Исследовательская работа: Разработка системы экономии тепла и электроэнергии

МОБУ «Вышнереутчанская средняя общеобразовательная школа»
Медвенского района Курской области
Разработка системы экономии
тепла и электроэнергии

Номинация: рациональное использование природных ресурсов
Выполнил:
обучающийся 11го класса
Басенков Дмитрий
Руководитель:
учитель географии
Басенков Владимир Владимирович
2012г
План
Введение……………………………………………………………………..2
Пассивный дом для России…………………………………………………2
Энергоэффективные материалы и конструкции…………………………..4
Расчёт солнечной электростанции для дома……………………………….5
Солнечное отопление………………………………………………….…….7
Применение светодиодов……………………………………………….…..11
Как сэкономить электроэнергию…………………………………………...13
Вывод…………………………………………………………………..…..…13
Литература……………………………………………………………...….…14
Введение
Цель: Разработать проект дома используя современные энергосберегающие технологии и изучить систему способов экономии энергии в домашних условиях.
Задачи:
Разработать проект современного энергосберегающего дома.
Выбрать энергосберегающие стройматериалы для своего будущего дома.
Изучить технологию изготовления солнечных батарей в домашних условиях и принцип работы солнечного коллектора.
Изучить область применения светодиодов.
Изучить способы экономии электроэнергии в быту
Гипотеза:
Использование энергосберегающих технологий позволит сократить расход тепла и электроэнергии минимум в 2 раза. Это будет способствовать сбережению семейного бюджета.
"Пассивный дом" для России
Термин "пассивный дом" появился в русском строительном лексиконе всего несколько лет назад. В пассивном доме расход энергии на отопление сводится к минимуму благодаря использованию внутренних источников тепла, современных энергосберегающих технологий и высокоэффективных теплоизоляционных материалов.
Надо отметить, концепция здания, не нуждающегося в мощной системе отопления, уже нашла в нашей стране благодатную почву. В самом деле, низкая энергоэффективность существующих зданий и огромные расходы энергоресурсов на отопление являются для России источником множества экономических и социальных проблем. Самая очевидная тому причина - тарифы на все виды энергоресурсов растут гораздо быстрее доходов населения. В связи с этим задача сокращения расходов на отопление становится все более актуальной как для российских домовладельцев, так и для муниципальных властей.
С другой стороны, концепция пассивного дома привлекает еще и тем, что в ней заложена сильная природосберегающая компонента. Благодаря разумному использованию внутренних источников энергии и применению экологически чистых материалов пассивный дом не несет опасности окружающей среде и здоровью человека.
То есть идея "пассивного дома" развивается на пересечении роста экологического сознания и вполне конкретного стремления сократить расходы. Но насколько она реализуема в отечественных условиях?
Пассивный дом - это, в первую очередь, комплексный подход к энергосбережению жилища. Более 20 лет назад, американский исследователь Дэвид Opp разработал концепцию здания, отвечающего самым высоким требованиям экологичности и энергоэффективности. Основные составляющие пассивного дома таковы:
применение материалов и конструкций с максимальным сопротивлением теплопередаче для сокращения непродуктивных потерь тепла;
организация приточно-вытяжной вентиляции с применением рекуператоров, использующих тепло выбрасываемого воздуха для обогрева, поступающего извне;
использование природных источников энергии для отопления и горячего водоснабжения (энергии солнца, ветра, термальных подземных источников).
Красивой иллюстрацией пассивного дома служит солнечный дом, который отличает большая площадь остекления окон с южной стороны и солнечные батареи на крыше, аккумулирующие энергию для хозяйственно-бытовых нужд.
Почему пассивный дом обходится без отопления? Это становится возможным благодаря рациональному использованию источников тепла и энергии самого дома и окружающей его территории. Источников тепла в жилом доме немало - это кухонная плита, работающие бытовые электроприборы, лампы освещения. Выделяют тепло люди и животные. Например, спокойно сидящий человек имеет тепловую мощность 120 ватт. Суммарно эти тепловыделения достигают немалых величин, сравнимых с мощностью систем отопления.
По отечественным строительным нормативам рекомендуется принимать внутренние тепловыделения в жилых домах на уровне 10 вт/м2 (против 50-80 вт/м2 систем отопления), на практике они могут быть и больше. Их достаточно для "отопления" наших жилищ в период до достижения среднесуточными температурами значения в + 8 ºС, ниже которого включается система отопления.
Энергоэффективные материалы и конструкции в действии
Одним из фундаментальных принципов "пассивного дома" является использование материалов и технологий, радикально сокращающих непродуктивные потери тепла через ограждающие конструкции (стены и кровлю). И приоритет здесь отдается специально разработанным и подобранным многокомпонентным фасадным и кровельным системам, одними из важнейших компонентов которых являются высокоэффективные теплоизоляционные материалы.
334581591440Для теплоизоляции стен наиболее эффективными и долговечными признаны системы наружного утепления здания. Это вентилируемые навесные фасады и системы фасадного утепления со штукатурным слоем. На данный момент разработано немало фасадных систем на основе таких современных теплоизоляционных материалов как каменная вата. В России адоптация подобных систем происходит довольно успешно – достаточно лишь рассчитать необходимую толщину теплоизоляционного материала для конкретных климатических условий.
-113665831850Но применение современных систем фасадного утепления не решает полностью проблему теплопотерь. Как считают эксперты, наиболее слабым в этом смысле участком стены являются окна – на них приходится около 30-40% суммарных теплопотерь дома. Поэтому в концепции пассивного дома важное место занимает использование оконных систем с высоким уровнем теплозащиты. Современные светопрозрачные конструкции не только изготавливаются из материалов с низкой теплопроводностью (в первую очередь, ПВХ - поливинилхлорида), но и конструктивно устроены так, чтобы обеспечивать максимальную теплозащиту. Для этого предусмотрены герметичные стеклопакеты, не менее двух контуров уплотнений между рамой и створками, а также наличие воздушных камер в профилях, из которых собираются окна.
332359075565Однако для суровых российских условий этого может быть недостаточно. Для максимальной теплозащиты специалистами рекомендуются оконные системы с так называемой "широкой" рамой. В частности, в ряду последних разработок КБЕ есть оконная система с монтажной шириной рамы 127 мм и створки 70 мм.
Не стоит забывать и о сокращении потерь тепла через конструкции фундамента. Для этого еще на этапе котлована предусматривается создание непрерывного теплоизолирующего контура, предотвращающего контакт фундамента непосредственно с грунтом.
Правда, практическое внедрение энергосберегающих технологий на первых порах стоит недешево. Однако, как показывают расчеты, большие капитальные затраты быстро окупаются за счет низких эксплуатационных расходов. То есть вложение в энергосберегающие решения можно считать долгосрочной и весьма надежной инвестицией
Расчет солнечной электростанции для дома
Солнечная система с аккумуляторами может питать много приборов при условии, что их энергопотребление не превышает количество энергии, произведенной генератором. Поэтому необходимо правильно определить мощность системы. Первый шаг в этом направлении - составление спецификации, т.е. технического описания системы.
Самостоятельное изготовление солнечной батареи

В то время как в западных странах покупка солнечной батареи не является слишком дорогим удовольствием, у нас по-прежнему цена на подобное изделие весьма высока. Например, солнечную батарею мощностью 50 ватт в Москве можно купить за 8000 рублей, что составляет примерно 266$. Однако, уже сейчас у каждого есть возможность самостоятельно собрать экологически чистый источник энергии собственноручно за гораздо меньшую сумму.
Все знают такой ресурс как e-bay. Не составляет особого труда заказать там комплект для сборки солнечной панели, который обойдётся вам в 41$, состоящий из 36 фотогальванических элементов размером 81 на 150 мм, комплекта специальных плоских проводников, карандаша с кислотой для паяния и диода. В строке поиска e-bay нужно вводить Solar Cells. Доставка, в зависимости от региона может обойтись до 40$.
Так же понадобится алюминиевый уголок для изготовления рамы панели, который стоит в строительном магазине 200 рублей за 2 метра, кусок стекла, а лучше, листового поликарбоната, силиконовый герметик и метизы.
В качестве герметика для задней поверхности батареи, продавцы из Америки рекомендуют использовать прозрачный эпоксидный компаунд "Sylgard 184" и предлагают его по 50$ за банку, хотя, думаю можно использовать тот же прозрачный силиконовый герметик за 150 рублей или автомобильный лак в балончиках.
Каждый солнечный элемент выдающий 1,75 W и 0,5 В, соединяется последовательно и в итоге, солнечная батарея должна выдавать порядка 60 W и 18В. Лицевая сторона имеет две токоведущие дорожки, это «-», соответственно «+» располагается на шести контактах с тыльной стороны элемента. Располагаются элементы с зазором между соседними 5 мм.

В итоге, получаем 4 ряда по 9 элементов, причём второй и четвёртый ряды должны быть развёрнуты относительно первого на 180 градусов для соединения всей системы в цепочку.
Обязательно в системе должен присутствовать блокирующий диод, который есть в комплекте набора. Диод предотвращает разрядку аккумулятора ночью или в пасмурную погоду. Он должен располагаться последовательно на плюсовом выводе солнечной батареи, т.е. минус диода припаиваем к плюсу батареи.
Для того чтобы заряжать 12В аккумулятор, понадобится контроллер зарядки, который можно купить на том же e-bay, их там великое множество по низким ценам.
Таким огбразом мы получаем 60 W панель примерно за 3000 рублей, что гораздо дешевле предлагаемых на отечественном рынке.
Солнечное отопление
Простейшим и наиболее дешевым способом использования солнечной энергии является нагрев воды в плоских солнечных коллекторах. Принцип действия такого устройства достаточно прост: видимые лучи солнца, проникая сквозь стекло (проходит обычно 80-85%), встречаются с черным дном коллектора и в значительной степени поглощаются им.

Ежегодно используемое нами количество полезных ископаемых равно тому количеству, которое было произведено природой за миллионы лет. Эти запасы ограничены и, по мнению многих специалистов, более половина из них исчерпывается в течение одной человеческой жизни. Этот факт должен нас подвигнуть на действия, направленные на получение энергии из возобновляемых источников: воды, ветра, земли, солнца. Солнце является неисчерпаемым источником энергии. Ежегодно на землю попадает большое количество солнечного тепла, которое в 14000 раз больше всемирно-потребляемой энергии.
Наибольшим опытом использования солнечной энергии обладают богатые страны западной Европы. При помощи различных форм, финансовых стимулов, население данных стран все больше и больше инвестиций вкладывает в возобновляемые источники энергии. Больше всего солнечных коллекторов в Европе установлено в Австрии и Греции, где на 1000 жителей приходится около 300 квадратных метров солнечных коллекторов.
Где мы можем применить солнечный нагрев, и как эта система работает на практике? Проще говоря, гелиосистемы мы можем использовать везде, где нужна горячая вода, а также обогрев помещений и подогрев воды в бассейнах. Также они могут быть использованы в сельском хозяйстве и промышленности в качестве источника тепла или наоборот холода.
Основой гелиосистемы является солнечный коллектор - солнечные лучи проходят через безопасное солярное стекло с хорошей пропускной способностью и попадают на высокоэффективное селективное покрытие абсорбера. При помощи незамерзающего теплоносителя тепло передается в бак-накопитель или на теплоприемник. Гелиосистема в большинстве случаев не является единственным источником тепла, для нагрева воды в баке в качестве дополнительного источника тепла необходимы, например камин, котел или электрический ТЭН. Данные источники используются в основном в то время, когда долго нет солнца или в зимние месяцы, когда интенсивность солнечного излучения снижается.
Существует несколько типов солнечных коллекторов разных конструктивных решений. Ведущим Европейским производителем плоских термических солнечных коллекторов является компания ThermoSolar Viar. В настоящее время там производят более 10 типовых моделей с обозначением TS. Наиболее востребованным коллектором является тип TS300 с очень хорошим соотношением цены и производительности. Предприятие ThermoSolar является одним из не многих мировых производителей солнечных коллекторов, которые сосредотачивают в одном месте прессование коллекторных ванн, производство селективных конверсионных поверхностей, монтаж коллекторов и производство несущих конструкций. Можно сказать, что гордостью производителя является уникальный плоский вакуумный коллектор, не имеющий аналогов в мире. В отличие от трубчатого вакуумного коллектора данный тип может быть легко встроен в кровлю и фасады зданий, также он более устойчив к экстремальным погодным условиям. Укомплектованные коллекторы проходят тщательные испытания, в лабораторных условиях симулируются режимы работы направленные на контроль эксплуатационных характеристик и долговечности коллектора.
152403810В центрально-европейских климатических условиях гелиосистемы чаще всего используются для нагрева воды, дежурного отопления зданий и нагрева воды в бассейнах. Непосредственно перед монтажом необходимо правильно выбрать схему гелиосистемы в зависимости от того, для какой цели она будет служить. Для нагрева горячей воды в семейных домах, предприятие ThermoSolar предлагает экономичные и оптимально подобранные комплекты, в остальных случаях перед монтажом необходимо разработать проект. Чаще всего коллекторы устанавливаются на южной стороне незатененной, наклонной или ровной кровли. Если такой крыши нет, коллекторы можно разместить также на фасадах зданий или на других подходящих поверхностях.
Преимущество инсталляции в новых домах состоит в том, что там не делается стандартное распределение горячей воды, а существует возможность дополнительных ответвлений, которые ведут, например к стиральной или к посудомоечной машине.
Использование нагретой воды в стиральной или посудомоечной машине является другим вариантом увеличения рентабельности гелиосистемы, это позволяет одновременно сократить объем вложенных средств. В реальных условиях за срок службы солнечной установки, средства, вложенные в ее реализацию, многократно окупаются. Гелиосистемы - это не только модная тенденция новых городов, в деревнях можно просто установить коллекторы как на старые, так и на новые постройки.
Составной частью каждого дома является воздухонагревательный отопительный блок, который обеспечивает отопление и проветривание объекта. Интегрированный накопитель тепла, имеющийся в каждом объекте, обеспечивает аккумуляцию энергии из солярных панелей, а также от камина. Одновременно он оборудован электрокотлом и энергия, полученная от коллекторов, камина или электрических ТЭНов передается в воздухотехнический блок или идет на горячее водоснабжение. В наших домах солнечные коллекторы используются, прежде всего, для того, чтобы покрывать потребление энергии для нагрева воды в среднем на 60-70 процентов.
Энергия солнца огромна, и люди должны научиться ею правильно пользоваться. Если сделать выбор в пользу данного чистого источника энергии — это почувствуется это на наших кошельках, например в виде низких платежей за энергию. В тоже время мы будем способствовать тому, что в атмосферу будет попадать меньше вредных выбросов и окружающая среда будет оздоравливаться. Необходимо помнить, что 1 коллектор в течение одного года способен на 300 или 500 кг уменьшить количество углекислого газа в атмосфере, которое бы возникло при нагреве воды при помощи углеводородных видов топлива.


Системы солнечного теплообеспечения (гелиоустановки) разделяют на пассивные и активные. Пассивные - наиболее дешевые и простые «солнечные дома» - для сбора и распределения солнечной энергии используют архитектурные элементы здания и не требуют дополнительного оборудования. Эти системы включают в себя зачерненную южную стену здания, на определенном расстоянии от которой расположено прозрачное покрытие.
78740492760Применение светодиодов
3176905930275 LED – яркие и экономичные светодиоды. Что это такое, где применяются светодиоды? Это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. В настоящее время светодиоды считаются передовой технологией. Именно их изобретение и дальнейшее использование позволило воплотить в жизнь множество дизайнерских идей - применение светодиодов в закрытых помещениях, насыщенность и устойчивость цвета, и многое другое. Очень долго светодиоды применялись только лишь как маломощные красные или зеленые индикаторы в разных электрических устройствах.
В настоящий момент они составляют серьезную конкуренцию лампам накаливания и люминесцентным лампам.
И действительно, LED дает отдачу в десятки раз больше чем лампы накаливания. Кроме того, это крайне экономичный прибор. При соблюдении оптимальной температуры он может работать непрерывно в течение долгого времени. Это объясняется тем, что излучение светодиода имеет нетепловую природу. Светодиод является надежным и прочным в эксплуатации. Ведь он не требует стеклянной колбы. Вместе с тем, он располагает богатой цветовой гаммой и отсутствием инертности.
При использовании светодиода у вас есть возможность регулировать яркость и цвет, ранее такое было практически невозможно. Яркость и мощность светодиода зависит от области его применения. И, пожалуй, самое главное преимущества светодиода - это отсутствие инфракрасного и ультрафиолетового излучения и отсутствие ртути в составе. Именно эти факторы могут гарантировать безопасность для здоровья человека и экологическую безопасность.
1905072390Сфера использования LED очень широка. Они могут полностью обеспечить световую рекламу, светофоры, взамен привычных неоновых ламп. Например, освещение стен и скользящая подсветка могут стать отличными решениями любой рекламной кампании.
Светодиоды можно применять в дизайне интерьеров, декоративной подсветке зданий. Отличным применением LED будет и освещение автомобилей, их разнообразная подсветка как внешняя, так и внутренняя. Достаточно необыкновенное решение - подсветка 39776401025525телефонов, фотоаппаратов и камер. Самое интересное, что подобная технология идеально подходит для полноцветного освещения с самой высокой яркостью. Теперь можно наслаждаться всевозможными цветами и красками сидя дома перед экраном телевизора. Итак, LED все больше и больше проникает во все сферы нашей жизни, упрощает и делает ее намного ярче.
Как сэкономить электроэнергию?
Вы знаете сколько потребляет телевизор в спящем режиме? Спящий телевизор съедает в час 0,3 Вата. Вроде мелочи, но если в семье три телевизора, а также видеомагнитофон и аудио центр за сутки потребляется лишних 36 Вт. Хорошо, если компьютер стоит в равномерно освещенном месте. В этом случае регулировка яркости и контраста может стоять на более низком уровне, что позволит сберечь до 5 % электроэнергии.
Зарядное устройство для мобильных телефонов, ноутбуков в не рабочем состоянии не должно быть включено в розетку. Если это происходит постоянно, зарядка нагревается и продолжает потреблять электроэнергию.
Забитый пылью пылесоса пылесборник уменьшают тягу воздуха, а следовательно уменьшают электропотребление. То же делает и неухоженный электрочайник. А вот свободный от накипи прибор, наоборот, требует меньше электричества. Кстати, за один раз лучше нагревать ровно столько воды, сколько вам понадобится.
Выбирая посуду для электроплиты, учитывайте размер конфорки. Несовпадение в диаметрах увеличивает расходы на 5-10 %. Не забывайте закрывать кастрюлю крышкой, это даст до трети экономии. Также используйте принцип инерционности, то есть доводить до готовности еду нужно на остывающей конфорке.
Холодильник лучше ставить подальше от радиаторов и плиты, при комнатной температуре в 30 градусов он удваивает электропотребление. Привычка ставить в холодильник не до конца остывшие кастрюли тоже стоит денег, поскольку увеличивает расходы.
Выводы по итогам проектной работы
Применяя современные энергосберегающие материалы и конструкции с максимальным сопротивлением теплопередаче, для сокращения непродуктивных потерь тепла можно сократить расходы на отопление дома.
Самостоятельно изготовив солнечные батареи можно получить долговечный, экологически чистый источник электроэнергии.
Используя солнечные коллекторы можно сократить расход газа или электроэнергии на отопление и нагрев воды.
Используя светодиоды в быту для освещения дома можно сократить расход электроэнергии в несколько раз.
Используя элементарные правила экономии электроэнергии в быту - значительно сократится расход электроэнергии, а значит будет эконмиться семейный бюджет
Литература
Асаул. А. Н., Денисова И. В. Применение энергосберегающих технологий в строительстве как мероприятие инженерной защиты окружающей среды// Сб. науч. докладов 7-й Международ, конф. экологии и развития Северо-Запада России СПб.: Санкт-Петербургская международная академия наук экологии, безопасности человека и природы (МАНЭБ), 2002.
Заренков В. А. Новые технологии в жилищном домостроении. — СПб.: Строительство и городское хозяйство Санкт-Петербурга и Ленинградской области, № 25, 1998. — С. 54-55
Казаков Ю.Н., Беретов В.В., Бадьин Г.М., Макаридзе Г.Д. Материалы присуждения диплома РААСН за лучшую работу в 2003 г. // Градостроительные малоэтажные комплексы с энергосберегающими технологиями / М., 2004 — 172 с