CC BY
72
ВЕСТНИК 2/2011
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МИКРОКЛИМАТА ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ
METHODOLOGICAL BASES OF DESIGNING OF SYSTEMS OF MAINTENANCE OF PARAMETERS OF MICROCLIMATE OF INDUSTRIAL AGRICULTURAL BUILDINGS
Ю.Я. Кувшинов, M.B. Бодров
Yu.Ya. Kuvshinov, M.V. Bodrov
МГСУ, ННГАСУ
Приведены методологические основы выделения производственных сельскохозяйственных зданий в специальный класс сооружений по нормированию и расчету пассивных и активных систем обеспечения параметров микроклимата.
Methodological bases of allocation of industrial agricultural buildings in a special class of construction on rationing and calculation of passive and active systems of maintenance ofparameters of a microclimate are resulted.
В настоящее время мировая и отечественная нормативная и справочная литература по проектированию наружных ограждающих конструкций и систем обеспечения параметров микроклимата производственных сельскохозяйственных зданий рекомендует использовать методики, разработанные и апробированные для гражданских и промышленных зданий. Такой подход к решению проблемы, заключающийся в переносе выработанных многолетней практикой норм проектирования гражданских и производственных зданий на сельскохозяйственные здания, во многих случаях не соответствует физическому смыслу реальных процессов теплообмена и массопереноса в сельскохозяйственных зданиях и их отдельных элементах. Следствием являются недопустимые в инженерной практике отклонения режимов функционирования систем обеспечения параметров микроклимата от расчетных. Данный вывод базируется на следующих ветеринарно-гигиенических, технологических и энергетических особенностях функционирования сельскохозяйственных объектов.
Во-первых, в производственных сельскохозяйственных зданиях имеются постоянно действующие явные биологические тепловыделения. Опыт многих столетий показывает, что допустимую температуру внутреннего воздуха в них можно поддерживать путем утилизации биологических тепловыделений животных, птиц, хранящегося сочного растительного сырья (СРС) без подачи искусственной теплоты извне. Для осуществления необходимого круглогодичного воздухообмена в подавляющем количестве помещений достаточно естественной вентиляции, работающей за счет гравитационного и ветрового давлений.
Во-вторых, животные, птицы, хранящееся СРС в процессе жизнедеятельности выделяют значительное количество влаги и вредных газов. Нормативные значения относительной влажности внутреннего воздуха и предельно допустимые концентра-
ции вредных газов, пыли, микроорганизмов, как правило, превышают величины, рекомендуемые для помещений производственных и гражданских зданий.
В-третьих, конкретные индивидуальные ветеринарно-гигиенические и технологические (по содержанию скота, птиц, хранению СРС) требования являются определяющими при принятии основных объемно-планировочных и конструктивных решений в процессе нового строительства и реконструкции энергосберегающих, экологически безопасных сооружений. Сельскохозяйственные здания по технологическому регламенту отличаются большим разнообразием объемно-планировочных и конструктивных решений и могут включать наземное, полузаглубленное и подземное исполнение.
В-четвертых, нестационарные процессы переноса теплоты и массы влаги в сельскохозяйственных зданиях индивидуальны и многообразны (например, сохранение влаги продукцией при хранении СРС и максимально возможная интенсивность отдачи влаги в процессе сушки биологически активной продукции), зависят от сезонности эксплуатации помещений в стационарных и полевых условиях.
В-пятых, имеются сельскохозяйственные сооружения, системы обеспечения параметров микроклимата которых вообще не подпадают под действующие правила и нормы проектирования и строительства. К ним, например, можно отнести культивационные (зимние, круглогодичные сооружения), установки по сушки травы при заготовке грубых кормов и другие.
Даже приведенные выше особенности формирования параметров микроклимата в сельскохозяйственных зданиях и сооружениях дают возможность утверждать и доказывать, что существующий в настоящее время методологический подход к нормированию и расчету динамики формирования параметров микроклимата в помещениях таких зданий принципиально отличается от имеющихся аналогичных методик для производственных и гражданских зданий. Анализ рекомендуемых для расчетов параметров микроклимата и теплофизических характеристик наружных ограждений существующих методик показывает их неприемлемость для сельскохозяйственных зданий. Результатами являются недопустимые в инженерных расчетах ошибки (в разы) или искажение физических закономерностей процессов аэродинамики и переноса теплоты и влаги в помещениях и в ограждающих конструкциях.
Для гражданских и промышленных зданий количественные обоснования взаимосвязи объемно-планировочных решений с теплофизическими и конструктивными характеристиками теплового контура приводятся в [1]. Основной функцией наружных ограждений таких зданий является поддержание температурно-влажностных параметров внутренней среды и защита от воздействия переменных параметров наружного климата. Для них сопротивление теплопередаче ограждения принимается не меньше требуемого Л0тр.
При наличии в неотапливаемых производственных сельскохозяйственных зданиях в холодный период года постоянно действующих биологических тепловыделений теплофизические характеристики наружных ограждений должны обеспечивать такой удельный тепловой поток через них, чтобы предотвратить переохлаждение животных, птиц или СРС при расчетной температуре наружного воздуха ?н. Приведенная трактовка энергетического баланса здания, имеющего конкретное функциональное назначение, методологически обосновывает принятие за основу нормирования сопротивления теплопередаче наружных ограждений удельного нормируемого теплового потока = бв • &н. При этом не требуется нахождения значений нормируемого перепада температур Д?н = - ?тр, коэффициента теплоотдачи на внутренних поверхностях на-
ВЕСТНИК МГСУ
ружных ограждений ав и температуры точки росы ?р как требуется по [2]. Это неоспоримое преимущество предложенного метода нормирования, т.к. в нестационарных условиях тепломассообмена по температуре ?в и относительной влажности фв внутреннего воздуха в помещениях сельскохозяйственных зданий нельзя добиться необходимой точности определения этих значений. При субъективном выборе (в допустимых нормами пределах) величины Д?н значения могут отличаться на 100...300 %. При данной методике определения величины Roтp увязывается функциональное назначение здания с индивидуальными теплофизическими и биологическими показателями животных, птиц, хранящегося СРС, и его объемно-планировочными решениями.
Приведенные методологические особенности формирования параметров микроклимата в производственных сельскохозяйственных зданиях и сооружениях показывают, что они должны быть выделены в специальный класс по нормированию и расчету пассивных и активных систем обеспечения микроклимата. Объемно-планировочная модель такого здания основана на принципе компактности и формирования буферных зон (рис.). Использование ее позволяет определять рациональные композиционные, планировочные и пространственные параметры, включая системы жизнеобеспечения, с оценкой параметров ветеринарно-гигиенической и технологической комфортности помещений при наличии различного инженерного оборудования или конкретных технических решений по использованию альтернативных источников энергии [3].
Коммуникации
Шум
(кфйкл За гам:
Эяерш Нодп
[ к.чцчгтнч^клн
цоифшурппня
П]1лкш'к-ч:ьш копфш'ур.ипм
Объемно-планировочная модель производственного сельскохозяйственного здания
Для каждого типа зданий (животноводческие, птицеводческие, овощекартофеле-хранилища), сооружений (культивационные, подземные) и технологических установок (сушка травы) должны быть разработаны индивидуальные научно обоснованные инженерные методики расчета пассивных и активных систем обеспечения микроклимата, учитывающих реальные теплофизические процессы тепломассопереноса в них по периодам года.
Результатами проведенных нами исследований по расчету систем обеспечения микроклимата производственных сельскохозяйственных зданий и сооружений, как специального класса зданий, являются следующие положения и выводы.
1. Системный анализ каждого из видов производственных сельскохозяйственных зданий и сооружений, как единых биоэнергетических комплексов, и разработанные на этой основе теплофизические модели позволяют выделить их в специальный класс зданий по нормированию, проектированию, конструированию и эксплуатации пассивных (тепловой контур) и активных (системы отопления и вентиляции) элементов систем обеспечения микроклимата.
2. Разработанная методология нормирования и расчета теплофизических характеристик теплового контура зданий позволяет: взаимоувязывать функциональное назначение и объемно-планировочные решения с биологической активностью животных, птиц, продукции; разработать динамику круглогодичного энергопотребления и условия его минимизации (в пределе до нулевого) системами обеспечения микроклимата.
3. Обеспечение параметров микроклимата при минимуме затрат энергии производственными сельскохозяйственными зданиями и сооружениями вызвало необходимость получения новых теоретических результатов: аналитическая методика расчета температурного режима вентилируемых подземных сооружений с учетом текущей глубины промерзания грунта; графоаналитические зависимости по обеспечению параметрами микроклимата в круглогодичном цикле эксплуатации естественных источников энергии; в теплицах в теплый период года расчетный эффект снятия перегрева от солнечной радиации достигается комплексными системами, включающими системы естественной вентиляции и системы водоаэрозольного охлаждения; формирование температурных полей в системе «биологически активная продукция - влажный воздух» в циклах вынужденной и естественной конвекции подчиняется законам конвективного теплообмена с учетом эффекта испарительного охлаждения; обоснованы области применения реверсивных систем вентиляции, снижающих время работы систем до двух раз; в климатических условиях нечерноземной зоны естественного холода достаточно для охлаждения сочного растительного сырья при хранении, параметры наружного воздуха в июне - июле месяцах отвечают теплофизическим требованиям, предъявляемых к нему, как сушильному агенту, при сушке травы в процессе заготовки грубых кормов; адиабатные вихревые энергоразделители (вихревые трубы) являются теплотехнически, технологически и экономически рациональными аппаратами по выработке холода и теплоты для систем обеспечения параметров микроклимата хранилищ.
4. Интенсивность тепломассопереноса в системе «биологически активная продукция - влажный воздух» характеризуется разностью полных термодинамических потенциалов (потенциалов влажности). Разработаны методики инженерных расчетов влагоотдачи хранящимся сырьем и сохнущей травой, базирующиеся на полученных теоретическо-экспериментальным путем значениях коэффициентов массоотдачи, разностей потенциалов влажности, зависимостей десорбции в координатах «влажность травы - потенциал влажности».
5. Разработанные методики расчета, конструирования и эксплуатации энергоэффективных систем обеспечения параметров микроклимата базируются на основополагающих законах аэродинамики и тепломассопереноса:
- в животноводческих неотапливаемых помещениях для круглогодичного поддержания допустимых температурно-влажностных параметров воздуха выявлена достаточность систем естественной вентиляции (горизонтальной, шахтной, активной
ВЕСТНИК 2/2011
аэрации), показаны области применения каждого вида по периодам года при совместном действии ветрового и гравитационного давлений;
- минимизация энергозатрат в птичниках в холодный период года достигается применением рециркуляции воздуха;
- оптимизация режимов работы систем активной вентиляции овощекартофеле-хранилищ, достигается при удельных расходах воздуха для картофеля и свеклы столовой 50...65 м3/(т-ч), для капусты 100...200 м3/(т-ч); для сушки травы неподогретым воздухом необходимы удельные расходы воздуха 2000.2500 м3/ч на 1 т сена.
6. Научно обоснованы методические основы расчета и конструирования энергоэффективных установок активной вентиляции для сушки травы: графоаналитические методы расчетов с использованием /-^-диаграммы и /-d-0-диаграммы влажного воздуха позволяют оптимизировать производительность и режимы работы систем; определять величины потенциалов влажности воздуха в слое; находить количественные значения коэффициентов массопереноса; рассчитывать текущее количество влаги, удаляемой из сохнущего материала; оценивать возможности, интенсивность и пределы протекания процессов влагообмена.
7. Методика расчета систем обеспечения микроклимата культивационных сооружений в теплый период года основывается на полученных в результате аэродинамических испытаний геометрически подобных моделей в аэродинамической трубе и аналитических расчетов интенсивностей воздухообменов в теплицах. Рекомендованы к практическому внедрению основные конструктивные, аэродинамические и гидравлические характеристики систем водоаэрозольного охлаждения воздуха. Коэффициент обеспеченности охлаждения воздуха в теплице комплексной системой снятия перегрева в течение суток достигает К^ = 1,0. Коэффициент обеспеченности охлаждения воздуха в годовом цикле эксплуатации при совместном действии систем водоаэрозольного охлаждения, активной шахтной и механической вытяжной вентиляции равен
К2 = 1,0
8. Выявлена и количественно оценена роль архитектурных, инженерных и технологических решений и выбора путей управления пассивными и активными системами обеспечения микроклимата, включая факторы круглогодичной естественной освещенности и инсоляции; снижения действия стресс-факторов; снижения удельного потребления корма; повышения продуктивности животных, птиц; повышения долговечности зданий и сооружений.
Литература
1. Бодров В.И., Зелинский П.И. Нормирование сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций овощекартофелехранилищ // Водоснабжение и санитарная техника, 1987, №7. - С. 19.20.
2. СНиП II-3-79*. Строительная теплотехника. 1979, 2001.
3. Кувшинов Ю.Я. Энергосбережение в системе обеспечения микроклимата зданий. - М.: Изд-воАСВ, 2010. - 320 с.
Bibliography
1. Bodrov V. I., Zelinsky P.I. Rationing of resistance to a heat transfer of protecting designs of storehouses of a potato and vegetables // Water supply and the sanitary technics, 1987, №7. - P. 19 ... 20.
2. SNIP II-3-79*. Building the heating engineer. 1979, 2001.
3. Kuvshinov Yu. Ya. Power savings in system of maintenance of a microclimate of buildings. -M: ASV, 2010. - 320 p.
Ключевые слова: производственные сельскохозяйственные здания; системы обеспечения параметров микроклимата; методология нормирования и расчета.
Key words: industrial agricultural buildings; systems of maintenance ofparameters of a microclimate; rationing and calculation methodology.
Кувшинов Юрий Яковлевич, д.т.н., профессор, зав. кафедрой отопления и вентиляции МГСУ. 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26. тел. (495) 991-34-50 [email protected]
Бодров Михаил Валерьевич, .к.т.н. старший преподаватель кафедры отопления и вентиляции ННГАСУ. 603095, Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65. тел. (831) 430-54-85, 89103801189.
Статья представлена ответственным секретарем «Вестника МГСУ», проф. Потаповым А.Д.
