XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ЭФФЕКТИВНОЕ ОТОПЛЕНИЕ ЧАСТНОГО ДОМА

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Бейдель А.В. 1

---

1МАОУ Кулаковская СОШ

Зайцева Н.Ю. 1

---

1МАОУ Кулаковская школа

Работа в формате PDF

865.5 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

АННОТАЦИЯ

Сегодня в современном мире энергосбережение – это неотъемлемая часть жизни цивилизованного общества. Это и забота о здоровье, и экономия денег, и комфорт проживания. Но одна из самых главных (глобальных) характеристик энергосбережения – это защита окружающей среды от негативных воздействий. Энергосбережение – это технологии и уклад жизни, которые помогают нам уменьшить потребление энергии за счет её рационального использования [1]. Решая вопросы энергосбережения, жители частных домов рано или поздно сталкиваются с необходимостью установки эффективной системы отопления.

Объект исследования – системы отопления частных домов.

Предмет исследования – источники энергии и теплоносители.

Цель – выявление источника и теплоносителя при организации энергоэффективной системы отопления.

Методы и приемы – изучение теоретических источников, наблюдение, анализ и синтез, поисковый эксперимент, расчетный метод, сравнение и обобщение

Новизна исследовательской работы заключается в разработке практических рекомендаций по выбору эффективного источника и теплоносителя энергии для организации системы отопления.

Перспективы развития заключается в исследовании конструктивных особенностей системы отопления частных домов [2].

Эффективное отопление частного дома

Бейдель Анастасия Владимировна Тюменский район, МАОУ «Кулаковская СОШ» 9 класс

ВВЕДЕНИЕ

Установка и модернизация отопительных систем частных домов и не только — на сегодня одна из наиболее актуальных проблем энергосбережения, как с точки зрения экономии природных ресурсов, так и экономии финансов владельцев. Способы обогрева частного дома [3] требуют обустройства системы отопления, в состав которой входят:

источник тепла, преобразующий энергию сжигания топлива в тепловую энергию;

теплоноситель, передающий тепловую энергию

теплообменник для передачи тепловой энергии от энергоносителя к теплоносителю, для последующего распределения тепла по точкам теплопотребления;

замкнутый трубопроводный контур, по которому естественным или принудительным способом побуждается движение теплоносителя;

приборы отопления, распространяющие тепло от теплоносителя в окружающую обстановку помещения.

В работе рассматриваются две первые составляющие и их влияние на эффективность системы отопления частного дома. Таким образом, решаются задачи: 1.изучения энергоэффективности доступных источников тепла: уголь, древесина, природный газ;

2.изучения свойства теплоносителей: вода и альтернативные носители тепловой энергии, доступные в магазинах города Тюмени и Тюменского района.

Актуальность исследования заключается в изучении проблемы организации эффективного отопления частного дома.

Эффективное отопление частного дома

Бейдель Анастасия Владимировна Тюменский район, МАОУ «Кулаковская СОШ» 9 класс

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Д. Менделеева сказал: «Сжигать нефть, всё равно, что топить печку ассигнациями»? Неразумно сжигать тонны угля или десятки кубометров древесины ради обогрева скромного помещения и при этом наносить непоправимый урон чистоте окружающей экологии. Предложим решение проблем энергосбережения.

Итак, основная задача исследования выявить источник и теплоноситель для организации энергоэффективной системы отопления.

План исследования:

Изучить теоретические основы термодинамики.

Произвести расчет передачи тепловой энергии от доступных источников.

Анализ КПД котлов отопления.

Провести эксперимент по выбору теплоносителя

Подготовить рекомендации для населения Тюмени и Тюменского района, проживающего в частном секторе.

Все процессы жизнедеятельности человека связаны с теплом: для обогрева жилья, для приготовления пищи, для плавки металлов, для получения других видов энергии. Тепловую энергию получают с использованием топливных ресурсов.

Топливо — это вещество, способное выделять энергию в ходе определённых процессов, эту энергию можно использовать для технических целей.

Топливо активно используется людьми для получения тепла и света, то есть энергии, с тех самых пор, как человек научился пользоваться огнём.

Применение в качестве топлива нефти и природного газа в сочетании с развитием электроэнергетики, а затем и освоение энергии атома позволили промышленно развитым странам осуществить грандиозные преобразования, итогом которых стало формирование современного облика Земли.

Все используемые сегодня виды топлива для отопления подразделяются:

1) твёрдое топливо (древесина, уголь, торф, горючие сланцы);

2) жидкое топливо (дизельное топливо, отработанное масло);

3) газообразное топливо (природный газ).

Горение топлива — сложный физико-химический процесс превращения исходных веществ в продукты сгорания в ходе экзотермических реакций, сопровождающийся интенсивным выделением тепла.

Химическая энергия, запасённая в компонентах исходной смеси, может выделяться также в виде теплового излучения и света.

Нерациональное использование топлива ведет к нарушению экологического баланса: выброс продуктов сгорания топлива в атмосферу, загрязнение водных ресурсов; изменение численности флоры и фауны вследствие нарушения состава пищевой цепочки и др.

За счёт чего при сгорании топлива выделяется энергия?

Поясним это на примере горения угля. Известно, что углерод соединяется с кислородом воздуха, образуя двуокись углерода:

 C+O2→CO2+Q.

 Рассмотрим строение атомов кислорода и углерода (рис. 1).

Рисунок 1.

В центре каждого из них находится ядро, имеющее положительный электрический заряд. Вокруг ядра вращаются электроны — отрицательно заряженные частицы. Именно потому, что ядро и электроны имеют противоположные заряды, ядро притягивает электроны, которые в нормальных условиях не могут оторваться от него.

Однако не все электроны ядро «удерживает» с одинаковой силой. И не только потому, что некоторые электроны находятся на более далёком расстоянии от него, и в связи с этим действующая на них сила притяжения меньше, но и потому что электроны расположены особым образом.

Дело в том, что электроны движутся вокруг ядра не хаотично, а образуют что-то вроде следующих друг за другом слоёв-оболочек, расположенных всё дальше от ядра. На каждой оболочке может находиться только строго определённое число электронов. Если последняя, самая дальняя оболочка не заполнена до конца, то атом стремится «поймать» электроны извне. Если же за пределами последней оболочки находится только один или несколько электронов, атом легко теряет их, потому что он относительно слабо с ними связан.

У атома кислорода на последней электронной оболочке имеется как раз два свободных места, а у атома углерода на последней оболочке находятся четыре слабо связанные с ним электрона (рис.2).

Рис. 2. Схема взаимодействия атомов углерода и кислорода

Итак, если атомы кислорода «соприкасаются» с атомами углерода, то кислород стремится «отнять» у углерода слабо связанные электроны. Поскольку каждый атом кислорода может «поймать» только два электрона, нужны, таким образом, два атома кислорода, которые могут забрать четыре электрона у одного атома углерода.

Переход электронов от атома углерода к атому кислорода ведёт к образованию двух атомов кислорода с отрицательным зарядом (теперь они имеют на два отрицательных заряда больше, чем электрически нейтральный атом) и одного атома углерода с положительным зарядом (потеряв отрицательные заряды, атом остаётся с неуравновешенным положительным зарядом ядра).

Рис. 3. Схема взаимодействия атомов углерода и кислорода

Атом углерода притягивает оба атома кислорода (рис. 3). Образуется состоящая из сравнительно сильно связанных атомов молекула двуокиси углерода — CO².

Чтобы снова получить отдельно атомы кислорода и углерода, надо разбить эту молекулу. Для этого потребовалось бы определённое количество энергии. Именно эта энергия и выделилась при соединении кислорода с углеродом в виде электромагнитного излучения — света и инфракрасных лучей (потому-то огонь светит и греет), а частично превратилась в энергию движения молекул воздуха и газов, образовавшихся при сгорании.

Атомы, из которых состоят предметы, находящиеся поблизости от огня (например, стены печи), поглощают электромагнитное излучение. В результате этого, а также под воздействием ударов нагретых, быстро движущихся молекул газа, сами начинают колебаться интенсивнее. А тепло — ведь это не что иное, как неупорядоченное колебание атомов в твёрдых телах и движение атомов в газах. Чем выше энергия этого движения, тем выше температура.

Потому что внешние электроны в атомах углерода связаны со всем атомомсравнительно слабо, однако достаточно для того, чтобы атом не мог самопроизвольно потерять их. Нужна, таким образом, высокая температура, чтобы возбудить быстрое движение атомов кислорода в воздухе, которые, приобретя достаточную скорость, могут при столкновении с атомами углерода оторвать от них слабосвязанные внешние электроны.

Температура, до которой нужно нагреть горючее вещество, чтобы оно воспламенилось без поднесения к нему источника зажигания, называется температурой самовоспламенения.

Значит, для того чтобы уголь загорелся, надо сначала сильно нагреть его, а затем реакция будет протекать самостоятельно, под влиянием температуры, образующейся в результате горения.

Реакция горения — это процесс, в котором участвуют только электроны, находящиеся на поверхности атома. Количество энергии, которую можно получить при химических реакциях, определяется силой связи электронов в атоме и силой связи атомов в молекуле (в нашем случае — в молекуле двуокиси углерода). Эти силы очень малы по сравнению с силами, связывающими частицы ядра. Вот почему химические реакции могут дать так мало энергии, по сравнению с ядерными реакциями [4].

Различные виды топлива (твёрдое, жидкое и газообразное) характеризуются общими и специфическими свойствами. К общим свойствам топлива относятся удельная теплота сгорания и влажность, к специфическим — зольность, сернистость (содержание серы), плотность, вязкость и другие свойства.

Удельная теплота сгорания топлива — это количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 кг твёрдого или жидкого топлива, или 1 м³ газообразного топлива.

Энергетическая ценность топлива в первую очередь определяется его удельной теплотой сгорания.

Удельная теплота сгорания обозначается буквой q. Единицей удельной теплоты сгорания является 1 Дж/кг для твёрдого и жидкого топлива и 1 Дж/м³ для газообразного топлива.

Таблица 1. Удельная теплота сгорания некоторых видов топлива.

Общее количество теплоты Q, выделяемое при полном сгорании m кг твёрдого или жидкого топлива, вычисляется по формуле:

 Q=qm.

 Общее количество теплоты Q, выделяемое при полном сгорании V м³ газообразного топлива, вычисляется по формуле:

 Q=qV.

Влажность (содержание влаги) топлива снижает его теплоту сгорания, так как увеличивается расход теплоты на испарение влаги и увеличивается объём продуктов сгорания (из-за наличия водяного пара). Зольность — это количество золы, образующейся при сгорании минеральных веществ, содержащихся в топливе. Минеральные вещества, содержащиеся в топливе, понижают его теплоту сгорания, так как уменьшается содержание горючих компонентов (основная причина) и увеличивается расход тепла на нагрев и плавление минеральной массы. Сернистость (содержание серы) относится к отрицательному фактору топлива, так как при его сгорании образуются сернистые газы, загрязняющие атмосферу и разрушающие металл. Кроме того, сера, содержащаяся в топливе, частично переходит в выплавляемый металл, сваренную стекломассу, снижая их качество. Например, для варки хрустальных, оптических и других стёкол нельзя использовать топливо, содержащее серу, так как сера значительно понижает оптические свойства и колер стекла.

Таким образом, экологически чистым топливом можно считать природный газ. Проверим его энергоэффективность по сравнению с древесными чурками.

На практике часто приходится проводить различные тепловые расчёты. Для увеличения эргономичности тепловой системы жилых домов измеряют количество тепловой энергии, рассеиваемой через вентиляцию, окна, расщелины.

 Для расчёта количества тепловой энергии нужно измерить массу m, разность температуры в начале и в конце процессаΔt=t_кон−t_нач, а также знать теплоёмкость c данного вещества.

Чтобы нагреть некоторое вещество массой 1 кг на 1°C, необходимо затратить количество теплоты, равное удельной теплоёмкости c данного вещества.

Количество теплоты, получаемое веществом при нагревании, прямо пропорционально удельной теплоёмкости вещества, его массе и разности температур, то есть: Q=cmΔt или Q=cm(t_кон−t_нач).

Расчет передачи тепловой энергии от доступных источников.

Рассмотрим задачу: «Дом площадью 115 м2 и выстой потолков 3 м планируют отапливать двумя различными вариантами: газом или дровами. Определите количество теплоты, необходимое для нагревания воздуха в доме до оптимальной комнатной температуры (20°С), а также необходимую массу сгорания каждого топлива» (см.Приложение 1).

Вывод: Для отопления дома заданных размеров расчет показал, что масса сгораемых дров примерно в 3,3 раза превышает массу газа.

Климат в Тюменской области и Тюменском районе суров и непредсказуем. Зима длится по 6-8 месяцев, а температура воздуха на улице опускается до -30 ⁰С.

Следующий шаг в повышении энергоэффективности это выбор отопительного котла (см.Приложение 2). Рассмотрим характеристики в доступном ценовом диапазоне.

При выборе оборудования необходимо обращать внимание на следующие моменты:

Мощность. В идеальном случае считается, что при мощности в 1 кВт котел обогреет 10 кв. м. пола. Но это справедливо только в отношении домов с качественным утеплением, стандартной высотой потолков, площадью остекления. Практики полученное расчетное значение увеличивают на 25-30%.;

Регулировка температуры. В простейшем случае шаг изменения равен 5-10 0С. Более сложные проекты, имеющие образцовое качество, позволяют корректировать температуру с точностью до 0,1 градуса;

Сверхштатные функции: погодозависимая автоматика, управление со смартфона, включение в «умный дом» и т. д.;

На практике что нужен газовый отопительный котел с максимальным КПД и мощностью. Таковым является согласно Приложения 2. Отопительный котел Buderus Logamax Plus GB172 35 iW / 34,9кВт/ 95%

Рассмотрим последнюю задачу выбор теплоносителя: вода или химический раствор.

При условии проживания в северных широтах и при условии, что газовые отопительные котлы энергозависимы, – важным показателем является температура замерзания жидкости. В противном случае, при отсутствии газа или электричества, возможен разрыв труб отопления с водой, что приведен к дорогостоящему ремонту. По этому показателю любой химический раствор по температуре замерзания более выгоден, чем вода.

Вспомним формулу для расчета количества теплоты Q=cm(t_кон−t_нач). Рассмотрим зависимость удельной теплоемкости и массы воды и химических растворов.

Решим задачу «В системе отопления 50 л вода или химического раствора, жидкость необходимо нагреть на 40 ⁰ С. Плотность воды 1000 кг/м³, химического раствора 1063 кг/м³ (см. Приложение 3)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для эффективного отопления частного дома можно вывести следующие практические рекомендации:

Выбрать в качестве топлива газ (экологично, экономически выгодно)

Отопительный котел в среднем ценовом диапазоне (Например, Buderus Logamax Plus GB172 35 iW / 34,9кВт/ 95%), который имеет достаточную мощность и конструкцию с эффективным КПД

Заполнить систему отопления термагентом (меньше затрат на газ, не замерзнет в чрезвычайных ситуациях)

Таким образом, поставленная цель достигнута: выявлен источника энергии и теплоноситель для организации энергоэффективной системы отопления.

Литература

Богословский В.Н., Сканави А.Н. Отопление.М. : Стройиздат, 1991.

Источники и системы теплоснабжения: сборник учебно-методических материалов для направления подготовки 13.03.01. Составители: Блейхман А.С., Хондошко Ю.В.– Благовещенск: Амурский гос. ун-т, 2017 . – 45 с.

Источник: https://aqueo.ru/otoplenie/istochniki-ehnergii-otopleniya.html

Автор: Николай Смолянкин - собственная работа, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=43186433

Приложение 1.

Дом площадью 115 м2 и выстой потолков 3 м планируют отапливать двумя различными вариантами: газом или дровами. Определите количество теплоты, необходимое для нагревания воздуха в доме до оптимальной комнатной температуры (20°С), а также необходимую массу сгорания каждого топлива

Приложение 2.

Рейтинг по цене

Приложение 3.