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DOSSIER DE PRÉSENTATION Chauffe-eau solaire pour mobil-home Mise en situation L

DOSSIER DE PRÉSENTATION Chauffe-eau solaire pour mobil-home Mise en situation Les campings sont ouverts principalement en période estivale (mai à septembre). La production d’eau chaude nécessaire aux douches des campeurs, induit une consommation journalière d’électricité et des dépenses associées. L’installation d’un chauffe-eau implique également des impacts environnementaux. L’utilisation de petits chauffe-eau solaires (voir figure ci-dessous) dans les mobil-homes, pourrait s’avérer judicieuse. L’objectif de cette étude est de proposer des solutions techniques permettant de valider les exigences du cahier des charges ci-après. Cahier des charges Exigence 1 Masse du ballon vide inférieure à 20 kg Exigence 2 Impact environnemental minimal Exigence 3 Surface du panneau solaire inférieure à 4 m² Exigence 4 Résolution de mesure de température de 0,5°C Exigence 5 Eau sanitaire à une température de 60°C +/- 5°C Baccalauréat Sciences et Technologies de l’Industrie et du Développement Durable – STI2D Session 2020 Enseignements technologiques transversaux - oral de contrôle Code : 2020-15-01 Page 1 / 7 DOSSIER DE TRAVAIL DEMANDÉ Problématique Comment dimensionner un chauffe-eau économique pour mobil-home afin de garantir le confort des occupants tout en limitant l’impact environnemental ? Analyse fonctionnelle Question 1 Figure 1 du DTR1 Associer les composants ci-dessous, aux fonctions qu’ils réalisent sur la chaine fonctionnelle figure n°1:  les capteurs de température ;  le relais ;  la carte électronique. Validation de l’exigence 1 : masse du ballon Question 2 Déterminer, à partir de la figure n°2, les dimensions R et H optimales pour minimiser la quantité de matière du ballon de 50 litres. Figure 2 du DTR2 En minimisant l’épaisseur de l’enveloppe du ballon, le volume d’acier utilisé est de 2,2510-3 m3. La masse volumique retenue pour l’acier est de 8000 kgm-3. Question 3 Calculer la masse d’acier mb du ballon. Conclure en fonction de l’exigence associée du cahier des charges. Validation de l’exigence 3 : surface de captage L’énergie thermique Q en joule (J) nécessaire à chauffer l’eau du ballon est donnée par l’équation : Q = meau∙Ceau ∙∆T Avec :  masse de l’eau dans le ballon meau ;  capacité thermique de l’eau Ceau = 4185 Jkg-1K-1 ;  élévation de température ΔT en K. on donne la masse volumique de l’eau ρeau = 1 kgl-1. Question 5 Déterminer l’énergie Q nécessaire pour chauffer 50 litres d’eau sanitaire stockée dans le ballon, d’une température de puisage de 13 °C à une Baccalauréat Sciences et Technologies de l’Industrie et du Développement Durable – STI2D Session 2020 Enseignements technologiques transversaux - oral de contrôle Code : 2020-15-01 Page 2 / 7 température de 60 °C. Exprimer Q en Joule puis en kWh. Question 6 Calculer l’énergie solaire Esolaire en entrée de la chaine d’énergie thermique nécessaire pour chauffer les 50 litres d’eau à partir du rendement de chaque bloc fonctionnel. Figure 1 du DTR1 Question 7 Quelle que soit la valeur trouvée pour Esolaire, on prendra Esolaire = 6 kWh ; En déduire la surface S du panneau solaire pour chauffer les 50 litres d’eau en une journée sachant que l’énergie solaire surfacique ESS vaut 4,9 kWhm-2 par jour. Validation de l’exigence 4 : résolution de l’acquisition de température Deux capteurs de température sont installés sur ce système :  l’un en sortie du panneau ;  l’autre dans le ballon de stockage. Question 8 Calculer le nombre de valeurs à coder pour satisfaire la résolution donnée dans le cahier des charges pour la plage de température 0°C à 125°C. Le bus série utilisé pour transmettre l’information du capteur utilise un format de données sur 8 bits (1 octet). Question 9 Vérifier que le bus est capable de transmettre l’information en une seule trame et conclure sur l’exigence 4 du cahier des charges. Question 10 Donner la valeur binaire de l’octet si la température est de 65 °C. Baccalauréat Sciences et Technologies de l’Industrie et du Développement Durable – STI2D Session 2020 Enseignements technologiques transversaux - oral de contrôle Code : 2020-15-01 Page 3 / 7 Conclusion Le tableau suivant compare le chauffe-eau solaire au chauffe-eau électrique. Chauffe-eau électrique Chauffe-eau solaire Durée de vie 25 ans 25 ans Coût d’investissement 100 € 1000 € / m2 Coût d’utilisation annuel 62 € négligeable équivalent CO2 37 kg par an 0 kg par an Question 11 En reprenant les points abordés aux questions précédentes, conclure sur la réponse du système aux exigences du cahier des charges. Discuter de la pertinence financière et environnementale du choix d’un chauffe-eau solaire plutôt que d’un chauffe-eau électrique. Baccalauréat Sciences et Technologies de l’Industrie et du Développement Durable – STI2D Session 2020 Enseignements technologiques transversaux - oral de contrôle Code : 2020-15-01 Page 4 / 7 DOSSIER TECHNIQUE ET RESSOURCE DTR1 : ANALYSE FONCTIONNELLE DU CHAUFFE-EAU SOLAIRE Figure 1 : chaîne d’énergie et chaîne d’information Baccalauréat Sciences et Technologies de l’Industrie et du Développement Durable – STI2D Session 2020 Enseignements technologiques transversaux - oral de contrôle Code : 2020-15-01 Page 5 / 7 H R DTR2 : CHAUFFE-EAU SOLAIRE RECHERCHE D’OPTIMUM ET CHOIX DE CONCEPTION Figure 2 : Surface de l’enveloppe en fonction du rayon du ballon et de sa hauteur Relation entre R et H pour un volume de 50 litres : H = 50 000 π∙R 2 avec R et H en cm Baccalauréat Sciences et Technologies de l’Industrie et du Développement Durable – STI2D Session 2020 Enseignements technologiques transversaux - oral de contrôle Code : 2020-15-01 Page 6 / 7 uploads/Science et Technologie/ sujet-oral-2020-ballon-de-chauffage.pdf