Совершенствование строительных решений цеха субстрата для выращивания шампиньонов

Введение. Одной из проблем современного человечества является дефицит белка в рационе питания людей. Культивирование шампиньонов, содержащих до 7% белка, позволяет получать в специальных культивационных сооружениях до 2,5 тыс. т грибов (80-90 т сухого белка) с 1 га площади выращивания. Шампиньоны обладают также лекарственными свойствами, так как содержат бактерицидные вещества против тифозных палочек [1, 2].

Строительство шампиньонных комплексов промышленного типа требует значительных финансовых вложений, что является основным сдерживающим фактором для развития отечественного грибоводства. Для решения этой проблемы целесообразно создание в ряде регионов страны предприятий по производству субстрата для выращивания шампиньонов, что позволило бы обеспечить качественным субстратом некрупных производителей, использующих приспособленные помещения, повысить занятость населения, увеличить объём производства грибов и значительно снизить капиталовложения в строительство отечественных шампиньонных комплексов и комплексов импортной поставки. Шампиньонный субстрат также является качественным органическим удобрением. Известно, что дефицит органических удобрений в России составляет более 300 тыс. тонн в год [3], а применение органики повышает плодородие почвы и позволяет получать экологически чистую сельскохозяйственную продукцию [4].

Разработанная отечественная технология приготовления субстрата на основе соломы злаковых культур ориентирована на традиционный метод компостирования и состоит из следующих основных процессов: укладки соломы вильчатым погрузчиком на пол цеха слоем примерно 1,5 м и ее периодических поливов в течение 4 суток через поливочную систему; внесения куриного помета раздатчиком удобрений РОУ-6 на слой соломы; укладки полученной массы вильчатым погрузчиком в высокую кучу на площадку для размягчения соломы; размягчения соломы в течение 3 суток; формирования буртов с размерами в поперечнике примерно 2х2м; ферментации субстрата в буртах в течение двух недель с 3-4 перебивками буртов [5, 6]. Технологическая схема цеха субстрата приведена на рис. 1.

Рисунок 1 – Технологическая схема цеха субстрата:

1 – площадка для увлажнения соломы; 2 – площадка для размягчения соломы; 3 – бурты; 4 – подземный резервуар для стоков

Длина и ширина технологических элементов (площадок, буртов) при проектировании цеха определённой производительности могут приниматься различными, при этом будут изменяться размеры здания в плане и площадь его застройки. Очевидно, что можно установить планировочные параметры технологических элементов, соответствующие минимальной площади здания, а следовательно, и наименьшим затратам на строительство цеха. Оптимизированная ширина цеха может являться основой для разработки его габаритной схемы.

Обобщение строительных решений цехов субстрата показало, что каркасы крупных цехов предусматриваются стальными, железобетонными и смешанными с железобетонными колоннами и стальными фермами. В связи с необходимостью использования крупногабаритной сельскохозяйственной техники размещение колонн каркаса во внутреннем пространстве цеха является нецелесообразным. Для каждого из указанных видов каркаса возможно обоснование шага поперечных рам, соответствующего минимуму затрат на его возведение.

Цель работы предусматривала аналитический вывод зависимостей для определения планировочных параметров и шага поперечных рам каркаса цеха субстрата, обеспечивающих снижение строительных затрат.

Объект исследования – цех субстрата с различными видами каркаса: стальным, железобетонным и смешанного типа с железобетонными колоннами и стальными фермами.

Результаты и обсуждение. При неизменном объёме планируемой к выпуску продукции наиболее экономичным является здание с планировочными параметрами, соответствующими наименьшей площади застройки [7, 8]. Минимальную площадь застройки цеха субстрата можно выразить через параметры технологических элементов: площадок, буртов, необходимых проездов. Так установлено, что соответствующую минимуму площади цеха его длину L (рис. 1) можно определить по выведенной зависимости

L = 7,3

Mp ( 1 + 0,104 n ) 2 f + 1 + cn

+ 2 р,

где М – начальная масса укладываемой на увлажнение соломы;

• n – количество буртов в цехе;

• р – расстояние от торца цеха до буртов, необходимое для разворота техники;

• с – технологический зазор между буртами;

• t, f – соответственно технологически требуемое расстояние от площадки 1 до площадки 2 и от площадки 2 до буртов.

Ширину цеха А (рис. 1) следует определять с учётом максимальных размеров поперечного сечения буртов и минимальных зазоров между технологическими элементами, установленных в нормах [5].

На основании зависимости (1) для приведенной в технологических нормах номенклатуры шампиньонниц площадью выращивания 0.35 , 0.7 и 1.0 га установлены требуемые размеры цехов в плане, соответственно равные 36х60м, 42х84м и 48х108м. Выход продукции при указанных планировочных параметрах цехов соответственно составит примерно 60, 120 и 180 т субстрата в неделю. С учётом технологически требуемой высоты цеха до низа несущих конструкций не менее 5м рекомендуются габаритные схемы однопролётных цехов 36х6 ( h ), 42х6 ( h ) и 48х6( h ) м.

В цехах субстрата, как и в шампиньонницах, воздушная среда является агрессивной по отношению к строительным конструкциям [9]. Для однопролётного цеха применительно к различным видам его каркаса устанавливали экономически целесообразный шаг поперечных рам. Так, для стального каркаса (рис. 2) пролётом 36,42 и 48м выведены зависимости для определения целесообразного шага рам:

Рисунок 2 – Схема стального каркаса цеха:

1 – колонна;2 – стропильная ферма; 3 – прогоны покрытия из гнутых швеллеров

из условия минимума массы

ПP

10 - 3 ■ у ■ L

,n ^{+ 1} x T - + x^ + 2 ■ IO ^{- 4} ■ H ■ у ■ _V ■ L R^П R p

Z - 1

V y y 7

0,84 p

( 2)

и минимума стоимости в деле

l

10 - 3 ■ / ■ L n ^{+ 1} ■ C

xn

V R y

x P

+ Rp y 7

+ 2 ■Ю " ⁴ ■ H ■ у ■ у ■ L Z ^{- 1} ■ C_{K d}

0,84 P ■ К пр

,

где γ – плотность стали;

^L – пролет стропильной фермы;

χпт и χрт – соответственно теоретические характеристики массы поясов и решетки стропильной фермы;

R^п у и R^р у – соответственно расчетные сопротивления стали поясов и решетки стропильной фермы;

• H – высота колонны;

• р – расчетная нагрузка от веса снега и покрытия;

• n, z, ψ – коэффициенты;

С Ф д .. , С к. д . , К пр – соответственно стоимость единицы массы стали «в деле» для фермы, колонны и прогона

Расчёты показали, что при возрастании пролёта стропильной фермы и снижением на неё нагрузки рациональный шаг поперечных рам каркаса увеличивается от 6,5 до10 м из условия минимума расхода стали и от 8,0 до 12,5 м из условия минимума стоимости конструкций. Небольшое расхождение значений шага рам из условия стоимости и расхода стали обусловлено значительной разницей стоимости «в деле» стропильной фермы (более дорогая сталь) и аналогичного показателя колонн и прогонов.

Установлено, что для каркаса из сборных железобетонных элементов наименьшим единовременным затратам соответствует сетка колонн 12х6м. Однако такие расстояния между колоннами не обеспечивают возможности использования крупногабаритной сельскохозяйственной техники для приготовления субстрата. Для многопролётного железобетонного каркаса цеха целесообразно использование пролётов не менее 18м и шага средних колонн 12м.

Для здания со смешанным каркасом (железобетонные колонны и стальные cтропильные фермы) выведена зависимость для определения оптимального шага поперечных рам и сформулирован принцип соответствия шага поперечных рам минимуму стоимости каркаса. Так, составленное математическое выражение стоимости ячейки каркаса

АL

С — ССФ + СПР + СК + СФ —  GOKCФ + GOKСФ + agAK СФ + адЬКСФ + PbA K ПР + ba

• + 2 p bAK_n „ + — У_кК_к + 2У_кК_к +--- Ф—Ф + 2 У_Ф К_ф

ПР       K K    K K                Ф Ф bb

После дифференцирования и преобразований

Go-сф + 2(V-K- + VфКф) « в2(- + 2)KПр a                                  (5)

Из (5) шаг поперечных рам каркаса, соответствующий минимуму его стоимости

G , К сф + 2( V _ K к + У ф К ф )

J « gK ,» + p - пр ( ^- ₊ 2)

1 А     ах

• где G 0 – масса ненагруженной стальной фермы, элементы которой имеют предельную гибкость;

• К сф – стоимость 1 т стали;

• V к и К к – соответственно расход железобетона на колонну и стоимость 1 м³ железобетона в деле;

• V ф и К ф – расход железобетона на фундамент и стоимость 1 м³ фундамента в деле;

• b и а - соответственно расстояние между фермами и прогонами;

• L – пролёт стропильной фермы;

• К пр – стоимость 1т стальных прогонов, установленных на фермы;

• β – коэффициент;

• ^g – нагрузка от снега и кровли на 1 кв. м покрытия;

А – длина здания.

Например, в соответствии со сметными ценами для Орловской области, при применении оцинкованных конструкций покрытия вычисленный по формуле (6) шаг поперечных рам каркаса при пролетах 18-36 м изменяется в пределах 7,3-6 м.

Из выражения (5) следует, что левая часть выражения представляет собой сумму стоимостей ненагруженной стропильной фермы и двух колонн с фундаментами, правая – стоимость прогонов покрытия одной ячейки каркаса. На основании этого вывода сформулирован принцип минимума стоимости смешанного каркаса пролётом до 36м: наименьшей стоимости каркаса с железобетонными колоннами и стальными фермами соответствует шаг поперечных рам, при котором стоимость стальных прогонов покрытия одной ячейки каркаса равняется стоимости однопролётной поперечной рамы с фундаментами, элементы стропильной фермы которой запроектированы с предельной гибкостью.

Выводы.

• 1. Выращивание шампиньонов на промышленной основе позволяет получать с одного гектара культивационной площади до 2,5 тыс.т грибов в год (80-90 т сухого пищевого белка) с 1га площади выращивания. Однако строительство шампиньонных комплексов, в основном импортной поставки, требует значительных капиталовложений, что сдерживает развитие отечественного грибоводства. Для

• 2.    Разработаны положения для определения планировочных параметров цеха, соответствующих наименьшей площади застройки, и приведены размеры в плане и габаритные схемы цехов различной производительности.

• 3.    Выведены зависимости для определения расстояния между поперечными рамами различных видов каркаса цеха, соответствующего минимуму единовременных затрат. Для каркаса с железобетонными колоннами и стальными фермами сформулирован принцип его наименьшей стоимости.

решения этой  проблемы  целесообразно создание  в ряде регионов страны предприятий по производству субстрата для выращивания шампиньонов, что позволило бы обеспечить качественным субстратом некрупных производителей, использующих приспособленные помещения, повысить занятость населения и увеличить объём производства грибов.