Расчет теплового баланса помещения и рекомендации мероприятий при отрицательном и положительном балансе

7.1. Расчёт 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 расчёт 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 ограждение здания и испарения влаги.

Поэтому тепловой баланс в зданиях с отопительными приборами будет иметь следующий вид:

Q_ж + Q_от = Q_огр + Q_вент+Q_исп;

где Q_ж. – количество теплоты, выделяемое животными, Вт;

Q_от. – количество теплоты, поступающее от отопительных и отопительно-вентиляционных установок, Вт;

Q_огр. – количество теплоты, теряемой через все ограждающие конструкции, Вт;

Q_вент. – количество теплоты, расходуемой на нагревание вентиляционного воздуха, Вт;

Q_исп. - количество теплоты, расходуемой на испарение влаги с мокрых поверхностей, подстилки, технологического оборудования.

В неотапливаемых зданиях формула теплового баланса будет следующая:

Q_ж = Q_огр + Q_вент+Q_исп.

Теплоту, выделяемую всеми животными (Q_ж, Вт), рассчитывают по формуле:

Q_ж = q_ж* n,

где q_ж – количество свободной теплоты, выделяемой одним животным;

n – количество животных в помещении, гол.

Тепловыделение животных зависит от вида, возраста, продуктивности и температуры окружающей среды. Расчёт ведут с учётом поправочного коэффициента на температуру, при которой находятся животные в помещении.

Теплопотери здания складываются из основных теплопотерь через все его наружные ограждения и дополнительных. Основные теплопотери (Q_огр, Вт) через ограждающие конструкции вычисляют по формуле:

Q_огр = ∑(K*F) * (Т_в – Т_н)*n,

где ∑ - показатель, указывающий на то, что нужно учесть и сложить теплопотери через каждую ограждающую конструкцию (стены, перекрытия, пол, двери, ворота);

K – коэффициент теплопередачи, Вт/ (м²∙К) (таблица 11-14);

F – площадь каждого ограждения, см²;

Т_в – температура внутреннего воздуха (расчётная), °С;

Т_н – температура наружного воздуха (расчётная), °С;

n – поправочный коэффициент, учитывает расположение ограждения по отношению к наружному воздуху.

Дополнительные теплопотери зависят от ориентации ограждений по отношению к сторонам света, обдувания ветром, продуваемости, поступления холодного воздуха через наружные двери, ворота при их открытии, инфильтрации воздуха.

Для упрощения расчётов дополнительные теплопотери принимают в размере 13% от основных теплопотерь через стены, окна, двери и ворота.

Теплопотери через полы определяют по условным коэффициентам. Так, теплопотери через неутеплённые полы, расположенные на грунте, определяют по зонам шириной 2 м, считая зоны от наружных стен.

Теплопотери через полы на лагах определяют по методике неутеплённых полов, но условный коэффициент умножают на 0,8 (т.е. 80% теплопотерь от неутеплённых полов). Для остальных конструкций коэффициенты теплопередачи находят расчётным путём.

Теплопотери на вентиляцию (Q_вент, Вт) определяют по формуле

Q_вент = 0,278*L*1,25*(Т_в – Т_н),

где L – часовой объём вентиляции, рассчитанный на удаление влажности в зимний период, м³/г;

0,278 – коэффициент для перевода кДж в Вт;

1,25 – коэффициент объёмной теплоёмкости воздуха кДж/(м³∙К);

Теплопотери на испарение влаги с мокрых поверхностей (Q_исп, Вт) определяют по формуле:

Q_исп = 0,278*2,3*W_исп;

где 2,3 – коэффициент показывающий расход теплоты на испарение 1г воды с поверхности, кДж/г;

W_исп – поступление влаги с мокрых поверхностей (для упрощения расчётов её берут в размере 10-25% от влаги (приложение К), выделяемой животными при дыхании и испарении).

Для проведения расчёта теплового баланса конюшни находим коэффициенты теплопроводности строительных материалов, Вт/(м∙К).

Потолок состоит из досок толщиной 0,03 м,

балок размером 0,27×0,2 м

руберойд толщиной 0,002 м,

теплоизоляционный слой – минераловатные толщиной 0,25м,

наверх прибиты доски толщиной 0,04 м.

Крыша состоит из слоев: деревянная обрешетка толщиной 0,03м, гидроизоляционного слоя - рубероида толщиной 0,002 м

Кирпич обыкновенный 0,81;

Железобетон 2,04;

Дерево 0,41.

Коэффициенты теплопередачи для отдельных ограждающих конструкций, Вт/(м³∙К):

окна с двойным переплётами 2,3;

ворота двойные 2,3;

двери одинарные 4,8;

полы бетонные (средняя величина) 0,35.

Расчётная температура для конюшни 10°С.

Расчёт теплового баланса производится по формуле:

Q_ж = Q_огр + Q_вент + Q_исп;

Сначала рассчитываем поступление теплоты (Q_ж) от всех лошадей.

Расчёт количества тепла, выделяемого животными ведут по таблице «Количество тепла, углекислого газа и водяного пара, выделяемые сельскохозяйственными животными» по графе «свободное тепло»

Таблица 1 - Определение количества тепла, выделяемого животными

Количество животных, голов	Живая масса, кг	Свободного тепла от 1 животного, Вт	Всего, Вт

Итого: 21186 Вт

Расчёт теплопотерь здания через ограждающие конструкции (Q_огр, Вт) проводим по формуле:

Q_огр = ∑(К*F) * (Т_в – Т_н) * n.

Прежде всего, необходимо вычислить площадь ограждающих конструкций.

Таблица 2 - Расчёт площади ограждающих конструкций

Ограждающие конструкции	Размеры, м	Число	Площадь, м2
Окна Двери в продольных стенах Ворота в торцовых стенах Стены продольные Стены торцовые Денник Перекрытия Пол в денниках Пол бетонный в проходах	1,72×0,6 2,2×0,6 2,4×2,5 47×3,12 9,66×3,12 2,9х3 *47*2 2,9х3 47х2,4		26,78 2,64 293,3 60,26-18=42,26 226,2 535,8 226,2 112,8

 

После этого рассчитаем коэффициент теплопередачи [К, Вт/(м²·К)] по формуле:

К= ;

где 1; 0,115; 0,043 – постоянные величины;

σ – толщина материала, м;

λ – теплопроводность материала, Вт/(м²·К).

Подставляя цифровые значения в формулу, получим:

для торцовых стен:

К= ===1,46;

для продольных стен:

К= ===1,46;

для перекрытия:

Расчёт потерь теплоты через ограждающие конструкции при разности температур между внутренним и наружным воздухом находим путём умножения коэффициента теплопередачи на площадь каждой конструкции.

 

Таблица 3 - Расчёт теплопотерь через ограждающие конструкции

Ограждающие конструкции	Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К)	Площадь, м2	КF, Вт/К
Окна Двери в продольных стенах Ворота в торцовых стенах Стены продольные Стены торцовые (коэффициент 0,7) Перекрытия (коэффициент 0,8) Пол в денниках Пол бетонный в проходах	2,3 4,8 2,3 1,28 1,28   0,28   0,11 0,35	26,8 2,64 293,3 42.26   535,8   226,2 112,8	61,64 12,67 41,4 375,4 54,1*0,7=37,86   150*0,8=120   24,9 39,5

ИТОГО 713,37

Затем разность температур между внутренним и наружным воздухом в самую холодную пятидневку:

ΔТ = 10 – (-32) = 42 К.

Рассчитываем основные теплопотери через ограждающие конструкции:

Q_осн = 713,37*42 = 29961,54

Дополнительные теплопотери принимаем в размере 13% от основных теплопотерь через вертикальные ограждающие конструкции, граничащие с наружным воздухом (обдувание, инфильтрация воздуха через окна, двери, ворота, стены продольные):

Q_доб = (61,64+12,67+41,4+375,4+37,86+120+24,9+39)*42*0,13 = 3895,0 Вт.

Общие теплопотери через ограждающие конструкции составляет:

Q_общ = 29961,54+3895,0 =33856,5 Вт.

Расход теплоты на вентиляцию определяем по формуле:

Q_вент = 0,278*L*1,25*(Т_в – Т_н).

Ранее было рассчитано, что воздухообмен зимой должен составлять 16806,71 м³/ч.

Q_вент = 0,278*2713,8*1,25*42=39607,1 Вт.

Поступление влаги с мокрых поверхностей (W) принимаем в размере 20% от выделяемой животными в виде паров, что составило 1233,6 г/ч.

Расход теплоты на испарение влаги с мокрых поверхностей составляет:

Q_исп=0,278*2,3*1233,6 =788,76 Вт.

Далее составляем тепловой баланс, Вт:

теплопотери:

через ограждающие конструкции - 33856,5;

на вентиляцию - 39607,1;

на испарение влаги - 788,76;

ИТОГО 74252,36.

Поступление теплоты от животных - 21186;

требуется ввести теплоты - 53066,36

Расчёт показывает, что расход тепла превышает теплопоступления на 53066,36 Вт, что свидетельствует об отрицательном тепловом балансе конюшни. Допускаются отклонения ± 10% к расчётным данным.

Для оценки теплотехнических свойств в ограждающих конструкций помещения необходимо составить сводную таблицу расчёта теплопотерь (таблица 10).

Таблица 4 - Сводная таблица расчёта теплопотерь через ограждающие конструкции

Ограждающие конструкции	Площадь, м2	К, Вт/(м2∙К)	R, м2 К/В	KF, Вт/К	Qобщ, Вт	% от теплопотерь
Окно Двери в продольных стенах Ворота в торцовых стенах Стены продольные Стены торцовые (коэффициент 0,7) Перекрытия (коэффициент 0,8) Пол в денниках Пол бетонный в проходах     Теплопотери	26,8 2,64     293,3 42.26   535,8   226,2 112,8   -	2,3 4,8   2,3   1,28 1,28   0,28   0,11 0,35   -	0,43 0,21   0,43   0,78 1,1   4,46   9,08 2,85	61,64 12,67   41,4   375,4 37,86     24,9 39,5 -	2218,32 456,12   1490,4   13514,4 1362,96     896,4   3895,0	6,5 1,35   4,4   39,9 4,02   12,76   2,65 4,2   11,5
ИТОГО				676,37	25680,6

 

Данные расчётов показывают, что общие теплопотери в здании в самую холодную пятидневку составляют 33856,5Вт. Наибольшие теплопотери приходятся продольные стены 13514,4 Вт, на перекрытия составляют 4320 Вт, полы в проходах –1422Вт, продольные стены 13514,4 Вт, окна 2218,32 Вт.

Высокие теплопотери через стены продольные объясняются их большой площадью, а также недостаточной толщиной стены. Сделать стены толще можно при их оштукатуривании цементной смесью, что позволит сократить теплопотери.

Так же большие теплопотери осуществляются через окна в продольных стенах. На это оказывает влияние количество окон, их площадь и неудовлетворительное состояние оконных рам из-за неплотного их прилегания к оконной коробке. При современных пластиковых окнах потери тепла сокращаются на много, так как конструкция самих рам способствует не проникновению холодного воздуха внутрь помещения, не пористости материала и плотности прилегания двойных стекол к самим рамам.

В связи с вышеизложенным первоочередная задача состоит в повышении теплоизоляции продольных стен.

После предложений по утеплению здания уточняют баланс теплоты и приступают к обоснованию вентиляционной системы: её мощности по теплу, по воздуху.

В любом случае необходимо предложить естественную вентиляцию как резервную и дополняющую приточно-вентиляционную систему.

До определённого предела понижения наружной температуры возможна работа вентиляционной системы без подогрева воздуха. Расчёт этой температуры проводится по формуле:

DТ =

где 0,35 – объёмная теплоёмкость воздуха, Дж/(м²×К);

к значению SKF следует прибавить дополнительные теплопотери через продольные стены, окна, двери и ворота в размере 13%.

Подставив значения в формулу, получаем:

DТ= ==19°С.

На основании этого рассчитаем наружную температуру, при которой возможна работа естественной вентиляции без подогрева воздуха:

Т_н = Т_в-DТ,

Т_н = 10-19 = - 9°С.

Таким образом, в конюшне возможна работа вентиляционной системы без подогрева воздуха при понижении наружной температуры до минус 9°С.

При дальнейшем понижении температуры для обеспечения нормативной температуры и влажности требуется подогрев подаваемого в помещение воздуха.

Рассчитать экономический ущерб при снижении температуры ниже нормативной. Если фактическая температура в помещении окажет­ся, ниже нормативной, это повлечет за собой увеличение относительной влажности воздуха и к потере продуктивности животных.

В большинстве зон страны в холодное время года для обеспе­чения требуемого воздухообмена и поддержания при этом норма­тивной температуры в помещении необходимо дополнительное тепло (обогрев) с помощью специальных устройств. Чтобы отопи­тельные устройства (калорифер, тепловой генератор) были эффек­тивны и экономичны, специалисты должны уметь определить их теплопроизводительность в условиях конкретного помещения с определенным поголовьем.

Анализируя расчёты, можно сделать заключение, что здание данного коровника имеет низкую теплозащиту. В связи с этим придётся нести больше эксплуатационные расходы на вентиляцию за счёт подачи подогретого воздуха. Если этого не сделать, то в стойловом помещении будет быстро накапливаться избыточная влажность со всеми негативными последствиями.

Приведённые расчёты показывают, что температура воздуха в конюшне зимой будет ниже принятой на 9 °С. Такое снижение температуры воздуха в помещении повлечёт за собой к увеличению относительной влажности воздуха. При дальнейшем понижении температура для обеспечения нормальной температуры и влажности требуется нагревать помещение за счет утепления чердачного перекрытия сеном.

Анализируя расчеты, можно сделать вывод, что здание данной конюшни имеет низкию теплозащиту. В связи с этим придется нести большие эксплуатационные расходы на утепление помещения. Если этого не сделать, то в помещение будет быстро накапливаться избыточная влажность со всеми негативными последствиями.