10879

2.2.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]:

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 :

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:

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:

(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]:

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:

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:

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:

0,278св Lminн ρн (tнр tн ). (2.10)

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:

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):

Фактическая расчетная температура наружного воздуха tнр.факт , начиная с которой в помещениях начинается отрицательный тепловой баланс:

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):

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:

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

Gmin , кг/ч, определяется по (2.9). При tв = 10 °С; в = 80 % влагосодержание удаляемого

н.H2O

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).

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