Повышение энергоффективности и эксплуатационной надежности систем обеспечения параметров микроклимата животноводческих зданий и сооружений

М. В. Бодров, д-р техн. наук, заведующий кафедрой отопления и вентиляции, доцент ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» (ННГАСУ)

М. С. Морозов, старший преподаватель кафедры отопления и вентиляции ННГАСУ

А. Е. Руин, магистрант кафедры отопления и вентиляции ННГАСУ

А. А. Смыков, аспирант, ассистент кафедры отопления и вентиляции ННГАСУ

В настоящее время одной из первостепенных задач Правительства Российской Федерации является укрепление продовольственной безопасности нашей страны [1]. Уменьшение себестоимости и издержек в животноводстве (крупный рогатый скот, свиноводство и др.) может быть достигнуто повышением энергоэффективности и снижением энергоемкости таких производственных сельскохозяйственных предприятий.

В течение последних 50 лет в Нижегородском государственном архитектурно-строительном университете (ННГАСУ) под руководством профессора, д-ра техн. наук В. И. Бодрова (1941–2020) была создана, развивается и успешно функционирует научная школа по разработке энергоэффективных систем обеспечения параметров микроклимата (СОМ) животноводческих зданий, в т. ч. коровников и свиноводческих комплексов.

Проблематика проводимых в ННГАСУ исследований сводится к решению двух основных технологических задач:

• минимизация (вплоть до нулевого значения) потребления животноводческими и свиноводческими комплексами искусственно сгенерированной энергии;

• оптимизация конструктивного исполнения отопительно-вентиляционных систем в производственных сельскохозяйственных зданиях по критериям энергоэффективности, эксплуатационной надежности и повышения биологически-ветеринарных показателей содержащихся животных.

Решение первой задачи возможно путем разработки научно обоснованного методологического подхода, основное положение которого следующее: при наличии в неотапливаемых животноводческих зданиях (коровниках и свинарниках) в холодный период года постоянно действующих биологических тепловыделений от животных (Q_б) теплофизические характеристики наружных ограждений должны обеспечивать такой удельный тепловой поток через них, чтобы предотвратить переохлаждение животных (ΣQ = 0) при расчетной температуре наружного воздуха tн. Наличие постоянных тепловыделений Q_б не позволяет рассчитывать теплофизические характеристики свиноводческих комплексов по аналогии с гражданскими зданиями из-за большой погрешности в расчетах [3, 4]. Приведенная трактовка энергетического баланса здания, имеющего конкретное функциональное назначение, методологически обосновывает принятие за основу нормирования сопротивления теплопередаче наружных ограждений R₀^тр, м²·°С/Вт, удельного нормируемого теплового потока q_б^н, Вт/м²:

где F = F_ст + F_покр – площадь наружных стен и покрытия, м²;

m – коэффициент, учитывающий долю теплопотерь через полы, подземные или обвалованные части зданий: m = 0,03–0,05 для надземных; m = 0,08–0,10 с обваловкой ≈ 0,5 высоты наружных стен; m = 0,25–0,30 для полностью заглубленных или обвалованных зданий.

Одним из преимуществ данной трактовки теплового баланса является отсутствие необходимости определения нормируемого перепада Δt^н, °С по СНиП [2], определяемого по формуле (3), а также коэффициентов теплообмена на внутренней поверхности ограждений αв, Вт/(м²·°С).

где t_в – температура внутреннего воздуха, °С,

t_т.р – температура точки росы на внутренней поверхности наружных ограждающих конструкций, °С.

Отметим, что при нестационарных условиях теплообмена при низких температурах внутреннего воздуха t_в и высоких значениях относительной влажности φв в коровниках, а тем более в свиноводческих комплексах, добиться высокой точности определения Δt^н и αв не представляется возможным.

Другим неоспоримым преимуществом методики определения R₀^тр является учет взаимосвязи функционального технологического назначения животноводческих зданий с биологическими характеристиками содержащихся в них животных. Особенно важно при проектировании коровников и свиноводческих комплексов добиваться максимальной загрузки помещений путем рационального секционирования.

В процессе жизнедеятельности коровы, телята, свиньи и поросята выделяют влагу j_ж, г/ч, количество которой приведено в [6, 7].

Следовательно, для ассимиляции влагоизбытков в помещения коровников и свинарников надо подавать минимально необходимое количество воздуха G_н.min, кг/ч, определяемое по формуле (4):

где G_вл – количество влаги, выделяемое всем поголовьем, г/ч, определяемое как

Gвл = jсв·n ,

n – поголовье животных в рассматриваемом помещении, гол.;

d_уд и d_пр – влагосодержание удаляемого из помещения и приточного воздуха соответственно, г/кг сухого воздуха.

Таким образом, максимальные затраты теплоты на нагрев приточного наружного воздуха в холодный период года составляют:

где c_в – удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг·°С);

t_н¹ – условная температура наружного воздуха, начиная с которой требуется его подогрев, °С.

Важно отметить, что необходимость затрачивать теплоту для нагрева наружного приточного воздуха не позволяет рассматривать животноводческие комплексы как полностью неотапливаемые. Условная температура наружного воздуха t_н¹ определяется из теплового баланса каждого конкретного сооружения коровника или свинарника:

Анализ формулы (7) позволяет сделать вывод, что при понижении текущей температуры наружного воздуха от t_н¹ до расчетной температуры по СП [8] теплозатраты на подогрев наружного воздуха увеличиваются от 0 до Q^max_вент, а в остальной период, когда текущая температура наружного воздуха   t_н >  t_н¹, в свинарниках, и особенно в коровниках, имеются теплоизбытки (графическая интерпретация представлена на рис. 1).

Разработанная методика определения R₀^тр в общем случае приводит к значительному увеличению сопротивления теплопередаче ограждений по сравнению с типовыми проектами коровников и свинарников советского периода, что уменьшает вероятность выпадения конденсата на внутренних поверхностях наружных ограждений и коррелирует с последними действующими документами в области теплозащиты.

Зависимости (6) и (7) получены и справедливы при расчетной технологической заполняемости свинарника животными n, гол. Однако в практике эксплуатации животноводческих комплексов реальная степень заполняемости коровников и свинарников варьируется, и, как следствие, должны предусматриваться дополнительные системы отопления мощностью Q_доп^от   для восполнения недостатков теплоты при нерасчетных условиях эксплуатации зданий.

Расчетная мощность дополнительных резервных систем отопления возрастает обратно пропорционально степени загрузки помещения коровника или свинарника животными a:

где n_д – действительное заполнение свиноводчес-кого комплекса животными, гол.;

q_ж – явные тепловыделения от одного животного (коровы, теленка, свиньи или поросенка) (согласно [6, 7]), Вт/гол.

Сделан вывод, что при условии неполного (нерасчетного) заполнения свинарника зависимость по определению условной температуры наружного воздуха t_н^1а имеет вид:

Общее энергопотребление Q_от складывается из затрат на нагрев минимального количества наружного приточного воздуха в холодный период года Q_наг (6) и мощности систем дополнительного отопления (9):

При исследовании второй задачи, а именно – выбора наиболее рациональной отопительной системы для восполнения дефицита теплоты Q_доп^от помещения содержания крупного рогатого скота, свиней, а также помещения со специфичными требованиями к параметрам микроклимата (телятники, доильные отделения, ветеринарные блоки, помещения содержания молочных поросят и пр.) предлагается оборудовать системами лучистого отопления на базе водяных инфракрасных излучателей (ВИИ).

Отопительными приборами в данных системах являются излучающие профили, а в качестве теплоносителя используется горячая вода, приготовляемая в котельной или при помощи возобновляемых источников энергии (t_г от +30 до +130 °C). Тепловая энергия передается от теплоносителя к ВИИ, который, в свою очередь, начинает излучать электромагнитные волны в инфракрасном диапазоне, что обеспечивает отопление обслуживаемого помещения. Несомненными и неоспоримыми преимуществами использования систем лучистого отопления в животноводческих комплексах вместо традиционных конвекционных и воздушных систем являются:

• низкая тепловая инерция, что обеспечивает короткое время реагирования;

• простое и эффективное регулирование за счет небольшого количества теплоносителя в системе;

• направленная подача тепловой энергии в рабочую зону помещения, что позволяет создать зональную систему отопления;

• простота монтажа и обслуживания за счет кратного уменьшения длины транзитных трубопроводов;

• снижение трансмиссионных тепловых потерь через покрытие здания благодаря небольшому градиенту температуры воздуха по высоте помещения и отсутствию «тепловой подушки»;

• возможность применения возобновляемых источников энергии и систем рекуперации теплоты;

• отсутствие сквозняков и пылевых масс благодаря минимизации конвективных процессов;

• бесшумная работа системы;

• экономия пространства;

• долгий срок службы.

В период с 2018 по 2022 год в Учебно-научно-исследовательском центре «Системы отопления с использованием низкотемпературных инфракрасных излучателей» ННГАСУ (далее – УНИЦ «СОНИИ», рис. 2), авторским коллективом были проведены исследования теплотехнических свойств потолочных подвесных излучающих профилей Helios 750, выполненных из анодированного алюминиевого сплава AlMgSi0,5 (рис. 3).

Результатом проведенных в УНИЦ «СОНИИ» ННГАСУ исследований является полученная зависимость определения теплоотдачи 1 пог. м профиля Helios 750 q_уд.пр, Вт, от температурного напора ΔT, °С, представленная на рис. 4 (где ΔT = (t_г – t_о) / 2 – t_в, а t_г, tо – температуры в подающем и обратном трубопроводах системы отопления соответственно).

Лабораторные испытания систем водяного лучистого отопления показали их высокую эффективность, а полученные при исследованиях данные легли в основу «Рекомендаций по проектированию систем лучистого отопления на базе водяных инфракрасных излучателей марки Helios 750», являющихся, по сути, инженерной методикой для расчета теплового режима помещений различного назначения.

В заключение отметим, что основным преимуществом использования систем лучистого отопления в животноводческих помещениях является передача теплоты непосредственно поверхностям в помещении (в т. ч. поверхности тела животных) без нагрева воздуха помещения [9, 10].

Более высокие степени теплового комфорта в помещениях достигаются за счет повышения уровня радиационной температуры помещения, а также равномерного распределения температуры воздуха по высоте и отсутствия перегрева верхней зоны и недогрева нижней зоны помещения, что заметно повышает ветеринарные показатели продуктивности производства.

Также неоспоримым преимуществом, особенно в свинарниках, где наблюдаются повышенные значения концентрации аммиачных соединений в воздухе, является устройство системы отопления, не поддающейся коррозии, что снижает эксплуатационные затраты и, как следствие, себестоимость производства животноводства.

Литература

1. Распоряжение Правительства РФ от 11.08.2022 № 2217-р «О внесении изменений в перечень показателей в сфере обеспечения продовольственной безопасности Российской Федерации», утв. распоряжением Правительства РФ от 10.02.2021 № 296-р.
2. СНиП II-3-79* «Строительная теплотехника».
3. Бодров В. И., Бодров М. В. и др. Микроклимат производственных сельскохозяйственных зданий и сооружений. – Н. Новгород: ННГАСУ, 2008.
4. Бодров М. В. Отопление и вентиляция животноводческих и птицеводческих зданий. – Н. Новгород: ННГАСУ, 2012.
5. Бодров В. И., Махов Л. М., Троицкая Е. В. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха производственных сельскохозяйственных зданий. – М.: Изд-во АСВ, 2014.
6. РД-АПК 1.10.01.02-10. Методические рекомендации по технологическому проектированию ферм и комплексов крупного рогатого скота. – М., 2012.
7. РД-АПК 1.10.02.04-12. Методические рекомендации по технологическому проектированию свиноводческих ферм и комплексов. – М., 2010.
8. СП 131.13330.2020 «Строительная климатология».
9. Бодров М. В., Седнев Д. Е. и др. Применение технологий низкотемпературного лучистого отопления в помещениях содержания крупного рогатого скота // Приволжский научный журнал. – 2020. – № 4(56). – С. 114–118.
10. Бодров М. В., Смыков А. А. Снижение энергоемкости и повышение экологической безопасности производственных помещений при использовании систем лучистого отопления на базе водяных инфракрасных излучателей // Вестник МГСУ. – 2021. – № 12(157). – С. 1599–1607.