CC BY
10
УДК 631.3:636 DOI 10.51794/27132064-2022-1-39
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОБОГРЕВА ПОЛА
ТЕЛЯТНИКА
Ы.Дж. Осмонов, доктор технических наук, профессор
Ж.Ы. Осмонов, аспирант
Н.Ы. Темирбаева, кандидат технических наук
Кыргызский национальный аграрный университет им. К.И. Скрябина
E-mail: maks_875@mail.ru
А.Ж. Жусубалиева, старший преподаватель
Ошский государственный университет
E-mail: edu@oshsu.kg
И.Э. Турдуев, кандидат технических наук, доцент Ошский технологический университет им. М.М. Адышева E-mail: oshtu.adyshev@mail.ru
Аннотация. Здоровье сельскохозяйственных животных, особенно молодняка, которые до 60% времени суток находятся в лежачем положении, зависит от температуры пола животноводческого помещения. Согласно ветеринарно-санитарным нормам, для содержания сельхозживотных показатель теплоусвое-ния полов должен быть не более 11,6 Вт/м2^°С. Выявлены недостатки существующих средств для обогрева пола животноводческих помещений, основными из которых являются: пониженная электробезопасность; негативное влияние на здоровье животных химических ингредиентов; трудоемкость ремонтных работ; низкая надежность. На основе статистической обработки объективных данных СНиП Киргизии 23-02-00 «Строительная климатология» получены эмпирические зависимости для описания закономерности распределения солнечной радиации, которые позволили определить энергетический уровень солнечного излучения в зависимости от географической широты местности в течение года. Дана методика расчета продолжительности и интервалы инсоляции существующего животноводческого помещения с помощью инсографика, позволяющая определить места размещения гелиоколлекторов для интенсификации использования солнечной радиации в отопительный период. Результаты исследований позволили разработать систему на базе гелиоколлектора и биотермической установки для функционирования энергосберегающей технологии обогрева пола телятника в отопительный период. Анализ функционирования технологии по температурному режиму: средние температуры воды на входе в змеевик пола и на выходе из него составили 43°С и 8°С при отрицательных значениях температуры наружного воздуха. Ключевые слова: энергосберегающая технология, животноводческое помещение, отопительный период, гелиоколлектор, тепличный эффект, инсографик, биотермическая установка, солнечная радиация.
Введение. Здоровье молодняка сельскохозяйственных животных, которые около 5060% времени суток находятся в лежачем положении, зависит от температуры пола животноводческого помещения. По данным технологического норматива температура пола коровника, где содержится молодняк, составляет 12°С с учетом дифференциала температуры Д^п=±2°С [1].
Существует большое многообразие устройств для обогрева пола животноводческих помещений, которые в основном используют электрическую энергию от централизован-
ных линий электропередач. Основные элементы электрических нагревателей, такие, как пластины, трубы и т. п., металлоемкие и не отвечают современным требованиям энергосбережения.
Краткий анализ существующих устройств для обогрева пола животноводческих помещений позволил выявить их основные недостатки:
- пониженная электробезопасность из-за появления электрического напряжения на поверхности пола при нарушении изоляции нагревателя [2, 3];
900
3 700
1500
- негативное влияние на здоровье молодняка химических ингредиентов, которые используются при покрытии полов (керамзит, аглопоритбетон, резинокордовые плиты [4,
5]);
- сложность выполнения ремонтных работ при повреждении проволочного электрического нагревателя и излечении его из бетонной плиты для замены [6];
- повышенная стоимость и низкая надежность [7].
Одним из путей устранения отмеченных недостатков является использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) с разработкой соответствующей технологии обогрева пола животноводче- Ю00 ских помещений. Такая технология отвечает требованиям энергосбереже- р800 ния и экологии. На терри тории Кыргызской Рес публики самый распрост- ^ 600 раннный вид ВИЭ - Сол- ^ нце. На высоте до 2 000 | метров над уровнем моря, È|400 в зоне постоянного про живания населения про должительность прямой |200 солнечной радиации до- ç°qq ходит до 270 дней в год. Практическое использо- 0 вание солнечной радиации для теплоснабжения животноводческих помещений в настоящее время вполне возможно в плане технической подготовленности существующих гелиоколлекторов и конкурентоспособности вырабатываемой энергии по цене, сопоставимой с ценой энергии от традиционных источников [8].
Мониторинг технологий и технических средств, преобразующих энергию Солнца, показывает, что наиболее технически подготовлены и активно конкурируют на рынке зарубежные разработки: фирмы HOGA, Sint-solar (Испания), HOMER, HYPORA (США), НПП "Конкурент", ООО "Гидропоника" (Россия), компании NEW-TEK, S.HOME KIT (Германия). Также имеются разработки отечественных исследователей: А.Д. Обозов,
В.И. Липкин, Т.Ж. Жабудаев, Е.С. Умбетов, Н.Ы. Темирбаева и др.
Материалы, методы и результаты исследований. Возможность обогрева животноводческих помещений в отопительный период с использованием солнечной радиации установлена на базе данных СНиП Кыргызской Республики 23-02-00 "Строительная климатология". Разложив данные СНиП КР 23-02-00 на детерминированные составляющие, получили зависимость изменения солнечной радиации Рс от географической широты (град. с. ш.) местности в течение года (рис. 1).
i 300
к
10 11 12
Рис. 1. Зависимость изменения солнечной радиации Рс от географической широты (град. с. ш.) местности в течение года
С помощью формулы Лагранжа [9] получены эмпрические уравнения для описания закономерности изменения солнечной радиации:
Рс = -11,73^ + 14да - 185,17 (1) и закон распределения: 1
/(Рс) =
(Рс-503,1)2 g[ 2 ■ (277,2)2 ]
(2)
277,2Т2л
с математическим ожиданием 503,1 МДж/м2-мес. и среднеквадратическим отклонением 277,2 МДж/м2-мес.
Максимальная солнечная радиация наблюдается в месяцы: май-июнь-июль и со-
ставляет 235,4-244,1 кВт-ч/м2-мес. (846,76878,06 МДж/м2^мес.). В месяцы январь-апрель радиация изменяется в пределах 40,3183,3 кВт^ч/м^мес. (144,96-659,35 МДж/м2 мес.). В месяцы август-декабрь - в пределах 196,7-33,8 кВт-ч/м2-мес. (707,55-121,58 МДж/ м2^мес.).
Эмпрические уравнения (1) и (2) и зависимость Рс = /(I) использованы для обоснования теплотехнических параметров гелио-коллектора и мест его размещения в животноводческом помещении (рис. 1).
Уточнение мест расположения гелиокол-лектора в существующем животноводческом помещении фермерского хозяйства, где содержится молодняк КРС, осуществлено ис-
следованием инсоляции данного помещения [10]. Исследуемое животноводческое помещение фермерского хозяйства застроено параллельно расположенными зданиями на расстоянии 16 м друг от друга (рис. 2). Как видно из рисунка 2, каждое здание представляет собой препятствие для инсоляции на другое здание. Когда прямые солнечные лучи проникают в здание через окна, имеет место тепличный эффект: тепловые солнечные лучи с длиной волны 0,4-2,5 мк, которая меньше длины волны светового луча, проникая через оконное стекло, нагревают помещение; стены и предметы поглощают эту теплоту, а затем излучают, но уже на более длинной волне - 5-10 мк.
Рис. 2. Использование инсоляции в телятнике в зависимости от азимута и угла склонения солнца (на 22 декабря): 1 - телятник; 2 - территория (размеры указаны в метрах)
Рис. 3. Продолжительность инсоляции точки В на полу телятника: I - затеняющее здание телятника; II - инсолируемое здание телятника с расчетной точкой В на полу
= 1 ч 45 мин. Полученные результаты времени инсоляции и интервалов инсоляции существующего телятника фермерского хозяйства показывают, что непрерывная инсоляция, равная всего 1 ч 45 мин., не соответствует нормам. Здесь надо обратить внимание на то, что в нормативных документах есть противоречия по требуемой величине времени инсоляции. Поэтому данная величина инсоляции не оказывает существенного влияния на обогрев телятника в отопительный период. Существует необходимость использования более интенсивных способов использования солнечной радиации для обогрева животноводческого помещения, в частности, гелио-коллектора.
При этом полученные данные и графические анализы (рис. 2 и 3) могут быть использованы для определения мест размещения гелиоколлекторов для обогрева существующих животноводческих помещений. В качестве рекомендации следует отметить, что при строительстве животноводческих помещений необходимо учитывать инсоляцию поверхностей, внутреннего пространства и территорий помещения.
Сущность энергосберегающей технологии обогрева пола телятника поясняется общей схемой (рис. 4).
Рис. 4. Общая схема обогрева пола телятника: 1 - гелиоколлектор; 2 - теплообменники; 3 - биотермическая установка; 4 - верхняя емкость; 5 - змеевик; 6 - нижняя емкость; 7 - бак-аккумулятор; 8 - змеевик пола; 9 - пол; 10 - телятник; 11 - клапан; 12 - терморегулятор; 13 - датчик; 14 - горловина.
Происходит накопление теплоты, которое создает разницу температур наружного и внутреннего воздуха. Таким образом, тепличный эффект является важным фактором для обогрева животноводческого помещения в отопительный период. Кроме того, в результате инсоляции нагреваются стены, обшивка и т. п., а также территория здания, которые отдают накопленную теплоту вовнутрь здания в течение определенного времени.
Для определения суточной продолжительности инсоляции зданий телятника и ее территории, на генплане территории застройки необходимо определить положение расчетной точки В помещения с помощью инсографика (рис. 3). Выбираем 22 декабря как самый короткий день за отопительный период года. Продолжительность инсоляции расчетной точки В без учета затеняющего здания I была бы с 9 до 15 ч на 22 декабря. С учетом затенения зданием I продолжительность инсоляции точки В сокращается с 9 до 12 ч, то есть на 3 ч. С учетом высоты здания I, равной 6,3 м, продолжительность инсоляции сокращается еще на 30+45 мин. или на 1 ч 15 мин. Таким образом, общая продолжительность инсоляции расчетной точки В составляет 3 ч, а непрерывная: 3 ч - 1 ч 15 мин.
Вода, нагретая с помощью солнечного коллектора 1, с одной стороны, а также вода в биотермической установке 3, нагретая за счет теплоты, выделяемой в процессе перегноя из свежего навоза, размещенного в верхней емкости 4, где установлен змеевик 5, с другой стороны, циркулируют через собственные теплообменники 2 по способу термосифона, так как система выполнена с уклоном 2° от верхней точки, нагревая воду в баке-аккумуляторе 7.
Для поддержания нормативного значения температуры (12°С) пола 9 телятника 10 нагретая вода также по способу термосифона циркулирует по внутренней системе: бак-аккумулятор 7, клапан 11, терморегулятор 12, змеевик пола 8, бак-аккумулятор 7. Циркуляция воды во внутренней системе будет приостановлена в случае повышения температуры на +2°С от нормы (12°). При этом терморегулятор 12 закрывает клапан 11 по сигналу датчика 13. Клапан 11 будет в закрытом положении до тех пор, пока температура пола не достигнет нижнего предела нормативной температуры (1™1П = 10°С). При данной температуре пола клапан 11 открывается, циркуляция воды во внутренней системе будет восстановлена. Расход воды в баке-аккумуляторе в результате испарения пополняется через горловину 14. Использованный навоз (перегной) через дно верхней емкости сбрасывается в нижнюю емкость 6, а верхняя емкость 4 заполняется свежим навозом.
В системе обогрева пола телятника использован плоский трубчатый гелиоколлек-тор. Теплоприемник высотой 2 м и шириной 1 м изготовлен из пластмассовых труб внутренним диаметром 0,036 м. Расход теплоносителя - 63 кг/ч. В процессе работы гелио-коллектора температура нижней стенки теп-лоотводящих каналов й была на 5°С выше температуры верхней стенки каналов й, поскольку нижние стенки канала нагреваются с помощью цилиндрических зеркальных отражателей. Температура канала равна полусумме (й.+ £г)/2. При температуре теплоносителя на входе в канал йо=20°С средняя температура теплонасителя й на выходе из канала составила 53°С. Результаты исследо-
ваний функционирования биотермической установки показали, что при отрицательных значениях температуры наружного воздуха процесс самонагрева навозной массы продолжается.
При этом средние значения температур в верхнем трубопроводе (температура воды на выходе ^ь1х из установки) и нижнем трубопроводе (температура воды на входе 4х в установку) соответственно составили 37°С и 28°С. В целом, результаты функционирования системы по температурному режиму следующие: средние температуры воды на входе в змеевник пола 8 и на выходе из зме-евника соответственно составили 43°С и 8°С. Замеры температуры воды были произведены в точках "вход" и "выход". При этом были учтены потери в трубопроводах, то есть "на пути".
Выводы. Разработана система для осуществления обогрева пола животноводческих помещений (телятника) с применением энергосберегающей технологии. Результаты хозяйственных испытаний показали, что данная технология обеспечивает обогрев пола телятника в отопительный период путем использования солнечной радиации и биотеплоты навоза в процессе перегноя при их совместном функционировании.
Литература:
1. Нормы технологического проектирования предприятий крупного рогатого скота. М., 1999. 140 с.
2. Мотес Э. Микроклимат животноводческих помещений. М.: Колос, 1976. 190 с.
3. Пат. 183016 ГДР. Устройство для обогрева пола коровника. Опубл. 05.06.75.
4. Гигиенические полы для животноводческих зданий / Плященко С.И. и др. // Животноводство. 1976. № 10. С. 59-60.
5. Волков Г.К. Санитарно-гигиенические требования к полам // Ветеринарный консультант. 2003. № 2. С. 21.
6. Растимешин С.А. Технические средства для местного обогрева. М.: Росагропромиздат, 1990. 76 с.
7. Баранов Л.А. Электронагреватели в сельском хозяйстве. Алма-Ата, 1977. 230 с.
8. Пути развития альтернативной энергетики. иЯЬ: www.belsbyt.ru
9. Осреднение процессов в периодических средах: математические задачи механики композиционных материалов / Н.С. Бахвалов и др. М., 1984. 352 с.
10. Инсоляция помещений и территорий застройки / Каратаев В.А. и др. Новосибирск, 2013. 64 с.
Literatura:
1. Normy tekhnologicheskogo proektirovaniya predpriy-atij krupnogo rogatogo skota. M., 1999. 140 s.
2. Motes E. Mikroklimat zhivotnovodcheskih pomeshche-nij. M.: Kolos, 1976. 190 s.
3. Pat. 183016 GDR. Ustrojstvo dlya obogreva pola koro-vnika. Opubl. 05.06.75.
4. Gigienicheskie poly dlya zhivotnovodcheskih zdanij / Plyashchenko S.I. i dr. // ZHivotnovodstvo. 1976. № 10.
5. 59-60.
5. Volkov G.K. Sanitarno-gigienicheskie trebovaniya k polam // Veterinarnyj konsul'tant. 2003. № 2. S. 21.
6. Rastimeshin S.A. Tekhnicheskie sredstva dlya mestno-go obogreva. M.: Rosagropromizdat, 1990. 76 s.
7. Baranov L.A. Elektronagrevateli v sel'skom hozyajstve. Alma-Ata, 1977. 230 s.
8. Puti razvitiya al'ternativnoj energetiki. URL: www.bel-sbyt.ru
9. Osrednenie processov v periodicheskih sredah: mate-maticheskie zadachi mekhaniki kompozicionnyh materi-alov / N.S. Bahvalov i dr. M., 1984. 352 s.
10. Insolyaciya pomeshchenij i territorij zastrojki / Kara-taev V.A. i dr. Novosibirsk, 2013. 64 s.
ENERGY-SAVING TECHNOLOGY OF CALF HOUSE'S FLOOR HEATING Y.J. Osmonov, doctor of technical sciences, professor Zh.Y. Osmonov, post-graduate student N.Y. Temirbayeva, candidate of technical sciences Kyrgyz national agrarian university named after K.I. Scriabin A.Zh. Zhusubalieva, senior lecturer Osh state university
I.E. Turduev, candidate of technical sciences, docent Osh technological university named after M.M. Adyshev
Abstract. Farm animals health especially young ones, who are in a supine position up to 60% oft he day's time, depends on the livestock room floor temperature. According to agricultural animals maintenance veterinary-and-sa-nitary standards, the floors' heat absorption index should be no more than 11,6 W/m2*°C. The livestock premises' floor heating existing means' shortcomings have been identified, the main of them are: reduced electrical safety; chemical ingredients negative impact on animal health; repair work labor intensity; low reliability. Based on the SNIP ofKyrgyzstan 23-02-00 "Construction Climatology" statistical processing's objective data, empirical dependences describing solar radiation patterns' distribution, that made it possible the solar radiation energy level in depending on the area's geographical latitude during the year determining were obtained. The insolation intervals' duration calculating method for existing livestock premises with an insographic help is given, that makes it possible heliocollectors locations for solar radiation intensification use during the heating period to determine. This research results made it possible a system based on a heliocollector and biothermal installation for energy-saving operation technology for calf house floor heating during the heating period to develop. Analysis of technology functioning by temperature regime: the average water temperatures at coil floor's entrance and outlet were 43 °C and 8 °C at ne -gative outdoor temperatures.
Keywords: energy-saving technology, livestock premises, heating period, heliocollector, greenhouse effect, inso-graphic, biothermal installation, solar radiation.
