Введение

Под теплоустойчивостью помещений понимают их свойство поддерживать относительное постоянство температур при периодически изменяющихся теплопоступлениях. В животноводческих помещениях температурный режим, соответствующий максимальной продуктивности животных, можно рассчитывать как для гражданских и промышленных зданий по приводимым в нормативной и специальной литературе зависимостям, например, [1, 2]. Этот вывод базируется на постоянстве (стационарности в течение суток) поступления теплоты в помещения, теплопотери в них зависят только от изменения температуры наружного воздуха. Тепловой режим хранилищ картофеля и овощей отличается цикличностью (в соответствии с режимами работы систем активной вентиляции) поступления теплоты в свободный объём помещения в течение суток. Далее рассмотрены особенности расчёта теплоустойчивости помещений для содержания животных и разработана методика расчёта теплоустойчивости помещений овощекартофелехранилищ.

Теплоустойчивость животноводческих и птицеводческих помещений

Рассмотрим основные особенности и последовательность расчёта теплоустойчивости животноводческих помещений. Соотношение между колебаниями теплового потока и температуры на поверхности ограждения определяется коэффициентом теплоустойчивости Y. Зависимость теплового потока от температуры воздуха выражается коэффициентом теплопоглощения ограждения B = Aq/Atв. Затухание амплитуды температуры воздуха Atnпри переходе тепловой волны от помещения к внутренней поверхности ограждения, на которой амплитуда колебания равна Аτв, рассчитывается по формуле:

где Y1 — коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности ограждения; Y1 = Aq/Аτв (индекс у коэффициента показывает порядок отсчёта слоёв в ограждении по направлению движения теплового потока q).

Коэффициент теплопоглощения ограждения В показывает колебания амплитуды теплового потока, проходящего через поверхность ограждения, к вызывающей этот поток амплитуде колебания температуры окружающего воздуха. Значение коэффициента теплопоглощения В [Вт/(м2·°C)] равно:

Амплитуда изменения теплового потока Aq, поглощаемого поверхностью при колебаниях температуры среды Aτв, составляет Aq = BAtв. Если ограждение имеет площадь F, то амплитуда Aq изменения всего количества теплоты, поглощаемого этой поверхностью, составляет Aq = BFAtв. Так как в животноводческих помещениях амплитуда колебаний температуры воздуха для всех ограждающих поверхностей одинакова, а в каждый момент между количеством теплоты, подаваемой в помещение и поглощаемой его поверхностями, существует равенство — амплитуда теплопоступлений Aq равна амплитуде теплопоглощений всеми поверхностями:

Из (3) имеем основное уравнение теплоустойчивости:

где P = Σ(YF) — показатель теплопоглощения помещения, равный суммарной теплопоглощающей способности всех поверхностей в помещении.

Приведённые зависимости позволяют с достаточной точностью провести расчёт колебаний температуры воздуха в животноводческих помещениях.

Теплоустойчивость овощекартофелехранилищ

Проведённые исследования [3, 4] позволяют сделать вывод о большой тепловой инерционности как насыпей сочного растительного сырья (СРС), так и хранилищ в целом. Выполненные теплофизические расчёты по определению теплоустойчивости наружных ограждений типовых хранилищ дают значения показателя затухания температурных колебаний для бесчердачных покрытий v ≈ 700 и для наружных стен ≈ 400, показателя запаздывания сквозного проникновения температур ε ≈ 23 и 26 ч, соответственно. Поэтому суточные колебания температуры наружного воздуха не оказывают практического влияния на температуру их внутренних поверхностей. Подтверждением этого положения являются полученные нами термограммы и гигрограммы параметров воздуха в зимний период года [1] в полузаглублённом картофелехранилище.

Выявим периоды наиболее неблагоприятных температурных условий в свободном объёме хранилища Vс, создающихся при цикличной работе систем активной вентиляции (САВ). Такие исследования необходимы для уточнения минимальной мощности систем отопления, а также для обоснования выбора объективных исходных данных при нормировании и расчёте теплотехнических характеристик наружных ограждений данных хранилищ.

Количество теплоты, поступающей в верхнюю зону хранилища, меняется во времени. Во время цикла естественной конвекции (ЕК), когда САВ не работают, максимальное количество поступающей теплоты равно:

Коэффициент Ψк показывает отношение удаляемой естественной конвекцией теплоты из насыпи картофеля или овощей к теплоте дыхания продукции. Он принимается по полученной нами экспериментальной зависимости (6) или по рис. 1, полученному на основе анализа литературных данных:

Естественная конвекция может снять всю теплоту дыхания при значении комплекса qсрсh ≤ 2,95. Доля биологической теплоты, удаляемой естественной конвекцией, снижается с уменьшением скорости воздуха в насыпи uе [м/с], с увеличением высоты насыпи h [м] и интенсивности удельных тепловыделений сочного растительного сырья qсрс [Вт/т].

Среднечасовое количество теплоты, вносимое за цикл естественной конвекции в свободный объём хранилищ, составляет Qекср = Qекmax. В период цикла вынужденной конвекции (ВК), длящегося m часов, доля теплоты дыхания не превышает для картофеля и свёклы 1,8 %, для моркови — 1,9 %, для капусты — 2,8 % [6]. Основное количество теплоты поступает в хранилище с воздухом, нагреваемым в слое СРС. Выразим его среднеарифметической величиной теплопоступлений в начале и в конце цикла ВК:

Qвкср = 0,5(Qвкmax + Qвкmin).

При расчёте теплоустойчивости помещений хранилищ возмущающие воздействия в свободной верхней зоне за полный цикл работы системы активной вентиляции можно представить количественно следующими величинами: подача теплоты отсутствует в период ЕК длительностью (1 - Кв), где Кв = m/T — доля времени цикла вынужденной конвекции; количество теплоты равно постоянной величине в период цикла ВК длительностью Кв (рис. 2).

Среднечасовое количество теплоты определяется из выражения:

Коэффициент прерывистости Ω зависит от величины коэффициента Кв и момента времени Z/Т, для которого определяется значение Δtв.п. Максимальное повышение поверхности ограждения соответствует моменту времени окончания подачи теплоты, то есть моменту окончания цикла ВК (рис. 2).

Показатель теплопоглощения помещения определяется по значениям показателей теплопоглощения Yi и площадей Fi отдельных ограждений аналогично значению Р в формуле (4): Yn = Σ(YiFi).

Полный перепад температур поверхностей за время Т составляет:

где Ωmax и Ωmin — максимальное и минимальное значения коэффициента прерывистости [1].

При цикличном притоке теплоты в хранилище изменение температуры воздуха свободного объёма Δtв.п отличается от изменения температур поверхностей наружных ограждений Δtв.п:

Полный перепад температуры воздуха за период времени Т выразится следующей зависимостью:

где Λ = Σ(αkiFi) — показатель конвективного теплообмена в помещении.

Отклонение температур поверхностей и воздуха в помещении в любой момент через Z часов после начала тепловыделений определяется аналогично по методике, приведённой в [1].

Заключение

Теплоустойчивость животноводческих помещений рассчитывается по методике для производственных зданий, приводимой в нормативной и специальной литературе. Разработанная методика расчёта теплоустойчивости овощекартофелехранилищ позволила выявить, что наиболее неблагоприятные температурные условия в помещениях хранилища создаются в цикле естественной конвекции, когда теплопоступления в верхнюю зону минимальны. Поэтому период цикла естественной конвекции должен приниматься в качестве расчётного при нормировании теплотехнических характеристик наружных ограждающих конструкций: минимальные температуры tв и максимальные значения относительной влажности воздуха φв внутреннего воздуха из рекомендуемых [5] для каждого из видов хранящейся продукции.

Статья подготовлена в рамках выполнения НИР «Разработка и научное обоснование теплофизических закономерностей переноса теплоты и влаги в неотапливаемых производственных сельскохозяйственных зданиях» (код проекта 3008) с финансированием из средств Минобрнауки России, в рамках базовой части государственного задания на научные исследования.