документ. документ 20. Исследование потерь энергетических ресурсов в школе
 Скачать 336.6 Kb.
|
|
МИНЕСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Муниципальная научно-исследовательская конференция «Шаг в науку» Тема проекта: «Исследование потерь энергетических ресурсов в школе» Выполнила: Ложкина Алина Алекссевна, ученица 7 класса МБОУ «СОШ с УИОП им. Б.И.Рябцева», город Россошь Руководитель: Карабаева Виктория Джалалитдиновна, учитель физики, математики 2023 г. Введение Четвертая часть всей произведенной энергии в нашей стране идет на отопление зданий. В процессе отопления здания значительная часть энергии теряется. Энергосбережение и повышение энергоэффективности – одна из важных задач государственной политики. Школы являются серьезными потребителями энергии: и электрической, и тепловой. Почти все учебные здания строились достаточно давно. В итоге «классное» тепло стоит особенно дорого. И сохранить его непросто — прежние технологии не учитывали проблем энергосбережения. Многие школьные корпуса требуют проведения энергосберегающих мероприятий. Цель данной работы - выполнить исследование тепловых потерь здания школы и предложить рекомендации по сбережения тепловой энергии. Для достижения поставленной цели предусмотрено решение следующих задач: - изучить специальную литературу по теплосбережению зданий; - провести исследования по тепловым потерям здания школы; - выявить причины потерь тепла в здании школы; - проанализировать возможности уменьшения теплопотерь; - разработать эффективные рекомендации по теплосбережению для школы. Объект исследования: теплоснабжение школы. Предмет исследования: потери тепловой энергии здания школы. В своей работе использовали следующие методы исследования: анализ информации из Internet-ресурсов, специальной литературы по теплосбережению; проведение температурных исследований теплового режима школы и интересующих нас объектов с помощью пирометра DT-8861; беседа по проблеме со специалистами: зам. по АХЧ школы. В работе над поставленной целью сформулировали гипотезу: основным источником тепловых потерь являются деревянные окна школьного здания. Считаем, что данная работа актуальна для нас, т.к. выявление и устранение основных источников теплопотерь приведет к экономии энергоресурсов и создаст комфортные условия для нашей учебной деятельности. Также поможет формированию у учащихся сознательного, деятельностного отношения к сбережению энергоресурсов, характерного для современного мировоззрения населения развитых стран. Характеристика здания. Объектом исследования является главный корпус МБОУ «СОШ №25 с УИОП им. Б.И. Рябцева» города Россоши.  Рис. 1 – Здание школы Характеристики здания школы представлены в таблице:
Наружные стены здания выполнены из глиняного полнотелого кирпича, толщина составляет 640 мм. Утеплительные слои отсутствуют. Потери тепла зданием. Теплопроводность. В холодное время года обязательно отапливаются комнаты, в которых люди живут и работают. Чем холоднее погода, тем больше приходится топить, потому что при похолодании увеличиваются тепловые потери через стены, окна и все наружные ограждающие конструкции. Тепло может передаваться разными способами: теплопроводностью, конвекцией, излучением. В чистом виде теплопроводность наблюдается только в сплошных твердых телах. Теплота передается непосредственно через материал или от одного материала другому при их соприкосновении (рис. 7.1). Высокой теплопроводностью обладают плотные материалы – металл, железобетон, мрамор. Воздух имеет низкую теплопроводность. Поэтому через материалы с большим количеством замкнутых пор, заполненных воздухом, тепло передается плохо, и они могут использоваться как теплоизоляционные (щелевой кирпич, пенобетон, вспененный полиуретан, пенопласт).  Рис. 2. Передача тепла через кирпичную стену вследствие эффекта теплопроводности: 1 – штукатурка, 2 – кирпичная кладка Конвекция характерна для жидких и газообразных сред, где перенос тепла происходит в результате движения молекул. Конвективный теплообмен наблюдается у поверхности стен при наличии температурного перепада между конструкцией и соприкасающимся с ней воздухом. В окнах жилых домов конвективный теплообмен происходит между поверхностями остекления, обращенными внутрь воздушной прослойки. Нагреваясь от внутреннего стекла, теплый воздух поднимается вверх. При соприкосновении с холодным наружным стеклом воздух отдает свое тепло и, охлаждаясь, опускается вниз (рис. 7.2.). Такая циркуляция воздуха в воздушной прослойке обусловливает конвективный теплообмен. Чем больше разность температур поверхностей, тем интенсивнее теплообмен между ними. Излучение происходит в газообразной среде путем передачи тепла с поверхности тела через пространство (в виде энергии электромагнитных волн). Нагретая поверхность радиатора излучает тепло и обогревает помещение. Чем выше температура поверхности отопительного прибора, тем сильнее обогревается помещение. На теплопотери через ограждения наибольшее влияние оказывает их способность передавать теплоту, которая зависит от коэффициента теплопередачи и толщины материала. Чем меньше коэффициент теплопередачи и толщина стен, тем больше ее термическое сопротивление (передача тепла) и лучше ее теплозащитные свойства. Кроме того, количество теряемой теплоты зависит от сопротивления теплообмену конвекцией и излучением у поверхности внутренней и наружной стен. Чем интенсивнее происходит теплообмен, тем больше тепла теряется из помещения и передается внутренней поверхности конструкции или отдается поверхностью стены наружу, тем меньше сопротивление теплообмену и хуже теплозащита. Теплопотери через отдельные наружные элементы дома различны и во многом зависят от теплоизоляционных качеств отдельных конструкций, а также их размеров. Наибольшая площадь наружных ограждений приходится на наружные стены. Поэтому их теплозащитные качества во многом определяют условия внутреннего микроклимата помещения. Чем выше сопротивление стены теплопередаче, тем меньший поток тепла через нее проходит, меньше теплопотери. В зависимости от конструкции стен через них теряется до 35 – 45 %. Передача тепла через стены осуществляется главным образом вследствие теплопроводности. Количество тепла, проходящего через стену, зависит от коэффициента теплопередачи материала к. Чем он выше, тем больше теплоты проходит через материал, и хуже его теплозащита. Различные строительные материалы имеют разные коэффициенты теплопередачи. На них влияют различные факторы, в частности, плотность и влажность материала. Плотный материал имеет больший коэффициент теплопередачи по сравнению с пористым материалом. Увеличение плотности способствует повышению к. Уменьшение плотности приводит к снижению к. Это объясняется тем, что поры строительного материала заполнены воздухом, имеющим низкий коэффициент теплопередачи. Чем больше пор в материале, тем меньше его плотность и теплопроводность. Например, у железобетона плотностью 2500 кг/м3 коэффициент теплопередачи к = 2,04 Вт/(м2·К), у кладки из обыкновенного глиняного кирпича плотностью 1800 кг/м3 – к = 0,81 Вт/(м2·К), у фанеры плотностью 600 кг/м3 – к = 0,18 Вт/(м2·К), у плит из полистирольного пенопласта плотностью 100 кг/м3 – к = 0,05 Вт/(м2·К). Коэффициент теплопередачи, к – единица, которая обозначает прохождение теплового потока мощностью 1 Вт сквозь элемент строительной конструкции площадью 1 м2 при разнице температур наружного воздуха и внутреннего в 1 Кельвин, Вт/(м2·К). Сопротивление теплопередаче – величина, обратная коэффициенту теплопередачи, (м2·К) / Вт. Оконные проемы в общей площади наружных ограждений составляют значительно меньший процент по сравнению со стенами. Однако они имеют худшую теплозащиту: сопротивление теплопередаче оконного блока с двойным остеклением в 2 – 3 раза меньше, чем у наружных стен. Поэтому через окна теряется значительное количество теплоты: 20 – 30 % всех теплопотерь дома. На потери тепла через стены (и особенно через окна и стыки оконных коробок со стенами) сильное влияние оказывает ветер. Поскольку строительные материалы и конструкции являются в большей или меньшей степени воздухопроницаемыми, то через них воздух может проникать с улицы в помещение и из помещения на улицу. Если воздух попадает снаружи внутрь дома, то это называют инфильтрацией, если из помещения наружу, то эксфильтрацией. При инфильтрации через конструкцию стены, стыки и неплотности окон в зимний период проникает холодный воздух. Проходя через толщу стены, он вызывает снижение температуры внутри ограждения и на его поверхности, проникая в комнату, охлаждает внутренний воздух и вызывает дополнительные потери тепла. Наибольшие теплопотери при инфильтрации происходят через окна и стыковые соединения оконных блоков со стенами. При эксфильтрации теплый воздух проходит из помещения через наружное ограждение, повышая температуру на его поверхности и в толще, способствуя увеличению теплопотерь жилого дома. Помимо этого при эксфильтрации повышается вероятность выпадения конденсата на стене, остеклении, оконных откосах и внутри ограждений. Очевидно, что фильтрация воздуха приводит к увеличению теплопотерь через ограждения почти в 2 раза. Потери тепла через перекрытия первого этажа в большинстве случаев составляют 3 – 10 % общих теплопотерь. При строительстве дома необходимо качественно выполнить теплоизоляцию цокольного перекрытия и обеспечить на поверхности пола температуру не более чем на 2 °С ниже температуры внутреннего воздуха. В холодное время года часть тепла теряется через крышу, причем в одноэтажных, двухэтажных домах потери больше, чем в многоэтажных. Они составляют соответственно 30 – 35 % и 5 – 10 %. Поэтому при проектировании и строительстве индивидуальных малоэтажных домов особое внимание должно быть уделено теплоизоляции перекрытия верхнего этажа или чердачного перекрытия. Часто на втором этаже индивидуального двухэтажного дома устраивают жилые комнаты – мансарды. В них крыша играет роль наружного ограждения, защищающего помещение от дождя, ветра, холода. Надежная теплоизоляция перекрытия верхнего этажа или чердачного перекрытия создают уют и тепловой комфорт, снижают затраты на отопление дома, а в солнечную погоду позволяют защитить комнату от перегрева. Каждая квартира оборудована системой естественной вытяжной вентиляции. Вентиляционные отверстия расположены в ванной комнате, туалете и на кухне на внутренних стенах, в верхней их части, и прикрыты металлическими или пластмассовыми решетками. Это – вытяжные отверстия. Через них вытяжной воздух из помещений удаляется на улицу. По законам физики работа этой системы зависит от разности температуры в помещении и на улице. Чем ниже температура воздуха на улице, тем лучше она работает и больше теплого воздуха удаляется. На смену ему, благодаря создаваемому вытяжной вентиляцией разрежению в квартире через щели в окнах, открытые форточки, двери, поступает холодный наружный воздух. Причем в холодную пору года действительный объем вентиляции зачастую намного превышает требуемую норму, приводя к увеличению затрат на отопление, так как через систему вентиляции теплопотери составляют до 15 %. Таким образом, типовая структура расхода тепловой энергии зданием выглядит следующим образом (рис. 3): наружные стены 35 – 45 %; окна 20 – 30 %; вентиляция 15 %; горячая вода 10 %; крыша, пол 5 – 10 %; трубопровод, арматура 2 %.  Рис. 3 – Потери тепла зданием В нашей школе (как и в любом другом строении) тепло уходит двумя способами: 1. Сквозняки (инфильтрация), в результате чего теплый воздух уходит, а поступает холодный. 2. Передача тепла от теплых внутренних поверхностей помещения к холодным наружным. Здание нашей школы построено в 1936 году, здание кирпичное, окна деревянные с двойными рамами, стены здания выполнены из глиняного полнотелого кирпича, утеплители отсутствуют. Сначала найдем потери тепла через поверхности, потом учтём потери от инфильтрации воздуха. Тепловые потери можно вычислить, пользуясь простой формулой: Q=P∙ S∙ (tв-tн) (1), где P – коэффициент тепловых потерь, Дж/м2·°C S – площадь поверхности через которую происходит передача тепла, м2 tв– температура внутри здания,°C; tн– температура снаружи, °C (усреднённая наружная температура воздуха за отопительный период (с 01.01- 31.12) для города Воронежа равна -3,1°C.) Значения коэффициентов тепловых потерь возьмём из таблицы:
Размер площадей поверхности взят их технического паспорта школы Используя формулу (1), получаем: Qстен=0,5·3430 (15- (-3,1)) = 31041 Дж:=0,0087 кВт*ч Qокон=3,5·1702 (15- (-3,1)) = 107822Дж=0,0300 кВт*ч Qдверей=0,25·38 (15- (-3,1)) = 172Дж=4,8*10-5 Qпола=0,021·2833 (15- (-3,1)) = 1078Дж=0,0003 кВт*ч Qпотолков=0,4·2833 (15- (-3,1)) = 20511Дж=0,0066 кВт*ч Суммируя все вышенайденные тепловые потери за 2020г внедрения теплосберегающих мероприятий., получаем: Суммируя все вышенайденные тепловые потери, получаем: Общие потери Q=160 624 Дж = 0,0446кВт*ч. Переведем в потери тепла за весь отопительный период 2022г. ( с 01.01 -31.12). Продолжительность отопительного периода в г.Россошь составляет 196 суток. Q2022=0,0446кВт*ч*24ч.*196дн.=209,7984кВ*ч (без учета инфильтрации воздуха и потерь тепла через стены за батареями). Сравним тепловые потери за отопительный сезон после проведения энергосберегающих мероприятий. Деревянные окна предполагается заменить пластиковыми с двойными рамами, облицовать фасад по периметру алюкобондом, керамогранитом, заменить двери. Площади поверхностей не изменились, проводим расчет при тех же начальных параметрах). Используя формулу,мы,получаем: 0,5·3430 (15- (-3,1)) = 31041 Дж, но за счет облицовки фасада школы алюкобондом и керамогранитом уменьшаются потери тепла (при тех же начальных параметрах) на 2%,, то есть Qэкономии=31041*2:100=621Дж ,с учетом этого Qстен=31041-621=30420Дж Qокон=0, 9·1702 ( 15- (-3,1)) = 27725Дж Qдверей = 0,25 ∙ 38 ( 15- (-3,1)) = 172 Дж Qпола = 0,021 ∙ 2833 ( 15 - (-3,1)) = 17800 Дж Qпотолка= 0,4 ∙ 2833 (15 - (- 3,1 )) = 13485 Дж Получаем: Qобщее=89 602Дж=0,0258кВт*ч Теперь переведем в потери тепла за весь отопительный период. Q=89602Дж*24ч.*196дн.=421487808Дж |