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Thème Habitat Quelle approche de l’électricité dans la filière STI-2D rénovée ? Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 1 Habitat Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 2 Trois sous-parties au sein du thème habitat : Gestion de l’énergie dans l’habitat L’éclairage* Le confort acoustique Inspection Pédagogique Régionale SPCFA * la notion d’efficacité énergétique permet d’aborder une partie de l’éclairage à travers la gestion de l’énergie 3 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 4 Cerner les enjeux économiques nationaux Pourquoi s’intéresser à l’énergie dans l’habitat ? Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 5 Lire et analyser un graphique Inspection Pédagogique Régionale SPCFA Part absolue et relative de l’habitat dans le bilan énergétique en 2008 Évolution de l’énergie consommée dans l’habitat entre 1980 et 2008 Analyse des inversions de tendance au niveau de la courbe (1975, 1980) 6 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 7 Analyser la place particulière du gaz naturel dans le bilan énergétique national Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 8 Analyser la place particulière de l’électricité dans le bilan énergétique national Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 9 Cerner les enjeux économiques pour les particuliers Quels sont les modes de consommation de l’énergie dans l’habitat ? Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 10 La comparaison de la part de chaque énergie consommée par les secteurs résidentiel et tertiaire, entre 1973 et 2003 1973 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 2003 Source : http://www.statistiques.developpement-durable.gouv.fr 11 1.1 Consommation totale d’énergie des secteurs résidentiel et tertiaire, par usage, de 1990 à 2008 Données mises à jour en septembre 2010 Unité : million de tep Données corrigées des variations climatiques 1990 1995 2000 2004 2005 2006 2007 2008 Résidentiel Chauffage 30,0 30,6 31,5 31,3 30,8 30,4 30,3 30,0 Eau chaude sanitaire 3,9 4,0 4,4 4,3 4,2 4,1 4,2 4,2 Cuisson 2,1 2,4 2,6 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 Electricité spécifique 3,6 4,1 5,0 5,8 6,0 6,2 6,4 6,6 39,6 41,1 43,5 43,9 43,5 43,1 43,3 43,3 Chauffage 8,5 8,7 9,5 9,7 9,7 9,6 9,8 9,8 Eau chaude sanitaire et cuisson 3,1 3,3 3,4 3,4 3,5 3,5 3,6 3,7 Electricité spécifique 5,0 5,7 6,4 7,0 7,1 7,2 7,6 7,7 16,6 17,7 19,3 20,1 20,3 20,4 21,0 21,2 38,5 39,3 41,1 41,0 40,5 40,0 40,1 39,8 Eau chaude sanitaire et cuisson 9,1 9,7 10,3 10,2 10,1 10,0 10,3 10,3 Electricité spécifique 8,6 9,9 11,4 12,8 13,1 13,4 13,9 14,3 56,2 58,9 62,8 64,0 63,8 63,5 64,3 64,4 Total Tertiaire Total Résidentiel-Tertiaire Chauffage Total Inspection Pédagogique Régionale SPCFA Source : http://www.statistiques.developpement-durable.gouv.fr 12 Le chauffage Le chauffage (bâtiment, eau, cuisson) représente 85% de l’énergie consommée dans l’habitat Le chauffage (bâtiment et eau) fait appel à des sources d’énergie très diversifiées Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 13 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA Source : 20 ans de chauffage dans les résidences principales en France de 1982 à 2002. Observatoire de l'énergie. Octobre 2004 14 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 15 Analyser la baisse de la consommation de fuel et la part croissante de l’électricité pour le chauffage domestique Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 16 L’électricité spécifique L’électricité spécifique (hors chauffage) représente 15% de l’énergie consommée dans l’habitat Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 17 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 18 Répartition des consommations d’électricité moyennes par usage (hors chauffage et production d’eau chaude sanitaire) Consommation moyenne d’électricité d’un ménage français (hors chauffage et production d’eau chaude sanitaire) Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 2700 kWh/an 19 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA Vérifier les ordres consommations des mentionnés. de grandeur des appareils électriques 20 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 21 Le chauffage Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 22 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 23 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 24 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 25 Une première approche du chauffage en système fermé parfait Apport d’énergie W sous forme de chaleur Système matériel (eau, air, matériaux de construction) (origine chimique ou électrique) Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 26 Aborder le sujet de façon concrète et pratique en prenant appui sur des système techniques (chauffe-eau électrique ou solaire, chaudière à gaz, radiateurs…) Caractériser le système pour relier W et Δq ? Identifier le type d’énergie mise en œuvre et la quantifier (effet Joule, énergie chimique). Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 27 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 28 Dans un second temps, analyser les phénomènes liés aux pertes thermiques Apport d’énergie Q sous forme de chaleur Système matériel (eau, air, matériaux de construction) (origine chimique ou électrique) Pertes Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 29 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 30 Capacités d’électricité mobilisées dans l’étude des systèmes de chauffage Mesurer une tension électrique, une intensité électrique dans un circuit en régime sinusoïdal. Visualiser une représentation temporelle grandeurs et en analyser les caractéristiques. de ces Mesurer et calculer la puissance et l’énergie électrique reçue par un récepteur. Mots clefs et formules Inspection Pédagogique Régionale SPCFA Effet Joule, valeur efficace, valeur maximale, résistance, puissance, énergie. Relation entre Vmax et Veff Relation entre P,R, Ueff ou Ieff Relation entre P et W 31 Les appareils et les circuits électriques Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 32 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 33 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 34 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 35 Aborder les lois de l’électrocinétique dans des situations pratiques et concrètes Aborder les dipôles dans leur dimension énergétique globale Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 36 Loi des nœuds et loi des mailles en continu Étude d’une lampe d’ambiance à DEL RGB http://www.sonelec-musique.com/electronique_realisations_lampadaire_multicolore.html Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 37 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 38 Le matériel Une alimentation DC 15V/500mA Trois générateurs de tension variable (NE555 ou montages plus simples) Trois ensembles de diodes électroluminescentes haute luminosité RGB Led HL rouge 2,0V / 20mA Led HL Verte 3,6V / 20mA Led HL bleue 3,6V / 20mA Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 39 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 40 Pré requis : la synthèse additive des couleurs (programme de quatrième) Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 41 Ce qui relève des attendus du programme Le choix du nombre de LEDs pour un éclairement donné Les caractéristiques spectrales des trois types de rayonnement et de leur synthèse additive (usage d’un spectromètre fibré si disponible) Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 42 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 43 Ce qui relève des attendus du programme L’organisation en montage série - parrallèle des LEDs pour tenir compte des caractéristiques électriques du générateur et des récepteurs La réalisation d’une partie du circuit électrique (LEDs + résistances de protection) La mesure des grandeurs électriques d’alimentation des LEDs caractérisant l’obtention de différentes couleurs (tension, intensité, bilan énergétique) La détermination expérimentale et la modélisation de la caractéristique courant-tension d’une LED Inspection Pédagogique Régionale SPCFA L’application de la loi des mailles et de la loi des nœuds : chaque LED pourra être modélisée par une source de tension parfaite ou par une charge (E,r) 44 Ce qui ne relève pas des attendus du programme Le mode d’obtention des tensions variables alimentant chaque groupement de LEDs On attend uniquement des élèves qu’ils agissent sur une commande de réglage Le montage à NE555 peut être avantageusement remplacé par des solutions plus simples techniquement Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 45 Autre étude possible : la structure d’un panneau photovoltaïque (approche documentaire) Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 46 Analyser un document Modéliser une fonction sous Excel Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 47 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 48 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 49 Loi des nœuds et loi des mailles en sinusoïdal Étude d’une installation domestique Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 50 La sécurité électrique Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 51 Les attendus du programme en électrocinétique Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 52 Ce qui ne relève pas des attendus du programme La notion d’impédance Les relations mathématiques entre le courant i(t) et la tension v(t) pour une bobine ou un condensateur Les vecteurs de Fresnel ou les complexes Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 53 Une première approche possible : analyser des chronogrammes courant tension pour les récepteurs utilisés dans l’habitat Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 54 Dégager des typologies de chronogrammes Des dipôles ayant un comportement purement résistif (u et i sinusoïdaux et en phase) Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 55 Dégager des typologies de chronogrammes Des dipôles ayant une réponse en courant sinusoïdale mais déformée (présence d’un moteur universel) Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 56 Dégager des typologies de chronogrammes Des dipôles ayant une réponse en courant non sinusoïdale (présence d’un convertisseur AC-DC) ? Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 57 Respect de la norme EN 61000-3-2 (elle détermine pour les réseaux 230V et les appareils de puissance supérieure à 75 W les valeurs efficaces à ne pas dépasser pour les courants harmoniques jusqu’au rang 40) Qui est concerné par EN 61000-3-2? La prescription EN 61000-3-2 est valable pour tous les appareils qui sont branchés au réseau standard basse tension, dont le courant d'entrée est inférieur de 16 A par phase et qui sont soumis aux normes pour les protections électro-magnétiques ou celle qui est notée dans- la prescription EN 61000-3-2 La norme concerne non seulement les appareils à régulation électronique, mais aussi les moteurs et luminaires. Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 58 Les classes et les exceptions Les appareils pour la norme EN 61000-3-2 sont actuellement divisés en quatre classes, qui ont tous des valeurs limites indiquées différentes : -Classe A : appareils triphasés avec charge symétrique, appareils ménagers (sont exclus les appareils qui tombent dans la classe D), outillages électriques (sans les outillages électriques transportables), régulation d'ampoules électriques (dimmer), installations audio, appareils qui ne sont pas dans les trois autres catégories. -Classe B : outillages électriques transportables. - Classe C : équipements pour luminaires. -Classe D : PC et écran, TV avec une puissance d'entrée inférieur à 600 W. Pour les appareils suivants, il n'y a aucune limitation: Inspection Pédagogique Régionale SPCFA -Appareils avec une puissance d'entrée inférieure ou égale à 75 W et qui ne sont pas des installations luminaires -Appareils professionnels avec une puissance totale supérieure à 1 kW. -Eléments de chauffage réglés symétriquement avec une puissance d'entrée inférieure ou égale à 200 W. -Régulateurs indépendants d'ampoules électriques (dimmer) avec une puissance inférieure ou égale à 1 kW. 59 Courant absorbé par un ordinateur avec alimentation à absorption sinusoïdale (PFC : power factor correction) Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 60 Convertisseur à absorption sinusoïdale de courant à structure fly-back Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 61 Convertisseur à absorption sinusoïdale de courant à structure fly-back Inspection Pédagogique Régionale SPCFA P = 600 W k = 0,67 t = 104,6% k = 0,99 t = 5,5% 62 Nous pouvons donc en première approximation considérer que tous les récepteurs dans l’habitat ont une réponse sinusoïdale en courant et pour la grande majorité d’entre eux un facteur de puissance unitaire. On pourra donc dans un premier temps valider expérimentalement ou par le calcul les lois des mailles et des nœuds en faisant appel à des outils mathématiques simples. Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 63 Sensibilisation à la notion de déphasage courant tension La lecture de la plaque signalétique d’un moteur (pompe à chaleur) est un moyen d’introduire la variable cosj. Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 64 Approche expérimentale des circuits RL et RC série Ce qui relève des attendus du programme Réaliser le circuit Relever les oscillogrammes des tensions et des courants. Observer et mesurer le déphasage courant/tension. Mettre en évidence qualitativement l’influence des variables. Valider la loi des mailles à l’aide des fonctions calculatoires de l’oscilloscope (ou usage de tableur). Mesurer les valeurs efficaces et la puissance consommée. Valider par le calcul le résultat mesuré (P =U.I. cosj) Inspection Pédagogique Régionale SPCFA Étudier qualitativement des régimes transitoires mettant en évidence le stockage d’énergie dans L ou C. 65
