IV Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ СПОСОБОВ ЭКОНОМИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ
Деревянова В.М.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

Посещая общественные места в нашем городе, я иногда наблюдаю отдельные надписи на стенах: «Уходя – гасите свет», «Перед уходом, выключи прибор из розетки» и другие. Меня заинтересовало, зачем нужны такие надписи? Оказывается, размещение этих надписей в соответствующих местах, является одним из самых простых и эффективных способов экономии электрической энергии.

Развитие научно-технического прогресса в последние два десятка лет привело к значительному росту потребления электрической энергии не только в промышленности, но и в быту. В домах появились новые мощные электронные и электромеханические устройства, такие как компьютеры, смартфоны, планшеты, жидкокристаллические телевизоры, кухонные комбайны, духовые шкафы, микроволновые печи и другие. Например, потребление электроэнергии в обычной семье из 4 человек за этот период в среднем увеличилось в 2-3 раза, что, вместе с увеличением тарифов, значительно ударило по семейному бюджету. Кроме того, увеличение потребления электрической энергии прямо связано с увеличением выработки электричества, что приводит к ухудшению экологической ситуации - увеличивается выброс вредных веществ в атмосферу. Поэтому, вопросы экономии электрической энергии, в том числе и в быту, являются актуальными и имеют большую социальную, экономическую и экологическую значимость.

Целью работы являются исследование и выявление эффективных способов экономии электрической энергии в домашних условиях.

Задачи исследования:

  • изучить и проанализировать литературу по теме исследования;

  • изучить основные понятия и определения по теме исследования;

  • провести исследование режимов работы электроприборов, определить наиболее крупных потребителей и предложить способы экономии электрической энергии;

  • провести исследование разнообразных источников света и предложить способы экономии электрической энергии в системе освещения;

  • провести исследование по практическому использованию эффективных способов экономии электрической энергии в домашних условиях.

Гипотеза исследования: экономить электрическую энергию в домашних условиях может каждый.

Объектами исследования являются бытовые электропотребляющие приборы и внутренняя система освещения в квартире.

  1. Основные понятия и определения

Электрическая энергия - физический термин, широко распространённый в технике и в быту [1]. Основной единицей измерения потребления электрической энергии служит килова́тт-час (кВт∙ч) [2].

Электрическая мощность — физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии. Единица измерения – ватт (Вт) [2].

Электрическая энергия является самым распространённым видом энергии, на котором работает множество устройств и приборов. Электрическая энергия поступает в квартиры от электрических станций по проводам. Электрическая энергия легко преобразуется в другие виды энергии (тепловую, механическую, электромагнитную) с помощью различных приборов.

Чем больше мы потребляем в своих домах электрическую энергию, тем больше приходиться работать электрическим станциям, которые при сжигании природного газа выбрасывают в атмосферу углекислый газ. Это является большой проблемой для экологии нашей страны. Углекислый газ (СО2) - это бесцветный, не имеющий запаха, негорючий и слабокислотный сжиженный газ [2]. Доказано, что с увеличением концентрации углекислого газа в атмосфере Земли, нарушаются процессы фотосинтеза и теплообмена нашей планеты с окружающим пространством [3]. Поэтому вопросы экономии электрической энергии тесно связаны с проблемами экологии, чем больше удается сэкономить электрическую энергию, тем меньший вред наносится окружающей среде. Ученые установили, что если в крупном городе, таком как Самара, сократить потребление электрической энергии на 10%, то это приведет к сокращению выбросов углекислого газа на 120 тысяч тонн [4].

  1. Исследование работы бытовых электроприборов

Для учета объема потребления электрической энергии в каждой квартире установлен электрический счетчик. По показаниям счетчика, каждый месяц оплачивается потребленный объем электрической энергии. В квартире электрическая энергия расходуется на работу бытовых электроприборов и освещение.

На рис. 1 видно, что доля годового потребления электрической энергии бытовыми приборами составляет 80%, это значит, что больше всего энергии тратится на работу приборов. На рис. 2 видно, что за год потребление электрической энергии бытовыми приборами составило 1363 кВт∙ч. В денежном выражении это составляет 6902 рубля.

Рис. 1 –Доли годового потребления электрической энергии

Рис. 2 – Годовое потребление электрической энергии

Вид, количество и мощность бытовых приборов может быть самой различной. Для того, чтобы определить, какие приборы расходуют электричество больше всего, и выявить эффективные способы экономии электрической энергии проведем специальное исследование:

Таблица 1

Результаты исследования работы бытовых электроприборов

Наименование прибора

Электрическая мощность в режиме ожидания, Вт

Электрическая мощность в режиме работы, Вт

Потребляемая электрическая энергия за сутки, кВт∙ч

Расчетная потребляемая электрическая энергия за год, кВт∙ч

1

Холодильник

0

826

1.31

381

2

Чайник

0

1962

0.69

192

3

Компьютер

2.5

160

0.6

172

4

Посудомоечная машина

0.5

1961

1

159

5

Телевизор ЖК

0.5

81

0.41

119

6

Монитор компьютера

1.8

40

0.39

112

7

Мультиварка

0.5

928

0.27

65

8

Утюг

0

1950

0.24

57

9

Стиральная машина

0.5

1563

0.4

48

10

Фен

0.5

1060

0.1

24

11

Нагреватель воды

2.5

2144

1.62

19

12

Домашний радиотелефон

0

3

0.03

9

13

Микроволновка

0

1362

0.02

5

14

Зарядка для телефона

0

6

0.01

1

Всего

7

1363

С помощью специального прибора – электронного ваттметра (рис. 3) будем измерять электрическую мощность и потребляемую электрическую энергию большинства бытовых приборов в квартире. Продолжительность каждого измерения – 1 сутки. Расчет суточного потребления электрической энергии фиксируется ваттметром. Режимы работы приборов выбирались самые обычные, какими пользуются дома ежедневно. Результаты измерений представлены в таблице 1.

Рис. 3 – Электронный ваттметр

Приведенные данные в таблице 1 и на рис.4 свидетельствуют о том, что 8 приборов из 14 в режиме ожидания потребляют электрическую энергию (прибор остается подключенным к электричеству, но активно не используется). Самыми активными потребителями в этом режиме являются нагреватель воды (2.5 Вт), компьютер (2.5 Вт) и монитор компьютера (1.8 Вт).

Рис. 4 – Электрическая мощность приборов в режиме ожидания

Представленная на рис. 5 диаграмма показывает, какую мощность в активном режиме работы имеют исследуемые бытовые приборы. Самыми мощными приборами являются нагреватель воды (2144 Вт), посудомоечная машина (1966 Вт), электрический чайник (1966 Вт) и утюг (1950 Вт).

Рис. 5 – Электрическая мощность приборов в режиме работы

Рис. 6 – Расчетная потребляемая электрическая энергия приборами за год

На рис.6 представлены расчетные значения потребленной электрической энергии приборами за год, при этом учтена неравномерность использования электроприборов в течение года. Характерным примером такой неравномерности использования прибора является нагреватель воды, который используется только в периоды отсутствия горячей воды в квартире. По уровню расхода электрической энергии он находится только на 10 месте (19 кВт∙ч/год), тогда как по уровню электрической мощности в режиме работы на 1 месте (см. табл. 1 и рис.5). Чем меньше расчетная величина потребления электрической энергии, тем менее эффективны будут мероприятия по экономии для этих приборов. Поэтому реализовывать любые мероприятия по экономии электрической энергии, в первую очередь, целесообразно для самых крупных потребителей.

Самым крупным потребителем электрической энергии является холодильник, который работает в круглосуточном режиме. При максимальной мощности в 826 Вт, потребление электрической энергии холодильником за год составило 381 кВт∙ч, что составляет почти 23% от всего объема потребления электрической энергии в квартире. Часто мы не замечаем, что долго стоим перед открытым холодильником и пытаемся найти нужные продукты или долго выбираем продукт, который хотим достать из него. Все это влияет на уровень потребления электрической энергии холодильником. Для того, чтобы холодильник потреблял меньше электрической энергии достаточно придерживаться следующих правил:

  • Правильно расположить продукты в холодильнике, чтобы меньше времени тратить на поиск нужных продуктов;

  • Не оставлять надолго открытой дверцу холодильника, доставать и класть продукты надо как можно быстрее, чтобы уменьшить количество выпускаемого холодного воздуха;

  • Не ставить в холодильник горячие продукты, холодильнику потребуется больше электрической энергии, чтобы их охладить.

Установлено, что за счет реализации этих простых правил можно сэкономить до 30% электрической энергии, т.е. 114 кВт∙ч в год или 438 рублей.

Анализируя результаты проведенного исследования (табл. 1), можно наметить несколько эффективных способов экономии электрической энергии за счет изменения режимов использования бытовых приборов. Под понятием эффективных способов будем понимать такие, при которых затраты на реализацию мероприятий по экономии являются нулевыми или минимальными, т.е., например, будет отсутствовать необходимость покупать новые приборы, которые стоят очень дорого, взамен старых.

Например, эффективным способом экономии является отключение приборов от электрической сети во время ожидания, т.е. когда они не используются по назначению. В нашем случае (рис. 4), такими приборами являются: нагреватель воды, компьютер, монитор компьютера, посудомоечная и стиральная машины, фен, мультиварка и телевизор. Величина экономии за год, от отключения этих приборов от электрической сети во время простоя, составит примерно 50 рублей при отсутствии денежных затрат на реализацию.

Рассмотрим более детально другой эффективный способ экономии - изменение режима использования электрического чайника, который является вторым наиболее крупным потребителем электрической энергии в квартире (рис.6). Для этого проведем небольшое исследование с помощью электронного ваттметра (рис. 3) и секундомера.

Целью исследования является доказательство того, что рациональнее и экономичнее при использовании электрического чайника нагревать только такое количество воды, которое точно будет использовано. Очень часто бывает так, что чайник заполняют водой полностью, нагревают ее, а используют только малую часть воды. В результате, горячая вода, которая оказалась не использована, со временем остывает, а электрическая энергия, потраченная на нагрев воды, нерационально расходуется.

Проведено 6 опытов нагрева различного объема воды (от 1 до 6 стандартных стаканов). В каждом опыте определялось время нагрева до выключения прибора и количество потребленной электрической энергии. Годовая стоимость потребленной электрической энергии рассчитывалась исходя из 6 разового ежедневного использования чайника в течение 365 дней. На рис. 7 представлены результаты исследования работы электрического чайника.

Рис. 7 – Исследование работы электрического чайника

Анализ результатов на рисунке 7 показал, что чем меньше воды мы нагреваем, тем быстрее она закипает и меньше расходуется электрическая энергия. Например, чтобы нагреть в чайнике 1 стакан воды необходимо 58 секунд, за год при таком режиме использования стоимость электрической энергии составит 336 рублей. Если нагреть в чайнике 6 стаканов воды, то потребуется 303 секунды, и за год стоимость при таком режиме использования стоимость потраченной электрической энергии уже составит 1177 рублей.

  1. Исследование энергосберегающих источников света

Одним из эффективных способов экономии электрической энергии в квартире является использование энергосберегающих ламп. Самая распространенная и дешевая лампа накаливания (рис. 8) при использовании потребляет большое количество электрической энергии. В последнее время в продаже появились энергосберегающие лампы. Отличием энергосберегающих ламп от ламп накаливая является более низкое потребление электрической энергии и более длительный срок службы. К таким источникам света относятся компактные люминесце́нтные и светодиодные лампы (рис. 8). Особенностями компактной люминесцентной лампы является сложная конструкция и наличие внутри лампы ядовитых паров ртути, которые могут причинить вред здоровью. Светодиодные лампы в качестве источника света используют светодиоды. Светодиод - это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. Светодиодные лампы является одним из самых экологически чистых источников света. Принцип свечения светодиодов позволяет применять в производстве и работе самой лампы безопасные компоненты. Светодиодные лампы не используют веществ, содержащих ртуть, поэтому они не представляют опасности в случае выхода из строя или повреждения колбы. Достоинство светодиодных ламп заключается в том, что она не оказывает негативного воздействия на зрение человека [5].

     

Лампа накаливания

Компактная люминесцентная лампа

Светодиодная лампа

Рис. 8 – Виды ламп, участвующих в исследовании

Чтобы оценить эффективность энергосберегающих источников света, проведем исследование 3 видов ламп: накаливания, компактной люминесце́нтной и светодиодной. Для этого измерялась мощность ламп и степень освещенности. Для измерения мощности использовался ваттметр (рис.3), для измерения степени освещения использовался специальный прибор - люксметр (рис. 9), который определяет величину светового потока от источника к единице площади. Единица измерения освещенности – люкс (Лк) [1]. Люксметр устанавливался на расстоянии 50 сантиметров от настольного светильника, в который по очереди устанавливались исследуемые лампы. Степень освещенности позывает на сколько интенсивно освещает лампа необходимый участок рабочего письменного стола и достаточно ли этой освещенности для сохранения здорового зрения человека. Норма освещенности для рабочего стола находится в пределах от 150 до 250 Лк.

Рис. 9 – Прибор для измерения степени освещенности (люксметр)

Анализ результатов, представленных на рис. 10, показал, что все исследуемые лампы соответствуют допустимому диапазону освещенности для рабочего стола (оранжевые точки). Это означает, что все исследуемые лампы могут использоваться в домашних условиях и не будут оказывать вредного воздействия на зрение. Самой экономичной лампой оказалась светодиодная, мощность которой составляет всего 4.5 Вт. Мощность компактной люминесцентной лампы составляет 12 Вт, лампы накаливания – 54.5 Вт.

Если предположить, что настольный светильник со светодиодной лампой будет использоваться в течение года не меньше 250 дней по 3 часа, то годовое потребление электрической энергии составит всего 3.4 кВт∙ч, что соответствует 13 рублям. Аналогичное годовое использование настольного светильника с лампой накаливания приведет к затратам в 160 рублей. Разница между приведенными расчетами годовых затрат составит 147 рублей, что при стоимости светодиодной лампы в 220 рублей позволит за полтора года окупить все вложения по замене лампы накаливания на светодиодную.

Рис. 10 – Исследование энергосберегающих источников света

В итоге, учитывая проведенный анализ исследования, можно утверждать, что светодиодная лампа является самой эффективной и экологически безопасной, в сравнении с компактной люминесцентной лампой, а замена ламп накаливания на светодиодные лампы во всех осветительных устройствах в квартире является эффективным способом экономии электрической энергии с эффективностью до 90%.

  1. Практическое использование эффективных способов экономии электрической энергии в домашних условиях

Для подтверждения эффективности предлагаемых в настоящей работе способов экономии электрической энергии в домашних условиях, проведем исследование по практическому использованию этих способов на собственном опыте в квартире.

На рис. 11 представлены результаты 2-х недельного исследования, в ходе которого по показаниям общего прибора учета на квартиру определялось ежесуточное потребление электрической энергии: первая неделя – до начала практического использования способов экономии электрической энергии, вторая неделя – после начала практического использования способов экономии электрической энергии.

В течение второй недели был реализован следующий план практического использования способов экономии электрической энергии:

  1. В понедельник были заменены оставшиеся 5 ламп накаливания различной мощности на 5 светодиодных ламп, соответствующей степени освещенности.

  2. Осуществлялся контроль подключения к электросети электроприборов - не используемые приборы отключались.

  3. Хранимые в холодильнике продукты были разложены по полкам, в соответствии с предполагаемой частотой использования.

  4. Проведена беседа со всеми членами семьи о необходимости выключения света, когда выходишь из комнаты.

  5. Проведена беседа со всеми членами семьи о том, чтобы наполняли электрический чайник только на то количество воды, которое будет использовано.

На рис. 12 показана ежедневная величина достигнутой экономии в рублях, при сравнении потребления электрической энергии в квартире на первой и второй неделе исследования. Анализ представленных результатов (рис. 11 и 12) показал, что выбранные способы экономии электрической энергии достаточно эффективны. Неравномерность достигнутой ежедневной экономии (рис. 12) объясняется различными режимами использования бытовых электроприборов и освещения. Суммарная величина экономии за неделю практического использования предлагаемых способов экономии электрической энергии составила 111 рублей.

Рис. 11 – Потребление электрической энергии в квартире (первая неделя – до начала практического использования способов экономии электрической энергии, вторая неделя – после начала практического использования способов экономии электрической энергии)

Рис. 12 – Величина достигнутой экономии в ходе исследования

Заключение

В рамках проведенных исследований установлено, что:

  • Самыми мощными электроприборами в квартире являются нагреватель воды, чайник, посудомоечная машина и утюг;

  • Самыми крупными потребителями электрической энергии среди бытовых приборов в квартире являются холодильник, электрический чайник и компьютер;

  • Эффективным способом экономии является отключение приборов, находящихся в режиме ожидания от электрической сети. Величина экономии денежных средств за год составит примерно 50 рублей при отсутствии денежных затрат на реализацию.

  • Эффективным способом экономии является изменение режима работы электрического чайника, когда нагревается только такое количество воды, которое точно будет использовано.

  • Светодиодная лампа является самой эффективной и экологически безопасной, в сравнении с компактной люминесцентной лампой, а замена ламп накаливания на светодиодные лампы во всех осветительных устройствах в квартире является эффективным способом экономии электрической энергии. Величина годовой экономии от замены одной лампы накаливания на светодиодную составит 147 рублей, при этом срок окупаемости светодиодной лампы не превысит полутора лет.

  • Выбранные способы экономии электрической энергии достаточно эффективны на примере практического использования в квартире в течение недели. Суммарная величина экономии за неделю составила 111 рублей.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что с помощью предлагаемых способов можно достаточно эффективно экономить электрическую энергию в домашних условиях. Гипотеза исследования доказана!

Список литературы
  1. ГОСТ 8.417-2002 Единицы величин.

  2. ПР 50.2.102-2009 Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации.

  3. А.Н. Коваленко. Энергофизический мониторинг. Учебное пособие.– СПБ., ИТМО, 2005. - 88 с.

  4. О. Сугой. Экономическая экология. Журнал «Наука и жизнь». – М. АНО Редакция журнала «Наука и жизнь» №5, 2004.

  5. Заглавие с экрана: Светодиодная лампа. Элементарная конструкция, достоинства и недостатки. Метод доступа: http://elektri4estwo.ru/osveshenie/42-svetodiodnaya-lampa.html. Дата обращения:24.10.2017.