МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАЦИОНАРНОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ «ЖИВОТНОВОДЧЕСКО-ГЕЛИОТЕПЛИЧНОГО КОМПЛЕКСА» Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

kuiNliVERSUM:

№ 10 (103)_ЛД ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_октябрь. 2022 г.

DOI -10.32743/UniTech.2022.103.10.14454

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАЦИОНАРНОГО

ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ «ЖИВОТНОВОДЧЕСКО-ГЕЛИОТЕПЛИЧНОГО КОМПЛЕКСА»

Эргашев Шахриёр Хамудиллаевич

ст. преподаватель кафедры «Теплоэнергетика», Каршинского инженерно-экономического института, Республика Узбекистан, г. Карши E-mail: strong. shakhrier@mail.ru

Файзиев Тулкун Амирович

канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой «Теплоэнергетики», Каршинского инженерно-экономического института, Республика Узбекистан, г. Карши

MATHEMATICAL MODELING OF THE STATIONARY TEMPERATURE REGIME OF HEATING SYSTEMS OF THE "LIVESTOCK-HELIOGREENHOUSE COMPLEX"

Shakhriyor Ergashev

Senior Lecturer, Department of Heat and Power Engineering, Karshi Engineering and Economics Institute, Republic of Uzbekistan, Karshi

Tulkun Faiziev

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Thermal Power Engineering, Karshi Engineering and Economic Institute, Republic of Uzbekistan, Karshi

АННОТАЦИЯ

В статье разработана математическая модель стационарного режима системы отопления гелиотеплицы на основе энергии биогаза полученной из отходов животноводства и энергии солнца, позволяющая рассчитать утилизацию тепла животноводческих помещений. Установлено что, тепло утилизируемое из животноводческого помещения, может покрыть 34 % тепловой нагрузки гелиотеплицы с рабочей площадью 180 м2.

ABSTRACT

The article developed a mathematical model of the stationary mode of the heliogreenhouse heating system based on biogas energy obtained from animal waste and solar energy, which makes it possible to calculate the heat utilization of livestock buildings. It has been established that the heat recovered from the livestock building can cover 34% of the heat load of a heliogreenhouse with a working area of 180 m2.

Ключевые слова: гелиотеплица, теплопотери, ограждающие конструкции, расходуемый воздух, обогрев, внутренняя климат теплицы, количество теплоты, испарения влаги, математическая модель.

Keywords: heliogreenhouse, heat loss, enclosing structures, consumed air, heating, internal climate of the greenhouse, amount of heat, moisture evaporation, mathematical model.

В настоящее время в нашей стране особое внимание уделяется внедрению энергосберегающего, высокоэффективного оборудования и технологий, в частности, использованию возобновляемых источников энергии для создания необходимого климатического режима в животноводческих помещениях. Для этого разработан экспериментальный вариант

устройства, состоящего из плоскостенного водосборника и животноводческого-гелиотепличного комплекса с подземным тепловым аккумулятором, предназначенного для создания необходимого климатического режима с использованием солнечной и биоэнергии. Расчетная схема предлагаемого энергосберегающего комплекса представлена на рис. 1.

Библиографическое описание: Эргашев Ш.Х., Файзиев Т.А. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАЦИОНАРНОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ "ЖИВОТНОВОДЧЕСКО -ГЕЛИОТЕПЛИЧНОГО КОМПЛЕКСА" // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2022. 10(103). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/14454

№ 10 (103)

UNIVERSUM:

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

октябрь, 2022 г.

Внутренний климат теплицы должен иметь оптимальные условия для выращивания растительной продукции и быть неизменным. Температура, влажность и многие параметры в теплице должны контролироваться. С этой целью рядом исследователей были предложены дополнительные системы для солнечных теплиц [1 - 8].

Животноводческий корпус рассчитан на 40 голов скота, наряду с частичным подогревом воздуха в гелиотеплице за счет утилизации естественного

теплового потока от находящегося там скота, количество вредных газов в воздухе животноводческого помещения нормировано. В солнечные дни солнечная энергия, поступающая в гелиотеплицу, аккумулируется в земляном покрове, в резервуаре для воды, расположенном между животноводческим помещением и гелиотеплицей. В пасмурные дни в гелиотеп-лице создается микроклимат за счет передачи нагретой воды от котла работающего на полученного на биогазовой установке.

Рисунок 1. Расчетная схема для расчета теплового баланса "Животноводческого-гелиотепличного комплекса "

Математическая модель комбинированного гелиотепличного-животноводческого комплекса с учетом конструктивных, технических, технологических

и метеорологических параметров теплового режима может быть записана следующим образом:

pv^

рУ- с

dt

(r)

dr

dtmen. (r)

dr

= Q

(вогр + Qeen + Qnan + Qu„rb ) - Q

= Qeen + Q рад + Qfe - Q

у теп ..огр

пар

✓инф

^вен .нар

(1)

В зависимости от их живой массы от скота выделяется тепло, влага и углекислый газ. Тепловой поток, свободно отделяемый от скота, можно записать в виде [91:

Q,

= nq

живот. ktQ

(2)

R

V нар.ст

Qorp О-нар.ст + Qnom + О-пол

\

F F 4- F F F

нар.ст Гок + F de . F пот . F пол

п

окно

R

(3)

R

(t (r) -1 )

V живот. V / нар /

Ыол )

где, п -число голов скота, О

свободный тепло-

вой поток выделяемый от одного животного, Вт;

- поправочный коэффициент учитывающий свободное выделение тепла от животных в зависимости от температуры внутри помещения (таб.1).

Потери тепла через ограждения животноводческого помещения, включающие себя потери через наружную стену, потолок и пол, выражается следующим образом [101:

где Кар.ст > Рок > *дв > Кот ' Кол - площади наружной стены, окна, двери, потолка и пола животноводческого помещения соответственно, м2; Пнар ст ,

Покно' ппот > ппол - термическое сопротивление

наружной стены, окна, двери, потолка и пола животноводческого помещения соответственно,

(м2 •0 С) / Вт; tжuвот (т) - внутренняя температура

воздуха животноводческого помещения, С;

^нар - наружная температура воздуха, 0 С.

№ 10 (103)

A UNI

/m te;

UNIVERSUM:

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

октябрь, 2022 г.

Воздухообмен между животноводческим помещением и гелиотеплицей обеспечивается потребностью гелиотеплицы в углекислом газе [11]. Теплообмен между ними через вентиляцию выражается следующим образом:

Q = Lp с (t (т) -1 (г))

¿~<вен гввУживошЛ/ теп \ //

(4)

где L - объёмный расход воздуха, м / с ; рв - плотность воздуха, кг / м ; св - удельная

теплоёмкость воздуха, Ж / (кг С) ; t (т) -

внутренняя температура гелиотеплицы, 0 С.

Влага, испаряющаяся с влажной поверхности животноводческого помещения (полы, полив, кормление и т. д.), равна 25 % от всей влаги, выделяемой животновоными, т. е.

wnap = 0,25W

0925nWlk

tW

Потери тепла с влажной поверхности животноводческого помещения на испарение влаги определяются по следующей формуле [9]

йпар = 0,278• 2,49• Щ™. = 0,173-пЩ,к,„ (5)

где П - число животных; Щ - количество водяного

выделяемого от одного животного, г / соат;

кт - поправочный коэффициент учитывающий

выделение влажности животными в зависимости от температуры воздуха внутри помещения (таб. 1).

Таблица 1.

Поправочный коэффициент учитывающий выделение влажности животными в зависимости от температуры воздуха внутри помещения

Внутренняя температура животноводческого помещения, t^lonm , 0С «живот. Поправочные коэффициенты

По свободному выделенюю тепла, ktQ По выделенюю влажности, ktW

-10 1,59 0,61

-5 1,43 0,67

0 1,21 0,76

5 1,12 0,86

10 1,00 1,00

15 0,85 1,24

20 0,63 1,70

25 0,30 2,40

Поправочный коэффициент, учитывающий выделение свободного тепла и влаги от животных, зависит от внутренней температуры помещения, и при повышении температуры свободный поток

тепла от животных уменьшается, а влажность увеличивается. Это, в свою очередь, оценивается по изменению вводимых поправочных коэффициентов в зависимости от температуры (рис. 2) [12].

а)

б)

Рисунок 2. График зависимости поправочных коэффициентов от выделения свободного тепла

и влажности (а), от тепловой мощности (б)

№ 10 (103)

UNIVERSUM:

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

октябрь, 2022 г.

Примем, что тепловой поток, теряемый через инфильтрацию, равен 30 % теплоты, теряемой через ограждения, и выражается следующим образом:

Отф = 0,3 • QL = 0,3

нар.ст

R

"нар.ст

F + F

+ 1 ок + 1 дв +

R......

R

■ +

R

(t (т) -1 )

V живот нар /

(6)

Благодаря постоянному воздухообмену между животноводческим помещением и гелиотеплицей, часть тепловой потребности гелиотеплицы покры -вается вентиляцией. Кроме того, в солнечные дни гелиотеплица обогревается солнечной энергией, попадающая в гелиотеплицу солнечная радиация, рассчитывается по следующему выражению [13]:

Qрад = Упад апогКпрF

пр теп

(7)

где F

рабочая площадь гелиотеплицы;

(Хпог, Кпр - коэффициенты поглощения и коэффициент пропуска солнечных лучей гелиотеплицы

соответственно, атг = 0,8; кпр = 0,62; qiuid -

падение солнечного излучения на едицу площади,

q пад = 200 - 500Вт / м2.

Потери тепла через внешние ограждения гелиотеплицы можно выразить следующим образом [14]:

Qтеп пгп КинФКпгп^^теп (tтеп ^нар ) (8)

где кинф_ - коэффицент инфильтрации, Кинф

= 1,11

К - коэффициент ограждения, равный отношению

огр

чистой поверхности гелиотеплицы к инвентарной (рабочей) поверхности, когр = 1,25; К - коэффициент теплопередачи между гелиотеплицей и внешней средой, для двухслойной полиэтиленовой пленки

К = 5,8Вт /(м2 С) [14].

В ночное время без поступления солнечного света гелиотеплица обогревается горячей водой, нагретой биогазовым котлом, и это тепло можно рассчитать следующим образом [15]:

Q6? Geod Свод (t вод t вод )

(9)

где Овод - массовый расход теплоносителя (вода), кг / с; свод - удельная теплоёмкость теплоносителя

(вода), Ж / (кг С); tвод, t<вод - входная и

выходная температура воды поступающей в отопительную систему гелиотеплицы соответственно, 0 С.

Учитывая выражения (2)-(9), выражение (1) можно записать в следующем виде:

nV с живот ( ^ = nq k -13

HV живот.С j = пЧживот. ktQ 1,3

ат

R

1ок + 1д

R

Л

R

R

(t (Т) - t ) -

V оtmianm V / vrnn /

- LnвСв (tживот. (т) - tтеп (т)) - 0,173 • nW1 kW

dtma„ (т)

nVmen с

ат

= ^ПвСв (t живот. (т) t теп (т)) + Я пад &по?Кпп Fтеп + Gвод Свод (t вод t аод )

- КинфКогРК?теп (tтеп (т) - )

(10)

Систему уравнений (10) представим в виде линейных дифференциальных уравнений первого порядка, описывающих изменение во времени

( tживот. (тX гтеп (т) ) внутренней температуры животноводческого помещения и гелиотеплицы во времени.

пот

нар.ст

+

+

+

№ 10 (103)

UNIVERSUM:

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

октябрь, 2022 г.

1.3

(F F + F F F ^

НАр.СШ F оК + 1 дв , F пот , F ИОЛ

| Ок дв ^ пот ^

R RR

1 окно 1 пот R пол

+ LPeCt

dz

f

1,3

pV с

г живот.

F

нар.ст ^ г ок + Г дв | Г пот | ^пол

R

у нар.ст

R R

живот.

Л

t н

~пот ~ ~пол

' ^живот. (т) + у ^теп. (т)

ЩжиеоткЪ 0,173-nWxkf

pVживот.С dt теп. (z) Кинф Когр К^теп + Lpece

рУ с рУ с

г живот. г живот.

dz

PVтеп.С

т к к KF t

1. / \ , L , / \ , инф огр теп нар dtrnen.(z) + — t живот.. (Z) + ""-" +

V pV с

теп. г теп.

^погКпр ¥теп Упад ^ ^вод Свод (вод tвод )

. РУтепС РУтеп.С

Введем обозначения потерь через единицу площади ограждения животноводческого помещения

\

Г /7 , 77 17 17

_нар.с^ Г ок + Г дв | ¥ пот ^ Г пол

(11)

R

у нар.ст

R

R R

пот пол J

огр

R

огр

потери через единицу площади ограждения гелио-

1

- и запишем уравне-

теплицы Кинф Когр К =

R

теп .огр

ние (11) в следующем виде:

dt (z)

живот \ /

dz

1,3 ^ + Lp.c,

Когр_

pVГживот.С

dtmm (z) R

tживот. (z) +

L

^теп. (z) +

F

13 юг^ t

1,3 ^ * нар

Щживот.Ко 0,173 - nW1 ktw

dz

pVmm с

dtте„ (z) + —- t_ (z) +

рУ живот. С РУживот.С РУ живот.

R PV с

теп.огрг теп

^пог Кпр Fтеп Япад G водсвод (tвод tвод )

pVmm с

pVmm с

(12)

Для решения дифференциальных уравнений (12) построим блок-схему (рис. 3) в статическом состоянии программы МА^АВ^1ти1тк без учета изменения плотности и удельной теплоемкости воздуха от температуры. В статической модели мы берем температуру наружного воздуха t = 00 С, принимаем

среднесуточное значение солнечной радиации У тд = 150Вт / м 2 и показываем на рис. 4 изменение температуры воздуха в животноводческом помещении и в помещении гелиотеплицы в зависимости от времени.

Рисунок 3. Блок схема математической модели статического состояния системы теплоснабжения животноводческо - гелиотепличного комплекса в программе MATLAB/Simulink

+

+

L

+

г

■ J0F

октябрь, 2022 г.

Рисунок 4. Изменение температуры воздуха во времени в животноводческом помещении и в гелиотеплице

Как видно из рис. 4, что при температуре наружного воздуха t = О0 С и величине солнечного излучения qпад = 150 Вт / м2 даже при неработающей

системе отопления в гелиотеплице температура может повысится в животноводческом помещении

д° tживот = 18> 8 С а в гелиотеплице д° tmen = 15,6 С

Выводы

Для расчета математической модели теплового баланса "животноводческого гелиотепличного комплекса" в пакете MATLAB/Simulink разработана блок схема в статическом состоянии;

Как видно из результатов блок-схемы в статическом состоянии (рис. 3) (рис. 4), при температуре наружного воздуха 00С, средней солнечной радиации 150 Вт/м2 внутренняя температура животноводческого помещения составляет 18,80С, внутренняя температура гелиотеплицы за 50 минут повысится до 15,60С. Если оценить тепловую нагрузку гелиотеплицы по потерям тепла через внешние ограждения и энергии, используемой для обогрева воздуха в помещении (26,25 кВт), то определилось, что это может быть покрыто за счет солнечной энергии 66 % (17,28 кВт) и за счет утилизации животноводческого помещения 34 % (8,97 кВт).

Список литературы:

1. Ghosh A., Ganguly A., 2017. Performance analysis of a partially closed solar regenerated desiccant assisted cooling system for greenhouse lettuce cultivation. Sol. Energy 158, 644-653.

2. Ozgener L., Ozgener O., 2010. Energetic performance test of an underground air tunnel system for greenhouse heating. Energy 35 (10), 4079-4085.

3. Ghosal M.K., Tiwari G.N., 2006. Modeling and parametric studies for thermal performance of an earth to air heat exchanger integrated with a greenhouse. Energy Convers. Manage. 47 (13-14), 1779-1798.

4. Sharan G., Prakash H., Jadhav R., 2004. Performance of Greenhouse Coupled to EarthTube-Heat-Exchanger in Closed-Loop Mode.

5. Xu J., Li Y., Wang R.Z., Liu W., 2014. Performance investigation of a solar heating system with underground seasonal energy storage for greenhouse application. Energy 67, 63-73.

6. Zarei T., Behyad R., Abedini E., 2018. Study on parameters effective on the performance of a humidification-dehu-midification seawater greenhouse using support vector regression. Desalination 435, 235-245.

7. Zhai Z.J., Chen Q.Y., 2005. Performance of coupled building energy and CFD simulations. Energy Build. 37 (4), 333-344.

8. Zhang G., Fu Z., Yang M., Liu X., Dong Y., Li X., 2019. Nonlinear simulation for coupling modeling of air humidity and vent opening in Chinese solar greenhouse based on CFD. Comput. Electron. Agric. 162, 337-347.

9. Hayriddinov B.E., N.S. Holmirzayev, and Sh H. Ergashev. "Combination of the solar greenhouse-livestock farms with the subsoil accumulator of heat.«." Symbol of science». International scientific magazine. OMEGA SCIENCE INTERNATIONAL CENTER OF I,(OVATION) 16 (2017).

10. Хайриддинов Б.Э., Холмирзаев Н.С., Халимов Г.Г., Рысбаев А.С. and Эргашев Ш.Х., 2018. Му^обил энергия манбаларидан фойдаланиш. Монография. T."ADAD PLYUS, 417.

№ 10 (103)

UNIVERSUM:

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

октябрь, 2022 г.

11. Хайриддинов Б.Э., Холмирзаев Н.С., Эргашев Ш.Х., Хайриддинов А.Б., Нурматова Д.Ж. Комбинирование гелиотеплицы-живодноводчеких ферм с подпочвенным аккумулятором теплица // Символ науки. 2017. № 1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n7kombinirovanie-gelioteplitsy-zhivodnovodchekih-ferm-s-podpochvennym-akkumulyatorom-teplitsa (дата обращения: 06.10.2022).

12. Ergashev Sh H., et al. "Results of mathematical modeling of nostatic temperature temperature heating of" livestock heat complex" through the use of solar and bio energy." International Conference on Remote Sensing of the Earth: Geoinformatics, Cartography, Ecology, and Agriculture (RSE 2022). Vol. 12296. SPIE, 2022.

13. Uzakov G.N. Technical and economic calculation of combined heating and cooling systems vegetable store-solar greenhouse// Applied Solar Energy. - Allerton Press, USA, 2012. -vol.48, №1. -PP. 60-61.

14. Sh.H. Ergashev et al 2022 IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 1070 012031.

15. A.A. Khusenov et al 2022 IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 1070 012032.