Многофункциональное производственное сооружение для фермерских и личных хозяйств

с повышенной затяжкой и проволочные прогоны (рис.

1). Покрытие сооружения предусмотрено утеплённым трёхслойным: внутренний слой - из долговечной полимерной плёнки, средний – из эффективных теплоизоляционных материалов, наружный – из поликарбонатных          панелей          или светостабилизированной плёнки долговечностью три - семь лет. Замена внешнего слоя из такой пленки возможна в процессе эксплуатации. В зависимости от конъюнктуры рынка сооружение может использоваться, например , для содержания некрупных сельскохозяйственных животных, птицы , выращивания грибов, овощей, цветов. Сооружения могут блокироваться с жилым домом или предусматриваться отдельностоящими.

Рисунок 1 – Схема каркаса грибоводческого сооружения : 1 – арка ; 2 – проволочные прогоны ; 3 – распорка ; 4 – связи

Одним из возможных видов деятельности фермерских и личных хозяйств является круглогодичное культивирование высших грибов: шампиньонов, вешенки и др., позволяющее получать до 100 кг/м2 белково-витаминной продукции. Грибы выращиваются при относительной влажности воздуха 75-80%, требуемая температура воздуха в холодный период года составляет 13-15оС. Грибоводческое сооружение определённой площади может быть запроектировано с различными размерами в плане. Исследование стоимостной функции сооружения, единовременные и энергетические затраты в которой были выражены через пролёт арки, показало, что при площади сооружения до 200 м2 его ширину целесообразно принимать 6-7 м, в пределах 200…300 м2 - 7,5-8,5 м и 300…400 м2 - 9-10 м. По результатам исследования разработаны три габаритные схемы сооружения с арочной и складчатой формой покрытия: пролётом 6, 7.5, 9 м и высотой соответственно 3.9, 4.5 и 4.8 м (рис. 2).

а)

б)

Разработанное многофункциональное сооружение имеет ряд особенностей, обеспечивающих возможность снижения расчётной снеговой нагрузки: совмещённое лёгкое покрытие, температура воздуха в холодный период года 12-15º, малый коэффициент трения скольжения снега (0,02-0,08) по полимерной кровле, необходимый уклон (не менее 18º) для самоудаления снега и небольшая длина ската покрытия. Проверка возможности самоудаления снега с покрытия арочного сооружения и снижения снеговой нагрузки осуществлялась в холодные периоды 2008-2010 г.г. на фрагменте, поперечный профиль которого был выполнен в масштабе 1:2 по отношению к габаритной схеме пролётом 6 м. Размеры фрагмента в плане: длина 3,5 м, ширина 3,2 м, угол наклона кровли к горизонту в коньке составлял 18-20º. Совмещенное покрытие, уложенное по проволочным прогонам, состояло из пароизоляционного плёночного слоя, теплоизоляционного слоя толщиной 8 см из пенополистирольных плит марки 15 и кровли из поликарбонатных панелей толщиной 4 мм (на одном скате покрытия) и полиэтиленовой плёнки (на другом скате). Толщина утеплителя определялась для расчётной внутренней температуры 13º (применительно к культивированию грибов), обеспечение которой осуществлялось электрообогревом. Проверка влияния тепловыделений сооружения на самоудаление снега осуществлялось неоднократно по мере накопления осадков на покрытии. При проведении эксперимента регистрировались толщина и плотность слоёв снега на земле и покрытии, наружная температура, даты выпадения осадков и самоудаления снега с покрытия.

Рисунок 3 – Схема теплопереди через покрытие

В процессе наблюдений установлено следующее. При выпадении осадков снег откладывался на покрытии почти равномерным слоем – с небольшим уменьшением толщины от конька к крутой части ската, что соответствует приведенной в нормах [1] схеме снеговой нагрузки для покрытий в виде стрельчатых арок. Повышение внутренней температуры воздуха до расчётного значения 13º обусловливало самоудаление снега с покрытия, при этом фактическое время от начала включения отопления до соскальзывания снега примерно в три раза превышало расчётное. Так при понижении наружной температуры от -5º до -10º в течение 10 часов и толщине слоя снега на покрытии 0,16м период времени от подачи тепла до самоудаления снега с фрагмента составил 36 ч, а рассчитанный методом конечных разностей – 10 ч. Значительное превышение фактического времени над расчётным в основном обусловлено неучтёнными теплопотерями через грунт и неравномерным прогревом покрытия (коэффициент вариации температуры внутренней поверхности равнялся ± 6%). Самоудаление снега и смешанных осадков с обоих скатов неотапливаемого фрагмента происходило при нулевой или небольшой положительной температуре уже при толщине слоя 23см. Отмечено соскальзывание снега под действием силы собственной тяжести с большей части плёночной кровли неотапливаемого фрагмента при -2º и толщине слоя осадков до 8 см. В связи с неоднократным сходом снега толщина и плотность его слоя на покрытии фрагмента за зимний период не превысили 50% толщины и 70% плотности снежного покрова. Максимальная высота осадков на покрытии равнялась 0,16 м при плотности 130 кг/м3, снеговая нагрузка на горизонтальную проекцию покрытия при этом не превысила 0,25 кПа (25 кгс/м2). Например, в начале марта 2009г. при весе снегового покрова 0,85 кПа нагрузка на фрагмент была равна нулю.

Полученные результаты показали, что в течение холодного периода накопление снега на полимерной кровле отапливаемого малопролётного арочного сооружения будет происходить периодически вследствие неоднократного самоудаления снега под влиянием ряда факторов: оттепелей, теплопотерь через покрытие, силы собственной тяжести. В связи с этим определённая по СНиП 2.01.07-85* снеговая нагрузка на арочное сооружение будет иметь завышенное значение, так как районирование нагрузок в нормах выполнено на основе характеристик длительно формировавшегося снежного покрова. Накопление данных о реальных нагрузках потребует значительного периода времени. Учитывая физические свойства покрытия рассматриваемого сооружения, прогнозируемое значение снеговой нагрузки (S) можно определить через наибольшие возможные значения плотности слоя снега на покрытии (р) и его толщины (5°), установленной из условия подтаивания снега на кровле вследствие тепловыделений сооружением:

S = Р-5° СН      (1)

С достаточной для практических целей точностью толщина слоя снега на покрытии, обеспечивающая нулевую температуру на кровле, определяется при допущении о стационарности теплового потока через ограждение. Такое допущение, применяющееся в теплотехнических расчётах ограждающих конструкций, возможно в связи с небольшой суточной амплитудой наружного воздуха и практически стационарным режимом в ночное время в зимний период. При стационарном режиме количество тепла, проходящее в единицу времени через покрытие и слой снега (тепло не затрачивается на снеготаяние), должно быть постоянным:

Q = Q в = Q п = Q сн = Q н ,    (2)

где Qв, Qп, Qсн, Qн – количество тепла, воспринимаемое внутренней     поверхностью, проходящее через покрытие, проходящее через слой снега на покрытии, отдаваемое наружной поверхностью снега. Или:

t — t t В t ВП

1=

^а В

n r

t ВП t П      J t П t HC          t HC t H

⁵ П dx = = ^CH V dx =        1          ⁽³⁾

о n ( r + x )         о n ( R + x ) a ^{n (R + 5} ch )

180              180 ^H 180

где αв, αн - коэффициенты теплоотдачи внутренней и наружной поверхности; tв, tвп, tп, tнс, tн – температуры внутреннего воздуха, внутренней поверхности, на поверхности покрытия, на поверхности слоя снега, наружного воздуха; λп, λсн – коэффициенты теплопроводности утеплителя и снега; r, R – радиусы внутренней и наружной поверхности покрытия; δп, δсн – расчётная толщина утеплителя (δп =R-r) и слоя снега на покрытии.

После преобразований получим математическое выражение требуемой толщины слоя снега, обеспечивающей нулевую температуру на поверхности покрытия:

^CH

CH

= <  exp

'   + Xln r±^L) (- tH )^CH l aBr   ^П      r J    tB    .

- 1 ^ ( r + 5 n ) -

Для определения 5 ° необходимо установление расчётных значений наружной температуры, предельной для значительных осадков в виде снега в рассматриваемом районе, и теплопроводности снега.

На Европейской части страны снегопады наблюдаются в диапазоне температур от +4 до -20º, при температурах более высоких и более низких снегопады не отмечались . Максимум снегопадов приходится на температуры от -2 до -10º. В южной полосе страны снегопады наблюдались при температуре до -15º [3,4]. Наибольшая интенсивность выпадения снега (мм/ч) отмечается при небольшой отрицательной температуре, при понижении температуры интенсивность быстро уменьшается [2]. На основании опубликованных климатических данных расчетную температуру наружного воздуха в (4) для III снегового района можно принять -20º, для II и I - равной -15º. В соответствии с [5] число дней со средней суточной температурой выше -20º и -15º в наиболее холодном месяце в регионах, расположенных в указанных снеговых районах, в среднем составляет более двух декад, что позволяет обеспечить самоудаление снега с арочного сооружения вследствие его подтаивания на кровле.

Теплопроводность снега пропорциональна его плотности и при значении плотности сухого снега до 350 кг/м3 может быть вычислена по формуле: XСН = 10-6 • 2,856рСн , Вт (м °С) [4,6]. Как показали результаты эксперимента, самоудаление снега с покрытия фрагмента в течение зимы происходило неоднократно. В связи с этим продолжительность накопления снега на сооружении при определении его плотности можно ограничить одним месяцем. Для определения расчётного значения теплопроводности снега в качестве базового месяца для регионов, расположенных в III снеговом районе, целесообразно принять декабрь , в конце которого плотность снегового покрова в соответствии с [5] составляет более половины плотности на последнюю декаду снеготаяния. Для регионов, расположенных в I и II снеговых районах и характеризующихся недлительным залеганием снежного покрова, при установлении коэффициента теплопроводности снега целесообразно использование значения плотности, приходящейся на декаду наибольшей высоты снежного покрова. При определении расчётного значения плотности снега на покрытии ( ρ) учитывалось её уменьшение по значения по отношению к плотности снегового покрова земли:

ρ= µ(ρСΗ + 3σСΗ ), (5)

где µ - коэффициент перехода от плотности снегового покрова земли к плотности снега на покрытии, с учётом опытных данных принятый равным 0,8; ρ _СΗ и σ _СΗ - средняя плотность и среднее квадратическое отклонение плотности снегового покрова земли.

Обработка климатических данных [5] показала, что в III снеговом районе расчётное значение плотности снега на покрытии по регионам изменяется от 186 до 226 кг/м3, во II снеговом районе – от 168 до

220 кг/м³ и в среднем составляет соответственно 208 и 192 кг/м³. На основании полученных результатов расчётные значения плотности снега на покрытии и коэффициента его теплопроводности можно принять равными для III снегового района 230 кг/м³ ( λ _СΗ = 0,151 Вт / м ⋅ ºС), для II района -220 кг/м³ ( λ _СΗ = 0,138 Вт / м ⋅ ºС).

Прогнозируемое значение снеговой нагрузки на горизонтальную проекцию покрытия, определённое на основании установленных расчётных характеристик слоя снега на арочном сооружении, в III снеговом районе равно 1,0 кПа, во II снеговом районе – 0,66 кПа, что меньше вычисленных по нормам [1] значений нагрузки, изменяющихся в зависимости от пролёта арки в указанных районах соответственно в пределах 1,26-1,5 кПа и 0,84-1,0 кПа.

Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций зданий регламентируется нормами [7]. Установлено, что для разработанного сооружения при невысокой внутренней температуре (например , 12-13º) толщина утеплителя, определённая на основании указанных норм, может оказаться меньше толщины утеплителя, вычисленной с учетом экономических факторов:

^δ УΤ ⁼

Τ(t -t )Z ⋅ С mrλ в С.Η.        Τ УΤ

с

УΤ

- ( R _в + R _Η ) λ _{УΤ ,} (6)

где Τ – период окупаемости сооружения, не превышающий трёх лет; t _в - расчётная температура внутреннего воздуха; t и Ζ - средняя температура с . н .

наружного воздуха за отопительный период и продолжительность отопительного периода; m -коэффициент, учитывающий ежегодное повышение стоимости тепловой энергии; r - коэффициент, учитывающий влияние ветра на теплопотери; CУΤ и СΤ - стоимость утеплителя в конструкции, руб/м3, и тепловой энергии;    λУΤ    - коэффициент теплопроводности утеплителя; Rв и RΗ -сопротивление тепловосприятию и теплоотдаче внутренней и наружной поверхности ограждения.

В формуле (6) стоимость тепловой энергии зависит от способа её производства и поставщиков (продавцов), которых может быть несколько в регионе, а стоимость теплоизоляции – от способа возведения сооружения (собственными силами, подрядный). Например, применительно к г. Орлу при строительстве сооружения собственными силами и использовании тепловой энергии от МУП «Орёлгортеплоэнерго» (С Τ = 887 руб/Гкал, m =1,2) оптимальная толщина утеплителя при расчётной внутренней температуре 12º равна 0,09 м, что превышает требуемую по нормам [7] толщину теплоизоляции из пенополистирольных плит 0,06м.

На основании полученных результатов применительно к разработанному сооружению можно сделать следующие выводы : предложенный способ прогнозирования снеговой нагрузки, учитывающий физические свойства покрытия, позволяет на 20% уменьшить её расчётное значение; термическое сопротивление ограждающих конструкций целесообразно определять также с учётом экономических факторов.

Теоретический и научно - практический журнал . Основан в 2005 году

Учредитель и издатель : Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования « Орловский государственный аграрный Университет »

Адрес редакции:

Свидетельство о регистрации ПИ №ФС77–21514 от 11.07.2005 г.

Сдано в набор 10.08.2012 г. Подписано в печать 23.09.2012 г. Формат 60х84/8. Бумага офсетная.

Гарнитура Таймс.

Объём 21,5 усл. печ. л.

Тираж 300 экз.

Издательство Орел ГАУ, 302028, г. Орел, бульвар Победы, 19.

Лицензия ЛР №021325 от 23.02.1999 г.

Ж урнал рекомендован ВАК Минобрнауки России для публикаций научных работ, отражающих основное научное содержание кандидатских и докторских диссертаций

Содерж ание номера

Информационное сообщение

К юбилею профессора Максимова Владимира Ильича …………………………………………………. 171