérieur à partir du DT7.

Relever le temps nécessaire pour la filtration de ce type de bassin sur le diagramme des exigences du DT8.

Calculer le débit réglementaire pour le bassin extérieur en m³·h⁻¹.

La norme de recirculation de l'eau des bassins impose des obligations pour garantir aux usagers une eau conforme aux normes sanitaires. L'élimination de la couche d'eau superficielle des bassins doit se faire à 50 % au minimum par les surfaces, le reste par le fond.

Question 3.5

Calculer le débit d'eau évacuée en surface à partir du DT8.

Question 3.6

Relever sur le document DT8 le débit de la goulotte de reprise pour le bassin extérieur. Conclure sur la conformité du débit des goulottes de reprise vis-à-vis de la norme de recirculation de l'eau.

Réhabilitation du centre nautique des Vals du Dauphiné

Mise en situation

Le centre nautique des Vals du Dauphiné à La Tour-du-Pin est situé dans le département de l’Isère (38) entre Lyon et Grenoble. La piscine est ouverte toute l’année, à des horaires variés.

L’établissement est équipé d’un bassin sportif intérieur. Pour les beaux jours, la piscine municipale dispose également d’un espace extérieur composé d’un second bassin, d’un plongeoir et d’une pataugeoire pour les enfants. Des équipements de bien-être comme un solarium permettent de se détendre.

Ouvert au début des années 1970, ce centre nautique intercommunal dispose d’une architecture particulière, que les habitants souhaitent conserver et valoriser. Construit à flanc de colline, les bassins posés sur des pieux profondément ancrés au sol sont répartis sur deux niveaux et l’ensemble de l’équipement sur 4 niveaux. Après plus de quarante années de fonctionnement et bien que régulièrement entretenu, le bâtiment poursuit sa rénovation afin de s’adapter aux normes en vigueur et de contrôler ses consommations énergétiques.

Au programme d’importants travaux de rénovation ont donc été entrepris tels que:

le remplacement des menuiseries extérieures du RDC et R+1 y compris le sas d’entrée;

le remplacement de la centrale de traitement de l’air (CTA);

la rénovation du traitement d’eau avec système de pompage et réchauffage bassin;

la rénovation complète de la chaufferie: mise en place d’une nouvelle chaudière à condensation et d’une micro-cogénération, reprise de tous les départs chaufferies;

le système de gestion technique du bâtiment (GTB) qui supervise et contrôle les services comme le chauffage, la ventilation et le conditionnement d’air, s’assurant qu’ils fonctionnent de la façon la plus efficace et la plus économique possible;

le remplacement des luminaires par des LED dans la halle du bassin sportif.

Transmission et visualisation des informations liées à la cogénération

Partie 4: l'organisation proposée du réseau est-elle satisfaisante ?

Le schéma du réseau est donné sur le DT9. Les automates de la partie maintenance de la piscine communiquent sur le réseau via le protocole ModbusTCP.

Question 4.1

Déterminer l'adresse IP de l'automate qui gère la partie cogénération d'après le schéma de câblage du réseau informatique donné sur le DT9.

L'adresse IP de l'automate qui gère le système de filtration de la piscine est 192.168.0.34 et son masque de sous réseau est 255.255.255.248.

Question 4.2

Déterminer, en précisant la méthode utilisée, l'adresse du sous réseau de la partie maintenance de la piscine.

Question 4.3

Déterminer, en précisant la méthode utilisée, l'adresse de broadcast du sous réseau de la partie maintenance de la piscine.

Question 4.4

Déterminer le nombre d'adresses disponibles pour ce sous réseau.

Question 4.5

Déterminer le nombre d'adresses qui sont restées libres dans le sous réseau de la partie maintenance.

Réhabilitation du centre nautique des Vals du Dauphiné

Mise en situation

Le centre nautique des Vals du Dauphiné à La Tour-du-Pin est situé dans le département de l’Isère (38) entre Lyon et Grenoble. La piscine est ouverte toute l’année, à des horaires variés.

L’établissement est équipé d’un bassin sportif intérieur. Pour les beaux jours, la piscine municipale dispose également d’un espace extérieur composé d’un second bassin, d’un plongeoir et d’une pataugeoire pour les enfants. Des équipements de bien-être comme un solarium permettent de se détendre.

Ouvert au début des années 1970, ce centre nautique intercommunal dispose d’une architecture particulière, que les habitants souhaitent conserver et valoriser. Construit à flanc de colline, les bassins posés sur des pieux profondément ancrés au sol sont répartis sur deux niveaux et l’ensemble de l’équipement sur 4 niveaux. Après plus de quarante années de fonctionnement et bien que régulièrement entretenu, le bâtiment poursuit sa rénovation afin de s’adapter aux normes en vigueur et de contrôler ses consommations énergétiques.

Au programme d’importants travaux de rénovation ont donc été entrepris tels que:

le remplacement des menuiseries extérieures du RDC et R+1 y compris le sas d’entrée;

le remplacement de la centrale de traitement de l’air (CTA);

la rénovation du traitement d’eau avec système de pompage et réchauffage bassin;

la rénovation complète de la chaufferie: mise en place d’une nouvelle chaudière à condensation et d’une micro-cogénération, reprise de tous les départs chaufferies;

le système de gestion technique du bâtiment (GTB) qui supervise et contrôle les services comme le chauffage, la ventilation et le conditionnement d’air, s’assurant qu’ils fonctionnent de la façon la plus efficace et la plus économique possible;

le remplacement des luminaires par des LED dans la halle du bassin sportif.

Suite à un problème technique, il n'est plus possible d'afficher les valeurs de fonctionnement de la chaudière. Un technicien a donc réalisé un ping sur le réseau entre la console de supervision et l'automate de la chaudière afin de vérifier le bon fonctionnement de la connectique du réseau.

Une capture du paquet ICMP a été réalisée grâce au logiciel Wireshark et est disponible sur le document technique DT10.

DT10: Synoptique d'un paquet ICMP

Question 4.6

Déterminer l'adresse IP de l'automate de la chaudière en hexadécimal et en décimal à partir du synoptique d'un paquet ICMP donné sur le DT10.

IP destinataire

Poids · MSB · · · LSB

Hexadécimal

Décimal

Mise en situation

Parmi l'ensemble des postes consommateurs d'énergie rencontrés dans une piscine, il existe bon nombre de pompes permettant le fonctionnement de jets d'eau hydromassants installés pour l'agrément des baigneurs. Le fonctionnement de ces jets est basé sur la pulsion de l'eau pompée dans la piscine qui est refoulée à forte pression par l'intermédiaire d'une canne équipée d'une bouche permettant de former un jet de formes différentes.

Les conditions de fonctionnement de ces jets de plage sont obtenues au moyen de pompes qui sont amenées à fonctionner plusieurs heures par jour.

Partie A: comment optimiser les consommations d'énergie de la pompe des jets hydromassants ?

Étude du fonctionnement théorique

Afin de connaitre les contraintes hydrauliques auxquelles va être soumise la pompe, il est nécessaire d'étudier les caractéristiques du réseau qui est composé d'une partie aspiration et d'une partie refoulement.

L'aspiration consiste au pompage de l'eau du bassin par l'intermédiaire d'une crépine;

le refoulement consiste en la pulsion de l'eau depuis la pompe jusqu'à la bouche du projecteur de plage.

Le principe de l'installation et les dimensions utiles sont présentés dans le document technique DTS1.

DTS1: Plan d'installation du projecteur de plage

CONSTITUTION DU CIRCUIT HYDRAULIQUE

Aspiration

Canalisation de diamètre 80 mm et d'une longueur de 9,50 m,

1 crépine de pied

1 vanne standard de diamètre 80 mm,

Débit admissible, de 10 à 12 m³·h⁻¹.

Refoulement

Canalisation de diamètre 65 mm et d'une longueur de 4,30 m,

2 coudes à 90° de diamètre 65 et de rapport de courbure d/R = 0,6

1 vanne standard de diamètre 65 mm,

Débit admissible, de 10 à 12 m³·h⁻¹.

Partie A: comment optimiser les consommations d'énergie de la pompe des jets hydromassants ?

Étude du fonctionnement théorique

Afin de connaitre les contraintes hydrauliques auxquelles va être soumise la pompe, il est nécessaire d'étudier les caractéristiques du réseau qui est composé d'une partie aspiration et d'une partie refoulement.

L'aspiration consiste au pompage de l'eau du bassin par l'intermédiaire d'une crépine;

Le refoulement consiste en la pulsion de l'eau depuis la pompe jusqu'à la bouche du projecteur de plage.

Le principe de l'installation et les dimensions utiles sont présentés dans le document technique DTS1.

Circuit d'aspiration

Question A1

En vous basant sur les caractéristiques du réseau exposées dans le DTS1, déterminer la vitesse de l'eau (en m/s) dans le tuyau d'aspiration pour assurer $Q_{v\text{ max}}$ le débit maximal admissible par le projecteur de plage.

Rappel: débit volumique $Q_v = S \cdot V$

$V$: vitesse de l'eau

Section mouillée de la canalisation $S = \pi \cdot r^2$

Circuit de refoulement

Le total des pertes de charge hydrauliques d'un circuit véhiculant un fluide est composé des pertes de charges linéiques et des pertes de charges singulières.

Les pertes de charge linéiques sont fonction du diamètre de la canalisation étudiée, de sa longueur et de la vitesse du fluide qui y circule. Les valeurs sont données dans le document technique DTS2 dans la table 1.

Les pertes de charge singulières sont fonction du nombre et du type d'obstacle rencontrés par le fluide ainsi que de la vitesse du fluide. Les valeurs sont données dans le document technique DTS2 dans la table 2.

Dans le cas du circuit de refoulement ici étudié, le fluide a un débit de $12\text{ m}^3\cdot\text{h}^{-1}$ et circule à une vitesse de $1{,}0\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$.

DTS2: Abaques des pertes de charge hydrauliques

Table n. 1: Pertes de charge dans les tuyaux d'acier

Table n. 2: Pertes de charge en cm pour les courbes, vannes, clapet de pied et clapet de non-retour

Questions A2 et A3

Question A2: En se basant sur les caractéristiques du réseau exposées dans le DTS1, ainsi que sur les abaques présentés dans la table 1 du DTS2, compléter la partie pertes de charges linéaires du tableau du document réponse DRS1.

Question A3: En se basant sur les caractéristiques du réseau exposées dans le DTS1, ainsi que sur les abaques présentés dans la table 2 du DTS2, compléter la partie pertes de charges singulières du tableau du document réponse DRS1.

Libellés

Linéaires

Singulières

Sous-total (mCE)

Coef (mCE/100m)

Longueur (m)

Nombre

PdC unitaire (mCE)

Refoulement

Canalisation Ø 65

—

—

Vanne

—

—

Coudes à 90° (d/R=0,6)

—

—

Jet de plage

—

—

1

0,800

0,800

Total refoulement (mCE):

En additionnant l'ensemble des pertes de charges, la hauteur géométrique de l'installation et la pression résiduelle nécessaire au fonctionnement de l'installation, le bureau d'études a déterminé que la hauteur manométrique théorique que la pompe devra fournir est de 6,5 mCE (mètres de colonne d'eau) pour le débit maximal étudié.

Question A4

Tracer, sur le document réponse DRS2, le point de fonctionnement théorique en fonction du débit $Q_{v\text{ théorique}}$ et de la hauteur manométrique $H_{mt\text{ théorique}}$.

Choix 1

Partie B: quelle est l'influence du choix de la pompe sur les caractéristiques hydrauliques du jet hydromassant ?

Mise en situation

Parmi l'ensemble des postes consommateurs d'énergie rencontrés dans une piscine, il existe bon nombre de pompes permettant le fonctionnement de jets d'eau hydromassants installés pour l'agrément des baigneurs. Le fonctionnement de ces jets est basé sur la pulsion de l'eau pompée dans la piscine qui est refoulée à forte pression par l'intermédiaire d'une canne équipée d'une bouche permettant de former un jet de formes différentes.

Les conditions de fonctionnement de ces jets de plage sont obtenues au moyen de pompes qui sont amenées à fonctionner plusieurs heures par jour.

Partie A: comment optimiser les consommations d'énergie de la pompe des jets hydromassants ?

Étude du fonctionnement théorique

Afin de connaitre les contraintes hydrauliques auxquelles va être soumise la pompe, il est nécessaire d'étudier les caractéristiques du réseau qui est composé d'une partie aspiration et d'une partie refoulement.

L'aspiration consiste au pompage de l'eau du bassin par l'intermédiaire d'une crépine;

le refoulement consiste en la pulsion de l'eau depuis la pompe jusqu'à la bouche du projecteur de plage.

Le principe de l'installation et les dimensions utiles sont présentés dans le document technique DTS1.

DTS1: Plan d'installation du projecteur de plage

CONSTITUTION DU CIRCUIT HYDRAULIQUE

Aspiration

Canalisation de diamètre 80 mm et d'une longueur de 9,50 m,

1 crépine de pied

1 vanne standard de diamètre 80 mm,

Débit admissible, de 10 à 12 m³·h⁻¹.

Refoulement

Canalisation de diamètre 65 mm et d'une longueur de 4,30 m,

2 coudes à 90° de diamètre 65 et de rapport de courbure d/R = 0,6

1 vanne standard de diamètre 65 mm,

Débit admissible, de 10 à 12 m³·h⁻¹.

À partir des données théoriques de dimensionnement ($Q_{v\,théorique}$ et $Hmt_{théorique}$), le bureau d'études a déterminé la courbe caractéristique du réseau hydraulique en appliquant la relation $Hmt = a \cdot Q_v^2$, avec « a » la constante caractérisant le circuit hydraulique. La courbe est tracée sur le document réponse DRS2.

Le point de fonctionnement théorique se situant entre deux courbes caractéristiques du fonctionnement de la pompe choisie, il est nécessaire de déterminer quelle configuration de la pompe il faut privilégier. Dans un souci d'optimisation, le bureau d'études a retenu la configuration de pompe DIL 403-15/0,37.

DRS2: Extrait de la documentation technique de la pompe DIL de marque SALMSON

B1

Tracer sur le DRS2 le point de fonctionnement réel permettant de concilier les caractéristiques du réseau hydraulique et les conditions de fonctionnement de la pompe dans la configuration retenue par le bureau d'études (courbe DIL 403-15/0,37). Relever les caractéristiques ($Q_{v\,réel}$ et $Hmt_{réel}$) de ce point de fonctionnement.

La puissance absorbée et la puissance utile d'un système sont déterminées à partir de grandeurs de flux et d'efforts relatives à chacune des énergies en jeu. Dans le cas précis de la pompe hydraulique, l'ensemble de ces données peuvent être représentées sur le schéma suivant:

B2

À partir des conditions de fonctionnement réelles de la pompe, calculer en kilowatt (kW) la puissance hydraulique que la pompe devra développer au refoulement pour assurer le fonctionnement du projecteur de plage.

NOTA: $P_{hydrau} = Q_{v\,réel} \times \rho \times g \times Hmt_{réel}$; $P_{hydrau}$ en Watt avec $Q_v$ exprimé en m³/s; $\rho = 1\,000$ kg/m³; $g = 9{,}81$ m/s²

B3

Déterminer la puissance électrique absorbée par la pompe dans les conditions réelles de fonctionnement par lecture sur les courbes de fonctionnement de la pompe tracées sur le document DRS2.

B4

Exprimer la relation qui existe entre la puissance hydraulique et la puissance électrique absorbée pour illustrer la performance générale de la pompe. Calculer la valeur du rendement de la pompe dans les conditions de fonctionnement réelles.

Mise en situation

Parmi l'ensemble des postes consommateurs d'énergie rencontrés dans une piscine, il existe bon nombre de pompes permettant le fonctionnement de jets d'eau hydromassants installés pour l'agrément des baigneurs. Le fonctionnement de ces jets est basé sur la pulsion de l'eau pompée dans la piscine qui est refoulée à forte pression par l'intermédiaire d'une canne équipée d'une bouche permettant de former un jet de formes différentes.

Les conditions de fonctionnement de ces jets de plage sont obtenues au moyen de pompes qui sont amenées à fonctionner plusieurs heures par jour.

Partie A: comment optimiser les consommations d'énergie de la pompe des jets hydromassants ?

Étude du fonctionnement théorique

Afin de connaitre les contraintes hydrauliques auxquelles va être soumise la pompe, il est nécessaire d'étudier les caractéristiques du réseau qui est composé d'une partie aspiration et d'une partie refoulement.

L'aspiration consiste au pompage de l'eau du bassin par l'intermédiaire d'une crépine;

le refoulement consiste en la pulsion de l'eau depuis la pompe jusqu'à la bouche du projecteur de plage.

Le principe de l'installation et les dimensions utiles sont présentés dans le document technique DTS1.

DTS1: Plan d'installation du projecteur de plage

CONSTITUTION DU CIRCUIT HYDRAULIQUE

Aspiration

Canalisation de diamètre 80 mm et d'une longueur de 9,50 m,

1 crépine de pied

1 vanne standard de diamètre 80 mm,

Débit admissible, de 10 à 12 m³·h⁻¹.

Refoulement

Canalisation de diamètre 65 mm et d'une longueur de 4,30 m,

2 coudes à 90° de diamètre 65 et de rapport de courbure d/R = 0,6

1 vanne standard de diamètre 65 mm,

Débit admissible, de 10 à 12 m³·h⁻¹.

Choix 2 — Partie C: comment réaliser un débit variable du jet hydromassant ?

L'exploitant de la piscine désire régler le débit du jet hydromassant selon la fréquentation du bassin. Pour ce faire, un modulateur d'énergie est placé en amont de la motopompe. Ce modulateur d'énergie de type $U/f$ constant agit sur la fréquence et la tension d'alimentation du moteur.

Pour une fréquence de $50\text{ Hz}$, la pompe fonctionne à son régime nominal, le point $\text{B}_1$ sur le graphique du document réponse DRS3. À ce point de fonctionnement, la vitesse de rotation du moteur est $n = 1450\text{ tr}\cdot\text{min}^{-1}$, le débit $Q_{vn} = 13\text{ m}^3\cdot\text{h}^{-1}$ et la hauteur manométrique $H_{mtn} = 7\text{ mCE}$.

L'exploitant désire obtenir un débit de $11{,}5\text{ m}^3\cdot\text{h}^{-1}$ en cas de forte affluence et de $9{,}5\text{ m}^3\cdot\text{h}^{-1}$ en cas de faible affluence.

Question C1

Calculer le pourcentage de réduction du débit pour les deux affluences.

%

%

Tracer sur le document DRS3 ces 2 points de fonctionnement.

Question C2

En déduire la fréquence d'alimentation du moteur en Hz et la vitesse de rotation pour ces 2 points de fonctionnement.

Hz

tr/min

Hz

tr/min

Question C3

Pour une faible affluence, calculer la puissance hydraulique de la pompe et commenter cette valeur en terme d'économie d'énergie.

W

Pour obtenir ces 2 vitesses, le modulateur d'énergie est piloté par l'intermédiaire de deux entrées logiques I1 et I2.

La fréquence d'alimentation du moteur est programmée selon la table ci-dessous:

Entrées logiques

Moteur

I2

I1

fréquence (Hz)

0 · 0 · 0

0 · 1 · 40

1 · 0 · 45

1 · 1 · 50

Question C4

Compléter l'algorithme de pilotage du modulateur sur le document réponse DRS4 si on considère qu'une forte affluence est obtenue au-dessus de 10 personnes dans le bassin.

Branche « oui » (nombre de personnes > 10, forte affluence):

I1 =

I2 =

Branche « non » (nombre de personnes ≤ 10, faible affluence):

I1 =

I2 =