Табл. 1. Рассчитанные по разработанной методике прогнозируемые значения коэффициентов эффективности хранения картофеля и овощей
Рис. 1. Зависимость относительных ошибок температур δτв (1) и δtв (2) для подземных сооружений
Внастоящее время системы поддержания расчетных параметров микроклимата производственных сельскохозяйственных зданий в стране находятся в катострофическом состоянии. Отапливается не более 2–3% коровников и помещений для откорма скота, построенных по типовым проектам. В холодный период значения относительной влажности воздуха достигают 96–98%, о чем свидетельствует постоянный туман в помещениях.
Крупный рогатый скот выдерживает широкий диапазон отрицательных воздействий и выживает в этих условиях, но продуктивность его резко снижается. В условиях низких температур и высоких значений относительной влажности воздуха в животноводческих помещениях в крайне жестких условиях эксплуатации находятся ограждающие конструкции, что приводит к резкому ухудшению их теплозащитных качеств, влаго-, морозои теплоустойчивости и стойкости против коррозии.
Спроектированные отопительно-вентиляционные системы часто не выполняются в полном объеме или функционируют только в начальный период, а после выхода их из строя не ремонтируются и не восстанавливаются. Помещения эксплуатируются как неотапливаемые с неорганизованным воздухообменом. Такое положение объясняется большими энергозатратами на поддержание нормируемых параметров микроклимата и низкой продуктивностью животных.
Понесенные затраты за все возрастающую стоимость энергии не окупаются приростом получаемой от животных продукцией от повышения комфортности параметров микроклимата для животных. В этой статье приводится разработанная методология проектирования и эксплуатации энергосберегающих сельскохозяйственных зданий.
Она включает созданий двух взаимосвязанных моделей: архитектурно-планировочной и инженерно-технологической, которые во взаимодействии обусловливают комплекс требований, предъявляемых к проектированию малоэнергоемких и экологичных сельскохозяйственных зданий для каждого климатического региона страны. Архитектурно-планировочная модель основана на принципе компактности и формирования буферных зон.
Она включает определение оптимальных композиционных, планировочных и пространственных параметров. Инженерно-технологическая модель сельскохозяйственного здания неразрывно связана с архитектурно-планировочной, она включает системы жизнеобеспечения, оценивает параметры комфортности помещений при наличии различного инженерного оборудования, конкретных технических решений по использованию альтернативных источников энергии.
Для реализации поставленной цели были решены следующие конкретные задачи: уточнены локальные модели тепломассообмена в различного вида сельскохозяйственных зданий с учетом современных требований к рациональному энергои ресурсосбережению; разработана методика расчета требуемого сопротивления теплопередаче наружных ограждений; обоснованы требования к мощности систем отопления надземных зданий и подземных сооружений; аналитически выявлена динамики температурно-влажностных полей в насыпях биологически активного сырья; систематизированы методы расчета режимов работы и управления систем кондиционирования воздуха в различных видах сельскохозяйственных зданий; обоснована эффективности архитектурнопланировочных, инженерных и технологических решений по созданию и управлению параметрами микроклимата сельскохозяйственных зданий. Логика развития строительной отрасли в ХХI в. во многом будет результатом стремления к гармонии окружающей здание природной среды и микроклимата в помещении.
Основы системного анализа теплового и воздушного режимов зданий были созданы трудами отечественных ученых В.Н. Богословского, А.Я. Креслиня, Ю.Я. Кувшинова, Г.М. Позина, А.А. Рымкевича, Ю.А. Табунщикова и других. CКМ включают комплекс технических средств представляющих собой сочетание пассивных элементов (наружных ограждающих конструкций) и активных элементов (систем кондиционирования воздуха (СКВ). Принципы оптимизации затрат энергии зданий при круглогодичной эксплуатации разработаны в трудах О.Е. Власова, Е.Е. Карписа, О.Я. Кокорина, М.Я. Поза, Ф.В. Ушкова, А.В. Нестеренко, К.Ф. Фокина и других. Применительно к определению эффективности СКМ сельскохозяйственных зданий различного назначения следует отметить отечественные исследования В.М. Валова, И.Л. Волкинда, М.А. Волкова, В.М. Гарбуза, А.Г. Егиазарова и других авторов.
Рассмотрим конкретные решения поставленных выше задач.
Физический смысл известного уравнения воздухообмена для неотапливаемых животноводческих помещений с естественной вентиляцией:
показывает, что наружные ограждающие конструкции должны иметь такое сопротивление теплопередаче, чтобы теплопотери через них не превышали долю биологической теплоты, оставшейся после нагрева необходимого количества наружного воздуха. Графические зависимости, позволяющие определить зону естественной вентиляции для конкретного животноводческого здания, следующие. За единицу воздухообмена G1 принят воздухообмен по кислороду GO 2 Кривая Qизб = Qж – Qп характеризует количество избыточой теплоты в помещении, прямые GO 2 и GCO 2 показывают необходимый воздухообмен по кислороду и углекислому газу, кривые GQ и GGвл зависят от теплои влаговыделений животных.
Прямая G∆p е показывает величину возможного естественного воздухообмена в помещении. Точка А определяет границу минимальной tн, при которой избыточной теплоты хватает на подогрев наружного количества приточного воздуха для ассимиляции избыточной влаги. Точка Б определяет наивысшую tн, при которой гравитационное давление обеспечивает подачу в помещение необходимого количества воздуха.
Зона естественной вентиляции помещения может быть расширена за счет дополнительного утепления ограждений (точка A´) или за счет уменьшения потерь давления в системе (точка Б´). Использование ветрового давления и рациональных объемно-планировочных решений расширяет зону естественной вентиляции (зона активной аэрации между точками Б и В). В зоне 1Y необходимо прибегать к использованию механической вентиляции для увеличения воздухообменов или к искусственному охлаждению воздуха.
Разработанная трактовка энергетического баланса сельскохозяйственных зданий,методически обосновывающая принятие за основу нормирования величины сопротивления теплопередаче наружных ограждений удельный тепловой поток qнб, учитывающий индивидуальные биологические и теплофизические характеристики животных, птиц, хранящегося СРС и объемнопланировочные решения зданий
и наружная температура, начиная с которой требуется искусственный подогрев минимального количества Gmin наружного воздуха
получены и справедливы только для расчетного заполнения зданий животными,птицами (n,шт.) или хранящимся СРС (Gр, т). Эксплуатация зданий с неполной загрузкой вызывает необходимость восполнения недостатка биологических тепловыделений Q6. Резервная мощность систем отопления возрастает обратно пропорционально действительной степени загрузки помещений: a = nд/n; а = Gд//Gр:
При этих условиях температура t'н, до которой не требуются искусственные источники теплоты, составляет:
Анализ теплового режима подземных сооружений показал, что отказ от учета в различиях теплофизических характеристик материалов ограждающих конструкций и грунта не приводит к значительному отклонению температур поверхностей ограждающих конструкций δτв ивоздуха δtв от расчетных. Результаты расчетов показаны на рис. 1. Они позволяют сделать важный вывод.
При натопе или охлаждении (отключении систем отопления) уже через 10 суток наличие ограждающих конструкций с теплотехническими характеристиками, отличающимися от грунта, практически не влияет на температуру внутренних поверхностей ограждений τв и внутреннего воздуха tв. Поэтому утепление наружных ограждений подземных сооружений не требуется.
Проведенные теоретические и натурные исследования теплоустойчивости помещений наземных хранилищ позволили сделать вывод о большой тепловой инерционности как насыпей СРС, так и сооружений в целом. Наиболее неблагоприятные условия в хранилищах создаются в цикле естественной конвекции в насыпях сырья, которые и рекомендуется принимать в качестве расчетных при нормировании теплотехнических характеристик наружных ограждений.
Теплоустойчивость помещений повышается при строительстве сельскохозяйственных зданий с чердаками при устройстве воздушных прослоек у стен, при снижении площади наружных ограждений. Расчетная высота снежного покрова на бесчердачных покрытиях ηрсн = 0,075ηсн — постоянно действующий фактор, который должен учитываться при определении сопротивления теплопередаче покрытий. Перспективным путем повышения теплофизических характеристик ограждений является их сушка с использованием эффекта активного электроосмоса:
На основании теоретических и экспериментальных исследований выявлены соотношения между разностью потенциалов влажности внутреннего и наружного воздуха (Qв – Qн), °В, и напряжением, прикладываемым к внутренней и наружной поверхностям стен из глиняного кирпича U,В. Электроосмотический коэффициент влагопроводности χ = 8,43*10–5 г/(м*с*В) и взаимосвязан с коэффициентом паропроницаемости глиняного кирпича µ, г/(м*с*Па), соотношением χ = 2,53µ.
Проведен анализ обеспеченности хранилищ картофеля и овощей естественным холодом в осенний период года. Соотношение текущих температур наружного воздуха tн и хранимой продукции tк — в первом случае tн <tк и не требуется охлаждения воздуха, во втором случае требуется постоянно. Необходимая производительность холодильных машин составляет: Qx1 =Lнcвρв∆tв.о Расход холода для удаления биологической теплоты из насыпи в весенний период года равен: Qx2 =Lнcвρв(tн – tрв.о)
Результаты общих аналитических решений и экспериментальных исследований динамики температурных полей в насыпях СРС позволили выявить, что при работе систем активной вентиляции в период охлаждения происходит послойное охлаждение насыпей. В основной период хранения из-за наличия начального градиента температур по высоте насыпей (для клубнекорнеплодов и кочанов соответственно):
наблюдается фронтальный и равномерный по высоте теплосъем. В результате обоснованы и практически подтверждены теплофизические и технологические преимущества и указаны ограничения по образованию зон конденсации влаги в насыпях при использовании продувки «сверху-вниз» и при реверсивной продувке. При продувке «снизу-вверх» в установившемся режиме t →∞ температуры воздуха tв и насыпи tк по высоте х составляют:
При продувке «сверху-вниз» нагретый в верхних слоях воздух может охлаждаться до температуры точки росы tт.р и ниже ее. Конденсация не будет наблюдаться при выполнении следующего неравенства:
Разработаны экспериментально-аналитические обобщенные показатели эффективности архитектурных, инженерных и технологических решений по управлению микроклиматом сельскохозяйственных зданий, комплексно учитывающие основные факторы сохранности СРС (ηx = ηxmax*ηkηмηэ) или повышения продуктивности животных (ηж). Максимально возможный выход продукции ηxmax = 0,95.
Коэффициенты эффективности качества закладываемой на хранение продукции ηk следует принимать: для картофеля — 0,92; для столовой свеклы и моркови — 0,95; для капусты — 0,97. Коэффициент эффективности поддержания нормируемых параметров микроклимата ηм = ηaмηeм формируется и количественно характеризуется при проектировании (мастерство архитекторов ηaм) и в процессе эксплуатации систем создания и поддержания параметров микроклимата (мастерство инженеров, ηeм): ηм = f(ηoмηвмηмηLм).
Коэффициент эффективности сохранности СРС при использовании систем воздушного отопления выражается зависимостью:
ηoм = 1 – 2,05N/G.
Нагрев вентиляционного воздуха в вентиляторах увеличивает естественную убыль продукции, что соответствует коэффициентам эффективности ηo м = 0,999 для радиальных и ηв м = 0,9995 для осевых вентиляторов. Отклонение относительной влажности поступающего в насыпь воздуха ϕв.о от равновесной ϕр вызывает снижение коэффициента эффективности сохранности сырья до значения: ηϕ м =1–10–3(ϕp – ϕв.о)/6.
Коэффициент эффективности сохранности СРС при отклонении удельных расходов воздуха от оптимальных:
ηL м = 1 – 0,74⋅10–2n,где n = Lv.опт/Lv. Коэффициент эффективности эксплуатации хранилищ в расчетных условиях ηэ = ηp эηз эηy э. Необходимость дополнительного охлаждения недостаточно продуваемых объемов насыпей СРС сопровождается увеличением работы САВ (a = tг/tг.о). В этом случае коэффициент эффективности от равномерности распределения воздуха равен: ηз э =1– (a –1) [(1– ηL м) + (1– ηϕ м)]. При уменьшении степени загрузки хранилища (Gз = aGр) или при равномерной реализации сырья коэффициенты эффективности параметров микроклимата ηз э или ηy э составляют: 1 – 2,05N/(аGр).
В табл. 1 приведены рассчитанные по разработанной методике прогнозируемые значения коэффициентов эффективности хранения ηx (базовый вариант ηэ = 1,0) картофеля и овощей. Качественная оценка влияния пассивных и активных элементов систем кондиционирования микроклимата и режимов их эксплуатации указывает на необходимость поддержания экономически оправданного температурного интервала в помещениях при содержании скота, затраты по обеспечению которого оправдываются соответствующей продуктивности животных.
Результаты практического внедрения показали, что приведенный экономический эффект от уменьшения потерь продукции при хранении составляет 208,8 руб/(т.год); достигает 40% от расчетной (по типовым проектам); экономический эффект в животноводческих зданиях должен также учитывать повышение продуктивности животных, снижение их заболеваемости, а также факторы социального и экономического эффектов.
Заключение
Сельскохозяйственные здания являются особым классом зданий: по нормированию теплофизических характеристик наружных ограждений; по методам создания и поддержания технологических параметров микроклимата, качественно и количественно коррелирующихся с сохранностью продукции и продуктивностью животных; по способам снижения энергоемкости зданий; по повышению экологической безопасности.
Полученные графо-аналитические решения определения температурно-влажностного и воздушного режимов помещений энергоэкономичных животноводческих зданий позволяют выявить зоны применения и качественные характеристики естественной и механической вентиляции, необходимость искусственного обогрева или охлаждения приточного воздуха, области использования естественных источников теплоты и холода.
Разработанная методика нормирования требуемого сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций, учитывающая архитектурно-планировочные решения зданий и требования к технологическим параметрам микроклимата, дает возможность обосновать: нормативные требования к минимальной мощности систем искусственого теплообеспечения надземных и подземных сельскохозяйственных зданий; конструктивные решения наружных ограждающих конструкций; методики расчета и пути совершенствования теплофизических характеристик и рациональных объемно-планировочных решений сельскохозяйственных зданий.
