Расчет теплового баланса животноводческих помещений

Тепловой баланс рассчитывают при проектировании помещений, выборе материалов для ограждающих конструкций, определении количества недостающего или избыточного тепла, выборе мощности отопительных систем. Расчет теплового баланса помещения позволяет оценить теплозащитные свойства ограждающих конструкций, соответствие их климатической зоне, установить пути потери тепла, предусмотреть меры по улучшению теплового режима в помещении. В не отапливаемых животноводческих помещениях основным источником тепла являются сами животные, размещенные в них. Расход тепла складывается из его затрат на нагревание воздуха в процессе вентиляции, потерь через ограждающие конструкции помещения и на испарение влаги (с потолка, стен, пола, подстилки, поилок) Расчет теплового баланса проводят по формуле:

Qж = Qв + Qo + Qи, (7).

где Qж — теплопродукция животных, ккал/ч;

Qв — расход тепла на нагрев воздуха в процессе вентиляции, ккал/ч;

Qo — потери тепла через ограждающие конструкции, ккал/ч;

Qи — потери тепла в процессе испарения влаги, ккал/ч.

Если левая часть уравнения (приход тепла) больше правой (расход тепла), то в помещении образуется избыток тепла, если меньше — наблюдается недостаток тепла. При равенстве обеих частей уравнения в помещении создается тепловое равновесие. В процессе обмена веществ в организме животных образуется тепло, значительная часть которого выделяется в окружающее пространство. Это тепло называется общим. Из общего тепла 25−27% расходуется на нагревание выдыхаемого воздуха и на испарение влаги кожей и легкими (связанное тепло). Остальное тепло, выделяемое во внешнюю среду, называется свободным. Оно и учитывается при расчете теплового баланса. Количество выделяемого животными тепла, зависит от их вида, возраста, живой массы, продуктивности, физиологического состояния (табл. 30, практикум). Используя эти данные, определяют поступление тепла в помещение от всех животных в течение часа. Расход тепла на нагрев вентилируемого воздуха зависит от часового объема вентиляции и разности температур внутреннего и наружного воздуха. Его количество рассчитывают по формуле:

Qв = 0,24 Ч G Ч Дt, (8).

где Qв — расход тепла на нагревание вентилируемого воздуха, ккал/ч;

0,24 — коэффициент удельной теплоемкости воздуха, ккал/кг/град;

G — масса вентилируемого воздуха, кг/ч;

Дt — разность между температурой внутри помещения и температурой наружного воздуха, °С.

Теплопотери через ограждающие конструкции помещения (стены, перекрытия, пол, окна, двери, ворота) зависят от их теплотехнических свойств (табл.32 — 35, практикум), площади, разности температур внутреннего и наружного воздуха. Основные теплопотери через ограждающие конструкции определяют по формуле:

Qo = K Ч F Ч Дt, (9).

где Qo — потери тепла через ограждающие конструкции, ккал/ч;

Ккоэффициент общей теплопередачи для каждой ограждающей конструкции, ккал/м2 * град * ч;

F — площадь ограждающих конструкций, м2;

Дt — разность между температурой внутри помещения и температурой наружного воздуха, °С.

В зависимости от расположения по отношению к наружным стенам площадь пола условно делят на 4 зоны: первая зона на расстоянии до 2 м, вторая — от 2 до 4 м, третья — от 4 до 6 м, четвертая — остальная площадь. С поверхности стен, потолков, увлажненных полов, подстилки, поилок, кормушек постоянно происходит испарение влаги, что сопровождается затратами тепла. Для испарения 1 г воды затрачивается 0,595 ккал тепла. Количество влаги, которая поступает в помещение в результате испарения, зависит от вида животноводческого помещения, санитарного режима, подстилки. В зависимости от этих факторов доля испаряющейся влаги составляет 7−30% к количеству водяных паров, выделяемых всеми животными.

Теплопотери на испарение влаги определяют по формуле:

Qи = Wж Ч Ки Ч 0,595, (10).

где Wж — количество влаги, выделяемой животными в парообразном состоянии, г/ч;

Ки — коэффициент испарения;

0,595 — количество тепла, необходимое на испарение 1 г воды, ккал /г.

В холодное время года в большинстве зон страны для обеспечения требуемого воздухообмена и поддержания при этом оптимальной температуры в помещениях необходим дополнительный обогрев, интенсивность которого зависит от дефицита тепла. Для этого определяют дефицит тепла (Д, ккал/ч) количество дополнительного тепла, необходимого для отопления здания.

Д = (Qв+Qо+Qи)-Qж, (11).

Также важно знать, до какого уровня может снизиться температура в помещении при найденном дефиците тепла, а также определить уровень наружной температуры, при которой возможна эксплуатация вентиляции без отопления. С этой целью развернутую формулу теплового баланса.

Qж =Дt (G Ч 0,24+УKF)+Qи (12).

преобразовывают в формулу для определения Дt нулевого теплового баланса.

(13).

По формуле 13 находят разность между температурой воздуха внутри помещения и температурой наружного воздуха, при которой может работать вентиляция (когда приход тепла в помещении будет равен его расходу, т. е. Дt нулевого баланса). Температура внутри помещения при данном дефиците тепла будет равна:

t в= Дt н.б.+ tн (14).

Температура наружного воздуха, при которой возможна вентиляция без отопления, равна:

t н = t в — Дt н. б (15).

От 400 коров в помещение будет поступать каждый час 307 600 ккал/ч свободного тепла (табл. 1). Расход тепла на нагревание вентилируемого воздуха определяют по формуле 8, используя данные, полученные при расчете вентиляции, и температуру внешней среды. Объем воздухообмена в 1 час составляет 57 777 м3/ч (см. расчет объема вентиляции по влажности). Для расчета теплопотерь на нагревание 57 777 м3/ч необходимо объемные величины перевести в весовые: 1 м³ воздуха при температуре +8°С и среднем барометрическом давлении 755 мм рт. ст. (табл. 36, практикум) составит 1,248 кг. Следовательно, масса всего вентилируемого воздуха будет равна 72 106 (57 777Ч1,248).

Отсюда, Qв = 0,24Ч72 106Ч18,8° = 325 342ккал/ч.

Теплопотери через ограждающие конструкции определяют по формуле 9.

Площадь ограждающих конструкций.

окон (1,3Ч1,2Ч42) 65,52 м².

ворот (2,2Ч2,4Ч4) 21,12 м².

стен (21 Ч 2,7Ч2) + (120 Ч 2,7Ч2) 761,4 м².

площадь стен без окон и ворот 761,4 -(65,52 +21,12) 674,76 м².

перекрытия (21Ч120) 2520 м².

пола (21Ч120) 2520 м².

Коэффициенты общей теплопередачи определяют исходя из данных табл. 32−35 (практикум) для следующих конструкций (ккал/м2 * ч * град.):

окна двойные — 2,3.

ворота одинарные — 4,0.

стены — 1,1.

перекрытие — 0,77.

пол — 0,28.

Разность внутренней и внешней температуры равна 18,8° 8° - (-10,8°).

Теплопотери через ограждающие конструкции составляют 68 120,3 ккал/ч (табл. 3).

Таблица 3 -Расчет теплопотерь через ограждающие конструкции

Потери тепла на испарение влаги определяют по формуле (10). Количество водяных паров, выделяемых животными в зимний период, составляет 200 120г/ч, величина коэффициента на испарение влаги в коровнике — 0,1.

Тогда Qи = 200 120 Ч 0,1 Ч 0,595 = 11 907,1 ккал/ч.

Дефицит тепла находят по формуле 25.

Д = 325 342 + 68 120,3 + 11 907 — 307 600 = 97 769 ккал/ч.

Определяем Дt нулевого баланса по формуле 13.

=14,10.

Температура в коровнике при данном дефиците тепла (без отопления) при наружной температуре минус 10,8°С снизится (формула 14) до 3,3° (14,1 + (-10,8°), что нельзя допускать по гигиеническим нормативам. Температура наружного воздуха, при которой возможна вентиляция отопления, составит (формула 15) — 6,1° (8° - 14,1°).

Для обеспечения нормативного микроклимата необходимо отопление коровника производительностью 97 769 ккал/ч. Поскольку 1 кВт/ч электроэнергии дает 860 ккал, то для покрытия дефицита тепла потребуется (97 769: 860) = 113,7 кВт/ч. В данном случае в коровнике необходимо установить 2 электрокалорифера мощностью 60кВт/ч (113,7: 2). Площадь оцениваемого коровника 2520 м², всего 400 коров, отсюда находим площадь стойлового помещения на 1 голову 2520: 400 = 6,3 м² .