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

Mise en situation

Le Zoo Safari de Thoiry est un parc zoologique proche de Paris accueillant plus de 1500 animaux sur environ 150 hectares du domaine du château de Thoiry. Ceci en fait le deuxième parc le plus étendu en France et le douzième en nombre de visiteurs avec plus de 400 000 entrées chaque année.

Il se décompose, de façon originale, en 3 sections spécifiques:

le château et ses jardins botaniques (classés et labellisés « jardin remarquable » par le Ministère de la Culture);

le Safari;

le zoo classique abritant 750 animaux pour la plupart appartenant à des espèces protégées.

Le parc organise de nombreuses visites et ateliers pédagogiques, notamment pour les enfants de tous âges, encadrés par des animateurs et des soigneurs. Environ 13 000 élèves de primaire et de collège bénéficient de ces stages visant à la compréhension de la nature et des animaux chaque année.

L'Arche des petites bêtes

Inauguré en 2012 dans la section zoo, ce nouveau bâtiment a été imaginé afin de servir de refuge à des animaux moins impressionnants que ceux de la jungle, mal connus, mais parfois bien plus importants pour la biodiversité mondiale. Les « petites bêtes » ont été sélectionnées parmi une soixantaine d'espèces originales ( grenouille mousse, mygale à genoux rouges du Mexique, caméléon panthère, lézard à casque, méduse lune…).

L'Arche des petites bêtes a été conçue pour répondre à 3 objectifs.

- Être un centre d'élevage et de conservation pour les espèces d'invertébrés et d'amphibiens menacées

Le bâtiment sert de refuge, de nurserie et de lieu de reproduction pour des animaux rares et en voie d'extinction. Symboliquement, la structure choisie est celle d'un immense vaisseau de bois de 500 m².

- Être une structure pédagogique et ludique permettant de sensibiliser le public à la conservation de la biodiversité et au développement durable

« Le visiteur […] est invité à suivre un cheminement traversant cinq zones différentes qui le mènent de l'ombre à la lumière, tant physiquement que sur le plan de la réflexion scientifique et philosophique. Durant sa visite, il passe ainsi successivement par une étape de constat (menaces pesant sur la nature), par le temps de la découverte (merveilles de la nature), par le stade de l'obscurantisme (peur de la nature), par une phase d'observation (connaissance de la nature) pour enfin parvenir aux solutions (préservation de la biodiversité). » Extrait du dossier de presse.

L'ensemble de la structure est, de plus, conçue pour un accès intégral aux personnes à mobilité réduite dans un esprit et un design totalement innovant pouvant attirer un public en grand nombre.

- Être une éco-construction minimisant son impact sur l'environnement

« Edifiée avec des matériaux renouvelables et/ou recyclables, l'infrastructure répond au cahier des charges des bâtiments bioclimatiques: isolation très performante et inertie thermique, orientation et récupération des eaux de pluie, filtration de l'eau… De plus, l'Arche des petites bêtes a été bâtie avec des matériaux locaux. Ceux-ci présentent l'avantage d'avoir nécessité peu ou pas de transport (terre de la toiture), ou d'être d'un faible coût énergétique à la production (bois de la charpente), ou encore d'être en grande partie recyclables (béton de chanvre des murs) […].

Le toit végétalisé favorise l'intégration paysagère* mais rend aussi à la faune et à la flore locales la surface au sol affectée au bâtiment». Extrait du dossier de presse.

* Ne pas gêner les perspectives depuis le parc classé par un bâtiment trop visible.

Partie 1: Comment inscrire les matériaux choisis dans une démarche de développement durable ?

Question 1.1

Identifier, à partir des textes de présentation et du diagramme des exigences du DT1, pour chacun des 3 piliers du développement durable:

1 argument inscrivant le projet de l'arche dans une démarche environnementale.

1 argument inscrivant l'arche dans une démarche sociétale.

1 argument inscrivant l'arche dans une démarche économique.

Structure porteuse: la structure porteuse du toit du bâtiment est construite en poteaux de bois lamellé-collé (voir DT2). L'étude porte sur les 12 poteaux de la face externe. Ceux-ci mesurent 5,9 m de haut, ont une largeur à leur base de 0,5 m et à leur sommet de 1 m.

Le DT3 présente une étude éco-environnementale comparative entre la solution finalement choisie (bois et assemblage de provenance locale) et une solution en acier 5 fois plus résistant, permettant l'emploi d'une épaisseur plus fine, mais d'une provenance plus éloignée.

Question 1.2 (DT3)

Estimer, pour les 2 matériaux envisagés, les valeurs de l'énergie totale dépensée dans le cycle de vie d'un poteau puis de l'équivalent en kg de CO2 total rejeté, à l'aide des données du DT3.

Question 1.3 (DT3)

Calculer en pourcentage, dans le cas d'un poteau en acier, la part du transport dans l'énergie totale dépensée dans le cycle de vie puis dans l'équivalent en kg de CO2 total rejeté, à partir de DT3.

La part du transport pour la solution en bois est quasiment nulle. Justifier l'intérêt de l'emploi de matériaux locaux.

Question 1.4 (DT3)

Calculer le rapport énergie totale acier / énergie totale bois, à partir du DT3. Calculer ensuite le rapport équivalent en kg de CO2 total acier / équivalent en kg de CO2 total bois, toujours à partir du DT3. Justifier à l'aide de ces rapports le choix de la structure bois issue d'une production locale.

Matériau isolant sur les parois: les parois de l'arche ont été conçues afin d'assurer l'isolation thermique maximale du bâtiment, les « petites bêtes » vivant dans des univers spécifiques. Elles doivent également garantir la résistance mécanique, la rigidité et la sécurité des personnes. Le choix s'est porté sur un matériau composite et écologique, le béton de chanvre, obtenu par mélange d'un granulat léger d'origine végétale (le chanvre) et d'un liant minéral (la chaux). Comme tout végétal, le chanvre absorbe et stocke du CO2 pendant sa phase de croissance. Le DT4 donne certaines performances du béton de chanvre pertinentes pour notre étude.

Question 1.5 (DT4)

Expliquer pourquoi le béton de chanvre est un bon compromis pour assurer l'isolation thermique et garantir la résistance des parois, en vous appuyant sur les données du DT4.

Le béton de chanvre n'est pas la solution traditionnellement choisie par les constructeurs pour ce type de parois. Le Document Technique DT5 présente une comparaison entre le béton de chanvre et d'autres solutions d'un point de vue environnemental.

Question 1.6 (DT5)

Relever, sur le DT5, la valeur de CO2 émis par le béton de chanvre durant son cycle de vie. Expliquer pourquoi cette valeur est négative. Conclure quant aux choix de l'architecte vis-à-vis des critères environnementaux pour la réalisation des parois.

Partie 2: Comment respecter la réglementation thermique en vigueur ?

Mise en situation

Le Zoo Safari de Thoiry est un parc zoologique proche de Paris accueillant plus de 1500 animaux sur environ 150 hectares du domaine du château de Thoiry. Ceci en fait le deuxième parc le plus étendu en France et le douzième en nombre de visiteurs avec plus de 400 000 entrées chaque année.

Il se décompose, de façon originale, en 3 sections spécifiques:

le château et ses jardins botaniques (classés et labellisés « jardin remarquable » par le Ministère de la Culture);

le Safari;

le zoo classique abritant 750 animaux pour la plupart appartenant à des espèces protégées.

Le parc organise de nombreuses visites et ateliers pédagogiques, notamment pour les enfants de tous âges, encadrés par des animateurs et des soigneurs. Environ 13 000 élèves de primaire et de collège bénéficient de ces stages visant à la compréhension de la nature et des animaux chaque année.

L'Arche des petites bêtes

Inauguré en 2012 dans la section zoo, ce nouveau bâtiment a été imaginé afin de servir de refuge à des animaux moins impressionnants que ceux de la jungle, mal connus, mais parfois bien plus importants pour la biodiversité mondiale. Les « petites bêtes » ont été sélectionnées parmi une soixantaine d'espèces originales ( grenouille mousse, mygale à genoux rouges du Mexique, caméléon panthère, lézard à casque, méduse lune…).

L'Arche des petites bêtes a été conçue pour répondre à 3 objectifs.

- Être un centre d'élevage et de conservation pour les espèces d'invertébrés et d'amphibiens menacées

Le bâtiment sert de refuge, de nurserie et de lieu de reproduction pour des animaux rares et en voie d'extinction. Symboliquement, la structure choisie est celle d'un immense vaisseau de bois de 500 m².

- Être une structure pédagogique et ludique permettant de sensibiliser le public à la conservation de la biodiversité et au développement durable

« Le visiteur […] est invité à suivre un cheminement traversant cinq zones différentes qui le mènent de l'ombre à la lumière, tant physiquement que sur le plan de la réflexion scientifique et philosophique. Durant sa visite, il passe ainsi successivement par une étape de constat (menaces pesant sur la nature), par le temps de la découverte (merveilles de la nature), par le stade de l'obscurantisme (peur de la nature), par une phase d'observation (connaissance de la nature) pour enfin parvenir aux solutions (préservation de la biodiversité). » Extrait du dossier de presse.

L'ensemble de la structure est, de plus, conçue pour un accès intégral aux personnes à mobilité réduite dans un esprit et un design totalement innovant pouvant attirer un public en grand nombre.

- Être une éco-construction minimisant son impact sur l'environnement

« Edifiée avec des matériaux renouvelables et/ou recyclables, l'infrastructure répond au cahier des charges des bâtiments bioclimatiques: isolation très performante et inertie thermique, orientation et récupération des eaux de pluie, filtration de l'eau… De plus, l'Arche des petites bêtes a été bâtie avec des matériaux locaux. Ceux-ci présentent l'avantage d'avoir nécessité peu ou pas de transport (terre de la toiture), ou d'être d'un faible coût énergétique à la production (bois de la charpente), ou encore d'être en grande partie recyclables (béton de chanvre des murs) […].

Le toit végétalisé favorise l'intégration paysagère* mais rend aussi à la faune et à la flore locales la surface au sol affectée au bâtiment». Extrait du dossier de presse.

* Ne pas gêner les perspectives depuis le parc classé par un bâtiment trop visible.

La technique du béton projeté utilisée pour la mise en œuvre du béton de chanvre permet d'obtenir la courbure esthétique de la face externe, voulue par l'architecte. L'épaisseur des murs en béton de chanvre n'est donc pas constante.

DT6: plan de structure - coupe verticale des murs

2.1 à 2.3

Question 2.1: Relever les épaisseurs minimale et maximale des murs données sur les plans du DT6 (coupe AA). Calculer l'épaisseur moyenne $e_{\text{moy}} = (e_{\max} + e_{\min}) / 2$. Compléter les cases correspondant à l'épaisseur moyenne $e_{\text{moy}}$ du béton de chanvre et de l'enduit de chaux sur le DR1.

Question 2.2: Calculer les résistances thermiques des couches de béton de chanvre et d'enduit de chaux en utilisant le DT7. Indiquer ces valeurs sur le DR1.

Question 2.3: Identifier les valeurs des résistances superficielles extérieures et intérieures d'une paroi verticale en utilisant le DT8. Indiquer ces valeurs sur le DR1. Calculer la résistance thermique totale de la paroi. Indiquer cette valeur sur le DR1.

DT8: résistances thermiques superficielles

DOCUMENT RÉPONSES DR1 - Calcul de la résistance thermique de la paroi en béton de chanvre:

Nom

Épaisseur en m

Conductivité thermique $\lambda$ ($\text{W}\cdot\text{m}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$)

Résistance thermique $R_{\text{th}}$ ($\text{m}^2\cdot\text{K}\cdot\text{W}^{-1}$)

Surface extérieure

—

—

Enduit de chaux

0,7

Béton de chanvre

0,1

Surface intérieure

—

—

$R_{\text{th}}$ totale

2.4

Question 2.4: En déduire le coefficient de transmission thermique $U_P$ de la paroi sur le DR1 et vérifier que la réglementation $U_{\max}$ est respectée.

W·m⁻²·K⁻¹

2.5

On donne la longueur totale des murs: 88,77 m et on néglige, pour le calcul, les diverses ouvertures du bâtiment.

Question 2.5: Relever la hauteur des murs en béton de chanvre sur le plan donné dans le DT6. En déduire la surface des murs en béton de chanvre.

2.6

Pour le confort des visiteurs, on souhaite maintenir une température à l'intérieur de l'Arche de 19°C. La période de chauffe du bâtiment dure du 1er octobre au 30 avril, soit 212 jours. En raison de la forme arrondie de la paroi, le coefficient de transmission thermique moyen est $U_P = 0,4\ \text{W}\cdot\text{m}^{-2}\cdot\text{K}^{-1}$.

Question 2.6: Calculer la température extérieure moyenne durant la période de chauffe à l'aide des informations du DT9. En déduire l'écart de température moyen entre l'intérieur et l'extérieur durant cette période. Calculer le flux thermique moyen qui traverse les parois verticales en béton de chanvre en kW.

DT9: données climatiques de Thoiry

°C

°C

kW

2.7

Question 2.7: Calculer l'énergie thermique perdue au travers des parois verticales en béton de chanvre en kW·h durant la période de chauffe. Compléter le DR2 pour obtenir les déperditions thermiques totales.

kW·h

DOCUMENT RÉPONSES DR2 - Calcul des déperditions thermiques:

Paroi

Pertes en kW·h

Plancher bas

10260

Mur extérieur

Toiture terrasse végétalisée

11215

Plancher sous comble

1370

TOTAL

2.8

L'étude précédente permet d'estimer les déperditions énergétiques à environ 37 000 kW·h. Un logiciel de simulation numérique a permis d'obtenir un bilan énergétique thermique complet de l'Arche. Ce résultat est présenté sous la forme d'un diagramme de Sankey dans le document DT10.

DT10: diagramme de Sankey des apports internes pour le chauffage

Question 2.8: Comparer les valeurs des déperditions obtenues par simulation avec celles calculées par l'étude. Expliquer cette différence en citant 2 autres sources de déperditions thermiques qui n'ont pas été prises en compte dans les calculs.

Mise en situation

Le Zoo Safari de Thoiry est un parc zoologique proche de Paris accueillant plus de 1500 animaux sur environ 150 hectares du domaine du château de Thoiry. Ceci en fait le deuxième parc le plus étendu en France et le douzième en nombre de visiteurs avec plus de 400 000 entrées chaque année.

Il se décompose, de façon originale, en 3 sections spécifiques:

le château et ses jardins botaniques (classés et labellisés « jardin remarquable » par le Ministère de la Culture);

le Safari;

le zoo classique abritant 750 animaux pour la plupart appartenant à des espèces protégées.

Le parc organise de nombreuses visites et ateliers pédagogiques, notamment pour les enfants de tous âges, encadrés par des animateurs et des soigneurs. Environ 13 000 élèves de primaire et de collège bénéficient de ces stages visant à la compréhension de la nature et des animaux chaque année.

L'Arche des petites bêtes

Inauguré en 2012 dans la section zoo, ce nouveau bâtiment a été imaginé afin de servir de refuge à des animaux moins impressionnants que ceux de la jungle, mal connus, mais parfois bien plus importants pour la biodiversité mondiale. Les « petites bêtes » ont été sélectionnées parmi une soixantaine d'espèces originales ( grenouille mousse, mygale à genoux rouges du Mexique, caméléon panthère, lézard à casque, méduse lune…).

L'Arche des petites bêtes a été conçue pour répondre à 3 objectifs.

- Être un centre d'élevage et de conservation pour les espèces d'invertébrés et d'amphibiens menacées

Le bâtiment sert de refuge, de nurserie et de lieu de reproduction pour des animaux rares et en voie d'extinction. Symboliquement, la structure choisie est celle d'un immense vaisseau de bois de 500 m².

- Être une structure pédagogique et ludique permettant de sensibiliser le public à la conservation de la biodiversité et au développement durable

« Le visiteur […] est invité à suivre un cheminement traversant cinq zones différentes qui le mènent de l'ombre à la lumière, tant physiquement que sur le plan de la réflexion scientifique et philosophique. Durant sa visite, il passe ainsi successivement par une étape de constat (menaces pesant sur la nature), par le temps de la découverte (merveilles de la nature), par le stade de l'obscurantisme (peur de la nature), par une phase d'observation (connaissance de la nature) pour enfin parvenir aux solutions (préservation de la biodiversité). » Extrait du dossier de presse.

L'ensemble de la structure est, de plus, conçue pour un accès intégral aux personnes à mobilité réduite dans un esprit et un design totalement innovant pouvant attirer un public en grand nombre.

- Être une éco-construction minimisant son impact sur l'environnement

« Edifiée avec des matériaux renouvelables et/ou recyclables, l'infrastructure répond au cahier des charges des bâtiments bioclimatiques: isolation très performante et inertie thermique, orientation et récupération des eaux de pluie, filtration de l'eau… De plus, l'Arche des petites bêtes a été bâtie avec des matériaux locaux. Ceux-ci présentent l'avantage d'avoir nécessité peu ou pas de transport (terre de la toiture), ou d'être d'un faible coût énergétique à la production (bois de la charpente), ou encore d'être en grande partie recyclables (béton de chanvre des murs) […].

Le toit végétalisé favorise l'intégration paysagère* mais rend aussi à la faune et à la flore locales la surface au sol affectée au bâtiment». Extrait du dossier de presse.

* Ne pas gêner les perspectives depuis le parc classé par un bâtiment trop visible.

Partie 3: Comment couvrir de manière renouvelable une partie des besoins énergétiques de l'arche ?

Selon le diagramme de Sankey, les besoins thermiques nets sont de 21 679 kWh. On estime que ceux-ci représentent environ 70 % des besoins énergétiques globaux du bâtiment. Ces besoins sont donc évalués à 30 000 kWh par an. Afin de respecter les contraintes environnementales de l'Arche, on souhaite mettre en place des panneaux solaires photovoltaïques pour couvrir une partie des besoins énergétiques.

3.1

Indiquer le pourcentage d'énergie renouvelable à injecter dans le système, à partir du diagramme SysML des exigences (DT1).

En déduire l'énergie que doivent produire les panneaux solaires.

DT1: diagramme des exigences

%

3.2

Justifier le choix d'une inclinaison des panneaux solaires à 45°, à partir de l'irradiation globale présentée sur le document technique DT11.

DT11: irradiation solaire pour la commune de Thoiry pour différents plans inclinés

mois

Irradiation globale journalière (kW·h·m⁻²)

- Inclinaison 0°

Irradiation globale journalière (kW·h·m⁻²)

- Inclinaison 45°

Irradiation globale journalière (kW·h·m⁻²)

- Inclinaison 90°

janvier · 0,87 · 1,3 · 1,19

février · 1,52 · 2,01 · 1,72

mars · 2,88 · 3,52 · 2,74

avril · 3,92 · 4,05 · 2,71

mai · 5,01 · 4,7 · 2,82

juin · 5,59 · 5,01 · 2,85

juillet · 5,33 · 4,86 · 2,82

août · 4,44 · 4,39 · 2,78

septembre · 3,38 · 3,86 · 2,81

octobre · 1,98 · 2,61 · 2,18

novembre · 0,99 · 1,4 · 1,25

décembre · 0,72 · 1,11 · 1,04

Moyenne · 3,0525 · 3,235 · 2,2425

3.3

Indiquer la valeur de la quantité d'énergie récupérable sur une année, par m² de panneaux, à partir du DT12 (valeurs irradiation solaire).

DT12: irradiation solaire pour la commune de Thoiry sur un plan incliné à 45°

mois

Irradiation globale cumulée mensuelle (kW·h·m⁻²) - Inclinaison 45°

janvier · 27

février · 43

mars · 89

avril · 118

mai · 155

juin · 168

juillet · 165

août · 138

septembre · 101

octobre · 61

novembre · 30

décembre · 22

On choisit d'installer des panneaux solaires « Systovi » de puissance 300Wc. Fabriqués en France, ils permettent de réduire l'impact environnemental dû au transport des matériaux.

Extrait DT13: fiche technique panneau solaire Systovi 300Wc

Technologie monocristalline PERC. Modules full black 60 cellules d'une puissance de 300 Wc avec un rendement surfacique de 18,6 %.

Cellules solaires: Monocristallines PERC 156 x 156 mm

Disposition des cellules: 60 cellules (6 x 10)

Dimension du module (avec le cadre): 1 648 x 988 x 35 mm

Poids: 17,8 kg

3.4

Relever les dimensions d'une cellule, d'après le DT13 (fiche technique panneau solaire). En déduire la surface totale de cellules composant un panneau.

3.5

Calculer la quantité d'énergie solaire qu'un panneau peut capter sur une année (en kW·h) s'ils sont inclinés à 45°.

3.6

Relever, sur le DT13, la valeur du rendement du panneau choisi (fiche technique panneau solaire). En déduire la quantité d'énergie électrique récupérable sur une année par un panneau solaire.

%

3.7

L'installateur propose de mettre en place 15 panneaux solaires.

Conclure en justifiant sur le respect du cahier des charges.

Mise en situation

Le Zoo Safari de Thoiry est un parc zoologique proche de Paris accueillant plus de 1500 animaux sur environ 150 hectares du domaine du château de Thoiry. Ceci en fait le deuxième parc le plus étendu en France et le douzième en nombre de visiteurs avec plus de 400 000 entrées chaque année.

Il se décompose, de façon originale, en 3 sections spécifiques:

le château et ses jardins botaniques (classés et labellisés « jardin remarquable » par le Ministère de la Culture);

le Safari;

le zoo classique abritant 750 animaux pour la plupart appartenant à des espèces protégées.

Le parc organise de nombreuses visites et ateliers pédagogiques, notamment pour les enfants de tous âges, encadrés par des animateurs et des soigneurs. Environ 13 000 élèves de primaire et de collège bénéficient de ces stages visant à la compréhension de la nature et des animaux chaque année.

L'Arche des petites bêtes

Inauguré en 2012 dans la section zoo, ce nouveau bâtiment a été imaginé afin de servir de refuge à des animaux moins impressionnants que ceux de la jungle, mal connus, mais parfois bien plus importants pour la biodiversité mondiale. Les « petites bêtes » ont été sélectionnées parmi une soixantaine d'espèces originales ( grenouille mousse, mygale à genoux rouges du Mexique, caméléon panthère, lézard à casque, méduse lune…).

L'Arche des petites bêtes a été conçue pour répondre à 3 objectifs.

- Être un centre d'élevage et de conservation pour les espèces d'invertébrés et d'amphibiens menacées

Le bâtiment sert de refuge, de nurserie et de lieu de reproduction pour des animaux rares et en voie d'extinction. Symboliquement, la structure choisie est celle d'un immense vaisseau de bois de 500 m².

- Être une structure pédagogique et ludique permettant de sensibiliser le public à la conservation de la biodiversité et au développement durable

« Le visiteur […] est invité à suivre un cheminement traversant cinq zones différentes qui le mènent de l'ombre à la lumière, tant physiquement que sur le plan de la réflexion scientifique et philosophique. Durant sa visite, il passe ainsi successivement par une étape de constat (menaces pesant sur la nature), par le temps de la découverte (merveilles de la nature), par le stade de l'obscurantisme (peur de la nature), par une phase d'observation (connaissance de la nature) pour enfin parvenir aux solutions (préservation de la biodiversité). » Extrait du dossier de presse.

L'ensemble de la structure est, de plus, conçue pour un accès intégral aux personnes à mobilité réduite dans un esprit et un design totalement innovant pouvant attirer un public en grand nombre.

- Être une éco-construction minimisant son impact sur l'environnement

« Edifiée avec des matériaux renouvelables et/ou recyclables, l'infrastructure répond au cahier des charges des bâtiments bioclimatiques: isolation très performante et inertie thermique, orientation et récupération des eaux de pluie, filtration de l'eau… De plus, l'Arche des petites bêtes a été bâtie avec des matériaux locaux. Ceux-ci présentent l'avantage d'avoir nécessité peu ou pas de transport (terre de la toiture), ou d'être d'un faible coût énergétique à la production (bois de la charpente), ou encore d'être en grande partie recyclables (béton de chanvre des murs) […].

Le toit végétalisé favorise l'intégration paysagère* mais rend aussi à la faune et à la flore locales la surface au sol affectée au bâtiment». Extrait du dossier de presse.

* Ne pas gêner les perspectives depuis le parc classé par un bâtiment trop visible.

Partie 4: Comment améliorer la communication envers les publics scolaires ?

Les parcs zoologiques jouent désormais un rôle crucial dans la préservation de la biodiversité, grâce à leur capacité à sensibiliser et à éduquer un nombre croissant de visiteurs.

Afin de les sensibiliser à la préservation des espèces menacées d'extinction, le zoo souhaite mettre en place le prêt de tablettes numériques permettant une visite plus ludique pour les plus jeunes. L'application qui sera installée nécessite une communication entre les tablettes et un accès internet. Le zoo prévoit l'accueil de groupes scolaires de 30 enfants maximum. Deux groupes scolaires pourront effectuer la visite de l'Arche en même temps.

Le plan d'installation du réseau informatique déjà en place est présenté sur le Document Technique DT14.

DT1: diagramme des exigences

4.1

Indiquer la solution retenue pour rendre attractif l'Arche pour les enfants, à partir du diagramme des exigences (DT1).

Mise en situation

Le Zoo Safari de Thoiry est un parc zoologique proche de Paris accueillant plus de 1500 animaux sur environ 150 hectares du domaine du château de Thoiry. Ceci en fait le deuxième parc le plus étendu en France et le douzième en nombre de visiteurs avec plus de 400 000 entrées chaque année.

Il se décompose, de façon originale, en 3 sections spécifiques:

le château et ses jardins botaniques (classés et labellisés « jardin remarquable » par le Ministère de la Culture);

le Safari;

le zoo classique abritant 750 animaux pour la plupart appartenant à des espèces protégées.

Le parc organise de nombreuses visites et ateliers pédagogiques, notamment pour les enfants de tous âges, encadrés par des animateurs et des soigneurs. Environ 13 000 élèves de primaire et de collège bénéficient de ces stages visant à la compréhension de la nature et des animaux chaque année.

L'Arche des petites bêtes

Inauguré en 2012 dans la section zoo, ce nouveau bâtiment a été imaginé afin de servir de refuge à des animaux moins impressionnants que ceux de la jungle, mal connus, mais parfois bien plus importants pour la biodiversité mondiale. Les « petites bêtes » ont été sélectionnées parmi une soixantaine d'espèces originales ( grenouille mousse, mygale à genoux rouges du Mexique, caméléon panthère, lézard à casque, méduse lune…).

L'Arche des petites bêtes a été conçue pour répondre à 3 objectifs.

- Être un centre d'élevage et de conservation pour les espèces d'invertébrés et d'amphibiens menacées

Le bâtiment sert de refuge, de nurserie et de lieu de reproduction pour des animaux rares et en voie d'extinction. Symboliquement, la structure choisie est celle d'un immense vaisseau de bois de 500 m².

- Être une structure pédagogique et ludique permettant de sensibiliser le public à la conservation de la biodiversité et au développement durable

« Le visiteur […] est invité à suivre un cheminement traversant cinq zones différentes qui le mènent de l'ombre à la lumière, tant physiquement que sur le plan de la réflexion scientifique et philosophique. Durant sa visite, il passe ainsi successivement par une étape de constat (menaces pesant sur la nature), par le temps de la découverte (merveilles de la nature), par le stade de l'obscurantisme (peur de la nature), par une phase d'observation (connaissance de la nature) pour enfin parvenir aux solutions (préservation de la biodiversité). » Extrait du dossier de presse.

L'ensemble de la structure est, de plus, conçue pour un accès intégral aux personnes à mobilité réduite dans un esprit et un design totalement innovant pouvant attirer un public en grand nombre.

- Être une éco-construction minimisant son impact sur l'environnement

« Edifiée avec des matériaux renouvelables et/ou recyclables, l'infrastructure répond au cahier des charges des bâtiments bioclimatiques: isolation très performante et inertie thermique, orientation et récupération des eaux de pluie, filtration de l'eau… De plus, l'Arche des petites bêtes a été bâtie avec des matériaux locaux. Ceux-ci présentent l'avantage d'avoir nécessité peu ou pas de transport (terre de la toiture), ou d'être d'un faible coût énergétique à la production (bois de la charpente), ou encore d'être en grande partie recyclables (béton de chanvre des murs) […].

Le toit végétalisé favorise l'intégration paysagère* mais rend aussi à la faune et à la flore locales la surface au sol affectée au bâtiment». Extrait du dossier de presse.

* Ne pas gêner les perspectives depuis le parc classé par un bâtiment trop visible.

Partie 4: Comment améliorer la communication envers les publics scolaires ?

Les parcs zoologiques jouent désormais un rôle crucial dans la préservation de la biodiversité, grâce à leur capacité à sensibiliser et à éduquer un nombre croissant de visiteurs.

Afin de les sensibiliser à la préservation des espèces menacées d'extinction, le zoo souhaite mettre en place le prêt de tablettes numériques permettant une visite plus ludique pour les plus jeunes. L'application qui sera installée nécessite une communication entre les tablettes et un accès internet. Le zoo prévoit l'accueil de groupes scolaires de 30 enfants maximum. Deux groupes scolaires pourront effectuer la visite de l'Arche en même temps.

Document Technique DT14: plan d'installation du réseau informatique de l'arche

Document Technique DT1: extrait du diagramme des exigences

4.2

Déterminer le nombre d'équipements déjà adressés sur le réseau interne de l'Arche, à partir du plan d'implantation du réseau informatique de l'Arche (DT14).

4.3

Indiquer les valeurs décimales de l'adresse IP du réseau en place et de son masque de sous-réseau, à partir du plan d'implantation du réseau informatique de l'Arche (DT14).

4.4

Indiquer les deux plages d'adresses IP disponibles pour raccorder des nouveaux appareils.

4.5

Déterminer le nombre d'adresses IP restant disponibles.

4.6

Comparer vos résultats, en termes de capacité de connexion de tablettes, au cahier des charges (DT1). Conclure sur les capacités de l'Arche à accueillir les groupes scolaires dans les conditions souhaitées par les responsables du zoo.

Mise en situation

Le Zoo Safari de Thoiry est un parc zoologique proche de Paris accueillant plus de 1500 animaux sur environ 150 hectares du domaine du château de Thoiry. Ceci en fait le deuxième parc le plus étendu en France et le douzième en nombre de visiteurs avec plus de 400 000 entrées chaque année.

Il se décompose, de façon originale, en 3 sections spécifiques:

le château et ses jardins botaniques (classés et labellisés « jardin remarquable » par le Ministère de la Culture);

le Safari;

le zoo classique abritant 750 animaux pour la plupart appartenant à des espèces protégées.

Le parc organise de nombreuses visites et ateliers pédagogiques, notamment pour les enfants de tous âges, encadrés par des animateurs et des soigneurs. Environ 13 000 élèves de primaire et de collège bénéficient de ces stages visant à la compréhension de la nature et des animaux chaque année.

L'Arche des petites bêtes

Inauguré en 2012 dans la section zoo, ce nouveau bâtiment a été imaginé afin de servir de refuge à des animaux moins impressionnants que ceux de la jungle, mal connus, mais parfois bien plus importants pour la biodiversité mondiale. Les « petites bêtes » ont été sélectionnées parmi une soixantaine d'espèces originales ( grenouille mousse, mygale à genoux rouges du Mexique, caméléon panthère, lézard à casque, méduse lune…).

L'Arche des petites bêtes a été conçue pour répondre à 3 objectifs.

- Être un centre d'élevage et de conservation pour les espèces d'invertébrés et d'amphibiens menacées

Le bâtiment sert de refuge, de nurserie et de lieu de reproduction pour des animaux rares et en voie d'extinction. Symboliquement, la structure choisie est celle d'un immense vaisseau de bois de 500 m².

- Être une structure pédagogique et ludique permettant de sensibiliser le public à la conservation de la biodiversité et au développement durable

« Le visiteur […] est invité à suivre un cheminement traversant cinq zones différentes qui le mènent de l'ombre à la lumière, tant physiquement que sur le plan de la réflexion scientifique et philosophique. Durant sa visite, il passe ainsi successivement par une étape de constat (menaces pesant sur la nature), par le temps de la découverte (merveilles de la nature), par le stade de l'obscurantisme (peur de la nature), par une phase d'observation (connaissance de la nature) pour enfin parvenir aux solutions (préservation de la biodiversité). » Extrait du dossier de presse.

L'ensemble de la structure est, de plus, conçue pour un accès intégral aux personnes à mobilité réduite dans un esprit et un design totalement innovant pouvant attirer un public en grand nombre.

- Être une éco-construction minimisant son impact sur l'environnement

« Edifiée avec des matériaux renouvelables et/ou recyclables, l'infrastructure répond au cahier des charges des bâtiments bioclimatiques: isolation très performante et inertie thermique, orientation et récupération des eaux de pluie, filtration de l'eau… De plus, l'Arche des petites bêtes a été bâtie avec des matériaux locaux. Ceux-ci présentent l'avantage d'avoir nécessité peu ou pas de transport (terre de la toiture), ou d'être d'un faible coût énergétique à la production (bois de la charpente), ou encore d'être en grande partie recyclables (béton de chanvre des murs) […].

Le toit végétalisé favorise l'intégration paysagère* mais rend aussi à la faune et à la flore locales la surface au sol affectée au bâtiment». Extrait du dossier de presse.

* Ne pas gêner les perspectives depuis le parc classé par un bâtiment trop visible.

Conclusion générale

Question 4.7

Argumenter sur le bien-fondé des solutions développées, pour chacune des 4 parties étudiées, du point de vue des 3 piliers du développement durable.

Mise en situation

Extrêmement répandue, la méduse lune fréquente toutes les mers et les océans du globe, à l’exception des eaux très froides des régions polaires. La prolifération des méduses est un indicateur du réchauffement de la température des eaux, mais aussi de la disparition de leurs prédateurs (tortues marines, thons, poisson-lune…).

Afin de sensibiliser les visiteurs aux effets du réchauffement climatique, l’aquarium des méduses est situé à l’entrée de l’Arche des petites bêtes. Dans la première zone (zone d’alerte sur les menaces pesant sur l’environnement), l’idée principale est de prévenir l’homme quant à l’urgence d’agir pour sauver la biodiversité.

Pour éviter toute mort rapide des méduses en captivité, il est essentiel de garantir certaines conditions de vie au niveau de leur aquarium. Il est spécialement conçu pour les méduses afin de créer un flux d’eau continu. Il a, de plus, des formes arrondies afin que les méduses ne puissent pas se bloquer dans les coins. Une filtration est également assurée pour que ces dernières ne puissent pas être aspirées. La température optimale pour la conservation des méduses est comprise entre 18 et 22°C.

Travail demandé

Comment assurer un flux continu d’eau dans l’aquarium des méduses ?

Le constructeur de l’installation décide d’utiliser une pompe électrique. L’alimentation en énergie électrique de la pompe se fait à partir du réseau de distribution EDF via un modulateur de puissance de type gradateur pour assurer la variation de débit de la pompe. Le contrôle de la température est réalisé via un asservissement de température (non étudié ici) agissant sur un échangeur thermique. Afin d’éviter que les méduses ne soient aspirées par le système de circulation de l’eau, un filtre est placé en sortie du bassin. Le schéma de principe de l’installation est fourni dans le document technique DTS1.

Le cahier des charges impose un débit volumique de $500\text{ L}\cdot\text{h}^{-1}$ (soit $1{,}39\cdot 10^{-4}\text{ m}^3\cdot\text{s}^{-1}$).

Le choix du matériel devra permettre une utilisation au plus près du point de fonctionnement optimum et ainsi obtenir un rendement de la pompe supérieur à 60 %.

Choix 1 - Partie A: vérification des performances hydrauliques

A.1

La structure de la chaîne de puissance du système hydraulique est donnée sur le document réponse DRS1. Compléter le DRS1 en indiquant la nature des flux d'énergie ainsi que les grandeurs flux et efforts de ces énergies. Préciser les unités.

Hypothèse de calcul et caractéristiques du réseau

Les pertes de charges régulières sont négligeables devant les pertes de charges singulières (voir DTS2).

Appareil

Nombre

Coefficient de pertes de charge $\xi$

Échangeur

1

60

Filtre

1

80

Coude 90°

4

1,5

A.2

Calculer la vitesse d'écoulement du fluide, en utilisant le débit fixé par le cahier des charges et la taille des canalisations ($D_{\text{int}} = 16\text{ mm}$, $Q_v = 1{,}39 \cdot 10^{-4}\text{ m}^3/\text{s}$). En déduire la pression dynamique à l'intérieur des canalisations (en Pascal).

A.3

Estimer la pression perdue (en Pascal) dans le circuit hydraulique à cause des singularités (pertes de charges singulières), à l'aide des caractéristiques du réseau présenté dans le tableau précédent. Vérifier que les pertes de charges singulières représentent une perte de pression d'environ $3{,}6\text{ mCE}$ ($1\text{ mCE} = 9810\text{ Pa}$, voir DTS2).

A.4

Les pertes de charges régulières sont estimées à $1{,}5\text{ mCE}$. Estimer la différence de pression minimale que devra fournir la pompe. Donner le résultat en mètres de colonne d'eau puis en Pascal. Déterminer la puissance hydraulique nécessaire à la circulation de l'eau au débit voulu.

A.5

Le choix du constructeur se porte sur la pompe dont la documentation technique est donnée en DTS3. Justifier le choix de la pompe suivant deux critères.

Mise en situation

Extrêmement répandue, la méduse lune fréquente toutes les mers et les océans du globe, à l’exception des eaux très froides des régions polaires. La prolifération des méduses est un indicateur du réchauffement de la température des eaux, mais aussi de la disparition de leurs prédateurs (tortues marines, thons, poisson-lune…).

Afin de sensibiliser les visiteurs aux effets du réchauffement climatique, l’aquarium des méduses est situé à l’entrée de l’Arche des petites bêtes. Dans la première zone (zone d’alerte sur les menaces pesant sur l’environnement), l’idée principale est de prévenir l’homme quant à l’urgence d’agir pour sauver la biodiversité.

Pour éviter toute mort rapide des méduses en captivité, il est essentiel de garantir certaines conditions de vie au niveau de leur aquarium. Il est spécialement conçu pour les méduses afin de créer un flux d’eau continu. Il a, de plus, des formes arrondies afin que les méduses ne puissent pas se bloquer dans les coins. Une filtration est également assurée pour que ces dernières ne puissent pas être aspirées. La température optimale pour la conservation des méduses est comprise entre 18 et 22°C.

Travail demandé

Comment assurer un flux continu d’eau dans l’aquarium des méduses ?

Le constructeur de l’installation décide d’utiliser une pompe électrique. L’alimentation en énergie électrique de la pompe se fait à partir du réseau de distribution EDF via un modulateur de puissance de type gradateur pour assurer la variation de débit de la pompe. Le contrôle de la température est réalisé via un asservissement de température (non étudié ici) agissant sur un échangeur thermique. Afin d’éviter que les méduses ne soient aspirées par le système de circulation de l’eau, un filtre est placé en sortie du bassin. Le schéma de principe de l’installation est fourni dans le document technique DTS1.

Le cahier des charges impose un débit volumique de $500\text{ L}\cdot\text{h}^{-1}$ (soit $1{,}39\cdot 10^{-4}\text{ m}^3\cdot\text{s}^{-1}$).

Le choix du matériel devra permettre une utilisation au plus près du point de fonctionnement optimum et ainsi obtenir un rendement de la pompe supérieur à 60 %.

Partie B: vérification des performances électriques

Le choix du constructeur pour la modulation de puissance se porte sur un gradateur. L'objectif est de vérifier le respect du cahier des charges en termes de rendement de la pompe.

Des essais sont réalisés sur le système réel afin de vérifier la consommation électrique de la pompe. Les résultats des mesures sont présentés sur le DTS4. L'essai est réalisé alors que la puissance hydraulique de la pompe est de 7W.

Question B.1

Déterminer le type de gradateur à mettre en œuvre (angle de phase ou train d'ondes), sachant que celui-ci est utilisé pour piloter une pompe. Justifier ce choix.

Question B.2

Le Document Technique DTS5 présente différents choix possibles pour le gradateur. Donner la référence du gradateur le plus adapté au pilotage de la pompe en place. Justifier le choix en définissant les critères pris en compte.

Référence

009100

009101

008200

008201

Type de gradateur

Train d'ondes

Train d'ondes

Angle de phase

Angle de phase

Fréquence d'alimentation

50/60 Hz

50/60 Hz

50/60 Hz

50/60 Hz

Tension d'alimentation

1x230 V

1x230 V

1x230 V

1x230 V

Intensité Moteur

2A

9A

2A

9A

Prix

180 € HT

210 € HT

230 € HT

260 € HT

Question B.3

Calculer les puissances active, réactive et apparente du moteur lors de l'essai (DTS4).

DTS4: mesures de la consommation électrique de la pompe

Question B.4

Déterminer le rendement de la pompe dans ces conditions.

Question B.5

Conclure quant au respect du cahier des charges.

Mise en situation

Extrêmement répandue, la méduse lune fréquente toutes les mers et les océans du globe, à l’exception des eaux très froides des régions polaires. La prolifération des méduses est un indicateur du réchauffement de la température des eaux, mais aussi de la disparition de leurs prédateurs (tortues marines, thons, poisson-lune…).

Afin de sensibiliser les visiteurs aux effets du réchauffement climatique, l’aquarium des méduses est situé à l’entrée de l’Arche des petites bêtes. Dans la première zone (zone d’alerte sur les menaces pesant sur l’environnement), l’idée principale est de prévenir l’homme quant à l’urgence d’agir pour sauver la biodiversité.

Pour éviter toute mort rapide des méduses en captivité, il est essentiel de garantir certaines conditions de vie au niveau de leur aquarium. Il est spécialement conçu pour les méduses afin de créer un flux d’eau continu. Il a, de plus, des formes arrondies afin que les méduses ne puissent pas se bloquer dans les coins. Une filtration est également assurée pour que ces dernières ne puissent pas être aspirées. La température optimale pour la conservation des méduses est comprise entre 18 et 22°C.

Travail demandé

Comment assurer un flux continu d’eau dans l’aquarium des méduses ?

Le constructeur de l’installation décide d’utiliser une pompe électrique. L’alimentation en énergie électrique de la pompe se fait à partir du réseau de distribution EDF via un modulateur de puissance de type gradateur pour assurer la variation de débit de la pompe. Le contrôle de la température est réalisé via un asservissement de température (non étudié ici) agissant sur un échangeur thermique. Afin d’éviter que les méduses ne soient aspirées par le système de circulation de l’eau, un filtre est placé en sortie du bassin. Le schéma de principe de l’installation est fourni dans le document technique DTS1.

Le cahier des charges impose un débit volumique de $500\text{ L}\cdot\text{h}^{-1}$ (soit $1{,}39\cdot 10^{-4}\text{ m}^3\cdot\text{s}^{-1}$).

Le choix du matériel devra permettre une utilisation au plus près du point de fonctionnement optimum et ainsi obtenir un rendement de la pompe supérieur à 60 %.

Partie C: vérification des performances de régulation

Afin de garantir un débit de $500\text{ L}\cdot\text{h}^{-1}$, une régulation de débit est mise en place (voir DTS1).

Le correcteur utilisé est un correcteur proportionnel de constante $K=2$.

Le cahier des charges fixe une erreur acceptable sur le débit de $10\%$.

Cette boucle de régulation nécessite l'utilisation d'un débitmètre. Les caractéristiques techniques de ce dernier sont données dans le DTS6.

DTS6: caractéristiques techniques du débitmètre choisi

Étendue de la mesure · 0 à $750\text{ L}\cdot\text{h}^{-1}$

Sortie · 0 – 5 V

Température d'utilisation · $-10^\circ\text{C} \dots +60^\circ\text{C}$

Pression maximale d'utilisation · 8 bars sous $40^\circ\text{C}$

Protection · IP 67

Précision de la mesure · $\pm 2\%$

Question C.1

Calculer la constante de transfert du débitmètre, en utilisant les données techniques du DTS6.

V/(L·h⁻¹)

Question C.2

Le schéma bloc de la boucle de régulation est donné sur le DRS2.

Compléter le schéma bloc de régulation sur le DRS2 en plaçant dans chaque bloc vide les noms suivants: Gradateur, Correcteur, circuit hydraulique, débitmètre, pompe.

Compléter le schéma bloc de régulation sur le DRS2 en indiquant les valeurs numériques de la constante du débitmètre, de la consigne et de l'adaptation de consigne.

Pour assurer la maintenance des filtres, le système est régulièrement arrêté. Lors du redémarrage du système, la consigne passe donc de 0 à $500\text{ L}\cdot\text{h}^{-1}$. Le document technique DTS7 présente les résultats de la simulation de cet asservissement de débit.

Question C.3

Mesurer l'erreur statique constatée sur la simulation du démarrage de l'installation donnée sur le document DTS7. Conclure sur le respect ou non du cahier des charges.

L·h⁻¹

Question C.4

Proposer une solution technologique permettant de diminuer l'erreur statique et permettre au système de fonctionner au plus près du point de fonctionnement défini dans le cahier des charges.

Conclusion

Question C.5

À la vue des différentes analyses menées dans cette partie et des choix du constructeur, conclure sur la capacité du système à assurer la circulation de l'eau dans le respect du cahier des charges.