8502

формулам [61]: (2.17) – при борьбе с избытками явной теплоты; (2.18) – при удалении газов, паров или пыли; (2.10) – при удалении избытков влаги; (2.19) – при борьбе с одновременно поступающими в помещение теп-

В последнем случае конечное состояние удаляемого воздуха находится на I–d-диаграмме влажного воздуха по его предельно заданной температуре tуд или его влагосодержанию dуд (луч П–В на рис. 2.5).

Дополнительным фактором, определяющим воздухообмен, является минимальное количество кислорода, которое необходимо подать на одно животное для обеспечения физиологических процессов в организме. Для КРС массой 450 кг требуется 0,39 кг/ч кислорода, для свиней той же массы необходимо 0,47 кг/ч.

Минимальный воздухообмен по российским нормам оказывается на 40 − 50 % больше нормативных значений многих стран. На рис. 2.6 приведено сопоставление нормативных удельных воздухообменов gуд в коровниках при изменении температуры tн [16]. В Германии при tн = −15 ºС gуд = 7 м3/(т·ц), в Шотландии gуд = 3 м3/(т·ц). В США при tн = −25 ºС gуд = 8 м3/(т·ц).

Расчетный воздухообмен в птичниках не должен быть меньше нормативного (табл. 2.1). Анализ приведенных воздухообменов также показывает отсутствие в нашей стране единого мнения по величинам минимальных воздухообменов. При условиях обязательного выполнения директивно установленных воздухообменов теряет смысл их расчет по физикохимичес-

30

висимости (2.3), (2.4) справедливы только при расчетной nр заполняемости помещений. На практике степень заполнения помещений а бывает ниже расчетной. По этой причине в животноводческих и птицеводческих зданиях должны предусматриваться системы по восполнению недостатков биологической теплоты при нерасчетном заполнении помещений животными

Температура наружного воздуха, начиная с которой в помещениях начинается отрицательный тепловой баланс, равна:

В животноводческих и птицеводческих зданиях значения явных биологических тепловыделений следует уменьшать на величину потерь теплоты через наружные ограждения с заранее известными площадями и сопротивлениями теплопередаче (окна, двери, ворота, тамбуры).

Общее энергопотребление Qот складывается из затрат на нагрев минимального количества наружного приточного воздуха в холодный период

Методика расчета теплотехнических характеристик наружных ограждающих конструкций и теплового баланса животноводческих и птицеводческих зданий.

Исходные данные: вид животных или птиц (в случае необходимости следует указать породу), способ содержания; расчетные параметры внутреннего воздуха: tв, °С; φв, %; объемно-планировочные решения здания; расчетная nр и действительная nд вместимость здания (a = nд / nр); удельные явные биологические тепловыделения животными qж или птицами qпт и их влаговыделения jж или jпт.

32

Последовательность расчета:

−по (2.3) и (2.4) находится требуемое сопротивление теплопередаче наружных ограждений;

−определяется минимальный расход наружного воздуха Gнmin , кг/ч, пода-

ваемого в помещение (2.10);

−по (2.12) находится условная температура наружного воздуха tнр ;

−при условии Rо ст = Rотр находится толщина утеплителя для стен;

−задается сопротивление теплопередаче окон и ворот из условия (τв ≥ tт.р);

−находятся затраты теплоты на нагрев наружного приточного воздуха при расчетной заполняемости nр помещения (2.11) и при a = nд/nр = 0,5 (2.22);

−определяется дополнительная (например, a = 0,5) мощность систем ото-

пления помещения Qотда=0,5 (2.20);

−находятся дополнительные теплопотери через окна и ворота Qотд.к ;

−с учетом величины Qотд.к определяется общее количество потребной теп-

лоты для животноводческого или птицеводческого помещения.

Пример 2.1. Определить требуемое сопротивление теплопередаче наружных стен и покрытия коровника расчетной вместимостью nр = 200 голов при привязном содержании. Масса одного животного 500 кг, уровень лактации 10 л, удельные тепловыделения животного qж = 723 Вт (приложение 3). Расчетные параметры воздуха: tн = −30 оС; tв = 10 оС; ϕв = 80 %, температура точки росы tт.р = 6,5 оС. Коровник наземный (m = 0,05), размеры в плане 78·12 м; высота наружных стен 2,6 м; уклон кровли 0,12.

Биологические тепловыделения животных (2.5) равны Qбж = qж nр к1 к2 к3 =

723·200·0,96 1,0·0,8 = 111060 Вт.

С учетом дополнительных фиксированных теплопотерь через окна и ворота

Qбж = 111060 − 2500 = 108560 Вт.

Площадь надземных наружных ограждений F = Fст + Fпокр = 470 + 940 = 1410 м2. Rотр = 1,0 [10 − (− 30)]1410 /(1 − 0,05)108560 = 0,553м2 °С/Вт.

Пример 2.2. Определить минимальный расход наружного воздуха, который необходимо подать в рассмотренный в примере 2.1 коровник.

По ветеринарным нормам для обеспечения животных кислородом минимальное количество наружного воздуха GнО.min2 , кг/ч, подаваемого в коровник в холодный период года, составляет не менее l = 15 м3/ч на 1 ц массы взрослого животного:

33

GнО.min2 = l nр (500/100) ρв =15 200 5 1,24 =18600кг/ч.

Количество атмосферного воздуха для ассимиляции влаги, выделяемой животны-

ми GнН.min2О , кг/ч, определяется по (2.10). При tв = 10оС; ϕв = 80 % влагосодержание удаляемого воздуха dуд = 6,05 г/кг сух. в-ха, влагосодержание наружного воздуха при tн = −30 оС dн = dпр = 0,3 г/кг сух. в-ха. Удельные влаговыделения животного jж = 455 г/ч (приложение 3):

GнН.min2О = 455·200/(6,05 − 0,3) = 17220 кг/ч.

Для удаления углекислого газа из коровника количество наружного воздуха GнСО.min2 ,

кг/ч, находится по (2.18). Объем СО2, выделяемый одним животным, равен 141 л/ч (приложение 3), общий объем СО2 в коровнике М = 141·200 = 28200 л/ч. Количество СО2 в наружном воздухе в сельской местности Kпр = 0,33 л/м3. Предельно-допустимая концентрация СО2 в коровнике Kуд = 2,5 л/м3 (приложение 5):

GнСО.min2 = 28200·1,24/(2,5 − 0,33) = 16110 кг/ч.

Наибольший воздухообмен требуется по ветеринарным требованиям. Он принят за расчетный в холодный период года GнO.min2 =Gн.min =18600 кг/ч.

Пример 2.3. Определить температуру наружного воздуха tнр , начиная с которой

требуется его подогрев, для условий содержания животных, рассмотренных в примерах 2.1 и 2.2, при расчетной заполняемости коровника nр = 200 голов.

tнр a=0,5 = 10 – 69800/(1410/0,553 + 0,279 18600) = 10 – 9 = 1°С.

При заполнении на 50% температура наружного воздуха, начиная с которой необходим подогрев подаваемого приточного воздуха, повысилась с − 4оС до + 1 оС.

Пример 2.4. Для рассматриваемого в примерах 2.1−2.3 коровника на 200 голов КРС определить общее расчетное потребление тепловой энергии при заполняемостях a = 1,0 и a = 0,50.

Максимальные затраты тепловой энергии на подогрев наружного вентиляционного воздуха при nр = 200 гол. (2.11):

Qнаг= 0,279·18600·[(−4) – (−30)] = 134920 Вт.

В случае нахождения в коровнике 100 гол. (a = 0,5): Qнагa=0,5 = 0,279·18600·[1 – (−30)] = 160870 Вт.

Мощность систем дополнительного отопления при (a = 0,5) равна (2.20): Qотдa=0,5 = (200 −100) 723 0,961,0 0,8 = 55530 Вт.

Дополнительно теплопотери через окна и двери (пример 2.1) Qотд.к = 2500 Вт. 34

Общее энергопотребление коровника Qот = Qнаг + Qотд a +Qотд.к .

При расчетном заполнении коровника Qотд a = 0 теплопотребление равно:

Qот = 134920 + 2500 = 137420 Вт.

При заполнении коровника наполовину (a = 0,5) теплопотребление составляет: Qот = 134920 + 55530 + 2500 = 192950 Вт.

Результаты расчетов тепловых балансов животноводческих и птицеводческих помещений показывают, что сопротивления теплопередаче наружных стен и покрытий сооружений, выполненных по типовым проектам,

Это объясняется тем, что до 70…75 % теплоты в холодный период года расходуется на нагрев приточного воздуха, минимальный расход которого задается специалистами-ветеринарами [40]. Большим расходом теплоты на нагрев воздуха объясняется и значительно более высокая температура наружного воздуха tнр , начиная с которой необходимо подогревать наружный воздух при расчетном заполнении помещений.

2.5. Теплоустойчивость наружных ограждений и помещений

При расчете теплового режима производственных сельскохозяйственных зданий наиболее характерен случай теплопередачи через ограждения при переменной температуре наружного воздуха tн и постоянной температуре внутреннего воздуха tв. При правильных гармонических колебаниях величина tн изменяется около своего среднего значения tн.о с периодом Т, так что в любой момент времени z, ч, её величина равна [7]:

Н T

где AtН – амплитуда колебания температуры наружного воздуха, °С.

35

Можно принять время начала отсчета времени на ε, ч., раньше или позднее начала периода. Тогда изменение tн определится уравнением:

Колебания температуры наружного воздуха вызовут изменения тепловых потоков и температуры на поверхности и в толще ограждения. Эти изменения будут также правильными гармоническими колебаниями с периодом Т. В инженерных расчетах оценку теплоустойчивости ограждения характеризуют величиной тепловой инерции D, равной для многослойных ограждений:

уменьшается в два раза в пределах слоя с условной толщиной D = 1. В окончательном виде для расчетов с учетом поправочных коэффициентов на расположение слоев γсл и воздушную прослойку γв.п зависимость для приближенного определения ν имеет вид:

где: γсл = 0,85 + 0,15 S1 / S2; γв.п ≈1+ 0,5 Rв.п D / ∑ RS; S1 и S2 – коэффициенты теплоусвоения двух основных слоев по ходу тепловой волны.

Запаздывание сквозного проникновения колебаний температуры для многослойного ограждения, ч, при периоде Т = 24 ч равно: ε ≈ 2,7 D − 0,4.

Теплоустойчивость животноводческих и птицеводческих помещений рассчитывается так же, как для гражданских и промышленных зданий [7, 35]. Этот вывод базируется на относительном постоянстве в течение суток поступления теплоты в помещения. Соотношения между колебаниями теплового потока и температуры на поверхности ограждения определяется коэффициентом теплоустойчивости Y. Зависимость теплового потока от

36

температуры воздуха выражается коэффициентом теплопоглощения ограждения В =Аq/ Atв . Затухание амплитуды температуры воздуха Atв при переходе тепловой волны от помещения к внутренней поверхности ограждения, на которой амплитуда колебания равна Aτв , определяется по формуле:

где Y1 – коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности ограждения, Y1 = Aq / Aτв .Индекс коэффициента показывает порядок отсчета слоев в ограждении по направлению движения теплового потока.

Коэффициент теплопоглощения В показывает колебания амплитуды теплового потока, проходящего через поверхность ограждения, к вызы-

В животноводческих помещениях амплитуда колебаний температуры воздуха для всех ограждающих поверхностей одинакова, в каждый момент

где Р = ∑Y F – показатель теплопоглощения помещения, равный суммарной теплопоглощающей способности всех поверхностей в помещении.

Особое внимание следует уделять расчету теплоустойчивости поверх-

37

ности полов животноводческих зданий, хотя теплопотери через полы в энергетическом балансе таких зданий не превышает 4…5 %. Особый подход к выбору теплофизических характеристик теплоусвоения полов вызван тем, что отдых и сон животных и птиц (при напольном содержании) проходит непосредственно на полу, что повышает возможность простудных заболеваний и предопределяет их продуктивность и жизнеспособность. Жесткие требования предъявляются к тепловому режиму полов в помещениях молодняка. Основы нормирования и расчета теплоусвоения поверхности полов животноводческих и птицеводческих помещений, базирующиеся на исследованиях отечественных ученых, приведены в [4, 7, 16, 21, 40, 42, 66, 67, 77]. Показатель теплоусвоения решетчатых полов и полов помещений для содержания животных крупного рогатого скота на подстилке, птицы и овец не нормируется.

Верхний слой пола в местах отдыха животных и птиц при содержании их без подстилки определяется показателем теплоусвоения поверхности пола Yп, который должен быть не более нормированной величины Yптр . Однако в нормативной литературе до настоящего времени отсутствуют единые значения по величине Yптр . Например, СНиП 23-02−2003 [66] рекомендует следующие нормативные величины показателей теплоусвоения полов

Yптр : крупный рогатый скот молочного направления, телята до 6 месяцев, свиноматки, поросята-откормыши − 11,0 Вт/(м2оС); коровы стельные, молодняк свиней, свиньи на откорме − 13,0 Вт/(м2оС); крупный рогатый скот на откорме − 14,0 Вт/(м2оС). В то же время свод правил СП-23-101−2000 [67], на который ссылается [66], указывает на иную нормативную величину показателя теплоусвоения поверхности полов: для КРС молочного направления и молодняка до четырехмесячного возраста (КРС и свиньи)

Yптр =12,5 Вт/(м2°С); для откормочных животных с четырехмесячного возраста: свиней Yптр =17,0; КРС Yптр =15 Вт/(м2 °С).

38

Показатель теплоусвоения поверхности полов Yп находится в следующей последовательности. Если покрытие пола (первый слой конструкции пола) имеет тепловую инерцию D1 = R1 S1 ≥ 0,5, то величина Yп равна:

Если первые n слоев многослойной конструкции пола имеют суммарную тепловую инерцию D1 + D2 + …+ Dn < 0,5, но тепловая инерция (n + 1) слоев D1 + D2 +…+ Dn+1 ≥ 0,5, то показатель Yп следует определять последовательно расчетом показателей теплоусвоения поверхностей слоев конструкций, начиная с n-го до первого:

Показатель теплоусвоения поверхности пола Yп принимается равным показателю теплоусвоения поверхности первого слоя Y1.

Расчетные коэффициенты теплопроводности, теплоусвоения и другие теплофизические характеристики материалов слоев конструкций пола помещений в местах отдыха животных следует принимать при условиях эксплуатации Б [67].

Пример 2.5. Выполнить теплофизический расчет пола для помещения отдыха крупного рогатого скота и определить, удовлетворяет ли требованиям теплоустойчивости конструкция пола помещения при содержании животных без подстилки. Теплотехнические характеристики отдельных слоев конструкции пола (при их нумерации сверху вниз) даны в табл. 2.2.

Т а б л и ц а 2.2

Теплофизические характеристики слоев конструкции пола