CC BY
11
УДК 631.171
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЛОЩАДИ СВЕТОВОГО ПРОЕМА НА ПАРАМЕТРЫ МИКРОКЛИМАТА
В КОРОВНИКЕ
Д.А. Понизовкин, кандидат технических наук Ю.Г. Иванов, доктор технических наук В.Г. Борулько, кандидат технических наук ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева E-mail: ponizovkin.d@gmail.com
Аннотация. Представлены результаты исследования влияния площади светового проема на тепловую нагрузку в помещении, характеризующуюся индексом тепловой нагрузки, средней температурой ограждающих поверхностей и результирующей температурой внутри помещения. Применение технических средств регулирования площади светового проема позволяет сократить тепловую нагрузку от солнечной энергии при сохранении нормативных показателей освещенности в коровнике. Методика исследования заключается в использовании светопропускающих ламелей на оконном проеме - жалюзи. Светопро-пускающие ламели исследовались под разными углами поворота по отношению к плоскости оконного проема от 0о (оконный проем полностью закрыт жалюзи) до 90о (оконный проем максимально открыт). Результаты исследования показали, что при использовании светопропускающих ламелей происходит снижение индекса тепловой нагрузки, средней температуры ограждающих поверхностей и результирующей температуры внутри помещения при сохранении освещенности помещения от естественного источника света в пределах нормативных показателей. Полученные результаты планируется применить для дальнейших исследований с целью определения наиболее эффективных материалов ламелей, т.е. подобрать материалы с такой светопропускающей способностью, которая позволит обеспечить максимальное снижение тепловой нагрузки в летний период времени года (в особенности - в южных климатических зонах), сохранив при этом нормативные показатели по освещенности в помещении. Ключевые слова: тепловая нагрузка, освещенность, микроклимат, коровник.
Введение. Важным резервом повышения эффективности производства молока на фермах является обеспечение необходимого микроклимата. Установлено, что в летний период при температуре воздуха в коровнике выше 25оС у животных наблюдаются тепловые стрессы, которые характеризуются изменением клинико-физиологических показателей животных и снижением надоев молока на 1-1,5 литра/корову в сутки [1-5].
Учитывая необходимость подержания в коровнике также освещенности на уровне нормативных показателей, конструкция зданий предполагает световые проемы (окна) в различных исполнениях и с различной площадью. При прохождении через световой проем солнечные лучи вносят существенную долю дополнительной тепловой энергии в тепловой баланс помещения. Наибольшее количество тепловой энергии поступает в
летний период времени, когда солнце наиболее «активно». Для решения проблемы уменьшения поступления избыточной тепловой энергии и повышения температуры воздуха в теплый период времени, а также сохранения освещенности в пределах нормативных значений возможно использование световых проемов со светозащитными устройствами. Так, например, использование вертикальных или горизонтальных пластин -ламелей, позволяет регулировать световые и воздушные потоки.
Методы. Под регулируемой площадью световых проемов будем понимать изменение площади светового проема, которая пропускает прямые солнечные лучи нагревающие поверхности непосредственно внутри помещения. Изменение площади светового проема, пропускающего прямые солнечные лучи, возможно осуществить за счет устрой-
ства поворота ламелеи в раме светового проема. Различные положения ламелеИ позволяют регулировать прохождение прямых солнечных лучеИ в помещение. Так, например, при восходе солнца возможно частичное закрытие светового проема - угол поворота ламелеИ составляет 60о (рис. 1а).
Когда солнце достигает наибольшей активности, в зоне расположения светового проема следует полное закрытие проема ла-мелями - угол поворота ламелеИ составляет 0о (рис. 1б), таким образом достигается минимальная площадь светового проема. После того как солнце начинает садиться, уменьшается тепловая нагрузка от солнечных лучей, происходит частичное открытие светового проема - угол поворота ламелеИ составляет 45о (рис. 1в).
\ \
И /
/ /
а) б) в)
Рис. 1. Варианты изменения площади светового проема: а) проем частично закрыт: угол поворота ламелеИ - 60о; б) проем полностью закрыт; в) проем частично закрыт: угол поворота ламелеИ - 45о
Использование таких «жалюзи» при применении светорассеивающих материалов ла-мелеИ в конструкции световых проемов позволит снизить поступление прямоИ тепловоИ энергии внутрь помещения при сохранении освещенности на нормативном уровне.
Ход исследований. Исследование индекса тепловой нагрузки внутри помещения. Целью исследования является определение влияния площади светового проема на све-товоИ поток, поступающиИ в коровник, и изменение индекса тепловоИ нагрузки (ТНС) внутри помещения. Индекс тепловоИ нагрузки используется для интегральноИ оценки тепловоИ обстановки в помещении и характеризует комплексное деИствие на организм животного параметров микроклимата (температуры и относительноИ влажности возду-
ха, скорости движения воздуха и теплового облучения). Исследование проводится с использованием жалюзи, которые изменяют площадь светового проема (окна). Угол поворота ламелей по отношению к плоскости светового проема изменяется от 0о (жалюзи полностью закрыты, что соответствует минимальной площади светового проема) до 90о (жалюзи полностью открыты, что соответствует максимальной площади светового проема). Промежуточные значения углов поворота в исследовании составляют: 30о, 45о и 60о. Измерение параметров микроклимата, температурно-влажностного индекса проводится прибором Метеоскоп-М, освещенность измеряется люксметром Testo 540, все измерения проводятся в коровнике молочной фермы зоостанции РГАУ-МСХА им. Тимирязева К.А.
Определение THC-индекса обеспечивается шаровым термометром, входящим в состав измерительного прибора «МЕТЕОСКОП-М», согласно методике, изложенной ниже. Индекс тепловой нагрузки среды определяется как взвешенная сумма двух температур: температуры tw смоченного термометра аспирационного психрометра и температуры tg внутри шарового термометра.
Использование предложенной суммы температур не позволяет определить результат с достаточной точностью из-за высокой неточности в определении tw, которая определяется смоченным термометром по температуре точки росы. Таким образом, удобнее данную величину определять по температуре ta и относительной влажности воздуха ф, которые измеряются с высокой точностью. Воспользуемся следующими соотношениями [5] и получим:
tw = ta + t0- ln(^) (1)
где to = 16,8°C - приведенное значение зависимости давления насыщенных паров воды от температуры. Относительную влажность воздуха ф в данном случае следует рассматривать в десятичных долях единицы. Подставив необходимые значения, получим выражение для ТНС-индекса:
ТНС = 0,7 • ta + 0,3 • tg + t1 • ln(^), (2) здесь ti = 11,8°C.
Измерение индекса тепловой нагрузки производится путем десяти измерений при следующих положениях ламелей - 0о, 30о, 45о, 60о и 90о.
Исследование изменения результирующей температуры и средней температуры поверхностей внутри помещения. Целью исследования является определение влияния площади светового проема на световой поток, поступающий в коровник и изменение результирующей температуры и средней температуры поверхностей внутри помещения. Исследование проводится с использованием жалюзи, которые изменяют площадь светового проема (окна). Угол поворота жалюзи составляет 0о (жалюзи полностью закрыты) - соответствует минимальной площади светового проема, 30о, 45о, 60о, 90о -(жалюзи максимально открыты) - соответствует максимальной площади светового проема.
Измерение параметров микроклимата (результирующей температуры и средней температуры поверхностей в коровнике) проводится прибором Метеоскоп-М, освещенность измеряется люксметром Testo 540 (рис. 2), все измерения проводятся в коровнике молочной фермы Зоостанции РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.
коровнике по методике, изложенном ниже. Результирующая температура характеризует параметры микроклимата в помещениях жилых и общественных зданий. Температура гш является взвешенной суммой радиационной температуры ¿г и температуры воздуха 4 в коровнике:
tSu = ш
ta + (1 - ш) • t
(3)
Коэффициент ю, который определяет вес температур 1а и ¿г, входящих в сумму (3), зависит от скорости воздушного потока в помещении Уа. Так, при скорости воздушного потока Уа < 0,2 м/с коэффициент ю = 0,5, а при 0,2 < Уа < 0,6 м/с коэффициент будет равен 0,6 (ю = 0,6).
Радиационная температура определяется как средняя температура внутренних поверхностей помещения (пол, потолок, стены, ограждения и отопительные приборы):
tr < ^пов > '
(4)
Рис. 2. Измерение параметров микроклимата
Шаровым термометром «МЕТЕОСКОП-М» регистрируются значения результирующей и средней температуры поверхностей в
где Лг - площадь каждой поверхности с температурой ¿¿.
Результирующая температура определяется с помощью шарового термометра. Температура шарового термометра ^ переводится в радиационную температуру по формуле: ^г г — г , т^дп^ь-гд) . .
< ^ПОВ >- , (5)
где У - скорость потока воздуха в помещении, м/с; т - постоянная, определяемая по формуле:
т- 2,2 • (0,15)0'4, (6)
где ё - диаметр сферы шарового термометра, м.
Результаты исследований. Результаты исследований зависимости освещенности и индекса тепловой нагрузки от площади светового проема представлены на рисунке 3.
На левой оси изображена шкала освещенности в люксах, на правой оси - данные по индексу тепловой нагрузки, про значении угла 0о (жалюзи полностью закрыты) мы имеем минимальные значения тепловой нагрузки и освещенности, закрытые жалюзи позволяют снизить тепловую нагрузку при поступлении достаточного светового потока. Данные исследования проводились при 30% светопропускания материала ламелей.
250
26,5
26
25,
25
24,
24
23,
23
22,5
5
*
Si 5 &■
(Ü I
>5
0 Ш
5 о e; с
01
2C 5 a) Ч I
0 50
---Освещенность
100
ТНС
м2
Рис. 3. Изменение освещенности и индекса тепловой нагрузки в помещении в зависимости от площади светового проема
Результаты исследования зависимости освещенности, результирующей температуры и средней температуры поверхностей от площади светового проема. Результаты исследования зависимости освещенности, результирующеИ температуры ^ (рис. 4) и среднеИ температуры поверхностеИ 1пов (рис. 5) в помещении показали, что при полностью закрытых жалюзи происходит снижение результирующеИ температуры и среднеИ температуры поверхностеИ Тп. При этом освещенность уменьшается в пределах нормативных показателеИ.
300
250
зс
200
0
1 150
Sä 100
50
37
0 20 40 ---Освещенность
60
80 м2 — Тр
Рис. 4. Изменение освещенности и средней температуры в помещении в зависимости от площади светового проема
300
250
зс
J 2 00
I-
<j
0
^ 150
01
<и
10 100 и
О
50
54,5 54 53,5 53 52 52 51,5 ""
и зс
51
I
50,5s м250
л I
s 50 ш
0 е; с
01
0 50 ---Освещенность
■Тп
Рис. 5. Изменение освещенности и результирующей температуры в помещении
в зависимости от площади светового проема
Из графиков видно, что при изменении угла поворота жалюзи мы имеем возможность регулировать показатели результиру-ющеИ и среднеИ температуры при сохранении светового потока через полупрозрачные жалюзи.
Область применения результатов. Полученные результаты планируется применить для дальнеИших исследованиИ с целью определения наиболее эффективных материалов ламелеИ, т.е. подобрать материалы с та-коИ светопропускающеИ способностью, которая позволит обеспечить максимальное снижение тепловоИ нагрузки в летниИ период времени года, в особенности - в южных климатических зонах, сохранив при этом нормативные показатели по освещенности в помещении. Планируется разработать раци-ональныИ алгоритм поворота ламелеИ (изменение площади светового проема), которыИ обеспечит снижение тепловоИ нагрузки и необходимыИ уровень освещенности при различных положениях солнца.
Выводы. Проведенные опыты позволяют говорить о перспективном направлении исследованиИ по совершенствованию автоматизированных систем управления микроклиматом, в частности, с использованием уст-роИств принудительноИ вентиляции [5] с целью снижения тепловоИ нагрузки от прямых солнечных лучеИ и поддержания теплового
0
0
баланса в помещении, позволяющих эффективно использовать естественное освещение в сельскохозяИственных помещениях. Использование жалюзи с электрическим приводом позволит усовершенствовать автоматизированные системы управления микроклимата за счет регулирования поступления тепловоИ энергии и светового потока.
Литература:
1. УстроИство местноИ принудительноИ вентиляции коровника для теплого времени года / Ю.Г. Иванов и др. // Вестник МГАУ им. В.П. Горячкина. 2016. № 3. С. 23-28.
2. Влияние параметров принудительноИ вентиляции на физиологические показатели коров при высоких значениях температуры и относительноИ влажности воздуха в помещении / Ю.Г. Иванов и др. // Вестник ВНИИМЖ. 2015. № 4(20). С. 192-194.
3. Обоснование параметров принудительноИ вентиляции на молочноИ ферме для летнего периода времени / Ю.Г. Иванов и др. // Вестник ВНИИМЖ. 2013. № 3. С. 173-175.
4. Энергосберегающая система принудительноИ вентиляции коровника для летнего периода времени /
Ю.Г. Иванов и др. // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. 2014. Т. 3. С. 104-105.
5. Тимофеева Е.И. Экологический мониторинг параметров микроклимата. М., 2007. 193 с.
6. Пат. 151656 RU. Устройство для вентиляции коровника / Ю.Г. Иванов и др. Заяв. 08.09.14; Опубл. 10.04.15
Literatura:
1. Ustrojstvo mestnoj prinuditel'noj ventilyacii korovnika dlya teplogo vremeni goda / YU.G. Ivanov i dr. // Vestnik MGAU im. V.P. Goryachkina. 2016. № 3. S. 23-28.
2. Vliyanie parametrov prinuditel'noj ventilyacii na fizio-logicheskie pokazateli korov pri vysokih znacheniyah temperatury i otnositel'noj vlazhnosti vozduha v pome-shchenii / YU.G. Ivanov i dr. // Vestnik VNIIMZH. 2015. № 4(20). S. 192-194.
3. Obosnovanie parametrov prinuditel'noj ventilyacii na molochnoj ferme dlya letnego perioda vremeni / YU.G. Ivanov i dr. // Vestnik VNIIMZH. 2013. № 3. S. 173-175.
4. Energosberegayushchaya sistema prinuditel'noj ventilyacii korovnika dlya letnego perioda vremeni / YU.G. Ivanov i dr. // Energoobespechenie i energosberezhenie v sel'skom hozyajstve. 2014. T. 3. S. 104-105.
5. Timofeeva E.I. Ekologicheskij monitoring parametrov mikroklimata. M., 2007. 193 s.
6. Pat. 151656 RU. Ustrojstvo dlya ventilyacii korovnika / YU.G. Ivanov i dr. Zayav. 08.09.14; Opubl. 10.04.15
STUDING OF THE LIGHT APERTURE'S AREA INFLUENCING ON COWSHED MICROCLIMATE PARAMETERS D.A. Ponizovkin, candidate of technical sciences Y.G. Ivanov, doctor of technical sciences V.G. Borul'ko, candidate of technical sciences FGBOU VO RGAU-MSHA named after K.A. Timiryazev
Abstract. The results the influence on the heat loading in the room studying, characterized by the heat loading index, average temperature of the enclosing surfaces and the resulting temperature inside the room are presented. The technical means for light aperture's area regulation's application allows the heat loading from solar energy at the cowshed illumination standard indicators maintaining to reduce. The research method consists in the light-transmitting lamellas at the window opening - blinds using. Light-transmitting lamellas were studied at different angles of rotation relative to the plane of the window opening from 0o (the window aperture is completely closed by blinds) to 90o (the window aperture is maximally open). The results of this studying had showed that at light-transmitting lamellas using, the heat loading index of enclosing surfaces, resulting indoor temperature's average temperature are decreased at the same inside room illumination by natural light source at the norm indicators' maintaining. The obtained results further research for the most effective materials for lamellas to determine, including: such light-transmitting capacity materials to choose that providing the maximum reduction of heat loading in summer season and especially in southern climate zones for light in the room normative levels maintaining they will be used. Keywords: heat loading, illumination, microclimate, cowshed.
