USE OF SOLAR ENERGY HEAT IN ANIMAL BREEDING BUILDINGS

Full Text

Основной задачей в животноводстве на сегодняшний день является создание оптимальных микроклиматических условий для выращивания высокопродуктивных животных при наименьших затратах энергии. На формирование микроклимата в помещениях для содержания животных одновременно влияет множество факторов. К наиболее существенным из них относятся: климатические характеристики местности, количество, возраст и порода животных, размеры и планировка сельскохозяйственных помещений, материал наружных ограждений, наличие систем отопления и вентиляции. С точки зрения экономии тепловой энергии основным параметром, характеризующим микроклимат в помещении, является температура внутреннего воздуха, от которой в свою очередь напрямую зависит продуктивность сельскохозяйственных животных. В нормах технологического проектирования для определенного вида животных и птиц приводятся оптимальные производственные температуры, при которых производство животноводческой продукции наиболее эффективно. Большинство функционирующих в настоящее время коровников и помещений для откорма крупного рогатого скота, построенных по типовым проектам, эксплуатируются как неотапливаемые с неорганизованным воздухообменом. Отопительные системы в них либо не были предусмотрены вообще, либо не применяются с целью сокращения эксплуатационных затрат. Согласно исследованиям [1-3] расчетные температуры воздуха в животноводческих помещениях могут обеспечиваться за счет утилизации естественной физиологической теплоты, выделяемой животными. Однако при температурах наружного воздуха tн ниже условной расчетной температуры tн р [1, 4], определяемой из теплового баланса конкретного сельскохозяйственного здания, в неотапливаемых помещениях начинается дефицит теплоты. Несмотря на то, что крупный рогатый скот выдерживает широкий диапазон отрицательных температур и выживает в этих условиях [5-7], его продуктивность резко снижается. Еще одним неприятным фактором, который имеет DOI: 10.17673/Vestnik.2019.03.8 Е. В. Чиркова 57 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 место при tн < tн р, является наличие тумана в животноводческих помещениях [8]. Натурные исследования, проведенные в неотапливаемом коровнике круглогодичного беспривязного содержания на 200 коров молочного направления, расположенном в с. Васильевка Ставропольского района Самарской области [9, 10], показали, что при температурах наружного воздуха tн ≥ -7,8 °С, в помещении поддерживается температура внутреннего воздуха не ниже нормируемой (tв = 10 °С). При снижении температуры наружного воздуха до tн = 5 °С, температура воздуха в помещении коровника опускается ниже tв = 5 °С. НТП-АПК 1.10.01.001-00 «Нормы технологического проектирования ферм крупного рогатого скота крестьянских хозяйств» [11] допускают снижение температуры внутреннего воздуха в коровниках на 5 °С ниже расчетной в наиболее холодный период года в течение 5 суток подряд, но не более 240 ч за сезон, при условии, что не будет выпадать конденсат на стенах и потолке помещения. В исследуемом же коровнике в этот период наблюдался густой туман (рис. 1). С целью сведения к минимуму количества дней в году с неблагоприятными для животных условиями существования, предлагается в качестве дополнительного источника теплоты использовать теплоту солнечной энергии. Для достижения поставленной цели возможно применение солнечных воздушных отопительных коллекторов. Как известно, солнечное излучение, которое достигает поверхности Земли, складывается из прямого и рассеянного. Рассеивание прямого излучения происходит в плотных слоях атмосферы и в облаках. Отражение прямого излучения от поверхности Земли также создает рассеянное излучение. Одним из преимуществ плоских воздушных солнечных коллекторов является способность поглощать как прямое, так и рассеянное солнечное излучение. Соответственно даже в пасмурный день солнечный коллектор будет преобразовывать энергию солнца в тепловую энергию. Другими преимуществами воздушного солнечного коллектора по сравнению с водяным являются: исключение закипания и замерзания теплоносителя, а также его утечки, быстрое изменение температуры воздуха в помещении, простота конструкции, возможность самостоятельного изготовления. Конструкция солнечного воздушного коллектора представлена на рис. 2. В качестве примера рассмотрен отопительный коллектор российской компании «Solar Fox». Коллектор представляет собой корпус с абсорбером, покрытым черным термостойким селективным покрытием, и двумя отверстиями. Через вытяжное отверстие, расположенное снизу, воздух из помещения поступает в корпус коллектора, нагревается и подается обратно в помещение через приточное отверстие сверху. Приточное отверстие комплектуется обратным клапаном для исключения перетекания через него теплого воздуха из помещения в короб коллектора. Движение воздуха обеспечивается работой встроенного вентилятора, который включается автоматически при попадании на батарею солнечного излучения. В случае необходимости вентилятор может быть отключен при помощи выключателя. Устанавливать сол- Рис. 1. Туман в коровнике Рис. 2. Конструкция воздушного отопительного солнечного коллектора: 1 - воздушный коллектор; 2 - абсорбер; 3 - приточный вентилятор; 4 - приточная решетка с обратным клапаном; 5 - вытяжная решетка Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 58 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ нечный коллектор можно на стену или крышу здания. Для оценки располагаемого количества солнечной энергии в с. Васильевка Ставропольского района Самарской области, где находится исследуемый коровник, был проведен расчет по методике, изложенной в [12]. Задачей расчета является определение среднемесячного количества суммарной солнечной энергии, МДж/(м2·мес.), поступающей на наклонную поверхность коллектора: где E‾ - суммарное дневное количество суммарного солнечного излучения, поступающего на горизонтальную поверхность, MДж/(м2·день); m - количество дней в месяце; R‾ - отношение среднемесячных дневных количеств солнечной радиации, поступающих на наклонную поверхность: где E‾д - среднемесячное дневное количество рассеянной солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, МДж/(м2·день); β - угол наклона солнечного коллектора к горизонту; ρ - коэффициент отражения для подстилающей поверхности Земли, для зимы ρ = 0,7; R‾п - коэффициент пересчета прямого излучения с горизонтальной на наклонную поверхность: где φ - географическая широта местности, для с. Васильевка φ = 53 °; δ - угол склонения солнца в определенный день n: где в качестве дня n был принят 15-й день каждого месяца; ωз - часовой угол захода Солнца для горизонтальной поверхности: ωʹз - часовой угол захода Солнца для наклонной поверхности: Поскольку дефицит теплоты в коровнике наблюдался при температурах наружного воздуха tн ≤ -7,8 °С, расчет проводился только для зимних месяцев. Результаты расчета сведены в табл. 1. Таблица 1 Расчет располагаемого количества солнечной энергии в с. Васильевка Ставропольского района Самарской области по месяцам Показатель Январь Февраль Декабрь m, дн. 31 28 31 n, дн. 15 46 349 δ, ° -21,3 -13,3 -23,3 φ, ° 53 53 53 β, ° 68 68 68 ωз, ° 58,9 71,7 55,2 ωʹз, ° 58,9 71,7 55,2 R‾п 4,75 2,97 5,52 E‾д, МДж/(м2·день) 2,04 3,48 1,32 E‾, МДж/(м2·день) 2,83 6,02 1,96 R‾ 2,04 1,87 2,48 E‾к, МДж/(м2·мес.) 179 315 151 , , , , ; Е. В. Чиркова 59 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 Следующей задачей было определение площади поверхности нагрева воздушных солнечных коллекторов и их количества с учетом КПД. Количество коллекторов рассчитывается по формуле где fк - площадь поверхности нагрева одного коллектора, м2; Fк тр - суммарная требуемая площадь поверхности нагрева солнечных коллекторов, м2: где Qо - тепловая нагрузка на отопление, МДж/мес.; qк - среднемесячная теплопроизводительность коллектора, МДж/(м2·мес.): КПД солнечного коллектора рассчитывается по формуле где ηо - эффективный оптический КПД солнечного коллектора, доли; принимается из технического паспорта на солнечные коллекторы компании «Solar Fox»; Tв - температура воздуха на входе в коллектор, °С; Tн - температура наружного воздуха, °С; Iк - плотность суммарного теплового потока солнечной радиации, поступающей на поверхность солнечного коллектора, Вт/м2; принимается равной 800 Вт/м2; Kк - эффективный коэффициент теплопотерь солнечного коллектора: где а1 - коэффициент тепловых потерь солнечного коллектора первого порядка; согласно ГОСТ Р 54856-2011 «Методика расчета энергопотребности и эффективности системы теплогенерации с солнечными установками», для остекленных коллекторов а1 = 3,5 Вт/(м2·°C); а2 - коэффициент температурной зависимости коэффициента тепловых потерь солнечного коллектора второго порядка; согласно ГОСТ Р 54856-2011 [13], а2 = 0 Вт/(м2·°C). Требуемая тепловая нагрузка на отопление определялась для коровника в с. Васильевка Ставропольского района Самарской области. Продольная ось здания ориентирована в направлении «СВ-ЮЗ», окна обращены на северо-запад и юго-восток. Здание коровника одноэтажное, со стоечно-балочным каркасом, в плане однопролетное длиной 78,0 м, шириной 21,0 м, шаг стоек 6,0 м. Высота помещения в коньке 4,15 м. Здание коровника представляет единый строительный объем (6984 м3), площадь пола 1684 м2. В торцах здание снабжено распашными металлическими воротами размером 3,0×3,0 м, в продольных стенах предусмотрены две деревянные двери размером 0,9×2,0 м, окна размером 1,8×0,6 м в количестве 24 шт. с открывающимися фрамугами. Оконные проемы с двойным остеклением в спаренных деревянных переплетах. Наружные стены здания выполнены из керамзитобетонных стеновых панелей толщиной 0,4 м; полы бетонные; бесчердачное покрытие из железобетонных пустотных плит толщиной 0,22 м. Кровля двухскатная из профилированной стали толщиной 0,9 мм. Вдоль конька по всей длине здания расположен светоаэрационный фонарь. Биологическая теплота, выделяемая животными , Вт, определяется по формуле [12]: где qж - явная теплота, выделяемая одним животным, Вт/гол.; z - расчетное количество животных в помещении, гол.; k1 - коэффициент отклонения тепловыделений животных в зависимости от температуры воздуха в помещении, для коров при tн = 10 °С, k1 = 1; k2 - коэффициент, учитывающий фактическое число животных в помещении по сравнению с расчетным, для крупного рогатого скота k2 = 0,9; k3 - коэффициент, учитывающий тепловыделения животных, находящихся в состоянии покоя (в ночное время); для крупного рогатого скота k3 = 0,8. Результаты расчета представлены в табл. 2. Как видно из расчета, действительный КПД солнечных коллекторов в зимние месяцы составляет 58-61 %. При установке на кровле здания воздушных солнечных коллекторов в количестве 150 штук можно добиться 100 % покрытия тепловой нагрузки на отопление коровника при температурах ниже условной расчетной tр н = -7,8 °С в феврале и декабре. Установка коллекторов на кровле предпочтительна по двум причинам: во-первых, возможно расположение коллектора с оптимальным углом наклона к горизонту, во-вторых, площадь покрытия коровника составляет 1700 м2, что позволит разместить необходимое количество солнечных коллекторов. В январе доля покрытия тепловой энергией составляет 50 %. Это неплохо, поскольку позволит поддерживать температуру внутреннего воздуха в коровнике tв = 7 °С вместо tв = 4,1 °С в случае отсутствия теплопоступлений от , , , , , Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 60 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ системы солнечного отопления. Как отмечалось выше, нормы технологического проектирования допускают понижение температуры в помещениях коровников только до tв = 5 °С. И, что очень важно, повышение температуры внутреннего воздуха с 4,1 до 7 °С позволит избежать образования в помещении тумана, который не только ухудшает условия существования животных, но и отрицательно сказывается на долговечности наружных ограждений. Следует отметить, что в Самарской области в январе количество суток со сред- Таблица 2 Расчет площади поверхности нагрева воздушных солнечных коллекторов Показатель Январь Февраль Декабрь ηо, % 70 70 70 Tв, °С 5 5 5 Tн, °С -13,5 -12,6 -9,6 ηк, % 57,6 58,4 60,9 qк, МДж/(м2·мес.) 103,2 184,0 92,0 Qо, МДж/мес. 92804 78341 30070 Fк тр, м2 900 426 327 fк, м2 3 3 3 Nк, шт. (принятое) 150 150 150 Qк, МДж/мес. 46424 82799 41397 Доля покрытия тепловой энергией, % 50,0 105,7 137,7 ней температурой наружного воздуха ниже tн = -13,5 °С не так уж и велико. На рис. 3 и 4 представлено изменение среднесуточной температуры наружного воздуха в г. Тольятти Самарской области (ближайший город к с. Васильевка) в течение января 2018 и января 2019 гг. Из графиков видно, что в январе 2018 г. среднесуточная температура наружного воздуха ниже tн = -13,5 °С наблюдалась в течение 6 суток, а в 2019 г. - в течение 9 суток, при этом не более 5 суток подряд. -25,0 -20,0 -15,0 -10,0 -5,0 0,0 0 5 10 15 20 25 30 Дни месяца Среднесуточная температура наружного воздуха, °С Рис. 3. Изменение среднесуточной температуры наружного воздуха в январе 2018 г. Е. В. Чиркова 61 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 Выводы. Применение воздушных солнечных коллекторов для отопления животноводческих зданий позволит свести к минимуму дни в течение холодного периода года, когда в них наблюдается дефицит теплоты; поддержание требуемых нормами параметров микроклимата в животноводческих помещениях позволит одновременно с улучшением условий содержания животных повысить их продуктивность, а также избежать преждевременного износа ограждающих конструкций сельскохозяйственных зданий. Конструкция воздушных солнечных коллекторов настолько проста, что их можно изготовить самостоятельно. -25,0 -20,0 -15,0 -10,0 -5,0 0,0 0 5 10 15 20 25 30 Дни месяца Среднесуточная температура наружного воздха, °С Рис. 4. Изменение среднесуточной температуры наружного воздуха в январе 2019 г.

About the authors

Elena V. CHIRKOVA

Togliatti State University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files