8502

БОДРОВ Михаил Валерьевич

ОТОПЛЕНИЕ И ВЕНТИЛЯЦИЯ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ И ПТИЦЕВОДЧЕСКИХ ЗДАНИЙ

Монография

НИЖНИЙ НОВГОРОД, 2012

УДК 697.9 ББК 38.762

Рецензенты:

Чекардовский М.Н. − доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теплогазоснабжения и вентиляции Тюменского государственного архитектурностроительного университета Юдинцев А.А. − кандидат технических наук, доцент Нижегородской государственной сельскохозяйственной академии

Бодров М.В. Отопление и вентиляция животноводческих и птицеводческих зданий: монография / М.В. Бодров. − Нижний Новгород: ННГАСУ, 2012. − 146 с.

Изложены теоретические основы методологии нормирования и расчета энергоэффективных систем отопления и вентиляции животноводческих и птицеводческих зданий, как особого класса зданий по параметрам микроклимата и технологическому регламенту. Приведены основы конструирования и управления малоэнергоемких, экологически безопасных систем создания и поддержания технологических параметров внутреннего воздуха по периодам года. Даны конкретные примеры расчетов.

Предназначается для специалистов научных, проектных и строительных организаций, аспирантов и студентов, специализирующихся в области отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

ISBN

© ННГАСУ, 2012 © Бодров М.В.

Введение

Проблемы принятия решений при проектировании, эксплуатации и управлении параметрами микроклимата животноводческих и птицеводческих зданий, т.е. выбор одного из альтернативных вариантов, являются чрезвычайно сложными ввиду многообразия факторов, влияющих на этот выбор: строительных, теплофизических, технологических, экономических, социальных, экологических.

Существующие в настоящее время подходы к нормированию и расчету параметров внутренней среды животноводческих и птицеводческих зданий не в полной мере учитывают ветеринарные, объемно-планировочные, теплофизические и энергетические требования, предъявляемые к системам обеспечения параметров микроклимата (СОМ). Результатом являются непредсказуемые отклонения реальных параметров воздуха от расчетных, необоснованные завышения установочных мощностей систем, снижение показателей сельскохозяйственного производства. Понесенные затраты на создание и эксплуатацию СОМ не окупаются приростом продуктивности от повышения комфортности параметров внутреннего воздуха. Поэтому часто в реальных условиях запроектированные системы функционируют только в начальный период,

апосле выхода из строя они не восстанавливаются.

Вмировой и отечественной практике для гражданских и промышленных зданий разработаны и реализуются на практике теплофизические модели с соответствующим программным обеспечением, оптимизирующие энергетические и аэродинамические параметры систем. Однако заложенные в эти модели принципы выбора исходных расчетных параметров и обоснование физических процессов тепломассопереноса в ограждающих конструкциях и в помещениях не могут быть полностью перенесены на животноводческие и птицеводческие здания.

3

Разработанный в Нижегородском государственном архитектурностроительном университете методологический подход к созданию высокопродуктивных и энергоэффективных животноводческих и птицеводческих зданий основан на объединении их в единый биоэнергетический и архи- тектурно-строительный комплекс, в котором параметры микроклимата формируются за счет пассивных (тепловой контур здания) и активных (отопление, вентиляция, кондиционирование) СОМ. Такой системный подход включает рассмотрение взаимосвязанных объемно-планировочных и инженерно-технологических моделей. Первая модель основана на принципе компактности и формирования буферных зон, что позволяет определять рациональные композиционные и пространственные параметры. Вторая модель, неразрывно связанная с первой, включает системы жизнеобеспечения, оценивает параметры комфортности помещений при наличии различного инженерного оборудования.

Единый комплексный подход к закономерностям формирования параметров микроклимата приводит к выводу о необходимости выделения животноводческих и птицеводческих зданий в самостоятельный класс по нормированию и расчету энергоэффективных систем обеспечения допустимых параметров внутреннего воздуха. Данный методологический подход обосновывается следующими особенностями формирования среды в рассматриваемых помещениях. Во-первых, возможная сезонность эксплуатации, большой допустимый диапазон изменений расчетных параметров внутреннего воздуха. Во-вторых, наличие в холодный период года постоянно действующих биологических тепловыделений делает основной функцией теплового контура неотапливаемых сельскохозяйственных зданий рассеивание явных тепловыделений с обеспечением удельного кондуктивного потока через него для предупреждения переохлаждения животных и птиц. В-третьих, нормирование теплозащитных характеристик наружных ограждений с учетом утилизации биологической теплоты должно основы-

4

ваться не на субъективном выборе исходных данных (в пределах норм технологического проектирования), приводящего к недопустимому различию конечных результатов, а на объективных показателях конкретных сооружений с учетом их объемно-планировочных решений и технологий производства, приводящих к однозначному конечному результату.

В монографии для животноводческих и птицеводческих зданий как самостоятельного класса сооружений разработаны методики проектирования, конструирования и эксплуатации систем обеспечения микроклимата. Снижение расхода энергии системами в круглогодичном цикле эксплуатации достигается за счет: учета функционального назначения помещения и технологий производства; климатических условий местности; практически полной утилизации биологической теплоты животных и птиц; всестороннего использования возможностей естественных источников энергии, в т. ч. естественной вентиляции, аэрации, солнечной энергии. При системном подходе к расчету пассивных и активных элементов СОМ с одновременной увязкой их с конкретными технологическими регламентами производства, подавляющее большинство животноводческих и птицеводческих зданий могут эксплуатироваться без подачи в них искусственной теплоты или иметь минимальный резерв мощности по энергоносителям.

Лабораторные исследования систем обеспечения параметров микроклимата животноводческих и птицеводческих помещений проводились в лаборатории кафедры отопления и вентиляции ННГАСУ. Натурные испытания систем обеспечения микроклимата осуществлялись на предприятиях агропромышленного комплекса Нижегородской области.

Автор выражает искреннюю благодарность рецензентам д.т.н., профессору М.Н. Чекардовскому (Тюменский государственный архитектурностроительный университет) и к.т.н., доценту А.А. Юдинцеву (Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия) за ценные замечания и пожелания, высказанные при рецензировании монографии.

5

Глава 1. Технологии содержания и жизнеобеспечения

животных и птиц

Сельскохозяйственное производство в нашей страны осуществляется в различных климатических условиях. В то же время допустимые условия содержания животных и птиц, т.е. микроклиматические условия, при которых наблюдается их высокая продуктивность и рентабельность производства, практически одинаковы для любого региона страны. На проектирование, эксплуатацию, энергоемкость и экономическую эффективность СОМ животноводческих и птицеводческих зданий определяющее влияние оказывают исходные физиологические, ветеринарно-гигиенические, и теплофизические характеристики животных и птиц. Рассмотрим основные из этих показателей.

1.1. Нормирование технологических параметров микроклимата

Животноводческие и птицеводческие помещения

От 180 до 240 суток в течение года крупный рогатый скот (КРС) и многие другие виды животных, а некоторые из них, включая птиц, круглогодично находятся в замкнутых помещениях. В течение всего этого периода в помещениях должны быть созданы такие климатические условия (температура, относительная влажность, подвижность и газовый состав воздуха), при которых достигается высокая продуктивность животных и птиц, т.е. требуются минимальные затраты кормов, времени и средств на их выращивание и уход.

Животные и птицы обладают способностью поддерживать температуру тела на уровне оптимальной биологической активности, когда количество получаемой энергии с кормом в общем энергетическом балансе организма соответствует количеству тепловой энергии, отдаваемой окружаю-

6

щей среде. Параметры микроклимата помещений должны соответствовать устойчивости термодинамической системы тепло- и влагообмена живого организма с окружающей средой.

Определяющим фактором в производстве продукции животноводства является кормовой − до 50 − 60%, породистость и селекция влияют на продуктивность до 20%, а параметры микроклимата (условия содержания животных и птиц) могут повысить выход продукции на 30% [23].

Зоной размещения (рабочей зоной) свиней считается пространство высотой до 0,8 м, КРС и лошадей – до 1,6 м от уровня пола, в помещениях для содержания кур и индеек, оборудованных насестами и гнездами, – на 0,5 м выше наиболее приподнятых насестов и гнезд. При клеточном содержании птиц – на всю высоту клеточных батарей, при напольном содержании – до 0,8 м над уровнем пола.

Анализ результатов отечественных и зарубежных исследований температурного режима животноводческих помещений показал, что его можно условно разбить на следующие зоны:

−удовлетворительного общего теплового баланса (tв = 5 − 15 ºС);

−экономически целесообразной эксплуатации из условий расхода и стоимости кормов (tв = 12 − 20 ºС);

−снижения продуктивности животных (tв = 0 − 12 ºС), эта зона характеризуется увеличением расхода кормов и числа случаев заболеваний;

−зона низкой продуктивности (tв < 0 ºС), характеризующаяся большим количеством заболеваний и падежа животных;

−зона пониженной продуктивности (tв = 20 − 30 ºС), характеризующейся апатией животных и нарушением их систем терморегуляции;

−зона низкой продуктивности и падежа из-за перегрева (tв > 30 ºС).

В основных помещениях овцеводческих предприятий (содержание баранов, ремонтного молодняка, откормочного поголовья и валухов) расчетная температура tв и относительная влажность φв не нормируются [43].

7

В помещениях для ягнят tв = 12 °С, φв = 75 %. Для теплотехнических расчетов ограждающих конструкций помещений с ненормируемым темпе- ратурно-влажностным режимом следует принимать tв = 2 °С, φв = 85 %.

Расчетная температура воздуха в помещениях для взрослой птицы в холодный период года tв находится в пределах: для кур, уток и индеек 12 – 16 оС; для гусей 7 оС; расчетная относительная влажность воздуха составляет φв = 60 – 80 %.

Допустимые пределы относительной влажности воздуха помещений для содержания КРС, лошадей и свиней в холодный период года составляют: при расчетной температуре наружного воздуха tн > – 15 ºС φв= 85 %; при –15 ºС < tн < –25 ºС φв = 80 %; при –25 ºС < tн φв = 75 % [40, 42].

Необходимость поддержания температурно-влажностных параметров воздуха в помещениях диктуется не столько конкретным повышением продуктивности скота и птиц, сколько способствует реализации возможной продуктивности животных. Например, при низких значениях tв и высоких величинах влажности φв молочная продуктивность коров снижается на 8 – 13 %, жирность молока – на 0,3 % [30].

Натурные исследования параметров микроклимата в животноводческих помещениях, построенных по типовым проектам, показали, что в холодный период года значения относительной влажности воздуха с неработающими системами поддержания параметров микроклимата достигают 96…98 % и даже полного насыщения. О последнем факте свидетельствует постоянный туман в животноводческих помещениях.

Обобщенные значения подвижности воздуха в зонах размещения животных и птиц приведены в приложении 1.

Основной газообразной вредностью в животноводческих и птицеводческих помещениях является аммиак, образующийся в результате разложения подстилки, навоза, остатков корма. При гниении органических веществ, содержащих серу (помет, остатки кормов), а также из кишечника

8

животных и птиц выделяется сероводород, по токсическому действию приближающийся к синильной кислоте. Он поражает нервную систему и вызывает общее отравление организма.

В воздухе птичников, коровников, свинарников в виде механической примеси находится органическая и неорганическая пыль, частицы которой являются очагами колоний различных болезнетворных организмов. Основными источниками пылевыделений являются птицы, подстилка, корм.

Условия тепломассообмена в процессе жизнедеятельности животных и птиц, тепловой и влажностный режимы помещений, в которых они содержатся в холодный период года, характеризуются следующими факторами: значительные тепловыделения по всей площади помещения; относительно низкая температура внутри помещения; повышенная относительная влажность воздуха; наличие открытых поверхностей жидкости и смоченных поверхностей; небольшая высота помещений.

Зона максимальной продуктивности животных

Жизнедеятельность животных в зоне удовлетворительного общего теплового баланса сопровождается отдачей в окружающую среду общего количества теплоты Qо и зависит от теплоотдачи: конвективным путем Qк; путем лучеиспускания Qл; теплоотдачи, необходимой для испарения влаги с поверхности тела Qи. Конвективная и лучистая составляющие в сумме дают явную теплоотдачу Qя, а теплоотдача при испарении – скрытую теплоотдачу Qск. Происходящие в организме животных физиологические процессы, при которых продуктивность животных максимальна, наблюдаются при следующих соотношениях (в процентах) составляющих общего теплового баланса животных (для положения стоя) [4, 23]:

Qл : Qк : Qи = 30 : 30 : 40. (1.1) Изменение общей теплоотдачи Qо, а также изменение составляющих Qл, Qк и Qи животных в зависимости от температуры внутреннего воздуха tв, со-

ответствующие теплоотдаче коровы молочного направления массой 300 кг, приведены на рис. 1.1 [4].

9