Partie spécifique - Partie B : Confort thermique… · Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable Métropole remplacement - AC 2022

PARTIE SPÉCIFIQUE (8 points) — ARCHITECTURE ET CONSTRUCTION

Études thermique de l'espace vie du bateau et de la structure du portique arrière

Mise en situation

Après deux années de navigation et d'optimisation, Energy Observer s'apprête à accomplir une navigation historique, la plus longue depuis son départ de Saint-Malo en 2017. Il va devenir le premier navire au monde à rejoindre le cercle polaire arctique uniquement propulsé par des énergies renouvelables et de l'hydrogène: 2 400 milles à parcourir entre Saint-Pétersbourg et Longyearbyen au Spitzberg en longeant la côte ouest de la Norvège.

Travail demandé

Ce travail se décompose en deux études:

1 ère étude consacrée au confort thermique dans la base vie.

2 ème étude consacrée à la structure du portique qui supporte les panneaux photovoltaïques.

Dans un premier temps nous allons étudier les performances énergétiques de l'espace de vie du bateau, la « Nacelle ». Pour cela, il faut déterminer les besoins en chauffage pour maintenir une température convenable à l'intérieur du bateau.

Pour la construction navale, les parois sont faites en composite à structure sandwich. Ce matériau est adapté pour sa légèreté et sa rigidité. Il est composé d'une âme en mousse PVC prise entre deux plaques de kevlar.

Les parois vitrées sont en plexiglass d'une épaisseur de 7 mm et la conductivité thermique ($\lambda$) est de $0{,}19\text{ W}\cdot\text{m}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$.

Partie B: comment garantir un bon confort thermique durant une traversée ?

Pour faciliter l'étude thermique, nous allons simplifier la forme de la « Nacelle » selon le modèle d'étude représenté ci-dessous.

Descriptif des parois vitrées de la « nacelle »

Parois

Type

Nombre

Dimensions (m)

Verticale

Porte Vitrée

1

2,00 × 1,50

Horizontale

Toit vitrée

1

4,00 × 2,00

Question B.1

Calculer la surface totale des parois ($S_p$) en contact avec l'air extérieur.

Calculer la surface totale des parois vitrées ($S_v$) et en déduire la surface des parois opaques ($S_o$), à partir du document DT S2.

Pour la suite de l'étude nous utiliserons les valeurs de surface et les coefficients de transmission thermique ($U$) données dans le tableau DR S2. On considèrera que durant la navigation vers le cercle polaire, le bateau devra affronter une température minimale ($T_{ext}$) de -5°C et une température de consigne ($T_{int}$) de 19°C.

Question B.2

Calculer la puissance de déperditions des parois ($P_{dp}$), en complétant le document DR S2, à partir du document DT S1.

Déduire, du tableau précédent, la part des déperditions dues aux parois vitrées par rapport aux déperditions totales. Commenter ce résultat.

Parois

Surface (m²)

U (W·m⁻²·K⁻¹)

ΔT (K)

Puissance Déperdition (W)

Puissance Déperdition Totale (W)

Opaque

110

0,63

24

Vitrée

11

5,35

%

On sait qu'une puissance de chauffage de 2000 W sera fournie en récupérant la chaleur des appareils du navire (pile à combustible, électrolyseur, convertisseur).

Question B.3

Calculer si un chauffage additionnel est nécessaire pour maintenir la température intérieure à 19°C.

Indiquer la puissance à fournir par le chauffage.

Question B.4

Conclure quant au bon déroulement de la traversée suite à cette étude ?