Проєкт "Енергоефективність приміщень освітнього закладу"

Учениця 8 класу у науково-дослідницькій роботі з фізики на тему "Енергоефективність приміщень освітнього закладу" аналізує літературу по темі дослідження, проводить огляд проблем енергоефективності будівель в Україні та світі та досліджує енергоефективність освітлення приміщень навчального закладу.

Докладніше про роботу:

Навчальний дослідницький проєкт з фізики про енергоефективність приміщень освітнього закладу, створений у 8 (9) класі, розглядає поняття про тепло-відбивачі, досліджує енергоефективність тепло-відбивачів та термомодернізації будівлі. У роботі запропоновано дослідження теоретичних і практичних шляхів забезпечення енергоефективності приміщень освітнього закладу.

Під час проведеня дослідницької роботи (міні-проєкта) про енергоефективність приміщень школи учениця 8 класу провела аналіз наукових джерел з питання енергоефективності, виявила можливості більшого заощадження та економії у споживанні електричної та теплової енергії, дослідила доцільність використання енергозберігаючих заходів та розробила поради щодо енергозбереження в освітньому закладі.

Зміст

Вступ
1. Огляд проблем енергоефективності будівель в Україні та світі.
2. Енергоефективність освітлення приміщень навчального закладу.
3. Енергозбереження при опаленні будівель.
3.1. Поняття про тепло-відбивачі
3.2. Дослідження енергоефективності тепло відбивачів
3.3. Термомодернізація будівлі
Висновок
Список використаних джерел
Додатки

Актуальність та новизна полягає у тому, що з погляду важливості створення і підтримання мікроклімату освітні заклади посідають одне з значних місць серед будівель громадського призначення і покращення санітарно-гігієнічних умов перебування дітей у навчальному закладі тісно пов’язано з підвищенням енергоефективності будівлі.

Ключові слова:світлодіодна лампа, люмінісцентна лампа, лампа розжарювання, лічільник, пінопласт, тепловідбивач, енергозбереження .

Мета роботи - дослідження теоретичних і практичних шляхів забезпечення енергоефективності приміщень освітнього закладу.

Завдання:

1. провести аналіз наукових джерел з питання енергоефективності, виявити можливості більшого заощадження та економії у споживанні електричної та теплової енергії;
2. дослідити доцільність використання енергозберігаючих заходів та розробити поради щодо енергозбереження в освітньому закладі.

Енергетика – основа розвитку економіки, рушійна сила виробництва, та надійне енергопостачання – основа економічної безпеки держави, політична і соціальна стабільність суспільства. Розвиток сучасної цивілізації відзначається все більшим використанням енергії. Тому на початку ІІІ тисячоліття людство зіштовхнулося із загрозою енергетичної кризи, адже запаси традиційних джерел енергії обмежені.

Забезпечення енергоефективності приміщень насамперед передбачає енергозбереження як комплекс дій для зменшення кількості використовуваної енергії. Воно передбачає не відмову від благ цивілізації чи обмеження власних потреб, а шлях раціонального використання енергоресурсів. Проблема енергоефективності та енергозбереження виникла не тільки тому, що запаси відновлюваних джерел енергії вичерпуються, а ще й тому, що сучасні способи виробництва енергії завдають непоправної шкоди довкіллю та людині внаслідок шкідливих викидів.

Актуальність та новизна проєкту полягає у тому, що з погляду важливості створення і підтримання мікроклімату освітні заклади посідають одне з значних місць серед будівель громадського призначення і покращення санітарно-гігієнічних умов перебування дітей у навчальному закладі тісно пов’язано з підвищенням енергоефективності будівлі.

Об’єктом дослідження є енергозберігаючі заходи.

Предмет дослідження - ефективність застосування енергозберігаючих заходів.

Метою роботи є дослідження теоретичних і практичних шляхів забезпечення енергоефективності приміщень освітнього закладу.

Завдання проєкту:

1. провести аналіз наукових джерел з питання енергоефективності, виявити можливості більшого заощадження та економії у споживанні електричної та теплової енергії;
2. дослідити доцільність використання енергозберігаючих заходів та розробити поради щодо енергозбереження в освітньому закладі.

Енергоефективність будівель істотно впливає на якість життя сучасної людини. Проте всі технології та матеріали забруднюють навколишнє середовище. Найбільш ефективними нині визнані відновлювані джерела енергії, потенціал яких за мірками життя людства є невикористаним, на відміну від істотно вичерпаних традиційних ресурсів.

Впровадження енергоефективних технологій як сприяє збереженню екології, так і підвищує умови життя. Із розвитком науки постійно створюються нові засоби керування енергією природи, що з часом допомагає зберігати вичерпні природні ресурси. На витрати енергії та середовище у приміщенні істотно впливають: опалювальна система, системи вентиляції і кондиціонування та водопостачання, освітлення, електричне обладнання в приміщенні.

Енергоефективність будівлі визначається раціональним використанням енергетичних ресурсів. Розумне ставлення до екологічних проблем (адже при цьому зменшується викид парникових газів в атмосферу, втрати води в системах водопостачання та каналізації тощо) також економічно вигідно, оскільки значно знижуються не обгрунтовані затрати на будівництво, паливо та інші природні ресурси, що сприяє впровадженню і дотриманню

Кіотського протоколу(прийнятого в Японії у 1997 р. на додаток до Рамкової конвенції ООН про зміну клімату, що зобов’язує розвинуті країни і країни з перехідною економікою скоротити або стабілізувати викиди парникових газів).

Спеціальні енергоефективні системи передбачають контрольовані і якнайбільш природні способи подачі тепла, електроенергії, вентиляції, води, освітлення (плазмові світильники на основі сірки), опалення (інфрачервоне опалення, теплоізоляційні матеріали) саме під час перебування людини у приміщенні.

Впровадження енергоефективного освітлювального обладнання нині найбільш поширене (світлодіоди тощо), оскільки саме затрати на освітлення зростають найшвидше (28% в країнах ЄС на 2013 рік [2]), а тому вимагають максимального зниження.

Обов’язковими параметрами енергоефективних будинківє: 1) здатність не лише витрачати мало енергії, але грамотно використовувати ту незначну енергію, яку вимушені вживати; 2) створення сприятливого мікроклімату в приміщеннях (вентиляція, температурний режим тощо). Серед основних вживаних заходів - досягнення ефекту в першу чергу завдяки зменшенню тепловитрат (підвищена термоізоляція, енергоефективні вікна, мінімізація температурних містків, інфільтрація - низький рівень проникнення повітря ззовні)[3]

Найбільш загальний (інтегральний) індикатор енергоефективності будівлі визначають діленням усього обсягу споживання енергії за рік на його загальну площу. Прийняті в Україні нормативи максимальних теплових витрат кореспондуються з європейськими нормами, які коливаються на рівні

30-40 кВт.год/кв.м. Водночас фактичне енергоспоживання більшості житлових будинків у нашій країні – на рівні 150–250 кВт.год/кв.м.

Значну частину зведених енергоефективних будинків (нині більше за 10 000) створено в європейських країнах (Данія, Фінляндія, Німеччина та ін.), де прийнято цільові державні програми по приведенню об'єктів регулярної забудови до умовно-пасивного рівня (будинку ультранизького споживання - до

30 кВт.год/кв.м. на рік). Також нові підприємства і житлові будинки зобов’язують обладнувати енергоефективними засобами для часткового самостійного забезпечення себе необхідними ресурсами (в Іспанії - 30-70% потреб в гарячій воді, в Ірландії - споживати на 85% менше енергії і викидати в атмосферу на 94% менше СО2, ніж звичайний будинок, у Великій Британії - споживати на 77% менше енергії і отримати рейтинг ефективності у спеціальної організації, з точки зору споживання енергії та викидів вуглецевого газу і т.д.).

Треба визнати, що енергоефективність будівель в Україні у 3-4 рази нижча, ніж в західних країнах: Сьогодні в Україні затрати протягом року на опалення будівлі складають 250-300 кВт.год/кв.м. на м2 площі, у Польщі – 90-120 кВт.год/кв.м, у Німеччині – 50-100 кВт.год/кв.м,

Досвід країн Центрально-Східної Європи, які успадкували аналогічні за теплотехнічними показниками громадські будівлі, що і в Україні, засвідчує потенціал енергозаощадження будівель від 40% до 70%.

Показники енергоефективності житлового фонду Німеччини забезпечуються на рівні вимог стандартів: енергоспоживання на опалення не більше 100 КВт год.кв.м.рік. Частина будинків забезпечила фактичне енергоспоживання на рівні 60 КВт год.кв.м.рік. Але найбільш поширеним та популярним кроком до енергоефективності в будівлях в Німеччини, є будівництво енергоефективних та "пасивних" будинків. На 2006 рік в Німеччині побудовано більш як 6 тис. "пасивних" будинків, в Астрії на 2005 рік 1 тис. таких об’єктів, в 2006 ще 2 тис. Тобто енергоефективні будинки в Європі – вже не просто реальність, а стандарт.

В Україні організаційні засади діяльності у сфері забезпечення енергетичної ефективності будівель визначає Закон України «Про енергетичну ефективність будівель», прийнятий 22.06.2017 році, який спрямований на зменшення споживання енергії у будівлях та передбачає збільшення кількості будівель з близьким до нульового рівнем споживання енергії.

У статті 3 цього Закону визначені основні засади у сфері забезпечення енергетичної ефективності будівель:

• забезпечення належного рівня енергетичної ефективності будівель відповідно до технічних регламентів, національних стандартів, норм і правил;
• стимулювання зменшення споживання енергії у будівлях;
• забезпечення скорочення викидів парникових газів у атмосферу;
• створення умов для залучення інвестицій з метою здійснення заходів із забезпечення (підвищення рівня) енергетичної ефективності будівель;
• забезпечення термомодернізації будівель, стимулювання використання відновлюваних джерел енергії;
• розроблення та реалізація національного плану щодо збільшення кількості будівель з близьким до нульового рівнем споживання енергії.

Таким чином, можна зробити висновок, що в Україні та світі на витрати енергії та середовище у приміщенні найбільш впливають опалювальна система, освітлення, термомодернізація будівель.

Для дослідження електроспоживання було обрано будівлю початкової школи навчально-виховного комплексу. Для цього був проведений енергоаудит приміщень, побудовано план, в якому враховано кількість ламп освітлення в кожному кабінеті та коридорі.

До 2015 року в навчальному закладі використовувалися лампи розжарювання. Одна лампа розжарювання потребує 100 Вт електроенергії, в цій будівлі 34 лампочки в кабінетах, та 6 в коридорі, з цього маємо 40 лам розжарювання. А це в свою чергу потребує 4000 Вт, що є не дуже економно. Якщо використовувати енергозберігаючі лампи, в кожній приблизно 20 Вт в залежності від виробника, то для освітлення всього приміщення приблизно потрібно 800 Вт, а це на 3200 Вт (4000-800=3200Вт), менше електроенергії.

При використанні світлодіодних ламп, в кожній приблизно 7 Вт, в залежності від виробника, то приблизно потребує 280 Вт електроенергії, а це

на 3720 Вт (4000-280=3720 ) менше від ламп розжарювання, та від 520 Вт, менше від енергозберігаючих (800-280=520Вт). Інформація про потужність ламп подана на діаграмі 2.1.

Шкільне обладнання кабінету фізики дозволяє провести дослід по визначенню залежності обертів диску лічильника від навантаження. Підключивши до лічильника електроспоживач потужністю 100Вт, було встановлено, що диск лічильника зробив 5 обертів за 199 секунд. Змінивши вид споживача, було зроблено висновок, що диск лічильника робить однакову кількість обертів за різний час.

Змінивши вид споживача на енергозберігаючу люмінесцентну лампочку, було зроблено висновок, що диск лічильника робить однакову кількість обертів за різний час. А саме, диск лічильника зробив 5 обертів за 1590 секунд, а світлодіодна лампа 5 обертів за 2656 секунд.

Результати досліджень представлено у таблиці 2.1.

Таблиця 2.1

Залежність кількості обертів диску лічильика від навантаження

Характеристики ламп, що були використані для експерименту, подані у таблиці 2.2.

Таблиця 2.2

Характеристики ламп

Виходячи з даних, отриманих в результаті досліджень, можна зробити висновок щодо підтвердження енергоефективності світлодіодних ламп. Крім того, що вони потребують менше електроенергії, термін їх дії більший, ніж в інших, тому термін дії таких ламп більший, а це в свою чергу заощадження коштів.

На даний час у приміщеннях навчально-виховного комплексу використовуються світлодіодні лампи. За 2 роки обсяг використаної електроенергії зменшився у 2,5 рази. Не зважаючи на те, що світлодіодні лампи коштують сьогодні 90-120 грн., енергозберігаючі 54-68 грн., а лампи розжарювання 10-12 грн., економічний ефект використання світлодіодних ламп є досить значним.

Найпростішім заходом и щодо збереження тепла є використання тепловідбівачив. Під час проекту зроблений огляд видів тепло відбиваючої ізоляції за радіаторами опалення. Найпоширенішим є пінофол - це полотно пінополіетилену закритою пористою структурою різної товщини, яке покрите алюмінієвою фольгою товщиною 0,09 мм.

Фольга наноситься методом термічної зварки і відполірована до коефіцієнта відбиття не менше 97%. Товщина поліетилену варіюється від 1,5 до 20 мм. Пінофол фольгований як відбиваюча ізоляція не тільки дозволяє вдягнути інженерні комунікації в «естетичну упаковку», а й запобігає теплові втрати, (фольга слугує дзеркалом, що відображає тепло), це збільшує термін служби обладнання, захищає від електромагнітного та теплового випромінювання.

Пінофол фольгований застосовується для тепло і пароізоляції огороджувальних конструкцій будівель, повітря - відводів, зовнішніх систем холодного і гарячого водопостачання, баків у випадках, коли необхідно забезпечити захист від механічних пошкоджень і ультрафіолетового випромінювання, від пилових і жирових відкладень і, для забезпечення вимог дизайну. Пінофол фольгований відображає тепловий екран за опалювальними приладами, підвищуючи ефективність роботи радіатора на 20-30%.

Виходячи з даних про тепловідбивачі, їх доцільність використання є очевидною. У приміщенні нашого освітнього закладу в деяких класних кімнатах вже впроваджені заходи щодо збереження тепла. Якщо модернізувати таким чином кожен кабінет, то можна заощадити на опаленні.

Впровадження тепловідбивачів допомагає підвищити температуру в приміщені на 2-5 градусів. Радіатори обігрівають цеглу зовнішньої стіни, так як знаходяться під вікнами. Для того, щоб підвищити коефіцієнт корисної дії обігрівача, між джерелом тепла та стіною треба розмістити спеціальний тепловідбиваючий матеріал: фольгу, яка приклеєна до теплоізолятора.

Що дає фольга для стін радіаторів? Вона діє як відбиваючий екран, саме тому дозволяє зберегти тепло та заощадити на опаленні. На рис. 3.2.1 представлено фото руху потоків теплого повітря (зроблено за допомогою тепловізора) радіатора опалення такого ж типа, що встановлено в приміщеннях нашого навчального закладу.

Для проведення експерименту щодо визначення енергоефективності теплових екранів було взято звичайну картонну коробку об’ємом 0.013м3. Подача тепла до коробки здійснювалася протягом 5 хвилин. За цей час температура в коробці досягла 18°С. Нагрівник прибрали і через 5 хвилин знову виміряли температуру, яка становила 18°С. Отже температура не змінилась.

Іншій дослід проводився з цією ж коробкою, але стінки її були вкриті фольгою завтовшки 1мм. За 5 хвилин нагрівання сухим спиртом в коробці встановилась температура 25 °С. , що вже значно більше, ніж в першому досліді. Через 5 хвилин, температура в коробці впала до 20°С, але при цьому була більша ніж 18 °С.

Можна зробити висновок, що застосування теплових екранів частково підвищує якість опалення, але не є найбільш ефективним засобом збереження тепловитрат.

У зв`язку з підвищенням тарифів на комунальні послуги доцільно розглянути питання щодо вдосконалення теплозбереження освітнього закладу.

Для дослідження ефективності утеплення приміщень було взято двоповерхову будівлю 80-х років , яка має товщину стін у 70 см. За останні 4-5 років у багатьох класних кімнатах біли замінені вікна, що значно покращило температурний режим у цих кабінетах. У 2015 році у коридорах освітнього закладу та інших приміщеннях також замінили вікна на склопакети, що значною мірою покращило ситуацію. Загальна кількість замінених вікон у двоповерховій будівлі - 24. В результаті температура у приміщенні зросла в середньому на 3- 4 °С.

З метою визначення доцільності термоізоляції будівлі був зроблений розрахунок загальної площі зовнішніх стін будівлі, що становить 810 м2. Частину цієї площі займають вікна. Розрахував окремо площу кожного вікна та помножив її на кількість вікон, було отримано результат загальної площі вікон – 130 м2. Таким чином, площа будівлі, яку потрібно покрити теплоізоляцією для утеплення становить 680 м2.

Найбільш поширенішим матеріалом, що використовується для теплоізоляції, є пінопласт. Для підтвердження ефективності теплоізоляції з пінопласту проведений наступний експеримент: коробку з пінопластом нагрівали з середини описаним у розділі 2 методом (рис. 3.3.1).

Початкова температура становила 18°С. Отримані результати показали, що повітря в коробці без пінопласту нагрілося до 22°С, а в коробці з пінопластом до 27°С . Градієнт температур становив 4°С та 9°С відповідно.

Таким чином, в рамках проєкту про енергоефективність приміщень можна зробити висновок, що пінопласт як «утримувача» тепла підвищує ефективність опалення у 2 рази.

На підставі дослідів, описаних в розділу 3 , можна зробити висновок, що застосування таких простих матеріалів, як фольга та пінопласт, дають можливість підвищити енергоефективність опалення.

Огляд міжнародного та українського досвіду з показує, що забезпечення енергоефективністі будівель є одною з актуальних проблем сьогодення. Основними шляхами забезпечення енергетичної ефективності будівель є стимулювання зменшення споживання енергії у будівлях та забезпечення термомодернізації будівель.

Проведені дослідження в рамках дослідницької роботи з визначення енергоефективності різних типів електроламп показали, що встановлення світлодіодних ламп забезпечує зменшення споживання електроенергії у приміщеннях навчального закладу.

Результати експериментів з підтвердження теплоізолюючого ефекту різних матеріалів в рамках проєкту з фізики свідчать про те, що застосування теплових екранів частково підвищує якість опалення, але не є найбільш ефективним засобом збереження тепловитрат.

Проведені дослідження показали, що найбільш ефективним методом заощадження теплової енергії в приміщеннях є заходи з термомодернізації будівлі.

Таким чином, по завершенні науково-дослідницької роботи в рамках проєкта з фізики про енергоефективність приміщень підвищення енергоефективності у приміщеннях освітнього закладу повинно забезпечить такий мікроклімат, де не буває протягів, завжди хороша ізоляція (згідно з розрахунками), відсутні містки холоду, встановлені двокамерні теплозберігаючі вікна з ізольованими профілями, є вентиляційна установка з високоефективною рекуперацією тепла, будівля має певну герметичну оболонку... І найголовніше, що у ній завжди світло, тепло, комфортно усім школярам і педагогам без винятків у будь-яку пору року.

1. Закон України від 22 червня 2017 року № 2118-VIII "Про енергетичну ефективність будівель"
2. Мукумов Р. Энергосервис по европейски и порусски [Електронний ресурс] / Ремир Мукумов. 29.04.13.
3. Юрковська Н.Р. Енергоефективність будівель як важливий фактор сучасного будівництва[Електронний ресурс].
4. Енциклопедія юного фізика.//, 1996
5. Кроки, які збільшать енергоефективність житла. [Електронний ресурс].

Фото експерименту: