Анализ энергетического взаимодействия животноводческого помещения с культивационными сооружениями Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2000. Вып. 71.

В порядке дискуссии

УДК 636.551.5

ЕЕ. ХАЗАНОВ, д-р техн. наук

АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЖИВОТНОВОДЧЕСКОГО ПОМЕЩЕНИЯ С КУЛЬТИВАЦИОННЫМИ СООРУЖЕНИЯМИ

Приведены аналитические выражения для определения потенциальной экономии тепловой энергии при блокировании животноводческого помещения с культивационным сооружением. Для типового коровника на 200 коров с одной пристенной теплицей в условиях Ленинградской обл. эта экономия составляет 575,5 МВт-ч за отопительный период.

Значительная часть тепловой энергии, расходуемой на молочных фермах, безвозвратно теряется через ограждающие конструкции и с вентиляционными выбросами. Согласно [1] установленная мощность электроприводов средств обеспечения микроклимата составляет 70-80 % от установленной мощности приводов всего технологического оборудования, а на обеспечение микроклимата расходуется от 70 до 95 % общего потребления электрической и тепловой энергии в отопительный период года.

Предыдущими исследованиями [2] показано, что одним из путей снижения нерациональных потерь тепловой энергии может быть объединение животноводческой фермы и теплицы в одно компактное предприятие.

Рассмотрим энергетическое взаимодействие животноводческого помещения с культивационными сооружениями на примере коровника, сблокированного с пристенной теплицей.

Тепловой баланс отдельно стоящего коровника (рис.1, а) определяется выражением:

Qt: = Оогр.к + Овк - Ож , (1)

где Qorp.K - потери тепла через ограждения коровника;

Qnu - теплопотери с вентиляционными выбросами; Q* - тепловыделения животных.

Эти составляющие теплового баланса, в свою очередь, определяются соответствующими выражениями [3].

132

Раздел II. Животноводство.

Рис.1. Схема тепловых потоков отдельно стоящих коровника (а) и теплицы (б) и коровника, сблокированного с теплицей (в)

133

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2000. Вып. 71.

Теплопотери через ограждения:

m

Qогр. к = 3,6 Yr^Fi(Твк —Тн), (2)

i=1Ro

где m - число слоев ограждения; Fi - площадь поверхности i-го ограждения, м2; R - сопротивление теплопередачи m-слойного ограждения; Твк, Тн - соответственно расчетные температуры внутреннего и наружного воздуха, К; n - поправочный коэффициент.

Теплопотери с вентиляционными выбросами:

Овк = Lp^K - Тн), (3)

где L - расчетный воздухообмен помещения, м3/ч; р- плотность наружного воздуха при Тн, кг/м3; с - теплоемкость воздуха, равная 1 кДж/кг.К.

Тепловыделения животных:

N

0_ж = Y qiri, (4)

i=1

где N - количество половозрастных групп животных; qi - количество свободного тепла, выделяемого одним животным данной группы, кДж/ч; Г - количество животных данной группы в помещении.

Таким образом, тепловой баланс отдельно стоящего коровника:

m N

Qk = 3,6 Yr^FijTeK — Тн) + Ьре{Твк — Тн) — Y Чп (5)

i=1Ro i=1

Тепловой баланс отдельно стоящей теплицы (рис.1, б) определяется потерями тепла через ограждения:

Qx = Оогр.т = 3,6 Fe^.x (Твт - Тн) К Кинф , (6)

2

где F огр.т - площадь поверхности ограждений, м ; Твт и Тн - расчетные температуры соответственно внутреннего и на-

134

Раздел II. Животноводство.

ружного воздуха, К; К - коэффициент теплопередачи ограждения, кДж/м2 Кч; Кинф - коэффициент инфильтрации, равный 1,2-1,3.

Суммарный тепловой баланс отдельно стоящих коровника и теплицы:

Qkt - Qorp.K + Qbk - Q-ж + богр.т = m , ,

- 3’6Z jtFi Т* - T„ )+ 3’6рогр.т(Тет - Тн )ККинф + (7)

7=1

N

+ ,

LPc{Tex- Тн )-^ qidi-

i=1

Схема энергетического взаимодействия коровника, сблокированного с теплицей, при замкнутом воздухообмене представлена на рис.1, в.

Тепловой баланс коровника в этом случае:

Q']S = Оогр.к - Опер + О'вк - Овт - Q ж , (8)

где Опер - тепловой поток из теплицы в коровник через разделяющую их перегородку; Q'вк - тепло, уносимое воздухом из коровника в теплицу; Овт - тепло, приносимое воздухом из теплицы в коровник.

Экономия тепла в сблокированном с теплицей коровнике складывается из следующих составляющих:

1) сокращение теплопотерь через ограждения коровника вследствие замены части этого ограждения ”теплой’’перегородкой:

aQk1 = 3,6 ~t Fneр^Твк — Тн),

(9)

где Fnq, - площадь перегородки, разделяющей коровник и

2

теплицу, м ;

2) приток тепла из теплицы в коровник через разделяющую их перегородку вследствие того, что Твт > Твк:

aQk 2 =3,6 itFne р(Тв т- Твк);

(10)

135

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2000. Вып. 71.

3) исключение затрат тепла на подогрев воздуха вследствие замыкания воздухообмена:

aQkз = Ьрс{Твк — Тн) ; (11)

4) приток тепла из теплицы с приточным воздухом, так как Т > Т •

А вт А вк •

aQk4 = ЬрТвт .

(12)

Тепловой баланс пристенной теплицы:

Q't = Q'огр. т + Qnep—Q'вк + Qer . (13)

Экономия тепла в пристенной теплице складывается из:

1) сокращения теплопотерь через ограждения за счет замены части этого ограждения перегородкой:

aQt i = 3,6Fneр(Твт — Тн)К К 'инф Кост , (14)

где К - коэффициент теплопередачи ограждения, Вт/кв.м К; К'инф -коэффициент инфильтрации воздуха из теплицы в коровник,

2) поступления тепла из коровника с приточным воздухом: aQт2 = LpcTвк . (15)

Суммарный тепловой баланс блока коровника с теплицей:

QKt = QK + QT = Qorp-к + Q' + q — Q' —

^огр.т ^<пер ^<вк

— Qпер + QBk + Qвт “

q = Q' + Q'

^<вт ^огр.к ^огр.т

Q ж +

-Q ж

(16)

Суммарная экономия тепла:

136

Раздел II. Животноводство.

aQкт Qкт QKT Qогр.к + Qвк + Qогр.т Qж

“(QOpp.k + Q0rp.T - Qж )=aQогр.к +aQогр.т +aQвк = (17)

= aQ к1 +aQ т1 + aQ вк ,

Подставляя значения составляющих из уравнений (9), (11) и (14), получим уравнение, характеризующее энергетическое взаимодействие коровника и теплицы:

aQ кт = 3,6 п^пер (твк - Т н ) + 3,6Fnep (т вт - Т н )ккиНф +

+ LP(Tвк - Тн )

(18)

Обозначим Твк - Тн = АТк, Твк - Тн = АТт, тогда:

AQкт = 3,6 ~ FnepАТк + 3,6FnepКК'шфАТт +

R

+ LPcAT к = 3,6Fn

f

(19)

— АТ + КК 'ЛТ

К Ro

инф^-* т

+ ЬрсАТк

Это выражение позволяет определить количество сэкономленного за 1 час тепла, если в течение этого часа L, р, Тн = const.

В действительности эти величины изменяются во времени, т.е. Тн = f(t), причем L и р, в свою очередь, являются функциями Тн. С учетом этого модель энергетического взаимодействия коровника и теплицы во времени характеризуется выражением

{ а гш~1 к m Л

АТ

АТ

Q кт = 3,6F

+

пер

Т

н max

С J Lptdt

tL

Ro

\ATjdt+KK'

инф

АТ

АТ.

т max

|аТт tdt

+

(20)

n

Пользуясь полученными выражениями, определим возможную экономию тепловой энергии при блокировании типового коровника на 200 голов с одной теплицей, расположенной у продольной стены здания, для условий Ленинградской области.

137

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2000. Вып. 71.

Расчетная температура наружного воздуха Тн = -240С (249 К), а продолжительность отопительного периода 223 дня. Площадь перегородки между коровником и теплицей Рпер = 72x3 = 216 м2. Из справочной литературы [3, 4] находим: n = 1; R = 0,47; р = 1,4 кг/м3; К = 6,4 Вт/м2 -0К

В соответствии с ОНТП 1-89 [5] в холодный период года количество наружного приточного воздуха, подаваемого в коровник, должно быть не менее 15 м3/ч на 1 ц массы коров. Температура внутреннего воздуха в коровниках принимается Твк = 10°С (283 К), а в теплицах - 20°С (293 К). Живую массу одной коровы примем равной 500 кг, Кост = 1.

Пользуясь указанными величинами, получим:

1) экономия тепла за счет сокращения теплопотерь из коровника вследствие уменьшения площади ограждающих конструкций:

AQк1 = 3,6 R-Fnev Твк - Тн );

AQк1 = 3,6 = 216-34 = 56252Дж/ч;

2) сокращение теплопотерь из теплицы за счет замены части ограждения перегородкой:

AQт1 = 3,6Fnep(Твт -Тн)КК„нф;

AQTl = 3,6 -216-44-6,44,25= 273715Дж / ч;

3) сокращение затрат тепла на подогрев приточного воздуха:

AQк3 = Lpc(Tвк - Тн);

AQk3 = 15-200-5-1,4-34 = 714000Дж / ч.

Общая возможная экономия тепловой энергии составляет: 1043967 кДж/ч или 290 кВт за каждый час периода с расчетной температурой наружного воздуха -240С, что в 1,5 раза превышает потребности для подогрева воздуха в системе вентиляции отдельно стоящего коровника [6].

Средняя температура наружного воздуха за весь отопительный период для Ленинградской области составляет -20С. Плотность

138

Раздел II. Животноводство.

воздуха р при этой температуре равна 1,28 кг/м3. Если исходить из этой средней температуры, то экономия тепловой энергии за отопительный период составит:

AQ = 3,6 q-Lj21612-24-223 = 1062566МДж;

AQ = 3,6-216-22-6,4-1,25-24-223 = 732462МДж;

т1

AQ = 15-200-5-1,28-12-24-223 = 12331008МДж.

к3

Суммарная экономия составляет 2071818 МДж или 575505 кВт-ч.

Если принять среднюю продуктивность коров 4000 кг, то при тарифе 0,4 руб/кВт-ч стоимость каждого литра молока за счет экономии тепловой энергии можно снизить на 0,237 руб.

Следует подчеркнуть, что в приведенном примере расчета сделаны два допущения:

1. Коэффициент ограждения теплицы при ее блокировании с коровником не изменился, т.е. Кост = 1.

2. Воздухообмен коровника и теплицы полностью замкнут и в процессе этого обмена потери тепловой энергии отсутствуют.

В действительности сокращение площади остекления теплицы может быть меньше, чем площадь перегородки, вследствие чего экономия энергии уменьшится. Неизбежны также некоторые потери тепловой энергии и в процессе воздухообмена между коровником и теплицей.

Тем не менее, теоретически, общая экономия тепловой энергии при блокировании животноводческих помещений с культивационными сооружениями может быть весьма значительной, что делает актуальными всесторонние исследования проблем взаимодействия флоры и фауны в замкнутом цикле фермы-теплицы.

Таким образом, приведенные зависимости энергетического взаимодействия животноводческого помещения с культивационными сооружениями позволяют найти теоретически возможную экономию тепловой энергии при блокировании коровника с теплицей в каждом конкретном случае, если известны закон изменения температуры наружного воздуха во времени, а также зависимости воздухообмена

139

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2000. Вып. 71.

животноводческого помещения и плотности воздуха от этой температуры.

Ориентировочный расчет может быть выполнен исходя из расчетной отопительной температуры наружного воздуха и средней температуры за весь отопительный период для данной местности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Скуратов В.Б. Пути экономии энергии в системах обеспечения микроклимата животноводческих помещений. // Интенсификация механизированных работ в кормопроизводстве и животноводстве Нечерноземной зоны РСФСР: Сб. научн. НИПТИМЭСХ НЗ - Л., 1988. - Вып. 53.- С. 106-113.

2. Хазанов Е.Е. Оценка энергетической эффективности безотходной молочной фермы-теплицы. // Совершенствование технологических процессов и технических средств в кормопроизводстве и животноводстве: Сб. научн. тр. СЗНИИМЭСХ. - СПб., 1998. - Вып.68. -С. 70-76.

3. Захаров А.А. Применение тепла в сельском хозяйстве. - М.: Колос, 1974. - 256 с.

4. Коротков Е.Н. Вентиляция животноводческих помещений. - М.: Агропромиздат, 1987. - 112 с.

5. Отраслевые типовые материалы для проектирования 80101-80.32.87.41. - М.: Гипрониисельхоз, 1984.

Получено 06.05.00.

140