8502

Рис. 2.1. Общая теплофизическая модель сельскохозяйственного производственного здания

2.2.Расчет теплофизических характеристик наружных ограждений

2.2.1.Требуемое сопротивление теплопередаче теплового контура

Животноводческие и птицеводческие помещения характеризуются на-

личием постоянно действующих в течение года тепло- и влаговыделениями. Как правило, в них по технологии процессов необходимо поддержание сравнительно низкой температуры и высокой относительной влажности внутреннего воздуха. Следует учитывать также сезонность эксплуатации большинства зданий и сооружений. Эти особенности не позволяют рассчитывать теплофизические характеристики наружных ограждений таких зданий по аналогии с гражданскими и промышленными, как этого требует СНиП [65], из-за больших (до нескольких раз) погрешностей даже при принятии технологических параметров внутреннего воздуха. На это обстоятельство указывают [16, 28]. Однако, эти факты не нашли отражения в

20

действующих нормах по расчету теплофизических характеристик коровников и птичников.

Относительный уровень энергетической эффективности гражданских и промышленных зданий рекомендуется оценивать показателем тепловой эффективности [39, 70]:

В (2.1) F – полезная площадь здания, м2; Н – высота здания, м; X и Y – длина и ширина здания, м; А, В, С – теплопотери, соответственно, вертикальных ограждающих конструкций размером X и Y в основании и горизонтальных ограждений здания при расчетных температурах tв и tн, Вт/м2. Данная зависимость в неявной форме связывает энергоэффективность гражданских зданий с их объемно-планировочными решениями. Для таких зданий наметился и реализуется общий системный подход к обоснованию взаимосвязи архитектурно-планировочных и конструктивных решений с показателями их энергоэффективности. В то же время зависимость (2.1) не позволяет выявить количественные показатели энергоемкости конкретных решений.

Для животноводческих и птицеводческих зданий количественное обоснование взаимосвязи архитектурно-планировочных и инженерных решений с их теплофизическими характеристиками заключается в следующем. Основной функцией теплового контура гражданских и промышленных зданий является защита и поддержание температурновлажностных параметров внутренней среды от воздействия извне переменных параметров наружного климата. Для таких зданий сопротивление теплопередаче ограждений Rо принимается не меньше требуемого [65, 66]:

Величина αв tн = qн , Вт/м2, является нормируемым кондуктивным тепловым потоком через ограждение.

Основное положение методологии указывает, что при наличии в неотапливаемых сельскохозяйственных зданиях в холодный период года постоянно действующих биологических тепловыделений от животных или птиц (Qб) теплофизические характеристики наружных ограждений должны обеспечивать такой удельный тепловой поток через них, который предотвратит переохлаждение животных, птиц (ΣQ = 0) при расчетной температуре наружного воздуха tн. Данная трактовка энергетического баланса здания, имеющего конкретное функциональное назначение, методологически обосновывает принятие за основу нормирования сопротивления теплопередаче наружных ограждений удельного теплового потока qбн :

где F = Fст + Fпокр – площадь наружных стен и покрытия, м2; m – коэффициент, учитывающий долю потерь теплоты через полы, подземные или обвалованные части зданий: m = 0,03…0,05 для надземных; m = 0,08…0,10 с обваловкой на половину высоты наружных стен; m = 0,25…0,30 для полностью заглубленных или обвалованных зданий [10].

где qж– явная удельная теплота, выделяемая одним животным, Вт, (приложение 3); k1 – коэффициент на температуру воздуха в помещении (приложение 2); k2 – коэффициент, учитывающий фактическое число животных в помещении; k3 – коэффициент, учитывающий тепловыделения животных в ночное время: для КРС и свиней k3 = 0,8; для птиц k3 = 0,6.

22

Количество явной теплоты, выделяемой птицами:

где qпт – удельные тепловыделения птиц, Вт/кг, (приложение 3); p – масса одной птицы, кг.

Рассмотренный принцип нормирования сопротивления теплопередаче теплового контура по величине qбн не требует определения перепада температур tн = tв − tт.р и коэффициента теплоотдачи на внутренних поверхностях наружных ограждений αв, как требует СНиП [65]. Это неоспоримое преимущество предложенного метода нормирования, т.к. в нестационарных условиях тепломассообмена в помещениях сельскохозяйственных зданий добиться необходимой точности определения этих значений не представляется возможным. Добавим, что при субъективном выборе (в допустимых нормами пределах) величины tн значения Rотр по (2.3) могут отличаться на 100…300 % в одних и тех же климатических условиях.

Точная регламентация коэффициента теплоотдачи αв, входящего в (2.3), по методике, используемой в строительной теплофизике [7], также затруднена из-за переменных значений температур tв, на внутренних поверхностях наружных ограждений τв, подвижности воздуха vв, а также изза увеличения значений αв в локальных зонах конденсации на поверхностях ограждений. На несоответствие расчетных значений αв для сельскохозяйственных зданий аналогичным величинам для гражданских и промышленных зданий указывают ряд авторов [4, 16].

Для сельскохозяйственных зданий, в связи с наличием сильно разветвленных холодных поверхностей наружных ограждений и практического равенства температуры помещения tп и температуры воздуха tв, коэффициент конвективного теплообмена αк следует принимать как для помещений с повышенной относительной влажностью воздуха [24] (соответственно для вертикальных и горизонтальных поверхностей):

23

αк.в = 10,9 (tв − τв)1/3; αк.г = 13,4 (tв − τв)1/3. (2.7) Анализ, проведенный в данном разделе, позволяет сделать вывод о том, что нормирование теплотехнических характеристик наружных ограждений сельскохозяйственных зданий по рекомендуемой СНиП формуле (2.2) не может осуществляться как с методической точки зрения, так и по

конечной точности инженерных расчетов.

редаче неотапливаемых производственных сельскохозяйственных зданий является увязка их функционального назначения с индивидуальными показателями животных и птиц. Величины сопротивлений теплопередаче увязываются с биологической активностью животных (qж), птиц (qпт) и объем- но-планировочными решениями зданий (Fст, Fпокр). В отношении объемнопланировочных решений зданий получен важный практический вывод, что сокращение площадей их надземных ограждений и увеличение заполняе-

24

мости помещений снижают величину Rотр . Поэтому рационально строительство многосекционных зданий, в каждой секции которых достигается максимальная расчетная заполняемость. Эти факторы снижают приведенные затраты при строительстве, стабилизируют параметры микроклимата и минимизируют энергозатраты. Отметим, что рассматриваемая методика нахождения величин Rотр , Rодст , Rо.покр в общем случае приводит к их увеличению по сравнению с действующими типовыми проектами. Этот факт согласуется с современной тенденцией снижения энергозатрат зданиями [65, 66]. Одновременно уменьшается вероятность появления конденсата на внутренних поверхностях наружных ограждений.

Животноводческие и птицеводческие здания не являются полностью неотапливаемыми сооружениями даже при наличии наружных ограждений, теплотехнические характеристики которых соответствуют величинам, определенным по вышеприведенной методике. Это вызвано необходимостью удалять влагу, выделяемую в процессе жизнедеятельности. Количество выделяемой животным jж, г/ч, птицей jпт, г/(ч·кг) влаги приведено в приложении 3.

Минимальное количество наружного воздуха Gн.min ρв для ассимиляции избытков влаги равно:

где Gвл = jжn , г/ч, Gвл = jптрn, г/ч.

Минимальные затраты теплоты на нагрев наружного воздуха:

Наружная расчетная температура tнр , начиная с которой требуются затраты теплоты на нагрев приточного воздуха, определяется из теплового баланса каждого конкретного сельскохозяйственного здания по формуле:

25

догрев приточного воздуха увеличивается от 0 до Qнаг. В остальное время, когда tн > tнр , в помещении имеются теплоизбытки. Удаление теплоизбытков осуществляется системами вентиляции, подающими воздух с постоянным расходом Gо. Доля наружного воздуха Gн в общей массе Gо увеличивается от Gн.min при tнр до Gн.max = Gо , когда tн ≥ tв. Одновременно доля рециркуляционного воздуха Gрец = Gо − Gн соответственно уменьшается.

Для животноводческих зданий в литературе приводится зависимость нахождения наружной расчетной температуры, до которой возможно поддержание допустимых параметров внутренней среды за счет биологических тепловыделений [16]:

где: Pогр = ∑ fi nRоi , Вт/м2; fi – удельная площадь наружных ограждающих конструкций, м2/гол.

На рис. 2.2 представлены зависимости условной температуры внутреннего воздуха tнр при различных условиях теплозащиты коровника, рассчитанные по (2.13). В животноводческих зданиях повышение теплозащиты наружных ограждений существенно не сказывается на общем тепловом балансе здания, т.к. до 70 % расхода теплоты используется на подогрев наружного воздуха. Кроме того, изменение теплопотерь через наружные ограждения связано с их сопротивлением теплопередаче гиперболической зависимостью (рис. 2.3) и повышение его целесообразно лишь до определенного предела. Например, увеличение Rо наружных стен в животновод-

26

ческих зданиях (т. п. № 801–99) в два раза (с 1,03 до 2,06 м2 ºС/Вт) приводит к сокращению общих теплопотерь зданий на 2,6 %. Дальнейшее увеличение значений Rо с 2,06 до 3,09 м2 ºС/Вт дает сокращение теплопотерь лишь на 0,9 %. Аналогично повышение теплотехнических качеств покрытия (с 1,36 до 2,72 м2 ºС/Вт) для того же типового проекта снижает общие теплопотери здания на 6,7 %, а при дальнейшем увеличении с 2,72 до 4,08 м2 ºС/Вт – на 2,4%.

2.2.3. Эффект воздухопроницаемости ограждений

Определенный интерес представляет способ снижения энергозатрат путем использования физического эффекта поровой инфильтрации [8, 14, 16, 73]. Тепловой эффект при поровой инфильтрации заключается в возврате трансмиссионных теплопотерь, т.е. ограждение превращается в своеобразный регенеративный теплообменник. При инфильтрации наружного воздуха одновременно происходит осушение наружных ограждений. Воздух движется по порам и капиллярам медленно (Re ≈ 0,5), поэтому его температура во всех сечениях ограждений практически равна температуре каркаса. В стационарных условиях при отсутствии фильтрации (vи = 0) те-

27

пловой поток через ограждения постояненqвхо = qвыхо (рис. 2.4, I). При инфильтрации часть теплоты идет на нагрев наружного воздуха и величина теплопотерь уменьшается. Возможен вариант (III) полного отсутствия трансмиссионных потерь, когда теплота целиком используется на нагрев наружного воздуха qвыхи = 0.

Рис. 2.4. Интенсивность тепловых потоков при отсутствии (I) и при наличии (II, III) инфильтрации воздуха

С ростом воздухопроницаемости наружных конструкций повышается интенсивность поровой инфильтрации. Естественными силами, вызывающими фильтрацию воздуха, являются градиенты гравитационных

pt и ветровых pv давлений на оболочку здания.

Зависимость между расходом инфильтрующегося воздуха vи и сопротивлением теплопередаче воздухопроницаемого ограждения Rо и в конечном виде равна [16]:

Величина требуемого сопротивления теплопередаче ограждения при инфильтрации воздуха составляет:

28

Максимальная расчетная величина инфильтрующегося воздуха равна:

2.3.Методы расчетов воздухообменов в животноводческих

иптицеводческих зданиях

Восновополагающем нормативном документе по строительству животноводческих, птицеводческих и звероводческих зданий [60] отсутствуют данные по расчетам воздухообменов, имеется лишь ссылка на общий СНиП по отоплению и вентиляции [61]. В последнем отсутствуют какиелибо указания по расчету воздухообменов рассматриваемых зданий. В зависимости от времени года составляющие теплового, газового и по содержанию пыли и микрооргаорганизмов балансов помещений могут быть со знаками «плюс» и «минус», а в определенных условиях отдельные слагаемые равны нулю.

С точки зрения энергосбережения наибольшей эффект достигается при максимальном применении рециркуляции воздуха [60].

Концентрации вредных веществ в воздухе, удаляемом из обслуживаемой зоны помещения Куд, принимаются равными предельно-допустимым концентрациям в этой зоне (приложение 5), [2, 48, 55]. Концентрация СО2

внаружном воздухе в сельской местности составляет Кпр = 600 мг/м3 = 0,33 л/м3, аммиака и сероводорода Кпр = 0. Количество СО2, выделяемого животными и птицами, приведено в приложении 3.

Расход наружного воздуха Lн.min , м3/ч, который необходимо подать в

производственные сельскохозяйственные помещения, определяется по

29