Étude d'une installation thermique : chauffer l'eau d'un camping au soleil
Le troisième exercice du Bac S 2015 Amérique du Nord, noté sur 5 points et prévu pour une cinquantaine de minutes, était réservé aux candidats qui n'avaient pas choisi la spécialité. Il porte sur un chauffe-eau solaire destiné aux 75 campeurs d'un camping. Peu calculatoire, il demande surtout de relier le cours sur les transferts thermiques aux documents, puis de rédiger une courte synthèse argumentée.
Les trois modes de transfert thermique (question 1.1)
Il faut illustrer chaque mode par un élément précis du schéma. Le rayonnement correspond à l'énergie reçue du Soleil par la paroi noire du capteur, à travers le vitrage, sans support matériel. La conduction se fait à travers la paroi en cuivre du serpentin, du liquide caloporteur chaud vers l'eau sanitaire plus froide, sans déplacement de matière. La convection accompagne la circulation du liquide caloporteur jusqu'au ballon et le mouvement de l'eau chauffée dans le ballon. Le piège est de réciter les définitions sans les rattacher au document : c'est l'illustration qui est notée. Un repère simple aide à trier : pas de milieu matériel, rayonnement ; solide immobile, conduction ; fluide en mouvement, convection.
Le bilan énergétique (question 1.2)
Les 75 campeurs consomment chacun 50 L par jour, soit 3750 L. Avec des ballons de 750 L, il faut 5 ballons. La variation d'énergie interne de l'eau s'écrit ΔU = ρ·V·ceau·(θf − θi), ce qui donne environ 7,5 × 10⁸ J, soit 209 kWh par jour après conversion avec 1 kWh = 3,6 × 10⁶ J. Deux erreurs reviennent souvent. La première consiste à laisser le volume en litres alors que la masse volumique est en kg·m⁻³, ce qui multiplie le résultat par mille. La seconde est d'ajouter 273 à un écart de température : un écart a la même valeur en degrés Celsius et en kelvins.
Le projet d'implantation (question 2)
Cette question de synthèse demande une quinzaine de lignes. La carte indique qu'à Valence une surface bien orientée reçoit environ 4,2 kWh par mètre carré et par jour. Le disque des rendements permet de comparer les deux toits : le bâtiment A, tourné vers l'ouest et incliné à 60°, n'offre qu'environ 70 %, alors que le bâtiment B, orienté au sud avec un léger décalage vers l'ouest et incliné à 30°, atteint 100 %. Le toit B s'impose. Chaque capteur de 2,7 m² recueille environ 11 kWh par jour, il faut donc 209/(2,7 × 4,2) ≈ 18,4 capteurs, soit 19 panneaux. Arrondir à 18 serait une erreur, car le besoin ne serait pas couvert. Une bonne copie termine par les limites : toute l'énergie reçue n'est pas transmise à l'eau, un chauffage d'appoint reste nécessaire et il faut vérifier la place disponible et l'ombre du bâtiment voisin. Attention aussi aux plans, où le sud est placé en haut.
Conseils
Construisez la synthèse en trois temps : rappel du besoin, choix argumenté par une valeur lue dans chaque document, calcul puis regard critique. Annoncez clairement le nombre de panneaux retenu et justifiez l'arrondi.