Применение технологии «Умный дом» для энергосбережения в образовательном учреждении

XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Применение технологии «Умный дом» для энергосбережения в образовательном учреждении

Комякова Е.А. 1
1 БОУ г. Омска «Гимназия №19»
Филиппова О.В. 1
1БОУ г. Омска «Гимназия №19»
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Эффективное использование энергетических ресурсов — это один из важных вопросов, который всегда был актуален для человечества. Мы часто видим информацию про энергосбережение по телевизору, в интернете, в газетах. Ученые говорят, что вопросы энергосбережения неразрывно связаны с охраной окружающей среды. В прошлом году я занималась исследованиями по применению светодиодных ламп для экономии электроэнергии в моей школе. Сейчас я решила продолжить свое исследование и изучить возможность применения автоматизации системы электроснабжения для более энергоэффективного управления освещением. Такие системы получили название «Умный дом».

Новизна моей работы заключается в том, что я провела анализ возможностей энергосбережения в системах освещения моей школы за счет внедрения систем автоматизации, оценила экономический и экологический эффект от внедрения энергосберегающих мероприятий и экспериментально подтвердила свои расчеты. Такое исследование для нашей школы ранее не выполнялось.

Объект исследования – системы освещения.

Предмет – системы автоматизации освещения, их энергетические, экономические и экологические параметры.

Цель работы – оценить эффект от внедрения систем автоматизации освещения в моей школе и подтвердить его экспериментально.

Для достижения цели я поставила следующие задачи:

- выполнить анализ применяемых в школе систем освещения;

- провести эксперимент для оценки фактического уровня освещенности в моем классе;

- оценить возможность применения систем автоматизации освещения «Умный дом», подобрать необходимое оборудование;

- оценить эффект от применения систем автоматизации освещения «Умный дом» в моей школе и определить, как это скажется на охране окружающей среды.

Я выдвинула гипотезу: применение систем автоматизации освещения «Умный дом» позволит существенно снизить затраты моей школы на энергоресурсы и уменьшит негативное влияние на окружающую среду.

В работе я использовала методы анализа и систематизации, алгебраические методы из курса математики в начальной школе и экспериментальные методы.

Практическая значимость исследования в том, что полученные сведения можно представить как сообщение на уроке «Окружающий мир» или классном часе.

Работа состоит из введения, двух глав, заключения, списка использованной литературы, приложения.

1 АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Мы часто видим информацию про энергосбережение и экономию электроэнергии по телевизору, в интернете, в газетах. Почему это необходимо?

Можно выделить две основные причины.

1. Когда мы снижаем потребление электроэнергии, мы уменьшаем денежные затраты. Сэкономленные деньги можно потратить на что-нибудь полезное и важное. Например, школа может приобрести новые учебники или оборудование.

2. Снижение потребления электроэнергии приводит к снижению вредного влияния на окружающую среду. Главным образом это влияние происходит за счет тепловых электростанций. При сжигании угля, природного газа, нефтепродуктов в атмосферу выделяется огромное количество углекислого газа. Углекислый газ создает так называемый парниковый эффект (рисунок 1).

Рисунок 1 – Парниковый эффект

Сам по себе парниковый эффект полезен: он необходим для того, чтобы солнечный свет, отражаясь от поверхности Земли, не уходил в космос и нагревал атмосферу. Благодаря этому на Земле поддерживается комфортная температура.

Но когда углекислого газа в атмосфере становится слишком много, возникает избыточный парниковый эффект. Из-за этого температура на Земле начинает быстро увеличиваться. Ученые пришли к выводу, что средняя температура на Земле выросла больше чем на 1 за последние 100 лет. Это связано с тем, что именно в последние 100 лет хозяйственная деятельность человека, а значит, и потребление энергии, достигла огромных масштабов.

В результате глобального потепления могут наблюдаться следующие негативные последствия: засуха, увеличение площади пустынь, ухудшение сельского хозяйства в странах с умеренным и жарким климатом, таяние ледников и затопление прибрежных территорий, увеличение частоты и интенсивности природных катаклизмов (лесные пожары, наводнения и т.д.), таяние вечной мерзлоты.

Кроме углекислого газа, при сжигании ископаемого топлива в атмосферу выделяются и другие вредные и опасные вещества, которые приводят к различным заболеваниям. Особенно вредным топливом является каменный уголь. Поэтому экономия электроэнергии является очень важной задачей.

Наша школа, как и любое другое здание, потребляет электроэнергию. В нашей школе нет мощного электрооборудования, больших станков, эскалаторов и т.д. Поэтому основной расход электроэнергии приходится на освещение классов.

В научной работе, которую я выполняла в прошлом году, я определяла, сколько электроэнергии потребляет мой класс за один год. Для этого я посчитала, сколько светильников в классе. Внешний вид светильников в моем классе приведен на рисунке 2, их оказалось 16 штук.

Рисунок 2 – Светильники в моем классе

В интернете я выяснила, что светильники такого типа обычно состоят из четырех люминесцентных ламп мощностью 18 Вт каждая. Тогда мощность одного светильника составит:

Вт.

Мощность всех светильников в моем классе составит:

Вт.

Я посчитала, сколько часов в год горит свет в моем классе. Учитывая, что в классе учатся школьники в две смены, в среднем свет горит 8 часов в день. В месяце примерно 22 учебных дня, учеба проходит девять месяцев. Тогда общее число часов горения ламп составит:

часов.

Умножив мощность ламп на количество часов работы, получим годовой расход электроэнергии в ватт-часах:

ватт-час.

Обычно расход электроэнергии указывается не в ватт-часах, а в киловатт-часах. Т.е. годовой расход электроэнергии составит 1825 киловатт-час.

Цена электроэнергии в 2023 г. составляет 5,14 руб. за киловатт-час. Тогда годовые затраты на освещение моего класса составят:

руб.

Таким образом, я определила, сколько электроэнергии нужно на освещение моего класса.

2 ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ «УМНЫЙ ДОМ» ДЛЯ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

2.1 Эксперимент по оценке уровня освещенности

В прошлом году я провела эксперимент, с помощью которого определила, что самыми энергоэффективными лампами являются светодиодные системы освещения. Экономия электроэнергии составляет примерно 2 раза по сравнению с лампами накаливания.

Я решила выяснить, что еще можно предложить для улучшения системы освещения в моем классе. Для этого я провела эксперимент по оценке уровня освещенности.

Для этого я составила план класса. В нашем классе 15 парт и стол учителя. На каждом рабочем месте я провела измерение уровня освещенности с помощью специального измерительного прибора – люксметра (рисунок 3, а). Для этого я попросила учителя включить все светильники. Внешний вид люксметра на парте приведен на рисунке 3, б.

а б

Рисунок 3 – Процесс измерения освещенности

Результаты измерения освещенности приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Результаты измерения уровня освещенности в классе, в люксах

Третий ряд от окна

Средний ряд

Первый ряд от окна

518

739

629

618

816

740

604

730

792

627

779

809

540

760

741

673*

*– стол учителя

Средняя освещенность в нашем классе составила 695 люкс. Я посмотрела в интернете, что нормативная освещенность для учебных помещений составляет 400 люкс. То есть если мы будем включать свет на полную мощность, у нас будет избыточная освещенность, что означает перерасход электроэнергии.

Чтобы регулировать уровень освещенности, можно вручную включать и выключать свет, открывать или закрывать рулонные шторы. Однако наиболее эффективно будет применить автоматические системы управления освещением.

2.2 Возможности по автоматизации систем освещения и расчет затрат проекта

В интернете я прочитала, что сейчас все большую известность получают системы автоматизации «Умный дом» или «Умное здание». Исследования показывают, что помимо энергосбережения автоматизация дает другое весомое преимущество – это комфортный микроклимат. По данным ученых, в некомфортном здании скорость мыслительных процессов на 10 % ниже, а количество ошибок — на 30 % больше.

Поэтому я решила рассмотреть возможность применения аналогичных технологий, чтобы у нас получился «Умный класс».

Наиболее перспективной технологией является система освещения с распределенным сетевым автоматическим управлением [1] (рисунок 4).

Рисунок 4 – Система освещения с распределенным сетевым автоматическим управлением

В такой системе каждый светильник снабжен собственным беспроводным актуатором, который может индивидуально включать и отключать каждый светильник или группу светильников. Для нашего класса я предложила разделить помещение на 6 зон и установить 6 актуаторов (рисунок 5).

Актуаторы будут срабатывать в зависимости от уровня освещенности в каждой зоне. Если ее недостаточно, они будут включать светильники. Такой процесс называется зональным регулированием по уровню освещенности.

Для того, чтобы свет автоматически выключался, когда все люди выходят из класса, предлагается установить один датчик присутствия.

Для управления естественным освещением путем автоматического затенения окон целесообразно оснастить рулонные шторы на окнах электроприводом с автоматическим управлением. Это позволит не только экономить затраты электроэнергии, но и создавать комфортные условия в классе в жаркие дни. У нас в классе 3 рулонные шторы на окна 1,8×1,7 м и 2 рулонные шторы на окна 1,8×1,0 м. Таким образом, требуется установка 5 электроприводов.

Самый важный элемент системы «Умный класс» – это управляющий контроллер. Его задача управлять всеми элементами системы.

В интернете я нашла стоимость всех составляющих системы управления освещением и выполнила расчет затрат проекта (таблица 2). При составлении сметы я учла, что потребуются затраты на монтажные работы, на которые я заложила 10000 руб.

Рисунок 5 – Размещение оборудования для автоматизации освещения

Таблица 2 – Расчет затрат на оборудование класса системой «Умный дом»

Наименование оборудования

Количество

Цена за ед., руб.

Общая стоимость, руб.

Светодиодные лампы

64

120

7680

Управляющий контроллер

1

4000

4000

Датчик освещенности

6

1000

6000

Датчик присутствия

1

1000

1000

Электропривод рулонных штор

5

2400

12000

Актуатор светильника для зонального регулирования освещения

6

500

3000

Монтажные работы

1

1

10000

Итого

43680

Всего на реализацию проекта нам понадобится 43680 руб.

2.3 Расчет экономического эффекта от реализации проекта

Ранее я установила, что экономия электроэнергии от замены люминесцентных ламп на светодиодные составит примерно половину от общих затрат на освещение.

Тогда эта экономия будет равна

руб.

Для того, чтобы определить дополнительную экономию электроэнергии от автоматизации освещения, я обратилась к национальному стандарту Российской Федерации ГОСТ Р 54862-2011 «Энергоэффективность зданий. Методы определения влияния автоматизации, управления и эксплуатации здания» [2]. В этом документе приведены таблицы, в которых указано, насколько изменится коэффициент энергоэффективности при автоматизации (таблица 3).

До модернизации наш класс имел самый низкий класс энергоэффективности D. Я выбрала строчку «Учебное заведение» и определила коэффициент энергоэффективности для электроэнергии 1,07. После модернизации наш класс будет иметь класс энергоэффективности А, то есть коэффициент 0,86.

Таблица 3 – Коэффициенты энергоэффективности

Таким образом, в результате автоматизации освещения дополнительный эффект составит

руб.

Суммарный экономический эффект в год составит

руб.

Для расчета срока окупаемости проекта необходимо разделить затраты проекта на суммарный годовой экономический эффект:

лет.

Для того, чтобы определить, как внедрение современных автоматизированных систем освещения в моем классе позволит снизить выбросы парниковых газов в окружающую среду, я воспользовалась онлайн-калькулятором в интернете по ссылке [3]. На протяжении срока окупаемости проекта (7,5 лет) экономия электроэнергии составит 8514 киловатт-час. Это соответствует снижению выбросов углекислого газа в объеме 3,5 тонн. Столько же углекислого газа выбрасывает в атмосферу самолет с 70 пассажирами при перелете из Омска в Новосибирск.

Таким образом, я подтвердила свою гипотезу о том, что применение современных автоматизированных систем освещения позволит существенно снизить затраты моей школы на энергоресурсы и уменьшит негативное влияние на окружающую среду.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе я исследовала вопросы энергосбережения и охраны окружающей среды применительно к моей школе. Я предположила, что применение систем автоматизации освещения «Умный дом» позволит существенно снизить затраты моей школы на энергоресурсы и уменьшит негативное влияние на окружающую среду. Для доказательства этой гипотезы я рассмотрела вопросы изобретения электричества, изучила основные открытия в этой области. Изучила, каким образом производят электроэнергию, выполнила классификацию электростанций и показала их основные преимущества и недостатки. Я выяснила, как связаны энергосбережение и охрана окружающей среды.

Я провела эксперимент, в ходе которого с помощью люксметра измерила уровень освещенности в моем классе. По итогам эксперимента я предложила внедрить мероприятие по внедрению системы освещения с распределенным сетевым автоматическим управлением «Умный дом». Я составила план класса и указала места размещения необходимого оборудования. Также я составила смету затрат проекта в объеме 43680 руб.

Я определила, что за счет реализации мероприятия по модернизации системы освещения в моем классе можно сэкономить 5835,55 руб. в год. С учетом затрат проекта срок окупаемости составил 7,5 лет. За этот период экономия электроэнергии составит 8514 киловатт-час. Это соответствует снижению выбросов углекислого газа в объеме 3,5 тонн. Столько же углекислого газа выбрасывает в атмосферу самолет с 70 пассажирами при перелете из Омска в Новосибирск. Кроме того, реализация проекта позволит создать более комфортный микроклимат в классе, снизить количество ошибок и повысить скорость мыслительных процессов учеников.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Ушаков В.Я., Харлов Н.Н., Чубик П.С. Потенциал энергосбережения и его реализация в секторах конечного потребления энергии: Учебное пособие. Томский политехнический университет, 2015. 388 с.

  2. ГОСТ Р 54862-2011 «Энергоэффективность зданий. Методы определения влияния автоматизации, управления и эксплуатации здания»

  3. https://www.carbonfootprint.com/calculator.aspx (дата обращения 26.11.2023)

Просмотров работы: 119