Activité STI2D

Ventilation & Efficacité Énergétique

Thème : Énergie & Environnement (EE)

Support : VMC Simple Flux

1. Mise en Situation : La "Qualité de l'Air"

Dans une salle de classe de lycée (RE2020), la qualité de l'air est primordiale pour la concentration des élèves. Une VMC (Ventilation Mécanique Contrôlée) extrait l'air vicié pour le remplacer par de l'air neuf.

Cependant, ce système consomme de l'énergie de deux manières :

  • Thermique : On rejette de l'air chauffé dehors (Pertes).
  • Électrique : Le ventilateur consomme pour vaincre les pertes de charges (frottements dans les gaines, filtres encrassés).

Problématique : Comment le ventilateur réagit-il si les filtres s'encrassent ? Le débit hygiénique est-il toujours assuré ?

CO5.1 (Analyser) Identifier les flux (Débit, Pression) et les constituants aérauliques.
CO6.1 (Modéliser) Expliquer le point de fonctionnement d'un réseau fluidique.
CO3.3 (Optimiser) Caractériser l'efficacité énergétique (Puissance absorbée).

2. Analyse Aéraulique (Théorie)

Données Techniques :
  • Débit réglementaire pour la classe : \( Q_v = 150 \, m^3/h \)
  • Pertes de charge du réseau (Gaines + Filtres propres) : \( \Delta P = 100 \, Pa \) à ce débit.
  • Rendement global du moto-ventilateur : \( \eta = 40\% \) (0.4)

2.1 Puissance Aéraulique

La puissance utile fournie au fluide (l'air) est le produit du débit (en \(m^3/s\)) par la pression (en \(Pa\)).

Correction 2.1 :

1. Conversion : \( 150 \, m^3/h = \frac{150}{3600} \approx \mathbf{0,042 \, m^3/s} \).

2. Puissance Utile : \( P_u = 0,042 \times 100 = \mathbf{4,2 \, Watts} \).

2.2 Consommation Électrique

Correction 2.2 :

Puissance Électrique : \( P_{elec} = \frac{4,2}{0,4} = \mathbf{10,5 \, Watts} \).

Note : C'est une valeur faible (moteur basse consommation type ECM). Sur des vieilles VMC, le rendement est souvent pire.

3. Simulation Multiphysique (OpenModelica)

Consigne de Modélisation :

Utilisez la bibliothèque Modelica.Thermal.FluidHeatFlow pour construire le réseau aéraulique :

  1. Sources : Deux blocs Ambient (un pour l'entrée d'air neuf, un pour le rejet extérieur).
  2. Ventilateur : Un bloc PressureIncrease (représente le moteur). Réglez \(\Delta P = 100 Pa\).
  3. Réseau : Un bloc Pipe (représente les gaines et filtres). Réglez le débit nominal sur \(150/3600\) et la chute de pression nominale sur \(100 Pa\).
  4. Câblage : Reliez Ambient -> Ventilateur -> Pipe -> Ambient.

3.1 Simulation du cas nominal (Filtres propres)

Lancez la simulation et relevez le débit massique. (Sachant que \(\rho_{air} \approx 1.2 kg/m^3\)).

Correction 3.1 :

Le modèle doit s'équilibrer autour du point nominal. Le débit massique devrait être d'environ \( 0,042 \times 1,2 \approx \mathbf{0,05 \, kg/s} \).

3.2 Scénario "Filtres Encrassés" (Maintenance)

Après 6 mois sans entretien, les filtres s'encrassent. La résistance au passage de l'air double.
Action : Dans le bloc Pipe, changez la chute de pression nominale de 100 Pa à 200 Pa (pour le même débit).

Correction 3.2 :

Débit : Le débit chute considérablement (environ \( 0,035 kg/s \) ou moins selon la courbe). On s'éloigne des 150 \(m^3/h\).

Qualité de l'air : Le renouvellement d'air est insuffisant. Le taux de CO2 dans la classe va augmenter, provoquant fatigue et baisse de concentration des élèves.

4. Synthèse & Optimisation

Pour garantir le débit (150 m³/h) même si le filtre s'encrasse, quelle solution technologique "intelligente" peut-on proposer pour piloter le moteur ?

Éléments de réponse :
  • Solution : Utiliser une VMC à Débit Constant (ou Pression Constante).
  • Principe : Un capteur de pression mesure la perte de charge. Si le filtre s'encrasse, le variateur électronique augmente la vitesse du moteur pour compenser la résistance et maintenir les 150 m³/h.
  • Coût : Cela consomme un peu plus d'électricité, mais garantit la santé (CO2).