Наукова робота. Регулювання температури в багатоквартирних будинках альтернативними способами

Роботу виконав:
Ярошенко Артем Валентинович,
учень 9 класу
Васильківського навчально-виховного
комплексу «Загальноосвітня школа І-ІІІ ступенів –
дошкільний навчальний заклад» № 4

Науковий керівник:
Бондар Ірина Григорівна,
вчитель фізики, астрономії  та інформатики
Васильківського навчально-виховного комплексу
«загальноосвітня школа І-ІІІ ступенів  –
дошкільний навчальний заклад» № 4,
фіналістка V Всеукраїнського Інтернет-конкурсу
„УЧИТЕЛЬ РОКУ – 2020” за версією
науково-популярного природничого
журналу „КОЛОСОК” у номінації
„Фізика і астрономія”

ВСТУП

Сучасне людство як ніколи залежне від енергоресурсів. Кожен вид праці людини пов’язаний з використанням електроенергії або палива. Друкарську машинку замінили комп’ютери, ручне прання – автоматична пральна машина, звичайний вентилятор змінив кондиціонер. Відомо, що енергія ні звідки не виникає, нікуди не зникає, лише переходить з одного виду в інший. Щоб отримати теплову енергію необхідно використати речовини з хімічною екзореакцією – згоряння. Але запаси енергоресурсів не можуть бути вічними, тому і постає завдання звести до якомога найменшого рівня їх споживання.

Тому в нагоді стають альтернативні джерела енергії: енергія Сонця, вітру, гідротермальні джерела, енергія припливів та відпливів, біоресури.

Використання енергії Сонця, як додаткового джерела енергії, має свої перспективи. Сонячну теплову енергію можна використовувати для нагрівання рідини, для перетворення її в електроенергію або як енергію для теплових котлів, які перетворюють теплову енергію в механічну. Звичайно, ККД таких установок невелика, а отже вартість виробленої енергії дорожча.

Основною перевагою альтернативних джерел є їх екологічна безпека. Використання звичайного палива (бензин, нафта, газ) тягне за собою викиди в атмосферу шкідливих для організму людини речовин, які природа вже не здатна знешкодити самостійно. А отже і збільшується кількість хвороб рослин, тварин, людей на подолання яких витрачається багато ресурсів.

Навчитися перенаплявляти, керувати світловими потоками – забирати там де їх багато, направляти туди де вони необхідні, ось майбутня перспектива розвитку альтернативної енергетики. Створення нових речовин з потрібними фізичними властивостями буде цьому сприяти.

Раціональне використання енергії дає можливість не лише заощаджувати скінчені енергоресурси, але й зменшує залежність від держав – монополістів, на території яких знаходиться великий запас покладів нафти та газу.

Постійна робота над створенням теплоізоляційних матеріалів приводить до нових і нових винаходів. Зокрема,  жителі Полтави Бідношея В.А., Петруняк Л.В., Бідношея М.О. запатентували корисну модель «Алюфом» на початку 2014року. Це вдосконалена модель вже широковживаного пенофолу.

Раціональне використання сучасних винаходів, нові підходи до енерговитрат кожним громадянином країни сприятиме енергонезалежності нашої держави.

РОЗДІЛ 1. Альтернативні джерела отримання енергії

Велика швидкість розвитку техніки спонукає до споживання більшої кількості енергії. З плином часу створюють механізми з доволі великим коефіцієнтом корисної дії. Та відомо, що найбільшим коефіцієнтом корисної дії теплових двигунів внутрішнього згоряння є 27%. Отже використання вичерпних джерел енергії (нафти, газу), які утворювались протягом мільйонів років, приведе до дефіциту енергоносіїв. Тому розвиток технологій альтернативної, відновлювальної енергії сприятиме більш заощадливому використанню природних енергоресурсів.  До того ж кількість запасів сонячної енергії дуже багато (рис.1.1).

До альтернативних джерел енергії можна віднести будь-які види енергії, які не отримуються викопним способом. Тобто це енергія Сонця (геліоенергія), вітру геотермальна, біоенергія та вторинні енергетичні ресурси, які періодично проявляються в природі. Вторинний енергетичний ресурс — енергетичний потенціал продукції, відходів, побічних і проміжних продуктів, який утворюється в технологічних агрегатах (установках, процесах) і не використовується в самому агрегаті, але може бути частково чи повністю використаний для енергопостачання інших апаратів (процесів).

1.1. Доцільність використання сонячної енергії на території України

У світі існують будинки з нульовим використанням енергії. Ці будинки сконструйовані таким чином, що в змозі самостійно виробляти електроенергію з альтернативних джерел та раціонально розподіляти її. Такий будинок споруджено у норвезькому місті Лаврик (рис.1.2). Дах будинку розміщено під таким кутом, щоб якомога більше поглинати теплової енергії Сонця, вікна доволі великі, щоб для освітлення використовувалось природне світло.

В Німеччині на даху багатоквартирного будинку встановлено 117,5 м² сонячних плоских колекторів (рис.1.3). У системі використовується десять тон води, яка акумулює тепло і передає його мешканцям [1].

Порівняємо кількість річної сонячної інсоляції [1] для Норвегії (60° пн.ш), Німеччини та України  (додатки А,Б,В)

Після аналізу таблиці можна зробити висновок, що середня інсоляція в Україні має перспективи використання енергії Сонця для різного роду установок для підігріву води, підтримки опалення. В Україні майже в кожному приватному будинку є літній душ. Використання тих же принципів, але з удосконаленими конструкціями, дає можливості застосування таких технологій і в багатоквартирних будинках чи високоповерхових будівлях [2].

1.2. Аналіз будови сонячних колекторів

Колектор сонячної енергії або сонячний колектор має в своєму складі світлопоглинаючу панель з циркулюючим теплоносієм. Панель ізольована від дна та стінок ящика, в якому знаходиться, теплоізоляційними матеріалами, зверху закрита теплоізоляційним склом.

Існують декілька різновидів сонячних колекторів (додаток Г):

• плаский;
• вакуумний;
• колектори-концентратори;
• сонячні вежі;
• параболоциліндричні концентратори;
• параболічні концентратори;
• Сонячні піраміди.

Складемо порівняльну таблицю 1.1

Таблиця 1.1.

Характеристики сонячних колекторів

Тепло від параболічних концентраторів та сонячних пірамід надходить до двигуна Стірлінга[2], або до фотоелементів. ККД таких установок близько 30%.

Для багатоквартирних будинків у місті доцільно використовувати плаский або вакуумний сонячний колектор. Плаский можна виготовити самостійно [3].

[1] Інсоляція – притік сонячної радіації (енергії), який припадає на один квадратний метр за одну секунду при напрямку на центр сонячного диску.

[2] Двигун Стірлінга – тепловий двигун із зовнішнім підводом тепла. Він працює за замкненим термодинамічним циклом циклом Стірлінга. Незмінна кількість робочої речовини циркулює між двома камерами із різними температурами, де по черзі нагрівається та охолоджується. За рахунок цього робоча речовина міняє свій об’єм і рухає робочі поршні. Роберт Стірлінг запантентував цей тип двигуна у 1816 році.

РОЗДІЛ 2. Способи регулювання температури використовуючи сонячні колектори

При будівництві багатоквартирних будинків, згідно норм хоча б одна кімната повинна бути з південної сторони, щоб рівень інсоляції відповідав санітарним нормам. А значить чим більший будинок, то відповідно й більша площа південної сторони.

Згідно розподілу сумарної інсоляції по території України (рис.2.1) та відомих даних про надходження сонячної енергії у м.Вовчанську Харківської області (додаток В), можна судити про рівень інсоляції на території Київської області.

Влітку середньодобова енергія сонячної інсоляції 21,56 МДж/м², а взимку 4,5 МДж/м². Використовуючи сонячний колектор Vaillant auroTHERM VFK 145V площею 2,57 м² та коефіцієнтом корисної дії 80% отримуємо

Це енергія згоряння газу об’ємом .

Також цієї енергії достатньо для підігріву води від 10 до 40°С масою

При отриманні такої кількості енергії бетонна стіна теж прогрівається.

Променева енергія, яка падає на південну панель будинку влітку, збільшує температуру в самому будинку, а взимку ця енергія гріє більше холодне повітря ззовні, ніж прогріває панель. Тому й пропонується на південну сторону встановити сонячний колектор як показано на рис.2.2.

Сонячний колектор повинен бути встановлений таким чином, щоб промені падали на нього під кутом близьким до 90°. Коефіцієнт корисної дії колектора зменшується при запиленні, тому конструкція повинна бути легкодоступна для обслуговування (зміни кута нахилу, прибирання бруду). Сонячний колектор зменшить використання кондиціонерів для охолодження кімнати влітку та обігріву квартири або просто для підігріву води, в холодний період, коли відсутнє опалення. Звичайно, для цього знадобиться інженерна конструкція подачі та зберігання води, яка не з’єднана з центральним опаленням.

Якщо на південній стороні розміщена кухня, то ємність для гарячої води може бути встановлена саме там.

РОЗДІЛ 3. Збереження тепла в квартирах з центральним опаленням

Багатоповерхові будинки нашого міста побудовані в 60-х роках минулого століття, тому питання енергозбереження залишається актуальним і тепер. Першим кроком до можливості регулювати температуру в квартирах звичайно є заміна старих, зношених, а особливо бракованих вікон сучасними.

Відомо, що 80% теплообміну з навколишнім середовищем відбувається через вікна. Теплопроникність віконних систем та склопакетів зазвичай залежить від якості їх виробництва.

3.1. Порівняльна характеристика склопакетів

Склопакети бувають (рис.3.1) одно- та двокамерні. Вони складаються зі скла (1), повітряної камери (2), дистанційної рамки (3), абсорбента вологи (4), первинної (5) та вторинної герметизації). Замість сухого повітря інколи використовують інертний газ (аргон, криптон, ксенон або їх суміші).  Розглянемо характеристики теплопровідності різних склопакетів які наведені в таблиці 3.1.

Таблиця 3.1

Коефіцієнти опору для 24-міліметрових склопакетів

За умови, що на вулиці -26°С, в квартирі 20°С і відносна вологість 40%, на внутрішній поверхні скла з боку приміщення температура буде для звичайного склопакета – +5°С, для звичайного з аргоном – +7°С, для енергозберігаючого – +14. Тобто при використанні звичайного та з наповненим аргоном звичайним склопакетом на склі вікна в кімнаті конденсується вода, а якщо квіти торкатимуться скла, то їх листя змерзне.

Чим же відрізняються звичайні склопакети від енергозберігаючих?

Найкращими для енергозбереження (на даний час) є склопакети з енергозберігаючим і-склом.

Щоб його створити у вакуумі звичайне скло покривають методом катодного розпилення декількома шарами металів, оксидів та нітритів металів (найчастіше використовується срібло). Таке скло практично не втрачає прозорість для видимого світла. Інфрачервоне світло, яке потрапляє через і-скло, нагріває предмети всередині, які в свою чергу теж випускають інфрачервоні хвилі. Але вони вже не проходять через дане скло, а повертаються назад. Наслідком використання якісних склопакетів є покращення теплоізоляції, економія енергоносіїв, можливість використання однокамерних склопакетів з і-склом взамін двокамерним, охорона від вицвітання шпалер, картин, можливість тримання на вікнах південної сторони квітів.

3.2. Зменшення втрат тепла в неопалювальний період

Для того, щоб в кімнаті було достатньо комфортно температура повітря повинна бути не менше ніж 18°С. Яким же чином вберегти те тепло, яке акумулював будинок протягом теплого періоду року. Перш за все необхідно виявити чинники, які поглинають теплову енергію й знайти способи уповільнити цей процес.

Втрати теплової енергії в багатоквартирному будинку відбуваються через неякісні вікна, двері та радіатори центрального опалення.

Протягом двох тижнів з 11 жовтня по 24 жовтня проводились вимірювання температури у трьох кімнатах, характеристики яких наведено в таблиці 3.1

Таблиця 3.1

Характеристики кімнат, де проводились вимірювання.

Завданням спостереження було дослідити як впливає наявність «кожуха» на радіаторі опалення на зміну температури в кімнаті. «Кожухом» служили вовняні ковдри, якими щільно обмотували радіатори. Перша кімната знаходиться в звичайній квартирі. Щоб мінімізувати вплив на покази присутність в ній людей, покази знімались о 17.00, бо протягом дня мешканці були відсутні. Кімнати №2 та № 3 знаходяться в навчальному закладі, тому покази знімались зранку, до присутності дітей.

Так як кімнати №2 і №3 знаходяться в Васильківському НВК №4, то у суботу  на  неділю виміри температури не проводились. Результати вимірювань наведені у таблиці 3.2.

Таблиця  3.2

Залежність температури повітря в кімнатах від температури повітря ззовні та освітленості.

Після порівняння результатів, можна зробити висновок, що зберегти тепло в кімнаті допоможуть не тільки якісні вікна, але й ізолювання холодних радіаторів. Температура в кімнаті № 2 дає змогу судити про температуру води в системі центрального опалення. Це може бути 12°С. Те що теплотраси мають погану термоізоляцію видно по швидкості танення снігу на ній.  А отже, максимальне зниження теплообміну повітря  кімнати і радіаторів дасть змогу зберегти тепло до початку опалювання. Чим же можна замінити вовняну ковдру? Такою речовиною може бути алюфом.

Алюфом – хімічно зшитий пінополіетилен із закритою комірчастою структурою на основі алюмінієвої полірованої глянсової фольги, товщиною 12 мкм, рулонний матеріал. Він зберігає свої властивості не залежно від вологості (на відміну від вовни). При різниці температур у 10°С алюфом знижує теплообмін на 4Вт кожного квадратного метра площі поверхні, яка відбиває.

Для розрахунку кількості теплоти, яку не відбере з кімнати температурою 22 °С радіатор з температурою 12°С визначимо площу поверхні «кожуха», який можна надіти на радіатор з будь-якою кількістю секцій: , де a,b,c відповідно довжина, ширина і висота радіатора. Згідно даної формули площа поверхні радіатора з п’яти секцій

Кількість теплоти, яку протягом доби не поглинає радіатор можна обрахувати за формулою , де , τ – час, S – площа всієї поверхні радіатора. Отже

Якщо повітря кімнати віддасть таку кількість теплоти, то охолоне на температуру , де с – питома теплоємність повітря,  – його густина, S – площа кімнати, h – висота кімнати. Тому

Реальна зміна температури менша, бо тепло віддають і міжкімнатні стіни, і люди, які знаходяться в кімнаті протягом доби.

Отже, «одягнувши кожуха» на радіатор центрального опалення ще в середині вересня, дасть змогу не використовувати електрообігрівачі у доопалювальний період.

ВИСНОВКИ

Дана робота мала на меті розглянути способи регулювання температури в багатоквартирних будинках без використання електричних пристроїв (електрообігірвачів та кондиціонерів).

Розглянуто види сучасних сонячних колекторів та їх доцільність використання на території Київської області. Наслідком використання сонячних колекторів на південному боці будівлі є 100% економія газу влітку для підігріву води, зменшення використання кондиціонерів, бо зменшується кількість поглинутої енергії стіною будинку. Тобто даним способом можна регулювати кількість теплової сонячної енергії, яка надходить до житлових та адміністративних будівель.

Кількість сонячної інсоляції на території України достатня для широкого впровадження використання геліоенергії.

Також розглянуто і підтверджено дослідним шляхом доцільність використання сучасних теплоізоляційних матеріалів, зокрема алюфому, для збереження тепла у житлових будинках, школах, дитячих садках та лікарнях в доопалювальний період. Для впровадження цієї технології необхідні невеликі одноразові затрати та вчасне їх використання.

Заощадження енергоресурсів полягає не в обмеженому споживанні, а в раціональному використанні того, що приходить саме.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Страшко В.В., Кулагіна В.С. Розрахунок енергоактивної будівлі – [Електронний ресурс]. – Ресурс доступу: http://solar-house.ucoz.com/_ld/0/7___.pdf
2. Лисенко Л.І., Махотіло К.В., Косатий Д.М. Фактори впливу на ефективність сонячних колекторів та фотоелектричних панелей в Харківській області.// Вісник НТУ «ХПІ», 2013рік, №59 (1032). – [Електронний ресурс]. – Ресурс доступу: http://www.kpi.kharkov.ua/archive/
3. Регина Дрексель, Ростом Гамисония. Сооружение солнечных коллекторов для горячей воды. Практическое пособие //WECF e.V., Женщины Европы за всеобщее будуще, 2012 г. – [Електронный ресурс]. – Ресурс доступа: http://necu.org.ua/wp-content/uploads/WECF_Con.solar_collector_russ.02.05-.pdf

ІНТЕРНЕТ-РЕСУРСИ

http://www.lnu.edu.ua/faculty/geology/phis_geo/fourman/E-books-FVV/Interactive%20books/Meteorology/About%20Meteorology-climatology/met-clim-2.htm

http://thinkgreen.ru/tg/dom-s-otricatelnym-potrebleniem-energii/

http://ukrdoc.com.ua/text/14451/index-1.html?page=14

http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BD%D1%8F%D1%87%D0%BD%D0%B8%D0%B9_%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%BE%D1%80

http://teplovam.com/index.php/8-opalennia-ta-hvp/4-soniachni-systemy

http://www.ekosystem.lviv.ua/p-atmosfera

http://search.ligazakon.ua/l_doc2.nsf/link1/FIN19615.html

http://normaizol.com/uk/catalog/item/13/

http://www.viknalviv.com/

http://www.stroimdom.com.ua/articles/2202_Harakteristiki,-svoystva-i-primenenie-otrazauschey-teploizolyacii-ALUFOM,-PENOFOL/

Додаток А

Порівняння річної кількості сонячної інсоляції в різних країнах Європи

Додаток Б

Таблиця 1.1

Середньорічне надходження сонячної інсоляції на горизонтальну поверхню в північній півкулі (вт/м² на добу)

Додаток В

Таблиця 1.2

Рівень сонячної інсоляції, МДж/м² у 2012 році

Додаток Г

Види сонячних колекторів

Вид	Зображення
Плаский
Вакуумний трубчастий
Сонячні вежі
Параболоциліндричні концентратори
Параболічні концентратори
Сонячні піраміди