CC BY
24
УДК 631.22
ПОИСК ИНЖЕНЕРНЫХ РЕШЕНИЙ ПО ПОДДЕРЖАНИЮ ОПТИМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ В КОРОВНИКАХ С ПРОЗРАЧНОЙ КРЫШЕЙ
В.Ф. Ужик, доктор технических наук О.А. Чехунов, кандидат технических наук Ю.В. Саенко, доктор технических наук А.Н. Макаренко, кандидат технических наук
ФГБОУ ВО Белгородский государственный аграрный университет им. В.Я. Горина E-mail: olegbelgorod@mail.ru
Аннотация. В ряде хозяйств Белгородской области, занимающихся молочным скотоводством, используются коровники с прозрачной крышей, изготовленной из полимерной пленки. Необходимость создания указанных кровельных покрытий в коровниках диктовали экономические условия функционирования хозяйств (при возведении таких помещений значительно сокращаются капитальные затраты). В коровниках с прозрачной крышей в летний период времени, при высоких температурах окружающей среды остро встает проблема по снижению температуры внутри стойлового помещения, достигающей 28...35°С. Проведен поиск инженерных решений, направленных на поддержание температуры воздуха внутри коровника в пределах зоотехнических норм. Это позволит получать устойчивую молочную продуктивность дойного стада в течение года. Для рассматриваемых условий наиболее оптимальным решением будет установка минимальной крышной системы вентиляции. При этом в кровле коровника необходимо смонтировать вытяжные шахты с осевыми вентиляторами (например, вытяжные камины серии CL фирмы Big Dutchman). При этом число вентиляционных шахт диаметром 800 мм должно быть не менее 11, а мощность двигателя для привода вентилятора - не менее 1,6 кВт.
Ключевые слова: температура, коровник, микроклимат, прозрачная крыша, вентиляция.
Трудное экономическое положение в РФ в 90-х годах ХХ века побудило производителей молока находить решения по снижению капитальных затрат на строительство новых или реконструкцию имеющихся коровников. В одном из лидирующих хозяйств Белгородской области - СПК «Колхоз им. Горина» (в то время колхоз им. Фрунзе), решение указанной проблемы было найдено в создании коровников, крыша которых представляет собой металлоконструкцию полуовальной формы, покрытую полиэтиленовой прозрачной пленкой (рис. 1). Коровники на 150 голов указанного хозяйства представляют собой прямоугольные постройки длиной 105 м, шириной 15 м, высотой боковых стен 4 м (1,5 м - кирпичная кладка, остальное - открытые зашторенные проемы). Высота до конька крыши - 7 м. В торцевых кирпичных стенах расположены трое ворот (центральные - для прохода кормораздатчика, и боковые - для чистки навоза).
Рис. 1. Крыша коровника
В хозяйстве остро встает проблема по снижению температуры внутри стойлового помещения в летний период, достигающей 28...35°С и отрицательно влияющей на молочную продуктивность.
Цель работы - дать предложения по снижению температуры в коровниках открытого типа с прозрачной крышей.
Использование прозрачных крыш в коровниках позволяет пропускать солнечную радиацию в помещение, что обеспечивает облучение животных ультрафиолетовым излучением. Это способствует выработке витамина D и усвоению организмом животного фосфорно-кальциевых соединений, что положительно сказывается на общем состоянии и здоровье животных, а также и на их продуктивности.
Но вместе с тем использование прозрачной крыши приводит и к отрицательным моментам:
- при продолжительности светового дня более 10 часов может происходить снижение суточных надоев молока (продолжительность светового дня с июня по август на территории Белгородской области в среднем составляет от 17,4 до 14,3 часов);
- в летний период года, при высокой наружной температуре (более 28°С) температура внутри коровника превышает оптимальную по зоотехническим требованиям (22...24°С).
Для решения указанных проблем специалистами хозяйства были приняты следующие мероприятия:
- побелка крыши, позволившая несколько снизить температуру внутри помещения и уменьшить продолжительность светового дня, однако данное покрытие неустойчиво на пленочной поверхности (особенно при конденсации влаги из-за перепада температур), что влечет за собой необходимость ежегодного, а иногда и чаще, повторного нанесения. Кроме того, известковое белое покрытие практически не пропускает ультрафиолетовое излучение области В, что уменьшает синтез в организме животного из провитамина D витамина D, а соответственно, и усвоение фосфорно-кальциевых соединений, положительно влияющих на здоровье и продуктивность животных;
- установка внутри помещения осевых вентиляторов, позволяющих улучшить циркуляцию воздуха в помещении. Вместе с тем установка вентиляторов по «тоннельному» типу (забор поступающего воздуха через боковые стены и его нагнетание в открытые
ворота в торцевых стенах) не позволяет обеспечить заданную кратность воздухообмена, а соответственно, снизить температуру до зоотехнических требований (22...24 °С);
- установка внутри коровников систем орошения, позволяющих несколько уменьшить температуру внутреннего воздуха. Однако использование данной системы приводит к повышению влажности воздуха внутри помещения, что отрицательно сказывается на состоянии микроклимата; при высоких температурах окружающего воздуха возникает потенциальная возможность получения животными «теплового удара», что может отрицательно сказаться на их здоровье и продуктивности; возникает эффект «тумана», что может привести к снижению поеда-емости животными кормов, а также ухудшить качество кормов, находящихся на кормовом столе.
Таким образом, принимаемые в хозяйстве инженерно-технические решения не позволяют поддерживать установленную зоотехнической службой предприятия температуру внутреннего воздуха в коровнике в летнее время (22...24°С). В связи с этим возникает задача по расчету системы микроклимата в коровниках и поиску инженерных решений по поддержанию оптимальной температуры в коровниках с прозрачной крышей.
С целью поддержания температуры воздуха на заданном уровне необходимо определить воздухообмен, исходя из условия теплового баланса в помещении:
Сизб
(1)
где (ч - часовой воздухообмен в помещении, м /ч; (изб - избыточное количество теплоты, выделяемой всеми источниками внутри помещения, кДж/ч; с - удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг-°С); ^ - наружная температура воздуха, °С (расчеты, приведенные далее, произведены, исходя из максимальных температур воздуха в июле в Белгородской области 35°С); ¿в - внутренняя температура воздуха в помещении, °С (согласно зоотехническим требованиям, предъявляемым специалистами хозяйства - 22°С); рв - плотность приточного воздуха, кг/м3.
Избыточное количество теплоты, выделяемой всеми источниками внутри помещения, применительно к заданным условиям будет складываться из теплоты, выделяемой животными, и теплоты, проникающей в помещение через прозрачную крышу:
С из б = Сж + Скр • (2)
где (ж - теплота, выделяемая животными, кДж/ч; (р - теплота, проникающая в помещение через прозрачную крышу, кДж/ч.
Теплота, выделяемая животными, может быть найдена по формуле:
(2ж = Чж-Ъ-и , (3)
где qж - среднее количество теплоты, выделяемое одним животным, кДж/ч; К - коэффициент, учитывающий тепловыделение в зависимости от температуры в помещении; Ы- число животных, гол.
Тепловой поток прямой и рассеянной солнечной радиации (далее «солнечной радиации») через прозрачную крышу (далее «световой проем») определяется по формуле: С кр = Спр ■ ап + Сд £ , (4)
где (пр - тепловой поток солнечной радиации, проходящей через световой проем, Вт; ап - показатель поглощения теплового потока солнечной радиации; (А - тепловой поток теплопередачей через световой проем, Вт.
Тепловой поток солнечной радиации, проходящей через световой проем, составляет:
С пр = (<7п ■ + <7р ■ К ) ■ К ■ ■ 4 0 с , (5) где qп - поверхностная плотность теплового потока через остекленный световой
проем в июле в данный час суток от прямой «-» 2 солнечной радиации, Вт/м2 (в расчетах принимаем для 15 ч, как наиболее теплого времени суток); К1 - коэффициент облученности прямой солнечной радиацией для учета площади светового проема, незатененной горизонтальной и вертикальной к плоскостями в строительном исполнении; К2 - коэффициенты облученности для учета поступления рассеянной солнечной радиации через световые проемы, незатененные горизонтальной и вертикальной наружными солнцезащитными плоскостями в строительном исполнении; К3 - коэффициент теплопропускания солнцеза-
щитных устройств (шторы, карнизы, жалюзи и др. изделия); К4 - коэффициент теплопро-пускания остеклением световых проемов; Аос - площадь светового проема, м2.
Поскольку в здании рассматриваемых коровников не предусмотрено солнцезащитных устройств и пренебрегая затеняемой площадью (принимаем, что солнце находится в зените), значения указанных выше коэффициентов составят К1=К2=К3=1. Если в здании коровника предусмотреть солнцезащитное устройство (например, жалюзи), то коэффициент теплопропускания солнцезащитных устройств уменьшится на 70...85%.
Коэффициент теплопропускания остеклением световых проемов зависит от количества остеклений (в нашем случае количества слоев пленочного покрытия).
Результаты расчетов показывают, что поток солнечной радиации, проходящей через световой проем без применения солнцезащитных устройств, составляет: для однослойного покрытия - 785918,7 Вт, для двухслойного покрытия - 532678,23 Вт, для трехслойного покрытия - 358029,63 Вт; с применением солнцезащитных устройств, например, жалюзи: для однослойного покрытия -157183,74 Вт, для двухслойного покрытия -106535,64 Вт, для трехслойного покрытия -71605,93 Вт.
Для определения показателя поглощения теплового потока солнечной радиации предварительно необходимо определить отношение:
т • <6>
где ^У - показатель суммарного усвоения теплоты ограждениями и оборудованием помещения, Вт/°С; А - показатель интенсивности конвективного теплообмена в помещении, м.
Определение показателя суммарного усвоения теплоты помещения, пренебрегая установленным оборудованием, ведем только для ограждений (пол и стены):
ЕГ = У1-41 + У2 ■ 4 2 • (7)
где У1, У2 - коэффициенты теплоусвоения
соответственно для пола и стен, Вт/(м .°С); Аь А2 - площадь пола и стен, м .
Согласно СНиП 11-3-79 коэффициент теплоусвоения для пола составляет [ 1]:
Ъ = 25! , (8)
где - коэффициент теплоусвоения мао
териала пола, Вт/(м °С).
По рекомендациям СНиП 11-3-79 коэффициент теплоусвоения для стен равен:
= 52 , (9)
где 52 - коэффициент теплоусвоения мао
териала стен, Вт/(м °С).
Показатель интенсивность конвективного теплообмена в помещении определяется по формуле:
Д=2,55(А1+А2) , (10)
Далее, определив отношение (6) по таблицам СНиП 2.04.05-91, определяем показатель поглощения теплового потока солнечной радиации.
Тепловой поток теплопередачей через световой проем рассчитаем по формуле:
^^ _ (Сн+0,5е1-Амс-Св)-Аос ^^
«ос
где в - коэффициент, выражающий гармоническое изменение температуры наружного воздуха; ^мс - максимальная суточная амплитуда температуры наружного воздуха,
°С; Яос - приведенное сопротивление теплопередаче, м ,°С/Вт (зависит от числа слоев покрытия).
Результаты расчетов показывают, что тепловой поток теплопередачей через световой проем для различного числа покрытий составляет: для однослойного покрытия -179157,2 Вт, для двухслойного покрытия -79039,92 Вт, для трехслойного покрытия -48861,4 Вт. Результаты расчета количества теплоты, выделяемой в коровниках с прозрачной крышей, сведены в таблице 1. Объем приточного воздуха определяем исходя из условий воздухообмена по формуле:
vmin = Qчa-ю,
(12)
где в - коэффициент естественного проникновения воздуха через зазоры в боковых стенах.
Часовую кратность воздухообмена в коровнике определяем по известной формуле:
■ (13)
Кч =
Уг,
V1
кор
где Укор - объем коровника, м . Результаты расчетов потребного количества подаваемого воздуха и кратности воздухообмена в коровнике сведены в таблице 2.
Таблица 1. Результаты расчетов количества теплоты, выделяемой в коровнике
Число слоев покрытий крыши Без солнцезащитных устройств С применением солнцезащитных устройств
Окр, кДж/ч Оизб, кДж/ч Оч, м3/ч Окр, кДж/ч Оизб, кДж/ч Оч, м3/ч
Однослойное покрытие 1210827,38 1415244,38 90142,95 758138,21 962555,21 61309,25
Двухслойное покрытие 668072,04 872489,04 49293,17 361249,37 565666,37 36029,71
Трехслойное покрытие 433682,37 638009,37 40637,54 227457,31 431874,31 27507,92
Таблица 2. Потребное количество подаваемого воздуха и кратность воздухообмена в коровнике
Анализ таблицы 2 показал, что при однослойном и двухслойном прозрачном покрытии кровли коровника как без использования, так и с использованием солнцезащитных устройств применение естественной вентиляции не обеспечит заданную температуру воздуха в помещении (т.к. часовая кратность воздухообмена более 3). Использование трехслойного покрытия крыши с применением солнцезащитных устройств позволит применить естественную вентиляцию, однако монтаж такой кровли приведет к значительным капитальным вложениям, а
с прозрачной крышей
Число слоев Без солнцезащитных С солнцезащитны-
покрытии устройств ми устройствами
крыши Утт, м3/ч К Утт, м3/ч К
Однослой-
ное покры- 72114,36 7 49047,4 5
тие
Двухслойное покры- 39434,54 4 28823,77 3
тие
Трехслойное покры- 32510,03 3 22006,34 2
тие
использование солнцезащитных устройств сократит поступление ультрафиолетового излучения в коровник, что противоречит требованиям, предъявляемым зоотехнической службой рассматриваемого хозяйства.
Таким образом, для поддержания заданной температуры внутри коровника (22°С) необходимо использовать принудительные системы вентиляции, работа которых основана на разнице между давлением воздуха внутри и снаружи помещения.
В животноводстве широкое распространение получили следующие виды вентиляционных систем: естественная вентиляция, крышная вентиляция, работающая на разрежении (приток пассивный), крышная вентиляция, работающая на равном давлении (приток активный), тоннельная вентиляция с фронтальным охлаждаемым потоком, тоннельная вентиляция со стенным потоком и комбитоннельная (переходная) вентиляция.
Анализ технических решений систем поддержания оптимальной температуры в животноводческих помещениях показал, что лучшим вариантом для жаркого времени года в коровнике будет тоннельная вентиляция с системой кондиционирования воздуха или с системой увлажнения. При такой системе воздух проходит через боковые отверстия в стенах коровника (рис. 2), где увлажняется проточной водой, тем самым охлаждаясь. Удаление воздуха из помещения происходит посредством осевых вентиляторов, расположенных в торцевой стене здания. Однако использование такой системы применительно к рассматриваемым коровникам потребует значительных капитальных вложений на оборудование помещений вытяжными вентиляторами и системами кондиционирования. Кроме того, тоннельная вентиляция с системой кондиционирования воздуха потребует и изменения технологического процесса, т.к. один торец коровника необходимо будет оборудовать вентиляторами довольно большого диаметра, а следовательно, возникнет необходимость в демонтаже ворот. С учетом этого для рассматриваемых коровников предлагается использовать минимальную крышную систему вентиляции (рис. 3).
Рис. 2. Тоннельная вентиляция с системой кондиционирования воздуха
Рис. 3. Крышная система вентиляции
Далее произведем расчет указанной системы вентиляции. Общая площадь вентиляционных каналов составляет [3]:
^7ШП
£ =
(14)
в 3600$ '
где Ут1П - скорость движения воздуха в канале, м/с.
Число вытяжных каналов составляет:
пк=у, (15)
где /К - площадь поперечного сечения одного вытяжного канала, м2.
По зоотехническим нормам подача одного канала не должна превышать 8000 м /ч.
Мощность электродвигателя для привода вентилятора определяется по формуле [4-6]:
^дв = к3 - -, (16)
ДВ 3 ЗбООТЬ-ТЬер v 7
где кз - коэффициент запаса; g - ускорение свободного падения,
м/с2; Жв
- подача
вентилятора, м3/ч; Н - полный напор, создаваемый вентилятором, Па; цв - КПД вентилятора; ппер - КПД передачи.
Результаты расчетов общей площади вентиляционных каналов, числа вытяжных каналов и потребной мощности для привода вентиляторов в коровнике сведены в таблице 3.
Таблица 3. Общая площадь вентиляционных каналов, число вытяжных каналов и потребной мощности для привода вентиляторов в коровнике
По нашему мнению, для рассматриваемых условий наиболее оптимальным решением будет установка минимальной крыш-ной системы вентиляции. При этом в кровле коровника необходимо смонтировать вытяжные шахты с осевыми вентиляторами (например, вытяжные камины серии CL фирмы Big Dutchman) [7]. При этом число вентиляционных шахт диаметром 800 мм должно быть не менее 11, а мощность двигателя для привода вентилятора - не менее 1,6 кВт.
Литература:
1. СНиП II-3-79. Строительная теплотехника. М., 1995.
2. СНИП 2.04.05-91. Отопление, вентиляция, кондиционирование. М., 1999.
3. Машины и оборудование в животноводстве / Чеху-нов О.А. и др. Белгород, 2015. 116 с.
4. Техника и технологии в животноводстве / Булавин С.А. и др. Белгород, 2014. 144 с.
5. Рекомендации по организационно-экономическому механизму обновления технической базы сельского хозяйства / Драгайцев В.И. и др. М., 2000.
6. Система машин и технологий для комплексной механизации и автоматизации сельскохозяйственного производства на период до 2020 года / Лачуга Ю.Ф. и др. М., 2012. Т. 2. Животноводство.
7. Зарубежная сельскохозяйственная техника / Казаков К.В. и др. М., 2016. 200 с.
Literatura:
1. SNiP II-3-79. Stroitel'naya teplotekhnika. M., 1995.
2. SNIP 2.04.05-91. Otoplenie, ventilyaciya, kondicioni-rovanie. M., 1999.
3. Mashiny i oborudovanie v zhivotnovodstve / CHekhu-nov O.A. i dr. Belgorod, 2015. 116 s.
4. Tekhnika i tekhnologii v zhivotnovodstve / Bulavin
5.A. i dr. Belgorod, 2014. 144 s.
5. Rekomendacii po organizacionno-ehkonomicheskomu mekhanizmu obnovleniya tekhnicheskoj bazy sel'skogo hozyajstva / Dragajcev V.I. i dr. M., 2000.
6. Sistema mashin i tekhnologij dlya kompleksnoj meha-nizacii i avtomatizacii sel'skohozyajstvennogo proizvod-stva na period do 2020 goda / Lachuga YU.F. i dr. M., 2012. T. 2. ZHivotnovodstvo.
7. Zarubezhnaya sel'skohozyajstvennaya tekhnika / Kazakov K.V. i dr. M., 2016. 200 s.
с прозрачной крышей
Число слоев покрытий крыши Без солнцезащит- С солнцезащитны-
ных устройств ми устройствами
1—т 2 Fb, м «к, шт. ^дв, кВт Fb, M2 «к, шт. ^дв, кВт
Однослойное покрытие 4,01 11 1,58 2,72 8 1,47
Двухслойное покрытие 2,19 6 1,57 1,6 5 1,39
THE ENGINEERING SOLUTIONS ON OPTIMUM TEMPERATURE SEARCH IN THE COWBARNS
WITH A TRANSPARENT ROOF
V.F. Ujik, doctor of technical sciences O.A. Chehunov, candidate of technical sciences Y.V. Saenko, doctor of technical sciences A.N. Makarenko, candidate of technical sciences
FGBOY VO Belgorod state agricultural university named after V.Y. Gorin
Abstract. In a number of Belgorod region's farms, engaged in dairy cattle breeding, cowsheds with a transparent roof made of polymer film are used. The need to create these roofs covers in the cowbarn was dictated of thi farms economical conditions (at the construction of such premises were significantly reduced capital costs). In the cow-barns with a transparent roof in the summer, at high outside temperatures, the problem of the temperature inside the stall reducing, reaching 28... 35°C is acute. The search for engineering solutions aims cow keeping at the air temperature inside thecow barn within the zootechnical norms. This will allow to obtain dairy herd's stable milk pro -ductivity round the year. For the conditions' consideration, the most optimal solution must be install as minimum roofs ventilation system. At the same time, it is necessary to mount exhaust shafts with axial fans (for example, exhaust fireplaces of the CL series of the Big Dutchman company) in the roof of the cowbarn. The number of ventilation shafts with a diameter of800 mm must be at least 11, and the engine power for the fan drive - not lesser than 1,6 kW.
Keywords: temperature, cowbarn, microclimate, transparent roof, ventilation.
