Проектная работа: "Тепловые потери из здания школы: поиск решений".

Открытый краевой конкурс школьных проектов «Энергия и среда обитания»

Название проекта: Тепловые потери из здания школы: поиск решений.

Фамилия, имя авторов: Клименок Георгий,  Масленников Дмитрий, Свистов Семён,                                         Шайтанов Дмитрий.

Возраст школьников: 14 лет

Фамилия, имя, отчество, должность, место работы руководителя: Масленникова Нина Семёновна, учитель физики МБОУ « СОШ №39 г. Владивостока», Заслуженный учитель РФ.

Почтовый адрес с индексом: 690065 г. Владивосток, ул. Ялтинская, 18.

Телефон руководителя с кодом: 8 (914) 70-60-936

Электронная почта руководителя: [e-mail]

Аннотация проекта: В литературе практически нет данных о том, сколько тепловой энергии теряется зданием через наружные ограждения. В своей работе мы попытались  выяснить: 1)      количество потерь тепловой энергии зданием школы; 2)      как, не увеличивая загрязнение окружающей среды, удовлетворить потребности школы в тепловой энергии.

Содержание проекта: Были установлены места, где происходит наибольшая потеря тепла и старались это устранить, проведя теплосберегающие мероприятия: уменьшили зазоры по притворам окон и дверей, своими силами установили отражательные экраны из фольгопласта за батареями, а в преддверии Саммита АТЭС в школе  были заменены деревянные окна на пластиковые и проведена облицовка школы по периметру. Провели  количественный подсчет потерь тепла. Рассчитали количество парниковых газов, эквивалентное потерям и годовое чистое сбережение в рублях. Предложили мероприятия, направленные на снижение теплопотерь, ведущие к экономии топлива, уменьшению выбросов  CO2 в атмосферу, улучшению экологии, содействующие замедлению изменения климата на планете.

Полученный результат: Рассчитав тепловые потери за 2010г и за 2012г ( до и после внедрения теплосберегающих мероприятий), мы провели сравнительный анализ этих потерь, которые составили  100411,2 кВт∙ч=86,1 Гкал. Подсчитали чистое сбережение, которое равно 132179 руб. за один отопительный сезон. Нашли количество парниковых газов (CO2), равное 94,53 кг, эквивалентное этим потерям. По результатам работы пришли к неожиданному выводу: самые большие теплопотери идут за счёт потерь тепла через стены за батареями (3% от отопительной нагрузки) и инфильтрации воздуха через зазоры по притворам окон и дверей (4% от отопительной нагрузки), а не через большие площади наружных ограждений.

Мы согласны на опубликование материалов нашего проекта в буклете, на интернет-сайте или других публикациях SPARE/ШПИРЭ.

Актуальность проекта.

Главный вопрос-сколько человечеству нужно энергии для своих нужд? Современная энергетика, в принципе, основана на использовании природных ресурсов, запасы которых истощаются и вновь не возобновляются. Загрязнение атмосферы при сжигании топлива неизбежно способствует увеличению количества парниковых газов, что губительно сказывается на экологии окружающей среды. Тепло одно из необходимых условий благоустроенной жизни. Около 30% всех получаемых энергоресурсов расходуются на теплоснабжение жилья, промышленности, сельского хозяйства.

 Прежде чем попасть в наш дом (школу), тепло проходит длинную цепочку событий – от добычи до подачи тепла в помещение. Потери тепла возникают на всём пути от шахты до радиатора. Считается, что эффективность использования природных ресурсов в итоге равна всего 2-3% и количество теряемой энергии сравнимо с объёмом всей экспортируемой из России нефти и нефтепродуктов. Потери – колоссальны.

     Теперь предположим, что тепло уже дошло до школы, дома, квартиры. Давайте проверим, эффективно ли это тепло используется для обогрева помещений.

     В данной работе мы попытались найти резервы экономии (сохранения) дошедшего до нас тепла и, тем самым, внести свой посильный вклад в уменьшение выбросов в атмосферу вредных газов, которые приводят не только к парниковому эффекту, ухудшению экологии, но и к различным заболеваниям людей.

     Мы старались сформировать активную жизненную позицию школьников и учителей, найти мотивации для теплосбережения путём несложных конкретных практических мероприятий.

Цели и задачи проекта.

Цель проекта: исследовать возможные пути тепловых потерь из здания школы: поиск решений.

Задачи проекта:

1)      Исследовать и подсчитать потери тепла в школе за отопительный сезон 2012 года.

2)      Провести сравнительный анализ потерь тепла в школе за 2010 год и 2012 год (до и после внедрения теплосберегающих мероприятий).

3)      Подсчитать годовое чистое сбережение в рублях за теплоэнергию при теплосберегающих мероприятиях.

4)      Рассчитать количество парниковых газов, эквивалентное потерям тепла из здания.

5)      Предложить возможные мероприятия, направленные на снижение теплопотерь в здании.

Методы решения

       Средняя общеобразовательная школа №39 города Владивостока построена в 1986 году.

Общая площадь наружных ограждений составляет 10 836 м²

Администрация школы с пониманием отнеслась к нашей  проектной работе. Нам была предоставлена вся необходимая документация.

       В данном проекте были использованы результаты практической работы по расчету потерь тепла в школе, проведённой учащимися 8А  класса в 2009-2010 учебном году на факультативе по элективному курсу «Физика. Человек. Окружающая среда».

В то время в школе окна были с дойными деревянными рамами, но низкого качества (подгнившие, перекошенные), с большими зазорами по притворам, были и треснутые стекла, а кое-где отсутствовали вторые рамы, неплотно закрывались фрамуги и двери – всё это приводило к большим потерям тепла.

Средняя температура воздуха была  +15°C, а иногда опускалась до +5°C - +6°С в некоторых кабинетах и коридорах.

      Учащиеся, совместно с родителями и учителями, неоднократно за зиму возвращались к повторному утеплению окон и дверей, но всё было неэффективно, так как сквозняки и плохая изоляция приводили к низкой температуре.

      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.

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 (см. таблицу №1 в приложении; см. список литературы № 3- А.П.Рыженков, с. 32);

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 Владивостока равна  -3,9°C.)

Размер площадей поверхности взят их технического паспорта школы (см. список литературы №4).

Тепловые потери за отопительный сезон 2010 года:

Используя формулу (1), получаем:

Qстен =0,5·3430 (15- (-3,9)) = 32414 Дж

Qокон=3,5·1702 (15- (-3,9)) = 112587 Дж

Qдверей=0,25·38 (15- (-3,9)) = 180 Дж

Qпола=0,021·2833 (15- (-3,9)) = 1125 Дж

Qпотолков=0,4·2833 (15- (-3,9)) = 21418 Дж

Суммируя все вышенайденные тепловые потери за 2010г., получаем:

                                                                                                                                                                                                                     Общие потери Q=167724 Дж =0,047кВт∙ч= 4,7·10^-2кВт∙ч.  Переведем в потери тепла за весь отопительный период  2010г. ( с 01.01 -31.12).  Продолжительность отопительного периода, по данным СРОНПО «Дальэнергосбережение»(см. список литературы №6), в г. Владивостоке составляет 196 суток.

Q2010=0,047кВт∙ч·24ч.·196дн.=221,1 кВт·ч (без учета инфильтрации воздуха и потерь тепла через стены за батареями).

       В 2011 году по программе главы Администрации города Владивостока в преддверии Саммита АТЭС в школе были заменены двери, поставлены пластиковые (ПВХ) окна, проведена облицовка фасада по периметру алюкобондом, керамогранитом и прочее.

      Рассчитаем тепловые потери за отопительный сезон 2012 года после внедрения теплосберегающих мероприятий. (Площади поверхностей не изменились, проводим расчет при тех же начальных параметрах).  Используя формулу (1), получаем:

Qстен=0,5·3430 (15- (-3,9)) = 32414Дж, но за счет облицовки фасада школы алюкобондом и керамогранитом уменьшаются потери тепла (при тех же начальных параметрах) на 2% ( по данным СРОНПО «Дальэнергосбережение»), то есть Qэкономии= 32414·2:100=648 Дж, с учетом этого

Qстен= 32414Дж - 648Дж  = 31766 Дж

Qокон= 0, 9·1702 ( 15- (-3,9)) = 28951 Дж,

Qдверей = 0,25 ∙ 38 ( 15- (-3,9)) = 180 Дж

Qпола = 0,021 ∙ 2833 ( 15 - (-3,9)) = 1125 Дж

Qпотолка = 0,4 ∙ 2833 (15 - (- 3,9 )) = 21418 Дж

Суммируя все вышенайденные тепловые потери за 2012г., получаем:

Qобщее = 83440 Дж = 2,3·10^-2кВт·ч

Теперь переведём в потери тепла за весь отопительный период 2012г. (с 01.01-31.12).

 Q2012= 2,3·10^-2кВт∙ч·24ч.·196дн. = 108,2кВт·ч

     Теперь учтем снижение потерь тепла за счет уменьшения инфильтрации (сквозняков) воздуха (что стоит на первом месте по потерям тепла из строения) после установки пластиковых окон, замены и ремонта внешних дверей по периметру, что по данным СРОНПО «Дальэнергосбережение» составляет 4% от отопительной нагрузки.

 Фактическое годовое потребление тепловой энергии на отопление школы (отопительная нагрузка), согласно показаний приборов учёта, в 2010г. составляло 1228,165 Гкал.  

В 2010 году не были проведены вышеназванные мероприятия, поэтому 4% от потреблённого тепла  шло на потери. Рассчитываем эти дополнительные потери:  

Qдополнит. = 1228,165·4:100 = 49,13 Гкал = 57318,3 кВт·ч

       Также по рекомендации СРОНПО «Дальэнергобсережение» для уменьшения потерь тепловой энергии через стены, мы установили своими силами за отопительные приборы (батареи) в 2012 году теплоотражатели из фольгопласта, которые препятствуют выходу наружу тёплого воздуха от батарей через стены непосредственно под окнами. От чего температура в кабинетах повысилась на 2-3 градуса. А по данным выше названной организации, установка радиаторных отражателей позволит снизить годовые затраты на тепловую энергию на 3%.

 В 2010г. фольгопласта за батареями не было и 3% тепла терялось. Рассчитаем и эти дополнительные потери:  Qдополнит.= 1228,165 · 3 :100 =36,84Гкал=42980 кВт∙ч

        Теперь найдём итоговые потери тепла за отопительный сезон 2010года:

Qобщее 2010= 221,1кВт∙ч (потери тепла за 2010г. через наружные ограждения) +57318,3кВт∙ч (потери 4 тепла в 2010г. от инфильтрации воздуха %) +42980кВт∙ч (потери 3% тепла в 2010г. без радиаторных отражателей) =100519,4кВт∙ч

Проведём сравнительный анализ потерь тепла между 2010 и 2012 отопительными сезонами.

Экономия ( в 2012г. относительно 2010г.)  Qэк=100519,4кВт∙ч (потери тепла за 2010г.)-108,2кВт∙ч (потери тепла за 2012г.) =100411,2 кВт∙ч = 86,1 Гкал

Подсчитаем годовое чистое  сбережение при стоимости 1Гкал (2012г.) = 1535,18 руб.

Сбережение = 1535,18 · 86,1 = 132 179 руб.

Это только за один отопительный сезон. Потери (и по теплу и по оплате) до внедрения теплосберегающих мероприятий – колоссальны. А сколько тонн парниковых газов было выброшено в атмосферу за счёт сгорания топлива, ушедшего на потери, с момента открытия школы.

        Теперь рассчитаем количество парниковых газов (СО2), эквивалентное потерям тепла из помещений. Пользуемся методикой А.А.Гришана, к.т.н. доцента кафедры морских технологий ДВГТУ  (см. список литературы №7 - «Я, будущее и энергия», с 89-90).

На выработку 1000 кВт∙ч энергии в Приморском крае затрачивается примерно 0,42т условного топлива (У.Т.). Потери теплоэнергии за 2010г. по сравнению с 2012г. составляют 100411,2 кВт∙ч- это эквивалентно (0,42:1000) · 100411,2=42,173 тонн У.Т. Найдём количество натурального топлива, эквивалентное 42,173т У.Т.    Наша школа отапливается ТЭЦ-1, где сгорал мазут, переводной коэффициент которого равен 1,37,  теперь надо 42,173 : 1,37 = 30,8 т мазута пошло на теплопотери.

        По информации, полученной нами в отделе топливообеспечения и ПТО филиала Приморские тепловые сети ОАО ДГК, в 2010г сожжено на нужды «СОШ №39» - 148,167 т от общего объёма сгоревшего мазута. Допустимый объём образования СО₂ для данного количества мазута, согласованный с Ростехнадзором, равен 454,482 кг. Воспользуемся принципом топливной пропорции для определения доли мазута, эквивалентного потерям теплоэнергии. Найдём коэффициент топливной пропорции: 30,8т : 148,167т. = 0,208. Теперь найдём объём образования парниковых газов (в частности СО₂):   454,482кг · 0,207 =  94,53 кг СО_2.

После проведения теплосберегающих мероприятий, только за один отопительный сезон, были ликвидированы потери электроэнергии в количестве 100411,2 кВт∙ч, тем самым было предотвращено сжигание мазута в количестве 30,8т, вследствие чего не было образованно СО₂ в количестве 94,53 кг, что положительно скажется на экологии

Презентация работы

- С результатами своей работы мы познакомили учащихся, учителей и родителей на конференции, которая прошла в школе, где наглядно показали сколько тепла теряется до и после теплосберегающих мероприятий. Всех присутствующих цифры вначале удивили, а потом заставили задуматься.

- Выступили на классных часах в классах среднего и старшего звена школы по теме нашей работы.

- Организовали среди учащихся школы конкурс рисунков по теме «Энергия и среда обитания».

- Провели анкетирование учащихся старших классов школы по теме «Энергосбережение в нашем доме». 

Выводы

1.   Самые большие теплопотери идут за счёт потерь тепла через стены за батареями (3% от

отопительной нагрузки) и инфильтрации воздуха через зазоры по притворам окон и дверей (4% от отопительной нагрузки), а не через большие площади наружных ограждений.

2.   Эффективнее  и   легче  всего самостоятельно  повысить    теплосбережение,  устранив сквозняки  из  щелей (окон  и  дверей),  а  также  установив  теплоотражательные  экраны за батареи.

3. Уменьшение  потерь  тепла  из  помещений  привело  к  повышению  температуры  за  отопительный  сезон  примерно  на 6 ⁰С,  и  как  следствие,  стало  комфортно  находиться (учиться) в школе (средняя температура в классах составляет 23⁰С ; в рекреациях  21 ⁰С).

4. В результате теплосберегательных  мероприятий мы, тем самым, экономим невозобновляемые источники энергии – природное топливо, что, в свою очередь, приводит к сбережению немалых денег за оплату теплоэнергии.

5.  Сберечь одну единицу энергии гораздо легче, чем произвести новую. Сберегая энергию в                      школе (дома), мы также уменьшаем потери энергии при её производстве и транспортировке. 6. Каждый из нас может уменьшить выбросы в атмосферу парниковых газов за счёт разумного и  экономного использования тепла, улучшить (по мере возможностей) экологию среды, содействовать замедлению изменения климата на планете.

Рекомендации

             Для сокращения потерь тепловой энергии в школах (садиках, квартирах, домах и т. д.) надо:

1)      провести мероприятия по устранению сквозняков через окна и двери, ликвидируя одну из главных причин потери тепла – инфильтрацию воздуха.

2)      установить под подоконники на стену за радиаторы отопления теплоотражатели  (фольгопласт, изолон и пр.), монтаж которых проводится самими учащимися или сотрудниками.

Мы надеемся, что наша работа не прошла напрасно – учителя, ученики и их родители будут и у себя дома применять все возможные для них мероприятия по уменьшению потерь тепла в отопительный сезон.

Таблица № 1                                    

Потери тепла из строения

Коэффициент тепловых потерь	Р, Дж /м2. 0С
Крыша – бетонные плиты на рубероиде с изоляцией	0,4
Стены – кирпичная кладка на тяжёлом растворе	0,5
Окна с двойным остеклением в деревянных рамах	3,5
Окна пластиковые с двойным стеклопакетом	0,9
Пол – бетонные плиты с деревянным настилом, покрытые линолеумом	0,021

Список используемой литературы.

1)      Администрация г. Владивостока. Постановление от 30.09.2010г. №1174 об утверждении долгосрочной целевой программы « Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на 2010-2014 годы в г. Владивостоке».

2)      Володин В., А.Хазановский «Энергия, век двадцать первый». М.«Детская литература»,1999г.

3)      Рыженков А. П. «Физика. Человек. Окружающая среда», 8 класс. М. «Просвещение», 2000г.

4)      Технический паспорт МБОУ «СОШ №39 г. Владивостока».

5)      ШПИРЭ. Энергия и окружающая среда. Учебное пособие для средней школы. Санкт-Петербург, 2008.

6)      Энергетический паспорт МБОУ «СОШ №39 г. Владивостока». СРОНПО «Дальэнергосбережение», 2011г.

7)      «Я, будущее и энергия». Методическое пособие по курсу предпрофильной подготовки учащихся основной школы. Владивосток, Дальнаука, 2010.

8)      http://www.primstat.ru