«Анализ отопительной системы "Школы Дипломат" и способы устранения её возможных недостатков»

Частное образовательное учреждение «Школа «ДИПЛОМАТ»

Исследовательская работа по теме

«Анализ отопительной системы "Школы Дипломат"

и способы устранения её возможных недостатков»

выполнил: ученик 8 класса

Сукачёв Александр Кириллович

Руководитель: учитель физики

Сергеева Ирина Викторовна

Санкт-Петербург, 2020 год.

Оглавление

Введение.

На протяжении всего своего существования человечество (особенно в северных регионах планеты) всегда задумывалось о создании способов отопления своего жилища.

Наиболее древним способом отопления жилищ является костер. С того момента как древние люди смогли разводить огонь, началась эра отопления жилищ. Со временем способы отопления эволюционировали. Люди строили небольшие дома и создавали «туннели» под домами. Тем самым, при разведении костра, теплый воздух опускался вниз и проходил по этим «туннелям» подогревая пол и само жилище.

Сейчас разрабатываются всё новые и новые технологии и материалы для совершенствования отопительных систем для разных климатических и бытовых условий. В нашей работе мы покажем, чем разные современные отопительные системы отличаются друг от друга и в чем их достоинства и недостатки.

Проанализируем систему отопления в помещении частной школы Дипломат, рассмотрим её особенности, достоинства и недостатки. Анализ её позволит нам предложить способы корректировки имеющихся недостатков.

Таким образом, целью нашей работы является анализ отопительной системы ЧШ Дипломат и способы устранения её возможных недостатков.

Предметом изучения является работа отопительной системы ЧШ Дипломат.

Способы реализации цели:

Изучение информации по видам отопительных систем в различных источниках и её анализ

Анализ недостатков отопительной системы в ходе проведения экспериментов и анализа опроса учащихся

Разработка способов устранения недостатков отопительной системы

Проанализировав возможные способы устранения недостатков, планируем создание рекомендаций по улучшению микроклимата в помещении.

⸹1. Современные способы отопления жилых зданий

Рассмотрим основные способы отопления зданий сегодня в зависимости от теплоносителя, который используется.

1. Водяное отопление. Главным компонентом системы водяного отопления является котел. Такое устройство необходимо для того чтобы нагревать воду. Вода является в таком виде отопления теплоносителем. Она циркулирует по трубам замкнутого типа, а потом тепло передается в различные отопительные компоненты, а от них уже обогревается все помещение.

2 . Воздушное отопление дома. Обычно данный способ используют в частных домах, в подвале стоит котел, который нагревает воздух, тем самым он поднимается вверх по трубам. Далее он по трубам идет ко всем комнатам в доме. В системах воздушного отопления нагревание воздуха происходит за счет калориферов. Первичным теплоносителем для таких компонентов является горячий пар или вода.

3. Электрическое отопление. Холодный воздух, который находится в нижней части здания, проходит через нагревательный компонент конвектора. Затем его объем увеличивается и он уходит вверх через выходные решетки. Обогревательный эффект имеет место и благодаря дополнительному излучению тепла с передней стороны панели электрического конвектора. Уровень комфорта и экономичность такой обогревательной системы достигается благодаря тому, что в электрических конвекторах применяется электронная система, которая помогает поддерживать определенную температуру. Нужно всего-навсего установить необходимый температурный показатель и датчик, который установлен в нижней области панели начнет через заданный период времени определять температуру воздуха, который проникает в помещение. Датчик подаст сигнал на термостат, который в свою очередь подключит или наоборот выключит обогревательный элемент.

По видам источников и способам распределения тепла можно выделить варианты отопления:

Конвективный обогрев, при котором нагретый воздух становится более легким и поднимается вверх. На этом принципе построен каждый отопительный конвектор, независимо от того, от чего он питается. Основной недостаток конвекционного отопления радиаторами — неравномерное распределение температуры в объеме помещения. Для того, чтобы на высоте человеческого роста воздух нагрелся до комфортных 20 градусов, под потолком должно быть не меньше 25.

Теплые полы могут быть реализованы в виде труб с водой в качестве теплоносителя, в виде греющего кабеля и пленочный электрический теплый пол — это тонкая диэлектрическая подложка с нанесенными на нее токоведущими дорожками. Тёплые полы позволяют убрать разницу температур между верхом и низом помещения.

Современные технологии отопления дома позволяют использовать для нагрева теплоносителя дешевый ночной тариф на электричество. Для поддержания тепла в помещении в течение суток используется несложное приспособление — тепловой аккумулятор, теплоизолированный бак большой емкости. Во время действия более низкого тарифа теплоноситель нагревается; затем в течение дня, тепло постепенно отдается отопительным приборам.

Солнечные аккумуляторы - устройство для сбора тепловой энергии Солнца, переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением. Солнечный коллектор производит нагрев материала - теплоносителя.

Любой из этих способов отопления и любой теплоноситель имеет свои достоинства и недостатки. Поэтому необходимый вариант подбирается под конкретные условия использования.

В нашей работе рассматривается конвекционная отопительная система с водяным тепловым носителем. Такая система имеет ряд недостатков:

Потери тепла в таких системах являются обычно очень существенными. Так, при поступлении в помещение теплоноситель проходит большое расстояние, за время которого он успевает порядком остыть. Именно поэтому для поддержания комфортной температуры в жилище, требуется гораздо больший объем источника энергии по сравнению с автономным оборудованием;

Регулировать температуру нагрева практически невозможно, что обусловлено полным контролем со стороны котельной. При этом весьма часты случаи, как нехватки тепла, так и излишнего перегрева, что негативно сказывается на микроклимате в помещении;

Самовольное отключение от центрального отопления выполнять категорически запрещается, так как подобные мероприятия могут быть рассмотрены исключительно в судебном порядке;

Слишком большой градиент температур между нижними и верхними слоями воздуха, что приводит к большему потреблению тепла для поддержания оптимальной температуры.

⸹2. Нормативы по влажностному и температурному режиму в школах.

В образовательном учреждении ребенок проводит от 4 до 8 часов в день, а иногда и больше. Этого хватает для того, чтобы воздух в помещении мог повлиять на здоровье. Пониженная увлажненность способствует пересушиванию слизистых глаз и носа, а значит, создает мостик для вирусов и бактерий. Кроме того, в чрезмерно сухом воздухе летает больше пыли, провоцирующей астматические приступы и бронхоспазмы. Вследствие всех этих факторов и были разработаны санитарные нормы и ГОСТы параметров относительной влажности воздуха помещений различного назначения в общеобразовательных учреждениях, как часть комфортного микроклимата.

В соответствии с требованиями СанПиН 2.4.2.2821-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к условиям и организации обучения в общеобразовательных организациях», температура воздуха в кабинетах, лабораториях, актовом зале, столовой, рекреациях, библиотеке, вестибюле, гардеробе должна составлять 18-24°C, в спортзале, мастерских – 17-20°C, спальне, игровых комнатах, помещениях подразделений дошкольного образования – 20-24°C, медицинских кабинетах, раздевальных комнатах спортзала – 20-22°C, душевых - 24-25°C, санитарных узлах и комнатах личной гигиены – 19-21°C.

В помещениях общеобразовательных организаций относительная влажность воздуха должна составлять 40 - 60%, скорость движения воздуха не более 0,1 м/сек.

Учебные помещения проветриваются во время перемен, а рекреационные - во время уроков. До начала занятий и после их окончания необходимо осуществлять сквозное проветривание учебных помещений. Продолжительность сквозного проветривания определяется погодными условиями, направлением и скоростью движения ветра, эффективностью отопительной системы. Рекомендуемая длительность сквозного проветривания учебных помещений в зависимости от температуры наружного воздуха: от +10 до +6°C в малые перемены 4 – 10 мин., 25 – 35 мин. в большие перемены; от +5 до 0°C в малые перемены 3 – 7 мин., 20 – 30 мин. в большие перемены; от 0 до -5°C в малые перемены 2 – 5 мин., 15 – 25 мин. в большие перемены; от -5 до -10°C в малые перемены 1 - 3 мин., 10 - 15 мин. в большие перемены; ниже -10°C в малые перемены 1 - 1,5 мин., 5 - 10 мин. в большие перемены.

Уроки физической культуры и занятия спортивных секций следует проводить в хорошо аэрируемых спортивных залах. Необходимо во время занятий в зале открывать одно или два окна с подветренной стороны при температуре наружного воздуха выше плюс 5°C и скорости движения ветра не более 2 м/с. При более низкой температуре и большей скорости движения воздуха занятия в зале проводят при открытых одной - трех фрамуг. При достижении температуры воздуха плюс 14 °C проветривание в спортивном зале следует прекращать.

Окна должны быть оборудованы откидными фрамугами с рычажными приборами или форточками. Фрамуги и форточки должны функционировать в любое время года.

Параметры идеально комфортной среды выстраиваются в комплексе: влажность + температура воздуха + скорость движения воздуха. И только в едином ансамбле они создают необходимый микроклимат в помещении.

Воздействие комплекса микроклиматических факторов отражается на теплоощущении человека и обусловливает особенности физиологических реакций организма. Жизнедеятельность каждого индивидуума сопровождается непрерывным выделением теплоты в окружающую среду. Ее количество зависит от степени физического напряжения, то есть энергозатрат в определенных климатических условиях и составляет от 50 Вт  в состоянии покоя до 500 Вт  при физических нагрузках. Для того чтобы физиологические процессы в организме протекали нормально, выделяемая организмом теплота должна полностью отводиться в окружающую среду. Нарушение теплового баланса может привести к перегреву либо к переохлаждению организма и, как следствие, к потере трудоспособности, быстрой утомляемости, потере сознания и тепловой смерти. Температурные воздействия, выходящие за пределы нейтральных колебаний, вызывают изменения тонуса мышц, периферических сосудов, деятельности потовых желез, теплопродукции. В плохом микроклимате часто возникают аллергические заболевания и расстройства центральной нервной системы.

⸹3. Характеристика отопительной системы ЧШ Дипломат.

З дание ЧШ Дипломат подключено к центральной отопительной системе города. В основе принципа работы центральной отопительной системы — принцип циркуляции горячей воды (или пара) по трубам подачи и обратным трубам, которые могут быть с верхним или нижним розливом. В здании школы обе указанные трубы расположены в подвале дома.

После установки задвижек и грязевиков ставят главный узел все отопительный системы — элеватор. Его функция — остужать перегретую с ТЭЦ воду до оптимальной температуры. Дело в том, что вода, поступающая в ТЭЦ для нагрева, перегревается до слишком высокой температуры — 130-150 градусов Цельсия, а чтобы жидкость при этом не превратилась в пар, в теплосети создаётся оптимальное давление. Поэтому возникла необходимость остужать перегретую воду с помощью элеватора.

Централизованная отопительная система обладает как достоинствами, так недостатками. Среди достоинств выделяют: надёжность и качество обслуживания за счёт постоянного контроля работы системы техническими службами; сравнительно недорогое топливо; экологичное оборудование; простота в использовании. Некоторые недостатки мы уже рассмотрели в ⸹1. Ещё можно выделить следующие недостатки: перепады давления в отопительной системе; зависимость графика работы от сезонов года; дорогостоящее оборудование; отсутствие возможности самостоятельно регулировать температуру на отопительных приборах; колоссальные потери тепла в ходе его транспортировки по трубам и узлам.

Таким образом, отсутствие возможности влиять на регулировку температуры в отопительной системе, вынуждает нас находить другие способы изменения влажности и температуры воздуха в помещении.

⸹4. Температурный и влажностный режим в помещениях ЧШ Дипломат.

В школьном учреждении особенно важно придерживаться нормативов показателей СНИПа по балансу тепла и влажности. Ведь в рамках одного здания каждый день собирается большое количество детей, которые активно потребляют кислород, поэтому здесь никак не обойтись без регулярных проветриваний. Даже краткосрочные проветривания на переменах важны, ведь воздух в классе обогащается кислородом (особенно в старых зданиях школ с проблемной вентиляцией). Поддержание на протяжении всего дня занятий оптимальной температуры создаёт благоприятные условия для учебной деятельности детей. Им не жарко на занятиях физкультурой и не холодно на протяжении 40 минут урока в сидячем положении. Такие температуры можно смело назвать комфортными для ребенка.

Нормативно, оптимальная влажность воздуха в школе такая же, как и в детском саду и изменяется в пределах от 40 до 60 %. Для ее поддержания в нужных параметрах предлагается проводить регулярные проветривания:

все кабинеты – до и после учебных занятий; учебные аудитории – во время перемен; школьные коридоры – пока школьники на уроках.

Длительность каждого проветривания регулируется в зависимости от сезона и температуры воздуха на улице. При этом, конечно, происходит кратковременное снижение температуры, но оно не должно превышать 2-4 °С.

Порой в классах окна на время урока закрываются и большое количество детей – до 13 школьников оказываются в замкнутом воздушном пространстве. Это чревато для них потерей трудоспособности, снижению умственной активности.

Мы проводили измерения температуры и влажности в течение трёх недель в разных помещения. Измерения были проведены лабораторным термометром и демонстрационным гигрометром. Результаты измерений представлены в таблицах.

Таблица 1. Влажность воздуха

Таблица 2. Температура воздуха у пола с закрытыми окнами

Таблица 3. Температура воздуха у потолка (около 2 метров от пола) с закрытыми окнами

Таблица 4. Температура воздуха у пола с открытыми окнами

Таблица 5. Температура воздуха у потолка (около 2 метров от пола) с открытыми окнами

К ак видно из таблицы 1, есть несущественное превышение влажности возждуха, которая в большинстве случаев колеблется около верхней границы нормы. Как и ожидалось, в столовой влажность больше, чем в других помещениях.

Темапература колеблется в пределах нормы, но можно заметить явный градиент температуры внизу и вверху помещения. Градиент температур по высоте является важной составляющей микроклимата и не должен превышать 2 градусов. Как видно из таблиц 4 и 5, он не может быть устранён только лишь проветриванием. Кроме того, проветривание понижает среднюю температуру. А это означает, что с притоком свежего воздуха, будут колебания по средней температуре в 3-4 градуса.

Резуьтаты измерений позволяют сделать вывод о том, что в целом и температура и влажность в здании ЧШ Дипломат лежат в пределах нормы (либо немного её превышают, но в пределах погрешности измерений). Однако, микроклимат формируется не только из абсолютных показателей температуры и влажности. Важное занчение также имеет циркуляция воздуха в помещениях, которая обеспечивает выравнивание температур по вертикали. Здесь мы наблюдаем превышение нормы на 1-2 градуса. Рекомендуется, чтобы температурные градиенты по горизонтали не превышали 2, а по вертикали 2-3° С. Считают, что при таких условиях нормально одетый человек в состоянии покоя не ощущает неравномерности температуры. Превышение вертикального перепада температуры обычно связано с резким понижением температуры в нижней зоне помещения, что вызывает общее охлаждение организма и в первую очередь ног. Исследования показывают, что даже при сравнительно небольших отклонениях от зоны теплового комфорта, прежде всего, изменяются сосудистые реакции в конечностях, что вызывает нарушения физиологического равновесия всего организма. Стремление достичь комфортного теплового режима в помещениях за счет повышения температуры воздуха не дает положительных результатов, так как оно приводит к еще большим перепадам по высоте помещения.

⸹5. Генератор вынужденных конвекционных потоков и экспериментальное обоснование его целесообразности.

Д ля того, чтобы обеспечить более равномерное прогревание воздуха, мы предлагаем использовать устройство, которое мы назвали «Генератор конвекционных потоков». Оно представляет собой воздуховоды с отверстиями и вентилятором, работающим от сети. Данное устройство располагают над или под батареей.

Устройство использовалось как в прямом режиме работы (когда тёплый воздух забирался у батарей через отверстия и выдувался вентилятором), так и в обратном (когда вентилятор «забирал» воздух помещения и «прогонял» его через батарею). Результаты измерений показали, что различий в направлении циркуляции воздуха нет. Мы использовали его в кабинете 105. Измерения температуры воздуха у пола и потолка (2 метра от пола) показало, что генератор действительно практически ликвидирует градиент температур, при этом повышая среднюю температуру на 1-2 градуса.

Мощность вентилятора в устройстве 14 Вт. На площади в 10 квадратных метров выравнивание температур происходит за 0,5 часа. То есть потребляемая электроэнергия 7 Вт/ч. Для сравнения потребляемая электроэнергия электрических полов для помещения такой же площади за это же время равна 350 Вт/ч, а электрических радиаторов отопления – 50 Вт/ч.

Таким образом, если в помещении есть регулятор температуры батарей центрального отопления, то применение такого генератора поможет снизить и затраты на отопление. Минусом генератора является то, что при закрытых окнах, он не обеспечивает приток свежего воздуха с улицы, а циркулирует воздух внутри помещения. Поэтому должен использоваться в сочетании с другими средствами, например, микропроветриванием.

⸹6. Применение микропроветривания.

Микропроветривание – это специальная система вентиляции, которая позволяет свежему воздуху проникать в помещение. Особенно часто система используется зимой, когда воздух с улицы просто необходим, а открывать створки не представляется возможным из-за возникновения опасных для здоровья сквозняков. Можно назвать следующие положительные моменты при использовании системы микропроветривания:

Приток свежего воздуха без переохлаждения помещения в зимний период.

В летнее время горячий воздух не проникнет в помещение.

Защита окон от запотевания, отсутствие конденсата.

Отсутствие сквозняков.

Нормальная влажность в помещении, как следствие, отсутствие вредных бактерий, плесени и грибков.

В помещении нет застоявшегося воздуха и неприятных запахов, постоянный воздухообмен.

Окна можно оставлять открытыми в режиме микропроветривания, даже если помещение покидают надолго.

Мы посмотрели, можно ли использовать микропроветривание для дополнительной циркуляции воздуха и ликвидации температурного градиента. Для этого при окнах, стоящих на микропроветриваии, измеряли температуры у пола и потолка (на расстоянии 2 метров от пола).

Из таблицы видно, что микропроветривание не даёт выравнивания температур, хотя и сокращает разницу между температурами у пола и потолка. Кроме того, в этом случае мы имеем постепенное понижение температуры в целом, что приводит к увеличению потребления теплоносителя (в случае регулятора на батареи). Таким образом, микропроветривание хорошо использовать в тех помещениях, в которых нужно не только усилить циркуляцию воздуха, но и понизить его температуру.

⸹7. Другие возможные способы регулирования микроклимата в помещении.

О конный и стеновой клапан. Накладные и встраиваемые устройства для приточной вентиляции выполняют одинаковую функцию – открывают доступ свежим воздушным потокам в помещение. Перечисленные устройства монтируются без прокладки воздуховода и работают на подачу воздуха в одну комнату.

Вентиляционные решетки для дверей. Движение воздуха внутри помещения очень часто ограничивается закрытыми дверями. Это не позволяет р авномерно распределять как температуру, так и влажность. Одним из решений данной проблемы является использование вентиляционных решеток. Дверные системы вентиляции устанавливают зачастую внизу полотна. Количество таких элементов в большинстве случаев – не больше двух.

Заключение.

В работе мы проанализировали особенности отопительной системы частной школы Дипломат, рассмотрели её достоинства и недостатки. Среди наиболее распространённых проблем центрального отопления выделяют невозможность регулирования температуры и влажности, а также большой вертикальный градиент температур, которые все вместе определяют микроклимат в помещении. От этих параметров зависит работоспособность и физическое состояние школьников.

Среди способов, способных уменьшить недостатки отопительной системы без внесения конструктивных изменений в здание, можно выделить дополнительную вынужденную конвекцию воздуха в помещении и микропроветривание, при наличии такой возможности. Оптимальным будет сочетание этих двух способов, так как при этом мы не только выравниваем температуру по вертикали, но и создаём приток свежего воздуха.

Ресурсы, использованные при написании

Электронный фонд правовой и нормативно-технической документации. http://docs.cntd.ru/document/gost-30494-2011

Виды систем отопления. https://otoplenie-doma.org/vidy-sistem-otopleniya.html

Гид по отоплению. https://otoplenie-gid.ru/

Об утверждении СанПиН 2.4.2.2821-10 "Санитарно-эпидемиологические требования к условиям и организации обучения в общеобразовательных учреждениях. https://rg.ru/2011/03/16/sanpin-dok.html

Физика. 8 класс. А.В. Перышикин, М., 2017 год.