Úspora el.energie ve škole pomocí pohybových čidel Hana Benáčková Markéta Hosová Přírodovědné lyceum, 2. ročník SSOŠ Jihlava, K. Světlé 2, Jihlava, 586 01 ÚVOD Nejlevnější energie je ta, která se nespotřebuje. Tahle věta nás zaujala, asi na ní opravdu něco bude. Zamyslely jsme se nad tím, že v naší škole došlo nedávno k nějakým změnám. Do prostoru v šatnách byla namontována pohybová čidla. Proto jsme se rozhodly počítat a zjistit, kolik se ušetří energie. V budoucnu bychom chtěly navrhnout podobné úpravy pro další části školy. Nejdříve trocha teorie o použitých svítidlech: 1. ZÁŘIVKY Co to je zářivka? Zářivka je nízkotlaká výbojka, která se používá jako zdroj světla. Jak pracuje zářivka? Trubice zářivky se skládá z více dílů. Základem je uzavřená skleněná trubice naplněná směsí plynů (rtuťové páry a argon). Elektrický proud prochází z jednoho konce trubice na druhý prostřednictvím katod. Vnitřní strana skleněné trubice je potažena fosforem a převádí UV záření na viditelné světlo. Mřížkové svítidlo V našich šatnách je použito mřížkové svítidlo se zářivkami typu NOTUS 236 PAR NT. Mřížkové svítidlo má dvě lineární zářivky dlouhé 120 cm o příkonu 36W. Je vyrobeno z ocelové plechu lakovaného na bílo. Díky parabolickému reflektoru a rýhovaným hliníkovým příčkám, je dosaženo větší světelné intenzity. Startování zářivky Kromě zářivkové trubice obsahuje zářivka také tlumivku (tj. cívka s velkou indukčností) a startér. Startér je tvořen skleněnou baňkou naplněnou např. neonem, která má v sobě dvě elektrody. Jedna z nich je obyčejná pevná a druhá je tvořena bimetalovým páskem. Tyto elektrody se nedotýkají, je-li zářivka vypnuta.
obr. 1: Schéma zářivky - vypnutá Když zapneme zářivku, nastane ve startéru doutnavý výboj, kterým se začínají ohřívat elektrody. Tím se bimetalový pásek ohýbá směrem k pevné elektrodě. Zároveň se procházejícím proudem zahřívají elektrody zářivkové trubice. Proud ale zářivkovou trubicí neprochází (viz. červená čára na obr. 2). obr. 2: Schéma zářivky zapnutí Zhruba jednu sekundu trvá, než se bimetalový pásek dotkne pevné elektrody a tak zanikne doutnavý výboj ve startéru. Bimetalový pásek se ochlazuje a oddaluje od pevné elektrody, čímž se přeruší elektrický obvod ve startéru. Toto přerušení obvodu vyvolá velkou napěťovou špičku na tlumivce, napětí mezi elektrodami zářivkové trubice se tak značně zvýší a zapálí v ní doutnavý výboj (obr. 3). Jakmile výboj v trubici probíhá, napětí poklesne a tlumivka pak slouží místo ochranného rezistoru.
obr. 3: Schéma zářivky rozsvícení zářivkové trubice Životnost zářivky Zajímala nás i životnost zářivky. Pří spínání 8x za 24 hodin vydrží zářivka 8 000 12 000 hodin. Kompaktní zářivky Úsporky Jsou mnohem složitější. V patici mají komplikovanější obvod, který slouží k nastartování výboje, navíc obvod se liší podle druhu zářivky. Tyto kompaktní zářivky na rozdíl od běžné lineární zářivky neblikají. 2. POHYBOVÁ ČIDLA Co to je pohybové čidlo? Pohybová čidla reagují na pohyblivé zdroje tepla (vozidla, osoby). Pokud zaznamená pohybové čidlo ve svém akčním rádiu změnu tepelného zařízení, zapne v závislosti na nastavenou světelnou hodnotu připojený spotřebič (např. osvětlení) na nastavenou dobu. Čidla reagující na pohyb osoby v prostoru Čidlo PIR Běžné čidlo reagující na pohyb osoby v prostoru můžeme najít někdy pod zkratkou PIR, jako pasivní infradetektor. Toto čidlo reaguje na pohyb osoby v prostoru, nic nevysílá, nereaguje přes zeď. Čidlo DUAL PIR Je čidlo, které má nižší citlivost, a nereaguje na pohyby malých zvířat. Pro venkovní ochranu používáme pouze toto čidlo. Čidlo PIR/MW Je vhodné pro kotelny a místnosti s krbem, a všude tam, kde jsou velké tepelné zdroje. Výhodou u tohoto čidla je mikrovlnný detektor pohybu. DŮLEŽITÉ SOUČÁSTI ČIDLA: A) Pyrosenzor Jelikož je k detekci pohybu použit pyroelement, nesnímá čidlo přímo změnu polohy osoby, zvířat, věcí, ale reaguje na teplo. Stejně jako červená dioda září ve vlnové délce λ = 626 nm, tak i teplo září na určitých vlnových délkách. Na rozdíl od červené barvy toto záření lidským okem neuvidíme. Tepelné záření nevidíme z důvodu rozložení spektra tepelného záření. Pyrosenzor je citlivý na určitou oblast
záření. Lidské teplo vyzařuje při teplotě T= 300 K v oblasti od 5-20 µm. (Tepelné záření lidského těla se nachází daleko za viditelnou oblastí v tzv. infra oblasti - viz. obr. 5). obr. 4: pyrosenzor T [K] Sluneční záření Kamna 1000 K Lidské tělo 300 K λ[m] obr. 5: spektrální rozložení záření: slunečního záření, rozžhavených kamen a lidského těla
obr.č.6: vnitřek čidla ( Fialovým kruhem je vyznačen pyrosenzor.) B) Fresnelova čočka Je pojmenovaná podle svého vynálezce, francouzského fyzika Augustina-Jeana Fresnela. Důležité na ní je, že nasměruje záření do jediného bodu (viz. obr. 7). To zajišťuje její strukturovaný povrch. Fresnelova čočka v porovnání s běžnou čočkou má mnohem nižší hmotnost, protože jsou z ní odstraněny části, které se přímo nepodílejí na lomu paprsků. Pro svou menší tloušťku, a tedy i hmotnost, je vhodná nejen pro zobrazování, ale zejména pro aplikaci v osvětlovací a signalizační technice a využití sluneční energie. Porovnání 1) Fresnelova čočka 2) Klasická čočka obr. 6: porovnání čoček obr. 7: čočka směruje záření do jediného bodu Využití Fresnelových čoček: infračervená čidla pohybu sběrače slunečních kolektorů majáky semafory
světlomety VÝPOČTY Před nainstalování čidel Dříve, než byla do šaten nainstalována čidla, svítilo se v nich nepřetržitě od 6 00 do 17 00 hod. (tj. 11 hodin denně; 220 hodin za měsíc - pracovní dny). Příkon jedné 120 cm trubice je 36W. Když do výpočtu zahrneme 10 trubic, které v šatně jsou, vypočítáme, jaká byla spotřeba el. energie za měsíc. Výsledek je 79,2 kwh. Za 1 kwh platí škola 4,20 Kč. Celková cena za měsíc tedy byla 332,64 Kč. Po nainstalování čidel V šatnách naší školy je zabudovaných 5 čidel typu PBM 120 a jsou napojena na 10 trubic zářivek typu NOTUS 236 PAR NT. Po zachycení pohybu se zářivky rozsvítí a jejich doba svícení je nastavena na 2,5 min. Abychom zjistili jaký je pohyb v šatnách a jak dlouho světla svítí, dva týdny jsme vše pozorovaly a zapisovaly si časy příchozích, které jsou uvedeny v tabulkách. 1.týden NAMĚŘENÉ HODNOTY: Pondělí úterý středa čtvrtek Pátek 6:55-7:03 7:02-7:10 7:06-7:11 06:59-7:03 7:05-07:10 7:18-7:22 7:12-7:19 7:17-7:21 7:20-7:32 7:22-7:36 7:25-7:31 7:29-7:48 7:27-7:46 7:35-7:50 7:40-7:48 7:35-7:57 7:52-8:00 7:52-7:56 8:11-8:15 8:21-8:29 8:01-8:05 8:02-8:06 8:05-8:09 8:36-8:41 8:39-8:45 8:26-8:30 8:20-8:24 8:23-8:30 8:57-9:02 9:02-9:16 8:36-8:40 8:36-8:44 8:42-8:55 9:11-9:15 9:35-9:41 9:39-9:45 9:21-9:25 9:22-9:28 9:41-9:49 10:13-10:17 10:00-10:04 9:45-9:49 9:52-10:01 10:00-10:06 10:58-11:04 10:37-10:42 10:15-10:28 10:20-10:26 10:28-10:35 11:25-11:29 11:38-11:42 10:58-11:03 11:14-11:20 11:06-11:12 11:53-11:57 12:01-12:07 11:56-12:15 12:05-12:15 11:36-11:40 12:25-12:41 12:20-12:37 12:23-12:40 12:20-12:31 12:05-12:09 12.58-13:05 12:46-13:04 12:59-13:07 13:02-13:06 12:21-12:35 13:20-13:38 13:20-13:32 13:21-13:35 13:20-13:39 13:02-13:07 13:45-13:56 13:52-13:58 13:50-13:55 13:59-14:06 13:25-13:48 14:32-14:37 14:30-14:43 14:33-14:40 14:35-14:42 14:19-14:32 14:58-15:03 15:13-15:20 15:05-15:13 15:07-15:12 14:40-14:51 15:38-15:42 15:40-15:45 2hod.36min. 2hod.42min. 2hod.31min 2hod.30min. 2hod.11min.
2.týden pondělí úterý středa čtvrtek pátek 6:42-6:55 7:00-7:06 6:56-7:01 6:38-6:41 7:03-7:14 7:03-7:07 7:26-7:42 7:23-7:45 6:59-7:06 7:30-7:58 7:29:7:55 7:45-7:51 7:50-8:03 7:14-7:19 8:03-8:10 8:05-8:09 8:02-8:06 8:15-8:19 7:28-7:53 8:46-8:49 8:24-8:31 8:00-8:04 8:55-9:02 7:59-8:04 9:07-9:11 8:33-8:40 8:38-8:44 9:32-9:39 8:40-8:51 9:16-9:21 9:15-9:18 9:07-9:11 10:07-10:16 9:07-9:11 10:12-10:18 9:40-9:48 10:13-10:18 10:41-10:54 9:36-9:41 10:39-10:44 10:05-10:09 11:02-11:07 11:20-11:25 10:02-10:07 11:17-11:21 10:29-10:34 11:28-11:35 11:41-11:46 10:39-10:44 12:03-12:14 11:15-11:21 11:49-11:54 12:27-12:32 11:21-11:25 12:20-12:27 12:35-12:48 12:23-12:28 13:20-13:43 12:14-12:19 12:39-12:46 13:01-13:04 12:42-12:56 14:02-14:06 12:40-12:46 12:48-12:52 13:18-13:30 13:03-13:07 14:15-14:21 13:02-13:06 13:21-13:33 13:32-13:41 13:21-13:33 14:25-14:34 13:20-13:32 14:12-14:16 14:06-14:09 13:42-13:46 13:49-14:02 14:00-14:11 14:01-14:05 14:16-14:21 15:01-15:08 14:35-15:01 14:23-14:46 2hod.26min. 3hod.3min. 2hod.17min. 2hod.26min. 2hod.3min. Když jsme tyto časy zprůměrovaly, zjistily jsme, že každý den se v šatnách průměrně svítí 2 hod. 30 min. (tj. 2,5 hod. denně, 50 hod.měsíčně). Hned na první pohled je vidět, že úspora el. energie je velká. My jsme ale vše potvrdily výpočty. Většinou, když lidé vešli, neprocházeli celou šatnou a zachytila je pouze 3 čidla. Rozsvítilo se tedy 6 trubic zářivek. Jestli-že má každá trubice příkon 36W vychází nám, že za měsíc se spotřebuje 10,8 kwh. Do svých úvah jsme nezahrnovaly vyšší příkon zářivek při startu, protože doba startu je minimální. Tento výpočet by byl snadný, ale nás zajímalo víc. Čidla musí být zapnuta 24 hodin denně. Jsou v nich diody, které také spotřebují nějakou energii. Tato energie je velmi malá, ale my ji do našeho výpočtu také zahrnuly. Zavolaly jsme výrobci a zjistily, že příkon čidla je 1W. V šatně je 5 čidel zapnutých 24 hod. denně, 30 dní v měsíci. Výsledkem je 3,6 kwh (což je 15,12 Kč za měsíc). Po sečtení spotřeby rozsvícených zářivek a zapnutých čidel, je celková spotřeba el. energie 14,4 kwh za měsíc. Cena za měsíc je 60,40 Kč.
ZÁVĚR Jedno čidlo typu PBM 120 stojí 700 Kč. Za zakoupení 5-ti těchto čidel škola zaplatila 3500 Kč. Tato částka se škole vrátí za 13 měsíců (školních). Při konzultaci s výrobcem jsme se dozvěděly, že se nedoporučuje používat čidla v kombinaci se zářivkami. Z důvodu častých cyklů zapnutí a vypnutí zářivek, zkracuje se jejich životnost. Životnost zářivek v našich šatnách se tedy zkrátí asi 2,5krát. Jelikož se za 24 hodin rozsvítí v průměru 18krát. V našich šatnách již tyto zářivky byly, proto bylo zbytečné je měnit. Přehled spotřebované energie po finanční stránce: Dříve Nyní Za týden 83,16 Kč 15,1 Kč Za měsíc 332,64 Kč 60,40 Kč Za rok 3326,4 Kč 604,0 Kč Za rok tedy naše škola ušetří 2722,4 Kč. Tato částka se nezdá příliš vysoká. Když jí ale vyjádříme v procentech je opravdu šokující. Je to 82% uspořené energie! Pokud vezmeme v úvahu, že v budovách školy je podobných šaten 5, úspora není zdaleka zanedbatelná. Uspořené peníze může škola investovat např. do provozních prostředků. Na závěr naší práce bychom chtěly říci, že pro nás bylo opravdu zajímavé zjistit, kolik škola ušetří energie a tím i finančních prostředků. Práce nás natolik bavila, že bychom v ní chtěly pokračovat dále a zajímat se o další místa vhodná pro úsporu energie v naší škole. Nové poznatky využijeme i v hodinách fyziky a odborných předmětech, kde můžeme seznámit ostatní spolužáky nejen s výpočty, ale např. i s principem pohybových čidel. Tyto stránky mohou spolužáky motivovat, aby se zamysleli nad úsporou, která je důležitá nejen pro nás, ale i další generace. Chtěly bychom poděkovat panu Rásochovi, který nám poskytnul důležité informace. Naše poděkování patří také koordinátorce Mgr. Lemberkové.