Пояснювальна записка до презентації на конкурсну роботу по Енергозбереженню

Про матеріал

Пояснювальна записка до презентації конкурсної роботи з енергозбереження. Подано обгрунтування іноваційного заходу по виготовленню будівельного матеріалу нового зразка.

Перегляд файлу

Міністерство освіти і науки України

Департамент освіти і науки Запорізької облдержадміністрації

Науково-методичний центр професійно-технічної освіти

у Запорізькій області

Творча робота на обласний конкурс учнівських робіт
«Мій погляд на енергозбереження».

«Зменшення втрат теплової енергії у капітальних спорудах житлового та нежитлового призначення».

Автор: Литвинов Анатолій Григорович

учень ІІІ курсу

ДНЗ «Михайлівське ВПУ»

Консультант: Дудченко Олександр Віталійович

викладач спеціальних дисциплін

ДНЗ «Михайлівське ВПУ»

Підготував:

Зміст

Вступ

Розділ 1. Дослідження явища розсіювання теплової енергії в конструкціях промислових та цивільних споруд.

Розділ 2. Порівняльна характеристика природних матеріалів з огляду

зниження розсіювання теплової енергії у навколишнє середовище.

Розділ 3. Висновки та технічні пропозиції.

Список джерел.

Вступ

На сьогодні питання збереження та раціонального використання енергетичних ресурсів для людства мають неабияке значення. З огляду висновків фахівців міжнародних організацій стає зрозумілим: запаси невідновлювальних джерел енергії постійно скорочується, що спонукає мешканців Землі відшукувати нові енергетичні джерела.

Активно ведуться дослідження та впроваджуються технологічні розробки в напрямках використання сонячної енергії, енергії повітряних мас, енергії припливів. Питання забезпечення людства якісною питною водою, переробки та утилізації продуктів життєдіяльності вимагають значних витрат енергії, які можуть бути залучені тільки з відновлювальних джерел.

Найкращі фахівці планети працюють над зменшенням енергоємності промислового та технологічного обладнання, удосконаленням виробничих процесів з тим, щоб відійти від використання вуглеводневих джерел енергії та зменшити шкідливі викиди в атмосферу за рахунок новітніх технологій очищення.

Ця нескінченна боротьба за енергію займатиме пріоритетне місце в багатьох поколінь, що населятимуть нашу планету.

Та як би не змінювалися умови для життя, енергетичне забезпечення існування людства, на мою думку, стане дієвим активатором у дослідницькій та творчій роботі у сфері енергозабезпечення та енергозбереження. Саме ці напрямки гарантуватимуть людству комфортне існування та розвиток.

Розділ 1. Дослідження явища розсіювання теплової енергії в конструкціях промислових та цивільних споруд.

Експлуатація промислових споруд та житлових комплексів з огляду енергозбереження має ряд характерних особливостей. Використання матеріалів, які мають великий коефіцієнт теплопровідності, не дозволяє ефективно розподіляти та утримувати згенеровану теплову енергію у внутрішньому об’ємі приміщень.

За часів надлишку енергоносіїв мало хто звертав увагу на питання теплопровідності матеріалів, що використовувалися в будівництві, та схеми забезпечення капітальних будівель тепловою енергією. Опалення забезпечувалося котлами з великою витратою вуглеводнів та низьким ККД; теплоенергомережі , як, до речі, і сьогодні, мають значний відсоток розсіювання теплової енергії у навколишнє середовище з огляду неналежної теплоїзоляції, значних відстаней між ТЕЦ та споживачами, а також великої кількості протікань теплоносія.

В даній роботі не розглядалися питання підвищення ефективності генерації теплової енергії. На сьогодні існує багато технологічних рішень щодо вирішення цього питання за рахунок використання низькопотенціальної енергії, сонячних колекторів, кавітаційних теплогенераторів та іншого устаткування. Теплогенеруючі компанії поступово змінюють підходи щодо розташування теплогенеруючого обладнання, розміщюючи його безпосередньо біля об’єктів, які є споживачами теплової енергії. Розробляються та впроваджуються заходи, спрямовані на зменшення відсотка втрат тепла на тепломережах.

Сучасне бачення та технологічні рішення щодо виготовлення приладдя для опалювальних систем надають можливість більш ефективно розподіляти теплоносій та якісно розсіювати теплову енергію в приміщеннях будівель.

Синтез сучасних матеріалів на основі пінополімерів дозволяє повною мірою боротися з втратами тепла через несучі конструкції будівель та їх конструктивні складові (дахи, перекриття, фундаменти).

Застосування нових матеріалів для виготовлення вікон та дверей дозволило значною мірою знизити втрати теплової енергії через технологічні отвори будівель (вікна та двері).

Ахіллесовою п’ятою будівель залишаються стіни, які конструктивно складаються з матеріалів, що мають велику теплоємність та у великих обсягах розсіюють тепло.

Зрозуміло, що на час будування споруд інших будівельних компонентів у використанні не було, та все одно на сьогодні це не може бути виправданням щодо неефективної, з точки зору енергозбереження, експлуатації будівельного фонду (як виробничого так, і житлового призначення).

Слід зауважити, що під час дослідження проблеми енергозбереження при використанні пінобетонних конструкцій я зіткнувся з такою особливістю цих конструктивних елементів будівель: при наданні пінобетону властивостей низької теплопровідності починаємо програвати в міцності і, навпаки, якщо надаємо конструктиву розрахункової міцності, зменшується термічний опір стін.

Останнім часом значне поширення в оздоблювальних роботах на фасадах будівель отримали пінополіуретанові блоки та сендвічі. На мою думку, непогане рішення, але використання цього способу утримання тепла має певні негативи - підвищену пожежну небезпеку. При виникненні займань порожнина, у якій перебуває пінополіуретанова плита, працює як димохід, тобто активує процес плавки та горіння цього матеріалу і не дозволяє гасити ефективно пожежу.

З огляду вищевикладеного слід визнати, що ефективність використання згаданих матеріалів для енергозбереження дуже сумнівна, бо не вирішує низку побічних питань, які пов’язані з належним чином організованою експлуатацією споруд.

Аналізуючи процес збільшення температури у внутрішньому об’ємі приміщення, слід виділити ряд характерних особливостей. Температура в будівлі поширюється від розсіювачів (батарей або калориферів) у газове середовищ, тобто у внутрішній простір приміщення. Далі теплова енергія розподіляється відповідно до теплоємності та теплопровідності до усіх тіл, які знаходяться і цьому об’ємі, включаючи стіни. Комфортна температура газового середовища внутрішнього об’єму в межах санітарних норм (25-28 ºС) буде досягнута в тому випадку, коли усі тіла, які знаходяться в цьому об’ємі, матимуть приблизно однакову температуру, тобто матеріал стін повинен накопичити у своїй структурі величину температури, рівну комфортній. Нижче показано втрати теплової енергії, яка розсіюється через стіни, вікна, підлогу та інші конструктиви (Рис. 1).

Электрические радиаторы (батареи) отопления: обзор и советы по выбору

Рисунок 1. Модель розсіювання теплової енергії через конструктиви будівлі.

Тобто для зменшення теплоємності будівлі та теплорозсіювання в навколишнє середовище необхідно знайти спосіб, який виключав би несучі конструкції з системи перерозподілу теплової енергії. Звісно, забезпечити зменшення втрат через віконні блоки дуже важко. Тобто суттєвих змін у конструкції вікон, які б регулювали теплопровідність у цьому сегменті, досягнути на сьогодні дуже важко. Тому основну увагу необхідно сконцентрувати на варіаціях конструкції стін та матеріалів, які входитимуть до їх складу.

Осмислення питання розсіювання теплової енергії я розпочав із вивчення фізичних процесів, які протікають у середовищах із різними величинами температур. У низці наукових джерел, одним з яких є Навчальний посібник «ТЕОРІЯ ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ» під редакцією Гільчука А.В та Халатова А.А Київ 2017, я з’ясував, що одним із методів зниження величини енергії, яка розсіюється у навколишнє середовище, є наявність декількох границь теплорозподілу між тілами з різними температурами. Значний ефект досягається у тому випадку, коли погранична зона на шляху поширення теплової енергії має дуже малу теплопровідність. Саме з цією метою зовнішня сторона стін на більшості будинків обшивається пінополіуретановими плитами.

Однак зовнішнє облицювання стін пінополіуретановими плитами не вирішує кінцевої мети щодо вилучення стін із циклу перерозподілу теплової енергії у будівлі, але ідея створення пограничної зони з великим термічним опором доволі приваблива.

Розділ 2. Порівняльна характеристика природних матеріалів з огляду

зниження розсіювання теплової енергії у навколишнє середовище.

Для вирішення питання щодо виключення основного конструктиву – стін з процесу перерозподілу теплової енергії необхідно передбачити в конструкції будівельного блоку дві пограничні області з мінімальним теплообміном. Ці області мають виключати стіну з циклу внутрішнього перерозподілу тепла (нагріву) та циклу розсіювання його у навколишнє середовище назовні.

На рисунку 2 подано макет будівельного стінового блока.

Рисунок 2. Макет будівельного стінового блока.

Для підбору необхідного матеріалу проведемо порівняння характеристик будівельних матеріалів. При конструюванні та розрахунках будівельних конструкцій користуються поняттям термічний опір шару огороджуючої конструкції [1]:

(1)

де δ-товщина шару матеріалу , м.

λ- розрахунковий коефіцієнт теплопровідності матеріалу, .

Для порівняння виберемо найбільш поширені будівельні матеріали. На рисунку 3 подано величини теплоємностей різних будівельних матеріалів [2].

Рисунок 3. Теплоємності будівельних матеріалів.

Як експериментальний матеріал виберемо речовину вуглець, а точніше звичайну сажу, яка у великій кількості є побічним кінцевим продуктом роботи теплових установок, що спалюють вуглеводи. Для даної речовини характерним агрегатним станом є дрібна фракція, яка не дуже гарно поглинає вологу, не підтримує горіння та

має коефіцієнт теплопровідності λ=0,0698 . [3]

Таблиця 1.Теплові параметри вуглецю.

Теплопроводность измельченного графита - таблица

Розрахуємо величину термічного опору для даного матеріалу, приймаючи товщину шару на рівні δ=5 см= 0,05 м як у пінополістерола. Використаємо для розрахунку формулу (1):

Таблиця 2. Порівняльна характеристика ізоляційних матеріалів.

Назва матеріалу

Товшина шару δ,м.

Коефіцієнт теплопровідності λ, .

Опір шару огороджуючої конструкції

Пінополістерол

0,05

Вуглець

0,05

0,068

0,72

Порівнюючи величини коефіцієнтів теплопровідності та опору шару огороджувальної конструкції пінополістерола, що так широко застосовується, та вуглецю, бачимо переваги останнього (вуглеця). Даний матеріал має меншу теплопровідність та більший опір розсіюванню тепла у зразках однієї товщини.

Розділ 3. Висновки та технічні пропозиції.

З огляду проведеного розрахунково-дослідницького порівняння будівельних матеріалів можна зробити висновок, що застосування поширеного у природі матеріалу – вуглецю, у реалізації бар’єрного опору розсіювання теплової енергії через товщу несучих стін надасть можливість у значній мірі скоротити втрати теплової енергії . Ідея полягає в тому, що для забезпечення найменшої величини втрат теплової енергії на заводі-виготовнику будівельних піноблоків останні варто оснащувати двома вуглицевими «подушками» з внутрішньої та зовнішньої сторони блока. Вуглець (сажу) необхідно спекти до стану пористого матеріалу та поєднати з блоком на етапі формування його при виготовленні. На мою думку, це дозволить, по-перше, не давати несучим конструкціям знижувати рівень комфортної температури у приміщеннях за рахунок значного відводу тепла на нагрів у початковій стадії опалення будівлі та, по-друге, зменшити до мінімуму розсіювання теплової енергії у навколишній простір.

Модель блоку, поданого раніше на рисунку 2, беремо за основу.

Розрахунок товщини шару теплової «подушки» можна змінювати відповідно до температурних діапазонів зони, для якої вони мають використовуватися. Дана ідея адаптивна для споруд, що зводяться сьогодні. Раніше збудовані будівлі можна оснащувати подібними конструктивами (мається на увазі вуглицевими «подушками») при виконанні капітальних ремонтів.