CC BY
26УДК 631.22/.23: 72.012+515.2
А.В. Педченко, асс. О.Д. Педченко, асс.
СВЯЗЬ МЕЖДУ ОБЪЕМНО-ПЛАНИРОВОЧНЫМИ РЕШЕНИЯМИ ЗДАНИЙ, МИКРОКЛИМАТОМ ПОМЕЩЕНИЙ И ТЕХНОЛОГИЕЙ ВЫРАЩИВАНИЯ ЖИВОТНЫХ И РАСТЕНИЙ
Полтавский национальный технический университет имени Юрия Кондратюка emails:[email protected], [email protected]
Аннотация. Для поддержания максимальной продуктивности производства необходимо создать систему поддержки микроклимата. Рассмотрено способы подкормки растений в теплице углекислым газом. Как источник углекислоты предложено использовать вентиляционные выбросы животноводческих предприятий. Это целесообразно с экологической и экономической точки зрения. Представлен пример расчета воздухообмена между коровником и тепличным сооружением из условий максимального использования ресурсов. Учитывается мощность предприятия и технология выращивания.
Ключевые слова: микроклимат, подкормка растений, воздухообмен, блокирование.
THE CONNECTION BETWEEN THE SPACE-PLANNING DECISIONS BUILDINGS, INDOOR CLIMATE AND TECHNOLOGY OF CULTIVATION ANIMALS AND PLANTS
Abstract. It is necessary to create a microclimate support system for maximum efficiency of production maintaining. The ways of feeding plants in the greenhouse by carbon dioxide are discussed in this article. Livestock enterprises ventilation emissions are proposed as a source of carbon dioxide. This makes sense from an environmental and economic point of view. A calculation example of the air exchange between the cow house and greenhouse construction from the conditions of maximum resources using is presented. The enterprise capacity and growing technology are considered.
Key Words: microclimate, plants nutrition, air exchange, blocking.
В современных условиях ведения сельского хозяйства на индустриальной основе при проектировании зданий для выращивания животных и растений необходимо принимать современные технические решения, которые полностью обеспечивали бы эффективное использование капитальных вложений, повышение производительности и урожайности, например, за счет привлечения элитных пород животных, повышения урожайности, ведения селекции (внедрение высокоурожайных культур, сортов и гибридов), а также ведения сельского хозяйства с применением комплексной механизации, автоматизации процессов, снижения себестоимости единицы продукции. При этом необходимо создавать в обслуживаемых помещениях благоприятные условия как для выращиваемых животных и растений, так и для рабочих, обслуживающих процессы. В последнее время актуальны также вопросы экономии и рационального использования топливно-энергетических ресурсов и защиты окружающей среды.
В мировой и отечественной практике ведения сельского хозяйства есть примеры одновременного расположения на одной промышленной площадке как тепличных хозяйств так и комплексов или ферм для выращивания КРС
(крупного рогатого скота), что является одним из пунктов требований ДБН В.2.2-2-95 [1]. С точки зрения экономии энергетических ресурсов в соответствии с п. 4.3 этого нормативного документа "... теплоснабжения теплиц и парников, как правило, должно осуществляться за счет использования вторичных энергоресурсов промышленных предприятий, ТЭС, ТЭЦ, АЭС, газокомпрессорных станций, теплоты геотермальных вод, источников, а при их отсутствии - от собственных источников теплоты ".
В связи с указанным, интересным, по нашему мнению, является сочетание в виде блокирования в одном энергоэффективном индустриальном сельскохозяйственном комплексе, например, здания для содержания КРС и тепличного хозяйства с круглогодичным циклом выращивания продукции растениеводства.
Дело в том, что в соответствии с особенностями содержания и технологией выращивания растений, особенно в холодный период года - для интенсификации овощеводства следует предусматривать подкормки растений углекислым газом, что является требованием соответствующих норм ВНТП-АПК-19-07 [2]. В соответствии с п. 8.9 данных норм подкормка углекислым газом (химическая формула которого имеет вид: СО2) должна проводиться 4-6 часов в сутки, при соответствующей интенсивности освещения в помещении теплицы на уровне не менее 1200-1300 лк.
При этом системы инженерного обеспечения параметров микроклимата в производственном помещении теплицы должны обеспечивать оптимальную концентрацию углекислоты в пределах от 0,10 до 0,15 объемных процентов при отсутствии проветривания помещения, т.е. при закрытых фрамугах теплицы. Нормы [2] предполагают кратковременную максимальную концентрацию СО2 на уровне 0,33%.
В соответствии с требованиями ВНТП для тепличных хозяйств система подпитки углекислым газом может реализовываться по трем вариантам (рис. 1): I) от газобаллонных установок с жидким углекислым газом, для которых в соответствии с таблицей 4 настоящих норм в номенклатуру зданий, сооружений и помещений вспомогательного назначения необходимо включать "Склады баллонов углекислоты"; II) для местностей с имеющимися системами централизованного газоснабжения в соответствии с п. 8.12 [2] подкормки растений углекислотой может осуществляться с применением установок-генераторов, использующих в качестве топлива природный газ, или при наличии подземных локальных хранилищ газа - пропан или пропан-бутановую смесь; III) третий вариант, получивший распространение предполагает использование продуктов горения природного газа, сжигаемого в газифицированной котельной, расположенной на территории предприятия. При этом по требованию п. 8.11 отраслевых норм проектирования теплиц на пути дымохода, транспортируется часть продуктов сгорания природного газа, обязательна установка устройств каталитической очистки этих газов. Такая подпитка растений может осуществляться с подачей в нижнюю зону помещения в течение всего светового дня, но при условии постоянно открытых вентиляционных (аэрационных) отверстиях (см. рис. 1).
Рисунок 1 - Варианты подпитки углекислым газом теплицы по ВНТП-АПК - 19-07:
1 - бытовой балон с углекислым газом; 2 - прибор газораспределительный (форсунка); 3 -контактно-газовый теплогенератор или инфракрасный излучатель; 4 - магистральный газопровод природного газа; 5 - газгольдерная установка; 6 - катализатор; 7 - вентиляционная
фрамуга.
Считаем, что ни один из перечисленных существующих способов подкормки растений двуокисью углерода не соответствует современным требованиям, и вот почему: во-первых, все три варианта предусматривают непосредственное использование природного или сжиженного газа, требуют наличия систем централизованного или децентрализованного газоснабжения, энергоносителем для которых выступает газ в любом виде - в наше время стратегический энергоноситель для Украины; во-вторых, значительно увеличивает капитальные и эксплуатационные расходы, связанные прежде всего с использованием складских помещений, наличия специфического оборудования (например, в варианте с использованием продуктов горения котельной - необходимость использования недешевых катализаторов); в-третьих, ограничения на использование систем в течение года, или светового дня, что обусловлено или присутствием людей, или работой оборудования в специфических условиях (например, только при открытых фрамугах, что невозможно в холодный период года - в период низких температур наружного воздуха); в-четвертых, человеческий фактор, ведь в соответствии с п. 5.3 СанПиН 5791-91 [3] (санитарных правил и норм по устройству и эксплуатации теплиц и тепличных комплексов) в случаях использования контактно-газовых генераторов, инфракрасных излучателей, генераторов углекислоты на природном (сжиженном) газе и от котельных, работающих на газообразном топливе, необходимо применять наиболее полное сгорание топлива, так как продукты горения непосредственно подаются в помещение где находятся рабочие, безусловно приводит к удорожанию стоимости применения такой системы. Согласно п. 8.13 [3] при проектировании систем подкормки растений от отходящих газов котельных обязывает проектировщика учитывать
требования безопасности ("Требований безопасности к системе подпитки тепличных культур углекислотой, которая содержится в продуктах сгорания природного газа"); в пятых, необходимость автоматизации работы как отдельных элементов так и в целом системы газоснабжения (подкормка) СО2, что не менее, чем на 30-ть процентов увеличит стоимость капитальных затрат на систему подпитки углекислотой. С другой стороны, интересной, на наш взгляд, является идея искусственного обогащения воздуха помещений для выращивания овощей за счет использования углекислого газа, содержащегося в воздухе вытяжных систем вентиляции помещений для содержания КРС, особенно когда речь идет о блокировании или размещения указанных зданий на одной промышленной области.
В производственных сельскохозяйственных зданиях вредные вещества (и в частности СО2) вместе с водяными парами попадают в воздух помещений с продуктами дыханий животных, а также в результате биохимических процессов, происходящих в навозе. Что касается именно углекислого газа, то это газ без цвета, который имеет слабокислый запах. При температуре 0 °С он
-5
имеет плотность 1,98 кг/м и соответственно тяжелее воздуха, как следствие сосредоточивает его максимальные концентрации в нижней зоне помещения. При большой концентрации в воздухе производственного помещения углекислый газ может вызывать головную боль и повышенное давление в рабочих, уменьшает аппетит и продуктивность животных, повышает риск их заболеваний. Нормы [4] ВНТП - АПК-01.05 устанавливают предельно
-5
допустимую концентрацию (ПДК) СО2 на уровне 2 л/м .
Углекислый газ легко растворяется в воде, поэтому определенная доля его повышенной концентрации прослеживается и в верхней зоне помещения, что может быть объяснено тем, что при определенной подвижности воздуха в производственном помещении одновременно под потолком сосредотачиваются как водяной пар так и СО2. Как отмечает в своей книге [5] профессор Строй А.Ф. (Теплоснабжение и вентиляция сельскохозяйственных зданий и сооружений. - М.: Высшая школа. Главноеизд-во, 1983. - 215 с.), в помещениях с решетчатыми полами для организации воздухообменов применяют схему вентиляции сверху в верх и вниз (см. рис. 2). При этом приточный воздух подают в верхнюю зону помещения, а вытяжку рассредоточивают следующим образом: 30% от притока выдают из нижней зоны помещения (как вариант из каналов для удаления навоза), и 70% объема от притока выдают с верхней зоны помещения. Для реализации такой системы, как видно из рисунка 2, необходимо применение систем вентиляции с принудительной циркуляцией воздуха.
д
Рисунок 2 - Вариант схемы вентиляции коровника
1 - воздуховоды равномерной подачи воздуха в помещение; 2 - магистральный сборный воздуховод системы удаления воздуха из нижней зоны помещения; 3 - воздуховод равномерного всасывания воздуха из верхней зоны помещения; 4 - каналы для накопления навоза.
Численные значения количества углекислого газа попадающего в помещение, например для содержания КРС, приводится в приложениях ВНТП -АПК-01.05 [4] в зависимости от возраста, направления выращивания, способа содержания и т.п. и приводится на 1 центнер живого веса животных. Ведь зная количественное значение и возраст поголовья содержится в коровнике можно получить численное значение углекислоты попадает в помещение в единицу времени: л/час.
При решении задачи, рассматриваемой в данной работе количество вредностей, и в частности СО2, попадает в воздух производственного помещения - является исходной величиной для определения количества вентиляционного воздуха для обеспечения нормативного микроклимата в помещении коровника. Однозначно, что количество углекислоты, которое попадает в помещение коровника будет определять воздухообмен в помещении, т.е. количество воздуха, которое должно подаваться (удаляться) из помещения в единицу времени. Обычно в коровниках количество этого воздуха определяется расчетом в результате решения балансных уравнений по борьбе с избыточным теплом (если есть), с влагой и углекислым газом, но в любом случае он не должна быть меньше минимального значения, которое назначается по нормам [4] ВНТП - АПК-01.05 и составляет для помещений молодняка и взрослого
3 3
стада КРС 17 м /час на один центнер веса, а для телят, соответственно 20 м /час на один центнер веса в течение года. Исходя из этого, минимальное количество приточного (вытяжного) воздуха, которое должно циркулировать через
помещения коровника для содержания, например, 263 голов молодняка массой 350 кг каждый может быть определено по формуле:
Lmn= («твх^твх17) /100 = (263x350x17) / 100 = 15590 м3/год, где итв-количество животных, гол; ттв -вес одного животного, кг.
Теперь проверим количество углекислого газа, который попадает в помещение КРС и соответствующее его ассимиляции значения воздухообмена. В этом случае расход СО2, который попадает в помещение от животных может быть определен по зависимости:
АСО2 = (^СО2х птв) / 3600 = (107x263) / 3600 = 7,82 л/с, где атаСО2- количество углекислоты, которое выделяет в единицу времени одно животное л / ч (по данным [5] для молодняка коров весом 350 кг количество углекислого газа, которое выделяет одно животное составляет: атвСО2 = 107 л / ч). Тогда необходимый воздухообмен по борьбе с углекислым газом в помещении для содержания КРС составит:
L СО2 = АсО2 /(КвидХ(рзовн/рвн) - Кирилл ) = 7,82 /(2х(1,406/1,247) - 0,33) =
= 4,06 м3/с = 14615 м3/год, где квид , к^рит - соответственно концентрации углекислого газа в удаляемом воздухе и в подаваемом воздухе в помещение коровника;
рзовн, рвн - соответственно плотности воздуха, удаляемого и подаваемого в помещение коровника.
Как видно из расчетов расчетный воздухообмен, а это должно быть большее из полученных значений, для указанного в примере коровника должен составлять 15590 м3/час, и как показывает статистика таких расчетов - расчетный воздухообмен обычно и устанавливается на уровне нормативного воздухообмена, то есть на уровне санитарно-гигиенических требований. Интересным, по нашему мнению, может стать идея использования отработанного воздуха, удаляемого из помещения коровника в холодный период года примерно со средней температурой воздуха 18-22 ° С (окончательное значение температуры принимается в зависимости от возраста, направления выращивания, способа содержания животных и т . п.), а также имеющего определенную начальную концентрацию углекислоты. Дело в том, что в соответствии с 4.15 [1] теплицы должны быть оборудованы системами вентиляции из расчета удаления теплоизбытков за счет солнечной радиации в теплый период года. По требованиям этих же норм для обеспечения расчетных параметров микроклимата во все периоды года в помещениях всесезонных теплиц рекомендуется устройство искусственной вентиляции с организацией системы искусственного подкормки растений СО2. Поняли и тот факт, что в зимних условиях работа системы принудительной приточной вентиляции невозможна без применения элементов подогрева воздуха до определенной температуры.
То есть с одной стороны при блокировании таких помещений как коровник и грунтовая теплица мы в комплексе решить задачи по поддержанию на определенном уровне параметров микроклимата как в помещении для содержания КРС так и в помещении для выращивания овощей, а с другой
стороны на выполнение норм [1, 2, 3] при этом провести мероприятия по сохранению энергетических ресурсов, уменьшению капитальных и эксплуатационных затрат и оптимизировать логистику транспортировки энергоносителей для функционирования этого комплекса, в состав которого входит и здание КРС и помещения теплицы.
Попробуем определить приблизительную площадь тепличного хозяйства с круглогодичным циклом выращивания зелени, томатов и огурцов, которая может быть обеспечена подпиткой углекислотой за счет использования удаляемого системой обще-обменной вытяжной вентиляции из помещения коровника.
Для примера, рассматриваемого выше при расчетном воздухообмене, что было
-5
принято за нормативным значением и равен: Lp03p= L^^ Lmin = 15590 м /год, количество углекислоты, удаляемого из помещения коровника и соответственно может быть использована в системе подпитки растений
-5
составит при конечной концентрации СО2 на уровне 2 л/м для указанного
-5
объема воздуха, удаляемого соответствии 31180 литров, т.е. 31,2 м углекислого газа. В то же время нормы [2] дают данные по приблизительной расходе природного газа для получения углекислоты на 1 га теплиц, которая
-5
составляет: для многопролетных теплиц - от 35 до 50 м /час; для
-5
однопролетных от 45 до 67 м /час. То есть, если сжигать в многопролетных теплицах газ с месторождения Гоголево - Полтава выход СО2 для которого
3 3 3
составляет 0,87 м /м - при нормативной расходе в среднем 42,5 м природного газа суммарный выход углекислого газа составит:
Lco2= Кгазухи СО2 = 42,5x0,87 = 37 м3/год, где Vray - средняя нормативная количество природного газа, необходимо сжигать в тепличном модули общей площадью в 1 гектар; ü СО2 - удельный выход углекислоты, образующейся при сжигании природного газа месторождения Гоголево - Полтава.
Как видим порядок цифр по расчетам полученными для двух вариантов получения углекислого газа для работы системы подпитки растений тепличного хозяйства достаточно близки между собой. При этом экономический эффект от предлагаемой системы подпитки СО2 легко вычислить выполнив расчеты. Так для тепличного хозяйства в составе многопролетные теплиц круглогодичного выращивания срок использования составляет примерно 11 месяцев (один месяц отводится для проведения технологических перерывов в выращивании растений, проведении пропарки почвы, дезинфекции, замены верхнего слоя и др.). При условии обеспечения подачи углекислоты для тепличного хозяйства площадью 1 га в течение 4-6 часов (по требованиям [2]) количество природного газа, который будет сожжен в течение года составит:
Л
^Угазу = ^азу x Проб.дн x Проб.доб = 42,5x335x5 = 71188 м /рк, где Угазу - средняя нормативная количество природного газа, необходимо сжигать в тепличном модули общей площадью в 1 гектар; про6дн - количество рабочих дней в году;
иробдоб - продолжительность работы системы подпитки углекислым газом за сутки.
Кроме замены способа подкормки растений в данной схеме блокировки еще два аспекта, о которых необходимо сказать. Во-первых, это экологическая составляющая такого комбинирования. Ведь вместо того, чтобы выводить за пределы помещения для содержания КРС, благодаря применению такой схемы, мы подаем воздуха насыщен углекислым газом, для интенсификации роста растений и тем самым способствуем росту эффективности ведения растениеводства - чем приводит к общему уменьшению количества СО2, попадает в окружающую среду. Во-вторых, с учетом требований норм [1,2,3] при применении системы вентиляции тепличных модулей, особенно в холодный период года, для рационального использования топливно-энергетических ресурсов будет целесообразным использование теплового потока, который можно будет получить за счет использования тепла, которое содержит в себе удаляемый из помещения воздух, для нужд теплообеспечения системы приточной вентиляции почвенной теплицы. С учетом положений п. 4.8 [1] "В зимних теплицах следует предусматривать водяное отопление в сочетании с воздушным (комбинированное отопление)". Такая система по указанным нормам должна предусматриваться в районах с расчетной наружной температурой наиболее холодных суток минус 20 ° С. "При этом тепловая мощность воздушного обогрева в системе комбинированного отопления рекомендуется принимать однопролетных теплицах 35 ^ 50%, во много пролетных - 20 ^ 40% общих расхода теплоты на расчетный период ". Если для приведенного выше примера с использованием бросового воздуха из помещения для содержания КРС в количестве LнOpM = 15590 м3/час и средним значением температуры вытяжного воздуха на уровне плюс 20 ° С, определить среднее значение потока теплоты, который можно будет использовать в работе системы комбинированного отопления в виде воздушного отопления тепличного модуля:
Ооп = Спов х Gпов х 1пов = 1,005 х 3,6 х 20 = 72,4 кВт, где Спов - удельная массовая теплоемкость воздуха, кДж / (кг • ° С) средняя нормативная количество природного газа, необходимо сжигать в тепличном модули общей площадью в 1 гектар;
Спов - секундная массовый расход вытяжного воздуха, кг / с; ^пов - среднее значение температуры вытяжного воздуха, ° С. Учитывая стоимость тепловой энергии и природного газа в современных условиях, и даже не проводя расчеты по дополнительным капитальным затратам, которые будут связаны с устройством объединенной системы вентиляции: с одной стороны вытяжной для помещения по содержанию КРС, а с другой стороны приточной для тепличного модуля - имеем убедительный рычаг для устройства системы подкормки растений за счет использования воздуха, удаляемого из помещения для содержания КРС. С учетом всего вышесказанного принципиальная схема блокировки производственных сельскохозяйственных зданий для выращивания КРС и тепличного хозяйства может быть представлена в виде рисунка 3:
Рисунок 3 - Принципиальная схема блокировки помещений для содержания КРС и
теплицы:
1 - производственное помещение по содержанию КРС; 2 - теплица; 3 - система удаления (утилизации СО2) воздуха из помещения КРС; 4 - система подачи (подкормка) СО2; 5 -регулирующие устройства (шиберы) системы вытяжной вентиляции; 6 - вытяжная шахта; 7 -датчик концентрации СО2 в помещении; 8 - исполнительные механизмы приборов регулирования (сервоприводы).
Как видно из последнего рисунка в работе такой системы возникают определенные проблемы, которые связаны прежде всего с необходимостью полного контроля параметров работы системы и быстрого реагирования на изменение тех или иных факторов. То есть в соответствии с §15 [2] необходимо предусматривать средства автоматизации процессов создания микроклимата как в помещении для содержания КРС так и в помещении для выращивания растений.
Выводы. При повторном использовании ресурсов коровника для подкормки растений в культивационных сооружениях связь между объемно-планировочным решением зданий кроется в максимальном использовании излишков углекислого газа в системе обеспечения микроклимата теплиц.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Теплищ та парники: ДБН В.2.2-2-95. К.: Держкоммютобудування Украши, 1995. - 14 с. - (Державш будiвельнi норми Украши).
2. Тепличш та оранжерейш тдприемства. Споруди захищеного грунту для фермерських (селянських) господарств.: ВНТП-АПК-19-07. - [Чиншвщ 2007-08-01] // Мшагропол^ики Украши. - К.: Х1К, 2007.- 96 с. - (Вiдомчi норми технологичного проектування).
3. СанПиН 5791-91 Санитарных правил и норм по устройству и эксплуатации теплиц и тепличних комплексов.
4. Вiдомчi норми технологичного проектування. ВНТП - АПК 01.05. Скотарсью тдприемства. Мшагропол^ики Украши, К.: - 2005.- 96 с.
5. Теплоснабжение и вентиляция сельскохозяйственных зданий и сооружений. -Киев: Вища школа, 1983. - 215 с.
