Sujet du Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable 2021 · Métropole remplacement - Systèmes d'Information et Numérique (SIN)

Mise en situation

Les modes de chauffage individuel contribuent à l'épuisement des ressources d'énergies fossiles et à la production de polluants atmosphériques.

L'étude suivante doit permettre de répondre à la problématique: en quoi le chauffage à granulés de bois constitue une solution d'avenir dans le cadre du développement durable ?

Les chaudières à granulés sont de plus en plus nombreuses dans les foyers français.

Les granulés sont fabriqués à partir de résidus, copeaux et sciures de bois, issus de l'industrie du bois (menuiserie, parqueterie, fabrique de palettes...), qui sont agglomérés ensemble, sans agent de liaison, pour former de petits cylindres compacts. Moderne et facile d'utilisation, la chaudière à granulés convient parfaitement aux personnes qui souhaitent bénéficier d'un chauffage naturel. La chaleur produite permet de chauffer l'eau d'un circuit de chauffage central d'un logement.

La production est automatisée grâce à un clavier ou à l'aide d'une télécommande: il suffit d'allumer sa chaudière à granulés, de la programmer, puis de la régler. Elle s'arrête automatiquement lorsqu'il n'y a plus de granulés.

Pour améliorer le confort d'utilisation, les granulés peuvent être stockés en grande quantité, par exemple dans un silo textile saisonnier.

Le volume de ce silo textile saisonnier doit être adapté à la consommation annuelle afin d'éviter les rechargements en cours de saison de chauffe.

Le silo textile existe en différentes tailles. Il est rempli par camion souffleur. Sa structure évite la propagation de poussières. Lors du remplissage, le textile permet d'évacuer l'air, mais piège les poussières à l'intérieur du silo. Une liaison en tube flexible (entre le bas du silo et la chaudière) permet de transférer au fur et à mesure les granulés vers la chaudière par un système d'aspiration intégré.

Présentation de la chaudière

Aspiration granulés

Stockage journalier

Vis de dosage

Vis de sécurité

Chambre de combustion

Échangeur air-eau

Ventilateur d'extraction fumées

Conduite d'évacuation des fumées

Sonde lambda

Vis de décendrage

Bac à cendres

Tableau de commande

Description du fonctionnement

Les granulés sont stockés en (2). La vis de dosage (3) puis la vis de sécurité (4) amènent les granulés dans la chambre de combustion (5).

Après la combustion des granulés, les cendres sont récupérées dans le bac (11). La chaleur produite et les fumées sont aspirées par le ventilateur (7) et passent au travers d'un échangeur thermique air-eau (6). L'eau ainsi chauffée alimente les radiateurs répartis dans le logement.

Pour augmenter la chaleur produite, les granulés sont envoyés en plus grande quantité dans la chambre de combustion. Dans le même temps, l'aspiration des fumées augmente l'apport d'air dans la chambre de combustion.

Partie 1: le chauffage au bois permet-il de réduire les émissions de gaz à effet de serre ?

L'objectif de cette partie est de comparer l'impact environnemental des émissions de gaz à effet de serre des différentes énergies utilisées dans les chauffages domestiques.

DT1: émissions de gaz à effet de serre et de particules (feuillet 1/2)

Gaz à effet de serre

La combustion de la biomasse est généralement considérée comme neutre en termes d'émission de gaz à effet de serre du fait notamment que le gaz carbonique émis sera ensuite à nouveau recyclé lors de la croissance des végétaux, ce qui est le cas en France et en Europe où la forêt s'accroît régulièrement.

Le système énergétique global, « de la pépinière à la cendre », consomme en revanche des énergies fossiles et émet des gaz à effet de serre lors de l'extraction du combustible, de son conditionnement et de son transport.

Les émissions de gaz à effet de serre de la filière bois-énergie ont été estimées selon la méthode de l'analyse de cycle de vie. Celle-ci consiste à quantifier les émissions de ces gaz pour l'ensemble des activités concernées (extraction du combustible, distribution, utilisation finale chez l'usager...) qui sont liées à la production d'un MW·h utile de chaleur chez l'usager (ADEME).

Le chauffage des foyers français: répartition des énergies utilisées en %

Gaz

Électricité

Fioul

Bois

Autres

GPL bouteilles

Répartition en %

28,6

35,1

15,4

17,3

2,5

1,1

Question 1.1

Indiquer quel combustible émet le plus de gaz à effet de serre en kg équivalent CO₂ / MW·h utile.

Question 1.2

Indiquer l'énergie la plus utilisée pour le chauffage des foyers français.

Question 1.3

Recopier et compléter le tableau ci-dessous. Indiquer l'énergie qui émet le plus de gaz à effet de serre pour le chauffage des foyers français en kg équivalent CO₂ / MW·h utile.

Gaz

Électricité

Fioul

Bois (en moyenne)

Part des émissions de gaz à effet de serre en kg équivalent CO₂ / MW·h

0,286 × 222 = 63,5

Question 1.4

En déduire par quelle énergie il faut remplacer le fioul pour limiter les émissions de gaz à effet de serre.

Mise en situation

Les modes de chauffage individuel contribuent à l'épuisement des ressources d'énergies fossiles et à la production de polluants atmosphériques.

L'étude suivante doit permettre de répondre à la problématique: en quoi le chauffage à granulés de bois constitue une solution d'avenir dans le cadre du développement durable ?

Les chaudières à granulés sont de plus en plus nombreuses dans les foyers français.

Les granulés sont fabriqués à partir de résidus, copeaux et sciures de bois, issus de l'industrie du bois (menuiserie, parqueterie, fabrique de palettes...), qui sont agglomérés ensemble, sans agent de liaison, pour former de petits cylindres compacts. Moderne et facile d'utilisation, la chaudière à granulés convient parfaitement aux personnes qui souhaitent bénéficier d'un chauffage naturel. La chaleur produite permet de chauffer l'eau d'un circuit de chauffage central d'un logement.

La production est automatisée grâce à un clavier ou à l'aide d'une télécommande: il suffit d'allumer sa chaudière à granulés, de la programmer, puis de la régler. Elle s'arrête automatiquement lorsqu'il n'y a plus de granulés.

Pour améliorer le confort d'utilisation, les granulés peuvent être stockés en grande quantité, par exemple dans un silo textile saisonnier.

Le volume de ce silo textile saisonnier doit être adapté à la consommation annuelle afin d'éviter les rechargements en cours de saison de chauffe.

Le silo textile existe en différentes tailles. Il est rempli par camion souffleur. Sa structure évite la propagation de poussières. Lors du remplissage, le textile permet d'évacuer l'air, mais piège les poussières à l'intérieur du silo. Une liaison en tube flexible (entre le bas du silo et la chaudière) permet de transférer au fur et à mesure les granulés vers la chaudière par un système d'aspiration intégré.

Présentation de la chaudière

Aspiration granulés

Stockage journalier

Vis de dosage

Vis de sécurité

Chambre de combustion

Échangeur air-eau

Ventilateur d'extraction fumées

Conduite d'évacuation des fumées

Sonde lambda

Vis de décendrage

Bac à cendres

Tableau de commande

Description du fonctionnement

Les granulés sont stockés en (2). La vis de dosage (3) puis la vis de sécurité (4) amènent les granulés dans la chambre de combustion (5).

Après la combustion des granulés, les cendres sont récupérées dans le bac (11). La chaleur produite et les fumées sont aspirées par le ventilateur (7) et passent au travers d'un échangeur thermique air-eau (6). L'eau ainsi chauffée alimente les radiateurs répartis dans le logement.

Pour augmenter la chaleur produite, les granulés sont envoyés en plus grande quantité dans la chambre de combustion. Dans le même temps, l'aspiration des fumées augmente l'apport d'air dans la chambre de combustion.

Partie 2: quel est l'impact du chauffage au bois sur les émissions de particules fines ?

L'objectif de cette partie est de comparer les différentes solutions de chauffage au bois (à foyer ouvert et à granulés). Dans les questions qui suivent, on s'intéresse aux émissions de particules fines en Île de France en 2010.

DT1: émissions de gaz à effet de serre et de particules (feuillet 1/2 et 2/2)

Émissions des particules fines PM10

La combustion du bois provoque l'émanation dans l'air de particules polluantes, comme pour les véhicules diesel. Le danger vient de leur finesse: plus elles sont fines, plus elles pénètrent dans le système respiratoire. Ces particules dites « fines » de type PM10 (particules de diamètre inférieur à 10 micromètres) sont considérées comme dangereuses avec des répercussions néfastes sur la santé, puisqu'elles comportent des métaux lourds et des hydrocarbures cancérigènes, équivalent à un tabagisme passif. Sur les humains, les risques sont augmentés pour: accidents cardiaques;

cancers du poumon;

cancers des sinus de la face;

accidents vasculaires cérébraux.

Pour le secteur résidentiel (Île de France en 2010)

Les PM10 proviennent à 80 % des ménages (secteur résidentiel) utilisant un combustible bois.

Selon la DRIEE (direction régionale et interdépartementale de l'environnement et de l'énergie), les appareils à foyer ouvert: représentent 50 % des émissions de PM dues au chauffage au bois;

émettent huit fois plus de particules qu'un foyer fermé avec un insert à granulés.

Question 2.1

Expliquer pourquoi les particules PM10 sont dangereuses pour les humains.

Question 2.2

Calculer le pourcentage des émissions totales de PM10 liées à la combustion de bois par les ménages et le comparer avec celui du trafic routier.

%

Question 2.3

Calculer le pourcentage des émissions totales de PM10 liées à la combustion de bois de chauffage pour les ménages équipés de cheminées à foyer ouvert.

%

Question 2.4

Évaluer les conséquences du remplacement des appareils à foyer ouvert par un chauffage aux granulés sur le pourcentage des émissions totales de PM10. Conclure sur l'intérêt d'un chauffage bois aux granulés.

%

Mise en situation

Les modes de chauffage individuel contribuent à l'épuisement des ressources d'énergies fossiles et à la production de polluants atmosphériques.

L'étude suivante doit permettre de répondre à la problématique: en quoi le chauffage à granulés de bois constitue une solution d'avenir dans le cadre du développement durable ?

Les chaudières à granulés sont de plus en plus nombreuses dans les foyers français.

Les granulés sont fabriqués à partir de résidus, copeaux et sciures de bois, issus de l'industrie du bois (menuiserie, parqueterie, fabrique de palettes...), qui sont agglomérés ensemble, sans agent de liaison, pour former de petits cylindres compacts. Moderne et facile d'utilisation, la chaudière à granulés convient parfaitement aux personnes qui souhaitent bénéficier d'un chauffage naturel. La chaleur produite permet de chauffer l'eau d'un circuit de chauffage central d'un logement.

La production est automatisée grâce à un clavier ou à l'aide d'une télécommande: il suffit d'allumer sa chaudière à granulés, de la programmer, puis de la régler. Elle s'arrête automatiquement lorsqu'il n'y a plus de granulés.

Pour améliorer le confort d'utilisation, les granulés peuvent être stockés en grande quantité, par exemple dans un silo textile saisonnier.

Le volume de ce silo textile saisonnier doit être adapté à la consommation annuelle afin d'éviter les rechargements en cours de saison de chauffe.

Le silo textile existe en différentes tailles. Il est rempli par camion souffleur. Sa structure évite la propagation de poussières. Lors du remplissage, le textile permet d'évacuer l'air, mais piège les poussières à l'intérieur du silo. Une liaison en tube flexible (entre le bas du silo et la chaudière) permet de transférer au fur et à mesure les granulés vers la chaudière par un système d'aspiration intégré.

Présentation de la chaudière

Aspiration granulés

Stockage journalier

Vis de dosage

Vis de sécurité

Chambre de combustion

Échangeur air-eau

Ventilateur d'extraction fumées

Conduite d'évacuation des fumées

Sonde lambda

Vis de décendrage

Bac à cendres

Tableau de commande

Description du fonctionnement

Les granulés sont stockés en (2). La vis de dosage (3) puis la vis de sécurité (4) amènent les granulés dans la chambre de combustion (5).

Après la combustion des granulés, les cendres sont récupérées dans le bac (11). La chaleur produite et les fumées sont aspirées par le ventilateur (7) et passent au travers d'un échangeur thermique air-eau (6). L'eau ainsi chauffée alimente les radiateurs répartis dans le logement.

Pour augmenter la chaleur produite, les granulés sont envoyés en plus grande quantité dans la chambre de combustion. Dans le même temps, l'aspiration des fumées augmente l'apport d'air dans la chambre de combustion.

Partie 3: comment évaluer la consommation annuelle en granulés ?

L'objectif de cette partie est d'évaluer la consommation annuelle de granulés et de choisir le silo. L'habitation à équiper est actuellement chauffée au fioul domestique avec une chaudière très ancienne.

Le tableau du DT2 indique la quantité d'énergie thermique dégagée par la combustion de différents types d'énergie.

DT2: comparatif des types d'énergie

Définition du pouvoir calorifique inférieur (PCi): c'est la quantité moyenne d'énergie thermique dégagée par la combustion d'une unité de produit.

Type d'énergie

PCi en kWh

1 litre de fioul domestique · 9,97

1 kg de gaz propane · 12,66

1 kg de gaz butane · 12,56

1 kg de charbon · 8,889

1 stère de bûches de bois · 1680

1 tonne de granulés de bois · 4600

1 tonne de plaquettes bois · 2200

Question 3.1

Relever le pouvoir calorifique inférieur (PCi) du fioul et des granulés de bois en précisant bien l'unité de produit correspondante.

Question 3.2

La consommation actuelle de fioul domestique est de 1380 L par an.

Calculer la quantité d'énergie thermique $E_T$ (en kWh) produite par l'ancienne chaudière, dont le rendement est de 75 %.

DT3: caractéristiques de la chaudière Euroclima 32

Question 3.3

Relever la valeur du rendement à charge partielle de la nouvelle chaudière à granulés.

Calculer la masse de granulés à stocker (en kg) pour alimenter la chaudière pendant une saison de chauffe afin de produire la même quantité d'énergie thermique $E_T$.

DT4: extrait des caractéristiques des granulés

Masse volumique des granulés: $600\ \mathrm{kg\cdot m^{-3}}$

DT5: silo ECO200P

Article

Longueur (cm)

Largeur (cm)

Hauteur (cm)

Volume (m³)

Tonnage (t)

ECO200P

200

200

180-230

3,2-4,6

2,1-3,1

Question 3.4

Calculer le volume de granulés à stocker (en m³) pour alimenter la chaudière pendant une saison de chauffe.

Justifier le choix du silo proposé sur le document DT5.

Mise en situation

Les modes de chauffage individuel contribuent à l'épuisement des ressources d'énergies fossiles et à la production de polluants atmosphériques.

L'étude suivante doit permettre de répondre à la problématique: en quoi le chauffage à granulés de bois constitue une solution d'avenir dans le cadre du développement durable ?

Les chaudières à granulés sont de plus en plus nombreuses dans les foyers français.

Les granulés sont fabriqués à partir de résidus, copeaux et sciures de bois, issus de l'industrie du bois (menuiserie, parqueterie, fabrique de palettes...), qui sont agglomérés ensemble, sans agent de liaison, pour former de petits cylindres compacts. Moderne et facile d'utilisation, la chaudière à granulés convient parfaitement aux personnes qui souhaitent bénéficier d'un chauffage naturel. La chaleur produite permet de chauffer l'eau d'un circuit de chauffage central d'un logement.

La production est automatisée grâce à un clavier ou à l'aide d'une télécommande: il suffit d'allumer sa chaudière à granulés, de la programmer, puis de la régler. Elle s'arrête automatiquement lorsqu'il n'y a plus de granulés.

Pour améliorer le confort d'utilisation, les granulés peuvent être stockés en grande quantité, par exemple dans un silo textile saisonnier.

Le volume de ce silo textile saisonnier doit être adapté à la consommation annuelle afin d'éviter les rechargements en cours de saison de chauffe.

Le silo textile existe en différentes tailles. Il est rempli par camion souffleur. Sa structure évite la propagation de poussières. Lors du remplissage, le textile permet d'évacuer l'air, mais piège les poussières à l'intérieur du silo. Une liaison en tube flexible (entre le bas du silo et la chaudière) permet de transférer au fur et à mesure les granulés vers la chaudière par un système d'aspiration intégré.

Présentation de la chaudière

Aspiration granulés

Stockage journalier

Vis de dosage

Vis de sécurité

Chambre de combustion

Échangeur air-eau

Ventilateur d'extraction fumées

Conduite d'évacuation des fumées

Sonde lambda

Vis de décendrage

Bac à cendres

Tableau de commande

Description du fonctionnement

Les granulés sont stockés en (2). La vis de dosage (3) puis la vis de sécurité (4) amènent les granulés dans la chambre de combustion (5).

Après la combustion des granulés, les cendres sont récupérées dans le bac (11). La chaleur produite et les fumées sont aspirées par le ventilateur (7) et passent au travers d'un échangeur thermique air-eau (6). L'eau ainsi chauffée alimente les radiateurs répartis dans le logement.

Pour augmenter la chaleur produite, les granulés sont envoyés en plus grande quantité dans la chambre de combustion. Dans le même temps, l'aspiration des fumées augmente l'apport d'air dans la chambre de combustion.

Le document technique DT6 donne l'évolution de la production et de la consommation de granulés de bois en France.

DT6: production et consommation de granulés de bois en France

Question 3.5

Déterminer graphiquement ces deux valeurs pour l'année 2019.

Expliquer l'écart entre ces deux valeurs (production et consommation).

La consommation annuelle moyenne de granulés pour un foyer est de 2,5 tonnes.

Question 3.6

Déterminer le nombre de foyers qui auraient pu se chauffer avec des granulés produits en France en 2019.

Question 3.7

Expliquer pourquoi la chaudière à granulés est une solution d'avenir dans le cadre du développement durable (économie, social et environnement) en se basant sur l'ensemble des questions précédentes (parties 1 à 3).

Mise en situation

Les modes de chauffage individuel contribuent à l'épuisement des ressources d'énergies fossiles et à la production de polluants atmosphériques.

L'étude suivante doit permettre de répondre à la problématique: en quoi le chauffage à granulés de bois constitue une solution d'avenir dans le cadre du développement durable ?

Les chaudières à granulés sont de plus en plus nombreuses dans les foyers français.

Les granulés sont fabriqués à partir de résidus, copeaux et sciures de bois, issus de l'industrie du bois (menuiserie, parqueterie, fabrique de palettes...), qui sont agglomérés ensemble, sans agent de liaison, pour former de petits cylindres compacts. Moderne et facile d'utilisation, la chaudière à granulés convient parfaitement aux personnes qui souhaitent bénéficier d'un chauffage naturel. La chaleur produite permet de chauffer l'eau d'un circuit de chauffage central d'un logement.

La production est automatisée grâce à un clavier ou à l'aide d'une télécommande: il suffit d'allumer sa chaudière à granulés, de la programmer, puis de la régler. Elle s'arrête automatiquement lorsqu'il n'y a plus de granulés.

Pour améliorer le confort d'utilisation, les granulés peuvent être stockés en grande quantité, par exemple dans un silo textile saisonnier.

Le volume de ce silo textile saisonnier doit être adapté à la consommation annuelle afin d'éviter les rechargements en cours de saison de chauffe.

Le silo textile existe en différentes tailles. Il est rempli par camion souffleur. Sa structure évite la propagation de poussières. Lors du remplissage, le textile permet d'évacuer l'air, mais piège les poussières à l'intérieur du silo. Une liaison en tube flexible (entre le bas du silo et la chaudière) permet de transférer au fur et à mesure les granulés vers la chaudière par un système d'aspiration intégré.

Présentation de la chaudière

Aspiration granulés

Stockage journalier

Vis de dosage

Vis de sécurité

Chambre de combustion

Échangeur air-eau

Ventilateur d'extraction fumées

Conduite d'évacuation des fumées

Sonde lambda

Vis de décendrage

Bac à cendres

Tableau de commande

Description du fonctionnement

Les granulés sont stockés en (2). La vis de dosage (3) puis la vis de sécurité (4) amènent les granulés dans la chambre de combustion (5).

Après la combustion des granulés, les cendres sont récupérées dans le bac (11). La chaleur produite et les fumées sont aspirées par le ventilateur (7) et passent au travers d'un échangeur thermique air-eau (6). L'eau ainsi chauffée alimente les radiateurs répartis dans le logement.

Pour augmenter la chaleur produite, les granulés sont envoyés en plus grande quantité dans la chambre de combustion. Dans le même temps, l'aspiration des fumées augmente l'apport d'air dans la chambre de combustion.

Partie 4: comment optimiser le fonctionnement de la chaudière ?

Afin de devenir une solution s'inscrivant dans une démarche de développement durable et respectueuse de la santé, le fonctionnement de la chaudière à granulés doit être optimisé. Afin d'obtenir le rendement maximum, il convient notamment de veiller à ce que la combustion des granulés soit complète. Ceci permettra d'une part de réduire la consommation de combustible, d'autre part de diminuer les rejets: émissions polluantes (CO₂, NOx,...) et cendres.

L'objectif de cette partie est de répondre à la problématique: comment déterminer, pour un point de fonctionnement donné, l'ajustement optimal du mélange air / combustible solide afin que la combustion soit complète ?

Question 4.1

Sur le diagramme de blocs internes du DR1, identifier les flux suivants en repassant sur les traits avec les couleurs indiquées ci-dessous:

flux d'information: concernant la température en bleu;

flux de matière: concernant les granulés en vert;

flux d'énergie: en rouge (ou orange).

Mise en situation

Les modes de chauffage individuel contribuent à l'épuisement des ressources d'énergies fossiles et à la production de polluants atmosphériques.

L'étude suivante doit permettre de répondre à la problématique: en quoi le chauffage à granulés de bois constitue une solution d'avenir dans le cadre du développement durable ?

Les chaudières à granulés sont de plus en plus nombreuses dans les foyers français.

Les granulés sont fabriqués à partir de résidus, copeaux et sciures de bois, issus de l'industrie du bois (menuiserie, parqueterie, fabrique de palettes...), qui sont agglomérés ensemble, sans agent de liaison, pour former de petits cylindres compacts. Moderne et facile d'utilisation, la chaudière à granulés convient parfaitement aux personnes qui souhaitent bénéficier d'un chauffage naturel. La chaleur produite permet de chauffer l'eau d'un circuit de chauffage central d'un logement.

La production est automatisée grâce à un clavier ou à l'aide d'une télécommande: il suffit d'allumer sa chaudière à granulés, de la programmer, puis de la régler. Elle s'arrête automatiquement lorsqu'il n'y a plus de granulés.

Pour améliorer le confort d'utilisation, les granulés peuvent être stockés en grande quantité, par exemple dans un silo textile saisonnier.

Le volume de ce silo textile saisonnier doit être adapté à la consommation annuelle afin d'éviter les rechargements en cours de saison de chauffe.

Le silo textile existe en différentes tailles. Il est rempli par camion souffleur. Sa structure évite la propagation de poussières. Lors du remplissage, le textile permet d'évacuer l'air, mais piège les poussières à l'intérieur du silo. Une liaison en tube flexible (entre le bas du silo et la chaudière) permet de transférer au fur et à mesure les granulés vers la chaudière par un système d'aspiration intégré.

Présentation de la chaudière

Aspiration granulés

Stockage journalier

Vis de dosage

Vis de sécurité

Chambre de combustion

Échangeur air-eau

Ventilateur d'extraction fumées

Conduite d'évacuation des fumées

Sonde lambda

Vis de décendrage

Bac à cendres

Tableau de commande

Description du fonctionnement

Les granulés sont stockés en (2). La vis de dosage (3) puis la vis de sécurité (4) amènent les granulés dans la chambre de combustion (5).

Après la combustion des granulés, les cendres sont récupérées dans le bac (11). La chaleur produite et les fumées sont aspirées par le ventilateur (7) et passent au travers d'un échangeur thermique air-eau (6). L'eau ainsi chauffée alimente les radiateurs répartis dans le logement.

Pour augmenter la chaleur produite, les granulés sont envoyés en plus grande quantité dans la chambre de combustion. Dans le même temps, l'aspiration des fumées augmente l'apport d'air dans la chambre de combustion.

Le graphe de programmation horaire définit les consignes de température intérieure (Consigne θint) de la maison au cours de la journée. Elles sont saisies par l'utilisateur grâce au tableau de commande.

Au point de fonctionnement étudié (juste avant 5 h du matin), la situation thermique est la suivante:

La chaudière produit de la chaleur pour réchauffer l'eau qui circule dans les tuyaux jusqu'aux appareils de chauffage de l'habitation (radiateurs, plancher chauffant...).

4.2

Déterminer graphiquement la température eau départ chauffage θedc qui permettra d'obtenir la température confort dans l'habitation (arrondir à la valeur entière supérieure) après 5 heures du matin.

On définit la relation de la quantité de chaleur Q [J] nécessaire pour élever la température d'un corps de masse m [kg] et de capacité thermique massique C [J·kg⁻¹·°C⁻¹], de la température initiale θi [°C] à la température finale θf [°C] par: $Q = m \cdot C \cdot (\theta_f - \theta_i)$.

Eau: masse volumique $\rho = 1000\ \mathrm{kg \cdot m^{-3}}$, capacité thermique $C = 4185\ \mathrm{J \cdot kg^{-1} \cdot °C^{-1}}$.

4.3

Calculer la quantité de chaleur Qe (en J) que devra fournir la chaudière afin d'obtenir la température « eau départ chauffage » désirée en sachant que la température « eau retour chauffage » est de 23°C.

4.4

Calculer la puissance de chauffe nécessaire Pc (en W) pour une montée en température de la chaudière jusqu'à θedc en 10 minutes.

Mise en situation

Les modes de chauffage individuel contribuent à l'épuisement des ressources d'énergies fossiles et à la production de polluants atmosphériques.

L'étude suivante doit permettre de répondre à la problématique: en quoi le chauffage à granulés de bois constitue une solution d'avenir dans le cadre du développement durable ?

Les chaudières à granulés sont de plus en plus nombreuses dans les foyers français.

Les granulés sont fabriqués à partir de résidus, copeaux et sciures de bois, issus de l'industrie du bois (menuiserie, parqueterie, fabrique de palettes...), qui sont agglomérés ensemble, sans agent de liaison, pour former de petits cylindres compacts. Moderne et facile d'utilisation, la chaudière à granulés convient parfaitement aux personnes qui souhaitent bénéficier d'un chauffage naturel. La chaleur produite permet de chauffer l'eau d'un circuit de chauffage central d'un logement.

La production est automatisée grâce à un clavier ou à l'aide d'une télécommande: il suffit d'allumer sa chaudière à granulés, de la programmer, puis de la régler. Elle s'arrête automatiquement lorsqu'il n'y a plus de granulés.

Pour améliorer le confort d'utilisation, les granulés peuvent être stockés en grande quantité, par exemple dans un silo textile saisonnier.

Le volume de ce silo textile saisonnier doit être adapté à la consommation annuelle afin d'éviter les rechargements en cours de saison de chauffe.

Le silo textile existe en différentes tailles. Il est rempli par camion souffleur. Sa structure évite la propagation de poussières. Lors du remplissage, le textile permet d'évacuer l'air, mais piège les poussières à l'intérieur du silo. Une liaison en tube flexible (entre le bas du silo et la chaudière) permet de transférer au fur et à mesure les granulés vers la chaudière par un système d'aspiration intégré.

Présentation de la chaudière

Aspiration granulés

Stockage journalier

Vis de dosage

Vis de sécurité

Chambre de combustion

Échangeur air-eau

Ventilateur d'extraction fumées

Conduite d'évacuation des fumées

Sonde lambda

Vis de décendrage

Bac à cendres

Tableau de commande

Description du fonctionnement

Les granulés sont stockés en (2). La vis de dosage (3) puis la vis de sécurité (4) amènent les granulés dans la chambre de combustion (5).

Après la combustion des granulés, les cendres sont récupérées dans le bac (11). La chaleur produite et les fumées sont aspirées par le ventilateur (7) et passent au travers d'un échangeur thermique air-eau (6). L'eau ainsi chauffée alimente les radiateurs répartis dans le logement.

Pour augmenter la chaleur produite, les granulés sont envoyés en plus grande quantité dans la chambre de combustion. Dans le même temps, l'aspiration des fumées augmente l'apport d'air dans la chambre de combustion.

Pour fournir la puissance de chauffe nécessaire $P_c$, la carte gestion chaudière va devoir déterminer les quantités optimales de granulés et d'air.

Détermination de la quantité optimale de granulés par cycle

Question 4.5

Convertir la masse volumique des granulés en $\text{g}\cdot\text{mm}^{-3}$ et en déduire la masse maximale de granulés (en g) qui peuvent être amenés pour un tour de la vis de dosage.

DT4: caractéristiques de la vis de dosage et des granulés

Volume utile disponible pour contenir les granulés: $V = 125\,000\text{ mm}^3$ par tour de vis.

Masse volumique des granulés: $600\text{ kg}\cdot\text{m}^{-3}$.

Le moteur est commandé de façon discontinue pour effectuer des cycles d'alimentation d'une durée de $20\text{ s}$.

Question 4.6

Calculer le nombre de tours effectués par la vis pour un cycle d'alimentation en vous aidant de la documentation technique du motoréducteur (DT8: vitesse = $3\text{ rpm}$ soit $3\text{ tr}\cdot\text{min}^{-1}$).

tour(s)

Question 4.7

Calculer la masse totale de granulés, pour un temps de chauffe de $10\text{ minutes}$, lorsque le débit moyen de granulés est de $0{,}7\text{ g}\cdot\text{s}^{-1}$. En déduire le nombre de cycles d'alimentation électrique du moteur.

cycles

Détermination du volume optimal d'air par cycle

Il faut $m = 75\text{ g}$ de granulés par cycle de $20\text{ s}$ pour produire une puissance de chauffe de $13\text{ kW}$. Le rendement maximum de la chaudière est obtenu en ajustant de façon optimale le mélange air-granulés pour que la combustion soit complète. Un capteur appelé sonde lambda ($\lambda$) contrôle le pourcentage d'oxygène imbrûlé dans les fumées.

Question 4.8

Relever sur le DT9, le rapport $\frac{A}{G}$ (masse Air / masse Granulés) pour la valeur de référence $\lambda_{\text{réf}} = 1{,}3$. Calculer la masse d'air puis le volume d'air nécessaire à l'obtention de la combustion complète (pour un cycle de $20\text{ s}$) sachant que la masse volumique de l'air est de $\rho = 1{,}204\text{ kg}\cdot\text{m}^{-3}$.

Question 4.9

Déduire le débit d'air correspondant (en $\text{m}^3\cdot\text{h}^{-1}$) et vérifier la capacité du moto-ventilateur à fournir ce débit.

Extrait DT3: caractéristiques de la chaudière Euroclima 32

Débit d'air maximum du moto-ventilateur: $290\text{ m}^3\cdot\text{h}^{-1}$.

Mise en situation

Les modes de chauffage individuel contribuent à l'épuisement des ressources d'énergies fossiles et à la production de polluants atmosphériques.

L'étude suivante doit permettre de répondre à la problématique: en quoi le chauffage à granulés de bois constitue une solution d'avenir dans le cadre du développement durable ?

Les chaudières à granulés sont de plus en plus nombreuses dans les foyers français.

Les granulés sont fabriqués à partir de résidus, copeaux et sciures de bois, issus de l'industrie du bois (menuiserie, parqueterie, fabrique de palettes...), qui sont agglomérés ensemble, sans agent de liaison, pour former de petits cylindres compacts. Moderne et facile d'utilisation, la chaudière à granulés convient parfaitement aux personnes qui souhaitent bénéficier d'un chauffage naturel. La chaleur produite permet de chauffer l'eau d'un circuit de chauffage central d'un logement.

La production est automatisée grâce à un clavier ou à l'aide d'une télécommande: il suffit d'allumer sa chaudière à granulés, de la programmer, puis de la régler. Elle s'arrête automatiquement lorsqu'il n'y a plus de granulés.

Pour améliorer le confort d'utilisation, les granulés peuvent être stockés en grande quantité, par exemple dans un silo textile saisonnier.

Le volume de ce silo textile saisonnier doit être adapté à la consommation annuelle afin d'éviter les rechargements en cours de saison de chauffe.

Le silo textile existe en différentes tailles. Il est rempli par camion souffleur. Sa structure évite la propagation de poussières. Lors du remplissage, le textile permet d'évacuer l'air, mais piège les poussières à l'intérieur du silo. Une liaison en tube flexible (entre le bas du silo et la chaudière) permet de transférer au fur et à mesure les granulés vers la chaudière par un système d'aspiration intégré.

Présentation de la chaudière

Aspiration granulés

Stockage journalier

Vis de dosage

Vis de sécurité

Chambre de combustion

Échangeur air-eau

Ventilateur d'extraction fumées

Conduite d'évacuation des fumées

Sonde lambda

Vis de décendrage

Bac à cendres

Tableau de commande

Description du fonctionnement

Les granulés sont stockés en (2). La vis de dosage (3) puis la vis de sécurité (4) amènent les granulés dans la chambre de combustion (5).

Après la combustion des granulés, les cendres sont récupérées dans le bac (11). La chaleur produite et les fumées sont aspirées par le ventilateur (7) et passent au travers d'un échangeur thermique air-eau (6). L'eau ainsi chauffée alimente les radiateurs répartis dans le logement.

Pour augmenter la chaleur produite, les granulés sont envoyés en plus grande quantité dans la chambre de combustion. Dans le même temps, l'aspiration des fumées augmente l'apport d'air dans la chambre de combustion.

En réalité, au cours du cycle d'approvisionnement en granulés, la valeur de $\lambda$ varie. Si l'on souhaite conserver le mélange air - granulés optimum, il est nécessaire de mettre en œuvre une régulation automatique. Ceci est réalisé par la carte gestion chaudière dont la chaîne d'information et d'action de la partie étudiée est la suivante:

Volume d'air de fumées extrait = volume d'air frais entrant dans la chaudière.

DT9: richesse d'un mélange combustible-comburant

Question 4.10

Relever les valeurs limites $\lambda_{\text{mini}}$ et $\lambda_{\text{maxi}}$ pour rester dans la zone idéale.

Question 4.11

Compléter, sur le DR2, l'algorigramme de traitement des informations du microcontrôleur de sorte que la vitesse de rotation du moto-ventilateur s'adapte automatiquement pour fournir le volume d'air optimal.

Conditions à compléter dans les losanges de test (en partant du premier test sous 'LIRE $\lambda$'):

PARTIE A: Peut-on obtenir 6 mesures de consommation différentes par jour pour un débit moyen de 0,7 g·s⁻¹ ?

Mise en situation

Afin de pouvoir gérer plus facilement la consommation de granulés et donc l'énergie consommée par l'habitation en chauffage, il est décidé de mettre en place un dispositif de mesure de la masse de granulés ainsi qu'un enregistrement de cette donnée sur une base de données hébergée localement.

Les données enregistrées permettront de comparer la consommation de cette habitation avec la consommation moyenne d'une habitation comparable et d'archiver plusieurs années de consommation.

On s'intéressera également à l'échange interne d'informations au sein de la chaudière.

Pour évaluer la consommation en granulés de la chaudière, le choix a été fait de mesurer la masse de granulés dans le silo de stockage. Des capteurs de pesage à base de jauges de contrainte sont placés sous chaque pied du silo de stockage.

A.1

Expliquer comment, à partir de la déformation d'un capteur de pesage équipé de jauges de contrainte, on obtient un signal électrique proportionnel à la charge appliquée.

Hypothèses

Le silo de stockage peut contenir au maximum une masse $m_{granulés} = 3t$ de granulés. La masse propre du silo et de sa structure est $m_{silo} = 240$ kg, répartie équitablement sur les 4 pieds. On considérera le cas défavorable où la masse de granulés se répartit de manière identique uniquement sur deux pieds du silo (pied 1 et pied 2).

A.2

À l'aide des hypothèses ci-dessus, donner l'expression littérale permettant de calculer la charge équivalente $C_{capteur}$ (en kg) à laquelle est soumis un capteur sous le pied 1 ou le pied 2 en fonction de $m_{granulés}$ et $m_{silo}$. Réaliser l'application numérique.

A.3

Les capacités nominales disponibles pour les capteurs de pesage sont: 300kg, 500kg, 1000kg ou 2000kg. Justifier l'utilisation de 4 capteurs de pesage de capacité nominale de 2000kg pour mesurer la masse de l'ensemble (granulés + silo et sa structure).

A.4

Le DRS1 présente la chaîne d'information de la mesure de la masse de granulés. Compléter les rectangles vides en utilisant les termes ci-dessous: "Information numérique" - "Tension analogique" - "poids de l'ensemble" - "Tension analogique amplifiée"

A.5

La tension $V_{IN+} - V_{IN-}$ délivrée par un capteur de pesage dépend de sa tension d'alimentation. Le DTS3 indique la caractéristique $V_{IN+} - V_{IN-}$ en fonction de la masse mesurée et pour différentes tensions d'alimentation du capteur.

A.6

Les Convertisseurs Analogiques Numériques (CAN) sont intégrés à une carte Arduino. Les entrées analogiques de l'Arduino acceptant des tensions comprises entre 0 et 5V, justifier l'utilisation d'un amplificateur en sortie de chaque capteur de pesage.

La tension en sortie de chaque amplificateur est donnée par: $U_0 = (V_{IN+} - V_{IN-}) \times G$, G étant le gain de l'amplificateur. Calculer le gain G des amplificateurs pour obtenir une tension de 5V sur une entrée analogique de l'Arduino pour la tension nominale $(V_{IN+} - V_{IN-})_{nominal}$ délivrée par un capteur.

A.7

À l'aide du document technique DTS4, calculer le quantum (résolution) du CAN. Le quantum est la tension minimale détectable par le CAN (correspondant à N = 1). On choisira une tension pleine échelle de 5V et on précise que n = 10 bits pour une entrée analogique d'un Arduino Uno.

A.8

Quels que soient les résultats précédents, on considérera que la valeur de masse de granulés est donnée par: $m_{granulés} = 400 \times U_0$ (avec $U_0$ en V). À partir du quantum déterminé précédemment, calculer la masse minimale $m_{mini}$ détectée par le CAN pour un capteur puis pour 4 capteurs $m_{4mini}$.

A.9

Si l'on prend également en compte l'erreur de mesure introduite par les capteurs de pesage (1,36kg), on peut estimer que $m_{4mini}$ = 9,18 kg. Si on considère un débit moyen de granulés de 0,7 g·s⁻¹, calculer le temps mis pour consommer la masse $m_{4mini}$ de granulés (en heures).

A.10

Conclure sur la possibilité de respecter la problématique de la partie A avec cette chaîne d'information. En étudiant les résultats précédents, pour obtenir une meilleure précision sur l'acquisition de la masse de granulés, indiquer quel est l'élément de cette chaîne d'information à modifier en priorité (entre les capteurs de pesage, les amplificateurs ou les CAN). Justifier votre réponse.

Choix 1

PARTIE B: Comment vérifier la bonne réception de la valeur de la masse de granulés par le serveur ?

Les CAN sont intégrés à une carte Arduino, les tensions analogiques $U_{o1}$ à $U_{o4}$ en sortie des amplificateurs sont présentées aux entrées analogiques A1 à A4 de la carte Arduino (cf. DRS1).

La masse nette de granulés s'obtient à partir de l'addition des indications des 4 capteurs de pesage en n'oubliant pas de soustraire la masse propre du silo et de sa structure (tare).

On donne sur le DTS5 un schéma du réseau local de l'habitation:

Un shield Ethernet est associé à la carte Arduino lui permettant de communiquer sur le réseau. Un serveur web et une base de données sont hébergés sur un Raspberry Pi. Le shield Ethernet de l'Arduino se comporte en client du serveur web et lui communique toutes les quatre heures la valeur masseGranulesInt, valeur qui sera stockée dans la base de données avec son horodatage. Pour communiquer la masse de granulés, le shield Ethernet de l'Arduino effectue une requête HTTP avec passage de paramètre grâce à la méthode GET. Le paramètre se nomme ici masse.

Question B.1

Bien lire l'algorithme donné sur le DRS2 qui permet de calculer la masse nette de granulés dans le silo ( masseGranulesFloat). Compléter alors la ligne 17 de cet algorithme en utilisant les noms de variables données dans celui-ci:

17 | masseGranulesFloat ←

Question B.2

Donner la valeur de masseGranulesInt calculée par l'algorithme précédent si les valeurs numériques présentes en sorties des CAN sont:

$N_1 = 307$   $N_2 = 276$   $N_3 = 317$   $N_4 = 245$

Documents techniques DTS5, DTS7 et DTS8

DTS5: Schéma du réseau domestique

DTS7: Communication de la masse de granulés entre l'Arduino et le serveur

DTS8: Table ASCII

Question B.3

Sur le DTS7, la requête HTTP avec la méthode GET a été capturée (trame n°310). La partie basse de la capture donne cette trame en hexadécimal et en ASCII. Le code ASCII de la valeur du paramètre masse a été masquée par 4 points d'interrogations correspondants aux 4 codes hexadécimaux encadrés. À l'aide de la table ASCII donnée en DTS8, déterminer les 4 caractères du paramètre masse et donc la valeur transmise.

Question B.4

La trame n°312 sur le DTS7 correspond à la réponse à cette requête. Conclure sur la bonne transmission de la masse de granulés vers le serveur.

Choix 2:

PARTIE C: Comment gérer la transmission d'information au sein de la chaudière ?

Pour la chaudière, la température eau départ chauffage $\theta_{\text{edc}}$ est calculée par une carte électronique appelée « carte gestion chauffage ». Le réseau interne de communication numérique entre les différentes cartes électroniques de la chaudière utilise le protocole eBUS (energy BUS). L'architecture de ce réseau est la suivante:

À intervalles de temps réguliers, la carte gestion chaudière interroge la carte gestion chauffage grâce à une trame de requête (1), celle-ci lui répond par une trame de réponse (2) en lui fournissant les informations manquantes: température eau départ chauffage $\theta_{\text{edc}}$ et température extérieure $\theta_{\text{ext}} = 7\ ^\circ\text{C}$.

Chaque octet de données d'une trame est en fait émis de la manière suivante:

1 bit de start (bit à 0)

Les 8 bits de l'octet à transmettre (bit de poids faible transmis en premier)

1 bit de stop (bit à 1)

Question C1

Compléter, sur le document réponse DRS3, les trames de requête (1) et de réponse (2) qu'échangeront les deux cartes électroniques.

La valeur de la consigne de température eau départ chauffage θedc sera complétée lors de la question C2.

DRS3: Protocole de communication eBUS

protocole trame de requête (1)

Adresse source · Adresse destination · Contrôle chaudière · Requête · Nbre d'octets données · Etat requête · Contrôle CRC · ACQ · Relâchement du bus

1 octet · 1 octet · 1 octet · 1 octet · 1 octet · 1 octet · 1 octet · 1 octet · 1 octet

· · 05 · 00 · 01 · AA · 77 · 00 · AA

protocole trame de réponse (2)

Adresse source · Adresse destination · Contrôle chaudière · Contrôleur données · Nbre d'octets données · Statut chauffage · Consigne temp. eau départ chauffage · Consigne temp. ECS (57°C)

1 octet · 1 octet · 1 octet · 1 octet · 1 octet · 1 octet · 1 octet · 1 octet

· · 05 · 01 · 05 · AA · · 39

Suite de la trame de réponse · Temp. extérieure · Performance chaudière (%) · Contrôle CRC · ACQ · Relâchement du bus

1 octet · 1 octet · 1 octet · 1 octet · 1 octet

(suite) · · 64 · A2 · 00 · AA

Question C.2

Chaque octet de données d'une trame est en fait émis de la manière suivante: 1 bit de start (bit à 0)

Les 8 bits de l'octet à transmettre (bit de poids faible transmis en premier)

1 bit de stop (bit à 1)

Le chronogramme ci-dessus est un enregistrement de l'émission de la valeur de la température eau de départ chauffage (θedc).

Donner la valeur binaire de cette température. Convertir cette valeur en hexadécimal et en décimal puis compléter alors le DRS3 (case « Consigne temp. eau départ chauffage » ci-dessus).

Question C3

La vitesse de transmission de cette communication est de 2400 bits/s.

La trame de fin de transmission (3) sur le DRS3 comporte 11 octets.

Question C4

En examinant le nombre de paramètres transmis par la trame de réponse et au regard de la question précédente, conclure sur le choix de cette technologie de transmission pour gérer les échanges d'informations au sein de la chaudière.

Mise en situation

Afin de pouvoir gérer plus facilement la consommation de granulés et donc l'énergie consommée par l'habitation en chauffage, il est décidé de mettre en place un dispositif de mesure de la masse de granulés ainsi qu'un enregistrement de cette donnée sur une base de données hébergée localement.

Les données enregistrées permettront de comparer la consommation de cette habitation avec la consommation moyenne d'une habitation comparable et d'archiver plusieurs années de consommation.

On s'intéressera également à l'échange interne d'informations au sein de la chaudière.

PARTIE D: Comment suivre la consommation énergétique du chauffage de l'habitation ?

On donne sur le DTS5 un schéma du réseau local de l'habitation:

Un shield Ethernet est associé à la carte Arduino lui permettant de communiquer sur le réseau. Un serveur web et une base de données sont hébergés sur un Raspberry Pi. Le shield Ethernet de l'Arduino communique toutes les quatre heures au Raspberry Pi la masse de granulés restante dans le silo, valeur qui sera stockée dans la base de données avec son horodatage.

Un appareil du réseau domestique effectue une requête sur le serveur pour connaître la masse de granulés présente dans le silo.

Question D.1

Compléter le diagramme de séquence donné dans le DRS4 en y plaçant le numéro de chacune des 4 actions proposées au-dessus des 4 flèches.

Actions proposées:

1- Réponse de la Base de Données

2- Requête http (demande de masse de granulés restante)

3- Interrogation de la Base de Données

4- Envoi de la page HTML au client

Question D.2

On donne ci-dessous le début d'une capture de la requête d'un appareil du réseau local vers le serveur afin de connaître la masse de granulés restants. Cette trame est codée en hexadécimal. Le préambule + SFD n'est pas enregistré dans cette trame.

Déterminer l'adresse IP (en hexadécimal puis en notation décimale pointée) et l'adresse MAC de l'appareil ayant exécuté la requête en vue de connaître la masse de granulés restant. Donner son nom.

En se connectant sur le serveur, on peut consulter la masse de granulés restante (G) ainsi que la consommation des 12 mois précédant le mois en cours. L'affichage permet de comparer les consommations mensuelles avec des valeurs moyennes de référence. La couleur d'affichage de ces consommations permet de vérifier si l'on dépasse les valeurs de référence.

Question D.3

Le DRS5 présente l'algorigramme qui permet de gérer les données de consommation et leur affichage. Compléter les 2 cadres contenant des pointillés sur le DRS5.

Question D.4

À l'aide des éléments donnés sur le DRS5, compléter le tableau du DRS6.

Mois · Mai · Décembre · Mars

G (kg) · 430 · 2707 · 904

Affichage "Attention prévoir le rechargement du silo" (O/N)

E n (kWh) · 197 · 2487 · 863

Eref n (kWh) · 658 · 1897 · 1068

ΔE n (kWh)

Couleur d'affichage de ΔE n

Mise en situation

Afin de pouvoir gérer plus facilement la consommation de granulés et donc l'énergie consommée par l'habitation en chauffage, il est décidé de mettre en place un dispositif de mesure de la masse de granulés ainsi qu'un enregistrement de cette donnée sur une base de données hébergée localement.

Les données enregistrées permettront de comparer la consommation de cette habitation avec la consommation moyenne d'une habitation comparable et d'archiver plusieurs années de consommation.

On s'intéressera également à l'échange interne d'informations au sein de la chaudière.

PARTIE E: Conclusion

La base de données stocke à chaque relevé:

Un index sur 4 octets

La masse de granulés sur 2 octets

L'heure et la date sur 20 octets

Question E.1

Sachant que l'on stocke dans la base de données un relevé toutes les 4 heures, calculer la taille minimale (en octets puis en ko) de la mémoire nécessaire si l'on veut archiver 10 ans de consommation. On considérera que l'installation fonctionne 245 jours par an.

octets

ko

Question E.2

À l'aide des études réalisées dans les parties A, D et E, conclure sur la viabilité de la solution retenue pour suivre la consommation de granulés.