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Panne de chauffage
P.441

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Exercice corrigé




Panne de chauffage

RAI/MOD : Utiliser avec rigueur le modèle de l’énergie
APP : Faire des prévisions à l’aide d’un modèle

Énoncé

Un immeuble est modélisé par un parallélépipède de 2020 m de hauteur, de longueur 8080 m et de largeur 1010 m. La résistance thermique surfacique est égale à rs=3,26r_{s}=3{,}26 m2·K·W-1 et tient compte du transfert thermique par convection. La température y est supposée homogène, égale à 2020 °C.
On estime qu’une population de cent personnes vit à l’intérieur. Chacune de ces personnes échange un flux thermique de l’ordre de 100100 W avec l’air à l’intérieur de l’immeuble. Seules les faces séparant l’air extérieur et l’immeuble contribuent aux pertes thermiques du bâtiment.

1. Déterminer la surface totale séparant l’air intérieur et l’extérieur.

2. Calculer la puissance du chauffage à installer dans l’immeuble pour maintenir une température constante de 2020 °C à l’intérieur lorsqu’il fait 10-10 °C à l’extérieur de l’immeuble.

3. Calculer la température finale de l’air dans l’immeuble si une panne se produit lorsque l’air à l’extérieur est à 55 °C.

Immeuble infrarouge

Donnée

  • Expression de la résistance thermique surfacique rS\boldsymbol{r}_{\boldsymbol{S}} :
    rS=RthSr_{S}=R_{t h} \cdot S

  • rSr_{S} : résistance thermique surfacique (m2·K·W-1)
    RthR_{t h} : résistance thermique (K·W-1)
    SS : surface de transfert thermique (m2)

Protocole de réponse

1. Réaliser un schéma de l’immeuble en y inscrivant les grandeurs (longueur, largeur et hauteur) pour déterminer la surface d’échange.

2. Déterminer l’expression des différents flux thermiques échangés.
Repérer les inconnues.
Utiliser alors l’expression rS=RthSr_{\mathrm{S}}=R_{\mathrm{th}} \cdot S pour calculer RthR_{\mathrm{th}}.
Faire le bilan des échanges d’énergie pour trouver Pchauffage P_{\text {chauffage }}.

3. Établir l’équation différentielle d’un système au contact d’un thermostat en tenant compte du flux thermique échangé avec les habitants de l’immeuble.
Considérer une variation de température nulle en régime permanent.

Solution rédigée

1. La surface totale correspond à la somme des surfaces du parallélépipède, à l’exception de la face séparant le sol de l’immeuble :
S=Ll+2hl+2LhS=L \cdot l+2 h \cdot l+2\: L \cdot h
AN : S=80×10+2×20×10+2×20×80S=80 \times 10+2 \times 20 \times 10+2 \times 20 \times 80 =4 400=4\ 400 m2

2. Pour maintenir une température intérieure constante, il faut établir un bilan thermique concernant l’air à l’intérieur de l’immeuble, en considérant les échanges thermiques avec les radiateurs, les habitants de l’immeuble et l’extérieur :
Pchauffage =P_{\text {chauffage }}=ϕhabitants ϕext -\phi_{\text {habitants }}-\phi_{\text{ext }}
Pchauffage =P_{\text {chauffage }}=θextθrSSnϕhabitants- \dfrac{\theta_{\text{ext}} - \theta}{r_\text{S}} \cdot S - n \cdot \phi_{\text{habitants}}
AN : Pchauffage =10203,26×4  400100×100=3,0×104P_{\text {chauffage }}= - \dfrac{-10 - 20}{3,26} \times 4\;400 - 100 \times 100 = 3,0 \times 10^4 W

3. L’immeuble n’échange plus d’énergie avec le chauffage : il reçoit uniquement la somme des flux thermiques ϕhabitants +ϕext \phi_{\text {habitants }}+\phi_{\text {ext }} :
nϕhabitants +ϕext n \cdot \phi_{\text {habitants }}+\phi_{\text {ext }}=0=0
nϕhabitants +θextθfRthn \cdot \phi_{\text {habitants }}+\dfrac{\theta_{\mathrm{ext}}-\theta_{\mathrm{f}}}{R_{\mathrm{th}}}=0=0

θf=nϕhabitants rSS+θext\theta_{\mathrm{f}}=n \cdot \phi_{\text {habitants }} \cdot \dfrac{r_{\mathrm{S}}}{S}+\theta_{\mathrm{ext}}
AN : θf=\theta_{\mathrm{f}}=100×100×3,264 400+5=12100 \times 100 \times \dfrac{3{,}26}{4\ 400}+5=12 °C
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Mise en application

Découvrez l'exercice 42 p. 447, pour travailler cette notion.
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