ЛПР № 2 для групи 52/17 з основ енергоефективності

ЛАБОРАТОРНО – ПРАКТИЧНА РОБОТА № 2.

Тема.  Засоби підвищення енергоефективності і зменшення

 викидів СО2.

Мета роботи: розглянути та дослідити джерела забруднення довкілля, стан екології в Україні, заходи, що поліпшують екологічний стан довкілля; засоби підвищення енергоефективності і зменшення викидів СО₂.

Місце проведення: навчальний кабінет, власне помешкання.

Обладнання та наочність: термометр, калькулятор, опорний конспект, ПК. Презентації та анімації «Парниковий ефект», «Засоби підвищення енергоефективності і зменшення викидів СО₂».

ХІД РОБОТИ

1. Опрацюйте теоретичний блок до ЛПР, усно дайте відповіді на питання.

2. Самостійно виконайте. («Практичний блок»).

3. Виконайте додаткове завдання. («Дайте відповіді на питання»).

4. Зробіть висновки до ЛПР.

Теоретичний блок. Парниковий ефект.

Згідно з дослідними даними, концентрація С0₂ в атмосфері за 140 років збільшилася з 0,027% до 0,033% і продовжує рости. За прогнозом концентрація вуглекислого газу в атмосфері до 2050 р. може скласти від 0,04 до 0,05%, що може призвести до підвищення середньої температури земної поверхні і нижніх шарів атмосфери на 10 °С і підйому рівня океану за рахунок танення полярних льодів на 1,5 м. Подібне явище пов’язане з так званим «парниковим ефектом», який полягає у властивості атмосфери пропускати сонячну радіацію, але затримувати земне випромінювання і тим самим сприяти акумуляції тепла Землею.

Головний внесок у формування парникового ефекту вносять водяна пара і вуглекислий газ, що містяться в атмосфері. Відомо, також, що спектр поглинання атмосфери у вікнах прозорості визначається не тільки впливом вуглекислого газу, але і таких газових компонентів, як озон, фреони і багато інших, включаючи й аерозолі.

Основною причиною росту концентрації вуглекислого газу в атмосфері є спалювання викопного палива для виробництва енергії. В даний час у такий спосіб виробляється більше 90% енергії, споживаної людиною. Щорічно людство спалює таку кількість викопного палива, яка створювалася природою більш ніж за мільйон років.

Іншою найважливішою причиною можливої зміни клімату на Землі є зменшення площі лісів. Особливу заклопотаність викликає зменшення площі лісів в Африці, Азії й особливо в Південній Америці, де зосереджено більше 55% їхньої кількості. Щорічно площа тропічних лісів у світі зменшується приблизно на 1%.

Істотний вплив на зміну клімату на Землі може зробити і збільшення кількості пилу в атмосфері, особливо дрібнодисперсних аерозолів у стратосфері, що можуть зберігатися там від декількох місяців до 1 —2 років. Нормальний шар стратосферного аерозолю складає масу порядку 0,2 млн. тон. При великих вулканічних виверженнях у стратосферу можуть виноситися десятки мільйонів тон пилу. Дрібнодисперсні стратосферні аерозолі, збільшуючи альбедо атмосфери, приводять до ефекту її охолодження. Багато дослідників пояснюють цим минулі похолодання клімату.

Зменшення викидів CO₂ за рахунок використання теплових насосів

Тепловий насос є одним із найефективніших технологій для опалення та охолодження приміщень. Вони використовують відновлювану енергію із навколишнього середовища. Повітря, грунт і вода містять корисну теплову енергію, яка постійно поповнюється сонячним випромінюванням, навіть при низьких температурах зовнішнього повітря. Тепловий насос може підвищити потенціал цієї теплової енергії до необхідного рівня, використовуючи при цьому невелику кількість електроенергії. До того ж, ТН може використовувати скидне тепло промислових процесів, охолоджуючого обладнання і вентиляційної системи будівель.

Завдяки своїй унікальній технології, тепловий насос може радикально поліпшити енергоефективність будь-якої системи опалення, в якій використовуються первинні енергоресурси. При розробці будь-якої системи теплопостачання необхідно враховувати наступні фактори:

1. Пряме спалювання є найбільш неефективним способом використання палива.

2. Якщо паливо, яке споживають котли, використовуватися для енергопостачання електричних теплових насосів, то буде потрібно на 35-50% менше палива, а скорочення викидів СО₂ складе 35-50%.

3. Якщо електричні теплові насоси працюють від системи комбінованого вироблення тепла й електроенергії, то скорочення викидів СО₂ складе близько 50%.

4. Споживання енергоресурсів і, відповідно, викиди СО₂ адсорбційних або газових теплонасосних систем на 35-50% менше, ніж у традиційних котлів.

Так як теплові насоси можна використовувати в системах опалення, гарячого водопостачання та охолодження всіх типів будинків, а також для опалення промислових приміщень, очевидно, що потенціал цієї технології дуже високий. У 1997 році світові викиди СО₂ склали 22 мільярди тон, 30% з них припадали на житловий сектор, а 35% – на промисловість.

Використання теплових насосів в системах опалення будівель дозволить скоротити викиди СО₂ на 6,6 млрд. тонн. У житлових і адміністративних будівлях скорочення викидів СО₂ складе 1 млрд. тонн, за умови, що ТН забезпечуватимуть 30% потреб в тепловій енергії, скорочуючи при цьому викиди СО₂ на 50%. Застосування ТН в промисловості дозволить зменшити викиди СО₂ на 0,2 млрд. тонн.

При збільшенні ефективності вироблення електроенергії та вдосконаленні технологій теплових насосів, можна досягти вищих показників.

  Спробуємо змоделювати парниковий ефект. Для цього вам знадобиться два термометри з однаковою шкалою. Вони повинні уміститися в банках з кришками, що закручуються. В одну банку покладіть шматочок чорного матового картону, що закриє зсередини приблизно половину банки. Термометр у банці повинен знаходитися в затемненій картоном частині. В іншій банці таким самим чином розташуйте алюмінієву фольгу. Термометр повинен також знаходитися у притіненому місці. Поставте банки на відкритому сонці одну біля одної на що-небудь, що може правити за теплоізоляційний матеріал, наприклад, на картон або дерев’яну підставку. Переко­найтеся, що термометри містяться в затемнених частинах банок.

Слідкуйте за показаннями термометра. Незабаром ви переконаєтеся, що температура піднімається швидше в банці з чорною картонкою.

Що ж відбувається? Сонячні промені, які доходять до нас, мають короткі й довгі електро­магнітні хвилі. Короткі - це світло, їх потужність більша, довгі - це теплове випромінення. Скло легко пропускає короткі хвилі (світло), але погано - довгохвильове (теплове) випромінення. У банці з алюмінієвою фольгою промені відбиваються від металу. Довжина хвиль залишається незмінною, і тому промені залишають банку так само легко, як і потрапляють в неї.

У банці з чорною картонкою сонячні промені поглинаються картонкою. Сонячна енергія нагріває картонку, її температура підвищується. Нагріта чорна картонка сама випромінює енер­гію, але довжина хвилі цих променів більша, ніж у сонячних променів, і вони не можуть вийти назовні через скло. Енергія теплового випромінювання залишається в банці, збільшуючи тем­пературу повітря в ній.

У такий же спосіб діє атмосфера Землі. За відсутності атмосфери температура на Землі була б -18⁰С.

   Клімат на нашій планеті в минулому періодично змінювався — чергувалися періоди значного похолодання (льодовиковий період) і потепління. У далекому геологічному минулому зміни клімату відбувалися хвилями: наставали то потепління, то похолодання. Такі коливання клімату підтверджують скам’янілі рештки рослин і тварин, що існували за певних умов, а також різні гірські породи. Наприклад, кам’яне вугілля могло утворюватися при теплому і вологому кліматі. Отже його поклади в Антарктиді свідчать, що колись там клімат був зовсім інший. Внаслідок похолодання клімату, що мало місце близько мільйона років тому, на Землі почався льодовиковий період. Тоді великі площі суходолу вкрилися льодовиками. Закінчився цей період лише 10–12 тис. років тому.

У даний час вчені дуже стурбовані фактом значного потепління. Серед основних причин зміни клімату - астрономічні, географічні і власне метеорологічні.

Астрономічними чинниками зміни клімату є неоднакове положення Землі відносно Сонця, зміна форми її орбіти та швидкості обертання. Вони зумовлюють збільшення чи зменшення кількості сонячної енергії, що змінює клімат у цілому. Крім того, астрономічні зміни впливають і на характер переміщення повітряних мас. Незначні зміни кількості сонячної енергії пов’язують зі змінами сонячної активності.

До географічних причин зміни клімату відносять зміни у співвідношенні площ суходолу і океану, землетруси тощо. Так, поява нових гірських хребтів змінює напрямок руху повітряних мас, що, в свою чергу, сприяє перерозподілу тепла і вологи. Під час наступу моря на суходіл клімат стає м’якшим і теплішим, а відступання моря призводить до похолодання і підвищення континентальності клімату.

Метеорологічні чинники впливають переважно на хімічний склад і масу атмосфери. Однак цей вплив тимчасовий і не спричиняє планетарних тривалих змін клімату.

Людське суспільство, особливо за останнє століття, також значно впливає на кліматичні умови Землі. Збільшуючи господарські викиди в атмосферу забруднювальних речовин, людина змінює її газовий склад. Використовуючи велику кількість різних видів енергії і розсіюючи її у повітряному просторі, людина змінює теплову рівновагу атмосфери.

Це цікаво

Через зміну клімату вимерли динозаври. Відомо, що близько 65 млн років тому на Землі зникла майже половина всіх живих істот, які тоді жили. Таке вимирання пояснюють раптовою зміною клімату. Одні вчені вважають, що клімат змінився внаслідок падіння на земну поверхню великого космічного тіла, від якого в атмосферу потрапила значна кількість пилу. Це зменшило прозорість повітря, а заразом надходження сонячного тепла. Інші вчені стверджують, що винен у зміні клімату і зникненні живих організмів вулкан, виверження якого також значно зменшило надходження сонячного світла і тепла.

У другій половині XX ст. сталися найбільші зміни клімату за останні 100-150 років. Вони характеризуються поступовим глобальним потеплінням. Наслідком цього є навіть танення льодовиків. Про підвищення температури свідчать спостереження за рівнем Світового океану, який за рік підвищується у середньому на 2 мм.

Учені прагнуть передбачити, як підвищення температури може змінити погоду і клімат у майбутньому. Для цього вони створюють комп’ютерні моделі майбутніх кліматичних умов. За їхньою допомогою спрогнозовано, що до 2050 року температура підвищиться на 1,5 °С. Але ці температурні зміни не будуть однаковими на всій земній кулі: найбільше потепління очікується на полюсах - на 4 °С. Завдяки підвищенню температури, вважають учені, у багатьох районах може або збільшитися хмарність і кількість опадів, або зменшитися планетарне (глобальне) потепління. Потепління клімату може також «спровокувати» стихійні метеорологічні лиха. Кількість повеней, ураганів, бур у тропічних широтах може значно збільшитися, а в помірних поясах, навпаки, зменшитися.      

Учені всього світу намагаються з’ясувати «приховані» чинники, які можуть вплинути на майбутні зміни клімату Землі.

Практичний блок

Спробуємо змоделювати парниковий ефект. Для цього вам знадобиться два термометри з однаковою шкалою. Вони повинні уміститися в банках з кришками, що закручуються. В одну банку покладіть шматочок чорного матового картону, що закриє зсередини приблизно половину банки. Термометр у банці повинен знаходитися в затемненій картоном частині. В іншій банці таким самим чином розташуйте алюмінієву фольгу. Термометр повинен також знаходитися у притіненому місці. Поставте банки на відкритому сонці одну біля одної на що-небудь, що може правити за теплоізоляційний матеріал, наприклад, на картон або дерев’яну підставку. Переко­найтеся, що термометри містяться в затемнених частинах банок.

Слідкуйте за показаннями термометра. Незабаром ви переконаєтеся, що температура піднімається швидше в банці з чорною картонкою.

Що ж відбувається?

Дайте відповіді на питання.

1.    Головний внесок у формування парникового ефекту вносять …

2.    Основною причиною росту концентрації вуглекислого газу в атмосфері є …

3.    Вкажіть засоби підвищення енергоефективності і зменшення викидів СО₂.

4.    Що таке парниковий ефект, у чому полягає його шкода?

5.    Від чого залежить клімат?

6.    Вкажіть джерела забруднення довкілля, стан екології в Україні, заходи, що поліпшують екологічний стан довкілля.