CC BY
109
ВестникКрасГАУ. 2015. №6
УДК 631.22:628.8
Е.И. Зайцева, П.П. Долгих
МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ МИКРОКЛИМАТА В ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ПОМЕЩЕНИЯХ
В статье приведено решение некоторой части проблемы энергосбережения в условиях дефицита энергоресурсов путем использования автоматизированной информационной системы управления микроклиматом. Разработана информационная система регулирования микроклимата, обеспечивающая минимум затрат на управление им.
Ключевые слова: тепловой баланс, микроклимат, имитационная модель, энергосберегающий эффект.
THE METHODS OF THE MICROCLIMATE OPTIMIZATION INLIVESTOCK BUILDINGS
The solutionfor somepart of theenergy saving problem in the conditions ofthe energy resourceshort-age through the use ofthe automated microclimate control information systemis presented in the article. The microclimate control information systemproviding the minimumexpenses onthe microclimate control is developed.
Key words: thermal balance, microclimate, simulation model, energy-saving effect.
Введение. Дальнейшее развитие сельскохозяйственной техники будет характеризоваться еще более интенсивным использованием средств и методов автоматизации, информатизации и робототехнических комплексов, в связи с тем, что мировой уровень механизации основных процессов в полеводстве и животноводстве приближается к 100 %.
Целью моделирования является построение модели режимов работы климатических установок в животноводческих помещениях для снижения энергозатрат.
Анализ показал, что в настоящее время разработаны различные энергосберегающие методы и оборудование, средства для их реализации при обеспечении оптимального микроклимата на фермах крупного рогатого скота. Часть этого оборудования требует совершенствования и проверки эффективности использования в практических условиях [1].
Однако внедрение энергосберегающих методов и оборудования сдерживается отсутствием программного продукта, который бы обеспечивал управление микроклиматом при помощи вычислительной и микропроцессорной техники.
Целью проведения расчета тепловлажностного баланса животноводческого помещения с системой обеспечения микроклимата на базе утилизации теплоты выбросного воздуха является определение дополнительного количества теплоты на обеспечение требуемых параметров микроклимата при определенных объемно-планировочных и конструктивных решениях с учетом тепловозврата от теплоутилизационных установок [2].
Потребность в дополнительном количестве потока теплоты определяется по формуле
Теплопотери помещением через ограждения определенного варианта объемнопланировочного и конструктивного решения рассчитываются по формуле
E.I. Zaitseva, P.P. Dolgikh
Q доп - Qогр + Qe + С?и + Qffi.
(1)
' (te _ t н).
(2)
При этом теплопотери с инфильтрацией не учитываются.
61
Технические науки
Теплопотери на испарение влаги с открытой водной и смоченной поверхностей с учетом технологии содержания животных и планировочных решений животноводческого помещения определяются по формуле
Qи - 0- 6 8 ■ НИ - 0, 6 8( шсмРсм + шоткрРоткр)’
(3)
где 0,68 - скрытая теплота испарения, Вт-ч/г.
Количество влаги, испаряющейся с открытых водных и смоченных поверхностей, определяется в зависимости от технологии навозоудаления [2]:
- при беспривязном содержании и периодической уборке навоза
Wm - (Рнж + Fn) ■ Юоткр - (Рнж + Fn) ю(2- 12 7+0,02 69В ■ ( 1 - рв), (4)
- при содержании животных на решетчатых полах
НП - шК ■ РК + шn‘ Fn -
- Рк ■ ( 2 з ,7 5 + 1,486tB + 0,02 5ф ■ ( 1 - рв) + Fn ■ 10 (2- 12 7+0-0269^ ■ ( 1 - рв) ; (5)
- при привязном содержании и механической уборке навоза
НП - шСМ ■ Рсм + шП ■ Fn - РСМ ■ ( 3 0 + 2 - 2 tB) ■ ( 1 - Р в) + РМ ■ 1 °(2, 1 2 7+0 02 69ts) ■
■ ( 1 - Рв)- (6)
Теплопотери помещения с вентиляционным воздухом определяются с учетом тепловозврата утилизаторами по формуле
Qb - Qnp-QyT - [0,2 78 ■ С>пр ■ (te-ф-qyr ■ 2ут]- (7)
Требуемое количество приточного воздуха определяется из условия удаления избытков влаги
G пр - ( нж + НИ) ■( dв — dн). (8)
Количество водяных паров, выделяемых животными при дыхании, определяется в соответствии с видом и возрастом животных и с учетом расчетной температуры в помещении по формуле
НЖ - тЖ ■ шЖ ■ РЖВ: (9)
где Шж - для телят и молодняка при интенсивном откорме определяется по формуле
Ыж - 0, 7 8 РЖ + 7, 5 6te-0,00 5P\te- 36. (10)
Для остального поголовья крупного рогатого скота шж определяется по [2].
Кжв - определяется по [2] для крупного рогатого скота и свиней соответственно.
Количество свободного потока теплоты, выделяемое животными, определяется в зависимости от вида, возраста и расчетной температуры внутреннего воздуха
(Ж - тж ■ чЖ ■ ржт > (11)
где чЖВ - для телят и молодняка при интенсивном откорме определяется по формуле
чЖВ - 1 , 2 6 Рж - 2 , 9 tB - 0 , 0 2 РжtB + 1 2 1 . (12)
62
ВестникКрасГАУ. 2015. №6
Для остального поголовья крупного рогатого скота определяется по [2].
Кжв - определяется по [2] для крупного рогатого скота и свиней соответственно.
Тепловозврат от теплоутилизационных установок определяется в зависимости от типа теплоутилизатора и его теплотехнических характеристик при различных температурно-влажностных условиях первичного и вторичного теплоносителей и определяется по формуле
Qyr = Чут^ут = f (Н Лв.Ч> в)> (13)
где Чут = ^ут ■ A tyr = Ayr ■(tB - t нут). (14)
Минимально требуемое количество теплоутилизаторов для конкретного помещения определяется в зависимости от вида теплоутилизаторов и требуемого воздухообмена при максимальной расчетной температуре наружного воздуха для отопительного периода (в соответствии с расчетом тепловоздушного баланса) по выражениям:
- при GyT > 4,0 тыс.м3/ч
Zyr = — + 7 - целое число;
Gyr
(15)
при Gyr ^ 4,0 тыс.м3/ч
Zyr = — + 1 - целое число.
yr
(16)
С учетом выбранного количества утилизаторов корректируется расчетный максимальный воздухообмен
GBP = Gyr-Zyrax ■ (17)
При понижении температуры наружного воздуха ниже расчетной может быть уменьшено количество работающих утилизаторов либо снижена воздухоподача регулируемых приточных вентиляторов теплоутилизационных установок.
При уменьшении воздухоподачи приточных вентиляторов теплоутилизационных установок в животноводческих помещениях должен обеспечиваться воздушный баланс по притоку и вытяжке за счет применения рециркуляции выбросного воздуха, прошедшего тепловую обработку в утилизаторе.
Потребность в дополнительном тепле может быть реализована с помощью воздухоподогревателей (водяных или электрокалориферов), встроенных в конструкцию теплоутилизаторов, либо с помощью предусматриваемых тепловентиляционных установок, работающих на рециркуляционном воздухе, либо с помощью приборов местного отопления (регистров, электроконвекторов и других нагревательных приборов).
Окончательный выбор тепловентиляционного оборудования для системы обеспечения микроклимата (СОМ) с утилизацией теплоты выбросного воздуха должен производиться на основе результатов вариантных расчетов тепловлажностных балансов с учетом различной степени утепления зданий и его отдельных элементов, эффективности теплоутилизаторов различного типа, мощности и эффективности средств дополнительного подогрева.
Расчет теплового баланса показывает, что в итоге необходимо выбрать тип и количество оборудования для животноводческого комплекса с учетом всех потерь. Облегчить вопросы реализации энергоэффективных режимов может информационная система по расчету и выбору системы обеспечения микроклимата для животноводческого помещения, напрямую работающая с частотнорегулируемым электроприводом.
В процессе проектирования было выделено несколько функционально-однородных модулей, которые позволяют, в свою очередь, выделить множество отдельных операций, которые целесообразно объединить по функционально-однородному признаку в несколько подсистем.
Разработанная информационная система включает следующие модули (подсистемы):
а) справочник «Теплоутилизаторы»;
63
Технические науки
б) диаграммы;
в) расчет теплопотерь через ограждение, на испарение влаги, с вентиляцией; количества теплоты, выделяемой животными;
г) ввод-вывод данных;
д) расчет энергопотребления;
е) формирование отчета;
ж) справка.
Каждая подсистема отвечает за выполнение конкретных задач. Приводится описание подсистем и задач, которые они выполняют.
Разработанная информационная система решает ряд вышеописанных задач, которые объединены в подсистемы: справочники, диаграммы, расчеты [3].
Обычно применяемый метод расчета теплового баланса исходит из основных заданий (расчет теплопотерь, тепловозврат от теплоутилизационных установок, вид теплоутилизатора, требуемый воздухообмен в помещении) и использует ряд величин и формул из практики проектирования систем обеспечения микроклимата животноводческих помещений.
Допустим, в автоматизированную информационную систему поступили сведения об изменении температуры внутреннего воздуха в животноводческом помещении. Открываем рабочую форму, переходим по вкладке «Температура» и вносим данные о поступившем изменении. На рисунке 1 представлена рабочая форма «Расчет».
Рис. 1. Рабочая форма «Расчет»
После проведения расчета необходимо обратиться к кнопке «Сохранить в базу данных». Рабочая форма предполагает проведение расчета теплового баланса помещения при использовании различных материалов для внутренней поверхности стен и покрытий при различной геометрии здания (рис. 2).
64
ВестникКрасГАУ. 2015. №6
Рис. 2. Выбор используемого материала
Аналогичным образом осуществляется построение диаграмм и графиков. Следует также отметить, что в подсистеме «Диаграммы» решается такая задача, как построение графиков зависимости испарения влаги с открытых поверхностей и графиков зависимости удельных влаговыделений от температуры воздуха. На рисунке 3 приведена рабочая форма «Диаграмма».
Рис. 3. Рабочая форма «Диаграмма»
Кратко опишем процедуру построения диаграммы по исходным температурным параметрам. Процедура обращается к рабочей форме «Расчет» и отыскивает параметры для конкретного зда-
65
Технические науки
ния и «запоминает» их. Далее возвращается в таблицу «Расчеты» и затем в поле «Построить диа-грамму/график» строит диаграмму для конкретного расчета.
Рис. 4. Построение диаграммы количества теплоутилизаторов и изменения внутренних температур в помещении
Итак, были рассмотрены примеры основных расчётных программ созданной информационной системы.
На основании физических взаимозависимостей составлена адекватная математическая модель регулирования микроклимата в животноводческих помещениях.
На основании этой модели разработано программное приложение [3] для имитации регулирования систем микроклимата и выработки управляющих воздействий, поддерживающих температуру и влажность воздуха в животноводческом помещении на оптимальном уровне.
Литература
1. Мишуров Н.П., Кузьмина Т.Н. Энергосберегающее оборудование для обеспечения микроклимата в животноводческих комплексах // Научный аналитический обзор. - М., 2004. - 94 с.
2. Виноградов П.Н., Шевченко С.С., Расстригин В.Н. Рекомендации по расчету и проектированию систем обеспечения микроклимата животноводческих помещений с утилизацией теплоты выбросного воздуха. - М., 2004. - 32 с.
3. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014614825. - Моделирование энергоэффективных режимов работы климатического оборудования в животноводческих помещениях / Зайцева Е.И., Гузев С.А., Долгих П.П. Дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 08 мая 2014 г.
66
