CC BY
46
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
Н.П.КОЗЛОВА, канд. техн. наук;
Н.В.МАКСИМОВ, канд. техн. наук
ФОРМИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСА ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ МИКРОКЛИМАТА
ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ПОМЕЩЕНИЙ
Приведена структура, характеристика и анализ исходных данных для обоснования технических решений по совершенствованию систем обеспечения микроклимата при реконструкции животноводческих ферм.
Цель работ по совершенствованию систем обеспечения микроклимата (СОМ) - обеспечить максимальный технологический эффект за счет оптимизизации среды обитания животных при минимальных энергозатратах.
В СЗНИИМЭСХ принятие решений по совершенствованию СОМ при реконструкции ферм проводится на базе оптимизации режимов работы отопительно-вентиляционных систем и техникоэкономического сравнения вариантов для каждого конкретного животноводческого помещения; принятый при этом порядок действий показан на рис. 1.
Методы оптимизации режимов работы СОМ, разработанные в СЗНИИМЭСХ [2, 3], реализуют идею комплексного, системного подхода; их особенность заключается в использовании для анализа СОМ цифровой модели, построении процессов обработки воздуха с минимально необходимым расходом теплоты во всем диапазоне изменения наружного климата и тепловлажностной нагрузки, представлении заданных параметров внутреннего воздуха в виде области, ограниченной максимальными и минимально допустимым значениями температуры и относительной влажности воздуха.
Мгновенные и годовые энергозатраты на микроклимат существенно зависят от комплекса исходных данных, структура которых представлена на рис. 2. Ниже рассмотрены особенности выбора и обоснования этих данных при разработке СОМ.
161
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2004. Вып. 76.
Рис. 1. Алгоритм принятия решения при обосновании системы обеспечения микроклимата
Вид, возраст, масса и продуктивность животных определяют количество выделяемых в помещении вредностей, а также требования к параметрам среды со стороны животных.
Требования к параметрам микроклимата помещений для содержания животных определяются на основании требований к среде со стороны животных, требований к условиям работы обслуживающего персонала, а также условий эксплуатации технологического оборудования, установленного в помещении.
Действующие нормы технологического проектирования для различных видов животных регламентируют значения температуры, относительной влажности, подвижности воздуха, а также содержание углекислого газа, аммиака, и сероводорода в воздушной среде. Выбор расчетных значений температуры и влажности воздуха существенно влияет на мгновенные и годовые расходы тепла и воздуха системами обеспечения микроклимата. С ужесточением требований к параметрам воздушной среды, стоимость собственно СОМ, расходы энергии и стоимость системы управления возрастают. Так, например, при снижении расчетной температуры внутреннего воздуха на 20С расчетная мощность подогрева снижается на 10-40%; численное значение снижения зависит от температуры наружного воздуха и вида животных.
162
i— Рис. 2. Структура исходных данных при оптимизации проектных решений сис-
темы обеспечения микроклимат
1
St
1
О
оь
а
at
at
о
Й
^з
0
1
о
О/
сь
оь
а
J5
^3
0
1
St
St
растениеводства и животноводства.
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2004. Вып. 76.
Тенденции в нормировании систем вентиляции и кондиционирования воздуха заключаются в отказе от строгого ограничения параметров среды и переходе к двум видам нормирования, 1) - предписывающий подход, когда все или часть требований определяется соответствующими СНИП и ГОСТ и 2) - потребительский подход, когда нормирование параметров производится на основании технического задания и возможностей заказчика. Такой подход целесообразно использовать в расчетах требуемых расходов тепла и воздуха СОМ животноводческих помещений и для некоторых видов животных допускать временное отклонение значений внутренних параметров от нормируемых. Следует отметить, что достаточных данных для экономического обоснования допустимого диапазона изменения параметров внутреннего воздуха нет. В расчетах необходимо использовать имеющиеся в отечественных нормах данные о допустимых отклонениях параметров. Так, в коровниках, зданиях для молодняка и скота на откорме Нормы технологического проектирования [1] допускают в течение не более 240 часов в году снижение температуры внутреннего воздуха до 5оС ниже расчетного значения.
Как справочные представляют интерес приведенные в табл. 1 данные, рекомендуемые для расчетов Американским обществом сельскохозяйственных инженеров ASAE и обществом инженеров по вентиляции и кондиционированию воздуха ASHRAE (1999 ASHRAE Application handbook). В табл. 1 принята такая терминология.
Нижняя критическая температура - нижний предел термонейтральной зоны, более низкая температура окружающей среды приводит к гипотермии, уменьшаются влаговыделения, уменьшается потребление пищи. Верхняя критическая температура - температура, выше которой уменьшается скорость метаболизма. Диапазон температур с номинальными условиями содержания животных - потери в эффективности в этом диапазоне незначительны, ими можно пренебречь при принятии решений. Диапазон температур оптимальной технологии - соответствует максимуму привесов, эффективности, репродукции и др. Влажная кожа, сквозняки или скорость воздуха выше 0,3 м/с, поднимают все значения вверх; повышенная влажность или солнечная радиация перемещает все температуры вниз.
164
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
Пределы номинальных температур [4]
Таблица 1
Вид животных Нижняя критическая температура, оС Верхняя критическая температура, оС Номинальные условия, оС Оптимальные условия, оС
КРС
Сухостойные или надой менее 13,6 л/день -15 27 0 - 22 5 - 15
Надой больше 22,7 л/день -27 22 5-20 5-15
Взрослые мясные коровы -17 27 0 - 25 5 - 15
Телята до 2х недель +10 30 15 - 27 17 - 25
Телята 1 месяц 0 30 7 - 27 12 - 25
Телята на откорме с привесом 900г/день -30 27 -8 - 27 0 - 15
Телята на откорме с привесом 1500 г/день -35 25 -15 - 25 1 - 15
Свиньи
Свиноматка 140 кг 20 32 22 - 30 26 - 27
Матки подсосные 4 27 7 - 22 10 - 15
Поросята от 3 до 14 дней 25 33 30 -33 31
Поросята-отъемыши ,10 кг в группах 19 29 19 - 28 25 - 26
Свиньи на
165
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2004. Вып. 76.
откорме 20 кг 60 кг 100 кг 14 27 16 - 22 20 -21
10 23 12 - 22 17 -18
5 23 10 -20 14 - 16
Технология содержания животных определяет как количественные, так и конструктивные характеристики СОМ. При разработке СОМ необходимо знать: количество и возраст животных в начале и конце технологического цикла, продолжительность цикла. Эти данные определяют характер тепловлажностной нагрузки и, следовательно, требования к производительности оборудования и способам регулирования.
Распространенная ошибка, когда тепловлажностная нагрузка помещения не соответствует расчетным условиям, приводит к тому, что в определенном диапазоне наружных температур отопительновентиляционное оборудование, выбранное по этим исходным данным, в принципе не может обеспечить требуемые температуру и влажность. Выход из данного положения - обеспечение строго определенного заполнения помещения, либо оснащение СОМ устройствами регулирования тепло- и воздухопроизводительности.
Вид кормления - (вид кормов сухой или влажный) влияет на запыленность помещения. Мобильный способ раздачи корма приводит к открыванию ворот и дополнительному охлаждению здания, а также загрязнению воздуха выхлопными газами мобильных средств. Эти характеристики технологии содержания влияют на решения по режимам работы вентиляции и системам воздухораспределения.
Существенное влияние на влажность воздуха, содержание аммиака и запахи оказывает способ удаления навоза. В период уборки наблюдается интенсивное выделение вредностей; увеличение смоченных и загрязненных поверхностей приводит к дополнительному выделения вредностей. Обобщенных данных по количественной оценке различных технологических решений практически нет. Вместе с тем, в ходе проектирования за счет технологии могут быть максимально снижены выделения вредностей. Поэтому при рассмотрении вариантов решений по технологии уборки навоза предпочтения должны быть отданы варианту с меньшей площадью зон выделения вредностей.
Объемно-планировочные решения в основном влияют на конструктивные решения по размещению отопительно-вентиляционного 166
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
оборудования. Кроме этого, оптимальное расположение оборудования и животных должны создавать хорошие условия для обдува животных, особенно в летний период, и вместе с тем не допускать сквозняков и попадания холодного воздуха на животных.
Ограждающие конструкции, тип здания, его габариты, тип крыши во многом определяют выбор типа вентиляции - естественной или механической. Конструкция здания должна обеспечивать возможность сооружения приточных и вытяжных устройств. Как правило, низкие и широкие здания невозможно вентилировать при помощи естественной вентиляции. При выборе механической вентиляции следует проверять несущие конструкции при установке вентиляционного оборудования. При выборе типа вентиляции необходимо учитывать расположение здания на генплане и розу ветров. Наличие близко расположенных высоких сооружений и деревьев, небольшие разрывы между зданиями влияют на работоспособность системы естественной вентиляции.
Конструкция окон и дверей, их состояние влияет на организацию воздухообмена. В холодный период года окна и двери должны быть плотно закрыты, щели недопустимы, особенно для механической вентиляции. В теплый период года приток свежего воздуха предусматривается через окна. При плохой эксплуатации окна часто не открываются, что также влияет на решения по организации воздухообмена в теплый период года.
Теплопотери через ограждающие конструкции разных типов животноводческих помещений имеют разную долю в тепловом балансе. При реконструкции СОМ желательно максимальное утепление здания и повышение его термического сопротивления. При этом важность этих дорогостоящих мероприятий зависит от вида тепловлажностной нагрузки здания. По степени важности проблемы утепления на первом месте стоят для помещений с недостатком теплоты, с дополнительным подогревом и естественной системой вентиляции. Для создания среды обитания животных очень существенен вид полов и подстилочный или бесподстилочный способ содержания. Подстилка утепляет зону содержания животных, улучшает общее санитарное состояние здания за счет впитывания влаги и неприятных запахов. При содержании КРС на глубокой подстилке Нормы [1] снижают требования к температуре внутреннего воздуха. Тип полов и подстилки
167
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2004. Вып. 76.
определяет решения по средствам местного обогрева в помещениях для содержания молодняка.
Наружный климат. В настоящее время при проектировании СОМ расчеты производят для трех, так называемых расчетных точек -теплый, холодный и переходный периоды. Особенность методики СЗНИИМЭСХ - использование для расчета годовых энергозатратзат-рат данных по продолжительности периодов с различным сочетанием значений температуры и влажности наружного воздуха, что позволяет получать оценки различных вариантов СОМ по продолжительности периодов с отклонения параметров от оптимальных или нормируемых.
В качестве примера в табл. 2 и 3 представлены результаты расчетов режимов работы СОМ для выбора системы вентиляции при реконструкции откормочника КРС на 1200 голов для климатических условий Москвы. Помещения для откорма молодняка КРС являются объектами с избыточными тепло- и влаговыделениями, с переменной тепловлажностной нагрузкой.
Таблица 2
Расчетные минимально-необходимые (базовые) расходы теплоты и воздуха для создания нормируемых параметров микроклимата в секции откормочника КРС на 300 голов (расчетная температура внутреннего воздуха 9-10ОС, влажность 75%)
Температура наружного воздуха, оС Продолжительность стояния в году, час Нарастающий итог часов Температура внутреннего воздуха, оС * Влажность внутреннего воздуха, % * Расход воздуха, кг/ч * Ра теп кВ
-28 27,5 27,5 9,2 / 9,6 75 / 75 15 / 22 45
-23 136,8 164,3 9,1 / 9,6 74 / 75 16 / 23 30
-18 300,1 464,4 9,2 / 9,6 73 / 74 17 / 25 13
-13 591,6 1056 9,4 / 9,6 74 / 74 19 / 28 0
-8 1014, 7 2070,7 9,7 / 10 72 / 74 24 / 34
-3 984,7 3055,4 9,9 / 10,4 73 / 71 33 / 47
0 9,9 / 10,5 74 / 72 42 / 58
3 1368,5 4423,9 9,7 / 10,5 75 / 75 60 / 77
8 1262,6 5686,5 14 / 14,4 78 / 78 60 / 80
13 1399 7085,5 18,3 / 18,5 81 / 81 60 / 80
18 938,8 8024,3 22,4 / 22,8 84 / 83 60 / 80
23 591,3 8615,6 26,5 / 26,9 87 / 87 60 / 80
28 159 8765 30,3 / 30,4 76 / 68 60 / 80
168
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
Примечание: * - в числителе значения для начала откорма, масса животных 260 кг; в знаменателе - значения для конца откорма, масса животных 460 кг.
Как видно из табл. 2, для поддержания заданных параметров для начального периода откорма количество воздуха, подаваемого в помещение, должно изменяться от 15000кг/ч до 60000кг/ч, расчетная установленная мощность нагревателей - 45 кВт. Соответственно для конечного периода откорма (масса животных 460 кг), подача воздуха должна изменяться от 22 000 кг/ч до 80 000 кг/ч в течение года, а максимальная мощность нагревателей должна быть 67 кВт. Эти данные дают расчетный диапазон изменения тепло и воздухопроизводительности, максимальные и минимальные расчетные значения при изменении сочетания параметров наружного климата и тепловлажностной нагрузки помещения. В таблице приведены значения продолжительности стояния в часах в году для каждого расчетного значения температуры и нарастающий итог часов. Суммарный расход энергии на нагрев составляет 33,1 ГДж в начале и 51,4 ГДж в конце откорма для секции - % здания откормочника.
При разработке проекта реконструкции данного объекта рассмотрено 4 варианта компоновки системы обеспечения микроклимата. Для рассматриваемого объекта предложена энергосберегающая система вентиляции [5], вариант 1.
Таблица 3
Расчетные показатели вариантов СОМ откормочника КРС на 1200 голов
Показатели Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4
Система холодного периода Энергосберегающая теплообменная система Приточная система с электрокалориферами
Системы переходного периода и теплого периода 40 башен в перекрытии на приток 20 башен в перекрытии и 16 осевых вентиляторов в окнах на приток 28 осевых вентиляторов в окнах на приток 40 осевы вентиляторо в окнах ] вытяжку
169
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2004. Вып. 76.
Режим работы: Приток Вентиляторы Вентиляторы Вентиляторы естественна
Вытяжка естественная естественная естественная вентилятор]
Продолжение таблицы 3
Показатели Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4
Состояние среды при: -30..-15 0С Хор. Хор. Хор. Хор.
-15 -5 0С Хор. Хор. Отклонения от нормы в конце откорма
-5 .. +5 0С Хор. Хор
+5 .. +10 0С Хор. Холодно у окон. Холодно у окон
+10 0С и выше Хор. Хор. застойные зоны Перегрев
Особые требования к ограждениям Хорошая герметизация здания
Автоматика необходима необходима необходима необходима
Сохранность ограждений лучше лучше лучше хуже
Обслуживание - - проще проще
Установленная мощность подогрева кВт 160 160 160
Установленная мощность привода приточных вентиляторов кВт 30 22 22 22
Установленная мощность привода дополнительных вентиляторов кВт 14,8 13,32 10,36 14,8
Годовой расход энергии, кВтч 113600 179640 179560 142660
170
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
Представленные в табл. 3 характеристики принятых технологических схем, режимов работы оборудования, результаты расчетов энергозатрат для предложенных вариантов являются исходными данными для обоснования СОМ. На основании этих данных, а также данных по стоимости оборудования специалисты хозяйства принимают решение; в данном случае предпочтение было отдано варианту 1 -системе с наименьшими энергозатратами.
ВЫВОДЫ
1 В СЗНИИМЭСХ принятие решений по совершенствованию СОМ при реконструкции ферм проводится на базе оптимизации режимов работы отопительно-вентиляционных систем и техникоэкономического сравнения вариантов для конкретного животноводческого помещения.
2. Системный подход на стадии обосновании исходных при оптимизации проектных решений системы обеспечения микроклимат позволяет снизить энергозатраты на микроклимат на 10-50%. Величина экономии зависит от вида животных, типа здания, технологии содержания, климатических условий.
3. При реконструкции СОМ с целью обеспечения максимального технологического эффекта, при наименьших энергозатратах должны использоваться следующие приемы: оптимизация технологии содержания животных с целью уменьшения вредных выделений; оптимизация теплотехнических характеристик ограждающих конструкций; обоснованность расчетных значений температуры и влажности воздуха; подбор технических характеристик по результатам расчетов систем во всем диапазоне изменения тепловлажностной нагрузки и наружных климатических условий; снижение значений расчетных воздухообменов за счет применения средств очистки осушки и утилизации теплоты внутреннего воздуха.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Нормы технологического проектирования предприятий крупного рогатого скота, НТП 1-99.- М.: Минсельхозпрод России, 1999.
171
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2004. Вып. 76.
2. Козлова Н.П., Валге А.М., Скуратов В.Б. и др. Методические рекомендации по расчету режимов работы отопительновентиляционных систем животноводческих ферм и комплексов. -Л.1987.- 53с.
3. Козлова Н.П., Валге А.М., Скуратов В.Б. Обоснование режимов работы отопительно-вентиляционного оборудования ферм. //Техника в сельском хозяйстве. - 1988, - №6.- С.34-36.
4. G.L.Hahn, A.Nygaard, E. Siemensen. Towards establishing rational criteria for selection and design of livestock environments. Paper NO 83-4517, for presentation at the 1983 Winter Meeting American Society of Agricultural Engineers.
5. Устройство для вентиляции животноводческого помещения / Н.В.Максимов, Н.П. Козлова: Патент РФ №2207471, заявлено 18.06.2001; зарегистрирован 27.06.2003.
Получено 24.05.2004.
УДК 631.22:628.8-52
Н.В.МАКСИМОВ, канд. техн. наук
СИСТЕМА ЕСТЕСТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ С УТИЛИЗАЦИЕЙ ТЕПЛОТЫ
Показана необходимость совершенствования систем естественной вентиляции животноводческих помещений с целью улучшения параметров микроклимата путем обеспечения подогрева приточного воздуха утилизируемой теплотой скрытой составляющей теплоты внутреннего воздуха с одновременной его осушкой и очисткой.
Для реализации поставленной цели предложена конструкция системы естественной вентиляции. Описаны результаты исследований экспериментального образца разработанной системы вентиляции. Приведены основные теплотехнические характеристики системы, показывающие ее достаточно высокую теплотехническую эффективность: коэффициент теплопередачи “К” составляет около 6 Вт/м.град., степень осушки воздуха в пределах 25%, степень нагрева воздуха ДЕ - 10°С. Новизна разработки защищена патентом Российской Федерации №44816 “Система естественной вентиляции”.
172
