XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Дровяная печь для отопления загородного дома как альтернативный источник энергии

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Горбатов В.И. 1

---

1МБОУ "Лицей города Шатуры"

Митькина О.И. 1

---

1МБОУ "Лицей города Шатуры"

Работа в формате PDF

2.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Говоря об инновациях в энергетике, традиционно имеется в виду новейшие исследования в области поиска новых методов и источников получения энергии. Однако опыт предшествующих поколений с точки зрения экологических, финансовых и ресурсных проблем предстаёт для нас в новом свете. В первую очередь перед человеком стоит задача найти энергию для отопления своего жилья, и проблема состоит в том, чтобы температура над полом была оптимальной, микроклимат – комфортным, а топливо – недорогим и доступным.

На сегодняшний день в Шатурском районе существуют два основных вида отопления жилого дома: твердотопливное и электрическое.  Несмотря на ряд преимуществ электрического отопления, печное отопление остаётся актуальным. Зачастую вынужденной причиной актуальности отопительных приборов на дровах является отсутствие газового снабжения, а иногда случаются перебои с подачей электроэнергии.

Говоря о новизне исследования, необходимо отметить, что новомодные технологические изыскания часто приносятся в жертву практически верным решениям и остаются интересными с чисто теоретической, «высоконаучной» точки зрения, и поэтому проверенные временем, так называемые «дедовские» испытанные технологии, являются в данных условиях наиболее эффективными.

Объект исследования дровяная печь загородного дома № 9Г посёлка Тархановка г. о. Шатура.

Предмет исследования особенности печного отопления в загородном доме, распределение температуры нагревательных элементов дровяной печи.

Гипотезой исследования является утверждениео том, что по горению дров в топке печи можно судить о правильности её конструкции и эксплуатации.

Цель работы: исследовать особенности дровяной печи загородного дома на предмет целесообразностии эффективности её использования, а также смоделировать технологический процесс.

Задачи:

• Дать общую характеристику исследуемого дома на предмет выбора источника тепловой энергии.

• Проанализировать используемые виды топлива для дровяной печи.

• Дать характеристику отопительной системы исследуемого дома.

• Исследовать режим работы печи.

• Исследовать распределение температуры нагревающихся поверхностей печи.

• Измерить температуру горения дров в топке печи.

• Выполнить модель дымохода.

• Собрать модель металлической печи из подручных средств.

Методы исследования:

• Наблюдение и фото фиксация полученных результатов.

• Измерение температуры с помощью бесконтактного инфракрасного термометра.

• Определение температуры топки печи на основании составления уравнения теплового баланса.

• Графическое распределение температуры нагревающихся поверхностей в соответствии с цветом.

• Моделирование процесса печной тяги и металлической печи как альтернативы кирпичной (теплоёмкой).

2. Основная часть

2.1 Характеристика загородного дома

Исследуемый дом расположен в центре посёлка Тархановка в 5 км от городского поселения Шатура и относится к типу загородных домов для постоянного проживания, в котором имеются все удобства, необходимые для жизни: круглогодичное отопление, горячее водоснабжение, канализация и возможности приготовления пищи. Приложение I (карта местоположения дома) Дом удалён от основных коммуникаций. Газовая магистраль отсутствует. Электрические сети проложены. Доступным в данной местности источником тепловой энергии является электроэнергия и твёрдое топливо – древесина. И всё же предпочтение отдаётся последнему. С точки зрения экологии дрова являются самым чистым природным топливным материалом, что ставится не на последнее место. Немало важным фактором является и то, что данные домовладельцы просто не представляют загородной жизни без горящих в топке печи поленьев с их потрескиванием и лесным ароматом.

Дом двухэтажный, кирпичной конструкции, утеплён, оштукатурен и покрашен. Имеется подвальное помещение, пристроен гараж, летняя кухня. Внутренняя отделка – блок Хаус (имитация брёвен). Между кирпичной кладкой и внутренней отделкой уложен утеплитель, что обеспечивает дому неплохую теплоизоляцию. Жилым является первый этаж, в котором отапливается одно большое помещение, где обитатели дома проводят больше всего времени – гостиная. Приложение II (схема размещения отопительной печи в доме)

Предварительные выводы:

• несмотря на некоторые преимущества электрического отопления, с учётом личных предпочтений домовладельцев, можно утверждать, что выбор печного отопления целесообразен;

• дом утеплён в достаточной степени, поэтому печь для отопления не нужно топить более одного раза в сутки. Иначе она «перетапливается» и начинает преждевременно разрушаться.

• размер отапливаемого помещения 72 . Это больше, чем 16 , являющейся рекомендуемой нормой, следовательно, объём воздуха для дровяной печи будет более чем достаточным;

• для установки печи выбрано лучшее место расположения – с небольшим смещением от центра, в связи с чем тепло от печи равномерно распространяться по всему помещению, за исключением места за стеной, отделяющей санузел;

• если соблюдены правила строительства, то безопасность дом гарантирована.

2. 2. Анализ видов топлива для бытовой печи

[2, 292 с.] Приложение III (Аналитическая таблица)

Предварительные выводы:

• целесообразно использовать берёзовые дрова;

• целесообразно использовать древесину твёрдых пород при наличие финансовых возможностей;

• древесину других мягких пород использовать нежелательно;

• не рекомендуется использовать породы хвойных деревьев

Методика исследования используемой древесины

Домовладельцы приобретают колотые дрова у индивидуальных предпринимателей один раз в год в объёме 5 . Для хранения дров домовладельцами построены специальные навесы. Приобретённые свежесрубленные дрова укладываются в штабеля и подвергаются естественной сушке в течение года, так как содержат много влаги. Приложение IV

Вывод:

• хранение дров удовлетворительное;

• используются дрова одной древесной породы;

• поленья примерно одной длины ≈ 39 см, что входит в рекомендуемый диапазон 30 – 40 см, однако встречаются длинные поленья, но размеры топки позволяют их использовать;

• поленья примерно одной ширины ≈ 7 см, что входит в рекомендуемый диапазон 6 – 10 см; [2, 3 с.] Приложение V

Предварительные выводы:

• по своему назначению исследуемая бытовая печь относится к отопительно-варочным;

• печь эксплуатируется только в холодное время года (поздняя осень, зима, ранняя весна),

• визуально повреждения и нарушения целостности конструкции печи не обнаружено.

2. 2. Характеристика отопительной системы

Исследуемое помещение имеет печное отопление. Приложение VI

2.4 Исследование режима работы печи

Дата исследования 13.01 Время: 18.00. Приложение VII (Таблица температуры жилого помещения по данным СанПиН). Термометр бытовой установлен у окна жилого помещения для контроля температуры. Приложение VIII (Показания термометра.)

Начальная температура помещения 18 °C, что допустимо согласно нормам СанПиН. Температура помещения после топки печи 21 °C, что оптимально согласно нормам СанПиН. [5] Приложение IX

Предварительные выводы:

• в закладке дров допущена ошибка: первичная масса дров для топки должна составлять минимум треть от всего объёма печной камеры (в этом нарушения нет), а вот вспомогательные средства (сухая бумага) закладываются под поленья, поэтому розжиг дров занял много времени;

• наблюдалось ровное спокойное горение берёзовых дров;

• пламя золотисто-жёлтого цвета свидетельствует о нормальной тяге;

• температуру пламени можно определить по его цвету.

2.5 Модель дымохода

Собранная модель дымохода позволяет визуально разобраться в роли верхней и нижней задвижек, а также понять, что такое тяга Приложение X Модель - это сосуд с двумя сквозными отверстиями, подставка. Из фанеры вырезано основание с отверстиями (поддувало) и нижняя задвижка. Верхней задвижкой служит обычная пробка с крышкой от пластиковой бутылки.В качестве топлива используется брикет, который можно поджечь на специальной подставке.

Вывод: модель иллюстрирует следующее: если открыть поддувало и увеличить тягу, интенсивность горения и теплоотдача топлива увеличится, но и потери тепла также возрастут. При медленном сгорании дров возрастает количество угарного газа и уменьшается теплоотдача.

2.6 Исследование распределения температуры нагревающихся поверхностей печи

Методика выполнения. Для определения распределения температуры нагревающихся поверхностей печи использован прибор бесконтактный инфракрасный термометр пирометр AMTAST AMF009 (12:1 -50 ~ 550) [5]

Луч пирометра направлялся на исследуемую поверхность печи по точкам. Показания пирометра наносились карандашом на подготовленном бланке с фотоизображением этой поверхности в различное время. Приложение X

Распределение температуры можно для наглядности изобразить графически, используя соотношение температуры и цвета.

Предварительные выводы:

• Печь прогревается равномерно.

• Максимальная температура внешней стороны дымохода составила 31°C, что не превышает допустимое значение, а это важно в целях избежание возгорания, так как дымоход соприкасается с деревянной отделкой дома. Кроме того, перегрев дымохода ведёт к большим тепловым потерям.

1. 7. Измерение температуры топки печи

Определена температура топки печи. Это очень важный параметр. Он говорит об эффективности работы отопительной системы. Пирометр не дает показаний, поскольку превышен предел допустимых значений (500 °C). Автор проводит косвенные измерения. Стальной груз массой 1 кг помещался в печь и прогревался там некоторое время. Цилиндр из печи извлекается и быстро помещается в термос с холодной водой. Вода в термосе закипает и испаряется. Максимальное значение общей температуры составило 65°C. По уравнению теплового баланса рассчитывается начальная температура цилиндра и топка печи ≈ 739 °C. Приложении XI

Уравнение теплового баланса составлено на основе того, что количество теплоты , выделившееся при остывании цилиндра, идёт на нагревание холодной воды и частичное её парообразование , если пренебречь потерями тепла.

= ; ∙ ( – ) = ∙ ( – ) + L∙

= +

= + °C = 738,8 °C ≈ 739 °C

Показания пирометра: выше предельно допустимого, следовательно, значение температуры топки превысило 550 °C

Предварительный вывод: температура горения берёзовых дров в печи может достигать значения 800°C. Результаты измерения имеют примерный характер близкий к достоверному. [4]

1. 7. Металлическая печь как альтернатива кирпичной (теплоёмкой) печи

Кто бы мог подумать, что в XXI веке будут востребованы и так называемые печки-«буржуйки»?! Мастера из Омска научились делать их из использованных газовых баллонов. [6] Такие переносные и практически бездымные горелки не дадут замерзнуть участникам спецоперации на линии соприкосновения в палатках, окопах и блиндажах. Они могут работать на чём угодно – на солярке, дизельном топливе, отработанном машинном масле. За сутки уходит менее полутора литров топлива. При этом такая печь не даёт искру, что особенно важно на передовой: место дислокации военных будет сложно обнаружить. Поэтому принято решение собрать свою оригинальную действующую модель металлической печи. Корпус выполнен из стальных обрезков, гаек и шайб. Детали скреплены сваркой. Приложение V. В процессе апробации работы такой печи выяснено, что так как стенки металлической печи более тонкие, она быстро и сильно нагревается. Она греет только во время топки. Её можно устанавливать где угодно, она не требует фундамента. Главный недостаток металлической печи - малая инертность: она быстро нагревается и быстро остывает. Очевидно, что на разогретом металле постоянно горит органика и пыль, которые подтягиваются туда конвективными потоками. Так же разогретый металл довольно сильно сжигает кислород в помещении. Поэтому для правильного микроклимата в доме с металлической печью должна быть устроена хорошая вентиляция.

Вывод:

• Себестоимость такой самодельной печки крайне низкая. Это самый бюджетный вариант, поскольку её можно сварить из подручных средств.

3. Выводы

Исследуемый загородный дом утеплён в достаточной степени. Это следует из того, что суточные колебания температур находятся в диапазоне допустимой температуры (перед топкой) и нормальной температуры (после топки). Это позволяет (за исключением сильных морозов) использовать печь в экономном режиме (топить один раз в сутки).

В доме используется печное отопление как источник тепловой энергии. Это целесообразно и по экономическим и по эстетическим предпочтениям домовладельцев. Кроме того, в доме дополнительно применяют электронагревательные приборы (тёплые полы в туалетной комнате).

Отапливаемым является первый этаж, где в просторной гостиной с небольшим смещением от центра размещена отопительно-варочная печь. Однако распределение тепловых потоков воздуха оставляет более холодным место за уступом стены, отделяющей туалетную комнату. Поэтому домовладельцы расположили там спальное место.

Для топки печи используются берёзовые сухие колотые дрова примерно одинаковой длины и толщины в соответствии с нормальными размерами. Хранение дров удовлетворительное.

Печь находится в отличном состоянии (без трещин и повреждений). Как показало распределение температуры нагревающихся поверхностей, печь прогревается равномерно. Хорошо держит тепло. Остывает медленно (примерно через 9 часов после топки). Хорошая тяга обеспечена конструкцией вытяжных элементов, расположением дымовой трубы, а также правильной эксплуатацией печи. Это следует из того, что во время исследования наблюдалось ровное спокойное горение, золотисто-жёлтый цвет пламени. Важно, что исследуемая печь правильно сложена, имеется лежанка, поэтому она равномерно и достаточно быстро разогревается.

Стенка возле входа горячих газов в лежанку и само место входа – самое горячее в печи и возможно об него обжечься, особенно если находиться на лежанке во время или сразу после протопки. Именно поэтому надо быть осторожным.

На раскаленном камне прекрасно прогревается все тело. Высокая теплоемкость камня дает непрерываемый поток мощного тепла, что очень хорошо сказывается на здоровье, если не лежать на ней с головой какое-то время. Это может вызвать головную боль, и даже головокружение. Именно для этого и нужен «голбец» - сооружение из дерева, продолжающее лежанку, но не имевшее такого нагрева. Он может быть как приставным, так и встроенным. В нём сбоку могут быть системы хранения всякой утвари или небольшой дровник, например.

Беспокоит пожарная безопасность дома. Вокруг основания печи выглядит уместным выложенная керамическая плитка в качестве теплоизоляции. Не уместен декоративный коврик вблизи топки, на котором находится бадья с дровами. Вытяжные элементы печи контактируют с деревянной отделкой дома. Однако измерения показали, что температура нагревания невысока. И всё же, во избежание возгорания рекомендуется место контакта теплоизолировать, а коврик убрать.

Результаты измерения температуры горения берёзовых дров в печи на основании составления уравнения теплового баланса имеют приблизительный характер близкий к достоверному, что говорит о точности проведения эксперимента, а значит и об эффективности использования топлива в исследуемой печи.

Металлическая печь как альтернатива кирпичной (теплоёмкой) печи ставится в доме, где есть основное отопление (централизованное, электрическое, котёл и т.п.). А так же востребована в военно-полевых условиях, что особенно актуально во время проведения спецоперации на Украине.

И теплоёмкие отопительные кирпичные печи, и металлические печи хороши для конкретных условий и задач перед ними поставленных. Сравнивать эти отопительные приборы между собой не вполне корректно.

4. Заключение

Несмотря на прогрессирующую урбанизацию и преимущественное проживание населения в многоквартирных домах с развитой городской инфраструктурой, у большинства сограждан сохраняется тенденция к проживанию (сезонному и постоянному) в отдельном доме в сельской местности. В таком доме наиболее «атмосферным» с точки зрения уюта и дизайнерской концепции является наличие дровяной печи. Финансовые возможности домовладельцев позволят подобрать и альтернативные варианты отопления, однако вековой практический опыт эксплуатации традиционной русской печки убеждает нас в том, что эта печь и есть то самое оптимальное соотношение цены и качества, комфорта и безопасности при соблюдении необходимых правил, которое будет приносить хозяевам дома радость, уют и даже немного ощущение сказки.

Компактные, оформленные в соответствии с требованиями современного дизайна, печи прекрасно вписываются в интерьер современных загородных домов. Дровяная печь еще послужит людям.

5. Список используемой литературы

Статья:

1. Русская печь XX века А.Е. ШКОЛЬНИК, кандидат технических наук Наука и жизнь. 1988. №1. Дата публикации:13 апреля 2003 года. Электронная версия: © НиТ. Научные журналы, 2002

Книги:

2. Отопление загородного дома: традиционные системы отопления, их устройство, монтаж и эксплуатация. Серия «Своими руками» ООО «Аделант», 2008, 384 с.

3. А. Е. Школьник Печное отопление малоэтажных здании. Отопление малоэтажных зданий. Профессионально-техническое образование. Одобрено Ученым советом Государственного комитета СССР по профессионально-техническому образованию в качестве учебного пособия для средних профессионально-технических училищ. МОСКВА "Высшая школа" 1986

Интернет ресурсы

4. https://profiteplo.com/toplivo/35-temperatura-goreniya-drov.html

5. https://relsib.com/articles/kontrol-temperatury-v-shkolah-detskih-sadah-obschezhitiyah-internatah-domah-prestarelyh-i-td

6. https://rg.ru/2022/10/31/reg-sibfo/inzhener-iz-omska-sozdal-mobilnye-pechki-dlia-obogreva-blindazhej-i-okopov.html

Приложение IРасположение дома № 9Г посёлка Тархановка

городского округа Шатура

п. Тархановка

П

г. о. Шатура

риложение II Характеристики жилого помещения

Длина помещения	м	12
Ширина	м	6
Площадь		72
Количество окон		4
Толщина стен	с м	50

Схема размещения отопительной печи в помещении гостиной

Санузел

печь

Приложение III

Аналитическая таблица возможных видов топлива для обогрева загородного дома

Приложение IV

У словия хранение дров

Для хранения дров построены специальные навесы. Приобретённые свежесрубленные дрова содержат много влаги, поэтому они высушиваются под навесом в течение года.

Исследование используемой древесины на предмет соответствия рекомендуемым размерам, влажности, виду древесной породы.

Таблица результатов измерения

Приложение V И змерение длины и ширины используемых поленьев

20 поленьев для исследования

Приложение VIХарактеристика отопительной системы

Приложение VII

Таблица температуры жилого помещения по данным СанПиН

Приложение VIII Показания бытового термометра