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Chauffage du conservatoire de musique de Bourges - Page 1 sur 13

Nom et Prénom :

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Etude du chauffage du conservatoire

de Musique de Bourges

STI2D

Durée : 2 heures

A. MISE EN SITUATION

Les locaux de l’ancien conservatoire de musique de

Bourges étaient devenus trop exigus. La ville a

décidé de créer une nouvelle école en mettant en

place une démarche Haute Qualité

Environnementale. Cette démarche vise à améliorer

la conception ou la rénovation des bâtiments et des

villes en limitant le plus possible leurs impacts

environnementaux. Elle a décidé entre autre

d’installer une pompe à chaleur afin de chauffer ou

climatiser le bâtiment.

Vous venez d’intégrer l’entreprise d’ingénierie qui a remporté l’appel d’offre sur les lots

« courants forts » et « courants faibles ».

Vous êtes chargé d’effectuer l’étude de la pompe à chaleur.

Le sujet comprend 5 parties :

Partie A : la mise en situation.

Partie B : le descriptif technique de l’installation.

Partie C : le principe de fonctionnement de la pompe à chaleur.

Partie D : le questionnement.

Partie E : la documentation technique.

Votre démarche dans la partie D va consister à :

Activité 1 : Etudier le fonctionnement de la PAC en mode chauffage.

Activité 2 : Déterminer le coefficient de performance de la P.A.C.

Activité 3 : Etudier la régulation de température.

Activité 4 : Vérifier la protection moteur.


B. DESCRIPTIF TECHNIQUE SIMPLIFIE DE L’INSTALLATION


C. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DE LA P.A.C. (pompe à chaleur)

La pompe à chaleur sert à capter des calories (énergie calorifique) présentes dans

l’environnement (ici dans la nappe phréatique). Elle les transmet à une source chaude

(radiateurs, plancher chauffant, centrale d’air). On atteint ainsi une température de 55°C

voire 65°C dans les canalisations de chauffage en minimisant l’apport d’énergie électrique.

On utilise dans le circuit hydraulique de la P.A.C. , un fluide frigorigène qui change

d’états (liquide ou gaz) ;

de températures (basse ou haute)

de pressions (haute ou basse).

Ce fluide circule à travers un évaporateur, un compresseur, un condenseur et un détendeur.

Pour capter les calories de la nappe phréatique, on utilise un EVAPORATEUR. En entrée de ce

dernier, le fluide frigorigène est sous forme liquide à basse pression (B.P.) et à une température basse (-20°c). Au contact de l’évaporateur, l’eau de la nappe cède des calories Q1 au liquide

frigorigène via l’évaporateur. La température du fluide frigorigène augmente (+10°c) entraînant sa

transformation (passage d’un état liquide à un état gazeux). La pression reste basse.

Afin d’acheminer les calories en sortie de l’évaporateur vers la source chaude, il faut

forcer le transfert du froid vers le chaud. C’est le rôle du COMPRESSEUR. Il apporte

d’autre part, de la chaleur grâce au travail W qu’il effectue. Le transfert de calories

obtenu en sortie du condenseur est égal à Q2, soit Q1+W, le gaz frigorigène est à haute

pression (H.P). La température est alors haute (110°c).

Le fluide transite alors à travers le CONDENSEUR. Il permet de céder les calories du fluide frigorigène au circuit de chauffage du bâtiment. En transmettant les calories, le

gaz frigorigène perd en température et passe à 30°c environ. Le fluide change alors d’état

et devient liquide mais reste à H.P.

Afin de fermer le cycle, il suffit de faire chuter la pression. C’est le rôle du DETENDEUR.

Le liquide frigorigène passe en B.P. et perd en température pour atteindre -20°c.

Nappe

phréatique


D. QUESTIONNEMENT

Activité 1 Etudier le fonctionnement de la P.A.C. en mode chauffage

Situation du problème : Votre chef de projet souhaite que vous connaissiez le principe de

fonctionnement de la pompe à chaleur (P.A.C). Afin de mieux appréhender ce procédé de

chauffage, vous devez :

- identifier les organes constituant la P.A.C. ;

- identifier les différentes sous-fonctions constituant la PAC ;

- identifier l’état du fluide frigorigène dans les différentes phases du procédé.

1.1) Identifier sur le schéma descriptif de la page 2, les composants surlignés en vert.

1.2) Compléter le tableau suivant en indiquant les organes permettant de réaliser les 2

fonctions techniques. Organe Fonction

--------------------------------- Transférer les calories du fluide frigorigène vers l’eau du

circuit de chauffage primaire

--------------------------------- Augmenter la température et la pression du fluide frigorigène

1.3) Compléter le schéma suivant en indiquant l’état du fluide frigorigène :

- liquide ou gazeux,

- sous basse pression (BP) ou haute pression (HP) dans ses différentes phases

de transformation,

- la température du fluide frigorigène.

Remarque : vous pourrez vous aider du chapitre C page 3.

Pression : B.P.

Etat du fluide : liquide

Température° = -------------

Température° =----------

---

Température° = -20°c

Température° =-------------

Pression : -------------

Etat du fluide : ------------- Etat du fluide : -------------

Pression : -------------

Pression : -------------

Etat du fluide : -------------


Activité 2 Déterminer le coefficient de performance de la PAC

Mise en situation Le client souhaite savoir quelle puissance fourni la pompe à chaleur pour 1 kiloWatt absorbé, ainsi

que le gain financier concernant la facture électrique. Afin de répondre à ce dernier, votre chef de

projet vous demande de calculer le Coefficient de Performance réel du système total (en abrégé

C.O.P). Il se calcule en utilisant la formule suivante :

avec , la puissance thermique produite par le condenseur en kW.

Elle correspond à la puissance fournie par la pompe à chaleur pour chauffer l’eau du réseau chauffage

primaire

COPinst : COefficient de Performance instantanée ;

PthCo : Puissance thermique produite au niveau du Condenseur (en kW) ;

qvc : débit de la pompe P2 du condenseur (en m3/s) ;

: masse volumique de l’eau, soit 1000 kg/m3 ;

Ceau : chaleur massique de l’eau, soit 4,18 kJ/(kg.°C) ;

cond : différence de température en degré Celsius (°C) de l’eau entre les

températures en entrée et en sortie du condenseur (réseau primaire

chauffage) (sortie – entrée). Ces températures sont mesurées grâce aux sondes T1 et T2 (voir descriptif technique page 2) ;

Pa comp : puissance électrique absorbée par le compresseur ;

P aux : puissances des équipements auxiliaires.

Les équipements auxiliaires de l’étude correspondent aux deux pompes et divers autres auxiliaires.

Hypothèses : Débit de la pompe P2 = 50m3/h Température mesurée par la sonde T1= 59,5°c

Température mesurée par la sonde T2 = 53,8°c.

2.1) Déterminer la puissance thermique produite au niveau du condenseur.

On supposera pour la suite du problème que la puissance thermique PthCo est de 330 kW.

2.2) Déterminer la puissance électrique nominale absorbée par la P.A.C (compresseur) en

mode calorifique à l’aide de la documentation technique 3.


2.3) Calculer la puissance électrique d’utilisation Pu sachant que la P.A.C (compresseur)

fonctionne à 75% de sa puissance nominale.

On supposera pour la suite du problème, que la PAC absorbe une puissance de 83 kW.

2.4) Il faut ensuite déterminer la puissance des auxiliaires. Votre chef de projet

souhaite que vous calculiez la puissance totale demandée par la pompe de relevage

P1. Elle doit acheminer l’eau de la nappe phréatique à 40 mètres de hauteur à un

débit de 75 m3/h . Il vous donne la formule suivante : Ppompe = x g x H x Q

Avec : : masse volumique de l’eau, soit 1000 kg/m3 ; g : 9.81m/s² ;

H : hauteur manométrique en mètre (m) ; Q : débit en m3/s.

Calculer la puissance hydraulique totale absorbée Ph.

Pour la suite du problème, votre chef de projet vous indique que la pompe fournit une

puissance totale hydraulique de 10 kW. Cette valeur prend en compte les pertes de charges

du circuit hydraulique.

2.5) Calculer la puissance électrique Pabs absorbée par la pompe de relevage sachant que

son rendement est de 0,8.

Pour la suite du problème, on supposera une puissance absorbée au niveau de la totalité des

auxiliaires vaut 15 kW. Cette puissance est essentiellement due à cette pompe de relevage.

2.6) Calculer le COP système instantané.

Pour la suite du problème, on supposera un COP. de 3,4.

2.7) Votre chef de projet vous rappelle que le client souhaite connaitre la puissance

fournie par la pompe à chaleur pour 1 kiloWatt absorbé. Quelle réponse allez-vous

donner au client ?


2.8) Si on souhaite produire la même puissance thermique PthCo avec des résistances

électriques, quelle serait la puissance électrique consommée ?

2.9) Evaluer le gain sur la facture électrique si on utilise une P.A.C. au lieu d’un chauffage

électrique à résistances ?

Activité 3 Etudier la régulation de température

Mise en situation

Votre chef de projet vous fournit une documentation technique expliquant le principe

de la régulation centrale d’un chauffage réalisée par une pompe à chaleur via un ballon

tampon.

Principe de la régulation (voir le schéma page 2) :

Le régulateur calcule la température de consigne à fournir en sortie du ballon tampon en fonction de la température extérieure afin de prendre en compte les déperditions dues aux murs, fenêtres, toitures. Ce type de régulation est appellé loi d’eau. Plus la température extérieure est basse, plus la température d’eau en sortie du chauffage est haute. Cette partie de la régulation n’est pas étudiée. La PAC se met à fonctionner si la température mesurée par la sonde du haut (T3) est inférieure à la consigne de température calculée par le régulateur. Cela implique, dans un premier temps, la fermeture du circuit secondaire via la vanne motorisée V1. Lorsque l’information « vanne V1 fermée » est détecté par l’automate, la pompe à chaleur , la pompe P1 et la pompe primaire P2 démarrent. La température du circuit primaire augmente, chauffant par conduction ainsi l’eau du ballon tampon . Lorsque la température détectée par la sonde du bas du ballon tampon (T4) a atteint la consigne de température désirée, la pompe à chaleur est arrêtée ainsi que les pompes P1 et P2. La vanne motorisée s’ouvre jusqu’à ce que l’information « vanne V1 ouverte » soit détecté par l’automate. Les circuits de chauffage sont lors alimentés en chaleur par le réservoir tampon . Le cycle ne recommencera que lorsque la température détectée par la sonde du haut T3 sera inférieure à la consigne.


Liste des variables API (Automate Programmable Industriel)

utilisées pour la régulation de température

Désignation Mnémonique Adresse

automate

Nature de

l’information Caractéristique

Capteur de

température T3 _sonde3_ %IW1.1

Entrée

analogique

Capteur * plage -25°C/70°C

sortie 0-10V

Capteur de

température T4 _sonde4_ %IW1.2

Entrée

analogique

Capteur * plage 0°C/70°C

sortie 0-10V

Consigne température _consigne_ %MW200 Mot binaire Consigne de température

calculée en fonction de la loi

d’eau

Image de la

température au niveau

de la sonde T3

_temp3_ %MW201 Mot binaire Image de la température en

haut du ballon tampon

Image de la

température au niveau

de la sonde T4

_temp4_ %MW202 Mot binaire Image de la température en

bas du ballon tampon

Départ cycle _dcy_ %M100 Bit interne Départ cycle régulation

Arrêt cycle _acy_ %M101 Bit interne Arrêt de cycle

Vanne V1 fermée _V1fermée_ %I1 Entrée TOR Détecteur

Vanne V1 ouverte _V1ouverte_ %I2 Entrée TOR Détecteur

Contacteur Pompe P1 _P1_ %Q1 Sortie TOR Contacteur

enclencher pompe P1

Contacteur Pompe P2 _P2_ %Q2 Sortie TOR Contacteur

enclencher pompe P2

Contacteur PAC _PAC_ %Q3 Sortie TOR Contacteur

enclencher la P.A.C

Fermer vanne V1 _FERMER V1_ %Q4 Sortie TOR Electrovanne

fermer la Vanne V1

Ouvrir vanne V1 _OUVRIR V1_ %Q5 Sortie TOR Electrovanne

ouvrir la Vanne V1

* : Le capteur est constitué d’une sonde PT100 et de son transmetteur associé .

Votre chef de projet souhaite savoir si vous avez bien compris le principe de la

régulation centrale du chauffage. Il vous demande de réaliser un chronogramme puis

d’en déduire le programme gérant la régulation.

Remarque : La température en haut du ballon est supérieure à la température en bas

du ballon. Ce phénomène physique est dû au mouvement de convection.

3.1) Compléter le chronogramme suivant qui vous permettra de mieux appréhender la

gestion des pompes . Attention, dans cette question on ne gère pas les vannes.

Remarque : lorsque l’état d’un contacteurs est à 1, l’équipement concerné est en

service et lorsque l’état d’un contacteurs est à 0, l’équipement concerné est à l’arrêt.


3.2) Compléter le schéma de raccordement du capteur T3 associé à son transmetteur sur

l’entrée analogique 1 de l’automate en vous aidant des documentations techniques

DT1 «Capteur de température JUMO » et DT2 «Entrée Analogique TWIDO ». Votre

chef de projet vous impose l’emploi d’une sonde à résistance à montage 3 fils.

Schéma de raccordement du capteur de température au CAN :

Alimentation

Automate Entrée

Analogique

%IW1.1 0v + 24v

I- I+

Symbole de la

sonde à

résistance à

montage 3 fils.

Température

de consigne

Contacteur

pompe P1

t

1

0

Contacteur

pompe P2

t

1

0

Température mesurée

en haut du ballon T3

t

Température mesurée

en bas du ballon T4

Contacteur

PAC

t

1

0

56°c

51°c


3.3) Compléter le schéma bloc suivant. Le transmetteur fournit une tension 0-10v pour

une plage de mesure de 0-70°c. Aidez vous de la documentation technique DT2 du

Convertisseur Analogique Numérique (CAN).

Calculer la valeur du coefficient

« COEFF », afin que le mot

_temp3_ prenne la valeur 7000,

lorsque la température mesurée

par le capteur T3 est de 70°c.

COEFF = ……………………………………….….

3.4) Compléter le diagramme

d’états ci-contre en vous aidant :

- du principe de la régulation,

– du chronogramme précédent,

- de la listes des variables

utilisées par l’API (tableau en

page 8).

ATTENTION : vous devez

compléter les noms des états,

des activités et des transition.

Votre chef de projet vous

demande dans cette question de

prendre aussi en compte la

gestion des vannes.

70°c

T3

V = …….

tension d’entrée CAN

V

V

mot Capteur + transmetteur T3 CAN

%IW1.1=……...

. …….

_temp3_= 7000

X COEFF


Activité 4 Vérifier la protection moteur

Situation du problème : Vous devez justifier du choix de la protection électrique du départ

moteur compresseur. La pompe à chaleur Carrier a la référence 30XW 452. Le démarrage de ce

moteur triphasé est direct. Le moteur est protégé par un disjonteur moteur. Sa référence est un

NS250N avec un déclencheur STR22ME.

Les caractéristiques principales du départ sont les suivantes :

Caractéristique du réseau : réseau triphasé : 230 V / 400 V, 50 Hz.

Caractéristiques du disjoncteur : calibre du déclencheur In = 220 A,

réglage protection thermique Ir = 187 A.

La protection du déclencheur magnétique est réglée à 13xIr avec une précision de ±15%.

Vous devez maintenent calculer l’intensité nominale du compresseur en mode calorifique puis

vérifier les réglages du déclencheur.

4.1) On suppose que la puissance électrique consommée par le compresseur en hiver est

de 110 kW. Calculer l’intensité nominale du compresseur en vous aidant de ses

caractéristiques électriques DT3.

On supposera pour la suite du problème, un courant nominal de 185A.

4.2) Vérifier que le réglage Ir de la protection thermique du déclencheur est correct.

Votre chef de projet souhaite savoir si, lors de la phase de démarrage, la protection

magnétique du disjoncteur ne déclenche pas.

4.3) A partir de la documentation technique de la pompe à chaleur DT3, donner la valeur

de l’intensité maximale de démarrage du compresseur.

4.4) Calculer les intensités haute et basse du déclencheur magnétique du disjoncteur en

prenant en compte la précision du déclencheur magnétique.

Vérifier que la protection magnétique ne déclenche pas lors de la phase de démarrage.


E. Documentations techniques

DT1 - DOCUMENTATION TECHNIQUE 1: Capteur de température JUMO

Documentation simplifiée Technique sonde PT100

Marque: Sonde PT100

JUMO Etemp B

Type : 3 fils

Plage de températures: -50°c à 260°c

Documentation simplifiée du Transmetteur

Marque: JUMO dTRANS

T03 TU

Plage de mesures 0°c à 70°c

Schéma de raccordement :

DT2 - DOCUMENTATION TECHNIQUE 2: Entrée Analogique Automate TWIDO

Marque: Module de conversion Analogique Numérique

pour micro contrôleur TWIDO

Référence TM2AMM6HT

Résolution 12 Bit (-2048 à 2047)

Entrée Tension différentielle 0-10V

Schéma de raccordement

Symbole

4096

10v

%IWx.y

Ventrée

Caractéristique de transfert

V Ventrée Mot

numérique

Unité de

Traitement

API CAN

%IWx.y

%IWx.y :

IW : Mot d’entrée Analogique

X : Adresse du module

Y : numéro de l’entrée

Exemple %IW1.2 est l’entrée

analogique 2 située dans le rack

d’adresse 1

I+

I-


DT3 - DOCUMENTATION TECHNIQUE 3: Pompe à chaleur Carrier

Caractéristiques thermiques et frigorifiques Caractéristiques électriques du compresseur

DT4 - DOCUMENTATION TECHNIQUE 4: Déclencheur STR22ME

AC

électrique

électrique

électrique

électrique

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