Исследование влияния температуры наружного воздуха на работу устройства для нагрева воды

Введение. Применение энергосберегающих технологий в сельском хозяйстве является перспективным направлением, позволяющим существенно снизить себестоимость продукции, не ухудшая её качества. Особое внимание уделяется технологиям и средствам, работающим от нетрадиционных, вторичных и возобновляемых источников энергии. Этой теме посвящены работы А. А. Масловой, В. Л. Осокина и др. [1, 2, 6, 7, 8].

Использование теплоты, производимой крупным рогатым скотом, является перспективным направлением в энергосбережении, связанным с применением нетрадиционных источников энергии. Для того чтобы правильно использовать эту энергию, необходимо провести оценку ряда факторов, оказывающих влияние на тепловыделение коров и формирование микроклимата в животноводческом помещении. Их существует достаточно большое количество. Среди них такие параметры как: влажность, температура наружного воздуха, газовый состав воздуха, скорость движения воздуха, содержание в воздухе пылевых частиц и микроорганизмов и т. д.

Изучению влияния температуры наружного воздуха на микроклимат в помещении для содержания коров посвящена работа И. В. Суязова, С. В. Лукина [3].

Температура наружного воздуха – это один из факторов, который оказывает существенное влияние на формирование расчётов теплового баланса, который в свою очередь необходим для определения возможности применения устройства для нагрева воды за счёт теплоты, производимой крупным рогатым скотом.

Цель исследования. Цель исследования состоит в том, чтобы изучить температуру наружного воздуха за определенный промежуток времени на примере Нижегородского региона. Это необходимо, во-первых, для расчета теплового баланса животноводческого помещения и конструктивных параметров устройства для нагрева воды. Во-вторых, имея статистику по температуре наружного воздуха в исследуемом регионе и данные теплового баланса в помещении для содержания животных, можно установить продолжительность работы устройства для нагрева воды в течение года.

Материалы и методы.

Было подтверждено, с помощью теоретической оценки потенциала использования теплоты, производимой крупным рогатым скотом, применение устройства для нагрева воды [4, 11].

Как говорилось ранее, температура наружного воздуха влияет на температуру внутри животноводческого помещения и на производство теплоты крупным рогатым скотом, а этот показатель влияет на тепловой баланс животноводческого помещения. Поэтому важно провести ее оценку.

В качестве устройства для нагрева воды, рассматривается теплообменник [4,5], выполненный из трубы и оребренный двумя полосами для увеличения поверхности теплообмена. Материал устройства – нержавеющая пищевая сталь. Устройство предполагается разместить рядом со световым фонарем, или в том месте, где наблюдается наибольшая температура воздуха, как правило, это верхняя часть животноводческих помещений.

Результаты и обсуждение. Для оценки влияния температуры наружного воздуха на работу устройства для нагрева воды, проводится оценка значений температуры в течение определенного периода времени. Для анализа были приняты данные о значениях максимальной и минимальной температур за каждый месяц в период с 2014-го по 2019-й год в Нижегородском регионе [9, 10]. Информация о температуре получена с метеорологической станции Нижний Новгород (Нижегородская область, Россия).

Анализ температур требуется для уточнения конструкционных особенностей устройства для нагрева воды, таких как: протяженность, ширина оребрения, диаметр трубы, а так же для уточнения продолжительности работы в году теплообменного устройства.

Предварительно необходимо рассчитать тепловой баланс животноводческого помещения для содержания крупного рогатого скота, который бы показал, в какое время возможно включение в работу устройства для нагрева воды, а в какое время его работа была бы не эффективна, т.е. то время, когда работа устройства не принесла бы никакой пользы.

Уравнение теплового баланса выглядит так:

2 Q = Q жив.

- ^{( Q} вен. + ^Q ucn. + ^Q огр. ),

где Q _жив. – количество тепла, поступающего в помещение от животных, кВт∙ч; Q _вен. – количество тепла, расходуемое на нагревание вентиляционного воздуха, кВт∙ч; Q исп. – количество тепла, необходимое на испарение влаги с пола, кормушек, оборудования здания, кВт·ч; Q огр. – количество тепла, которое теряется через ограждающие конструкции здания в наружную атмосферу, кВт∙ч.

Расчет теплового баланса был произведен для стандартных значений поголовий КРС в типовых коровниках . Обобщенные результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Результаты расчёта теплового баланса для типовых коровников вместимостью 400, 200, 100 голов

400 голов	Т , °С	Q жив, кВт∙ч	Q вен. , кВт∙ч	Q исп., кВт∙ч	Q огр., кВт∙ч	∑ Q, кВт∙ч
	30	134	-200,2	27	-75	382,2
	20	187,4	-100	17	-37	307,4
	10	231,3	0	10,4	0	220,9
	0	231,3	114,8	10,4	37	69,1

200 голов	30	67	-100,1	20,5	-88	234,6
	20	93,7	-50	12,7	-42	173
	10	115,7	0	7,8	0	107,9
	0	115,7	60,3	7,8	44	3,6
100 голов	30	33,5	-50	12,2	-48	119,3
	20	46,8	-25	7,4	-24	88,4
	10	57,8	0	4,4	0	53,4

Исходя из этих результатов, можно сказать, что устройство будет эффективно работать при температуре от 0°С и выше. А в случае, когда поголовье крупного рогатого скота не превышает 100 голов, устройство для нагрева воды будет нагревать воду исключительно при положительной температуре наружного воздуха.

Из данных таблицы 1 следует, что мощности, которую можно было бы использовать для нагрева воды, а это суммарная тепловая мощность - EQ, кВт, достаточно. Но продолжительность нагрева будет ограничено температурой наружного воздуха.

Переходим к анализу температуры наружного воздуха. Для этого были изучены данные со значениями максимальных и минимальных температур каждого месяца за период с 2014 по 2019 гг по Нижегородской области (табл. 2,3).

Таблица 2 - Максимальные и минимальные температуры наружного воздуха с 2014 по 2016 гг, °С

Месяц	2014		2015.		2016
	мин	макс	мин	макс	мин	макс
Январь	- 27°	+ 2°	- 27°	+ 2°	- 23°	+ 2°
Февраль	- 22°	+ 4°	- 16°	+ 6°	- 9°	+ 3°
Март	- 14°	+ 15°	- 9°	+ 13°	- 13°	+ 9°
Апрель	- 6°	+ 21°	- 2°	+ 25°	- 3°	+ 21°
Май	- 1°	+ 30°	+ 4°	+ 32°	+ 3°	+ 28°
Июнь	+ 5°	+ 31°	+ 7°	+ 32°	+ 5°	+ 30°
Июль	+ 9°	+ 31°	+ 6°	+ 29°	+ 11°	+ 31°
Август	+ 8°	+ 33°	+ 5°	+ 26°	+ 9°	+ 32°
Сентябрь	+ 1°	+ 23°	+ 5°	+ 27°	+ 2°	+ 21°
Октябрь	- 13°	+ 16°	- 6°	+ 16°	- 6°	+ 20°
Ноябрь	- 12°	+ 7°	- 7°	+ 8°	- 15°	+ 2°
Декабрь	- 21°	+ 2°	- 17°	+ 6°	- 24°	0°

Таблица 3 - Максимальные и минимальные температуры наружного воздуха с 2017 по 2019 гг, °С

Месяц	2017		2018		2019
	мин	макс	мин	макс	мин	макс
Январь	- 32°	+1°	- 18°	+ 3°	- 23°	0°
Февраль	- 23°	+ 3°	- 21°	+1°	- 15°	+1°
Март	- 9°	+ 10°	- 19°	+ 5°	- 14°	+ 6°
Апрель	- 5°	+ 25°	- 5°	+ 20°	- 6°	+ 19°
Май	- 1°	+ 25°	+ 2°	+ 27°	+ 2°	+ 27°
Июнь	+ 3°	+ 25°	+ 2°	+ 29°	+ 4°	+ 27°
Июль	+ 8°	+ 33°	+ 12°	+ 33°	+ 6°	+ 25°
Август	+ 8°	+ 31°	+ 9°	+ 30°	+ 4°	+ 26°
Сентябрь	+ 1°	+ 25°	+ 3°	+ 24°	- 1°	+ 22°
Октябрь	- 4°	+ 17°	- 7°	+ 20°	- 5°	+ 18°
Ноябрь	- 9°	+ 7°	- 12°	+ 8°	- 9°	+ 11°
Декабрь	- 9°	+ 3°	- 15°	0°	- 12°	+ 2°

Анализируя таблицы 2 и 3 и учитывая данные таблицы 1 можно сделать вывод, что работа устройства будет эффективна во все дни с мая по сентябрь включительно. Под эффективностью работы устройства для нагрева воды понимается его способность нагревать воду за счет теплоты животных, не оказывая негативного влияния на температуру в животноводческом помещении. В остальные месяцы работа устройства возможна лишь при значениях температуры наружного воздуха достигаемых положительных значений.

декабрь

-40       -30       -20       -10        0         10        20

• ■    2019 ■ 2018 ■ 2017 ■ 2016 ■ 2015 ■ 2014

Рисунок 1 – Диаграмма распределения минимальных температур за период с 2014 по 2019 гг

На диаграмме распределения минимальных температур рис.1 (для построения принималось, что указанные температуры являются наихудшими условиями для работы нагревателя), видно, что устройство для нагрева воды будет работать 5 месяцев в году, с мая по сентябрь.

• ■    2019 ■ 2018 ■ 2017 ■ 2016 ■ 2015 ■ 2014

Рисунок 2 – Диаграмма распределения максимальных температур за период с 2014 по 2019 гг.

На диаграмме распределения максимальных температур, где указанные величины температур принимаются как наилучшие условия для работы нагревателя, наблюдается, что устройство для нагрева воды может работать круглый год. Однако это не совсем справедливо для рассматриваемого региона, хотя теоретически допустимо для регионов с более высокой среднегодовой температурой.

Более наглядную картину дает среднемесячная величина температуры наружного воздуха (рис. 3) (10).

■ 2019 ■ 2018 ■ 2017 ■ 2016 ■ 2015 ■ 2014

Рисунок 3 – Диаграмма распределения среднемесячной температуры за период с 2014 по 2019 гг

Рассмотрев диаграмму на рисунке 3 видно, что наилучшими периодом для работы устройства для нагрева воды является период с апреля по октябрь. Именно в этот период теплообменник даст наилучший результат по экономии электрической энергии, затрачиваемой на нагрев воды, предназначенной для поения.

Заключение. В результате работы был произведен расчет теплового баланса в животноводческом помещении для содержания крупного рогатого скота и выполнен анализ минимальных, максимальных, средних значений температуры наружного воздуха в Нижегородском регионе за последние 6 лет.

Наиболее информативными оказались сведения о средней температуре наружного воздуха. Исходя из полученных данных по температуре и тепловому балансу в помещениях для содержания животных, был получен период времени, в котором устройство для нагрева воды за счет теплоты, производимой крупным рогатым скотом, будет работать преимущественно в весенне-летние месяцы

ГБОУ ВО Нижегородский государственный инженерноэкономический университет