2. Методика расчета теплового баланса животноводческих помещений

Тепловой баланс животноводческих помещений рассчитывается с целью определения возможности обеспечения в них оптимального микро­климата, особенно в холодное время года (январь).

Тепловой баланс - это соотношение прихода (теплопродукции) и рас­хода (теплопотери) тепла в животноводческом помещении.

Потери тепла в помещениях для сельскохозяйственных животных зависят:

1. От величины поверхности здания, толщины стен и покрытий, качества строительных материалов, разности температур атмосферного воздуха и воздуха в помещении;

2. От количества наружного воздуха, подаваемого в помещения;

3. От влияния охлаждения помещений ветрами и расположения зданий по отношению к сторонам света.

На данных теплового баланса основывается выбор того или иного устройства всех ограждающих конструкций при проектировании и строительстве, а также выбор обогревательных установок и расчет их количества

Тепловой баланс бывает:

нулевой - если приход тепла равен расходу тепла (температура и влаж­ность воздуха в помещении будет на уровне нормативной);

отрицательный - если расход тепла больше прихода тепла (температура будет ниже нормативной, а влажность выше нормы);

положительный - если приход тепла больше расхода тепла (температура выше нормы, влажность ниже нормы).

Температурный режим складывается в помещении под влиянием тепловыделений животных (если помещение не отапливается) и тепла вно­симого отопительными и вентиляционными системами (если они предус­мотрены), а также теплопотерь на обогрев поступающего воздуха, через ограждения здания и испарения влаги.

Поэтому тепловой баланс можно представить в виде следующей формулы:

Q жив. = Q вен. + Q исп. + Q о.зд. (2.10), где

Q жив. - количество тепла, поступающего в помещение от животных, ккал/ч;

Q вен. - количество тепла, расходуемое на нагревание вентиля­ционного воздуха, ккал/ч;

Q исп. - количество тепла, необходимое на испарение влаги с пола, кормушек, оборудования здания, ккал/ч;

Q о.зд. - количество тепла, которое теряется через ограждающие конструкции здания в наружную атмосферу, ккал/ч.

Для расчета теплового баланса коровника на 200 голов берем следующие данные:

Внутренние размеры коровника : длина - 66 м, ширина -21м, высота в коньке крыши - 5,8 м, высота стены - 3 м.

Стены коровника из обыкновенного кирпича на легком растворе в 2 кирпича толщиной 0,525 м. Окна двойные размером 2,35 х 1,2 м, количество их 36. Ворота деревянные двойные размером 2,8 х 3 м, их 4 и одни размером 2,2 х 2,2 м; одни двери деревянные размером 2,2 х 1,2. Потолок совмещен с крышей. Покрытие железобетонное сборное с рулон­ной кровлей и утеплителем толщиной 0,16 м. Температура в помещении +10°С, относительная влажность - 70%. Район Витебск, средняя температура наружного воздуха в январе - -7,8°С и средняя абсолютная влажность наружного воздуха в январе 2,55 г/м³ (таблица 9 "Средние показатели температуры и абсолютной влажности в различных пунктах Республики Беларусь").

Поголовье животных в коровнике:

1 группа - коровы лактирующие, живой массой 500 кг, среднесуточный удой 10 л, их количество 102 головы;

2 группа - коровы лактирующие, живой массой 600 кг, удой 15 л, их 63 головы;

3 группа - сухостойные коровы живой массой 600 кг, их 27 голов;

4 группа - коровы сухостойные, живой массой 400 кг, их 8 голов.

1. Расчет прихода тепла в помещении.

Расчет количества тепла, выделяемого животными, ведут по таблице "Количество тепла, углекислого газа и водяного пара, выделяемых сельскохозяйственными животными и птицей" по графе "свободное тепло" (приложения – таблица 10).

Таблица 2.1

Определение количества тепла, выделяемого животными.

Количество животных, голов	Живая масса, кг	Продуктивность, л	Свободного тепла от 1 животного, ккал/ч	Всего, ккал/ч
102	500	10	682	69564
63	600	15	823	51849
27	600	сухостойные	733	19791
8	400	сухостойные	569	4552

Следовательно, от всех животных в помещение поступит свободного тепла

Q жив. = 145 756 ккал/ч (69 564 ккал/ч + 51 849 ккал/ч + 19 791 ккал/ч + 4 552 ккал/ч).

В нашем примере дополнительного тепла, поступающего от обогреватель­ного оборудования, нет. Приход тепла в зимнее время года от солнечной радиации и других источников (электролампочки и др.) незначителен и в расчет не принимается.

2. Расчет расхода тепла в помещении.

2.1. Расчет количества тепла, идущего на обогревание вентиляционного (наружного) воздуха.

Qвен. = 0,24 х G х t (2.11), где

где 0,24- теплоемкость воздуха, т.е. количество тепла в ккал, расходуемое на нагревание 1 кг воздуха на 1°С, ккал/кг/град;

G - количество воздуха в кг, удаляемого из помещения вентиляци­ей или поступающего в него в течение часа в январе месяце, кг/ч;

t - разность между температурой воздуха внутри помещения и наружного воздуха, °С.

При расчете G, во-первых проводят корректировку расчета объема вентиляции (формула 1.2) на самый холодный месяц (январь)

Во-вторых, необходимо объемные единицы перевести в весовые. 1 м³ воздуха при температуре 10°С (норматив для коровников с привязным способом содержания животных) и среднем барометрическом давлении 760 мм рт.ст. весит 1,247 кг (таблица 15 "Объемная масса воздуха (м³/кг) при различной температуре и различном барометрическом давлении").

G = 27 639,3 х 1,247 =344 66,2 кг/ч

t =10°С – ( -7,8°С) = 17,8 °С.

Расход тепла на обогревание поступающего воздуха будет равен

Q вен. = 0,24 х 34 466,2 х 17,8 = 147 239,6 ккал/ч

2.2. Расчет расхода тепла на испарение влаги с поверхности пола и других ограждений (Q исп.) производят путем умножения количества испаряю­щейся с пола и других ограждений влаги на 0,595 ккал, т.е. на количество тепла в ккал, расходуемого на испарение 1 г влаги.

Количество влаги, испаряющейся с пола и ограждающих конструкций здания, определяем в виде процентной надбавки от количества влаги, выделяемой всеми животными, находящимися в данном помещении. Эта величина составляет 9 724 г/ч ( см. расчет объема вентиляции во влажности).

Q исп. = 9 724 х 0,595 = 5 785,8 ккал/ч.

2.3. Расчет теплопотерь через ограждающие конструкции здания проводится по формуле:

Q_о.з.д..= (2.12), где

- показатель того, что все произведения k x F суммируются;

k - коэффициент общей теплопередачи материала (в ккал/ч/м²/град);

F - площадь ограждающей конструкции, м²;

t - разность между температурой внутреннего и наружного воздуха, °С.

Теплопотери через ограждающие элементы здания определяют дифференцировано: стен, окон, ворот и дверей, пола, чердачного перек­рытия или совмещенного покрытия, так как их площадь и коэффициенты теплопередачи разные.

Коэффициент общей теплопередачи (k) отдельных конструкций находят в приложении (таблицы 16-19). Для нашего примера k бесчердачного перекрытия составляет 0,65, стен - 1,01, окон - 2,5, ворот и дверей - 2,0.

Площадь ограждающих конструкций рассчитывается следующим образом:

1. Площадь потолка (помещение с чердачным перекрытием) - путем умножения внутренних размеров длины и ширины помещения. Площадь совмещенного (бесчердачного перекрытия) - путем умножения ширины покрытия на его длину и на количество сторон покрытия.

2. Площадь стен (помещение с чердачным перекрытием) - путем умножения наружного периметра помещения на высоту стен с учетом толщины потолка (совмещенного покрытия) за минусом площади окон и ворот.

При расчете площади наружных стен помещения с совмещенным покры­тием торцовые стены условно разбивают на прямоугольники и треуголь­ники. Поэтому площадь стен определяется по промерам наружного пери­метра здания (по длине) и расстоянию от внутренней поверхности пола до верхней поверхности совмещенного покрытия у продольной стены с учетом площади двух треугольников торцовых стен. При этом площадь окон и ворот (дверей) не учитывается.

3. Площадь пола - по зонам:

1 зона - до 2 метров от стен;

2 зона - от 2 метров до 4 метров;

3 зона - от 4 метров.

При этом, в первой 2-х метровой зоне площадь пола примыкающая к углам наружных стен, учитывается дважды, т.е. при определении площади этой зоны берут полностью длину обеих наружных стен, образующих углы (по внутреннему периметру). Для удобства расчетов цифровой материал целесообразно свести в таблицу.

Таблица 2.2

Определение теплопотерь через ограждающие конструкции здания

Название ограждающей конструкции	k	F	k F	t	Теплопотери, ккал/ч
Перекрытие	0,65	10,86 х 66 х 2 = 1 433,52 м^2	931,79	17,8	16585,86
Окна	2,5	2,35 х 1,2 х 36 = 101, 52м^2	253,8	17,8	4517,64
Ворота и двери	2,0	2,8 х 3 х 4 = 33,6 м^2= 2,2 х 2,2 х 1 = 4,84 м^2 2,2 х 1,2 х 1 = 2,64м^2 33,6 + 4,84 +2,64 = 41,08 м^2	82,16	17,8	1462,45
Стены	1,01	21+(0,525 х2) = 22,05 м-нар.шир. 66 + (0,525 х2) =67,05 м-нар.дл. 67,05 х (3,0 +0,16) х 2 = 423,76 м^2 выс.. толщ. ст. утепл. (22,05 х 3 х 2) + [11,025 х (2,8+0,16) х2] = 132,3 + 65,27 = 197,57м^3 423,76+197,57=615,33м^2 615,33 -(101,52 +41,08) = 472,73 м^2	477,46	17,8	8498,79
Пол	0,4	(66 х 2 х 2) + (21 х2 х2) = 264 +84 = 348м^2	139,2	17,8	2477,76
1 зона
2 зона	0,2	[ (66-4) х 2 х2] + [(21 -8) х 2 х2 ] = 248 + 52 = 300м^2	60	17,8	1068
3 зона	0,1	(66-8) х (21-8) =754м^2	75,4	17,8	1342,12
			2019,81		35952,62

Таким образом, теплопотери через ограждающие конструкции составляют 35 952,62 ккал/ час.

В зависимости от расположения здания к направлению господствую­щих ветров, по сторонам света и рельефу местности, помещение теряет дополнительно за счет обдувания еще 13 % тепла от теплопо­терь ограждающих конструкций (стен, окон, ворот, дверей), т.е. (4517,64 + 1462,45+ 8 498,79) x 0,13 = 1882,25 ккал/ч. Следовательно, общий расход тепла, необходимого на нагрев всех ограж­дающих конструкций коровника составит:

35 952,62 ккал/ч + 1882,25 ккал/ч = 37834,87 ккал/ч.

Суммируем все теплопотери в помещении: на обогрев вентиляцион­ного воздуха – 147 239,6 ккал/ч, на испарение влаги с поверхности пола и ограждающих конструкций 5 785,8 ккал/ч, на обогрев ограждающих конструкций – 37 834,87 ккал/ч. Расход тепла равен 190 860,27 ккал/ч.

Подставляя полученные данные в формулу (2.10), определяем тепло­вой баланс помещения.

145 756 ккал/ч = 147 239,6 ккал/ч + 5 785,8 ккал/ч + 3783,87 ккал/ч

Расчет показывает, что расход тепла превышает теплопоступления на 45104,27 ккал/ч (190 860,27 ккал/ч – 145 756 ккал/ч), что свидетельствует об отрицательном тепловом балансе коровника. Допускаются отклонения ± 10% к расчетным данным.

При расчете теплового баланса в помещении очень важно опреде­лить, какая же температура воздуха будет внутри помещения при найденном балансе. Поэтому нужно определить разницу между темпера­турой воздуха в помещении и температурой наружного воздуха, при кото­рой приход тепла в помещении будет равен его расходу, т.е. определить t нулевого баланса по следующей формуле:

(2.13)

Подставляем ранее полученные данные в формулу 2.13

Следовательно, разность между температурой наружного воздуха и температурой внутри помещения равна 13,6°С, так как средняя январская температура в районе Витебска - -7,8°С, то температура воздуха в помещении бу­дет равна (13,6°С -7,8°С)=5,8°С, что не соответствует зоогигиеническим требованиям.

Приведенные расчеты показывают, что температура воздуха в коровнике зимой будет снижаться ниже принятой на 4,2 ^ОС. Такое снижение температуры воздуха в помещении повлечет за собой к увеличению относительной влажности воздуха и к потери продуктивности животных. Известно, что при понижении температуры воздуха помещения на 1 ^ОС животные теряют продуктивность на 3,3 %, а при повышении влажности (более 85%) на 1% молочная продуктивность снижается на 1,1 %.

В нашем примере перепад температуры составляет 4,2 ^ОС, потеря молочной продуктивности составит: 3,3% х 4,2 = 13,86%.

В коровнике 200 коров, из них часть сухостойных, среднесуточный удой составляет 12 кг молока, следовательно, 200 коров в сутки дают 2 400 кг молока.

Потеря продуктивности составит:

В январе 31 день, следовательно, потери молока составят

(332,64 х 31) 10 311, 84 кг, а за зимний период (за три месяца) 30 935,52 кг.

Сохранение нормального температурно-влажностного режима в помещении возможно при:

А) обеспечении надежной работы системы канализации;

Б) систематическом применении веществ, поглощающих влагу;

В) обеспечении снижения общих теплопотерь через внешние ограждения.

Если эти требования невыполнимы, то единственным выходом остается подогрев приточного вентиляционного воздуха, применив для этой цели отопительно-вентиляционные устройства (таблица 14 "Вентиля­ционно-отопительное оборудование, рекомендуемое для комплектации систем обеспечения микроклимата животноводческих помещений").

Известно, что 1 кВт электроэнергии дает 860 ккал тепла. Для покрытия дефицита тепла требуется 45 104,27 : 860 = 52,5 кВт/ч электроэнергии. Поэтому необходи­мо установить один электрокалорифер типа СФОА - 60 с мощностью наг­ревателей 67,5 кВт (период работы 47 минут в час).

При сгорании дизельного топлива 1 кг дает 12 000 ккал тепла, следовательно: 45 104,27 : 12 000 = 3,76 кг необходимо сжечь в течение часа.