Рис. 1
Разработанный методологический подход к созданию энергоэффективных производственных сельскохозяйственных зданий основан на рассмотрении их как единых биоэнергетических и архитектурно-строительных комплексов. Необходимость такого подхода заключается в выполнении двух основных требований по повышению энергоэффективности рассматриваемых зданий. Во-первых, они должны быть неотапливаемыми (без подачи искусственно генерируемой теплоты извне), то есть поддержание теплового баланса осуществляется только за счет утилизации явной теплоты, выделяемой животными, птицами или хранящимся сочным растительным сырьем (картофелем, овощами). Во-вторых, теплофизические характеристики теплового контура помещений, заложенные при проектировании, должны поддерживаться постоянными в процессе всего срока эксплуатации здания. Рассмотрим пути выполнения этих основополагающих требований.
Основной функцией наружных ограждений гражданских и промышленных зданий является защита и поддержание температурно-влажностных параметров внутренней среды от воздействия извне переменных параметров климата. Для таких зданий сопротивление теплопередаче ограждений принимается не меньше требуемого (Ro ≥ Rо тр ) с учетом заданного нормированного температурного перепада между температурой внутреннего воздуха tв и температурой внутренней поверхности ограждения τв [1].
Предлагаемый методологический подход обосновывает при наличии в неотапливаемых сельскохозяйственных зданиях в холодный период года постоянно действующих явных тепловыделений от животных, птиц или хранящегося сочного растительного сырья Qб [Вт], принимать теплофизические характеристики наружных ограждений, обеспечивающих такой нормированный удельный тепловой поток через них qб н [Вт/м2], чтобы предотвратить понижение температуры внутреннего воздуха tв ниже требуемой при расчетной температуре наружного воздуха tн (ΣQ = 0). Приведенная трактовка энергетического баланса здания обосновывает принятие за основу нормирования сопротивления теплопередаче наружных ограждений величины qб н [2]:
где F = Fст + Fпокр — площадь наружных стен и покрытия, м2; m — коэффициент, учитывающий долю потерь теплоты через полы или обвалованные части зданий: m = 0,03–0,05 для надземных; m = 0,08–0,10 с обваловкой ≈ 0,5 высоты наружных стен; m = 0,25–0,30 для заглубленных или обвалованных зданий.
Расчет явных тепловыделений я животных Qб ж, птиц Qб пт , хранящегося сочного растительного сырья Qб срс приводится, например в [3]. Принцип нормирования сопротивления теплопередаче теплового контура по величине qб н не требует находить значений перепада температуры внутреннего воздуха и его точки росы (Δt н = tв – tт.р) и коэффициента теплоотдачи на внутренних поверхностях наружных ограждений αв, как требует СНиП [1]. Это преимущество предложенного метода нормирования, так как в нестационарных условиях тепломассообмена в помещениях сельскохозяйственных зданий добиться необходимой точности определения этих значений не представляется возможным. Добавим, что при выборе в допустимых нормами пределах величины Δt н значения Rо тр по рекомендуемой СНиП [1] формуле величины Rо тр для сельскохозяйственных помещений могут отличаться в два-три раза в одних и тех же климатических зонах.
Покажем это на примерах.
Итак, величина температурного перепада Δt н = tв – tт.р при нормативных параметрах хранения картофеля tв = 2 °C и ?в = 95 % составляет (температура tт.р определяется по i–d-диаграмме влажного воздуха) Δt н = 2 – 0,6 = 1,4 °C, а при tв = = 4 °C и ?в = 90 % — Δt н = 4 – 0,7 = 3,3 °C. Погрешность расчета из-за субъективного (в пределах технологических норм) выбора расчетных параметров внутреннего воздуха при формально правильном расчете составляет 3,3/1,4 = 2,36 раза (136 %). Аналогичные расчеты для белокочанной капусты дали следующие результаты — при tв = –1 °C и ?в = 95 % получим Δt н = (–1) – (–2,3) = 1,3 °C, при случае tв = 0 °C и ?в = 90 % имеем величину Δt н = 0 – (–2,9) = 2,9 °C. Погрешность при определении Rо тр составляет 2,23 раза (123 %).
Для животноводческих зданий диапазон колебаний допустимых технологических температур и относительных влажностей воздуха более значителен. Поэтому при формально правильном субъективном задании исходных данных конечные значения требуемого сопротивления теплопередаче могут разниться еще более.
Сельскохозяйственные производственные здания не являются полностью неотапливаемыми сооружениями даже при наличии наружных ограждений, теплотехнические характеристики которых соответствуют величинам, определенным по вышеприведенной методике. Это вызвано необходимостью удалять влагу, выделяемую в процессе жизнедеятельности животных, птиц, хранящейся продукции. Количество водяных паров, выделяемых в помещениях, приведены, например в работе [3]. Минимальное количество наружного воздуха Gн.min = Lн.min ρв [кг/ч], для ассимиляции избытков влаги равно:
где Gвл — количество влаги, выделяемой в помещении, г/ч; dуд и dпр — соответственно, влагосодержание удаляемого из помещения и приточного наружного воздуха, г/кг сухого вещества.
Минимальные затраты теплоты на нагрев наружного воздуха:
Qнаг = cвLн.minρв(tн р – tн). (4)
Наружная расчетная температура tн р , начиная с которой требуются затраты теплоты на нагрев приточного воздуха, определяется из теплового баланса каждого конкретного сельскохозяйственного здания по формуле [2]:
где св — удельная теплоемкость воздуха, Вт⋅ч/(кг⋅°C). Физический смысл температуры tн р : при понижении температуры наружного воздуха от tн р до расчетной в холодный период года tн затраты теплоты на подогрев приточного воздуха увеличивается от 0 до Qнаг. В остальное время, когда tн > tн р , в помещении имеются теплоизбытки.
В условиях использования естественных источников энергии для обеспечения теплового режима помещений разработана следующая методика качественного и количественного прогнозирования их реальных возможностей.
Графические зависимости, позволяющие характеризовать тепловые и воздушные балансы животноводческих и птицеводческих помещений, приведены на рис. 1. Они построены в системе взаимосвязанных координат. По оси ординат слева относительный расход воздуха G/Gн.min — отношение реального расхода воздуха в помещении G к минимальному требуемому расходу для удаления влаги Gн.min. На этой же оси справа показан относительный расход теплоты Qб/Qнаг — отношение явных биологических тепловыделений Qб к расходу теплоты на нагрев приточного воздуха Qнаг, Вт.
Отношение Qб/Qнаг = 1,0 для неотапливаемых помещений при условной температуре наружного воздуха tн р . Избыток или недостаток теплоты в помещении показан кривой Q, характеризующей тепловой баланс неотапливаемого помещения в конкретный период года.
Данная переменная является функцией: величины сопротивления теплопередаче теплового контура; температуры наружного воздуха; степени заполнения помещения животными, птицами или хранящейся продукцией.
Горизонтальные прямые Gн.min и GО2 показывают необходимый воздухообмен: по удалению водяных паров; по требуемому для дыхания животных и птиц кислороду. Воздухообмен по этим показателям практически определяется только количеством животных или птиц, находящихся в помещении.
Кривые, характеризующие расходы приточного воздуха для ассимиляции избытков явной теплоты GQ, влаги Gвл и вредных или взрывоопасных газов Gм, показывают необходимый воздухообмен в цикле круглогодичной эксплуатации животноводческих и птицеводческих помещений. Они строятся по балансовым уравнениям явной теплоты, влаги, вредных или взрывоопасных газов. Прямая GΔpe показывает максимальную величину возможного воздухообмена в помещении за счет систем естественной вентиляции.
Точка А (точка пересечения кривой Q с кривыми GQ или Gвл) является характерной точкой, определяющей границу наружной температуры воздуха для конкретного неотапливаемого сельскохозяйственного помещения, при которой возможно поддержание расчетных внутренних параметров воздуха за счет естественных факторов. Она соответствует температуре наружного воздуха tн р .
Зоны вентиляции помещений без подогрева наружного воздуха могут быть расширены на величину:
(Δtн р )1 = (tн р – t р нА1)
в сторону более низкой температуры наружного воздуха, например, до t р нА1 (кривая Q проходит через точку А1). Такой процесс возможен при увеличении сопротивления теплопередаче наружных ограждений путем дополнительного их утепления. Конструкции наружных ограждений с заниженными сопротивлениями теплопередаче приводят к повышению значений температуры наружного воздуха t р нА2 (точка А2).
Зона естественной вентиляции помещений без подогрева приточным воздухом сужается на следующую величину:
(Δtн р )2 = (t р нА2 – tн р ).
Точка Б, лежащая на пересечении кривой GQ с прямой GΔpe (точка Б? при пересечении Gвл с GΔpe , когда Gвл > GQ), определяет ту наивысшую наружную температуру tн.е max , при которой естественное (суммарное гравитационное и ветровое) давление Δре = Δpг + Δpв обеспечивает подачу в помещение животноводческого или птицеводческого здания расчетное количество наружного воздуха. Таким образом, интервал наружной температуры между точками А и Б является зоной естественной вентиляции помещений. Количество явной биологической теплоты в этом интервале достаточно для подогрева приточного воздуха, а естественное давление обеспечивает необходимый воздухообмен. Положение точки Б (Б?) на графике может быть смещено в сторону более высокой температуры наружного воздуха на величину Δtн.е + . Зона естественной вентиляции расширяется при уменьшении потерь давления циркулирующего в помещении воздуха, чему соответствует прямая (GΔpe )1, ее пересечение с кривыми GQ (точка Б1) или Gвл (точка Б1 ?). Любое дополнительное сопротивление в системе естественной вентиляции (линия GΔpe ) приведет к сужению зоны естественной вентиляции (точки Б2, Б2 ?) на величину Δtн.е – .
Зона естественной вентиляции (в сторону повышения значений наружной температуры) может быть расширена за счет применения активной естественной аэрации. Эта возможная зона располагается между точками Б и В. Дополнительный воздухообмен при использовании активной аэрации выражается величиной ΔGQ (ΔGвл). Он расширяет область естественной вентиляции до максимально возможной температуры наружного воздуха tн.е.
Рассмотренные методика нормирования требуемого сопротивления теплопередаче наружных ограждений и графоаналитические зависимости позволяют взаимоувязать и прогнозировать энергоэффективность решений конкретных помещений производственных сельскохозяйственных зданий в процессе проектирования. Рассчитываются конструктивные элементы теплового контура и их теплофизические характеристики, включая коэффициенты теплопроводности λ [Вт/(м⋅°C)], и величину паропроницаемости μ [г/(м⋅ч⋅Па)], обеспечивающие поддержание расчетного температурновлажностного режима в помещениях в холодный период года.
В процессе эксплуатации теплофизические характеристики наружных ограждений не должны меняться со временем. Животноводческие и птицеводческие помещения, хранилища картофеля и овощей в холодный период года эксплуатируются с относительной влажностью воздуха ?в ≥ 75 %, то есть относятся к влажным или мокрым. Для таких помещений в нормальной или влажной зонах влажности территории строительства эксплуатационные теплофизические характеристики материалов (λ [Вт/(м⋅°C)], теплоусвоения s [Вт/(м2⋅°C)] при периоде 24 часа) должны приниматься по графе градации Б*, как это рекомендовалось ранее в СНиП II-А.7-71 [4].
Особо важной для строительных материалов является зависимость коэффициента теплопроводности λ от влажности, так как с увеличением влажности материалов коэффициент теплопроводности возрастает.
В действующих в настоящее время Своде Правил, включая СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий», актуализированная редакция СНиП 23-02–2003 [5], отсутствуют теплофизические характеристики строительных материалов, эксплуатирующихся во влажных и мокрых помещениях, соответствующие графе градации Б*. Следствием этого является увлажнение материалов наружных ограждений в процессе эксплуатации сельскохозяйственных зданий и повышение значений их коэффициентов теплопроводности. Нарушается рассчитанный тепловой баланс помещений, приводящий к нерасчетному понижению температуры внутреннего воздуха, то есть повышению энергоемкости зданий.
Расчет влажностного режима наружных конструкций неотапливаемых производственных сельскохозяйственных зданий проводится по полученным в результате теплотехнического расчета конструктивных решений ограждений по действующим методикам. Особое внимание следует уделять на предотвращение возможных зон конденсации в толще ограждений путем рациональной с теплофизической точки зрения расстановки слоев конструкций по направлению движения водяных паров.
Заключение
- Преимуществом разработанной методики нормирования и расчета теплового контура неотапливаемых производственных сельскохозяйственных зданий является взаимосвязь функционального назначения помещения с индивидуальными теплофизическими и биологическими показателями животных, птиц, или же хранящегося сочного растительного сырья.
- Показаны условия, при которых в производственных сельскохозяйственных зданиях параметры микроклимата формируются и поддерживаются за счет естественных источников энергии.
- Необходимо в нормативной литературе восстановить необходимые для грамотного проектирования теплофизические характеристики тепловлажностного состояния строительных материалов, эксплуатирующихся во влажных и мокрых помещениях, соответствующих графе градации Б*.
- СНиП II-3–79*. Строительная теплотехника, 2001.
- Бодров В.И. Хранение картофеля и овощей: Инженерные методы создания и поддержания технологического микроклимата / В.И. Бодров. — Горький: Волго-Вятское кн. изд-во, 1985.
- Бодров В.И. Микроклимат производственных сельскохозяйственных зданий и сооружений / В.И. Бодров, М.В. Бодров, Е.Г. Ионычев, М.Н. Кучеренко. — Н. Новгород: ННГАСУ, 2008.
- СНиП II-А.7-71. Строительная теплотехника.
- СП 50.13330.2012. Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02–2003.
