Моніторинг економічності різних видів опалення у житлових приміщеннях

Муніципальне автономне загальноосвітній заклад

середня загальноосвітня школа № 5 з поглибленим

вивченням хімії та біології

Дослідження на тему:

«Моніторинг економічності різних видів опалення у житлових приміщеннях»

м. Стара Русса 2009 рік.

Зміст

Введення

Теоретична частина

Практична частина

Висновок

Література

1.Вступ

Актуальність теми.

З настанням холодів проблема опалення нагадує про себе все частіше і частіше. Чим опалювати свій будинок, щоб зробити його максимально комфортним і економічним для житла?

Ми витрачаємо дуже велику суму грошей за комунальні послуги, не припускаючи, що це може обходитися набагато дешевше.

Основна мета опалення - створення теплового комфорту в приміщеннях, тобто теплових умов, сприятливих для життя діяльності людини. Тепловий комфорт у холодну пору року забезпечується, якщо підтримувати певну температуру повітря в приміщенні, температуру внутрішньої поверхні зовнішніх огороджень і поверхні опалювальних установок.

Мета:

Виявити найбільш економічний вид опалення житлових приміщень.

Завдання

1) Розрахувати кількість теплоти, яка необхідна для опалення:

А) трикімнатної квартири

Б) Будинки з газовим опаленням

В) Будинку з пічним опаленням

2) З'ясувати оплату опалення за 6 місяців.

3) Провести порівняльний аналіз різних систем опалення.

4) Рекомендації за видами опалення.

Методи дослідження:

1. Вивчення наукової літератури.

2. Висновок формул.

3.Сравнітельний аналіз отриманих результатів.

2. Теоретична частина

2.1 Історична довідка

Серед тих, хто вніс значний внесок у розвиток ідей термодинаміки, були Б. Томпсон (граф Румфорд), Р. Майєр і Дж. Джоуль.

Заслугою Томпсона є спростування існувала в XVIII ст. теорії "теплотворний рідини", яка перетікає з одного тіла в інше при нагріванні чи охолодженні. При цьому (за аналогією з плином води) повна кількість теплотворний рідини повинна зберігатися. Спостерігаючи сильне нагрівання, як прагнув у результаті свердління стволів гармат на збройовому заводі, Томпсон зауважив, що це неможливо пояснити перетіканням теплотворний рідини від інших тіл, тим більше що ефект накопичувався, тобто теплота якимось чином генерувалася. Він спробував провести кількісні експерименти. В одному з них для охолодження свердла використовувалася вода. Томпсон вимірював зростання температури води аж до кипіння і, як він згадував, "зауважив здивований вираз обличчя оточуючих, коли вони побачили, що вода закипіла без всякого вогню". Томпсон прийшов до висновку, що теплота не є матеріальною субстанцією, оскільки досвід свідчив, що кількість цієї субстанції може необмежено зростати. Він висловив припущення, що нагрівання було результатом тієї роботи, яку здійснювали сили тертя.

Важливий, але, на жаль, не оцінена сучасниками внесок у встановлення закону збереження енергії в додатку до теплових процесів вніс німецький лікар Р. Майєр. Саме він, порівнюючи колір венозної крові у людей, що живуть на півночі і на півдні, першим з певністю висловив твердження, що теплота є просто інша форма енергії.

Пристрій, за допомогою якого Дж. Джоуль в 1847 р. довів, що механічна та теплова енергія можуть переходити з однієї форми в іншу, і виміряв механічний еквівалент кількості теплоти, складалося з двох масивних тіл масами М / 2, підвішених на нитках так, що при своєму русі вниз з висоти h вони розкручували систему занурених у воду легких лопатей. Посудина з водою був теплоізольований. Таким чином, нагрівання маси m води можна було віднести за рахунок механічної роботи, досконалої обертовими лопатями, які, у свою чергу, отримували кінетичну енергію обертання за рахунок зміни потенційної енергії опускаються вантажів. Якщо визнати справедливість закону збереження енергії в будь-яких формах, то механічна робота повинна дорівнювати кількості теплоти, витраченої на нагрівання води:

A = dU = М gh = Q = cVmdT.

Джоуль порівняв значення A в Дж (сам Джоуль вживав, звичайно, інші одиниці роботи) і Q в калоріях, які є застарілими одиницями вимірювання кількості теплоти (1 ккал дорівнює тій кількості тепла, що його потрібно, щоб нагріти 1 кг води на 1 ° С в інтервалі від 14,5 до 15,5 ° С). Отриманий Джоулем результат (1 кал = 4,15 Дж) дещо відрізнявся від відомого тепер:

1 кал = 4,186 Дж.

Проте слід визнати, що для свого часу точність досвіду Джоуля була дуже високою.

2.2 Внутрішня енергія

Однією з основних величин, що використовуються в термодинаміці, є внутрішня енергія тіла. Внутрішня енергія - це енергія руху і взаємодії частинок (молекул), з яких складається тіло.

При цьому ми виключаємо з розгляду механічну енергію тіла, як єдиного цілого. (Вважаємо, що тіло нерухомо в даній системі відліку і потенційна енергія його взаємодії з іншими тілами дорівнює 0).

Внутрішня енергія макроскопічного тіла дорівнює сумі кінетичних енергій безладного руху всіх молекул (або атомів) тіла і потенціальних енергій взаємодії всіх молекул одна з одною.

Формула для внутрішньої енергії для ідеального газу:

Або

де i - число ступенів свободи.

Число ступенів свободи - це число можливих незалежних напрямків руху молекули.

Внутрішня енергія одноатомного газу:

або

Внутрішня енергія двоатомних газу:

Або

Існує два способи зміни внутрішньої енергії системи: теплопередача і здійснення роботи.

Теплопередача - процес передачі енергії від одного тіла до іншого без учинення роботи.

Мірою передачі енергії є кількість теплоти.

Кількість теплоти, що отримується тілом, - енергія, що передається тілу з поза в результаті теплопередачі.

2.3 Теплопередача

Теплопередача (теплообмін) - це процес обміну енергією між системою і оточуючими її тілами; при цьому немає зміни зовнішніх параметрів стану системи (P, V, T). Теплопередача здійснюється або шляхом безпосередньої взаємодії частинок системи з частинками середовища при їх випадкових зіткненнях (теплопровідність, конвекція), або шляхом обміну електромагнітним випромінюванням (випромінюванням). Наприклад, при зіткненні "холодного" і "гарячого" газів молекули нагрітого газу передають енергію (при випадкових зіткненнях) молекулам холодного газу. Вода в морі в денний час прогрівається (отримує енергію) за рахунок випромінювання, що посилається Сонцем. Енергія, отримана або віддане системою в процесі теплопередачі, називається кількістю тепла. Кількість тепла Q вимірюється в Джоулях (Дж) і є величиною скалярної. Q> 0 (позитивна величина), якщо система отримує тепло;

Q <0 (негативна величина), якщо система віддає тепло.

1. Нагрівання та охолодження речовин. Питома теплоємність речовини

Нагрівання - процес, при якому при підводі кількості тепла Q температура речовини (твердого тіла, рідини або газу) лінійно підвищується (рис. 1). Кількість тепла, необхідне для нагрівання речовини масою m, визначається за формулою

Q = cm (t ​​1 - t 2)

де t1 і t2 - початкова і кінцева температури нагріву; с - питома теплоємність речовини.

Охолодження - процес, при якому при відведенні кількості тепла Q температура речовини лінійно знижується.

Питома теплоємність речовини - величина, що дорівнює кількості тепла, необхідного для нагрівання одиниці маси речовини на один градус. Питома теплоємність вимірюється в К (К - градус за шкалою Кельвіна). 2. Плавлення і кристалізація. Питома теплота плавлення.

Плавлення - процес перетворення твердого тіла в рідину. Цей процес для різних речовин відбувається при певній температурі плавлення. Поки тверде тіло не розплавиться температура плавлення tпл залишається постійною.

Зворотний процес, при якому рідина переходить в тверду фазу, називається кристалізацією. Кількість тепла Q, яка потрібна для плавлення речовини масою m, можна розрахувати як

Q = lm

де l - питома теплота плавлення. Питома теплота плавлення дорівнює кількості тепла, необхідного для розплавлення одиниці маси речовини. Вимірюється величина l в Джоулях на кілограм.

3. Пароутворення і конденсація. Питома теплота пароутворення

Пароутворення (кипіння) - процес перетворення рідини на пару. Цей процес для різних рідин відбувається при конкретній температурі кипіння. Поки рідина кипить, температура кипіння t кип залишається незмінною.

Зворотний процес, при якому пар переходить в рідину, називають конденсацією.

Кількість тепла, необхідний для перетворення рідини масою m в пар:

Q = rm

де r - питома теплота пароутворення

Питома теплота пароутворення дорівнює кількості тепла, яке потрібно для перетворення одиниці маси рідини в пар. Величина r вимірюється в Джоулях на кілограм.

4. Горіння палива. Питома теплота згоряння

Кількість тепла, що виділяється при згорянні палива масою m розраховується за формулою:

Q = qm

де q - питома теплота згоряння палива.

Питома теплота згоряння палива q чисельно дорівнює кількості тепла, виділеного при згорянні одиниці маси палива. Величина q вимірюється в Джоулях на кілограм.

2.4 Теплові мережі

Для опалення житлових будинків використовують тепломережі.

Теплова мережа - це система міцно і щільно з'єднаних між собою учасників теплопроводів, за якими теплота за допомогою теплоносіїв (пари або гарячої води) транспортується від джерел до теплових споживачам.

Основними елементами теплових мереж є трубопровід, що складається із сталевих труб, з'єднаних між собою за допомогою зварювання, ізоляційна конструкція, призначена для захисту трубопроводу від зовнішньої корозії та теплових втрат, і несуча конструкція, яка сприймає вага трубопроводу і зусилля, що виникають при його експлуатації.

Найбільш відповідальними елементами є труби, які повинні бути достатньо міцними і герметичними при максимальних тисках і температурах теплоносія, мати низьким коефіцієнтом температурних деформацій, малою шорсткістю внутрішньої поверхні, високим термічним опором стінок, що сприяє збереженню теплоти, незмінністю властивостей матеріалу при тривалій дії високих температур і тисків .

Постачання теплотою споживачів (систем опалення, вентиляції, гарячого водопостачання і технологічних процесів) складається з трьох взаємопов'язаних процесів: повідомлення теплоти теплоносія, транспорту теплоносія і використання теплового потенціалу теплоносія. Системи теплопостачання класифікуються за такими основними ознаками: потужності, виду джерела теплоти і виду теплоносія.

За потужністю системи теплопостачання характеризуються дальністю передачі теплоти і числом споживачів. Вони можуть бути місцевими та централізованими. Місцеві системи теплопостачання - це системи, в яких три основних ланки об'єднані і знаходяться в одному або суміжних приміщеннях. При цьому отримання теплоти і передача її повітрю приміщень об'єднані в одному пристрої і розташовані в опалювальних приміщеннях (печі). Централізовані системи, в яких від одного джерела теплоти подається теплота для багатьох приміщень.

По виду джерела теплоти системи централізованого теплопостачання поділяють на районне теплопостачання та теплофікацію. При системі районного теплопостачання джерелом теплоти служить районна котельня, теплофікації-ТЕЦ.

По виду теплоносія системи теплопостачання діляться на дві групи: водяні і парові.

Теплоносій - середовище, що передає теплоту від джерела теплоти до нагрівальних приладів систем опалення, вентиляції і гарячого водопостачання.

Теплоносій отримує теплоту в районній котельні (або ТЕЦ) і по зовнішніх трубопроводах, які носять назву теплових мереж, надходить в системи опалення, вентиляції промислових, громадських і житлових будівель. У нагрівальних приладах, розташованих усередині будівель, теплоносій віддає частину акумульованої в ньому теплоти і відводиться по спеціальних трубопроводах назад до джерела теплоти.

У водяних системах теплопостачання теплоносієм є вода, а в парових - пар. У Білорусі для міст і житлових районів використовуються водяні системи теплопостачання. Пар застосовується на промислових майданчиках для технологічних цілей.

Але в нашій країні багато будинків, які мають пічне опалення їх опалюють дровами, вугіллям або встановлюють спеціальні газові котли.

Практична частина

Опис досвіду:

Розрахуємо обсяг у 3-х кімнатній квартирі та будинку:

1. Розрахуємо маси повітря в кожній кімнаті:

(P = 1,29 кг / м)

2. Обчислимо внутрішню енергію.

4.Рассчітаем кількість теплоти, яка необхідна для нагрівання приміщення на 25С.

Q = cm (t ​​1 - t 2) (з = 1,01 кДж / кг * К)

5.Рассчітаем внутрішню енергію, яку придбав повітря при нагріванні на 25С.

U 2 = Q + U 1

6.Рассчітаем кількість палива, необхідного для нагрівання цієї маси повітря за 1 день.

U 2 = qm

M = U 2 / q

Питома теплота згоряння:

А) кам'яне вугілля q = 29 МДж / кг

Б) СН4 (метан) q = 44 МДж / кг

В) дерево q = 13 МДж / кг

7.) Розрахуємо кількість необхідного палива з урахуванням того, що опалювальний сезон триває 6 місяців. (N = 180 днів)

M = N * m (M-маса палива за 6 місяців)

8.) Розрахунок вартості, Ц = N * M * ц (ц-ціна 1 кг палива)

№ 1. Таблиця обсягів. Обчислимо обсяг кожної кімнати, знаючи її площа і висоту.

№ 2. Таблиця мас. Вирахуємо масу знаходиться повітря в кожній кімнаті по формулі: m = V * p (де p повітря = 1, 29 кг/м3)

№ 3. Внутрішня енергія. Розрахуємо внутрішню енергію (первісну) за формулою:

, (Де p - Па)

№ 4. Кількість теплоти. Вирахуємо кількість теплоти, необхідну для обігріву кімнат за формулою:

Q = cmT

T = 25К,

m - маса повітря в кімнатах,

з пов .= 1,01 * Дж / кг * К

№ 5. Таблиця внутрішньої енергії (кінцевої). Розрахуємо внутрішню енергію за формулою:

U 2 = Q + U 1

№ 6Табліца маси палива.

№ 7Табліца вартості

№ 8 Таблиця переплати за опалення. Нехай 100% - вартість самого економічного виду опалення (газу), тоді:

Висновок

У результаті отриманих даних можна зробити висновок:

1.) Люди живуть у приватних будинках з газовим опаленням платять за опалення найменше. З цього випливає, що цей вид найбільш економічний. Це пояснюється тим, що вони в будь-який момент можуть включити і відключити свою систему опалення. Йде економія палива.

2.) Проживають у багатоповерхових будинках з центральним опаленням платять за опалення майже в 2,5 рази більше, ніж у приватних будинках з газовим опаленням. Це можна пояснити, що вони оплачують всі теплові втрати в тепломережах. Але при наявності лічильників на опалення вони б платили набагато менше.

3.) У будинках опалювальних дровами і кам'яним вугіллям ми переплачуємо у 2-2,4 рази. Такий вид опалення не економічний.

Література

1. Р. «Фейнмановськие лекції з фізики» Фейнман, Р. Лейтон, М. Сендс 1976р.

2. «Елементарний підручник фізики» - Наука під ред. Академіка Г.С. Ландсберга 1971р.

3. Перельман Я. И. «Цікава фізика» 1999р.

4. Енциклопедії «ФІЗИКА» і «ТЕХНІКА» - Москва: Аванта +, 2001р.

5. «ПРАКТИКУМ З Інформатика та інформаційні технології» - Москва: Угринович М., Михайлова Н., Богова Л.