Введение
В настоящее время сельскохозяйственная сфера в Российской Федерации активно развивается. В частности, животноводство является основным направлением, поскольку мясо — значимый и ценный продукт в рационе человека. Развитие данной отрасли зависит от многих факторов. Проявление генетического потенциала у сельскохозяйственных животных возможно лишь при создании оптимального с физиологической точки зрения микроклимата. При выборе систем обогрева сельскохозяйственных зданий необходимо руководствоваться принципами энергоэффективности.
На данный момент бóльшая тепловой энергии получается из централизованных источников и только треть — из децентрализованных. И это при том, что зарубежный опыт показывает — децентрализованное газолучистое отопление является наиболее перспективным вариантом отопления большепролётных зданий, в том числе зданий сельскохозяйственной сферы для содержания животных. Меньшие капитальные вложения и сниженные эксплуатационные затраты позволяют утверждать, что при правильном расчёте гарантирован высокий уровень энергоэффективности. А применение светлых излучателей, обладающих рядом положительных качеств, позволяет повысить продуктивность в исследуемой сельскохозяйственной ферме.
Описание
Рассматриваемый строительный объект находится в сельскохозяйственном районе. Это частная ферма (рис. 1), построенная в 2010 году и предназначенная для жизнедеятельности восьми голов лошадей, а также 20 голов домашней овцы. Размеры в осях — 11 и 25 м. Наружные стены выполнены из газобетона с утеплителем, облицованы кирпичом. Фундамент — монолитная плита. Скатная кровля из стальной черепицы с утеплением. Окна ПВХ — 16 штук. Объект также оборудован двумя воротами.
Рис. 1. План фермы с «легендой» температур
Общая площадь объекта — 275 м². Её предлагается разделить на три зоны с разной температурой: зона персонала — требуемая температура 18°C; зона жизнедеятельности овец — 12°C; зона жизнедеятельности лошадей — 8°C.
На данный момент осуществляется типовое отопление водяными радиаторами до температуры во всём здании 18°C. По приближённым расчётам количество энергии будет равно:
Qобщ = V34 = 1650×34 = 56 кВт. (1)
Для сокращения потерь энергии и устранения образования воздушной «подушки» под крышей предлагается установить светлые излучатели в каждой зоне с поддержанием требуемой температуры.
Тепловой баланс
Необходимо установить тепловой баланс здания, который складывается из тепловой нагрузки здания. То есть это потоки тепла, выходящие из здания через ограждающие конструкции, и тепловые потоки, которые будут поступать от источника энергии.
Тепловая нагрузка:
где Qт — номинальная трансмиссионная тепловая нагрузка, Вт; kN — номинальный коэффициент теплопередачи, Вт/(К· м²); ∆t — разность температур, К.
Для кровли и наружных стен проведён теплотехнический расчёт, исходя из которого можно определить коэффициент теплопередачи по формуле:
где αв и αн — коэффициенты теплоотдачи внутренней и наружной поверхностей ограждающих конструкций, соответственно, Вт/( м²·°C); ∑Ri — сумма коэффициентов сопротивления теплопередаче каждого слоя стены, м²·°C/Вт.
Тепловые потери для кровли и стен:
Q = AkN(ti — ta), (4)
где ti и ta — внутренняя и внешняя температуры, соответственно, °C. Тепловые потери части здания, соприкасающийся с грунтом, рассчитываются следующим образом:
Qe = Qal + Qgw, (5)
где Qe — теплопотери помещения через поверхности, соприкасающиеся с грунтом, Вт; Qal — теплопотери вследствие поступления через грунт атмосферного воздуха, Вт:
Qal = kaqalUbal(ti — tal); (6)
Qgw — потери зданием тепловой энергии из-за грунтовых вод, Вт:
Qgw = kaqgwA(ti — tgw), (7)
где kaqgw и kaqal — эквивалентный коэффициент теплопередачи для теплового потока к грунтовым водам, связанный с атмосферным воздухом, Вт/( м²·°C).
Расчёт излучателей
Необходимо рассчитать мощность и количество светлых излучателей в соответствии с тепловой нагрузкой здания для каждой зоны отдельно.
В начале расчёта задаём параметр интенсивности излучения Is. На основании этого параметра можно рассчитать заниженную внутреннюю температуру. Требуемая температура будет создана при помощи излучения:
tl = te — fIs, (8)
где te — воспринимаемая температура, °C; tl — заниженная температура, °C; f — фактор 0,072; Is — интенсивность излучения соответственно температуре воздуха, её величина принимается самостоятельно.
При температуре воздуха tl рассчитываем общую отопительную нагрузку для помещения по формулам (4) и (5).
Класс теплоизоляции окон, ворот, освещения неизвестен, поэтому, чтобы рассчитанная отопительная нагрузка для данного помещения гарантировала достаточное отопление, были взяты самые низкие параметры изоляции.
Принятая кратность воздухообмена с учётом открывающихся двух ворот равна 0,5 ч-1. Тогда отопительная нагрузка на вентиляцию составит:
Ql = βminVrcρ(ti — ta), (9)
где βmin — минимальная кратность воздухообмена, β = V/Vr, ч-1; V — объём потока атмосферного воздуха, м³/ч; Vr — объём помещения, м³; c — теплоёмкость воздуха, около 1000 Дж/(кг·°C); ρ — плотность воздуха, кг/м³.
Общая отопительная нагрузка определится по формуле:
QN = Qт + Ql. (10)
На примере зоны для лошадей сведём полученные данные в табл. 1.
Используя КПД можно рассчитать мощность:
Проверка заданной интенсивности излучения:
Если заданная интенсивность излучения соответствует заданной, расчёт верен.
Интенсивность излучения от источника, оснащённого отражателем под углом выхода 90°, напрямую зависит от высоты подвешивания. Определим длину облучаемой поверхности [м]:
s = 2h. (13)
При полученной высоте монтажа площадь должна быть полностью облучена.
Практика показывает, что интенсивность излучения уменьшается к внешней стороне облучаемой поверхности. Это можно устранить посредством установки нескольких излучателей низкой мощности вместо одного более мощного, причём требуется расположить их так, чтобы повышалась интенсивность излучения [ кВт] при совместной работе:
Is = Iocos(β). (14)
Так как две поверхности не соединены общим источником излучения, они будут обмениваться излучением до тех пор, пока разность температур не будет равна 0°C. Необходимо выяснить величину потока тепла [Вт], перенесённого от излучателя к полу:
Qi,j = Ci,jΦi,j(ti4 — tj4)Ai, (15)
где Φi,j — коэффициент облучения, принимаемый по методическим рекомендациям; Ci,j — приведённый коэффициент излучения, Вт/(К4· м²).
Необходимо увеличить мощность излучателей на величину, равную обмену излучателя с полом, для выравнивания теплового баланса. Мощность составит:
Рассчитаем тепло, выделяемое животными, и скорректируем мощность:
Qобщ.ж = Qжn, (17)
где Qж — тепло, выделяемое одним животным, его величина принимается по СП 106.13330.2012 «Животноводческие, птицеводческие и звероводческие здания и помещения»; n — число животных, шт.
Корректировка мощности излучателя:
Итого общая мощность установок здания составит величину:
Qобщ = Q18 + Q12 + Q8 = 7,0 + 7,26 + 4,27 = 18,53 кВт. (19)
Разница между типовым водяным Qв и локальным отоплением зон с помощью светлых излучателей Qи составит:
Q∆ = Qв — Qи = 56–18,53 = 37,47 кВт. (20)
Наглядно видно, что разница — почти в три раза.
Вывод
Развитие и процветание животноводческой отрасли тесно связано с внедрением новых технологий и оборудования, которые бы развивали отрасль. Условия, в которых содержаться животные (в частности, микроклимат), играют большую роль в обеспечении продуктивности и здоровья животных. Микроклимат — это обогрев, влажность, воздухообмен и другие показатели. Но именно правильный обогрев задаёт оптимальный набор параметров для комфортной жизнедеятельности.
Расчёт показал, что при отоплении типовой системой водяного отопления тратится 56 кВт. Вследствие особенностей большепролётных зданий под их крышей образуется воздушная «подушка», что приводит к снижению энергоэффективности системы почти в три раза в сравнении с вариантом со светлыми излучателями, которые обогревают до требуемой температуры определённые зоны.
Ввиду систематического повышения цен на газ и с учётом специфики хозяйственной деятельности, а также возможной экономической выгоды целесообразно рассмотреть варианты модернизации светлых излучателей для работы на альтернативных источниках энергии, например, биогазе.
