Sujet du Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable 2022 · Métropole - Energies et Environnement (EE)

Mise en situation

La noyade est la première cause de mortalité accidentelle chez les enfants.

« La moitié des collégiens, en fin de sixième, ne savent pas bien nager », affirmait la ministre des Sports, Roxana Maracineanu, au Parisien en avril 2019.

L'accès aux piscines pour la plupart des jeunes français, surtout pour les ruraux, n'est pas toujours systématique. C'est dans ce contexte que la CCVB, Communauté de Communes de la Vallée de la Bruche, située dans le Bas-Rhin (67), a lancé une consultation relative à la réalisation d'une étude de faisabilité pour la construction d'un équipement aquatique sur la commune de La Broque. Le cabinet d'architectes IPK Conseil a alors été retenu pour mener à bien cette mission.

L'équipement aquatique de La Broque a pour vocation prioritaire l'apprentissage de la natation pour les scolaires et une vocation complémentaire dans le secteur santé-détente, en réponse à une spécificité touristique assez forte de la vallée.

Classification ERP du complexe aquatique

Le projet Boiséo représente une opération d'envergure pour la CCVB, engageant la collectivité sur un projet destiné à couvrir les besoins de la population pour au moins les trois ou quatre prochaines décennies. Le bureau d'études IPK Conseil a dû tenir compte de nombreuses exigences lors de la conception de Boiséo.

Avant de démarrer toute installation et prévoir la sécurité dans un ERP (Établissement Recevant du Public), il est nécessaire de savoir à quelle catégorie le complexe aquatique se rapporte.

Catégorie ERP en fonction de la capacité d'accueil:

Catégorie ERP 1: à partir de 1 501 personnes

Catégorie ERP 2: de 701 à 1 500 personnes

Catégorie ERP 3: de 301 à 700 personnes

Catégorie ERP 4: jusqu'à 300 personnes

DT1 - Pour une stratégie globale de lutte contre les noyades

Extrait du rapport du Ministère des Sports, Ministère de l'Éducation Nationale et de la Jeunesse.

Chaque année est marquée, dans notre pays, par son lot de drames liés aux noyades. La gravité et le caractère récurrent de cette situation inquiètent et interpellent.

DT2 - Diagramme SysML des exigences pour le complexe aquatique

Partie 1: pourquoi le savoir-nager est-il un enjeu sociétal préoccupant ?

1.1

À partir du document technique DT1, lister les moments de la période de l'été 2018 où les pics de noyades sont les plus élevés. Préciser la particularité de cette année 2018.

1.2

À l'aide du document DT2, indiquer le nombre d'élèves concernés dans la communauté de communes de la vallée de la Bruche.

1.3

Rechercher sur le document DT2 la capacité d'accueil du complexe Boiséo. Indiquer la catégorie ERP correspondante.

1.5

Conclure sur les causes des noyades, le savoir nager comme mission prioritaire et comment le complexe aquatique Boiséo répond à ce besoin.

Mise en situation

La noyade est la première cause de mortalité accidentelle chez les enfants.

« La moitié des collégiens, en fin de sixième, ne savent pas bien nager », affirmait la ministre des Sports, Roxana Maracineanu, au Parisien en avril 2019.

L'accès aux piscines pour la plupart des jeunes français, surtout pour les ruraux, n'est pas toujours systématique. C'est dans ce contexte que la CCVB, Communauté de Communes de la Vallée de la Bruche, située dans le Bas-Rhin (67), a lancé une consultation relative à la réalisation d'une étude de faisabilité pour la construction d'un équipement aquatique sur la commune de La Broque. Le cabinet d'architectes IPK Conseil a alors été retenu pour mener à bien cette mission.

L'équipement aquatique de La Broque a pour vocation prioritaire l'apprentissage de la natation pour les scolaires et une vocation complémentaire dans le secteur santé-détente, en réponse à une spécificité touristique assez forte de la vallée.

Classification ERP du complexe aquatique

Le projet Boiséo représente une opération d'envergure pour la CCVB, engageant la collectivité sur un projet destiné à couvrir les besoins de la population pour au moins les trois ou quatre prochaines décennies. Le bureau d'études IPK Conseil a dû tenir compte de nombreuses exigences lors de la conception de Boiséo.

Avant de démarrer toute installation et prévoir la sécurité dans un ERP (Établissement Recevant du Public), il est nécessaire de savoir à quelle catégorie le complexe aquatique se rapporte.

Catégorie ERP en fonction de la capacité d'accueil:

Catégorie ERP 1: à partir de 1 501 personnes

Catégorie ERP 2: de 701 à 1 500 personnes

Catégorie ERP 3: de 301 à 700 personnes

Catégorie ERP 4: jusqu'à 300 personnes

DT1 - Pour une stratégie globale de lutte contre les noyades

Extrait du rapport du Ministère des Sports, Ministère de l'Éducation Nationale et de la Jeunesse.

Chaque année est marquée, dans notre pays, par son lot de drames liés aux noyades. La gravité et le caractère récurrent de cette situation inquiètent et interpellent.

DT2 - Diagramme SysML des exigences pour le complexe aquatique

Question 1.4: À l'aide du document DT2, classer en trois catégories, sociale, économique et environnementale, les exigences contenues dans l'exigence principale « Bassin de vie » id = « 1 ».

Partie 2: comment faciliter l'accès des bassins aux personnes à mobilité réduite (P.M.R.) ?

En France, la loi n° 2005-102, du 11 février 2005, « Loi pour l'égalité des droits et des chances, la participation et la citoyenneté des personnes handicapées », vise à garantir une égalité de droits pour tous avec notamment la possibilité de se déplacer et d'accéder comme tout un chacun aux services, commerces, équipements...

Cette idée a été étendue aux personnes à mobilité réduite (P.M.R.). Les exigences à satisfaire sont décrites dans des arrêtés. Le document technique DT3 fournit des extraits de celui qui est actuellement en vigueur.

Les établissements recevant du public (E.R.P.), c'est-à-dire les magasins, bureaux, hôtels, piscines..., doivent être accessibles aux personnes en situation de handicap quel que soit celui-ci. Lors de la conception d'un bâtiment, comme le complexe aquatique Boiséo, des points de vigilance ont dû être définis pour rendre le bâtiment accessible à tous.

DT3 - Extraits de l'arrêté du 20 avril 2017

Place de parking

Une place de stationnement adaptée est aisément repérable par tous à partir de l'entrée du parc de stationnement, elle est positionnée, dimensionnée et équipée de façon à permettre aux personnes titulaires de la carte « mobilité inclusion » et en particulier à une personne en fauteuil roulant ou à son accompagnateur, de stationner son véhicule au plus proche d'un cheminement accessible conduisant à une entrée ou une sortie de l'établissement.

Les places adaptées destinées à l'usage du public représentent au minimum 2 % du nombre total de places prévues pour le public. Le nombre minimal de places adaptées est arrondi à l'unité supérieure. Au-delà de 500 places, le nombre de places adaptées, qui ne saurait être inférieur à 10, est fixé par arrêté municipal.

La largeur minimale des places adaptées est de 3,30 m et leur longueur minimale est de 5 m.

Cheminements

Un cheminement accessible permet d'accéder à l'entrée principale, ou à une des entrées principales, des bâtiments depuis l'accès au terrain.

Les cheminements doivent être de préférence horizontaux.

Lorsqu'une dénivellation ne peut être évitée, un plan incliné de pente inférieure ou égale à 5 % est aménagé afin de la franchir. Les valeurs de pentes suivantes sont tolérées exceptionnellement:

- jusqu'à 8 % sur une longueur inférieure ou égale à 2 m;

- jusqu'à 10 % sur une longueur inférieure ou égale à 0,50 m.

Un palier de repos est nécessaire en haut et en bas de chaque plan incliné quelle qu'en soit la longueur. En cas de plan incliné de pente supérieure ou égale à 4 %, un palier de repos est nécessaire tous les 10 m.

Le palier de repos permet à une personne debout mais à mobilité réduite ou à une personne en fauteuil roulant de s'arrêter; il correspond à un espace rectangulaire de dimensions minimales 1,20 m × 1,40 m.

Étape 1, le parking: comment créer des zones de stationnement adaptées ?

Le parking prévu pour ce complexe aquatique contient 3 places pour les bus, 120 places pour les véhicules légers, 8 emplacements pour les motos. Un parc à vélos composé de 20 supports en arceaux complète l'équipement du stationnement.

Question 2.1

À l'aide du document technique DT3, préciser comment la signalétique horizontale et verticale associée au stationnement d'une P.M.R. sont matérialisées (sur l'extrait du parking en bas du plan).

Question 2.2

Calculer le nombre minimal de places adaptées à réserver aux P.M.R dans la zone de stationnement pour le public.

Question 2.3

À partir de l'échelle indiquée sur le document technique DT3 (1/180), mesurer la longueur et la largeur d'une place de stationnement pour P.M.R. Calculer les dimensions réelles de la place de stationnement en mètres.

m

m

Question 2.4

À l'aide du document DT3, conclure vis-à-vis du respect de l'arrêté du 20 avril 2017 sur les dimensions des places de parking.

Étape 2, le cheminement extérieur: comment accéder sans effort et sans obstacle à l'entrée du bâtiment ?

Question 2.5

À partir du document technique DT3, relever les altitudes et la longueur de la zone 3; calculer la pente, en pourcentage, de la zone 3; justifier l'existence de la zone 4.

m

m

m

%

Étape 3: l'accès aux bassins respecte-t-il les normes ?

Les usagers du centre aquatique, après s'être dévêtus et avoir pris une douche, vont accéder aux bassins en passant obligatoirement par un pédiluve.

La figure ci-dessus donne le gabarit d'encombrement d'un fauteuil roulant. Une roue arrière de fauteuil a un diamètre de 24" (pouces), soit 610 mm.

Question 2.6

Relever la longueur du pédiluve. Vérifier que cette longueur est supérieure ou égale à 2 tours de roue de fauteuil pour s'assurer qu'elles soient entièrement nettoyées.

m

m

Partie 3: comment protéger les usagers contre les éléments climatiques ?

Un auvent couvre l'entrée du centre aquatique afin de limiter les effets de la neige et de la pluie sur les usagers.

Document technique DT4 – Auvent sur l'entrée

Mise en situation:

Modèle de chargement adopté pour le poteau:

avec:

$F = 1{,}35 \times G + 1{,}5 \times Sn$;

surface d'auvent reprise par le poteau: $S = 34{,}76\text{ m}^2$;

$G$ = action permanente en kN (due au poids des éléments) sur $S$, résultante de $g = 0{,}28\text{ kN}\cdot\text{m}^{-2}$ s'appliquant sur $1\text{ m}^2$ d'auvent;

$Sn$ = action de la neige en kN sur $S$, résultante de $sn = 0{,}45\text{ kN}\cdot\text{m}^{-2}$ s'appliquant sur $1\text{ m}^2$ d'auvent;

$1{,}35$ et $1{,}5$ coefficients de sécurité appliqués au chargement.

Tube retenu:

diamètre: $219{,}1\text{ mm}$

Épaisseur: $4\text{ mm}$

Section: $2703\text{ mm}^2$

Matériau:

Ce poteau est en acier S235: sa limite élastique vaut $Re = 235\text{ N}\cdot\text{mm}^{-2}$ (ou MPa).

Question 3.1

Grâce au document technique DT4, définir la fonction assurée par le poteau étudié.

Question 3.2

Parmi les 4 sollicitations: traction; compression; flexion; torsion; indiquer celle que subit le poteau.

Question 3.3

Calculer l'action permanente $G$ appliquée au poteau, à partir de $g$ et de $S$.

Calculer l'action due à la neige $Sn$ appliquée au poteau, à partir de $sn$ et de $S$.

Calculer l'intensité de la force $F$ appliquée au poteau.

Question 3.4

En prenant $F = 37\text{ kN}$, calculer la contrainte subie par le poteau.

Déterminer le coefficient de sécurité au regard de la limite d'élasticité du poteau.

En déduire que le tube est correctement dimensionné.

Partie 4: comment contrôler l'accès à la piscine Boiséo ?

À l'entrée de la piscine, des caisses permettent l'achat de billets sous différentes formes: billets uniques, abonnements, cartes rechargeables, etc. L'accès aux bassins se fait alors par un système de « tourniquets ».

Le billet est lu et, s'il est valide, le « tourniquet » est débloqué pour autoriser le passage de la personne. Cette personne est alors comptabilisée parmi les présents au sein de l'établissement.

Dans le sens de la sortie, ce même tourniquet se débloque par appui sur un bouton poussoir et la personne est décomptée.

L'ensemble de ce système (tourniquets, caisses, etc.) est connecté à un réseau informatique local dont l'architecture simplifiée est présentée ci-dessous.

Configuration du réseau informatique

Le réseau utilise le masque de sous-réseau 255.255.255.0. Les adresses déjà attribuées sont:

Routeur: 200.128.10.1

Serveur: 200.128.10.2

Poste caisse 2: 200.128.10.20

4.1

Sur le DR1, proposer des adresses IP pour les clients du réseau informatique local de la piscine « Boiséo ».

4.2

Préciser le nombre maximal de clients que l'on pourrait ajouter au réseau informatique.

Contrôle du sens de passage

Chaque tourniquet permet de gérer les flux entrant et sortant des personnes. Un système d'alarme détecte les personnes circulant dans le mauvais sens.

Par exemple, si une personne souhaite sortir de la piscine, elle presse le BP « sortie » pour débloquer le tourniquet. Si le tourniquet tourne dans le sens du flux d'entrée, une alarme retentit. Il en est de même pour une personne qui souhaite accéder à la piscine.

Le personnel des caisses peut couper le signal d'alarme en acquittant le défaut.

L'équation logique qui lance cette alarme est la suivante:

$$ALARME = ((SD \cdot SED) + (ED \cdot SSD)) \cdot \overline{AA}$$

SD: Sortie Demandée

ED: Entrée Demandée

SSD: Sens Sortie Détecté

SED: Sens Entrée Détecté

AA: Acquittement Alarme

4.3

Sur le DR1, à partir de l'équation logique de l'alarme, compléter les parties grisées de sa table de vérité partielle.

SD

SED

ED

SSD

AA

ALARME

0 · 0 · 0 · 0 · 0 · 0

1 · 0 · 0 · 0 · 0

1 · 1 · 0 · 0 · 0

0 · 0 · 1 · 1 · 0

0 · 0 · 0 · 0 · 1

1 · 0 · 0 · 0 · 1 · 0

1 · 1 · 0 · 0 · 1 · 0

0 · 0 · 1 · 1 · 1 · 0

4.4

En utilisant les symboles ci-dessous, représenter le schéma logique de la sortie ALARME.

Partie 5: comment estimer les possibilités de récupération d'énergie solaire sur le toit de la piscine Boiséo et gérer le chauffage des bassins ?

Partie 5: comment estimer les possibilités de récupération d'énergie solaire sur le toit de la piscine Boiséo et gérer le chauffage des bassins ?

DT5 - Plans toiture piscine Boiséo

Photo aérienne réalisée durant le chantier:

Plans des toitures terrasses exploitables:

DT6 - Conditions climatiques de référence à La Broque

Les données statistiques ci-dessous permettent de connaître l'apport d'énergie solaire moyen par mois et par année d'un lieu géographique. Les données concernent la commune de La Broque où est implantée la piscine Boiséo.

5.1

À l'aide du document technique DT5, calculer la surface maximale $S_t$ en m² de toiture de la piscine Boiséo sur laquelle il est possible d'installer des panneaux solaires (toitures terrasse 1 + terrasse 2).

m²

5.2

À partir du document technique DT6, relever la valeur de l'irradiance (rayonnement solaire) quotidienne moyenne en kW·h·m⁻²·jour⁻¹.

kW·h·m⁻²·jour⁻¹

5.3

En prenant l'irradiance $I = 3\text{ kW}\cdot\text{h}\cdot\text{m}^{-2}\cdot\text{jour}^{-1}$, et $S_t = 350\text{ m}^2$, calculer l'énergie quotidienne théorique totale $W_{tq}$ en kW·h·jour⁻¹ récupérable sur les toitures des deux terrasses.

kW·h·jour⁻¹

5.4

En prenant $W_{tq} = 1\,000\text{ kW}\cdot\text{h}\cdot\text{jour}^{-1}$, et sachant que les panneaux solaires thermiques ont un rendement moyen de 80 %, calculer l'énergie quotidienne $W_{psth}$ en kW·h·jour⁻¹ récupérable par ces panneaux.

kW·h·jour⁻¹

Partie 5: comment estimer les possibilités de récupération d'énergie solaire sur le toit de la piscine Boiséo et gérer le chauffage des bassins ?

DT5 - Plans toiture piscine Boiséo

Photo aérienne réalisée durant le chantier:

Plans des toitures terrasses exploitables:

DT6 - Conditions climatiques de référence à La Broque

Les données statistiques ci-dessous permettent de connaître l'apport d'énergie solaire moyen par mois et par année d'un lieu géographique. Les données concernent la commune de La Broque où est implantée la piscine Boiséo.

Question 5.5: Pour sélectionner la source d'énergie en fonction des températures de l'eau des bassins et du fluide caloporteur des panneaux solaires, compléter les zones grisées de l'algorigramme du document réponse DR2.

Règles de gestion des sources d'énergie (DR2)

L'énergie thermique provenant des panneaux solaires thermiques est utilisée en permanence. Pour maintenir la température à une valeur constante, la pompe à chaleur (PAC) vient compléter cet apport d'énergie de la manière suivante:

Si l'écart de température entre le fluide caloporteur des panneaux solaires thermiques et l'eau des bassins est inférieur ou égal à 50 °C, la pompe à chaleur est à l'état « MARCHE » pour compléter l'apport d'énergie.

Si l'écart de température entre le fluide caloporteur des panneaux solaires thermiques et l'eau des bassins est supérieur à 50 °C, la pompe à chaleur est à l'état « ARRÊT ».

Variables:

$T_b$ = Température de l'eau des bassins en °C

$T_{cps}$ = Température du liquide caloporteur des panneaux solaires thermiques en °C

$C_hPC$ = Commande du Chauffage Pompe à Chaleur

1.

2.

»

3.

»

Partie 6: Gestion des énergies pour le chauffage

Partie 6: comment optimiser la gestion des énergies pour le chauffage de l'eau des bassins, de l'eau chaude sanitaire et des locaux ?

La piscine Boiséo a un besoin important en énergie thermique destinée à:

chauffer l'eau des bassins;

chauffer l'eau chaude sanitaire (ECS) pour les douches, les lavabos, et le local du personnel;

chauffer les locaux.

La production d'énergie thermique est assurée par 3 systèmes:

des panneaux solaires thermiques posés horizontalement sur le toit du bâtiment, d'une puissance de 45 kW;

trois pompes à chaleur (PAC) d'une puissance totale de 75 kW;

une chaudière à gaz d'une puissance de 700 kW.

Fonctionnement nominal

En fonctionnement nominal, c'est-à-dire pour maintenir la température de l'eau dans le bassin et chauffer les locaux, la consommation est de 300 kW. Cette puissance est prioritairement fournie par les panneaux solaires thermiques et les pompes à chaleur.

Données pour le remplissage et le chauffage de l'eau

La piscine est alimentée en eau par le réseau public. L'eau arrive à une température de 12 °C.

Les bassins contiennent 660 m³ d'eau.

Lors du remplissage des bassins, il faut chauffer l'eau pour qu'elle puisse atteindre sa température nominale de 28 °C.

On rappelle que: $W = \Delta\theta \cdot m \cdot C_p$

$\Delta\theta$: différence de température en °C

$m$: masse de l'eau en kg

$C_p$: chaleur massique de l'eau = 4185 J·kg⁻¹·°C⁻¹

$W$: énergie en Joule

1 m³ d'eau a une masse de 1000 kg

DT2 - Diagramme SysML des exigences pour le complexe aquatique

Consultez le diagramme des exigences DT2 ci-dessous:

6.1

Identifier sur le diagramme des exigences DT2 les 3 sources qui alimentent la piscine en énergie. Préciser pour chacune d'elles s'il s'agit d'une énergie renouvelable ou non-renouvelable, d'une énergie primaire ou secondaire.

Source 1 (Exigence Id 1.5.1)

Source 2 (Exigence Id 1.5.2)

Source 3 (Exigence Id 1.5.1.1)

6.2

De ces trois sources d'énergie, préciser celle qui devrait être mise en œuvre en priorité et pour quelles raisons.

Partie 6: comment optimiser la gestion des énergies pour le chauffage de l'eau des bassins, de l'eau chaude sanitaire et des locaux ?

La piscine Boiséo a un besoin important en énergie thermique destinée à:

chauffer l'eau des bassins;

chauffer l'eau chaude sanitaire (ECS) pour les douches, les lavabos, et le local du personnel;

chauffer les locaux.

La production d'énergie thermique est assurée par 3 systèmes:

des panneaux solaires thermiques posés horizontalement sur le toit du bâtiment, d'une puissance de 45 kW;

trois pompes à chaleur (PAC) d'une puissance totale de 75 kW;

une chaudière à gaz d'une puissance de 700 kW.

Fonctionnement nominal

En fonctionnement nominal, c'est-à-dire pour maintenir la température de l'eau dans le bassin et chauffer les locaux, la consommation est de 300 kW. Cette puissance est prioritairement fournie par les panneaux solaires thermiques et les pompes à chaleur.

Données pour le remplissage et le chauffage de l'eau

La piscine est alimentée en eau par le réseau public. L'eau arrive à une température de 12 °C.

Les bassins contiennent 660 m³ d'eau.

Lors du remplissage des bassins, il faut chauffer l'eau pour qu'elle puisse atteindre sa température nominale de 28 °C.

On rappelle que: $W = \Delta\theta \cdot m \cdot C_p$

$\Delta\theta$: différence de température en °C

$m$: masse de l'eau en kg

$C_p$: chaleur massique de l'eau = 4185 J·kg⁻¹·°C⁻¹

$W$: énergie en Joule

1 m³ d'eau a une masse de 1000 kg

DT2 - Diagramme SysML des exigences pour le complexe aquatique

6.3

Calculer la puissance maximum $P_{\text{Max}}$ que peuvent fournir ces trois modes de chauffage lorsqu'ils fonctionnent en même temps.

6.4

En fonctionnement nominal, c'est-à-dire pour maintenir la température de l'eau dans le bassin et chauffer les locaux, la consommation est de $300\text{ kW}$. Cette puissance est prioritairement fournie par les panneaux solaires thermiques et les pompes à chaleur.

Calculer dans ce cas la puissance $P_{\text{ch}}$ que doit fournir la chaudière à gaz, puis déterminer la marge de puissance $P_{\text{Marge}}$ restant pour la chaudière à gaz.

6.5

La piscine est alimentée en eau par le réseau public. L'eau arrive à une température de $12^\circ\text{C}$.

Les bassins contiennent $660\text{ m}^3$ d'eau. Lors du remplissage des bassins, il faut chauffer l'eau pour qu'elle puisse atteindre sa température nominale de $28^\circ\text{C}$.

Données:

On rappelle que: $W = \Delta \theta \cdot m \cdot Cp$

$\Delta \theta$: différence de température en $^\circ\text{C}$

$m$: masse de l'eau en $\text{kg}$ ($1\text{ m}^3$ d'eau a une masse de $1000\text{ kg}$)

$Cp$: chaleur massique de l'eau $= 4185\text{ J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot^\circ\text{C}^{-1}$

$W$: énergie en Joule

Calculer la quantité d'énergie thermique $W_{\text{th}}$ qu'il faut fournir pour chauffer l'eau. Exprimer ce résultat en Joule puis en $\text{kW}\cdot\text{h}$.

6.6

On prendra une puissance disponible pour chauffer l'eau de $500\text{ kW}$. Déterminer le temps en heures nécessaire à la montée en température de l'eau.

Le choix se porte sur une chaudière à gaz de puissance $700\text{ kW}$. Indiquer l'avantage de disposer d'une chaudière de grande puissance.

Mise en situation

La piscine Boiséo est située à La Broque dans le Bas-Rhin. Lors de sa conception, une attention toute particulière a été apportée aux consommations d'énergies afin de minimiser l'impact carbone. Ainsi, il est fait appel aux énergies renouvelables, notamment à l'énergie solaire ainsi qu'à des pompes à chaleur, pour le chauffage de l'eau.

La température de l'eau des bassins est portée à 28 °C.

La solution technique retenue pour capter l'énergie solaire est une « natte solaire » posée horizontalement sur le toit du bâtiment.

Partie A: quel est l'apport en énergie des nattes solaires ?

Une partie de l'énergie thermique nécessaire au fonctionnement de la piscine est fournie par des nattes solaires. Elles sont situées sur le toit de la piscine, leur surface réelle est de $300\text{ m}^2$.

L'énergie fournie par ces nattes solaires sert uniquement au chauffage de l'eau des bassins.

Document technique DTS1 - Natte solaire

DONNÉES TECHNIQUES - Natte solaire AST 120/10

Matière: EPDM

Largeur: natte de $120\text{ mm}$, composée de 10 petits tuyaux

Longueur: variable, jusqu'à $60\text{ m}$

Surface de captation active: $1{,}523\text{ m}^2 / \text{m}^2$ de natte solaire

Poids des nattes: Vides: $5{,}5\text{ kg/m}^2$ | Pleines: $8{,}5\text{ kg/m}^2$ (contenance $3{,}0\text{ l/m}^2$)

Débit par $\text{m}^2$: $80 - 100\text{ l/h}$

Pression de service: $0{,}5 - 2{,}5\text{ bar}$

Perte de charge: $0{,}2 - 0{,}3\text{ mWs}$ pour $20\text{ m}$ (par exemple)

Résistance aux écarts de températures: $-50\text{ °C}$ à $+150\text{ °C}$. Le tapis solaire ne craint pas le gel

Gain en énergie par jour: jusqu'à $6\text{ kWh/m}^2$

LES AVANTAGES des systèmes de chauffage solaire AST

La saison de baignade coïncide parfaitement avec la période d'utilisation de l'installation solaire.

Réchauffement d'une grande quantité d'eau grâce à un rendement thermique des plus élevés pouvant atteindre 87 %, grand débit.

Les piscines extérieures peuvent se passer d'un chauffage complémentaire si elles acceptent des variations de températures.

Excellent rapport prix/performance = amortissement rapide.

Systèmes de fixation pour tous types de couverture de toiture.

Baisse des coûts d'exploitation.

Augmentation des recettes grâce au prolongement de la saison balnéaire.

Question A.1

À partir du DTS1, citer trois avantages pertinents à l'utilisation de nattes solaires pour le chauffage de l'eau des bassins.

Justifier le choix de nattes solaires plutôt que de panneaux solaires photovoltaïques dont le rendement a pour valeur environ 20 %.

Question A.2

En considérant un apport d'énergie solaire de $1\text{ kW}\cdot\text{m}^{-2}$.

Question A.3

L'énergie solaire, comme l'énergie éolienne, est une énergie intermittente.

Expliquer la signification de l'expression « énergie intermittente ».

Justifier en quoi l'énergie solaire est intermittente.

Partie B: Quel est l'apport en énergie renouvelable des pompes à chaleur ?

L'énergie thermique fournie par les pompes à chaleur sert uniquement au chauffage de l'eau des bassins.

B.1

À partir du DTS3, expliquer ce qu'est le COP et le SCOP.

Justifier l'intérêt d'utiliser des pompes à chaleur pour chauffer l'eau des bassins.

B.2

À partir du DTS2 et en tenant compte de la température de l'eau des bassins et de l'efficacité énergétique, déterminer le type de pompe à chaleur adaptée au chauffage de l'eau de la piscine (30WG, 61WG ou 30WGA). Justifier la réponse.

Le choix porte sur l'utilisation de trois pompes à chaleur 30WG-025.

B.3

Dans les conditions d'utilisation HW1, relever à l'aide de DTS4 le COP et le SCOP d'une pompe à chaleur.

Une pompe à chaleur 30WG-025 a fourni sur une année de fonctionnement une énergie thermique de $90\,000\text{ kW}\cdot\text{h}$.

B.4

Compte tenu du SCOP déterminé à la question B3, calculer la quantité d'énergie électrique $W_e$ consommée sur une année de fonctionnement.

Conclure quant à l'intérêt de la pompe à chaleur du point de vue des consommations d'énergie et de l'apport en énergie renouvelable.

L'exploitant de la piscine a installé des compteurs d'énergie en entrée et en sortie des pompes à chaleur. Il peut ainsi mesurer les consommations d'énergie.

Pour l'année 2020 il a mesuré:

Consommation électrique des trois pompes à chaleur: $70\,424\text{ kW}\cdot\text{h}$

Production d'énergie thermique par les trois pompes à chaleur: $310\,054\text{ kW}\cdot\text{h}$

B.5

Compte tenu de ces mesures, calculer le SCOP des pompes à chaleur pour l'année 2020.

Commenter cette valeur en la comparant aux valeurs indiquées par le constructeur.

Partie C: comment peut-on installer un éclairage du bassin sportif en toute sécurité ?

Un éclairage a été placé dans le bassin sportif, il permet d'éclairer le fond du bassin et de contribuer au décor de la piscine.

L'utilisation d'énergie électrique en milieu humide ou immergé répond à des normes très strictes.

Question C.1

À l'aide du document DTS5 ci-dessous, déterminer à quel volume appartiennent les projecteurs situés dans le bassin sportif (volume 0, 1 ou 2) et justifier la réponse.

DTS5 - Extraits de la norme NF C 15-100 (Section 702)

Volume 0: intérieur du bassin et parties des ouvertures dans les parois ou dans le fond accessibles par les personnes se trouvant dans le bassin.

Matériels autorisés: Aucun appareillage ou appareil d'utilisation n'est accepté dans le volume 0 à moins que celui-ci ne fonctionne en Très Basse Tension de Sécurité (TBTS), soit 12 volts en alternatif ou 30 volts en continu.

Volume 1: limité par la surface verticale à 2 m des bords du bassin et par le plan horizontal à 2,50 m au-dessus du sol.

Volume 2: limité par la surface verticale extérieure du volume 1 et la surface parallèle à 1,50 m, et 2,50 m au-dessus du sol.

En alternatif:

V

En continu:

V

Question C.2

À l'aide des documents DTS6 et DTS7, justifier le choix des projecteurs du bassin du point de vue de la tension d'alimentation et de l'indice de protection (IP).

DTS6 - Caractéristiques du spot LED

Puissance · 12 W

Tension · 12 V AC

Fréquence · 50-60 Hz

Indice de Protection · IP68

Schéma de distribution électrique de l'éclairage des bassins

Le bassin sportif comporte 18 projecteurs alimentés en 12 V selon le schéma ci-après:

• T1, T2 et T3 sont des transformateurs 230 V~ / 12 V~.

• T1 et T2 alimentent chacun 9 projecteurs du bassin sportif.

• T3 alimente les projecteurs du bassin ludique.

• Q10: $I_n = 10\text{ A}$; $I_{\Delta n} = 30\text{ mA}$.

Question C.3

Question C.4

À l'aide des données et de la documentation DTS8 (disjoncteurs Hager) ci-dessous, dimensionner l'alimentation et la protection du transformateur T1.

Question C.5

Conclure en récapitulant les différentes protections mises en place pour la protection des biens et des personnes sur l'installation d'éclairage des bassins.