Методы оптимизации микроклимата в животноводческих помещениях

Целью моделирования является построение модели режимов работы климатических установок в животноводческих помещениях для снижения энергозатрат.

Анализ показал, что в настоящее время разработаны различные энергосберегающие методы и оборудование, средства для их реализации при обеспечении оптимального микроклимата на фермах крупного рогатого скота. Часть этого оборудования требует совершенствования и проверки эффективности использования в практических условиях [1].

Однако внедрение энергосберегающих методов и оборудования сдерживается отсутствием программного продукта, который бы обеспечивал управление микроклиматом при помощи вычислительной и микропроцессорной техники.

Целью проведения расчета тепловлажностного баланса животноводческого помещения с системой обеспечения микроклимата на базе утилизации теплоты выбросного воздуха является определение дополнительного количества теплоты на обеспечение требуемых параметров микроклимата при определенных объемно-планировочных и конструктивных решениях с учетом тепло-возврата от теплоутилизационных установок [2].

Потребность в дополнительном количестве потока теплоты определяется по формуле

Q доп = Qorp + В в + И и + Жж ■ (1)

Теплопотери помещением через ограждения определенного варианта объемнопланировочного и конструктивного решения рассчитываются по формуле

' п • Тсс

Ж ОГР - Z Г- РТС ^(в В ^-в Н ) -[ ^R Осс

ПР ПР ОТС

+

+

п пс ' ^Fnc

r ПР

ОПС

+

п лок ' ^fqok

пОК 'Т ОК I п ПР + ООК

пв 'т в

ПР

ОВ

ПР

ОЛОК

I ^F ПОЛ

⁺ П^ПР

ОПОЛ

+

’ ( Bq - Н_Н ).

1 /

При этом теплопотери с инфильтрацией не учитываются.

Теплопотери на испарение влаги с открытой водной и смоченной поверхностей с учетом технологии содержания животных и планировочных решений животноводческого помещения определяются по формуле

_И =0,68∙ _И = 0,68( _{СМ СМ} + _{ОТКР ОТКР} ),                             (3)

где 0,68 – скрытая теплота испарения, Вт∙ч/г.

Количество влаги, испаряющейся с открытых водных и смоченных поверхностей, определяется в зависимости от технологии навозоудаления [2]:

• -    при беспривязном содержании и периодической уборке навоза

WИ =(FНЖ+FП) ∙ωОТКР=(FНЖ+FП)∙10( ,    ,    В)∙(1- В);

• -    при содержании животных на решетчатых полах

П = К ∙ К + П ∙ П =

= К∙(23,75+1,486  + 0,025  )∙(1-   )+ П∙10( ,    ,     )∙(1-   ) ;(5)

• -    при привязном содержании и механической уборке навоза

^П п = ^шсм ■ Сем + п>п ■ Пп = Сем ‘ (30 + 2 ^,2 ^ в ) ‘ (1 - <Р в) + См • 10 ( ² , ^{12 7+0,02 69 1)} •

∙(1-).

Теплопотери помещения с вентиляционным воздухом определяются с учетом тепловозврата утилизаторами по формуле

QB = Qnp-QyT = [0,278 • Gnp • (tB-tH)-qyT • zyT].

Требуемое количество приточного воздуха определяется из условия удаления избытков влаги

ПР =(Ж +И)∙(В - Н).

Количество водяных паров, выделяемых животными при дыхании, определяется в соответствии с видом и возрастом животных и с учетом расчетной температуры в помещении по формуле

Ж =Ж ∙Ж ∙ЖВ ,(9)

где ω ж – для телят и молодняка при интенсивном откорме определяется по формуле

ШЖ = 0,78РЖ + 7,56tВ-0,005РЖtВ-36.(10)

Для остального поголовья крупного рогатого скота ω Ж определяется по [2] .

К ЖВ – определяется по [2] для крупного рогатого скота и свиней соответственно.

Количество свободного потока теплоты, выделяемое животными, определяется в зависимости от вида, возраста и расчетной температуры внутреннего воздуха

_Ж ^СВ = _Ж ∙ _Ж ^СВ ∙ _ЖТ ,                               (11)

где _Ж ^СВ – для телят и молодняка при интенсивном откорме определяется по формуле

Ж ^СВ = 1,26 Ж - 2,9 В - 0,02 ЖВ + 121.                  (12)

Для остального поголовья крупного рогатого скота определяется по [2] .

К ЖВ – определяется по [2] для крупного рогатого скота и свиней соответственно.

Тепловозврат от теплоутилизационных установок определяется в зависимости от типа тепло-утилизатора и его теплотехнических характеристик при различных температурно-влажностных условиях первичного и вторичного теплоносителей и определяется по формуле

QУТ = Уут^ут = ^f(Нн_х , ^ВВ , <РВ )                                 ⁽¹³⁾

где q ут = & ут • Ai. ут = А ут • ^(В в - ^В н _УТ ) .                            ⁽¹⁴⁾

Минимально требуемое количество теплоутилизаторов для конкретного помещения определяется в зависимости от вида теплоутилизаторов и требуемого воздухообмена при максимальной расчетной температуре наружного воздуха для отопительного периода (в соответствии с расчетом тепловоздушного баланса) по выражениям:

• -    при G УТ >  4,0 тыс.м³/ч

Z УТ = — + 0,7 - целое число;(15)

G ут

• -    при G УТ ≤ 4,0 тыс.м³/ч

Z УТ = — + 1 - целое число.(16)

G ут

С учетом выбранного количества утилизаторов корректируется расчетный максимальный воздухообмен

Gвр = Gут •Z^(17)

При понижении температуры наружного воздуха ниже расчетной может быть уменьшено количество работающих утилизаторов либо снижена воздухоподача регулируемых приточных вентиляторов теплоутилизационных установок.

При уменьшении воздухоподачи приточных вентиляторов теплоутилизационных установок в животноводческих помещениях должен обеспечиваться воздушный баланс по притоку и вытяжке за счет применения рециркуляции выбросного воздуха, прошедшего тепловую обработку в утилизаторе.

Потребность в дополнительном тепле может быть реализована с помощью воздухоподогревателей (водяных или электрокалориферов), встроенных в конструкцию теплоутилизаторов, либо с помощью предусматриваемых тепловентиляционных установок, работающих на рециркуляционном воздухе, либо с помощью приборов местного отопления (регистров, электроконвекторов и других нагревательных приборов).

Окончательный выбор тепловентиляционного оборудования для системы обеспечения микроклимата (СОМ) с утилизацией теплоты выбросного воздуха должен производиться на основе результатов вариантных расчетов тепловлажностных балансов с учетом различной степени утепления зданий и его отдельных элементов, эффективности теплоутилизаторов различного типа, мощности и эффективности средств дополнительного подогрева.

Расчет теплового баланса показывает, что в итоге необходимо выбрать тип и количество оборудования для животноводческого комплекса с учетом всех потерь. Облегчить вопросы реализации энергоэффективных режимов может информационная система по расчету и выбору системы обеспечения микроклимата для животноводческого помещения, напрямую работающая с частотнорегулируемым электроприводом.

В процессе проектирования было выделено несколько функционально-однородных модулей, которые позволяют, в свою очередь, выделить множество отдельных операций, которые целесообразно объединить по функционально-однородному признаку в несколько подсистем.

Разработанная информационная система включает следующие модули (подсистемы):

• а)    справочник «Теплоутилизаторы»;

• б)    диаграммы;

• в)    расчет теплопотерь через ограждение, на испарение влаги, с вентиляцией; количества теплоты, выделяемой животными;

• г)    ввод-вывод данных;

• д)    расчет энергопотребления;

• е)    формирование отчета;

• ж)    справка.

Каждая подсистема отвечает за выполнение конкретных задач. Приводится описание подсистем и задач, которые они выполняют.

Разработанная информационная система решает ряд вышеописанных задач, которые объединены в подсистемы: справочники, диаграммы, расчеты [3].

Обычно применяемый метод расчета теплового баланса исходит из основных заданий (расчет теплопотерь, тепловозврат от теплоутилизационных установок, вид теплоутилизатора, требуемый воздухообмен в помещении) и использует ряд величин и формул из практики проектирования систем обеспечения микроклимата животноводческих помещений.

Допустим, в автоматизированную информационную систему поступили сведения об изменении температуры внутреннего воздуха в животноводческом помещении. Открываем рабочую форму, переходим по вкладке «Температура» и вносим данные о поступившем изменении. На рисунке 1 представлена рабочая форма «Расчет».

Рис. 1. Рабочая форма «Расчет»

После проведения расчета необходимо обратиться к кнопке «Сохранить в базу данных».

Рабочая форма предполагает проведение расчета теплового баланса помещения при использовании различных материалов для внутренней поверхности стен и покрытий при различной геометрии здания (рис. 2).

Рис. 2. Выбор используемого материала

Аналогичным образом осуществляется построение диаграмм и графиков. Следует также отметить, что в подсистеме «Диаграммы» решается такая задача, как построение графиков зависимости испарения влаги с открытых поверхностей и графиков зависимости удельных влаговыделе-ний от температуры воздуха. На рисунке 3 приведена рабочая форма «Диаграмма».

Рис. 3. Рабочая форма «Диаграмма»

Кратко опишем процедуру построения диаграммы по исходным температурным параметрам. Процедура обращается к рабочей форме «Расчет» и отыскивает параметры для конкретного зда- ния и «запоминает» их. Далее возвращается в таблицу «Расчеты» и затем в поле «Построить диа-грамму/график» строит диаграмму для конкретного расчета.

Рис. 4. Построение диаграммы количества теплоутилизаторов и изменения внутренних температур в помещении

Итак, были рассмотрены примеры основных расчётных программ созданной информационной системы.

На основании физических взаимозависимостей составлена адекватная математическая модель регулирования микроклимата в животноводческих помещениях.

На основании этой модели разработано программное приложение [3] для имитации регулирования систем микроклимата и выработки управляющих воздействий, поддерживающих температуру и влажность воздуха в животноводческом помещении на оптимальном уровне.