150. Термоефективність міст. Частина 2
Матеріал
Урок №150. Термоефективність міст. Частина 2
Мета уроку:
- ознайомити учнів з властивостями матеріалів та як вони впливають на нагрівання поверхонь, способами зменшення перегріву міських територій;
- поясни, які чинники спричиняють підвищення температури в містах і як можна зменшити цей ефект.
Цілі сталого розвитку:
Які цілі сталого розвитку (в порядку пріоритетності) опрацьовуємо на уроці:
- 11. Сталий розвиток міст і громад
- 10. Скорочення нерівності
- 7. Доступна та чиста енергія.
- 8. Гідна праця та економічне зростання
Ключові слова: міський тепловий острів, температура поверхні, теплопоглинання, відбивання світла, зелені дахи, холодні дахи, інфрачервоне випромінювання, покриття тротуарів і доріг.
План уроку:
- Мотивація
- Теоретична частина
- Практична частина
- Попрактикуй самостійно
- Рефлексія
Очікувані результати для учнівства:
Очікувані результати для вчителя:
Дружня порада вчителю
Тривалість до 3 хв.
В якій футболці буде жаркіше в літню пору? Чому?
Посилання на відео джерела:
Відео
Дружня порада вчителю
Тривалість до 3 хв.
Випромінювання — це вид теплопередачі, в ході якого енергія передається за допомогою електромагнітних хвиль.
Тіла з темною поверхнею краще поглинають теплове випромінювання, ніж тіла зі світлою або полірованою поверхнею.
Тіла з темною поверхнею активніше випромінюють тепло, а отже, швидше охолоджуються.
Будь-яке тіло водночас і випромінює, і поглинає тепло.
(Якщо температура тіла більша за температуру тіл навколо, то воно випромінює енергії більше, ніж поглинає. Якщо ж тіло холодніше за навколишні тіла, то енергія, яку воно поглинає, буде більшою, ніж випромінювана.)
Дружня порада вчителю
Тривалість до 24 хв.
Підготовчий етап.
Поясніть мету досліду:
1. Розкажіть, що учні досліджуватимуть, як колір поверхні впливає на поглинання тепла.
2. Поставте проблемне запитання:
“Якого кольору дах краще захищає будинок у спеку?”
3. Обговоріть, чому важливо, щоб усі коробочки мали однакові розміри, форму, кількість льоду. Обговоріть техніку безпеки.
4. Якщо використовується лампа або гарячі поверхні — наголосіть на безпечному поводженні. Проведення досліду.
5. Зробіть акцент на контрольованих умовах:
Усі коробочки мають бути розміщені однаково щодо джерела тепла.
Джерело світла (сонце/лампа) не повинне змінювати положення.
Обговорення результатів. Поверніться до гіпотези.
6. Запитайте: “Чи підтвердились ваші здогадки?”
Чудова нагода навчити поняттям аналізу, обґрунтування, пояснення.
7. Пов’яжіть з реальним життям:
“Чому будинки в жарких країнах фарбують у білий колір?”
“Чи можна використати ці знання при виборі шкільної форми або даху?”
8. Підсумуйте фізичну суть:
Темні поверхні поглинають більше теплового випромінювання — тому швидше нагріваються й плавлять лід. Світлі — відбивають тепло і краще зберігають прохолоду.
Завдання 1.
“Який колір будинку зберігає прохолоду краще?”
Дослідити, як колір поверхні впливає на здатність об’єкта поглинати тепло.
Вихідні умови:
- У вас є готові рівні за розміром коробочки з різнокольорового паперу (наприклад: чорна, біла, синя, червона).
- У кожній коробочці — однакова кількість льоду, поміщена в маленьку пластикову ємність (кришечку).
- Дослід проводиться одночасно з усіма коробочками.
- Є місце з однаковими умовами освітлення/тепла для всіх коробочок (сонце або штучне джерело тепла).
КРОКИ ДОСЛІДУ
1. Початок спостереження:
- Винесіть усі коробочки на однакову відстань до джерела тепла (наприклад, на підвіконня, під лампу або на сонце).
- Занотуйте час початку досліду.
- Якщо використовуються ваги — запишіть масу льоду до початку досліду.
2. Спостереження:
- Спостерігайте за процесом танення льоду у різних коробочках.
- Через однакові проміжки часу (наприклад, кожні 10 хвилин) робіть короткі нотатки, в якій коробочці лід тане швидше.
- За можливості — робіть фото або відео процесу для наочності.
3. Завершення:
- Через 20–30 хвилин (або після повного танення льоду) занотуйте остаточний результат.
- Якщо є ваги — зважте залишки льоду (води) й визначте, скільки льоду розтануло у кожній коробочці.
4. Аналіз результатів:
- У якій коробочці лід розтанув найшвидше? Найповільніше?
- Чи підтвердилися ваші припущення (гіпотези)?
Завдання 2.
Дружня порада вчителю
Почніть із прикладу з власного міста або подвір’я школи.
Запропонуйте учням проаналізувати місцевість — де бракує зелені.
Поясніть поняття “транспірація” простою мовою — через аналогію з охолодженням тіла.
Підкресліть, що зелень — не лише краса, а й спосіб знизити температуру.
У великих містах, як-от Нью-Йорк, будівлі та дороги (сірі й білі зони) “з’їдають” колишні зелені насадження(а). Дерева — природні “парасолі”: їхні крони не дають сонцю сильно нагрівати землю і стіни будівель (б). Навіть звичайні лози на стінах здатні зменшити температуру будинку в літню спеку (в) (рис.2).
- Як саме дерева знижують температуру в місті?
Можлива відповідь: Дерева затінюють поверхні, зменшують їх нагрівання та охолоджують повітря завдяки випаровуванню води (транспірації). - Чому листяні та хвойні дерева по-різному впливають на сонячне світло взимку та влітку?
Можлива відповідь: Листяні дерева влітку затінюють, а взимку — без листя, пропускають сонце; хвойні — затінюють увесь рік. - Поясни, чому висадка дерев на південній та західній сторонах будівель по-різному впливає на охолодження будівлі в спекотний період?
Можлива відповідь: Південна сторона отримує більше сонця вдень, західна — після обіду, коли спека найсильніша. - Яку роль відіграє транспірація (випаровування води через листя) у зниженні температури в місті?
Можлива відповідь: Під час транспірації вода випаровується з листя, забираючи тепло з повітря — це знижує температуру. - Лоза на стінах будівель: коли її наявність корисна, а коли може бути шкідливою?
Можлива відповідь: Лоза зменшує нагрівання стін, але може шкодити, якщо руйнує фасад або затримує вологу. - Чи достатньо зелених насаджень в твоєму місті?
- Які місця чи райони у твоєму місті потребують збільшення кількості рослин? Відшукай ці місця на google.com/maps. Запропонуй варіанти насаджень для покращення становища в твоєму місті.
Завдання 3.
Дружня порада вчителю
Покажіть переваги таких рішень не тільки з точки зору температури, а й комфорту, естетики, затримки води.
Можна використати інтерактивну карту для пошуку прикладів зелених дахів у світі.
Заохочуйте учнів поміркувати, чи підходить така технологія для їхнього населеного пункту.
Зелені дахи — це ефективне рішення для зменшення температури в містах та поліпшення якості життя. Вони не лише охолоджують будівлі, але й затримують дощову воду, покращують якість повітря та створюють нові зелені простори.
Зелені дахи можуть суттєво знизити ефект міського теплового острова, особливо в густозабудованих районах.
- Чому зелені дахи допомагають зменшити температуру в містах?
Можлива відповідь: Зелені дахи зменшують температуру, оскільки рослини затінюють поверхню, випаровують вологу та знижують нагрівання будівель. - У яких кліматичних умовах зелені дахи будуть найбільш ефективними? Чому?
Можлива відповідь: Найефективніші вони в жаркому кліматі з інтенсивним сонцем, де потрібно зменшувати перегрів. Там охолоджувальний ефект найвідчутніший. - Чим відрізняється вплив зеленого даху на клімат взимку та влітку?
Можлива відповідь: Влітку зелений дах охолоджує завдяки тіні й випаровуванню води, а взимку може діяти як додаткова теплоізоляція. - Чи можливе застосування зелених дахів у вашому місті чи частині України, з урахуванням клімату та міської архітектури?
Можлива відповідь: У багатьох українських містах (особливо південних) можливо застосовувати зелені дахи — наприклад, в Одесі, Миколаєві, Дніпрі. Але потрібно враховувати навантаження на дах, тип покрівлі, доступ до води. - Які труднощі можуть виникнути при будівництві зеленого даху на будівлях?
Можлива відповідь: Основні труднощі — вага конструкції, потреба в додатковій гідроізоляції, регулярний догляд, додаткові витрати при будівництві.
Завдання 4.
Дружня порада вчителю
Перед поясненням важливо повторити поняття теплового випромінювання та відбивної здатності (альбедо).
Для наочності можна використати інфрачервоні знімки дахів різних кольорів.
У спекотний, сонячний літній день чорний дах, який відбиває лише 5% сонячної енергії та випромінює понад 90% поглинутого тепла, може нагріватися до 82 °C (180 °F). Металевий дах відбиває більшість сонячної енергії, але випромінює лише близько чверті поглинутого тепла, тому його температура може досягати 71 °C (160 °F). “Холодний дах”, що відбиває та випромінює більшість сонячної енергії, нагрівається лише до 49 °C (120 °F).
- Які два ключові фізичні параметри визначають ефективність “холодних дахів”? Можлива відповідь: Відбивна здатність (альбедо) та здатність до теплового випромінювання (емісивність).
- Завдяки чому можна створити “холодний дах”?
Можлива відповідь: Завдяки світлому або спеціальному покриттю, яке відбиває сонячне світло й ефективно випромінює тепло. - Які потенційні недоліки можуть мати “холодні дахи” у холодному кліматі?
Можлива відповідь: У холодному кліматі такі дахи можуть знижувати природне нагрівання взимку, що збільшує витрати на опалення. - Чому “холодні дахи” вважаються простішою альтернативою зеленим дахам, але не універсально кращою?
Можлива відповідь: Вони дешевші та легші у встановленні, ніж зелені дахи, але не створюють додаткового зеленого простору чи ізоляції. - Чи завжди високий коефіцієнт відбивання “холодних дахів” є перевагою?
Коли це може створювати проблеми?
Можлива відповідь: Високий коефіцієнт відбивання може засліплювати мешканців сусідніх будинків або створювати теплові відбиття у незручних зонах. - Чи можливе застосування “холодних дахів” у вашому місті чи частині України, з урахуванням клімату та міської архітектури?
Можлива відповідь: У більшості українських міст “холодні дахи” можуть бути ефективними, особливо в південних і центральних регіонах. У північних регіонах — доцільність залежить від балансу між охолодженням і утепленням. - “Холодні дахи” — це лише “латання симптомів”, чи справжнє рішення для боротьби з перегрівом міст? Аргументуйте.
Можлива відповідь: Це ефективне інженерне рішення, але не єдиний засіб — для повноцінної боротьби з перегрівом потрібне комплексне озеленення, зміна покриття доріг, стратегічне планування забудови.
Ліва половина цього традиційного бітумного даху показана у видимому діапазоні, а права — в інфрачервоному. Температура даху досягає майже 80°C (175°F).
- Чому в інфрачервоному діапазоні ми бачимо зовсім іншу картину даху, ніж у видимому світлі? Що це нам говорить про властивості матеріалів?
Можлива відповідь: У видимому світлі ми бачимо колір і текстуру, але не температуру. В інфрачервоному діапазоні видно, як матеріали випромінюють тепло. Це показує, що два однакові на вигляд об’єкти можуть відрізнятися за температурою, залежно від здатності поглинати й випромінювати тепло. - Чому температура традиційного бітумного даху може досягати таких високих значень?
Можлива відповідь: Бітум має низьке альбедо (відбиває мало сонячного світла) і високу теплопоглинальність, тому інтенсивно нагрівається на сонці. Крім того, він повільно охолоджується, утримуючи тепло навіть у вечірній час.
Олімпійський Овал у Калгарі — це перший у світі критий льодовий стадіон із контрольованим кліматом, збудований для Зимових Олімпійських ігор 1988 року.
Його дах площею близько 19 000 м² обладнано холодним покриттям, що зменшує нагрівання будівлі. У реалізації проєкту брали участь партнери програми ENERGY STAR, які сприяють впровадженню енергоефективних технологій.
- Чому для критої спортивної споруди (як-от Олімпійський Овал) було важливо зменшити нагрівання даху?
Можлива відповідь: Зменшення нагрівання даху важливе для економії енергії на охолодження льодової арени. Якщо дах сильно нагрівається, система охолодження витрачає більше ресурсів, щоб підтримувати температуру льоду. - Які будівлі в першу чергу потребують використання таких технологій?
Можлива відповідь: У першу чергу це великі будівлі з високими витратами на охолодження: торговельні центри, спорткомплекси, склади, аеропорти, школи, лікарні — там, де важливо підтримувати комфортний мікроклімат і економити енергію.
Завдання 5.
Як і звичайні темні дахи, темні тротуари та дорога нагріваються на сонці, оскільки вони поглинають 80-95% сонячного світла. Гарячі тротуари посилюють міські острови тепла. “Холодні тротуари та дороги” залишаються холоднішими на сонці, ніж традиційні тротуари.
- Що саме називається “холодним покриттям”, і які основні властивості дозволяють йому бути прохолоднішим за звичайний асфальт?
Можлива відповідь: “Холодне покриття” — це дорожнє або тротуарне покриття, яке, завдяки своїм властивостям, залишається значно прохолоднішим на сонці. Щоб бути ефективним, воно має:- високу відбивну здатність (альбедо);
- низький коефіцієнт поглинання сонячної енергії.
- Які типи матеріалів або технологій використовуються для створення “холодного покриття”?
Можлива відповідь: Типи матеріалів і технологій:- Світлі та відбивні поверхні — білий або спеціально пігментований асфальт, світлий бетон.
- Пористі матеріали, що дозволяють воді просочуватися (охолодження випаровуванням).
- Композиційні суміші з високим альбедо або спеціальним нанопокриттям.
- Як міська політика та громадські ініціативи можуть сприяти впровадженню “холодне покриття” у містах?
Можлива відповідь: Роль політики та громадських ініціатив:- Нормативні акти — вимоги про використання “холодних покриттів” у новобудовах і ремонтах.
- Фінансові стимули — гранти або компенсації для місць, які впроваджують водо- і енергоефективні рішення.
- Освітні кампанії — популяризація прикладів успішних проектів через ЗМІ або соціальні мережі.
- “Холодне покриття” з використанням пористих матеріалів іноді охолоджують більше, ніж відбивні. Чому? Які чинники це визначають?
Можлива відповідь: Чому пористі поверхні іноді ефективніші, ніж відбивні:- Пористі матеріали здатні забезпечувати охолодження через випаровування вологи, що додає до ефекту відбиття сонця.
- Їхня дійсна ефективність залежить від вологості (дощ чи полив) і конструкції матеріалу.
- Які способи щодо скорочення теплових островів у місті та полегшення перебування людей на вулиці у спекотну днину можеш порадити?
Дружня порада вчителю
Тривалість до 12 хв.
Робота може бути як індивідуальною так і груповою.
Заповни таблицю “Переваги / Недоліки”
| 1. Зелені дахи | |
| Переваги | Недоліки |
| 2. “Холодний дах” | |
| Переваги | Недоліки |
| 3. “Холодні покриття доріг та тротуарів” | |
| Переваги | Недоліки |
Рівень А: 1.
Рівень В: 1,2
Рівень С: 1,2,3.
Дружня порада вчителю
Тривалість до 3 хв.
Напиши на аркуші або скажи вголос:
- Що тебе сьогодні здивувало?
- Що тобі здалося корисним і ти хотів(ла) би використати у житті?
- Яке питання у тебе залишилося після уроку?
- Запропонуй ідеї, які можна застосувати в твоєму місті,
щоб зменшити перегрів? - У яких саме місцях їх можна реалізувати?
Урок №150. Термоефективність міст. Частина 2
Мета уроку:
- ознайомити учнів з властивостями матеріалів та як вони впливають на нагрівання поверхонь, способами зменшення перегріву міських територій;
- поясни, які чинники спричиняють підвищення температури в містах і як можна зменшити цей ефект.
Цілі сталого розвитку:
Які цілі сталого розвитку (в порядку пріоритетності) опрацьовуємо на уроці:
- 11. Сталий розвиток міст і громад
- 10. Скорочення нерівності
- 7. Доступна та чиста енергія.
- 8. Гідна праця та економічне зростання
Ключові слова: міський тепловий острів, температура поверхні, теплопоглинання, відбивання світла, зелені дахи, холодні дахи, інфрачервоне випромінювання, покриття тротуарів і доріг.
План уроку:
- Мотивація
- Теоретична частина
- Практична частина
- Попрактикуй самостійно
- Рефлексія
Очікувані результати для учнівства:
В якій футболці буде жаркіше в літню пору? Чому?
Посилання на відео джерела:
Відео
Випромінювання — це вид теплопередачі, в ході якого енергія передається за допомогою електромагнітних хвиль.
Тіла з темною поверхнею краще поглинають теплове випромінювання, ніж тіла зі світлою або полірованою поверхнею.
Тіла з темною поверхнею активніше випромінюють тепло, а отже, швидше охолоджуються.
Будь-яке тіло водночас і випромінює, і поглинає тепло.
(Якщо температура тіла більша за температуру тіл навколо, то воно випромінює енергії більше, ніж поглинає. Якщо ж тіло холодніше за навколишні тіла, то енергія, яку воно поглинає, буде більшою, ніж випромінювана.)
Завдання 1.
“Який колір будинку зберігає прохолоду краще?”
Дослідити, як колір поверхні впливає на здатність об’єкта поглинати тепло.
Вихідні умови:
- У вас є готові рівні за розміром коробочки з різнокольорового паперу (наприклад: чорна, біла, синя, червона).
- У кожній коробочці — однакова кількість льоду, поміщена в маленьку пластикову ємність (кришечку).
- Дослід проводиться одночасно з усіма коробочками.
- Є місце з однаковими умовами освітлення/тепла для всіх коробочок (сонце або штучне джерело тепла).
КРОКИ ДОСЛІДУ
1. Початок спостереження:
- Винесіть усі коробочки на однакову відстань до джерела тепла (наприклад, на підвіконня, під лампу або на сонце).
- Занотуйте час початку досліду.
- Якщо використовуються ваги — запишіть масу льоду до початку досліду.
2. Спостереження:
- Спостерігайте за процесом танення льоду у різних коробочках.
- Через однакові проміжки часу (наприклад, кожні 10 хвилин) робіть короткі нотатки, в якій коробочці лід тане швидше.
- За можливості — робіть фото або відео процесу для наочності.
3. Завершення:
- Через 20–30 хвилин (або після повного танення льоду) занотуйте остаточний результат.
- Якщо є ваги — зважте залишки льоду (води) й визначте, скільки льоду розтануло у кожній коробочці.
4. Аналіз результатів:
- У якій коробочці лід розтанув найшвидше? Найповільніше?
- Чи підтвердилися ваші припущення (гіпотези)?
Завдання 2.
У великих містах, як-от Нью-Йорк, будівлі та дороги (сірі й білі зони) “з’їдають” колишні зелені насадження(а). Дерева — природні “парасолі”: їхні крони не дають сонцю сильно нагрівати землю і стіни будівель (б). Навіть звичайні лози на стінах здатні зменшити температуру будинку в літню спеку (в) (рис.2).
- Як саме дерева знижують температуру в місті?
- Чому листяні та хвойні дерева по-різному впливають на сонячне світло взимку та влітку?
- Поясни, чому висадка дерев на південній та західній сторонах будівель по-різному впливає на охолодження будівлі в спекотний період?
- Яку роль відіграє транспірація (випаровування води через листя) у зниженні температури в місті?
- Лоза на стінах будівель: коли її наявність корисна, а коли може бути шкідливою?
- Чи достатньо зелених насаджень в твоєму місті?
- Які місця чи райони у твоєму місті потребують збільшення кількості рослин? Відшукай ці місця на google.com/maps. Запропонуй варіанти насаджень для покращення становища в твоєму місті.
Завдання 3.
Зелені дахи — це ефективне рішення для зменшення температури в містах та поліпшення якості життя. Вони не лише охолоджують будівлі, але й затримують дощову воду, покращують якість повітря та створюють нові зелені простори.
Зелені дахи можуть суттєво знизити ефект міського теплового острова, особливо в густозабудованих районах.
- Чому зелені дахи допомагають зменшити температуру в містах?
- У яких кліматичних умовах зелені дахи будуть найбільш ефективними? Чому?
- Чим відрізняється вплив зеленого даху на клімат взимку та влітку?
- Чи можливе застосування зелених дахів у вашому місті чи частині України, з урахуванням клімату та міської архітектури?
- Які труднощі можуть виникнути при будівництві зеленого даху на будівлях?
Завдання 4.
У спекотний, сонячний літній день чорний дах, який відбиває лише 5% сонячної енергії та випромінює понад 90% поглинутого тепла, може нагріватися до 82 °C (180 °F). Металевий дах відбиває більшість сонячної енергії, але випромінює лише близько чверті поглинутого тепла, тому його температура може досягати 71 °C (160 °F). “Холодний дах”, що відбиває та випромінює більшість сонячної енергії, нагрівається лише до 49 °C (120 °F).
- Які два ключові фізичні параметри визначають ефективність “холодних дахів”?
- Завдяки чому можна створити “холодний дах”?
- Які потенційні недоліки можуть мати “холодні дахи” у холодному кліматі?
- Чому “холодні дахи” вважаються простішою альтернативою зеленим дахам, але не універсально кращою?
- Чи завжди високий коефіцієнт відбивання “холодних дахів” є перевагою?
Коли це може створювати проблеми? - Чи можливе застосування “холодних дахів” у вашому місті чи частині України, з урахуванням клімату та міської архітектури?
- “Холодні дахи” — це лише “латання симптомів”, чи справжнє рішення для боротьби з перегрівом міст? Аргументуйте.
Ліва половина цього традиційного бітумного даху показана у видимому діапазоні, а права — в інфрачервоному. Температура даху досягає майже 80°C (175°F).
- Чому в інфрачервоному діапазоні ми бачимо зовсім іншу картину даху, ніж у видимому світлі? Що це нам говорить про властивості матеріалів?
- Чому температура традиційного бітумного даху може досягати таких високих значень?
Олімпійський Овал у Калгарі — це перший у світі критий льодовий стадіон із контрольованим кліматом, збудований для Зимових Олімпійських ігор 1988 року.
Його дах площею близько 19 000 м² обладнано холодним покриттям, що зменшує нагрівання будівлі. У реалізації проєкту брали участь партнери програми ENERGY STAR, які сприяють впровадженню енергоефективних технологій.
- Чому для критої спортивної споруди (як-от Олімпійський Овал) було важливо зменшити нагрівання даху?
- Які будівлі в першу чергу потребують використання таких технологій?
Завдання 5.
Як і звичайні темні дахи, темні тротуари та дорога нагріваються на сонці, оскільки вони поглинають 80-95% сонячного світла. Гарячі тротуари посилюють міські острови тепла. “Холодні тротуари та дороги” залишаються холоднішими на сонці, ніж традиційні тротуари.
- Що саме називається “холодним покриттям”, і які основні властивості дозволяють йому бути прохолоднішим за звичайний асфальт?
- Які типи матеріалів або технологій використовуються для створення “холодного покриття”?
- Як міська політика та громадські ініціативи можуть сприяти впровадженню “холодне покриття” у містах?
- “Холодне покриття” з використанням пористих матеріалів іноді охолоджують більше, ніж відбивні. Чому? Які чинники це визначають?
- Які способи щодо скорочення теплових островів у місті та полегшення перебування людей на вулиці у спекотну днину можеш порадити?
Заповни таблицю “Переваги / Недоліки”
| 1. Зелені дахи | |
| Переваги | Недоліки |
| 2. “Холодний дах” | |
| Переваги | Недоліки |
| 3. “Холодні покриття доріг та тротуарів” | |
| Переваги | Недоліки |
Рівень А: 1.
Рівень В: 1,2
Рівень С: 1,2,3.
Напиши на аркуші або скажи вголос:
- Що тебе сьогодні здивувало?
- Що тобі здалося корисним і ти хотів(ла) би використати у житті?
- Яке питання у тебе залишилося після уроку?
- Запропонуй ідеї, які можна застосувати в твоєму місті,
щоб зменшити перегрів? - У яких саме місцях їх можна реалізувати?
Ділись та обговорюй важливе