Corrigé Épreuve E21 BTS FEE FEE 2015 (link is external) - Eduscol
BTS Fluides Energies Environnements. Session 2014. Nom de l'épreuve :
Fluidique ? Energétique - Environnement. CORRECTION. Page : 1/16 ...
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SHAPE \* MERGEFORMAT
FLUIDIQUE ENERGETIQUE - ENVIRONNEMENT
SESSION 2014
CORRECTION
Matériel autorisé :
Toutes les calculatrices de proche y compris les calculatrices programmables, alphanumériques ou à écran graphique à condition que leur fonctionnement soit autonome et quil ne soit pas fait usage dimprimante (circulaire n°99-186, 16/11/1999)
Tout autre matériel est interdit
Documents rendus avec chaque copie :
Graphe pilotage PAC + Chaudière Page 17/19
Diagramme de lair Humide valable pour 1840m daltitude Page 18/19
Tableau acoustique Page 19/19
BTS Fluides Energies EnvironnementsSession 2014Nom de lépreuve : Fluidique Energétique - EnvironnementCORRECTIONPage : 1/16 Extrait du Cahier des Charges :
Caractéristiques techniques et climatiques du site :
Localisation : Piau Angaly (station de Ski)
Altitude : 1840m
Constitution du sol (Etude du forage réalisé à proximité du site par le bureau BRGM) :
ProfondeurLithologieStratigraphieDe 0 à 1.1 mTerre végétale de débrisDe 1.1 à 7 mSable gris fin avec débris rocheux avec quelques filons de calciteQuaternaireDe 7 à 10.5 mCalcschisteDévonien
Température du sol à la profondeur de 6m : 5°C (en hiver et en moyenne)
Conditions climatiques extérieures :
Text = -14°C
HRext = 90%
Conditions de chauffage de la zone Aqualudique étudiée ici :
Conditions climatiques intérieures :
Tint = 29°C HR = 70%
Nombre dheures de chauffage jusqu à 8°C : 4507h
Volume de la zone étudiée : 1200 m3
Charges climatiques :
Hiver : Déperditions : 85 kW
Charge hydrique : 150 kgeau/h
Eté : Non fournies
Caractéristiques du puits canadien projeté : Société REHAU
Le puits canadien permettra le préchauffage de lair pulsé dans la zone aqualudique (piscine)
Débit dair neuf véhiculé : 6500 m3/h
Longueur totale du puits: 30m
Nombre de piquages : 15
Diamètre des piquages : 250 x 8,80
Diamètre du collecteur : 630 x 24,0
Conductivité thermique du tube : 0,16 W/m.°C (qualité alimentaire)
Schéma de principe : Voir Annexes page 12/19
Cout global du puits installé : 35000¬
Centrale de traitement d air de la zone aqualudique :
Composition : Filtre Type F2
Récupérateur double batteries Caisson de mélange
Batterie Chaude à eau Filtre Type F7
Prix de l énergie électrique sur site : 14c¬ /kWh
BTS Fluides Energies EnvironnementsSession 2014Nom de l épreuve : Fluidique Energétique - EnvironnementCORRECTIONPage : 2/16 1ère PARTIE : Etude Thermique et Fluidique 1h00
Objectif principal : Etude de limpact des caractéristiques dun puits canadien sur la réduction de la facture énergétique.
Létude va porter sur la zone aqualudique. Seule cette zone sera équipée de puits canadien.
Etude énergétique sans la présence du puits :
Déterminez la puissance nécessaire au chauffage de lair neuf portée à la température de 8°C
(valeur de la température dans le caisson de mélange).
P =ð 0,34 ´ð Qv
´ð (ð8
+ð 14)ð
P =ð 0,34 ´ð 6500 ´ð 22
=ð 48
620 W
En supposant que ce chauffage est réalisé par une batterie électrique, déterminez la consommation énergétique liée au débit d air neuf introduit dans la zone.
On donne : Rendement du système de chauffage : 0,95
C =ð P ´ð t
C =ð 48,62 ´ð 4507
0,95
=ð 230 663,52 kWh
Pour un cout de 14c¬ /kWh, calculez le montant de la facture énergétique (hors abonnement) de la ventilation d air neuf de la zone aqualudique.
Cout =ð 230 663,52 ´ð 0,14 =ð 32 293 ¬
Etude énergétique avec la présence du puits :
Etude thermique du puits canadien :
Calculez la vitesse de l air dans le tube :
air
6500
SHAPE \* MERGEFORMAT
=ð 15 ´ð 3600 =ð 2,83 m/s
pð ´ð (0,25 - 2 ´ð 0,0088)2
SHAPE \* MERGEFORMAT
4
Calculez la résistance thermique du tube « Rtube » Coefficient de convection intérieur dans un tube : Ri conv
R =ð 1
=ð 1 =ð 0,0784 m2 .°ðC/W
i conv
5,55 ´ð w
air
0 ,8
æð 6500
çð
0 ,8
öð
÷ð
5,55 ´ð çð 15 ´ð 3600 ÷ð
çð pð ´ð (0,25 - 2 ´ð 0,0088)2 ÷ð
çð ÷ð
èð 4 øð
Résistance thermique d un tube : RTotal en °C/W
ln 0,125
R =ð 0,0784 +ð 0,1162 =ð 0,180 m.°ðC/W
-- K
=ð 1 =ð 5,555 W/m.°ðC
Total
2 ´ð pð ´ð 0,1162
2 ´ð pð ´ð 0,16
Tube
0,180
Evaluez la température de l air à la sortie du puits. On considérera l ensemble des piquages comme un seul, véhiculant la totalité du débit d air neuf.
On donne : masse volumique moyenne de l air : 1,2kg/m3
Ts(l)
=ð 5 +ð (-14 -ð 5) ´ð e
-ð5 ,555 ´ð 30
433,33 ´ð1 ,2 ´ð1000
3600
=ð - 1 °ðC
BTS Fluides Energies EnvironnementsSession 2014Nom de l épreuve : Fluidique Energétique - EnvironnementCORRECTIONPage : 3/16 Etude de l impact énergétique du puits canadien :
Calculez la puissance récupérée par le puits si la température de l air en sortie du puits est estimée à -1°C.
P =ð 0,34 ´ð Qv
´ð (ð- 14
+ð 1 )ð
P =ð - 0,34 ´ð 6500 ´ð 13 =ð - 28 730 W
Evaluez le gain énergétique réalisé sur la saison, en kWh puis en ¬ .
C =ð P ´ð t
C =ð 28,73 ´ð 4507 =ð 129 576,3 kWh
gain =ð 129 576,3 ´ð 0,14 =ð 18 140,7 ¬
Estimez le temps de retour brut sur l investissement de ce puits canadien. Conclusion.
Pour comparer les deux solutions, il faut tenir compte de la puissance nécessaire pour chauffer l air de -1°C à 8°C, soit :
Temps de retour =ð
35000 ¬
18 140,7
=ð 1,93 années
L installation du puits canadien est rentable immédiatement.
Optimisation du Puits canadien :
Le projet a été basé sur une longueur totale du puits de 30m. Le maitre duvre souhaiterait savoir sil est possible de doubler la puissance récupérée, si on doublait la longueur du puits, soit une longueur de piquage de 60m.
On donne : Ktube = 6,00 W/m.K
Calculez alors la puissance récupérée par le puits. Conclure sur le résultat obtenu vis-à-vis du projet initial.
60mTempérature sortie puits-ð6 ´ð 60
SHAPE \* MERGEFORMAT
433,33 ´ð1 ,2 ´ð1000
Ts(l) =ð 5 +ð (-14 -ð 5) ´ð e 3600 =ð 3,42 °ðCP =ð 6500 ´ð 1,2 ´ð 1 ´ð (-14 -ð 3 ,42 ) =ð - 37,74 kW
3600
Le fait de doubler la longueur du puits n a permis de doubler la puissance récupérée :
% d' augmentation =ð 100 -
28,17
37,74
´ð 100
=ð 25,4 %
BTS Fluides Energies EnvironnementsSession 2014Nom de l épreuve : Fluidique Energétique - EnvironnementCORRECTIONPage : 4/16 Impact du fonctionnement du ventilateur du Puits :
L étude aéraulique du puits a donné les résultats suivants :
Perte de charge totale du puits : 245 Pa
Rendement global moyen du ventilateur : 70%
Estimez la puissance consommée par le ventilateur ainsi que sa consommation énergétique.
Si le gain annuel réalisé par le puits est de 18000¬ , estimez alors l augmentation du temps de retour sur investissement lié au fonctionnement du ventilateur.
6500 ´ð 245
Puissance consommée =ð
3600 =ð 632 W
0,70
Consommation énergétique =ð 0,632 ´ð 4507 =ð 2848,4 kWh
Temps de retour =ð
35000 ¬ =ð
(ð18000 - 2848,4 ´ð 0,14 )ð
1,99 années
La consommation énergétique du ventilateur n a pas eu d impact majeur sur le temps de retour brut sur investissement.
BTS Fluides Energies EnvironnementsSession 2014Nom de lépreuve : Fluidique Energétique - EnvironnementCORRECTIONPage : 5/16 2ième PARTIE : Etude de la climatisation de la Zone Aqualudique 1h00
Objectif principal : Comparer limpact de la réglementation sur le débit dair hygiénique à introduire dans une piscine daprès le RSDT vis-à-vis des recommandations de la DDASS
Létude va porter sur la zone aqualudique. Cette zone est initialement équipée dune CTA sans récupération de chaleur. On considéra ici lair neuf à la température extérieure de base (pas de présence du puits canadien). Le nombre de personnes maximum en forte occupation pouvant être accueilli (FMI : Fréquence Maximale Instantanée) dans cette zone du bâtiment est de 145. Létude se fera uniquement dans le cas HIVER.
Etude de la climatisation des locaux selon le RSDT :
Déterminez le débit minimum dair neuf à introduire selon le RSDT QvAN = 22 x 145 = 3190 m3/h
Donnez toutes les caractéristiques de lair soufflé. Vous indiquerez vos valeurs dans le tableau fourni avec le diagramme psychrométrique page 18/19. Précisez le débit de soufflage obtenu.
Hypothèse : on prendra le volume spécifique de lair au soufflage égal au volume spécifique de lair intérieur.
BTS Fluides Energies EnvironnementsSession 2014Nom de lépreuve : Fluidique Energétique - EnvironnementCORRECTIONPage : 6/16 Diagramme psychrométrique : Voir En annexe
PointqðHRhv°C%kJ/kgasm3/kgasAN-1490-10,90,918AI297087,81,108AS491482,31,164AM119,2210065,36
Débit massique d air neuf : QmAN = 3190 / 0,918 = 3479,4 kgas/h Débit massique d air soufflé : QMAS = 85 *3600 / (1 * 20) = 15 300 kgas/h
(15810 kgas/h avec plus de précision)
Point de mélange : (valable aussi si résultat obtenu de façon graphique)
qð tð ´ð qð
AM AN AN
tð
ARC
´ð qð
ARC
qð = 0,2274 ´ð -14 + 0,7726 ´ð 29 = 19,22 °C
tð ´ð
AM1 AN AN
tð
ARC
´ð
ARC
qð = 0,2274 ´ð -10,9 + 0,7726 ´ð 87,8 = 65,36 kJ/kgas
tðAN
=ð qmAN qmASoufflé
=ð 3479,4 =ð 0,2274tð 15300
ARC
=ð qmARC qmASoufflé
=ð 1 - 0,2274 =ð 0,7726
La récupération de chaleur sur l air extrait était-il nécessaire ? Pourquoi ?
Oui, car le point de mélange se situe sur la courbe de saturation : risque de condensation important dans le caisson de mélange.
Dans la suite des calculs, il sera fait usage dun récupérateur de chaleur (double batteries) permettant dobtenir un air à 8°C avant lentrée de lair dans le caisson de mélange.
Réalisez sur le diagramme de lair humide proposé en page18/19, le tracé de lévolution de lair dans la CTA afin datteindre le point de soufflage. Vous indiquerez les valeurs des points caractéristiques dans le tableau fourni sur le diagramme psychrométrique.
PointqðHRhv°C%kJ/kgasm3/kgasAN-1490-10,90,918AI297087,81,108AS491482,31,164AP815,111,10,997AM224,671,8AS1492095
BTS Fluides Energies EnvironnementsSession 2014Nom de l épreuve : Fluidique Energétique - EnvironnementCORRECTIONPage : 7/16 Le point de mélange obtenu permet-il d atteindre rigoureusement le point de soufflage ? Quelle solution technique envisageriez-vous alors ? Expliquez en deux lignes maximum.
qð tð
AM2 AP
´ð qð tð
AP ARC
´ð qð
ARC
qð = 0,209 ´ð 8 + 0,791 ´ð 29 = 24,6 °C
tð
AM AN
´ð tð
AN ARC
´ð
ARC
qð = 0,209 ´ð 11,1 + 0,791 ´ð 87,8 = 71,8 kJ/kgas
Débit massique d air préchauffé : QmAP = 3190 / 0,997 = 3199,60 kgas/h Débit massique d air soufflé : QMAS = 85 *3600 / (1 * 20) = 15 300 kgas/h
(15810 khas/h avec plus de précision)
tðAN
=ð qmAP qmASoufflé
=ð 3199,6 =ð 0,209 tð
15300
ARC
=ð qmARC qmASoufflé
=ð 1 - 0,209 =ð 0,791
Le point de soufflage AS1 obtenu est loin d être celui attendu. Il y a visiblement trop d air recyclé ou pas assez d air neuf à mélanger.
Evaluez la puissance de la batterie chaude pour porter l air à 49°C
PB C1
=ð QmAS
´ð Dðh =ð 13500 ´ð (ð95 - 71,8 )ð =ð 87 kW 3600
Etude de la climatisation des locaux selon les recommandations de la DDASS :
On donne : Point de soufflage : Température : 49°C
Hygrométrie : 14%
Présence dun récupérateur de chaleur : Température de préchauffage = 8°C
Déterminez le nouveau point de mélange obtenu
Débit volumique dair neuf DDASS : QvAN = 60 * 145 = 8700 m3/h
Débit massique dair préchauffé : QMAP3 = 8700 / 0,997 = 8726,2 kgas/h Point de mélange obtenu :
qð tð
AM2 AP
´ð qð tð
AP ARC
´ð qð
ARC
qð = 0,57 ´ð 8 + 0,43 ´ð 29 = 17,1 °C
tð
AM AN
´ð tð
AN ARC
´ð
ARC
qð = 0,57 ´ð 11,1 + 0,43 ´ð 87,8 = 44,1 kJ/kgas
Débit massique d air préchauffé : QmAP = 3190 / 0,997 = 8726,2 kgas/h Débit massique d air soufflé : QMAS = 85 *3600 / (1 * 20) = 15 300 kgas/h
(15810 khas/h avec plus de précision)
tðAN
=ð qmAP qmASoufflé
=ð 8726,2 =ð 0,57 tð
15300
ARC
=ð qmARC qmASoufflé
=ð 1 - 0,57 =ð 0,43
BTS Fluides Energies EnvironnementsSession 2014Nom de l épreuve : Fluidique Energétique - EnvironnementCORRECTIONPage : 8/16 AM317,144,1AS24977
Tracez la nouvelle évolution de lair sur le même digramme psychrométrique que précédemment (page 18/19). Conclusion.
Le point de soufflage est maintenant proche de celui nécessaire.
Evaluez la nouvelle puissance de la batterie chaude. Conclusion.
PB C1
=ð QmAS
´ð Dðh =ð 13500 ´ð (ð77 - 44,1 )ð =ð 123,4 kW 3600
Conclusions :
Quels avantages peut-on tirer de l augmentation du débit d air neuf ?
Une déshumidification de l air soufflé et donc de l air ambiant
Un apport d air neuf permettant de combattre la pollution atmosphérique interne au bassin (chloramine)
Quel principal impact économique a imposé les recommandations de la DDASS ?
Une augmentation de la puissance de la batterie chaude, et par conséquence, la puissance de la chaudière.
BTS Fluides Energies EnvironnementsSession 2014Nom de lépreuve : Fluidique Energétique - EnvironnementCORRECTIONPage : 9/16 3ième PARTIE : Impact énergétique et environnementale dune PAC 45min
Objectif principal : Estimer limpact énergétique et environnemental du choix technique dune PAC Air/Eau avec appoint électrique, plutôt quune chaudière électrique seule pour le chauffage de la zone.
Initialement, le projet prévoit limplantation dune chaudière électrique de 216kW pour le chauffage de tous les locaux, la possibilité dutilisation du fioul ou du gaz ayant été rapidement abandonnée pour des raisons dapprovisionnement sur site en Hiver.
Afin de réduire la facture énergétique de lensemble du projet, vous allez étudier la solution dimplantation dune PAC pour la zone Aqualudique seulement.
Etude de la consommation électrique de la chaudière :
En supposant une chaudière électrique de 85kW assurant le chauffage pour la zone aqualudique, estimez la consommation énergétique en kWh de son fonctionnement au cours de la saison. Intermittence = 0,85.
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24 ´ð
j ´ð Dj
Dep
(ð29 +ð 14)ð
Cch
=ð =ð
hð (ðou COP )ð
0,9
=ð 161 750 kWh
Quelle quantité d équivalent Carbone, puis de CO2 a été « produite » sur site ?
1 kWh électrique consommé est équivalent à 0,023 kg de Carbone dégagé dans l atmosphère L émission de 1 kg de CO2 vaut 0.27 kg équivalent carbone (Kgéq.C)
Quantité Eq C = 161 750 * 0,023 = 3720,25 kg Eq carbone Quantité CO2 = 3720,25 * 44/12 = 13641 kg de CO2
Etude de la PAC :
Quel fluide frigorigène est utilisé ici dans cette PAC ?
Ce fluide a pour caractéristiques : ODP = 0 et GWP100= 2088. Quel est l impact de ce fluide sur l environnement ?
Le R410a. C est un mélange zéotrope. Il n a pas d influence sur la couche d ozone mais à un fort impact sur l effet de serre : 2088 fois plus que le CO2 à 100 ans.
BTS Fluides Energies EnvironnementsSession 2014Nom de l épreuve : Fluidique Energétique - EnvironnementCORRECTIONPage : 10/16 A l aide de la documentation technique fournie, tracez sur le document réponse l évolution de la puissance fournie au réseau de chauffage par cette PAC en fonction de la température extérieure.
Vérifiez que la PAC pourra réellement fonctionner seule à partir de -7,5°C extérieur sans aide la chaudière ?
Indiquez la température à laquelle la PAC fonctionne seule.
Text = -7,5°C
BTS Fluides Energies EnvironnementsSession 2014Nom de l épreuve : Fluidique Energétique - EnvironnementCORRECTIONPage : 11/16 Dans la suite des calculs, on considérera la température extérieure de fonctionnement seule de la PAC égal à -7,5°C. Un appoint sera réalisé par la chaudière électrique pour atteindre un fonctionnement jusqu à -14°C.
Calculez la consommation énergétique de la PAC fonctionnant seule sur le réseau, entre -7,5°C et 29°C extérieur.
0,85 ´ð 38590 ´ð 85
j ´ð Dh ´ð Dep
(ð29 +ð 14)ð
Cch
=ð =ð
hð (ðou COP )ð 3
=ð 21 613,4 kWh
Calculez la consommation énergétique de l appoint chaudière.
0,85 ´ð 48050 ´ð 85
j ´ð Dh ´ð Dep
(ð29 +ð 14)ð
Cch
=ð =ð
hð (ðou COP )ð
0,9
=ð 72 661,7 kWh
Estimez la quantité de Carbone et de CO2 évité grâce à l utilisation de la PAC.
Peut-on parler de Rentabilité du système PAC, d efficacité énergétique ou d efficience énergétique ?
Quantité de Carbone évité : 161750 (21613,4 + 72661,7) = 67 474,9 * 0,023
1552 kgeq C Soit 1552 * 44/12 = 5690,7 kg CO2
BTS Fluides Energies EnvironnementsSession 2014Nom de l épreuve : Fluidique Energétique - EnvironnementCORRECTIONPage : 12/16 4ième PARTIE : Etude de l échangeur Piscine 40min
Objectif principal : Vérifier le choix technique du bureau d étude d un échangeur à
plaques pour le chauffage de l eau du bassin, marque CIAT.
Le bureau d étude d ingénierie a défini le type d échangeur nécessaire au chauffage de l eau des bassins. Son choix s est porté sur un modèle ITEX, PWB11 de 165kW.
On vous demande d en définir son nombre de plaques, ainsi que son débit d eau secondaire d irrigation.
Données de fonctionnement : Echangeur à contre-courant
Eau du bassinEau de chauffageTempérature Entrée/Sortie33°C / 53°C70°C / 50°CDébit eau??? m3/h7,1 m3/hCoefficient d échange : K =2000 W/m2°C
Données complémentaires :
Caractéristiques de l eau sous la pression atmosphériqueqð [°C]rð [kg/m3]lð [W/m.K]Cp [J/kg.K]mð [Pa.s]bð [K-1]20998,20,59841811.10-30,206.10-340992,20,62841780,65.10-30,385.10-360983,20,65141830,47.10-30,523.10-3
Calculez l efficacité de l échangeur en supposant un rendement de celui-ci égal à 1.
E =ð 165 ´ð 100 =ð 55 %
7,1 * 983,2 ´ð 4,183
3600
´ð (ð70 - 33 )ð
Calculez le débit d eau du bassin traversant l échangeur. Si rendement = 1 P = 165 kW
Qm secondaire = 165 *3600 / (4,183 * 20) = 7100 kg/h Qv = 7100/992 = 7,157 m3/h
Calculez la surface théorique de l échangeur.
En déduire le nombre de plaques de cet échangeur. Le modèle préconisé est-il correct ?
Cmin / Cmax = 29200 / 29664 = 0,98 (voisin de 1)
7100 * 4,178 = 29664
7,1*983,2 * 4,183 = 29200
NUTCMIN / CMAX0,000,250,500,700,750,800,901,000,000,0000,0000,0000,0000,0000,0000,0000,0000,500,3930,3780,3620,3500,3480,3450,3390,3331,000,6320,5980,5650,5380,5320,5250,5130,5001,500,7770,7350,6910,6550,6450,6300,6180,600
NUT = 1,25
NUT
Cmin =ð S
K
1,25 ´ð 29200
=ð 3600
2
=ð 5 m²
Surface d une plaque = 0,125 m² (PWB11) d où un nb de plaques = 40
