Partie 2 (Questions 2.1 à 2.8) - Respect de la ré… · Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable Métropole - SIN 2021

L'Arche des petites bêtes du zoo de Thoiry

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.

DT1: diagramme des exigences

DT2: modèle numérique de la structure porteuse de l'arche (toiture ôtée)

DT3: étude comparative d'éco-conception dans leur cycle de vie d'un poteau porteur par simulations numériques

Material: Matériaux – Manufacture: Fabrication – Transport: Transport – Use: Utilisation

Disposal: Fin de vie – EoL potential: Recyclage potentiel

Version installée en bois lamellé-collé

Paramètres de simulation:

- Poteau en bois lamellé-collé épaisseur 250 mm

- Masse de 274 kg.

- Cycle de vie de 50 ans,

- Transport par camion 32 tonnes

- Distance parcourue du lieu de fabrication au chantier de construction: 50 km

Version comparative en acier

Paramètres de simulation:

- Poteau en acier épaisseur 50 mm

- Masse de 1270 kg.

- Cycle de vie de 50 ans,

- Transport par camion 32 tonnes

- Distance parcourue du lieu de fabrication au chantier de construction: 1500 km

DT4: performances des bétons de chanvre suivant trois critères

DT5: émissions des gaz à effet de serre (en kg eq. CO2) sur l'ensemble du cycle de vie de différents types de parois

(1) Les données proviennent de la base INIES et de l'analyse du cycle de vie d'un mur en béton de chanvre banché sur ossature bois réalisé par l'INRA selon la norme NF 10.010 à la demande et avec le concours du Ministère de l'Agriculture et de l'ADEME.

Les Bétons Chanvre Tradical® ont été choisis pour cette analyse.

DT6: plan de structure: coupe verticale des murs

Détails de la vue en coupe du modèle 3D

DT7: caractéristiques des parois

Caractéristiques des parois Paroi · Composition · Coefficient de transmission thermique Up (W·m⁻²·K⁻¹) · Maximum réglementaire Umax (W·m⁻²·K⁻¹)

Plancher bas · Polyuréthane 10cm

Béton 20cm · 0.30 · 0,4

Mur extérieur · Béton de chanvre

Enduit de chaux 2 cm · A déterminer · 0,45

Plancher intermédiaire · Bois · >5 · Pas d'exigences

Mur intérieur · SIPOREX ep 15 cm · 0,59 · Pas d'exigences

Toiture terrasse végétalisée · Terre 8cm

Bitume d'étanchéité

Polyuréthane 6cm

Panneau OSB 2cm · 0,41 · 0,28

Plancher sous comble · Ouate de cellulose 20cm

Panneau OSB 2cm · 0,2 · 0,28

Rappels:

La résistance thermique (R th) d'une couche de matériau de conductivité thermique (λ) et d'épaisseur (e) est:

$$R_{th} = e / \lambda$$

Le coefficient de transmission thermique (U p) d'une paroi de résistance thermique (R th) est:

$$U_p = 1 / R_{th}$$

DT8: résistances thermiques superficielles

Rsi: Résistance superficielle intérieure / Rse: Résistance superficielle extérieure

DT9: données climatiques de Thoiry

· Janvier · Février · Mars · Avril · Mai · Juin · Juillet · Août · Septembre · Octobre · Novembre · Décembre

Température moyenne (°C) · 2.7 · 3.5 · 6.7 · 9.6 · 12.9 · 15.8 · 17.8 · 17.6 · 15.3 · 10.7 · 6.4 · 3.6

Température minimale moyenne (°C) · 0.1 · 0.4 · 2.5 · 4.8 · 7.9 · 10.6 · 12.5 · 12.4 · 10.5 · 6.8 · 3.5 · 1.2

Température maximale (°C) · 5.3 · 6.6 · 10.9 · 14.4 · 17.9 · 21.1 · 23.1 · 22.8 · 20.1 · 14.7 · 9.3 · 6.1

Précipitations (mm) · 57 · 47 · 48 · 45 · 57 · 53 · 54 · 51 · 56 · 58 · 61 · 57

Le flux thermique (Φ) traversant une paroi de surface (S), de coefficient de conduction (U) séparant 2 milieux dont les températures ont une différence (ΔT) est:

$$\Phi = U \cdot S \cdot \Delta T \text{ en W}$$

DT10: diagramme de Sankey des apports internes pour le chauffage

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

aout · 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

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

aout · 138

septembre · 101

octobre · 61

novembre · 30

décembre · 22

DT13: fiche technique panneau solaire Systovi 300Wc

Systovi est une marque de panneaux solaires haut de gamme, fabriqués en France.

Le panneau solaire Systovi 300Wc, en technologie monocristalline, obtient le meilleur rendement au mètre carré des modules à base de silicium.

Les modules full black 60 cellules d'une puissance de 300Wc obtiennent un rendement surfacique de 18,6%. Les cellules noires qui le composent lui donnent un aspect full black particulièrement esthétique qui s'intègre facilement sur toutes les toitures de bâtiments.

Panneau solaire compatible avec les micro-onduleurs APS DUO YC500I, YC600 et APS QUADRI YC1000-3.

DONNÉES ÉLECTRIQUES STC

Puissance crête-Pmax: 300Wc

Tension à puissance maximale: 33,24V

Intensité à puissance maximale: 8,66A

Tension de circuit ouvert: 39,48V

Intensité de court-circuit: 9,18A

DONNÉES MÉCANIQUES

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

Verre: Verre solaire trempé haute transparence 3.2mm, traitement anti-reflet

Backsheet: Noir

Cadre: Aluminium noir

Boîte de jonction: Tyco Z-Rail IP 67

GARANTIES

Garantie constructeur: 20 ans

Garantie de production: 80% à 25 ans

Câbles: Résistant UV, câble 4,0 mm2 (AWG 11), 1 000 mm

Connecteur: Tyco PV4 compatible MC4

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

Partie 2: Comment respecter la réglementation thermique en vigueur ?

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.

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.

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.

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.

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

Nom

Épaisseur en m

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

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

Surface extérieure

Enduit de chaux

0,7

Béton de chanvre

0,1

Surface intérieure

$R_{\text{th}}$ totale

2.4

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

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

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.

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 1 er octobre au 30 avril, soit 212 jours. En raison de la forme arrondie de la paroi, le coefficient de transmission thermique moyen est $U_p = 0{,}4\text{ W}\cdot\text{m}^{-2}\cdot\text{K}^{-1}$.

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.

2.7

Calculer l'énergie thermique perdue au travers des parois verticales en béton de chanvre en $\text{kW}\cdot\text{h}$ durant la période de chauffe. Compléter le DR2 pour obtenir les déperditions thermiques totales.

DOCUMENT RÉPONSES DR2: Calcul des déperditions thermiques

Paroi

Pertes en $\text{kW}\cdot\text{h}$

Plancher bas

10260

Mur extérieur

Toiture terrasse végétalisée

11215

Plancher sous comble

1370

TOTAL

L'étude précédente permet d'estimer les déperditions énergétiques à environ 37000 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.

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.