Обеспечение параметров микроклимата в существующих сельскохозяйственных зданиях Ионычев Евгений Геннадьевич

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Обзор подходов к принципам оптимизации систем кондиционирования микроклимата сельскохозяйственных зданий 12

1.1 Общий подход к оптимизации теплового режима зданий 12

1.2 Параметры микроклимата сельскохозяйственных зданий и сооружений 15

1.2.1. Животноводческие и птицеводческие здания 16

1.2.2. Овощекартофелехранилища 18

1.3. Существующие методы расчета теплофизических характеристик наружных ограждающих конструкций 21

1.3.1. Нормирование теплофизических характеристик 21

1.3.2. Эффект воздухопроницаемости ограждений 30

1.3.3. Температурный режим ограждений подземных сооружений 32

1.4. Взаимосвязь энергоэффективности и архитектурно-планировочных решений зданий 35

1.5. Режимы работы систем кондиционирования воздуха 40

1.5.1. Животноводческие и птицеводческие здания 40

1.5.2. Овощекартофелехранилища 44

1.6. Математическая модель теплового баланса помещения и здания в целом 47

Цель и задачи исследований 54

ГЛАВА 2. Теоретическое обоснование и практические результаты совершенствования пассивных систем кондиционирования микроклимата 56

2.1. Физико-математическая модель формирования параметров микроклимата сельскохозяйственных зданий 56

2.2. Формирование температурно - влажностного и воздушного режимов животноводческих помещений 56

2.2.1. Климатическая зона максимальной продуктивности животных 56

2.2.2. Анализ теплового и воздушного балансов ч животноводческих помещений 58

2.2.3. Графо - аналитическое определение температурного и воздушного режимов животноводческих зданий 60

2.3. Минимальная мощность систем отопления для теплового обеспечения сельскохозяйственных зданий 66

2.4. Анализ теплофизических характеристик подземных наружных ограждающих конструкций 69

2.4.1. Решение для полупространства 70

2.4.2. Решение для помещения прямоугольного сечения 74

2.5. Теплоустойчивость помещений сельскохозяйственных зданий...76

2.5.1. Теплоустойчивость животноводческих зданий 76

2.5.2. Теплоустойчивость овощекартофелехранилищ 79

2.6. Методика расчета теплоусвоения поверхности полов животноводческих зданий 84

2.7. Пути совершенствования теплофизических свойств наружных ограждающих конструкций 86

2.7.1. Совершенствование теплофизических характеристик покрытий и стен 86

2.7.2. Рациональные объемно — планировочные решения сельскохозяйственных зданий 89

2.8. Управление влажностным режимом наружных ограждений 92

2.9. Лабораторные постановочные исследования характеристик эффекта электроосмоса на влагоперенос 96

Выводы по главе 2 99

ГЛАВА 3. Научное обоснование и практическое внедрение способов снижения энергоемкости систем кондиционирования микроклимата 101

3.1. Обеспеченность холодом при хранении сочного растительного сырья 101

3.2. Тепло физические особенности охлаждения насыпи и единичных кочанов капусты 109

3.3. Охлаждение картофеля и овощей воздухом с отрицательной температурой 117

3.4. Формирование температурно - влажностного режима насыпи хранящейся продукции при продувке « сверху - вниз» 118

3.4.1. Обоснование постановки задачи 118

3.4.2. Общие аналитические исследования тепературно -влажностного режима насыпей картофеля и овощей 124

3.4.3. Некоторые результаты общих аналитических решений динамики температурных полей 129

3.4.4. Теплофизические и технологические преимущества и ограничения при применении продувки «сверху - вниз» 138

3.5. Перспективные системы обогрева животноводческих зданий 145

3.5.1. Общий подход и обоснование выбора систем отопления животноводческих помещений 145

3.5.2. Методика расчета ИКИ 146

Выводы по главе 3 154

ГЛАВА 4. Совершенствование пассивных и активных элементов систем кондиционирования микроклимата 156

4.1. Пассивные системы кондиционирования микроклимата 156

4.1.1. Надземные ограждающие конструкции 156

4.1.2. Методика расчета эффекта электроосмоса 159

4.1.3. Неотапливаемые подземные и обсыпные сооружения 163

4.2. Активные системы кондиционирования микроклимата 167

4.2.1. Реверсивные системы активной вентиляции овощекартофелехранилищ 167

4.2.2. Режимы работы систем активной вентиляции автономных хранилищ 174

4.2.3. Анализ эффективности примененияискусственных источников холода в весенне - летний период хранения 182

4.2.4. Эффективность и перспективность применения газового лучистого отопления в животноводческих зданиях 185

Выводы по главе 4 197

ГЛАВА 5. Эффективность архитектурных, инженерных и технологических решений по управлению микроклиматом сельскохозяйственных зданий и сооружений 199

5.1. Параметры эффективности архитектурных, инженерных и технологических решений 199

5.1.1. Управление качеством и энергозатраты при хранении продукции 200

5.1.2. Качество закладываемой продукции 205

5.1.3. Пути практической реализации снижения потерь СРС и энергоемкости систем 205

5.2. Пути управления параметрами микроклимата для повышения продуктивности животных 210

5.2.1. Влияние пассивных элементов систем кондиционирования микроклимата 211

5.2.2. Влияние активных систем кондиционирования микроклимата 214

5.3. Экологическое обоснование внедрения энергоэффективных сельскохозяйственных зданий и сооружений 217

Выводы по главе 5 220

Выводы по диссертации 222

Список использованной литературы 225

Приложения 242

• Взаимосвязь энергоэффективности и архитектурно-планировочных решений зданий
• Минимальная мощность систем отопления для теплового обеспечения сельскохозяйственных зданий
• Общие аналитические исследования тепературно -влажностного режима насыпей картофеля и овощей
• Эффективность и перспективность применения газового лучистого отопления в животноводческих зданиях

Введение к работе

Проблемы принятия решений при проектировании, эксплуатации и управлении параметрами микроклимата производственных сельскохозяйственных зданий и сооружений, то есть выбор одного из альтернативных вариантов, является сложной ввиду многообразия ( строительных, теплофизи-ческих, технологических, экономических, социальных, экологических и т.д. ) факторов, влияющих на этот выбор.

Применяемый в настоящее время системный анализ к оптимизации теплового и влажностного режимов зданий включает в себя совокупность методов и принципов выбора технических параметров системы кондиционирования воздуха и теплозащиты здания, наилучшим образом отвечающих достижению цели, ради которой создается эта система. Методология системного анализа включает в себя подход к объекту, как к части другой более обширной системы, установление связей между его элементами и описание этих связей на языке математики; формулирование целей функции с формулировкой оптимизационной задачи, решение которой по тем или иным причинам предпочтительней других; решение полученной оптимизационной задачи.

Относительно редко в результате решения удается получить единственное строго оптимальное решение. Обычно выделяется область практически равнозначных решений, в пределах которых можно сделать окончательный выбор. Хотя системный подход имеет большие возможности в перспективе, его нельзя рассматривать как совокупность строго установленных правил, применение которых позволяет автоматически получать решения сложных задач тепло- и воздухообмена в помещениях.

Чем сложнее и масштабнее объект, тем важнее становятся научные методы, позволяющие заранее отбросить недопустимые варианты, часто основанные на интуиции, «опыте и здравом смысле», и рекомендовать наиболее удачные. В наше время техника и технология, в том числе и в сельском хо-

зяйстве, меняются настолько быстро, что «опыт» просто не успевает накапливаться, а «здравый смысл» легко может обмануть, если не опираться на научные методы поисков наилучших решений.

С начала нефтяного кризиса 1973 г. стало ясно, что необходимо ужесточить требования к экономии энергии. Щадящее расходование энергии и уменьшение выбросов С0₂ стало центральным пунктом политики ведущих стран мира. Следствием является выход на основе Федерального закона об экономии энергии РФ «Об экономии энергии» № 28 - ФЗ от 03.04.96 г. новых норм теплозащиты [162, 163, 168].

Однако эти нововведения в области экономии энергии практически не коснулись производственных сельскохозяйственных зданий. Современные тенденции развития сельского хозяйства в направлении комплексной механизации и специализации с созданием как крупных, так и мелких высокомеханизированных комплексов повышают требования к снижению энергоемкости сельскохозяйственных зданий и сооружений, особенно систем кондиционирования микроклимата.

Научное обоснование перспективных путей развития техники создания и управления параметрами микроклимата в помещениях возможно только при комплексном учете основных биологических и теплофизических характеристиках животных, птицы, хранящегося сочного растительного сырья, знания законов создания и поддержания дифференцированных по периодам года параметров микроклимата для каждого вида животных, растений хранящегося сочного растительного сырья (СРС). Повышенные требования к поддержанию параметров микроклимата вызывают необходимость дальнейшего углубленного изучения объемно - планировочных решений и теплофизических свойств ограждающих конструкций зданий, динамики нестационарных процессов тепломассообмена в объеме помещений, выявления и уточнения теплофизических характеристик движущих сил тепломассопере-носа. Обязателен учет специфических требований к параметрам микроклимата сооружений для каждого вида животных, птицы СРС при нормировании

тепло физических показателей наружных ограждений и обосновании выбора конструктивных и объемно — планировочных решений.

Выполнение этих требований позволит разработать методики расчета и оптимизации энергоэффективных сельскохозяйственных зданий, режимов работы их систем кондиционирования микроклимата по биологическим и технико - экономическим требования для различных климатических районов страны. Имеющиеся в литературе рекомендации по указанной проблеме являются слишком прямолинейными, не учитывающими экономические, технологические, организационные и экологические аспекты данной отрасли народного хозяйства.

Конкретная реализация полученных в работе общих закономерностей по энергосбережению иллюстрируется на примере климатических условий Нечерноземной зоны России. Теоретические и практические рекомендации и методики расчетов имеют обобщенный характер и применимы для других регионов. В основу методологии исследований микроклимата различных видов сельскохозяйственных производственных зданий заложен анализ результатов, по возможности разносторонне характеризующих проблему для взаимопроверки и достоверности окончательных рекомендаций, полученных путем комплексных теоретических, лабораторных и натурных аэродинамических и теплофизических исследований, проектных разработок, научного обобщения и классификации отечественных и зарубежных литературных данных.

Работа выполнялась в период с 1997 по 2004 г.г. и является составной частью комплексной научно-технической программы: « Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма 211.07, проект « Разработка и обоснование вероятностных показателей нестационарных возмущающих воздействий на тепловой режим реконструируемых зданий», № Г.Р. 01200307802, проект «Разработка и обоснование физико-математических моделей процессов тепломассопереноса в

11 слое биологически активной продукции при нестационарных возмущающих воздействиях».

Теоретические и экспериментальные исследования проводились на базе лаборатории кафедры « Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха» Нижегородского государственного архитектурно — строительного университета. Натурные исследования осуществлялись в хозяйствах Нижегородской области ( конкретные названия хозяйств приводится в тексте диссертации).

12 ГЛЛВЛ I.ОБЗОР ПОДХОДОВ К ПРИНЦИПАМ ОПТИМИЗАЦИИ СИСТЕМ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ МИКРОКЛИМАТА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ

1.1. Общий подход к оптимизации теплового режима зданий

Логика развития строительной отрасли в XXI веке, по нашему мнению, во многом будет результатом стремления к гармонии окружающей здание природной среды и микроклимата в помещениях. В современной строительной и архитектурной науках в мире сформулировалось ряд направлений, связанных с повышением качества среды обитания человека, с экономией энергетических ресурсов и с защитой интересов последующих поколений: Sustainable Building (жизнеудерживающее здание), Energy-Efficient Building (энергоэффективное здание), Intelligent Building (интеллектуальное здание), Bioclimatic Architecture (биоклиматическая архитектура), Healthy Building

Основы системного анализа теплового и воздушного режимов зданий в его сегодняшнем виде были создан трудами отечественных ученых В.Н.Богословского [14,15], Ю.А.Табунщикова [174], Н.Н. Моисеева[116]. А.А.Рымкевича [149], А.Я.Креслиня [90] и других. Анализ исследований вышеперечисленных авторов показал, что наилучшим результатом является оптимальное энергоэффективное здание, обеспечивающее минимум расхода энергии в системах кондиционирования микроклимата (СКМ). СКМ включает комплекс технических средств, обеспечивающих создание и поддержание в обслуживаемой зоне помещения необходимых по санитарным или технологическим нормам параметров воздуха. Комплекс представляет собой сочетание пассивных элементов СКМ (ограждающих конструкций ) и активных элементов (систем кондиционирования воздуха (СКВ).

При проектировании здания основополагающими являются архитектурные и инженерные решения. К архитектурным решениям можно отнести общую архитектурно - планировочную концепцию здания, включая формы,

ориентацию, внутреннюю планировку, выбор конструкций и материалов наружных ограждений ( с архитектурных позиций).

Инженерные решения здания заключаются в выборе: систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха; конструкций и материалов наружных ограждений ( с теплофизических позиций); систем автоматизированного управления инженерным оборудованием здания.

Об уровне мастерства архитектора и инженера с точки зрения энергоэффективности можно судить по соотношению [175]:

i = Q_min/Q, (1-і)

которое показывает, насколько представленное решение здания отличается

от оптимального. В (1.1) Q_min — затраты энергии на СКМ с оптимальными

архитектурными и инженерными решениями; Q - затраты энергии на

СКМпредставлеыного проектного решения здания. Чем ближе величина ц к

1,0, тем ближе выбранные архитектурные решения к оптимальным.

Величину ц можно записать:

О^а- 0^е
4 = 4a4e-qq> (1-2)

где Q*_ia - затраты энергии на СКМ с оптимальными архитектурными решениями;

Qmin "^{т0 же с} оптимальными инженерными решениями.

При приведенной трактовке величины ;; значение щ показывает мастерство архитектора; щ - мастерство инженера.

Принципы оптимизации затрат энергии промышленных и гражданских зданий при круглогодичной или сезонной эксплуатации разработаны в трудах отечественных ученых В.Н.Богословского [14,15], О.Е.Власова [45], Е.Е.Карписа [4,77], О.Я. Кокорина[83,84], М.Я. Поза [17], А.А.Рымкевича [148,149], Ю.А.Табунщикова [173,174], Ф.В.Ушкова [183], А.В.Нестеренко [119], К.Ф.Фокина [185] и др. Применительно к определению эффективности

14 СКМ сельскохозяйственных зданий различного назначения следует отметить отечественные исследования В.И.Бодрова [19,20,28], В.М.Валова [37], И.Л.Волкинда [46], МА.Волкова [47], В.М.Гарбуза [52], В.З.Жадана [65,66], А.Г.Егиазарова [62,63], Г.М.Позина [2,133,134] и некоторых других авторов, например, [10,68,78,79,92,99,110,117,124,140,141,144,171,172,194]. В диссертации также дан обзор и используются результаты исследований более 32 зарубежных ученых по оптимизации систем кондиционирования микроклимата сельскохозяйственных зданий, ссылки на которых будут приведены по мере логической связи рассмотрения конкретных вопросов.

Создание, поддержание и управление параметрами микроклимата сельскохозяйственных зданий является специфической и недостаточно изученной сферой применения теории тепло-и массопереноса. Следует, во-первых, учитывать особенности формирования и допустимые параметры микроклимата в них, и, во-вторых, во многих случаях противоположность конечных результатов, например, минимизацию потерь влаги в процессе хранения картофеля и овощей и максимальную интенсивность влагоотдачи для достижения кондиционных параметров сена при сушке травы. Решение поставленных теп-лофизических задач возможно только на основе обобщающего теплофизиче-ского подхода. Использование теплофизического метода анализа позволяет в причинно - следственной связи объединить количественные и качественные факторы формирования энергосберегающих параметров воздушной среды сельскохозяйственных зданий различного назначения в конкретных климатических условиях, на научной основе решать чисто практические задачи повышения экономичности сельскохозяйственного производства.

В Нижегородском государственном архитектурно — строительном университете разработана методология исследования энергосберегающих сельскохозяйственных зданий [93], принятая нами за основу при проведении исследований. Она включает создание двух взаимосвязанных моделей: архитектурно - планировочной и инженерно — экологической, которые во взаимодействии обусловливают комплекс требований, предъявляемых к проекти-

15 рованию малоэнергоемких и экологичных сельскохозяйственных зданий и сооружений для каждого климатического региона страны.

Архитектурно - планировочная модель основана на принципе компактности и формирования буферных зон ( рис. 1.1). Она включает определение оптимальных композиционных, планировочных и пространственных параметров.

Инженерно — технологическая модель сельскохозяйственного здания неразрывно связана с архитектурно- планировочной. Она включает системы жизнеобеспечния, оценивает параметры комфортности помещений при наличии различного инженерного оборудования, конкретных технических решений по использованию альтернативных источников энергии.

1.2. Параметры микроклимата сельскохозяйственных зданий

и сооружений

По условиям формирования и технологическим требованиям к параметрам микроклимата ( температура, относительная влажность, подвижность, газовый состав воздуха, температуры внутренних поверхностей наружных ограждений) сельскохозяйственные здания и сооружения относятся к особому классу. Поэтому вопросы рационального использования тепловой энергии в них, полученной как от традиционных, так и нетрадиционных источников теплоты, должны решаться с учетом специфических требований к параметрам среды, технологическим процессам, теплофизическим параметрам оболочки зданий, динамическим процессам жизнедеятельности находящихся в помещениях животных, птицы и биологически активной продукции.

Наиболее широкое распространенными у нас в стране и за рубежом производственными сельскохозяйственными зданиями являются животноводческие и птицеводческие, хранилища сочного растительного сырья ( картофеля, овощей, фруктов), теплицы. Остановимся более подробно на специфических особенностях требуемых параметров микроклимата в каждом из вышеназванных зданий и сооружений.

1.2.1. Животноводческие и птицеводческие здания

От 180 до 240 суток в год крупный рогатый скот (КРС), а некоторые виды животных и птицы круглогодично, находятся в закрытых помещениях. В течение всего этого периода для животных и птиц в помещениях должны быть созданы такие климатические условия ( температура t_e, относительная влажность q>_m подвижность v_n 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.

Исследования, проведенные в нашей стране и за рубежом, показали, что температурный режим для КРС в холодный период года можно разделить на следующие зоны: удовлетворительного общего теплового баланса (t_e=

5...15С); экономически целесообразной эксплуатации из условий расхода и стоимости кормов (/_e =12.. .20С); пониженной продуктивности животных (/_s =0...12С); зона низкой продуктивности (/₃<0С ) характеризуется большим количеством заболеваний и падежа животных; зона пониженной продуктивности ( f_e=20...30C) характеризуется апатией животных и нарушением их терморегуляции; зона низкой продуктивности животных и падежа вследствие перегрева (4>30С).

Допустимые пределы относительной влажности воздуха для помещений содержания КРС и свиней составляют при t_H>-\5C ^„=85%, при -15<*_н -25С <р_в =80%, при -25_H <р_а=75% [121,122].

Расчетная температура внутреннего воздуха в холодный и переходный периоды года при содержании птиц (куры, индейки, утки, гуси) как при напольном, так и клеточном содержании лежит в пределах 4=10... 16С, относительная влажность воздуха 7,=60...80%. Подвижность воздуха в зоне размещения животных и птиц приведена в таблице 1.1.

Основной газообразной вредностью является аммиак, образующийся в результате разложения подстилки, навоза, остатков корма. При гниении органических веществ, содержащих серу ( помет, остатки корма),

17 Таблица 1.1

Подвижность воздуха в зоне размещения животных и птиц.

а также из кишечника 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 и свинарников в виде механической примеси находится органическая и неорганическая пыль, частицы которой являются очагами колоний различных болезнетворных организмов. Основными источниками пылевыделеиий являются птицы, подстилка, корм.

Зоной размещения КРС и свиней считается пространство высотой до 0,8 м над уровнем пола, а в помещениях для содержания кур и индеек, оборудованных насестами и гнездами, - на 0,5 м выше наиболее приподнятых насестов и гнезд, при клеточном содержании - на всю высоту клеточных батарей.

Оптимальные параметры температурно — влажностного режима для холодного и переходного периодов года, соответствующие нормам технологического проектирования, приведены для ферм КРС в НТП-СХ. 1-72 [122], для свиноводческих ферм - в НТП-СХ.2 - 68 [121], для птицеводческих хозяйств ~вОНТП4-88[126].

В районах с низкими расчетными температурами наружного воздуха в холодный период года животноводческие и птицеводческие постройки необходимо оборудовать системами искусственного обогрева и механической

18 вентиляции. В тех же местностях, где расчетная температура позволяет поддерживать заданные условия в помещении за счет биологической теплоты, следует стремиться к обеспечению заданного микроклимата средствами естественного воздухообмена. Однако нами не обнаружено в технической и специальной литературе конкретных количественных характеристик динамики температурно - влажностных режимов животноводческих и птицеводческих зданий по периодам года с учетом технологий содержания животных и птиц. Поэтому решение данного вопроса является одной из задач проводимых исследований.

В животноводческих и птицеводческих зданиях, как правило, отсутствуют местные отсосы с механической вентиляцией. Поэтому приводимые в СНиП [157] расчетные зависимости по определению необходимого воздухообмена L, м³/ч., упрощаются и имеют вид:

для борьбы с явными теплоизбытками

L = 3,6Q_U35 /c_e(t_yd-t_np)_Pe; (1.3)

для борьбы с вредными или взрывоопасными газами, парами и пылью
Ь = М/(К_уд-К„_р); (1.4)

при удалении избытков влаги

L = G_eJ_Pe{d_yd-d_np)\ (1.5)

при одновременном поступлении в помещение теплоты и влаги

L = 3,6Q_n/pJI_yd-I_np). (1.6)

Конечное состояние воздуха, удаляемого из помещения, находится по 1-й - диаграмме влажного воздуха по его предельной температуре ґ_в или относительной влажности <р_в ( рис. 1.2).

1.2.2. Овощекартофелехранилища

Картофель и овощи в связи с высоким содержанием в них воды ( более 75%) выделены в особую группу сельскохозяйственной продукции - сочное растительное сырье (СРС). Энергетическая основа жизни СРС в период хра-

19 нения заключается в дыхании. Аэробная реакция дыхания имеет вид [10, 109,114]: C₆H,₂0₆+60₂->6C02+6H20+A(f в гр-ыолях:180+192=264+108+AG, (1.7)

где AG⁰ = -2874 кДж - стандартное изменение свободной энергии, представляющее собой изменение свободной энергии системы AG, которая может быть использована для совершения работы: AG—AU+pAV+TAS, где AU- изменение внутренней энергии системы; pAV- работа, полученная или совершенная системой; TAS - теплота, полученная или отданная системой в окружающую среду.

Основными физическими параметрами, влияющими на качество СРС, являются t_e, (р_в, v_e и газовый состав воздуха, которые изучены достаточно глубоко [65,127,129,204,220].

Г.С.Угаровым [180] обосновано понятие биологического нуля (/_К=4С), который характеризует оптимальную температуру хранения всех видов СРС. В практике хранения клубней в лечебный период продолжительностью 15...20 суток рекомендуется Ї_К=10...20С, в период охлаждения ( 20...30 суток) темп снижения температуры здоровой продукции zlz=0,5C/cyT., травмированной - до 1 С/сут. В основной период хранения: для картофеля t_K = 2...4С, для кочанов капусты t_K = -1...0С, для моркови и столовой свекы t_K~ 0...1,5С, для лукаґ_к=-3...-1С в зимний период и t_K~ 18...20С в остальное время (холодно-теплый способ хранения).

Оптимальный влажностный режим насыпи СРС - это режим, формируемый иод влиянием теплоты дыхания и испарительной способности продукта при полной защите от внешних теплопритоках [65]. Понижение величины ср_в в комплексе с оптимальной температурой продлевает состояние покоя.

Равновесная относительная влажность воздуха (р_в над поверхностью СРС определяется по коэффициенту депрессии раствора [66]:

г_к = р_рн/_Рп =103/(103 +AQ (1.8)

где р_п„ и р_пр - соответственно насыщающие упругости пара над чистой водой и над раствором;

Аи - понижение температуры замерзания клеточного сока: для клубней z!r₃=l,3C; для других овощей-от 1,0 до2,5С.

Значения Sk по (1.8) лежат в пределах 0,985...0,995, что согласуется с данными Х.Леншера [54], B.Hylmo [208]: для СРС ^_к = 0,990.. .995 (ср_р = 99,0...99,5%). В практике хранения значения (р_п несколько ниже значений <р_р: у картофеля, моркови, свеклы столовой <р_в=90...95%; у капусты ^=95...97%; у лука #у=60...80%.

Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования свидетельствуют о наличии на поверхности СРС насыщающей упругости водяного пара, соответствующей температуре поверхности и превышающей упругость пара в окружающей среде [58,65,66,109,208,216]. Живая ткань, выделяя теплоту при дыхании, имеет температуру выше, чем окружающая среда, что вызывает испарение влаги с ее поверхности даже при д)_в~\00%. Отметим, что влагообмен происходит медленно, углубления зоны испарения в элементах продукции не происходит [65].

Хранение в регулируемой газовой среде (РГС) затормаживает процессы дыхания при увеличении концентрации ССЬ (К_со ) и понижении концентрации 0₂ (К₀₂). При разработке проектов холодильных камер с РГС для плодоовощной продукции принимаются К₀ =3+1%, К_со =5±1%, K_N =92

±1% [129]. В ОНТП-6-86 [127], аналогичных английских нормах [199], отсутствуют указания по применению РГС в хранилищах СРС без искусственного охлаждения.

Значения подвижности воздуха в насыпи лежат в пределах и= 0,04...0,2 м/с [114] и не должны превышать 0,4...0,5 м/с для предотвращения вырывания воздухом воды из продукции, С теплофизической точки зрения для поддержания требуемого по технологии хранения теплового режима насыпи

клубней высотой h необходимы приведенные в таблице 1.2 минимальные скорости воздуха u_min и удельные расходы воздуха L_min [20].

Таблица 1.2

Значения и_тіп ^и L_min при охлаждении насыпи клубней

1.3. Существующие методы расчетов теплофизических характеристик

наружных ограждающих конструкций

1.3.1. Нормирование теплотехнических характеристик ограждений Производственные сельскохозяйственные здания (животноводческие, птицеводческие, хранилища СРС) характеризуются наличием постоянно действующих в течение холодного периода года тепловыделениями q_v и влаго-выделениями^у- Нормативные документы по расчету теплофизических характеристик наружных ограждений указанных выше зданий не учитывают особенности формирования параметров микроклимата: низкую температуру t_e и высокую относительную влажность ср_в, а также сезонность эксплуатации. Эти факторы не позволяют рассчитывать теплофизические характеристики наружных ограждений сельскохозяйственных зданий по аналогии с промышленными и гражданскими, как это требует СНиП [165], из-за большой (в несколько раз) погрешности в расчетах. На это обстоятельство указывают как отечественные, так и зарубежные исследователи [20,23,37,62,65,66,73,77,97, 131,201,223 и др.].

Относительный уровень энергетической эффективности гражданского здания при минимуме энергозатрат может быть оценен показателем тепловой эффективности [112]:

Холод Тепло

Свет Животные

Энергия Люди

Теоретическая конфигурация

Практическая конфигурация

Коммуникации Шум

Осадки Запахи

Ветер

Растения

Воздух

Рис. 1.1. Архитектурно-планировочная модель сельскохозяйственного здания

^=100/:

Рис. 1.2. Определение воздухообмена при одновременном поступлении в помещение теплоты и влаги

зЦр'н'лвс

fh(a/y + b/x) + xyc ^j

В (1.10): F- общая полезная площадь здания, м ; Н— высота здания, м; X,Y- длина и ширина здания, м; Л, В,С- теплопотери, соответственно, вертикальных ограждающих конструкций размером Хи К в основании и горизонтальных ограждающих конструкций здания при расчетных температурах t_H и 4» Вт/м². Зависимость (1.10) в неявной форме связывает энергоэффективность заний с их объемно — планировочными решениями. Можно констатировать, что для таких зданий в настоящее время наметился и начал реализо-вываться общий системный подход к количественному обоснованию взаимосвязи архитектурно - планировочных решений зданий, их конструктивных особенностей с показателями энергоэффективности.

Наиболее полно особенности нормирования наружных ограждений животноводческих, птицеводческих зданий и овощекартофелехранилищ обоснованы В.И.Бодровым [20,24]. Основной функцией наружных ограждений гражданских и производственных зданий является защита внутренней среды от воздействия извне. Для таких зданий сопротивление теплопередаче принимается не меньше требуемого [163,166]:

К^Р=<1_в~1_н)1а_вЫ^н, (1.11)

где a_gAt" = q" - нормируемый тепловой поток через ограждение, Вт/м².

При наличии в сельскохозяйственных зданиях в холодный период года постоянно действующих биологических тепловыделений (Q₆) теплотехнические характеристики наружных ограждений должны обеспечивать такой удельный тепловой поток через них, чтобы предотвратить переохлаждение животных, птиц или СРС (JjQ—О при расчетной температуре наружного воздуха t„). Удаление из помещения избытков теплоты, когда t_H выше расчетной, осуществляется системами вентиляции. Приведенная трактовка энергетического баланса сельскохозяйственных зданий методически обосновывает принятие за основу нормирования сопротивления теплопередаче наружных ог-

24 раждений удельного теплового потока q^H₆, учитывающего действующие биологические тепловыделения и объемно - планировочные решения:

K^p=(t_e-t_H)/q^H₆; (1.12)

q"₆=(l-m)Q₆/F, где F = F_cm + F_noKp -площадь надземных стен и покрытия, м²;

т — коэффициент, учитывающий долю теплопотерь через подземные части зданий, т ~ 0,03...0,05 для надземных зданий; /и~0,08...0,10 - с обваловкой на 0,5...0,65 стен по высоте; т=0,25...0,30- для заглубленных зданий и буртов СРС.

Явные тепловыделения Q при расчетном числе животных в помещении п равно:

Q*=q*nk№₃ (1-13)

где ^-количество явной теплоты, выделяемой одним животным, (прил.2); к_} - коэффициент на температуру воздуха в помещении ( рис. 1.3);

к₂ - коэффициент, учитывающий фактическое число животных в помещении

по сравнению с расчетным;

к₃ - коэффициент, учитывающий тепловыделения животных, находящихся в

состоянии покоя ( в ночное время ); для КРС и свиней kj=0,8; для птиц

кг=0,б.

Количество теплоты, выделяемой птицами:

Qr=nPq_nmk_xk₂k_Zi (1.14)

где Р - масса одной птицы, кг, ( приложение 2 ); q_nm - удельные тепловыделения одной птицей, Вт/кг, ( приложение 2).

Явные тепловыделения СРС при расчетной вместимости хранилища G_p, т, в оптимальном режиме хранения:

Яв^РС = ЯсрсО_р, (1.15)

25 где qcpc~ удельные явные тепловыделения СРС [20,24] для среднереализуе-мой в практике насыпи травмированных клубней картофеля в основной период хранения qcpc⁼ 12 Вт/м³ = 178,6 Вт/т; для насыпи кочанной капусты Чсрс = 3,9.. .4,7 Вт/м³ = 9,7... 11,7 Вт/т; для моркови и свеклы столовой, соот-ветственно, q_cpc = 7,3 Вт/м ~ 10,4 Вт/т и q_Cpc ⁼ 5,3 Вт/м = 9,0 Вт/т. Отметим, что по нормам [127], в основной период хранения для кочанов q = 7,0 Вт/т, для клубней, корнеплодов моркови и столовой свеклы машинной уборки, соответственно, q = 8,6; 8,5; 7,3 Вт/т.

При нормировании сопротивления теплопередаче по значениям q^H₆ определять перепад температур АҐ = /_e -1 , как требует СНиП [166], а также

коэффициент теплообмена на внутренней поверхности ограждения а₃ не требуется. Это неоспоримое преимущество предложенного метода нормирования, т. к. в нестационарных условиях теплообмена при низких t_a и высоких <р_в в сельскохозяйственных зданиях добиться необходимой точности определения значений At" и а_в не представляется возможным. Добавим, что при субъективном ( в допустимых нормами пределах) выборе нормированного температурного перепада АҐ значения R^p по (1.11) и толщины утеплителя

могут отличаться на 200.. .300% в одних и тех же климатических условиях. Анализ формулы сопротивления теплопередаче

Я₀ = 1/а_е + ^ё/Л + Я_ем + 1/а_н (1.16)

показывает на незначительное влияние величины коэффициента а_в на конечное значение R₀ ограждений ( 2...6% ), хотя на нормирование сопротивления теплопередаче стен и покрытий его значение является определяющим. Точная регламентация коэффициента по методике, предложенной в [14], затруднительна из-за переменных значений температур /_б иг_е, подвижности воздуха при работе вентиляции, различных значений лучистой составляющей теплообмена, зависящей от способа содержания животных и складирования продукции, а также с увеличением значений <% в зонах локальной конденсации на внутренней поверхности ограждений. На несоответствие расчетных и ре-

26 альных значений коэффициента а_в в сельскохозяйственных зданиях указывается во многих работах, например, [2,37,47]. Поэтому можно сделать вывод, что нормирование теплотехнических характеристик нарружных ограждений сельскохозяйственных зданий по (1.1) не может быть приемлемым как с методической, так и с инженерной точек зрения.

Преимуществом предложенной профессором В.И.Бодровым методики

определения величины R^p является увязка функционального назначения здания с индивидуальными теплофизичскими и биологическими показателями животных, птиц и СРС. Величина R^p увязывается с биологической активностью ( ц_ж-і q_nm, q_CPC ), объемно - планировочными решениями здания (F) при содержании или хранении даже одного вида животных или СРС. В отношении объемно - планировочных решений сделан вывод, что сокращение площади их надземных стен путем максимального заглубления или обвалования, увеличение вестимости помещений уменьшают величину R^p. Рационально строительство многосекционных сельскохозяйственных зданий , в которых достигается максимальное загружение помещений и стабилизация микроклимата при минимальных энергозатратах.

В процессе жизнедеятельности животные, птицы, СРС выделяют влагу. Количество выделяемой одним животным или птицей влаги/^ г/час J„_m, г/кг массы, приведено в приложении 2. Влаговыделения в процессе хранения картофеля составляют/ = 10 г/(т.час), капусты/ ⁼ 20,3 г/(т.час), моркови/ = 8,8 г/(т.час), свеклы столовой/ = 7,6 г/(т«час).

Минимальное количество наружного воздуха G_HXnin = L_HІ р_в для ассимиляции избытков влаги определяются по ( 1.5) ,где для животных и птицы G_m ~ Jⁿ> ^г/час; Д^ля СРС Go, = Jcpc^g_p > ^г/час-

Максимальные теилозатраты для нагревания наружного воздуха:

Q« = ofi_HMin(t^l_H-t_H) (1.17)

27 Необходимость нагревания вентиляционного воздуха в холодный период года не позволяет рассматривать производственные сельскохозяйственные здания как полностью неотапливаемые сооружения. Наружная температура, начиная с которой требуется нагревание воздуха, определяется из теплового баланса каждого конкретного сооружения:

t'=t ^й (1.18)

F/R^mp+cG

При понижении температуры наружного воздуха от t_H до расчетной t_H теплозатраты на подогрев наружного воздуха увеличиваются от 0 до Q_e. В остальной период, когда t_H W,', в сельскохозяйственных зданиях имеются теплоизбытки ( рис. 1.4). Удаление теплоизбытков осуществляется вентиляцией, имеющей постоянный расход G^. Часть наружного воздуха в общей

массе подаваемого в помещение воздуха увеличивается от G_min при t'_H до G_limax = G_o5, когда t_H>t_e, а доля рециркуляционного воздуха соответственно уменьшается.

В сельскохозяйственных зданиях, как будет показано ниже, должны быть предусмотрены дополнительные системы отопления ( кроме мощности Q_e по формуле 1.17 ) для компенсации теплопотерь при неполной загрузке помещений (для восполнения недостатка биологических тепловыделений), как резерв при возможном понижении /„ ниже расчетной.

Рассмотренная методика определения R^p в общем случае приводит к увеличению сопротивления теплопередаче ограждений по сравнению с типовыми проектами, что уменьшает вероятность появления конденсата на внутренних поверхностях наружных ограждений и согласуется с последними нормативными документами [163.166].

Применительно к животноводческим зданиям получена аналогичная (1.18) формула по определению условной темературы наружного воздуха, до которой возможно поддержание нормативных параметров внутренней среды за счет биологических тепловыделений[37]:

к,

1.2

0.8

0.4

1.61

-W 0 HO +20 f _t 'C

Рис. 1.3. Коэффициент на температуру воздуха в помещении:

1- для коров; 2 - для свиней

месяца

Рис. 1.4. Динамика тепловых балансов сельскохозяйственных зданий: 1 - теплоизбытков; 2 — теплонедостатков

,/_, Q7-i№GJiyb~h_P)Kd_yd-d_np)

где р_огр =Y,fiⁿi^Roi»^Вт/м2;

_/J - удельная площадь наружных ограждающих конструкций, м²/гол.; п - количество голов, шт.

На рисунке 1.5 представлены зависимости условной температуры t^l_H по (1.19) от температуры внутреннего воздуха при различных условиях теплозащиты коровника. В животноводческих зданиях повышение теплозащиты наружных ограждений существенно не сказывается на общем тепловом балансе здания, т.к. до 70% расхода теплоты требуется на подогрев вентиляционного воздуха. Кроме того, изменение теплопотерь через наружные ограждения связано с их сопротивлением теплопередаче гиперболической зависимостью ( рис. 1.6 ) и повышение его целесообразно лишь до определенного предела, выше которого увеличение R₀ уже не дает существенного эффекта. Например, увеличение R₀ в животноводческих зданиях ( т.п. № 801 -99 ) в два раза (с 1,03 до 2,06 м²С/Вт ) приводит к сокращению общих теплопотерь зданий на 2,6%. Дальнейшее увеличение значений R₀ с 2,06 до 3,09 м²С/Вт дает сокращение теплопотерь лишь на 0,9%. Аналогичное повышение тепло-

технических качеств покрытия ( 1,36 до 2,72 м С/Вт ) для того же типового проекта сокращает общие теплопотери здания на 6,7%, а при повторном увеличении с 2,72 до 4,08 м^2оС/Вт - на 2,4%.

Зависимость архитектурно - планировочных решений хранилищ, хранимого вида СРС и сопротивления теплопередаче наружных ограждений показана на рисунке 1.7 [223]. На нем Gr = G/F, т/м², - отношение массы хранящейся продукции к суммарной внешней поверхности всех наружных ограждений. Осредненный коэффициент теплопередаче K_cp=l/R_ocp в зависимости от G_F и вида продукции приведен при t_H=-\5C. Только в небольших кар-

зо тофелехранилищах G_F= 0,5 G_p/F< 0,9 необходим искусственный подогрев воздуха.

1.3.2. Эффект воздухопроницаемости ограждений Для сельскохозяйственных зданий определенный интерес представляет метод совершенствования теплозащитных характеристик ограждающих конструкций путем использования физического эффекта поровой инфильтрации [15,33,37,104,183]. Тепловой эффект при поровой инфильтрации заключается в возврате трансмиссионных теплопотерь, т.е. ограждение превращается в своеобразный регенеративный теплообменник. При инфильтрации наружного холодного воздуха через ограждения проявляются также дополнительные положительные эффекты: осушающий наружное ограждение; вентиляцио н ный.

Воздух движется по порам и капиллярам медленно (Re&0,05) и поэтому его температура во всех сечениях ограждения практически равна температуре каркаса. В стационарных условиях при отсутствии фильтрации воздуха (W= 0) тепловой поток через ограждения есть величина постоянная:

Чвх - Явых (рис. 1.8). При инфильтрации часть теплоты идет на нагрев наружного воздуха и величина теплового потока уменьшается Возможен вариант полного отсутствия трансмиссионных теплопотерь, когда теплота целиком используется на нагрев наружного воздуха: д_еыл =0.

С ростом проницаемости конструкций ( и расхода воздуха через них) повышается эффективность поровой инфильтрации, но одновременно повышается риск отклонения температур внутренних поверхностей ограждений от расчетных. Естественными силами фильтрации являются градиенты тепловых Арі и ветровых Ap_v давлений на оболочку здания. Перепады Ар₍ более устойчивы, перепады Ap_v более случайны. Поэтому последний фактор при режиме устойчивой инфильтрации должен быть максимально снижен.

^K.'c

'я I

q, Вт/м'

О 1 2

/?„, м^г'С/Вт

Рис. 1.5. Условная температура t\

при различных уровнях теплозащиты коровника

Рис. 1.6. Удельные теплопотери здания при различных температурных перепадах

0,8 0,6 0,4 0,2

K_cp,Bm/t

м² к

0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4G_F,m/M'

Рис. 1.7. Зависимость коэффициента теплопередачи наружных ограждений от характеристики хранилищ

32 Зависимость между расходом инфильтрующегося воздуха W_n и сопротивлением теплопередаче воздухопроницаемого ограждения R_OM в конычном виде равна [37]:

ff =_L-ln[ I ] (1,20)

^ОМ c_eW_u \_n-t_H-{t_e-t_H)_V(-c_eW_uR_ef

а величина требуемого сопротивления теплопередаче ограждения при инфильтрации воздуха:

1 At"
Rp =—^l— ln[ — (1.21

c_eW_u ^VAf~{t_e-t_H){tx_V{-c_eW_uR_e)-\-\ Максимальная величина инфильтрующегося воздуха составляет:

_Шмакс ₌ —!_i_n(-bjiZLL) (1.22)

В инженерных расчетах максимально допустимый расход инфильтрующегося воздуха необходимо принимать с запасом 15%.

1.3.3. Температурный режим подземных сооружений В подземном исполнении могут быть выполнены склады, овощекартофелехранилища, бурты и некоторые другие сельскохозяйственные здания. Заглубление подземных или толщина слоя земли обсыпных сооружений h_p, м, определяется с учетом несущей способности ограждающих конструкций, но в любом случае должно выполняться соотношение h_p>h_MUH, где h_MUH - минимальная глубина заглубления или толщина обсыпки, определяемая исходя из условия поддержания температуры внутренних поверхностей ограждений t_e>t_m._p.

В нормативных документах [164] приводится максимальная глубина промерзания h_M. Для расчета реального температурно — влажностного режима помещений требуется текущая в течение года температура внутренних поверхностей ограждений. Такая задача решена для инженерных расчетов в [22] с учетом фазовых переходов ( замерзание, оттаивание ) воды в грунте.

33 Теплофизические характеристики грунта: плотность в талом р_т или мерзлом р_м состояниях, коэффициенты теплопроводности талого Х_т и мерзлого Я_н грунта, а также теплоемкости в мерзлом с_м и талом с_т состояниях принимаются по [164]. В связи с несовпадением минимального значения температуры с началом календарного года ( 1 января) и отнесением среднемесячной температуры условно к 15-му числу каждого месяца внесена поправка на указанный сдвиг фаз. Также принят во внимание тот факт, что при строительстве происходит разрушение естественной структуры грунта, в связи с чем температура фронта фазового превращения для воды принята t_P⁼0C. В конечном случае расчетная температура глубины промерзания равна [22]:

К =27,

-2XJtZ + At_c+mt^c_x^pJ

— '^-Ч гг,. V U"")

где t^cf_e - среднегодовая температура наружного воздуха,С, [162];

At_c - превышение среднегодовой температуры поверхности грунта над среднегодовой температурой воздуха, С, за счет снежного покрова, для инженерных расчетов At_c=2..AC [96];

mff_M = t_{H в} - температура наружного воздуха в расчетный период, где m равен для периода с 15 по 30 октября ( т_р - 0,5) т = -0,131, для ноября (т_р = 1,5 ) m = -0,377, для декабря (т_р = 2,5 )тп~ -0,574, для января ( т_р ~ 3,5 ) m = -0,695, для февраля ( т_р = 4,5 ) m = -0,732, для марта ( т_р = 5,5 ) m = -0,691, для апреля ( г_р = 6,5 ) m - -0,643, для мая ( т_р = 7,5)т = -0,439, для июня ( г_р =8,5 ) т = -0,286, для июля (г_р = 9,5 ) т = -0,1505, для августа ( т_р — 10,5 ) m =-0,054, для сентября ( т_р = 11,5 ) m = -0,0057, для октября ( с 1 по 15) ( т_р =12 ) m = 0; т_р- период времени с начала наступления отрицательных температур до расчетного месяца, мес;

ff_r- общая влажность грунта ( по отношению к массе всего грунта), доли; i₀ - относительная льдистость грунта, доли, ( табл. 1.3);

34 г і = 336 кДж/кг - энергия превращения воды.

Таблица 1.3
Изменение льдистости мерзлых грунтов

Из выражения ( 1.23) видно, что при (f^p_s._e + At_c)>mf^p_XM подкоренное

выражение принимает нулевую или отрицательную величину. Это означает, что таяние льда, образовавшегося из поровой воды, закончилось, и начался нагрев грунта. В этом случае при определении температур поверхностей ограждающих конструкций подземных или обсыпных помещений процесс фазовых переходов не учитывается. Проведенные нами по рассмотренной методике расчеты текущей глубины промерзания грунта для г. Москвы и г. Новосибирска приведены в приложении 3.

Температура воздуха в герметичных неотапливаемых подземных помещениях без источников тепловыделений и без теплоемкой массы продукции в расчетный промежуток времени равна средней температуре внутренних поверхностей ограждающих конструкций:

F_m+F_nJ, (1.24)

где т_в, т_т, т_пол, F_c, F_m, F_na„ - соответственно, температуры и площади внутренних поверхностей, торцевых ограждений ( входов ) и пола.

Аналитически определение т_в проводится по уравнению затухания гармонических колебаний с учетом реальной глубины заложения h_p, м, [22]:

_{h 2?} -2XJtZ + At_c + mtZJ_
^{Р ЛІ} P_mWM

^ЄХР(~^кил\—)

r_e^tf_e+At_c + Acos\-~^~

( 1.25)

35 Когда h_pM, толщина обсыпки зданий находится в замерзшем состоянии и величина т_е определяется при значениях а_м. Торцевые части подземных сооружений предназначены, как правило, для устройства ворот и поэтому не имеют, как правило, грунтовой обсыпки. Значения температур на внутренних поверхностях т_т находятся теплотехническим расчетом при условии T_m>t_m,p. Расчетная температура пола т_пол определяется из (1.25) при замене величины h_p на расчетную глубину пола к_пол.

В заключении обзора раздела по взаимосвязи теплотехнических характеристик наружных ограждающих конструкций сельскохозяйственных зданий и сооружений с энергоемкостью последних отметим некоторые дополнительные, не полностью изученные до настоящего времени факторы: учет снежного покрова; строительство зданий с чердаками; эксплуатация сооружений с переменными сопротивлениями теплопередаче.

1.4 Взаимосвязь энергоэффективности и архитектурно — планировочных

решений зданий

Системный подход к проектированию энергоэффективного здания позволяет провести анализ затрат энергии пассивными элементами систем кондиционирования микроклимата). Расчетные затраты теплоты зданием определяются по общепринятой методике [157]:

Приведенная в разделе 1.3.1 методика расчета сопротивления теплопередаче непрозрачных ограждающих конструкций (R₀>R_o^mp) сельскохозяйственных зданий и сооружений указывает на возможность снижения значения R₀ в зависимости от их объемно - планировочных решений. С другой стороны, при наперед заданных величинах R₀ снижение теплопотерь сельскохозяйственными зданиями возможно за счет их рациональных архитектурно —

Рис. 1.8. Изменение теплового потока по сечению наружного ограждения при отсутствии (I) и наличии (II, III)

инфильтрации воздуха

Рис. 1.9 Возможные объемно-планировочные решения зданий

37 планировочных решений при уменьшении площади наружных ограждений

(F,₀).

Решение задач определения оптимальных размеров жилых и общественных зданий и показатели эффективности их конструктивных решений при наложении ограничений на их размеры приведены в монографии [174].Частные случаи решения этой задачи для прямоугольных в плане зданий без наложения ограничений на размеры (длина, ширина, число этажей ) и с наложением ограничений на один из размеров, а также для круглых в плане зданий, имеющих в плане треугольник с равными сторонами и прямым углом между ними, представлены в таблице 1.4. В ней использованы следующие дополнительные обозначения: Н~ высота здания, м; F₀ - общая полезная площадь здания, м ; q_a, q_b, q_c, q_d, q^ q_rooj, q_ver[ - характерные тепловые потоки, соответственно проходящие через вертикальные ограждающие конструкции с размерами в плане а, Ъ, с, d, через покрытие первого этажа, покрытия, вертикальные ограждающие конструкции, Вт/м²; z- число этажей здания.

В результате проектирования энергоэффективного здания величина щ (см. формулу 1.2 ) для жилых и общественных многоэтажных зданий ( при фиксированной общей полезной площади F₀ ) составляет [ 174]:

„- Фо²Н²АВС

^,л F₀H[A/a + B/b]+abC

* v з зф^АВС

при фиксированном объеме здания V_m м , равна: tj_a =

VJA/a + B/b] + abC

(1.48) В формулах ( 1.47 ) и ( 1.48 ) использованы следующие обозначения:

л = Ytteibcrfi -p_t)+4waPi1; (^l -⁴⁹)

в= Y.L4EnJi-Pi)+4w.iPi]; (1-50)

i=2,4
C = q_Enc,5(¹-P5) ⁺ 4w^P5⁺^Enc.6'- 0-51)

Таблица 1.4.
Расчетные формулы для определения оптимальных размеров жилых и общественных зданий различной
формы с минимальными удельными теплопотерями

Форма зданий

Наложенные, ограничения

Оптимальные размеры здания

в плане, м

число этаж.,2

Минимальные удельные

теплопотери q, Вт/м²

Рис. 1.9, А

FM 2 const а=с b=d

HF₀ (q_b+q_dr

\(4ft+Ча+Чс)

(1.27)

(9ft ⁺ 4roof)(Qb ⁺ 4d) (1-28)

ah (1.29)

(Цл+Ягоог)(Я_а+Чс)*

*(q_b⁺⁽id)

Рис. 1.9, А

F₀H,z const а=с b=d

\F₀(q_b + q_d)

² (Ча+Чс)

(1.31)

az (1.32)

(1-30)

(4f!+4roof)/z +

H ~7rz(q_e+4c)(4b +

Рис. 1.9, A

F_otH,b const a=c b~d

Wo (Яь + Qj

Ь (Я/1+Ягоо/)

(1.34)

ab (1.35)

(1-33)

H(q_a+q_c)/b +

H ~^b(Qb⁺4j)(4f! + q_roof

(1.36)

*-

^

V

Рис. 1.9, А

Рис. 1.9, Б

Рис. 1.9, В

F₀,H,a const а = с Ъ = й

F_0la = const

F₀.a = =const a = b

vert

Яу,

Я (Ял+Ягоо/)

(1.40)

\2HF₀(42q_c + q_a+q_bj

(4fl + 4roof)

(1.43)

HF₀ (q_a+q_c)

\ a (q_fl+q_roof) (1.37)

42a (1.44)

ab (1.38)

па² (1.41)

²_Ll

(1.45)

Продолжение таблицы 1.4.

H(q_b+q_d)/a +

_\н

+ _л\—а(Ч_а + Ч_с )(Я/!⁺ 4roof
(1-39)

F„

ЧумЇЧа+Чгоог)

(1-42)

H²(42q_c+q_a+qJ

2F„

^]x(4jl+4roof)

(1-46)

40 удельные тепловые потоки через наружные конструкции, Вт/м ; Pi _ коэффициент остекления наружного ограждения, доли; q_w>1 - удельные тепловые потоки через заполнения световых проемов, Вт/м².

Для сельскохозяйственных ( обычно одноэтажных прямоугольной формы ) зданий зависимости (1.27). ..(1.51) могут быть для инженерных расчетов упрощены ( см. главу 2 ).

1.5. Режимы работы систем кондиционирования воздуха

1.5.1. Животноводческие и птицеводческие здания Необходимость поддержания температурно - влажностных параметров воздуха в помещениях диктуется не столько конкретным повышением продуктивности скота и птицы, сколько способствует реализации возможной продуктивности животных. Например отмечается [80], что при низких значениях t_e и высоких (р _в молочная продуктивность коров снижается на 8...13%, жирность молока на 0,3%. Зависимость яйценоскости кур от параметров внутреннего воздуха можно видеть на рисунке 1.10.

О возможности поддерживания расчетных параметров внутренней среды в животноводческих зданиях профессор В. М. Валов говорит [37, стр.28]: «... в животноводческих зданиях, в которых невозможно регулировать тепловой поток от систем отопления, можно обеспечивать условия постоянства только одного из заданных параметров микроклимата —температуру или влажность внутреннего воздуха. Однако регулирование постоянства предпочтительнее для t_e при Qom-const, т.к. температурный фактор является определяющим в процессе обеспечения нормального физиологического состояния животных».

Натурными исследованиями в животноводческих помещениях, построенным по типовым проектам, установлено, что в зимний период значения q> _в с неработающими системами микроклимата составляют 80...90%, достигая

российская госудлрстоешілп

БіііЗЛИОТ^КЛ ⁴¹ 96...98% и даже полного насыщения, о чем свидетельствует постоянный туман.

В условиях низких температур t_H и t_e и высоких значениях величин <р _в в помещениях в крайне жестких условиях эксплуатации находятся ограждающие конструкции животноводческих зданий, что приводит к резкому ухудшению их теплозащитных качеств, влаго , -морозо — и теплоустойчивости и стойкости против коррозии.

С точки зрения энергосбережения наибольший эффект достигается при максимальном применении рециркуляции воздуха. Последняя в животноводческих, птицеводческих и звероводческих зданиях рекомендуется СНиП [159]. к широкому применению, однако не указаны режимы работы и соотношения минимально необходимого наружного G_HMUH и рециркуляционного С_рщ воздуха при постоянстве общего G₀e-> подаваемого в помещение.

Концентрация вредного вещества в воздухе, удаляемом из обслуживаемой зоны помещения Куд, необходимо принимать равной предельно - допустимой концентрации ( ПДК ) в этой зоне (табл. 1.6). Количество С0₂ в приточном воз духе в сельской местности К_пр = 600 мг/м³ = 0,33 л/м³. Количество СС>2, выделяемого животными и птицами, приведено в приложении 2.

Таблица 1.5 ПДК в сельскохозяйственных производственных зданиях

Минимальный воздухообмен в сельскохозяйственных зданиях, опреде-

ляемый из условия ассимиляции явной и скрытой теплоты, влаги, пыли и вредных газов по формулам (1.3... 1.6), оказывается на40...50% больше нормативных значений многих стран [142], В условиях обязательного выполне-

42 ния отечественного директивно установленного воздухообмена 17...20 м³/(т.ч) теряет смысл его расчета по физико - химическим характеристикам наружного и внутреннего воздуха, не учитываются климатические особенности района строительства и архитектурно - планировочные особенности зданий.

На рисунке 1.11 представлена динамика изменения воздухообмена при изменении температуры наружного воздуха [37]. В Германии минимальный воздухообмен при t_H = -15С составляет 7 м /(ц.т). В Шотландии расход воздуха принимается равным 3 м³/(ц.ч). В США в зимний период при понижении t_H до -25С расход воздуха в коровниках уменьшается до 8 м³/(ц.ч).

Аналогичные закономерности прослеживаются и для птичников. На рисунке 1.12 показана величина удельного воздухообмена в птичниках при разной степени утепления наружных ограждений [71]. Видно, что в птичнике биологической теплоты достаточно при соответствующей норме вентиляции до /_Н>-4С, а в птичнике с неутепленными полами - до t_It> -6,4С. При более низких величинах t„ для поддержания 4=16С необходимо уменьшать воздухообмен [100].

Расчетный воздухообмен не должен быть меньше минимально допустимого по нормам технологического проектирования ( табл. 1.6 ). Анализ таблицы показывает, что у отечественных и иностранных исследователей по расчетному удельному воздухообмену для птиц не имеется однозначного мнения даже для одного периода года, что затрудняет решение вопроса по снижению расхода энергии в помещениях для содержания птиц.

із і,

>5j

S а:

Рис. 1.10 Зависимость яйценоскости кур от параметров внутреннего воздуха

д ,м/ч ц

-25 -20 -15 -10 -5 / *Q

Рис. 1.11 Соотношение нормативных величин воздухообмена: 1 - ОНТП 1-77; 2 - США; 3 - Швеция; 4 - Германия; 5 - Мосгипрониисельпром; 6 - ОНТП 1-89

44 Таблица 1.6

Минимальное количество наружного воздуха, подаваемого в птичники

Несмотря на обширный объем исследований по нормированию удельных объемов воздуха в животноводческих и птицеводческих зданиях требуется дальнейший поиск путей энергосбережения за счет уточнения расходов наружного воздуха по периодам года и совершенствования объемно - планировочных решений зданий и СКВ.

1.5.2. Овощекартофелехранилища Для хранения СРС необходимый воздухообмен изучен более подробно [2,20,66,73]. Влагообмен в слое продукции рассматривается не как психрометрическая закономерность, а как процесс обработки продуваемого воздуха насыпью продукции, выделяющей явную теплоту и влагу. Эта трактовка составляет термодинамическую сущность влагообмена [66]. Она дает возмож ность решать вопросы тепломассообмена с использованием I-d- диаграммы влажного воздуха. Энергетическая сущность влагообмена выражается зависимостью:

W = Q/e_n (1.52)

где }-тепловлажностная характеристика изменения состояния воздуха в насыпи:

c_t=6385-147t при 0<г<15С; (1.53)

є. = 6385-l,21t²-335t при 0

45 t - средняя температура воздуха в насыпи,С.

Математическим описанием тепловлажностного процесса в насыпи СРС является равенство:

<р_в = (р_р = const, (1.55)

показывающее постоянство дефицита влагосодержания воздуха по высоте охлаждаемой насыпи ( 1 - (pj = const (рис.1.13).

В стационарных хранилищах СРС располагается в контейнерах, в закромах и навалом. Когда необходимые параметры воздуха в хранилищах не могут бвть обеспечены системами естественной вентиляции, применяют механическую вентиляцию. При естественной вентиляции (рис.1.14,а) возможность поддерживания необходимой температуры в массе СРС ограничивается высотой слоя клубней и столовой свеклы 1,0... 1,2 м [20,66], капусты - до 0,8 м [20,191]. из-за недостаточного удельного расхода воздуха, при котором не происходит перегрев СРС [197.221]. Общеобменная механическая вентиляция ( рис. 1.14,6) применяется при контейнерном хранении. Движение воздуха, вызванное общеобменной вентиляцией, в контейнерах практически не наблюдается, 80...90% воздуха проходит между контейнерами [20,66]. Это говорит о неэффективности управлением микроклимата в массе продукции изменением воздухообмена в хранилищах, оборудованных общеобменной механической вентиляцией.

Принципиальным отличием хранилищ, оборудованных системами активной вентиляции (CAB), является возможность создания и управления микроклиматом в любом локальном объеме насыпи (рис.1.14,в). Производительность и цикличность включения CAB дифференцируется по видам СРС, способам хранения и климатическим характеристикам регионов.

В качестве расчетной характеристики работы CAB введен коэффициент использования вентиляции:

К_в=Ат_в/24, (1.56)

где Дт_в - время работы CAB в сутки, час.

і,м/ч на 1 кг жидой масса птицы

лучшее

общесоюзные нормы

предел

теплота і

} худшее

Н_г0 _t=7Q%

f.-16'C 'і

/ '' / Ж / /_Н₂0 _s=75%

№

\/Утепление jl Водяной // ^П0Р

j і і і i_

_i і і

L.'C

Рис. 1.12. Взаимосвязь температуры наружного воздуха и удельного воздухообмена для неотапливаемых птичников

_Ч³_-/

Рис. 1.13. Изменение состояния воздуха в охлаждаемой насыпи: АВ - пограничная кривая; CD - процесс в насыпи.

Величину K_s можно представить с помощью двух размерных параметров [20]: г}_эф = 10⁴Az_onm /q_v, м^2оС/кЦ?к- параметр охлаждения;

Ь_эф = L_VAT₀ /q_v, м^3оС/кДж - условный расход воздуха:

K_e=2(l + 0,25Tj_O(p)/(l + l_t5L^) ( 1.57)

Оптимальные значения удельных расходов воздуха в период охлаждения СРС лежат в пределах:

7i7/h^L_vonm>(3,Sq_{v +} \,\A0⁴Az_onm)/AT₀ (1.58)

В основной период хранения клубней картофеля:

0,4q_vv,_onm<7I7/h (1.59)

В формулах (1.58) и (1.59) g_v = 80...90 кДж/(м³/ч) = 32...36 Вт/т; L_v-0ltm = 35... 45 м³/(м³ч) = 50...60м³/(т.ч)-удельный расход воздуха; Az_onm~

0,02.. .0,04С/ч - биологически оптимальный темп охлаждения насыпи; ЛТ₀ -

понижение температуры клубней в период охлаждения.

Данная методика расчетов режимов работы CAB пригодна как при типовом проектировании, так и для определения конкретных режимов эксплуатации в условиях действующих хранилищ.

1.6. Математическая модель теплового баланса помещения и здания в целом

В общем виде математическая модель теплового режима помещения предложена профессором Ю.А.Табунщиковым [174]. Схема теплового режима помещения задана в виде матрицы соединений вершин графа ( рис, 1.15 ). Единицы в первом столбце матрицы на рисунке 1.16 дают логический признак «к» - го элемента помещения как единой теплоэнергетической системы, из которой исходит ( знак + ) или в который входит (знак -) данная связь. При этом сторона, соответствующая связи между элементами помещения ( внутренняя связь ) , всегда имеет в первой части два нулевых члена +1 или -1, а строка, соответствующая связи элемента помещения с внешним элемен-

_V^^i

I L I I 1/1 I I Щ///А Х///Х \

утт-

%

_v ^!

_л'

Рис. 1.14 Стационарные хранилища с естественной (а), с общеобменной (б), с активной (в) вентиляцией: 1 - продукция; 2,3,7 - соответственно приточные, вытяжные и рециркуляционные воздуховоды; 4 - вентиляторы; 5 - отопительные агрегаты; 6 - оборудование для обработки приточного воздуха.

49 том ( климатическими воздействиями ), имеет один ненулевой член: +1 для исходящих и —І для входящих внешних связей. Матрица отображает топологическую структуру графа теплового баланса помещения.

Математическая модель теплового режима помещения как объекта с частично распределенными параметрами в обобщенных переменных и включающая только основные составляющие теплового баланса помещения имеет вид:

c_RP_RV_R^ = Y,h_i(^TUy^-T_R)F_i+c_Rp_RV_RX_v(T₀~T_R) + Q(t);

VI: _л V 1. .VI - . .

c_iP_i-^7^:=A_i^_rf±c_Rj_F^- + Q_S0U(t);

дТ: . Ъ²Т_{ ^ . дТ

—~ - Л, r±Cp l_F

dt ' ду^{2 R F} ду дТ,

y=0 -Л^^1гГ(Т₍-ТГ); (1.60)

y=S A_i^ = h_i(T_i-T_R) + ^c₀s_i„_J(T_i-T_j)_i„_J-(l-p)(E_i-I_i)-_q(t);

1 = 1,2,3 n

Условные обозначения в системе уравнений (1.60) приняты по [174]. Для решения системы ( 1.60 ) введены масштабы:

температуры Ав = T_Rsl -T_ost;

длины l₀=V_Rl F_FI - для помещения в целом, д - для ограждения;

времени -z- = ^RHR = ^{RHR R}₂

a_R X_R X_R F_Fl

и безразмерные переменные:

0_Л = T_RI АО - безразмерная температура внутреннего воздуха;

0,- - T_i/y=s І Ав - безразмерная температура внутренней поверхности і го ограждения;

Хт> F,

2 R * FI

Fo - — Ц-t - безразмерное время ( критерий Фурье ).

С/гРл V_R

Рис. 1.15 График теплового баланса помещения: I - наружные ограждения; II — внутренние ограждения; III — заполнение светового проема; IV — внутренний воздух; V - вентиляция; VI - внутреннее оборудование. Связи 2, 4, 6, 8 характеризуют передачу теплоты конвекцией между внутренней поверхностью ограждения, а также поверхностью оборудования и внутренним воздухом; связи 3, 4, 5 ,7 характеризуют потери теплоты за счет фильтрации через ограждения; связи 9...14 характеризуют лучистый теплообмен между внутренними поверхностями ограждений, а также внутренних поверхностей с оборудованием; связь 16 характеризует конвективную теплоту, непосредственно передаваемую воздуху помещения; связи 1, 8, 15, 17 — внешние связи между элементом помещения и внешним элементом.

51 Уравнение теплового баланса внутреннего воздуха через безразмерные переменные имеет вид:

dFo у Л_і X_RF_Fld_t X_RF^l_Fl l_RAQF_Fl

(1.61) Уравнение (1.61) представлено как:

~ = Т &_ШК_Ц (0_t -&_R) ₊ K₃(0_O-0_R) + K₂ ( 1.62 )

Полученные обобщенные переменные имеют физический смысл:

Лг F_F CrPr V²_r

F² Fo — "^K-~~^Flt— критерий Фурье; выражает « определенное соответ-

ствие между темпом изменения условий в окружающей среде и темпом перестройки температурного поля внутри тела», т.е. в объеме воздуха;

Ві_іп і ~ h_id_i і Л_і - критерий Био для і ограждения; представляет собой «

приближенную меру отношения температурного перепада в теле к температурному напору»;

К, - = (———) = ¹—т-= критерий, представляющий собой

' ^A*^F*A X_RF ^А&

^{R l}V_R/F_n

приближенную меру отношения теплового потока, проходящего через стенку, к тепловому потоку, проходящему через слой воздуха;

^ ,Q(Fo)V_{R х} ,Q(Fj)V_R 1

К2 = (— —Ч-) = ( % комплекс, имеющий смысл безраз-

X_RAGF_Fl Л_кРрі А

мерной текущей температуры и не являющийся критерием подобия;

v /^CrPr^V^VR і ^crPrAK^VR

К₃ = ( * * 2 ) ⁼ лп ~ ^кР^итеР^ии> выражающий меру от-

Vr/Ffi ношения теплового потока, поступающим с вентиляционным воздухом, к тепловому потоку, проходящему через воздух помещения.

52 Общий вид критериального уравнения, соответствующего уравнению теплового баланса внутреннего воздуха:

_R = FJFo.Bi^K,_A,K₂,K₃,_itymS), ( 1.63 )

где j/_y= - безразмерная температура внутренней поверхности і ограждения прошедшего через стенку, за счет фильтрации, к тепловому потоку, прохо-

дящему через воздух помещения.

Рис. 1.16. Структурная матрица связей для графа, изображенного на рис. 1.15

Математическая модель теплового режима помещения представляет собой элемент системы более высокого порядка - теплового режима здания. Связями между этими элементами является теплообмен между помещениями, происходящий, главным образом, за счет воздухообмена и теплопередачи через внутренние ограждения. На рисунке 1.20 представлена схема фрагмента здания, состоящего из шести помещений.

_и

И

_и

Рис. 1.17. Схема фрагмента здания. 1, 2,...,6 номера помещений; Н— наружные ограждения; Bj-внутренние ограждения (j = 1, 2,...,7)

Рис. 1.18. Граф схемы фрагмента здания. 1, 2,..., 6 —дуги графа ( наружные ограждения плюс внутренний воздух )

54 Если считать вершинами графа внутренние ограждения, а связями (дугами) наружные ограждения и внутренний воздух, то граф схемы фрагмента здания можно представить в виде рисунка 1.21.

Приведенные общие решения формирования теплового режима в помещениях оказывается громоздким, далеко не всегда допускающим его простую интерпретацию. Чаще всего оно вообще неприемлемо для получения конкретных инженерных методов расчета из-за трудностей точного числового задания и последующего соблюдения внутренних и внешних режимных условий, большого числа переменных, что обесценивает применение сложной и точной вычислительной техники. Поэтому, помимо общей проблемы развития и совершенствования самой физико-математической модели, возникают задачи применения на практике ее частных решений с обоснованными упрощениями, эмпирическими коррективами.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ заключается в уточнении физико-математической модели процессов тепломассообмена в сельскохозяйственных зданиях, на основе которой будут разработаны научно обоснованные методы и средства по практической реализации энергоэффективных ресурсосберегающих систем кондиционирования микроклимата.

Для реализации поставленной цели были решены следующие ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ.

1. Уточнены физико-математические модели тепломассообмена в сельскохозяйственных зданиях с учетом современных требований к рациональному энерго - и ресурсосбережению каждого вида зданий.

2. Научно обоснованы конкретные пути снижения теплопотерь через наружные ограждения, включающие:

- разработанную методику расчета требуемого сопротивления теплопередаче;

нормативные требования к мощности систем отопления надземных и подземных зданий и сооружений;

увязку архитектурно - планировочных решений с потребностью в тепловой энергии для поддержания технологических параметров микроклимата.

3. Научно обоснованы пути снижения энергозатрат системами кондиционирования воздуха, включающие:

аналитическое выявление динамики температурно — влажностных полей в насыпях биологически активного сырья и в каждом элементе насыпей;

систематизацию методов расчета режимов работы и управления систем кондиционирования воздуха в различных видах сельскохозяйственных зданий;

максимальное использование естественных источников энергии.

4. Научное обоснование эффективности архитектурно - планировочных, инженерных и технологических решений по созданию и управлению параметрами микроклимата малоэнергоемких ресурсосберегающих сельскохозяйственных зданий и сооружений.

5.Внедрение результатов исследований в сельскохозяйственное производство с практическим подтверждением экономического, экологического и социального эффектов.

Взаимосвязь энергоэффективности и архитектурно-планировочных решений зданий

Животноводческие и птицеводческие здания Необходимость поддержания температурно - влажностных параметров воздуха в помещениях диктуется не столько конкретным повышением продуктивности скота и птицы, сколько способствует реализации возможной продуктивности животных. Например отмечается [80], что при низких значениях te и высоких (р в молочная продуктивность коров снижается на 8...13%, жирность молока на 0,3%. Зависимость яйценоскости кур от параметров внутреннего воздуха можно видеть на рисунке 1.10.

О возможности поддерживания расчетных параметров внутренней среды в животноводческих зданиях профессор В. М. Валов говорит [37, стр.28]: «... в животноводческих зданиях, в которых невозможно регулировать тепловой поток от систем отопления, можно обеспечивать условия постоянства только одного из заданных параметров микроклимата —температуру или влажность внутреннего воздуха. Однако регулирование постоянства предпочтительнее для te при Qom-const, т.к. температурный фактор является определяющим в процессе обеспечения нормального физиологического состояния животных».

Натурными исследованиями в животноводческих помещениях, построенным по типовым проектам, установлено, что в зимний период значения q в с неработающими системами микроклимата составляют 80...90%, достигая и даже полного насыщения, о чем свидетельствует постоянный туман.

В условиях низких температур tH и te и высоких значениях величин р в в помещениях в крайне жестких условиях эксплуатации находятся ограждающие конструкции животноводческих зданий, что приводит к резкому ухудшению их теплозащитных качеств, влаго , -морозо — и теплоустойчивости и стойкости против коррозии.

С точки зрения энергосбережения наибольший эффект достигается при максимальном применении рециркуляции воздуха. Последняя в животноводческих, птицеводческих и звероводческих зданиях рекомендуется СНиП [159]. к широкому применению, однако не указаны режимы работы и соотношения минимально необходимого наружного GHMUH и рециркуляционного Срщ воздуха при постоянстве общего G0e- подаваемого в помещение.

Концентрация вредного вещества в воздухе, удаляемом из обслуживаемой зоны помещения Куд, необходимо принимать равной предельно - допустимой концентрации ( ПДК ) в этой зоне (табл. 1.6). Количество С02 в приточном воз духе в сельской местности Кпр = 600 мг/м3 = 0,33 л/м3. Количество СС 2, выделяемого животными и птицами, приведено в приложении 2.

Минимальный воздухообмен в сельскохозяйственных зданиях, опреде ляемый из условия ассимиляции явной и скрытой теплоты, влаги, пыли и вредных газов по формулам (1.3... 1.6), оказывается на40...50% больше нормативных значений многих стран [142], В условиях обязательного выполне 42 ния отечественного директивно установленного воздухообмена 17...20 м3/(т.ч) теряет смысл его расчета по физико - химическим характеристикам наружного и внутреннего воздуха, не учитываются климатические особенности района строительства и архитектурно - планировочные особенности зданий.

На рисунке 1.11 представлена динамика изменения воздухообмена при изменении температуры наружного воздуха [37]. В Германии минимальный воздухообмен при tH = -15С составляет 7 м /(ц.т). В Шотландии расход воздуха принимается равным 3 м3/(ц.ч). В США в зимний период при понижении tH до -25С расход воздуха в коровниках уменьшается до 8 м3/(ц.ч).

Аналогичные закономерности прослеживаются и для птичников. На рисунке 1.12 показана величина удельного воздухообмена в птичниках при разной степени утепления наружных ограждений [71]. Видно, что в птичнике биологической теплоты достаточно при соответствующей норме вентиляции до /Н -4С, а в птичнике с неутепленными полами - до tIt -6,4С. При более низких величинах t„ для поддержания 4=16С необходимо уменьшать воздухообмен [100].

Расчетный воздухообмен не должен быть меньше минимально допустимого по нормам технологического проектирования ( табл. 1.6 ). Анализ таблицы показывает, что у отечественных и иностранных исследователей по расчетному удельному воздухообмену для птиц не имеется однозначного мнения даже для одного периода года, что затрудняет решение вопроса по снижению расхода энергии в помещениях для содержания птиц.

Минимальная мощность систем отопления для теплового обеспечения сельскохозяйственных зданий

Выражение (2.11) является соотношением возможного и допустимого воздухообменов в зависимости от параметров внутренней и внешней среды. Оно в обобщенном виде характеризует энергетические возможности животноводческого здания с учетом теплопотерь ограждающие конструкции, испарение влаги с открытых и смоченных водных поверхностей, тешгопоступле-ний и влаговыделений от животных. Эта зависимость позволяет с достаточной степенью точности проводить расчет граничной температуры наружного воздуха, до которой возможна эксплуатация неотапливаемых животноводческих зданий, в которых расчетный воздухообмен возможно поддерживать или только за счет естественной вентиляции или требуется механическая вентиляция или искусственное охлаждение приточного воздуха. Зависимость (2.11) дает количественное обоснование графическому решению задачи поддержания нормируемых тепловых и влажностных балансов животноводческих помещений.

Графические зависимости, позволяющие определить зону естественной вентиляции для определенного животноводческого здания, приведены на рисунке 2.2. Зависимости построены в системе взаимосвязанных относительных координат. По вертикальной оси отложены значения GJGu причем за единицу воздухообмена Gj принят воздухообмен по кислороду G02, a G, - воздухообмен по отношению к G/. На этой же оси отложены значения QoJQn. По горизонтальной оси отложены значения наружных температур tH.

Кривая QU3e характеризует количество избыточной теплоты в помещении, т.е. разность (2ж-(2п в зависимости от наружной температуры t„. Эта кри-. вая является функцией сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций.

Прямые G0 и Gco показывают необходимый воздухообмен по кислороду и углекислому газу. Воздухообмен по этим показателям не зависит от температуры наружного воздуха и определяется только количеством животных и птиц, находящихся в помещении.

Кривые G0 и GG построены соответственно по уравнениям (1.11) и (1.12). Они зависят от тепло- и влаговыделениЙ животных при различных внутренних температурах и параметрах наружного воздуха. Прямая линия GAPi показывает величину возможного воздухообмена в помещении при конкретных конструкциях приточно-вытяжных устройств систем естественной вентиляции в зависимости от tH. Значение G является функцией располагаемого гравитационного давления Лре и аэродинамических характеристик системы подачи и удаления воздуха. Необходимым условием расчетного режима работы системы естественного воздухообмена является: где h - разность отметок центров приточных и вытяжных отверстий, м; р„ и рв плотности наружного и удаляемого внутреннего воздуха, кг/м3; znp и гшт- потери давления на преодоление сопротивления при движении воздуха через приточные и вытяжные отверстия, Па; RI - потери давления на преодоление сопротивления трению при движении воздуха по каналам и шахтам, Па. Точки А, Б, и В являются характерными точками, определяющими границы наружных температур, при которых возможна работа систем естественного воздухообмена в расчетных условиях. Точка А - точка пересечения кривой Qms с кривыми GQ или GGaj - определяет границу минимальной наружной температуры, при которой избыточной теплоты в помещении хватает на подогрев наружного количества приточного воздуха для ассимиляции избыточной влаги. При рассмотрении теплового баланса помещения эта точка со- ответствует условной температуре наружного воздуха tH, начиная с которой требуется подогрев наружного приточного воздуха. Точка Б является пересечением GQ или GG с прямой G и определяет ту наивысшую наружную температуру, при которой гравитационное давление обеспечивает подачу в помещение необходимого количества воздуха для поддержания заданных условий. Таким образом, интервал наружных температур между точками А к Б (зона П) является зоной естественной вентиляции помещения, так как количество избыточной теплоты в этом интервале достаточно для подогрева необходимого приточного воздуха, а гравитационное давление обеспечивает необходимый воздухообмен. Границы зоны естественной вентиляции могут быть расширены в сторону более низких температур наружного воздуха до температуры tsH, определяемой положением точки А1, Это перемещение произойдет, если кривая Q„3G пройдет через точку А1. Такое перемещение возможно при увеличении сопротивления теплопередаче ограждений путем дополнительного утепления. Предел этого расширения должен быть экономически обоснован. Из анализа графика видно, что недостаточное утепление ограждений приводит к сужению зоны естественной вентиляции (точка А11). Положение точки Б на графике может быть смещено в сторону более высоких значений tH. При уменьшении потерь давления в системе воздухообмена помещения прямая G , пройдет через точку Б!, т.е. граница естественной вентиляции отодвинется в сторону более высоких наружных температур. Любое дополнительное сопротивление воздухообмену в системе естественной вентиляции приведет к сужению зоны естественной вентиляции (точка Б"). Зона естественной вентиляции в сторону повышения наружных температур может быть расширена за счет зоны активной аэрации (зона Ш между точками Б и В на рисунке 2.2). Активная аэрация достигается за счет использования ветрового давления и рациональных архитектурно - планировочных решений животноводческих построек. Величина ветрового давления (Apv = Kv2pv/ 2) зависит от скорости ветра ve и аэродинамических коэффициентов. Для типовых животноводческих построек для наветренной стороны К - 0,6.. .0,8, для заветренной К = -0,4.. .-0,2. В архитектурно - планировочных решениях зданий следует предусматривать такое расположение проемов в ограждениях, чтобы при любом направлении ветра можно было использовать их как приточно - вытяжные отверстия систем активной аэрации зданий. Дополнительный воздухообмен в помещении AGa частично ассимилирует теплоту и избыточную влагу.

Общие аналитические исследования тепературно -влажностного режима насыпей картофеля и овощей

В то же время необоснованный отказ от аналитического и экспериментального анализа результатов формирования температурно-влажностных полей в слое при продувке «сверху-вниз» сужает область применения термодинамической теории, не позволяет выявить все технологические и технико-экономические преимущества этого способа продувки, в том числе по сравнению с продувкой «снизу-вверх». Как будет показано ниже, возможность конденсации влаги в верхнем слое насыпи при условиях рисунка 3.13.2 и в верхнем и нижнем слоях при условиях рисунка 3.13.3 теоретически и экспериментально комплексно не сопоставлена с режимами работы систем активной вентиляции по периодам хранения продукции, что не позволяет дать практические рекомендации по преимуществам каждого из способов продувки.

Конечной задачей хранения СРС является максимальная сохранность влаги в сырье. Первый по ходу движения воздуха корректирующий слой (рис.3.14) выступает к основной части насыпи в роли своеобразного увлажнителя воздуха до равновесных значений относительной влажности рр. Помимо конвективного охлаждения при tK_0 te_0 процесс испарения влаги в корректирующем слое также способствует понижению температуры продукции. Испарительный эффект экспериментально фиксировался для капусты [25,190], картофеля [66,207,218] (рис.3.15).

При хранении на поверхности продукции отсутствует углубление зоны испарения и относительная влажность воздуха у поверхности #w=100% (упругость водяных паров соответствует насыщающей при температуре сырья). Саморегулируемость и постоянство по всей высоте основного слоя насыпи значений рв=% экспериментально доказано многими исследователями, [20, 47,65,188 и др ]. Наличие и равенство локальных значений ( рпов- рр) по всей высоте основного слоя насыпи в направлении движения охлаждающего воздуха является доминирующим фактором постоянства потери влаги по высоте основного слоя. Даже при полном насыщении воздуха влагой упругость пара в нем ниже упругости над поверхностью продукта в связи с наличием теплоты дыхания (tnoe te). Поэтому испарение влаги — неизбежное отрицательное явление при хранении картофеля и овощей. Охлаждающая способность воздуха определяется приращением энтальпии, осушающая приращением влагосодержания. Вся явная теплота, поступающая в хранилище, после воздействия на продукцию трансформируется в скрытую, увеличивая потери сочного растительного сырья.

Направления процессов тепло- и массопереноса между поверхностью продукции и охлаждающим воздухом в корректирующем (1), основном (11) и верхнем (111) слоях приведены на рисунке 3.14. Однонаправленность процессов переноса явной и скрытой теплоты — основная особенность процессов в насыпи биологически активной продукции.

Изменение параметров охлаждающего воздуха на 7-й?-диаграмме изображено на рисунке 3.16. В корректирующем слое воздух увлажняется от д ео до (рв=(рр и одновременно нагревается от te_a до температуры нижней части основного слоя tKmin (процесс АВ). При низких значениях относительной влажности приточного воздуха р в0 возможен испарительный эффект Atu (процесс FA). Тепловлажностная обработка воздуха в основном слое происходит по (pp=const (процесс ВС), эквидистантный соответствующему участку пограничной кривой # =100%. Доказывая невозможность однонаправленного изменения осушающей способности воздуха в направлении его движения в насыпи (отклонения процесса ВС от (pp=consi). т.е. невозможность процессов ВС\ или ВС2, профессор В.З.Жадан пишет [23,с.67...68]: «...возникает физически необъяснимое противоречие между приращением влагосодержания воздуха (его осушающей способностью) и причиной, вызывающей это явление (дефицитом влагосодержания воздуха): большему приращению влагосодержания воздуха будет отвечать малый дефицит влагосодержания и наоборот, чего быть не может».

Воздух удаляется из насыпи с параметрами точки С ( „щ, фр). Проходя через более холодный слой 111 влажный воздух может охлаждаться до состояния насыщения (процесс CD) или выпадения конденсата (процесс CDj). 3.4.2. Общие аналитические исследования температурно-влажностного режима насыпей картофеля и овощей

Необходимым элементом физической достоверности модели тепломас-сопереноса в насыпи СРС является учет теплофизических характеристик каждого вида продукции и временной взаимосвязи циклов вынужденной и естественной конвекции. Для обоснования модели необходима предварительная оценка распределения температурных полей в насыпи при вынужденной и естественной конвекции.

Согласно исследований, проведенных под руководством профессора В.И.Бодрова [15,177,178] близкие к равномерным по высоте насыпей температурные поля наблюдаются пере периодом охлаждения (tK(x)=const). Охлаждение сопровождается формированием градиентов температур с минимумом внизу и максимумом вверху насыпей при продувке «снизу-вверх». Аналогичное распределение устанавливается при естественной конвекции. На рисунке 3.17 приведены обобщенные результаты натурных исследований для насыпей клубней и кочанов. В основной период цикличные процессы вынужденной и естественной конвекции взаимосвязаны начальными условиями типа.

Эффективность и перспективность применения газового лучистого отопления в животноводческих зданиях

Приведенные в таблицах 3.7 и 3.8 значения допустимой разности тем ператур продукции для предотвращения образования конденсата в насыпях клубней картофеля и кочанов являются исходными данными для расчета производительности и режимов работы систем активной вентиляции. Если учесть, что при продувке «сверху-вниз» воздух забирается из верхней (свободной от продукции) части хранилищ, то начальная относительная влажность приточного воздуха (рел соответствует равновесной относительной влажности картофелехранилищ р р. Наши исследования (рис.2.5), а также исследования [20] показали, что рхр «82.„87%. Поэтому (табл. 3.7) при высоте насыпи й=1, Ом AtK=(tK.maxK,min)zI,75C, при Л=2,0 м Atк = 1,89 С, при Л=3,0 м AtK = 1,95С, при й=4,0 м А(к = 2,05С, при Л=5,0 м Л = 2,2і С, при А=6,0м к = 2,ГС.

Для капустохранилищ ,4 =90...94%. Значения zttK при й=1,0 м, 2,0 м,3,0 м соответственно составляют 0,9, 1,5, 1,6С (табл. 3.8). Следует учитывать также рассмотренный в разделе (3.2 а) наблюдаемый на практике (приложение 8) эффект испарительного охлаждения в насыпи кочанов и стремление температуры продукции или к температуре мокрого термометра tM_m или к криоскопической температуре t3. Поэтому даже теоретически трудно представить вероятность конденсации в насыпи кочанов в период охлаждения и основной период хранения при продувке как «сверху-вниз», так и «снизу-вверх».

Полученные значения разности температур нагретого (верхнего) и охлажденного (нижнего) слев насыпей лежат в пределах рекомендуемых биологами диапазонах температур. Таким образом, при хранении сочного растительного сырья в оптимальных условиях возможных зон образования конденсации не будет наблюдаться.

В разделе (3.44) нами показано, что период охлаждения завершается установлением в основном слое насыпей линейно-нарастающего профиля температур (3.33). Последующие процессы самосогревания при естественной конвекции (3.40) и охлаждения при вынужденной конвекции (3.39) качественно не меняют нарастающего профиля температур по высоте насыпей. В конце цикла естественной конвекции температура верхнего слоя СРС составляет tKrnax, в конце цикла вынужденной конвекции tK(h,co).

Имеющая место аналогичность формирования динамики температурных полей в насыпях СРС в циклах естественной и вынужденной конвекции дает основание для вывода о применимости полученных в разделах (3.4.3) и (3.4.4) зависимостей по темпам охлаждения насыпей и о возможности формирования зон конденсации при реверсивной механической вентиляции (режим поочередной смены продувок по схемам «сверху-вниз» = «снизу-вверх») в CAB овощекартофелехранилищ. При соблюдении обоснованных выше ограничениях системы реверсивной вентиляции имеют ряд технико- экономических и технологических преимуществ, которые рассмотрены в главе 4. Общий подход и обоснование выбора систем отопления животноводческих помещений

В животноводческих постройках, выполненных как по типовым, так и по индивидуальным проектам, наибольшее распространение получили воздушные системы отопления. Отопительные функции этих систем сводятся к нагреванию наружного воздуха до температуры более высокой, чем заданная температура помещения и подаче его в обслуживаемое помещение. Наружный воздух нагревается в теплообменниках горячей водой или паром, которые приготовляются в котельных, расположеных вне животноводческих зданий.

При устройстве в животноводческих помещениях систем водяного или парового отопления желательно применять отопительные приборы из гладких труб в виде змеевиков и регистров вместо чугунных секционных нагревательных приборов типа М-140 АО или аналогичных из-за более высокого коэффициента теплопередачи и повышенных ветеринарно-гигиенических показателей.

Для поддержания теплового баланса в животноводческих помещениях наиболее перспективно применение систем лучистого газового обогрева [154]. К их преимуществам по отношению к применяемым в типовых проектах водяным, паровым и воздушным системам отопления, а также комбинированным (водовоздушным, паровоздушным и т.п.) следует отнести: отсутствие котельной, наружных теплотрасс и теплообменников (нагревательных приборов, воздухонагревателей и т. п.); раздача теплоты равномерно по всему объему помещения (градиент температуры по высоте не более 0,1С/м); создание теплового комфорта у пола сельскохозяйственных зданий; возможность создания нормируемых температурных параметров в локальных объемах помещений; высокий КПД генераторов теплоты (более 90%); обеспечение требуемого теплового режима как во всем помещении, так и в отдельных его зонах при меньшей температуре воздуха (на 2„.4С [63,179]; возможность гибкого автоматического регулирования теплового режима в здании; малая тепловая инерционность.

Газовое лучистое отопление реализуется установкой «светлых» и «темных» инфракрасных излучателей (ИКИ). В «светлых» (высокотемпературных) ИКИ газ сжигается в специальных насадках, а продукты сгорания вы-брасываются в помещение. Их использование требует разветвленой сети газопроводов и обязательного устройства общеобменной вентиляции. «Темные» ИКИ оборудованы автоматизированными газогорел очными установками и вентиляторами для циркуляции продуктов сгорания в теплообменных излучающих трубах и последующего выброса газов в атмосферу.

Похожие диссертации на Обеспечение параметров микроклимата в существующих сельскохозяйственных зданиях

Обеспеченность параметров микроклимата в сельскохозяйственных зданиях с воздухопроницаемыми наружными ограждениямиБодунов Алексей Васильевич

Разработка методов оптимизации и повышения эффективности энергосистем обеспечения микроклимата в зданияхМеликян, Гурген Зограбович

Комплексная система обеспечения параметров микроклимата в теплицах в теплый период годаАбазалиева, Марджан Ахматовна

Обеспечение параметров микроклимата в теплицах в теплый период годаКайтмазов Тарас Валерьевич

Исследование и обеспечение параметров микроклимата жилых и общественных зданий методами оптимального планирования экспериментаЖитов Владилин Григорьевич

Обеспечение продукто- и энергосберегающих параметров микроклимата овощекартофелехранилищ с использованием искусственного холодаБодров, Михаил Валерьевич

Система кондиционирования микроклимата здания с использованием солнечной энергииПлешка Михаил Семенович

Разработка методов обеспечения параметров воздушной среды в сезонных сооружениях для сельскохозяйственных работников Средней АзииАсраев, Ризакул

Формирование параметров микроклимата в подземных пешеходных переходахСухов Вячеслав Васильевич

Формирование параметров микроклимата в помещениях ресторанных комплексовТульская, Светлана Геннадьевна