Обеспеченность продукто и энергосберегающих параметров микроклимата сельскохозяйственных комплексов(Автореферат)

Тюменская государственная архитектурно-строительная академия

на правах рукописи

Кузьмина Татьяна Васильевна

Обеспеченность продукто- и энергосберегающих параметров микроклимата сельскохозяйственных комплексов

Специальность 05.23.03. - «Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тюмень 2005

Работа выполнена в Тюменской государственной архитектурно-строительной академии Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Бодров Валерий Иосифович Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Валов Василий Михайлович кандидат физико-математических наук, доцент Куриленко Николай Ильич

Ведущая организация ОАО Тюменьпромстройпроект Защита состоится 12 мая 2005 г. на заседании диссертационного Совета Д.212.272.01 при Тюменской государственной архитектурно-строительной академии по адресу: 625001, г. Тюмень, ул. Луначарского, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТюмГАСА Автореферат разослан в апреля 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

А. П. Малышкин

3

Общая характеристика работы Научное обоснование обеспечения путей создания и регулирования продуктои энергосберегающих параметров микроклимата в сельскохозяйственных комплексах в климатических условиях Сибири можно достичь путем выявления и комплексного учета теплофизических явлений и закономерностей, обусловленных физиобиологической потребностью животных, биологических требований к хранящемуся сочному растительному сырью (СРС), объемно-планировочным и строительным решениям зданий. Известные рекомендации по поддержанию расчетных параметров микроклимата в помещениях сельскохозяйственных комплексов являются слишком унифицированными и прямолинейными, не учитывающими конкретные технологии, энергоемкость и региональные аспекты рассматриваемой области производства. Одновременно требуют рассмотрения практические задачи по разработке на стадиях проектирования и эксплуатации систем кондиционирования микроклимата (СКМ) способов прогнозирования количественных показателей продуктивности животных и птиц, сохранности СРС, что, помимо экономического, имеет важное социальное значение как для государственных, коллективных, так и фермерских хозяйств. Обоснованные в работе физико-математические основы проектирования сельскохозяйственных комплексов и овощекартофелехранилищ базируются на выявленных особенностях теплофизических процессов в сельскохозяйственных зданиях и сооружениях, организации воздушного и теплового режимов помещений с использованием конкретных энергосберегающих строительно-технических мероприятий. Работа выполнялась в рамках: межвузовской НТО «Архитектура и строительство» (№ ГР 01950005746); темы единого заказа-подряда Минобразования РФ (№ ГР 01970004537); гранта Минобразования РФ № 98-21-3.4-55. Цель исследования заключается в научном обосновании и разработке методологии расчета энергоэкономичности сельскохозяйственных производственных зданий на основе комплексного учета и оптимизации объемно-планировочных и конструктивных характеристик зданий, продуктосберегающих технологий при минимуме энергозатрат в климатических условиях Западной Сибири. Для достижения поставленной цели был решен комплекс взаимосвязанных задач, основными из которых являются: научное обоснование выделения производственных сельскохозяйственных зданий в специальный класс по нормированию теплофизических характеристик наружных ограждений; - выявление закономерностей и функциональных зависимостей динамики параметров микроклимата в объеме помещений зданий различных объемно-планировочных и конструктивных решений, включая подземные и обсыпные сооружения;

- технико-экономическое и технологическое обоснование путей оптимизации и рационализации объемно-планировочных решений зданий по удельным энергозатратам и эффективным продукто- и энергосберегающим технологиям содержания скота и хранения продукции; - прогнозирование и экономическая оценка на стадиях проектирования и эксплуатации коэффициентов обеспеченности эффективности продуктивности животных, сохранности СРС в зависимости от объемно-планировочных решений зданий и режимов работы систем кондиционирования микроклимата; - разработка общих принципов формирования объемно-планировочных решений сельскохозяйственных промышленных комплексов и овощекартофелехранилищ. Научная новизна работы заключается: в уточнении физико-математической модели производственного сельскохозяйственного здания как единого энергетического комплекса, с разработкой методики нормирования и расчета теплофизических характеристик наружных ограждений, однозначно учитывающей особенности параметров микроклимата помещений и функционально увязывающей индивидуальные свойства животных и хранящейся продукции со способами содержания и хранения, конструктивными и объемно-планировочными решениями зданий и сооружений; в разработке методики расчета теплового и влажностного режимов подземных и обсыпных сооружений с учетом ассимиляции холода (теплоты) грунтом, наличия биологических тепловыделений и теплоемкой массы продукции; в исследовании путей совершенствования теплозащитных характеристик наружных ограждений сельскохозяйственных зданий путем применения ограждений с регулируемым сопротивлением теплопередаче; в научном обосновании и аналитическом подтверждении тезиса о взаимосвязи степени совершенства систем кондиционирования микроклимата сельскохозяйственных производственных зданий с прогнозируемой продуктивностью животных и сохранностью сочного растительного сырья в процессе хранения; в методическом обосновании и рекомендациях к внедрению объемно-планировочных решений крупных и индивидуальных (фермерских) сельскохозяйственных зданий по содержанию крупного рогатого скота и хранению сельскохозяйственной продукции. Практическое значение работы представляют: комплекс апробированных практикой инженерных методик проектирования и эксплуатации систем кондиционирования микроклимата производственных сельскохозяйственных зданий и овощекартофелехранилищ в различных климатических зонах страны; - алгоритм оптимального функционирования СКМ по максимуму продуктивности животных и минимуму потерь СРС и энергозатрат с количественными характеристиками коэффициентов продуктивности животных и сохранностью СРС;

5

результаты экспериментальных исследований по возможности применения эффекта электроосмоса для сушки наружных ограждающих конструкций зданий; - конкретные рекомендации по рациональным объемно-планировочным решениям крупных и индивидуальных (фермерских) производственных сельскохозяйственных зданий. Реализация результатов исследований, предназначенных для практики проектирования, реконструкции, эксплуатации и управления СКМ сельскохозяйственных комплексов и овощекартофелехранилищ проводилась под руководством автора в хозяйствах агропромышленного комплекса РФ с подтвержденным экономическим эффектом при хранении картофеля до 140 руб/(т.год) в ценах 2000 года и снижением затрат ручного труда на 10... 17%. Конкретно методические положения по оптимизации продукто- и энергосберегающих путей создания и поддержания технологических параметров микроклимата внедрены в двух хозяйствах Тюменской области и приняты к внедрению ОАО «Тюменьпромстройпроект» (г. Тюмень). Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на ежегодных научно-технических конференциях ТюмГАСА в 2000...2004 г.г., на техническом совете ОАО Тюменьпромстройпроект (г. Тюмень), на семинаре кафедры «Отопление и вентиляция» ННГАСУ (г. Нижний Новгород) и отражены в работах, приведенных в автореферате. Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы из 122 наименований, 6 приложений, включающих акты внедрения результатов научноисследовательской работы. Работа изложена на 175 страницах с применением печатающих и графических устройств вывода ЭВМ, включает 8 таблиц, 58 рисунков и 11 страниц приложений.

Содержание работы

Требования к допустимым и оптимальным параметрам микроклимата содержания крупного рогатого скота (КРС), птицы, хранения СРС в современной ветеринарной, биологической и технической литературе изложены достаточно полно. Существенный вклад в разработку и совершенствование теории систем кондиционирования микроклимата как гражданских, промышленных, так и сельскохозяйственных зданий и сооружений внесли отечественные ученые: В.Н. Богословский, В.И. Бодров, В.М. Валов, И.Л. Волкинд, А.Г. Егиазаров, В.З. Жадан, М.К. Калашников, О.Я. Кокорин, Ю.Я. Кувшинов, Л.В. Петров, Г.М. Позин, Н.Н. Рослов, Ю.А. Табунщиков, Е.П. Широков и другие. В диссертации также приведен анализ зарубежных исследований по формированию параметров микроклимата в сельскохозяйственных комплексах. Эффективность продуктивности животных, процесса хранения СРС оценивается как по результатам получения конечного продукта, так и по сохранности потребительской стоимости продукции, а также социальным результатом хозяйственной деятельности. Анализ литературных данных

6 показал, что комплекс вопросов по проектированию, расчету обеспеченности, энергосбережению и оптимизации СКМ исследован недостаточно полно. Следствием является наличие ряда противоречивых рекомендаций, затрудняющих выявление перспективных путей развития техники СКМ сельскохозяйственных зданий и сооружений. Для преодоления этих недостатков реализован подход к решению проблемы, сформулированный в перечисленных задачах настоящего исследования, которые комплексно увязывают требования к обеспеченности параметров микроклимата в сельскохозяйственных комплексах с интенсивностью жизнеобеспечения и наличием инженерного оборудования СКМ, что позволяет повысить эффективность продуктивности КРС и хранения СРС как в специализированных, так и временных или фермерских хозяйствах. Обслуживаемой зоной животноводческих зданий и хранилищ СРС, показанных на рисунках 1 и 2, является зона обитания животных или насыпи продукции с равномерно распределенными по объему источниками теплоты qv и влажности jv. Условные обозначения частично приведены в конце автореферата и частично раскрыты по мере рассмотрения конкретных процессов переноса теплоты и влаги.

8 min

c e G (t в —tн )/F. Величина удельных теплопотерь через ограждения с известными сопротивлениями теплопередаче (окна, двери и т.п.) qо , Вт/м2, равна q0 = Qн /F. Для овощекартофелехранилищ с расчетной емкостью G,т, биологические тепловыделения Q6 = qv G, где qv , Вт/т, по нашим уточненным данным, составляют: для насыпи клубней в основной период хранения 17,0 Вт/т, для насыпи кочанов капусты 10... 12 Вт/т, для моркови и свеклы столовой соответственно 10,4 и 9,0 Вт/т. При использовании разработанного метода нормирования R0mp отпадает необходимость в определении значений Δtн и ав что является принципиально важным, так как субъективность при выборе этих величин в допустимых нормами пределах в нестационарных условиях при низких температурах tв и высоких значениях относительной влажности внутреннего воздуха φв приводит к погрешности требуемого сопротивления теплопередаче Rоmp для животноводческих зданий до 50%, а для хранилищ СРС до 100 и более процентов. В животноводческих зданиях и хранилищах должны предусматриваться системы отопления для учета нерасчетных условий эксплуатации: резерв при возможном понижении температуры наружного воздуха tн ниже расчетной; заполнение животноводческих зданий ниже расчетной или недогрузке емкостей хранения требуют восполнения недостатка биологических тепловыделений до расчетной величины.

Qom

=

cвGнmin(tну

-

tн

)

(5)

Температура наружного воздуха tну, до которой не требуется отопления при неполном заполнении животноводческих зданий и неполной загрузке хранилищ определяется из теплового баланса здания:

где а = Gд /G =nд / n - степень заполнения здания; nд и Gд - реальное количество животных, шт., и масса заложенного сырья, т. Мощность д дополнительных систем отопления Qom возрастает обратно пропорционально степени загрузки помещений: для животноводческих зданий Qomд = (n- пд )qж = п(1 - nд)qж , (7) д для хранилищ Qom = (G - Gд )qv = G(1 - a)qv (8) Полученные в работе значения текущей глубины промерзания грунта hм учитывают периоды времени с начала наступления отрицательных температур, наличие снежного покрова и позволяют определять начало моментов оттаивания и скорость прогрева грунта:

9 cp

ср хм

При (t гв + Δtс > mt подкоренное выражение принимает нулевую или отрицательную величину. Это означает, что таянье льда, образовавшегося из поровой воды, закончилось, и начался прогрев грунта. В этом случае при определении температуры поверхностей ограждающих конструкций подземных или обсыпных помещений процесс фазового перехода не учитывается. Необходимый воздухообмен при одновременном поступлении в животноводческое помещение теплоты и влаги определяется графоаналитическим методом с использованием i-d-диаграммы влажного воздуха по избыткам полной теплоты Qn и разности удельных энтальпий удаляемого (iyx ) и приточного ( ίπρ ) воздуха: Lнвmin=3,6Qn / (iyx inp) pв (10) Рассмотрение процесса влагообмена в слое хранящегося сочного растительного сырья осуществляется как исследование процесса обработки продуваемого воздуха насыпью продукции, выделяющей явную теплоту и влагу, что позволяет обосновать с термодинамических позиций возможность расчета тепломассообмена в слое с использованием i-d-диаграммы влажного воздуха. Энергетическая сущность влагообмена выражается зависимостью: W=Q/ε t (11) где Q - суммарные явные теплопотери к вентиляционному воздуху; ε, тепловлажностная характеристика процесса изменения состояния воздуха в насыпи: εt = 6385 - 147t (при 0°C < t < 15°С; εt = 6385 - 1,21t2 - 335t (при 25°C< t < 0°C; t - средняя температура воздуха в насыпи. Математическим описанием тепловлажностного процесса в слое СРС является равенство: φρ = φв =const, (12) показывающее постоянство дефицита влагосодержания воздуха по высоте охлаждаемой насыпи (1 - φв ) = const (рис.4). В современных овощекартофелехранилищах подаваемый в насыпь расход

Рис.4. Изменение состояния Рис.5. К определению воздуха в насыпи: АВ - пограничная расхода воздуха при хранении СРС. кривая, СД- процесс в насыпи

10

Температурный режим в пустых герметичных и подземных или обсыпных сооружениях без источников тепловыделений в расчетный период времени tв принимается равным средней температуре внутренних поверхностей ограждающих конструкций. На тепловой режим вентилируемых подземных или обсыпных сооружений оказывают влияние следующие основные факторы: ассимиляция холода (теплоты) грунтом; наличие источников постоянных тепловыделений; наличие теплоемкой массы продукции. Расчетная схема (случай обваловки) представлена на рисунке 6.

Рис.6. Расчетная схема для определения температурного режима неотапливаемого сооружения. В общем случае текущая величина температуры внутреннего воздуха tвв в период τ1 составляет:

количественный анализ температур поверхностей ограждающих конструкций и воздуха показал, что отказ от учета различий теплофизических характеристик материалов ограждающих конструкций и грунта приводит к отклонению фактических температур от расчетных только в начальный момент. Уже через 10... 15 суток после включения систем отопления (охлаждения) влияние наличия в помещении ограждений, имеющих теплофизичсекие характеристики, отличные от окружающего грунта, перестает оказывать влияние на тепловой режим помещения. Поэтому этот конструктивный фактор можно не учитывать в тепловом балансе.

Рис. 7. К определению площади наружных ограждений: а, б, в соответственно квадратные, круглые и прямоугольные в плане здания.

11

Вопросы совершенствования объемно-планировочных решений с точки зрения энергосбережения рассмотрены в последних публикациях Ю.А. Табунщикова. Для сельскохозяйственных зданий, как правило, одноэтажных, имеющих в плане квадратную или прямоугольную форму с небольшим остеклением, принципы оптимизации энергозатрат упрощаются и могут быть сведены к следующему. Относительное повышение площади наружных ограждений прямоугольных Fпр зданий по сравнению с круглыми Fкр и квадратными FКВ (рис. 7) при одинаковой высоте h соответственно равно:

Таким образом, для сохранения постоянства теплопотерь необходимо повышение сопротивления теплопередаче наружных ограждений прямоугольных в плане помещений относительно круглых или квадратных соответственно на величины σпρ-хр и σпρ-кв, т.е. зависимости (14) и (15) характеризуют степень энергоемкости сельскохозяйственных зданий в зависимости от их объемно-планировочных решений. Для обсыпных сооружений (рис. 6) с утлом а между боковой поверхностью и основанием увеличение потерь теплоты составляет: σоб = (1 - α/β cos α)100 % . (16) Учет снежного покрова, который учитывается при расчете несущих конструкций сельскохозяйственных зданий и не учитывается при теплотехнических расчетах приводит, как показано в работе, к снижению теплопотерь на 8... 10% от расчетных для покрытий и является существенным резервом повышения их теплотехнических характеристик, не учитываемых до настоящего времени. Применение «теплых» чердаков не только снижает теплопотери через перекрытие, но и способствует регулированию теплообмена в помещениях. Применение таких конструкций уменьшает тепловой поток через покрытие до 2 раз. Стены и покрытия сельскохозяйственных зданий с переменным сопротивлением теплопередаче являются, по нашему мнению, наиболее перспективными видами наружных ограждающих конструкций. Одним из основных направлений развития теоретических и экспериментальных исследований и практических разработок является регулируемая сушка ограждений с применением эффекта электроосмоса. На рисунке 8 показаны принципиальные схемы установки плоскостей электродов для предотвращения увлажнения надземной части стен от миграции влаги от их подземной части при пассивном и активном возбуждении и способы сушки расположенных в земле стен.

Рис. 8. Установка электродов для предотвращения увлажнения стен: а надземных; 6 - подземных; 1 — электроды; 2 - изолированные проводники короткого замыкания при пассивном электроосмосе; 3 источники постоянного тока при активном возбуждении. Задача состоит в экспериментальном выявлении закономерностей изменения плотности потока влаги в строительных конструкциях, зависящих от физико-механических свойств материалов, прилагаемого к электродам напряжения и его полярности, и представления полученных результатов в шкале потенциала влажности в виде: = kэ.о u , (17) где kэ.о - коэффициент пропорциональности; u - напряжение, прикладываемое к электродам или напряжение, возникающее между электрохимически активными металлами электродов. В постановочных экспериментах определялась скорость фильтрации влаги под действием разности потенциалов, вызванной явлением электроосмоса. Опыты проводились на установке, представленной на рисунке 9. Постоянное напряжение на выпрямителе (1) подавалось на электроды из нержавеющей стали (2), служащими одновременно стенками сосуда. Сосуд был разделен пластиной (3) из обыкновенного глиняного кирпича размером 60x30 мм и толщиной 13 мм на две плоскости (4) и (5), заполненные дистиллированной водой. Дно и крышка сосуда выполнены из диэлектрика. В зависимости от полярности электродов вода могла фильтроваться в ту или иную полость. Объем воды, поступающей или удаляемой из закрытой полости (5), контролировался по уровню воды в капиллярной трубке (6). В случае подачи на электрод (2) отрицательного потенциала отмечалось повышение уровня воды в капилляре, при положительном потенциале - понижение уровня. При количественных измерениях весьма существенно отсутствие воздуха в полости (5) и в порах кирпича, для чего, открыв кран бюретки (7), давали возможность воде в течение суток просачиваться через кирпич в полость (4),

θ

э.о

13

сообщающуюся с атмосферой. Из закрытой полости (5) воздух удалялся через бюретку. Для этого в ней при открытом кране создавалось разрежение, в результате которого вода из полости (4) через кирпичную пластину переходила в полость (5). Оставляя кран открытым, давали возможность воде вновь заполнить полость (4), после чего кран закрывали. При первоначальной подаче напряжения на поверхностях кирпича появлялись пузырьки воздуха. После удаления их при отключенном напряжении установка была готова к работе. Измерения проводились как при фильтрации жидкости из полости (4) в полость (5), так и наоборот. На капиллярной трубке имелись три метки, показывающие уровень воды без напряжения на электродах, и выбранные нами фиксированные точки (уровни). Одновременно с подачей напряжения измерялось время τ, сек., достижения водой одной из меток. По расстоянию между метками и диаметру капилляра (d=l,3 мм) вычислялся объем жидкости, ν, м3, протекающей через образец, и объемная скорость электроосмоса νэ = ν / τэ , м3/с. Замеры повторялись после возвращения жидкости в капилляре к исходному положению. В таблице 1 приведены результаты одной из серий экспериментов по определению объемной скорости электроосмоса, а на рисунке 10 те же результаты изображены графически. Полученные в результате постановочных экспериментов результаты показывают прямую пропорциональность скорости фильтрации от напряжения, что позволяет переводить результаты из шкалы разности потенциалов напряжений в любую другую шкалу разности потенциалов переноса влаги, например, шкалу разности потенциалов влажности. Таблица 1 Объемная скорость электроосмоса

22 30 40 46 54 24 30 34 40 60

Фильтрация из полости (4) в полость (5) 4,6 10 6,6 5,6 8,6 7,7 6,4 6,9 9,6 7,4 5,6 11,8 8,4 4,8 14,0 Фильтрация из полости (5) в полость (4) 4,8 13,6 2,4 5,4 9,8 3,3 6,2 9,1 3,5 7,2 7,2 4,5 8,4 5,7 5,7

0,32 1,54 1,92 2,36 2,80 0,48 0,66 0,70 0,90 1,14

Степень совершенства систем кондиционирования микроклимата позволяет оценивать и прогнозировать продуктивность животных и сохранность картофеля и овощей. Процессы снижения продуктивности и ухудшения качества хранимой продукции являются аддитивными и кумулятивными. Наиболее полно они оцениваются обобщенными показателями, комплексно учитывающими основные факторы продуктивности животных и сохранности питательных свойств сельскохозяйственного сырья: ж коэффициентом продуктивности животных koб и коэффициентом сохранности хр СРС в период хранения koб . В строительной теплофизике [4] коэффициент обеспеченности микроклиматических условий koб показывает долю допустимых вероятностных отклонений тепловлажностного режима от расчетного и характеризует выдерживание во времени допустимых параметров воздуха в помещении. При хранении сельскохозяйственной продукции коэффициент сохранности СРС koбхр помимо коэффициента обеспеченности микроклиматических параметров по периодам хранения ( koбм) включает в себя коэффициент обеспеченности качества закладываемой на хранение продукции ( koбк ) и коэффициент обеспеченности расчетных условий эксплуатации э сооружений ( koб ). Максимально возможный выход полноценной продукции в конце периода хранения из-за естественной убыли от дыхания составляет * 0,95 от заложенной массы СРС. Факторы, влияющие на значения koбм, koбк, koбэ, не зависят друг от друга. Поэтому коэффициент обеспеченности появления этих трех процессов равен их произведению:

Возможные пути альтернативного выбора управлением сохранности СРС должны учитывать как биологические, так и теплофизические процессы, обеспечивающие качество конечного продукта. В стоимостном выражении изменение значений kобхр с учетом осредненных закупочных цен в каждом регионе страны Сэ эквивалентно величине: ΔЭхр=СэGΔkобхр (19) Факторы, влияющие на продуктивность животных, не могут быть подвергнуты такой же четкой фиксации, как при хранении картофеля и овощей. По меткому определению профессора В.М. Валова, «Беда крупного рогатого скота в том, что он выдерживает широкий диапазон отрицательных воздействий и выживает в этих условиях, но не дает продукции». Поэтому коэффициенты обеспеченности микроклимата животноводческих зданий kобм, качества продукции (порода животных, их племенные показатели, возраст и т.д.) kобк, расчетных условий эксплуатации СКМ сооружений kобэ взаимосвязаны между собой и, согласно теории вероятности, не могут быть выражены соотношением, аналогичным (18). В специальной и технической литературе имеются лишь разрозненные, необобщенные данные по влиянию микроклимата, породистости, питания, технического и технологического оборудования и условий его эксплуатации на продуктивность КРС. Несмотря на то, что при производстве продукции животноводства намного труднее определить причины и виновников брака, чем, например, при хранении картофеля и овощей, необходимо поддерживать уровень стабильности нормированного микроклимата с учетом экономической эффективности его поддержания для различных пород животных. Еще раз укажем, что микроклимат помещений не столько повышает продуктивность скота, сколько способствует реализации возможной продуктивности животных в зависимости от породы и генетической предрасположенности. Коэффициент обеспеченности качества закладываемой на хранение к продукции kоб (см. формулу 18) при отсутствии заболеваний у вызревшего СРС является постоянной величиной, зависящей от существующих механизированных технологий уборки. Анализ литературных данных и наши натурные наблюдения позволили рекомендовать при практических расчетах к следующие значения коэффициентов: для картофеля kоб = 0,92; для свеклы к к столовой kоб = 0,95; для моркови kоб = 0,88...0,90; для капусты kобк = 0,97. Характеризующий выдерживание во времени оптимальных параметров среды коэффициент kобм в современных стационарных хранилищах, оборудованных системами активной вентиляции, зависит от следующих независимых друг от друга коэффициентов обеспеченности: Кобм= kоб0 . kобв . kобф . kобL· . kобр . (20) В (20) входит коэффициент обеспеченности сохранности СРС от применения систем воздушного отопления мощностью N, кВт, (при наличии иных теплопритоков к поступающему в насыпь воздуху применяется коэффициент4,1вместо2,05): kобо=1-2,05Ν /G (21)

16

На рисунке 11 приведены зависимости дополнительных потерь картофеля, свеклы, моркови, капусты по количеству и стоимости от применения систем воздушного отопления в период температур tн < tну для климатической зоны с tн = -30 °С при закупочной цене картофеля Сз = 3000 руб/т, свеклы и моркови Сз = 4800 руб/т, капусты С3 = 4170 руб/т. Дополнительная сушка продукции от нагрева воздуха в вентиляторах соответствует коэффициентам обеспеченности для радиальных (центробежных) вентиляторов kобв = - 0,999, для осевых вентиляторов kобв = 0.9995. Графически данная закономерность показана на рисунке 12. Равномерная реализация в течение сезона хранения продукции сопровождается уменьшением массы СРС и соответственным снижением биологических тепловыделений. Компенсация недостатков теплоты осуществляется системами отопления, что, как показано выше, влечет за собой увеличение убыли продукции. Уменьшение степени загрузки хранилища а = Gд / GP повышает условную температуру наружного воздуха tну, начиная с которой требуется включение систем отопления. Имеем следующие значения коэффициентов обеспеченности микроклимата при равномерной реализации продукции: - картофель kобр = 1 - 2,05 N/aGp ; (22) -капуста kобр = I - 1 , 3 N /aGp ; (23) - столовая свекла kобр = I - 1,07 N /aGp ; (24) - морковь kобр = 1 -1,24 N /aG р ; (25) где N - мощность систем воздушного отопления, кВт.

Рис. 11. Зависимость дополнительных годовых потерь СРС от применения систем отопления: I- картофель; П- свекла, морковь; Ш капуста.

Рис. 12. Увеличение потерь СРС при нагреве воздуха на Δtв, 0С, в вентиляторе и воздуховоде: I - картофель; II - морковь, свекла столовая; Ш капуста; а -- область осевых вентиляторов; б - область радиальных вентиляторов. Нарастание дополнительных потерь СРС при равномерной реализации продукции с учетом различной начальной степени загрузки емкости а - 1,0; а = 0,75; а = 0,50; а = 0,25 графически показано на рисунке 13. Дополнительные потери возрастают с уменьшением начальной степени загрузки. По зависимости (22...25) определяются также коэффициенты обеспеченности микроклимата при неполной первоначальной загрузке хранилищ kобз (Gd = aG). На рисунке 14 дана графическая зависимость годовых дополнительных потерь СРС (по массе и в стоимостном выражении от величины kобз ). Коэффициент обеспеченности сохранности при отклонении относительной влажности поступающего в насыпь воздуха φво от равновестных значений φр определяется по выражению: kобφ = 1-103(φр -φво )/6 (26) По данным Гипрониисельпрома [109] в картофелехранилищах емкостью G = 500 т удельный годовой экономический эффект от применения систем предварительного увлажнения воздуха может достигать 1,32 руб/(т . год) в ценах 1982 г. или около 25 руб/(т . год) в ценах 2000 г. По нашему мнению, ущерб от повышения убыли за счет снижения значения , в практике хранения не превышает потерь от возможного массового неконтролируемого гниения и микробиологической порчи СРС, вызванного наличием капельной влаги на поверхности продукции. Коэффициент обеспеченности сохранности при отклонении действительных расходов воздуха Lν от оптимальных Lν опт (п = Lν /Lν опт ) равен: kLоб = 1-0,74 . 10-2 n (27)

Коэффициент обеспеченности параметров микроклимата при нерасчетной загрузке емкостей относительно расчетной (G3=aG) находится из выражения: kзоб =1-2,05/a G (30) При равномерной реализации сырья из емкости в течение года коэффициент обеспеченности параметров микроклимата в случае равномерной реализации продукции определяется по той же методике, что и kзоб , по формуле (30). Проведенные исследования по особенностям и закономерностям формирования объемно-планировочных решений ферм для крупного рогатого скота и овощехранилищ (в том числе и индивидуальных) позволили выработать конкретные рекомендации, приведенные в диссертации, по объемнопланировочным, конструктивным и технологическим решениям сельскохозяйственных зданий, которые приняты к внедрению и реализации при проектировании, строительстве и реконструкции сельскохозяйственных зданий в ООО «Тюменьпромстройпроект». Подтвержденный в условиях массового хранения картофеля и овощей удельный экономический эффект составил до 140 руб/(т год) в ценах 2000 года, затраты ручного труда снижены на 10... 17%.

Выводы по диссертации 1. Созданная и научно обоснованная теплофизическая и объемнопланировочная модель сельскохозяйственного здания как единого энергетического комплекса выявила необходимость отнести их к специальному классу зданий по следующим характерным специфическим признакам. 1.1. Разработанная методика нормирования расчета теплофизических характеристик наружных ограждений позволяет однозначно оптимизировать и минимизировать энергопотребление сельскохозяйственных зданий и сооружений путем учета особенностей технологических параметров микроклимата помещений, функциональной увязки индивидуальных свойств животных и продукции по способам содержания животных и хранения продукции, архитектурными, объемно-планировочными и конструктивными решениями зданий и сооружений. 1.2. Согласно модели при расчетной загрузке в сельскохозяйственные здания не следует подавать искусственно полученную теплоту, они являются неотапливаемыми. Поддержание температурно-влажностного режима в них

20

осуществляется за счет утилизации теплоты, выделяемой животными и хранящейся продукцией. 1.3. Резервные системы отопления минимальной мощности, показанной в работе, необходимо предусматривать для условий нерасчетных режимов эксплуатации: резерв при понижении температуры наружного воздуха ниже расчетной; для восполнения недостатков биологической теплоты при заполнении помещений ниже расчетной величины. 2. Уточненные значения текущей глубины промерзания грунта, учитывающие фазы перехода воды в грунте и начало моментов оттаивания и скорость прогрева грунта позволяют прогнозировать температурный режим подземных и обсыпных сельскохозяйственных зданий с учетом ассимиляции холода (теплоты) грунтом, наличия биологических тепловыделений и теплоемкой массы продукции. 3. Аналитическими и практическими данными качественно и количественно подтверждена возможность прогнозировать продуктивность животных и потери сочного растительного сырья в процессе хранения по степени совершенства (коэффициенту обеспеченности) систем кондиционирования микроклимата и условиям их эксплуатации. 4. Разработанная методология выявления энергосберегающих сельскохозяйственных зданий позволила обосновать, обобщить и рекомендовать к внедрению объемно-планировочные и конструктивные решения крупных и индивидуальных (фермерских) комплексов по содержанию крупного рогатого скота и хранению сельскохозяйственной продукции. Разработаны перспективные типы овощекартофелехранилищ различной вместимости и схемы компоновки агропромышленных предприятий.

Список работ по теме диссертации 1. В.И. Бодров, Т.В. Кузьмина. Тепловой, воздушный и влажностный режимы сельскохозяйственных зданий // Вестник ВРО РААСН, выпуск 5. - Нижний Новгород, 2002. - с. 274-279. 2. Кузьмина Т.В. Проблема энергосбережения и формообразование в архитектуре / Т.В. Кузьмина; Тюмен. гос. архитектур.- строит. акад. // Научн.конф. молодых ученых, аспирантов и соискателей ТюмГАСА: Сб. материалов конф. - Тюмень, 2002.-С. 128-130. 3. Кузьмина Т.В. Вопросы энергосбережения сельскохозяйственных зданий / Т.В. Кузьмина; Тюмен. гос. архитектур.-строит. акад. // Y1 Международн. научно-практич. конф. «Биосфера и человек: проблемы взаимодействия»: Сб. материалов конф.-Пенза, 2002.-С.236-238. 4. Кузьмина Т.В. Использование фильтрации воздуха в стыках панелей блочно-комплектных зданий / К.В. Афонин, Л.М. Гуревич, В.В. Ильин, Т.В. Кузьмина; Тюмен. гос. архитектур.-строит. акад. // Научн. конф. молодых ученых, аспирантов и соискателей ТюмГАСА: Сб. материалов конф. - Тюмень, 2004.-С.88-89.

21

5. Кузьмина Т.В. Переменные режимы работы системы теплоснабжения зданий / Т.С. Жилина, Т.В. Кузьмина, Л.А. Шабарова; Тюмен. гос. архитектур.-строит. акад. // Научн. конф. молодых ученых, аспирантов и соискателей ТюмГАСА: Сб. материалов конф. - Тюмень, 2004.-С.133134.

Основные условные обозначения α - коэффициент температуропроводности, м2/с; ав и ан - соответственно, коэффициенты теплоотдачи внутренней и наружной поверхностей ограждающих конструкций, Вт/(м °С); с — теплоемкость, кДж/(кг °С); Вт . ч/(кг °С); для воздуха св = 0,279 Вт . ч/(кг °С); d - влагосодержание воздуха, г/кг сух. в-ха; е - упругость водяного пара при заданной температуре, Па; Ε максимальная упругость водяного пара при заданной температуре, Па; F площадь, м2; G - расчетная емкость хранилища, т, расход воздуха, кг/ч; i энтальпия, кДж/кг, Вт . ч/кг; kоб — коэффициент обеспеченности; L - расход воздуха, м3/ч; Q - тепловой поток, Вт; q - удельный тепловой поток, Вт/м2; qv явные биологические тепловыделения продукции, Вт/т, Вт/м3; R0 сопротивление теплопередаче, м2°С/Вт; t - температура, °С; τв- температура внутренней поверхности ограждения, °С; ν - скорость, м/с; δ - толщина слоя, м; λ- расчетный коэффициент теплопроводности материала, Вт/м°С; μ коэффициент паропроницаемости, мг/(м ч Па); ρ - давление, Па, кг//м2; W влаговыделения, кг/ч; φ - относительная влажность воздуха, %, доли. Надстрочечные и подстрочечные обозначения б - биологический; вент - вентиляция; β - внутренний; гр - грунт; ж животное; из — изоляция; м - мерзлый; н - наружный, нормируемый; η количество, шт; о - общий; от - отопление; n - паропроницание; ρ рециркуляционный, расчетный, равновесный; покр - покрытие; пр приточный; сн - снег; cm - стена; т - талый; тр -требуемый; т.р. - точка росы; хр - хранение; уд - удельный, удаляемый.

Соискатель

Кузьмина Т.В.