10138
.pdf2.2.Теплофизические характеристики наружных ограждений
2.2.1.Требуемое сопротивление теплопередаче теплового контура
Производственные сельскохозяйственные здания характеризуются нали-
чием постоянно действующих тепло- и влаговыделений. Как правило, в них по технологии процессов необходимо поддержание относительно низкой темпера-
туры tв и высоких значений относительной влажности φв внутреннего воздуха.
Следует учитывать также сезонность эксплуатации большинства зданий и со-
оружений. Эти особенности не позволяют рассчитывать теплофизические ха-
рактеристики наружных ограждений сельскохозяйственных зданий по аналогии с гражданскими и промышленными, как этого требует СНиП [6], из-за больших
(как будет показано ниже, до нескольких раз) погрешностей в расчетах даже при принятии заданных технологических параметров внутреннего воздуха.
Этот факт не нашел отражения в действующих нормах по расчету теплофизи-
ческих характеристик наружных ограждений производственных сельскохозяй-
ственных зданий. Для таких зданий разработана методика расчета по нормиро-
ванию теплового контура, обосновывающая взаимосвязь объемно-
планировочных, теплофизических и технологических решений.
Известно, что основной функцией теплового контура гражданских и про-
мышленных зданий является защита и поддержание температурно-
влажностных параметров внутренней среды от воздействий извне переменных параметров наружного климата. Для таких зданий сопротивление теплопереда-
че ограждения Rогр, м2·°С/Вт, принимается не меньше требуемого Rогртреб [6, 7]:
R |
Rтреб |
n(tв tн ) |
, |
(2.1) |
|
||||
огр |
огр |
αв tн |
|
|
|
|
|
|
где n — коэффициент, учитывающий уменьшение расчетной разности темпера-
туры для ограждений, которые отделяют отапливаемые помещения от неотап-
ливаемых и непосредственно не соприкасаются с наружным воздухом; αв — коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности наружного ограж-
дения, Вт/(м2·°С);
40
tн = tв − τв — нормируемая разность температуры внутреннего воздуха и тем-
пературы на внутренней поверхности наружного ограждения, °С.
В формуле (2.1) величина αв tн = qн является нормируемым тепловым по-
током через ограждение, Вт/м2.
При наличие в неотапливаемых сельскохозяйственных зданиях в холод-
ный период года постоянно действующих физиологических и биологических тепловыделений от животных, птиц или хранящегося СРС (Qб) теплофизиче-
ские характеристики наружных ограждений должны обеспечивать такой удель-
ный тепловой поток через них, чтобы предотвратить переохлаждение животных,
птиц или СРС (тепловой баланс ΣQ = 0) при расчетной температуре наружного воздуха tн в холодный период года.
Приведенная трактовка энергетического баланса сельскохозяйственного здания, имеющего конкретное назначение, методологически обосновывает принятие за основу нормирования сопротивления теплопередаче наружных ограждений удельного нормируемого теплового потока qбн :
Rтреб n(tв tн ) |
; |
(2.2) |
||
огр |
qн |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б |
|
|
qн (1 mпл )Qб |
, |
(2.3) |
||
б |
|
Аогр |
|
|
|
|
|
|
где Aогр = Aст + Aпокр — площадь наружных стен и покрытия, м2;
mпл — коэффициент, учитывающий суммарную долю теплопотерь через полы,
подземные или обвалованные части сельскохозяйственных зданий: mпл = 0,03…0,05 для надземных; 0,08…0,10 — с обваловкой примерно половины вы-
соты наружных стен; 0,25…0,30 — для полностью заглубленных или обвало-
ванных зданий.
Явные тепловыделения животных Qжя , Вт, при расчетном заполнении по-
мещения nр, гол., равны:
я |
я |
, |
(2.4) |
Qж qжnрк1к2к3 |
|
где qжя — удельная явная теплота, выделяемая животным, Вт/гол., (табл. 1.4);
41
коэффициенты: к1 —учитывает температуру воздуха в животноводческом по-
мещении (табл. 1.5); к2 — учитывает фактическое число животных в помеще-
нии; к3 — учитывает тепловыделения животных в ночное время: для КРС и свиней к3 = 0,8; для птиц к3 = 0,6.
Количество явной теплоты, выделяемой птицами Qптя , Вт:
я |
я |
к3 |
, |
(2.5) |
Qпт nр pптqпт к1к2 |
|
где qя — удельные тепловыделения птиц, Вт/кг, (табл. 1.4); pпт — масса одной |
|||
пт |
|
|
|
птицы, кг/гол. |
|
|
|
Явные тепловыделения сочного растительного сырья |
Qя , Вт, |
при рас- |
|
|
|
срс |
|
четной вместимости хранилища Gр, т, составляют: |
|
|
|
я |
я |
|
(2.6) |
Qсрс qсрсGр . |
|
|
|
Явные тепловыделения среднерелилизуемых в практике |
хранения |
(убранных машинным способом) насыпей клубней картофеля, корнеплодов и кочанов капусты qсрся , Вт/т, в основной период хранения приведены в п. 1.2.2.
Рассмотренный принцип нормирования сопротивления теплопередаче теплового контура сельскохозяйственного здания по величине удельного нор-
мируемого теплового потока qбн не требует определения значений нормируемо-
го перепада температуры tн = tв – tт.р и коэффициента теплоотдачи на внутрен-
них поверхностях наружных ограждений αв. Это является неоспоримым пре-
имуществом рассмотренной методологии нормирования, т. к. в нестационар-
ных условиях тепломассообмена в помещениях производственных сельскохо-
зяйственных зданий добиться необходимой точности определения этих значе-
ний не представляется возможным. Добавим, что при субъективном выборе (в
допустимых нормами пределах) величины tн полученные значения требуемого сопротивления теплопередаче Rогртреб по (2.1) могут отличаться на 100…250 % в
одних и тех же климатических условиях. Покажем на примере.
42
Пример 2.1. Величина температурного перепада tн = tв − tт.р при выбранных нормативных параметрах хранения картофеля tв = 2 °С и φв = 95 % (температура точки росы tт.р = 0,6 °С определяется по i–d-диаграмме влажного воздуха) составляет tн = 2 − 0,6 = 1,4 °С, а при выбранных нормативных параметрах tв = 4 °С и φв = 90 % tн = 4 − 0,7 = 3,3 °С. Таким образом, погрешность расчета из-за субъективного выбора исходных расчетных параметров внутреннего воздуха (при формально правильном выборе данных) составляет 3,3 / 1,4 = 2,36
раза (136 %).
Аналогичные расчеты для белокочанной капусты дали следующие результаты: при tв =
−1 °С и φв = 95 % tн = (−1) − (−2,3) = 1,3 °С. В случае tв = 0 °С и φв = 90 % — tн = 0 − (−2,9) = 2,9 °С. Погрешность (ошибка) при определении требуемого сопротивления теплопередаче
Rогртреб по (2.1) составляет 2,9 / 1,3 = 2,23 (123 %).
Вывод: нормирование теплотехнических характеристик наружных ограж-
дений сельскохозяйственных зданий по рекомендуемой нормами формуле (2.1)
не может осуществляться как с методической точки зрения, так и по конечной точности инженерных расчетов.
2.2.2. Расчет сопротивления теплопередаче наружных ограждений
Сопротивление теплопередаче наружного ограждения Rогр, м2·°С/Вт, в
общем случае равно [8]:
R = |
1 |
+ |
i |
|
1 |
, |
(2.7) |
|
|
|
|||||
огр |
αв |
|
i |
|
αн |
|
|
|
|
|
|
где αв и αн — коэффициенты теплоотдачи на внутренней и наружной поверхно-
стях наружного ограждения, соответственно, Вт/(м2·°С);
δi — толщина рассматриваемого конструктивного i-го слоя ограждения, м;
λi — коэффициент теплопроводности i-го слоя наружного ограждения,
Вт/(м·°С).
Толщина утеплителя стен определяется подстановкой в (2.7) вместо зна-
чения Rогр величины Rогртреб , найденной по (2.2) и (2.3). Действительное сопро-
тивление теплопередаче стен Rстд из штучного материала принимается с учетом кратности действительных толщин утеплителя. Сопротивление теплопередаче покрытия Rпокр определяется из соотношения:
Rогртреб |
Aст Aпокр |
. |
(2.8) |
||
|
|||||
|
A |
|
Aпокр |
|
|
|
cт |
|
|
|
|
|
Rд |
R |
|
||
|
|
|
|||
|
ст |
|
покр |
|
43
Преимуществом методики определения величин требуемого сопротивле-
ния теплопередаче Rогртреб и действительного сопротивления теплопередаче стен
Rстд и покрытия Rпокр неотапливаемых производственных сельскохозяйственных зданий является увязка их функционального назначения с индивидуальными показателями животных, птиц, хранящейся биологически активной продукции.
Величины сопротивлений теплопередаче увязываются с физиологической и биологической активностью животных qж, птиц qпт, сочного растительного сы-
рья qсрс, с объемно-планировочными решениями зданий, т. е. с известными зна-
чениями Aст, Aпокр, mпл.
Необходимо учитывать, что сокращение площади надземных ограждений и увеличение заполняемости помещений животными, птицами, хранящейся продукцией снижают расчетную величину требуемого сопротивления теплопе-
редаче Rогртреб . Поэтому рационально строительство многосекционных зданий, в
каждой секции которых достигается максимальная расчетная заполняемость.
Отметим, что рассматриваемая методика нахождения Rогртреб , Rстд и Rпокр
для неотапливаемых (без подачи искусственно генерируемой теплоты) произ-
водственных сельскохозяйственных зданий в общем случае приводит к их уве-
личению по сравнению с отапливаемыми зданиями по типовым проектами.
Этот факт согласуется с современной тенденцией снижения энергозатрат зда-
ниями [6, 7]. Одновременно уменьшается вероятность появления конденсата на внутренних поверхностях наружных ограждений.
Сельскохозяйственные производственные здания не являются полностью неотапливаемыми сооружениями даже при наличии наружных ограждений,
теплотехнические характеристики которых соответствуют величинам, опреде-
ленным по вышеприведенной методике. Это вызвано необходимостью удалять влагу, выделяемую в процессе жизнедеятельности животными, птицами, хра-
нящимся СРС. Количество выделяемой влаги одним животным jж, г/(ч·гол.),
или 1 кг живой массы птицы jпт, г/(ч·кг), приведено в табл. 1.4. Влаговыделение
44
в процессе хранения среднереализуемых в практике хранения насыпей картофеля jсрс = 10 г/(т·ч), капусты —20,3 г/(т·ч), моркови — 8,8 г/(т·ч), свеклы сто-
ловой — 7,6 г/(т·ч).
Минимальное количество приточного наружного воздуха Lminн , м3/ч,
( Gнmin Lminн ρв , кг/ч) для ассимиляции избытков влаги равно:
min |
|
Gвл |
|
(2.9) |
|
L |
|
|
|
, |
|
|
|
|
|||
н |
|
ρн (dу д dн ) |
|
|
|
|
|
|
|
||
где количество выделяемой влаги |
животными |
|
Gвл = jжnр, г/ч; птицами — |
Gвл = jптnррпт; сочным растительным сырьем — Gвл = jсрсGр, г/ч; ρн — плотность воздуха, кг/м3; dуд и dн — влагосодержание удаляемого из помещения и приточ-
ного наружного воздуха, соответственно (определяется по i‒d-диаграмме влаж-
ного воздуха), г/кг сух. в-ха.
Минимальные затраты теплоты на нагревание наружного воздуха, Вт:
min |
р |
tн ). |
(2.10) |
Qнагр 0,278св Lн |
ρн (tн |
|
Наружная расчетная температура tнр , начиная с которой требуются затра-
ты искусственно генерируемой теплоты на нагревание приточного воздуха,
определяется из теплового баланса конкретного сельскохозяйственного здания по формуле:
р |
tв |
|
|
Q б |
|
(2.11) |
tн |
|
|
|
. |
|
|
|
Аогр |
с Gmin |
|
|||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Rтреб |
в н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
огр |
|
|
|
Физический смысл условной наружной температуры воздуха tнр следую- |
||||||
щий: при понижении температуры наружного воздуха от tнр |
до расчетной в хо- |
лодный период года tн затраты теплоты на подогрев приточного воздуха увели-
чивается от 0 до Qнагр. В остальное время, когда tн > tнр , в помещениях имеются избытки физиологической или биологической теплоты и подогрев приточного наружного воздуха не требуется.
Удаление избытков теплоты осуществляется системами вентиляции, по-
45
дающими воздух с постоянным расходом Gпр, кг/ч. Доля наружного воздуха Gн
в общей массе Gо увеличивается от Gнmin при tнр до Gнmin = Gпр, когда наружный воздух имеет температуру выше расчетной внутренней (tн ≥ tв). Одновременно доля рециркуляционного воздуха Gрец = Gпр – Gн соответственно уменьшается.
В животноводческих зданиях повышение теплозащиты наружных ограждений существенно не сказывается на общем тепловом балансе здания, т. к. до 70 % теплоты используется на подогрев наружного воздуха. Кроме того, изменение удельных теплопотерь через наружные ограждения qогр (рис. 2.1) связано с их сопротивлением теплопередаче гиперболической зависимостью и повышение целесообразно до определенного предела.
Рис. 1.9. Удельные тепловыделения травы qтр в зависимости от относительной влажности воздуха φв при различной температуре травы tтр: 1, 2, 3, 4 — tтр = = 14,7; 21,0; 25,2; 29,0 °С, соответственно; 5 — при средней tтр = 22,5 °С
Например, увеличение сопротивления теплопередаче наружных стен в животноводческих зданиях (тип. проект № 801-99) в два раза с (1,03 до 2,06 м2·°С/Вт) приводит к сокращению общих теплопотерь зданий на 2,6 %. Дальнейшее увеличение значения Rогр (с 2,06 до 3,09 м2·°С/Вт) дает сокращение теплопотерь лишь на 0,9 %. Повышение теплотехнических качеств покрытия (с 1,36 до 2,72 м2·°С/Вт) для того же типового проекта снижает общие теплопотери зданий на 6,7 %, а при дальнейшем увеличении (с 2,72 до 4,08 м2·°С/Вт) на величину 2,4 %.
46
2.3.Расчетная тепловая мощность систем отопления
2.3.1.Динамика энергопотребления животноводческих
и птицеводческих помещений
Энергетический баланс помещений с учетом зависимостей по расчету требуемого сопротивления теплопередаче неотапливаемых сельскохозяйствен-
ных зданий (2.2) и (2.3) справедлив только при расчетной заполняемости поме-
щений животными или птицами nр, гол. На практике действительное заполне-
ние nд часто бывает ниже расчетного. По этой причине в животноводческих и птицеводческих помещениях должны предусматриваться системы по воспол-
нению недостатков физиологической и биологической теплоты при заполнени-
ях ниже расчетных. При относительном заполнении помещений n = nд / nр уве-
личение мощности систем теплоподачи (систем дополнительного или резервно-
го отопления) Qотд составляет с учетом реальных тепловыделений от животных
(2.4) или птиц (2.5):
д |
np (1 n)qжк1к2к3. |
(2.12) |
Qот (np nд )qжк1к2к3 |
|
Фактическая расчетная температура наружного воздуха tнр.факт , начиная с которой в помещениях начинается отрицательный тепловой баланс:
р.факт |
tв |
|
аQ б |
|
|
(2.13) |
|
tн |
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
Аогр с Gmin |
|
|||
|
|
|
Rтреб |
в |
н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
огр |
|
|
|
|
В животноводческих и птицеводческих помещениях значения явных фи-
зиологических или биологических тепловыделений следует уменьшить на ве-
личину теплопотерь через наружные ограждения с заранее известными площа-
дями и сопротивлениями теплопередаче (окна, двери, ворота и неотапливаемые тамбуры с торцов зданий). Эти потери теплоты рассчитываются по общеприня-
той методике с учетом замены величины 1 / Rогр = Когр для окон и ворот, полу-
ченных по (2.2), значениями коэффициентов теплопередачи для окон
Кок = Кок – Кст и для ворот Квор = Квор – Кст.
47
Общее энергопотребление животноводческих и птицеводческих помеще-
ний Qот складывается из затрат на подогрев минимального количества наруж-
ного приточного воздуха в холодный период года Qнагр (2.10) и мощности до-
полнительного отопления Qотд (2.12):
Q |
Q |
Qд . |
(2.14) |
от |
нагр |
от |
|
Рассмотрим методику расчета теплотехнических характеристик наруж-
ных ограждений и теплового баланса животноводческих и птицеводческих зда-
ний.
Исходные данные: вид содержащихся животных или птиц, конечная цель их выращивания, способ содержания; расчетные параметры внутреннего возду-
ха: температура tв, °С; относительная влажность φв, %; объемно-планировочные решения здания; расчетная nр и действительная nд вместимость здания, гол., ( n
= nд / nр); удельные явные физиологические тепловыделения животными qж или птицами qпт; удельные влаговыделения животными jж или птицами jпт.
Последовательность расчета:
- по (2.2) и (2.3) находятся значения требуемого сопротивления теплопе-
редаче наружных ограждений зданий;
- по зависимости (2.9) определяется минимальный расход наружного воз-
духа Gнmin , кг/ч, подаваемого в помещение;
-по (2.11) определяется условная температура наружного воздуха при расчетной заполняемости животноводческих / птицеводческих помещений;
-при условии Rогрст Rогртреб находится толщина утеплителя для стен;
-находятся затраты теплоты на нагревание наружного приточного возду-
ха (2.10) при расчетной заполняемости nр помещений и при n = 0,5;
- определяется дополнительная (резервная) при n = 0,5 мощность систем отопления помещения Qотд по (2.12);
48
- с учетом найденных по вышеприведенным значениям коэффициентов теплопередачи для окон Кок и ворот Квор находятся дополнительные теплопо-
тери через окна и ворота Qотдоп ;
- с учетом величины Qотд определяется необходимое общее количество теплоты для животноводческого или птицеводческого помещения.
Пример 2.2. Определить требуемое сопротивление теплопередаче наружных стен и покрытия коровника расчетной вместимостью nр = 200 гол. при привязном содержании. Масса одного животного 500 кг, уровень лактации 10 л, удельные тепловыделения одного животного qж = 723 Вт (табл. 1.4). Расчетные параметры воздуха: tн = 30 °С; tв = 10 °С;в = 80 %, температура точки росы tт.р = 6,5 °С. Коровник наземный (m = 0,05) имеет размеры в плане 78 12 м; высота наружных стен 2,6 м.
Физиологические тепловыделения животных (2.4):
Qжя = 723·200·0,96·1,0·0,8 = 111 060 Вт.
С учетом дополнительно рассчитанных фиксированных потерь теплоты через окна и ворота Qотдоп = 2 500 Вт явные тепловыделения в коровнике составляют:
Qя Qжя Qотдоп = 111 060 – 2 500 = 108 560 Вт.
Площадь надземных наружных ограждений:
Aогр = Aпокр + Aст = 78·12 + (2·78 + 2·12)2,6 ≈ 1 410 м2.
Требуемое сопротивление теплопередаче:
Rтреб |
n(tв tн )Аогр |
|
1,0(10 ( 30))1 410 |
0,553 м2·°С/Вт. |
|
|
|
||||
огр |
(1 |
mпл )Qб |
|
(1 0,05)108 560 |
|
|
|
|
Пример 2.3. Определить минимальный расход наружного воздуха, который необходимо подать в рассмотренный в примере 2.2 коровник.
По ветеринарным нормам для обеспечения животных кислородом минимальное количество наружного воздуха Gнmin.O2 , кг/ч, подаваемого в коровник в холодный период года,
принимается из расчета обеспечения не менее Lж = 0,15 м3/ч на 1 кг массы взрослого животного.
Gнmin.О2 500Lжnрρн = 500·0,15·200·1,24 = 18 600 кг/ч.
Количество атмосферного воздуха для ассимиляции влаги, выделяемой животными Gнmin.H2O , кг/ч, определяется по (2.9). При tв = 10 °С; в = 80 % влагосодержание удаляемого
воздуха (по i‒d-диаграмме влажного воздуха) составляет dуд = 6,05 г/кг сух. в-ха, влагосодержание наружного (приточного) воздуха при tн = 30 °С равно dн = dпр = 0,3 г/кг сух. в-ха. Удельные влаговыделения животного jж = 455 г/(ч·гол.) (табл. 1.4).
Gmin |
|
jжnр |
|
455 200 |
17 220 кг/ч. |
|
|
|
|
||||
н.H2O |
|
dуд – dпр |
|
6,05 – 0,3 |
|
|
|
|
|
|
Для удаления углекислого газа из коровника количество наружного воздуха Gнmin.CO2 ,
кг/ч, находится по формуле (3.1). Объем СО2, выделяемый одним животным, 141 л/(ч·гол.) (табл. 1.4), общий объем выделяемого СО2 в коровнике М = 141·200 = 28 200 л/ч. Количество СО2 в наружном воздухе в сельской местности Кпр = 0,33 л/м3. Предельно-допустимая концентрация СО2 в коровнике Куд = 2,5 л/м3 (табл. 3.1).
49