МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ МИКРОКЛИМАТА В ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ПОМЕЩЕНИЯХ


УДК 004.658.2 Е.И. Зайцева, П.П. Долгих
Методы оптимизации микроклимата в животноводческих помещениях
В статье приведено решение некоторой части проблемы энергосбережения в условиях дефицита энергоресурсов путем использования автоматизированной информационной системы управления микроклиматом. Разработана информационная система регулирования микроклимата, обеспечивающая минимум удельных затрат на управление микроклиматом.
Ключевые слова: тепловой баланс, микроклимат, имитационная модель, энергосберегающий эффект.
E.I. Zaitceva, P.P. DolgihOPTIMIZATION METHODSmicroclimate inlivestock buildings
The paperpresents the solutionto someof theproblems of energy savinginthe shortageof energy resourcesthrough the use ofautomated information systemfor climate control. The information systemof climate control, ensuringa minimumunit cost ofclimate control.
Key words:thermal balance, microclimate,simulation model, energy-saving effect.
Введение. Правильный выбор конструктивных параметров обеспечивает надежную работу теплоутилизаторов в животноводческих помещениях.
Дальнейшее развитие сельскохозяйственной техники будет характеризоваться еще более интенсивным использованием средств и методов автоматизации, информатизации и робототехнических комплексов, в связи с тем, что мировой уровень механизации основных процессов в полеводстве и животноводстве приближается к 100%.
Целью моделирования является построение модели режимов работы климатических установок в животноводческих помещениях для снижения энергозатрат.
Анализ показал, что в настоящее время разработаны различные энергосберегающие методы и оборудование, средства для их реализации при обеспечении оптимального микроклимата на фермах крупного рогатого скота. Часть этого оборудования требует совершенствования и проверки эффективности использования в практических условиях [1].
Однако, внедрение энергосберегающих методов и оборудования сдерживается отсутствием программного продукта, который бы обеспечивал управление микроклиматом при помощи вычислительной и микропроцессорной техники.
Целью проведения расчета тепловлажностного баланса животноводческого помещения с системой обеспечения микроклимата на базе утилизации теплоты выбросного воздуха является определение дополнительного количества теплоты на обеспечение требуемых параметров микроклимата при определенных объемно-планировочных и конструктивных решениях с учетом тепловозврата от теплоутилизационных установок [2].
Методики расчета теплового баланса. Целью проведения расчета тепловлажностного баланса животноводческого помещения с СОМ на базе утилизации теплоты выбросного воздуха является определение дополнительного количества теплоты на обеспечение требуемых параметров микроклимата при определенных объемно-планировочных и конструктивных решениях с учетом тепловозврата от теплоутилизационных установок.
Потребность в дополнительном количестве потока теплоты определяется по формуле:
QДОП=QОГР+QВ+QИ+QЖСВ(1)
Теплопотери помещением через ограждения определенного варианта объемно-планировочного и конструктивного решения рассчитываются по формуле:
QОГР=n∙FТСRОТСПРtВ-tН=n∙FТСRОТСПР+nПС∙FПСRОПСПР+nЛОК∙FЛОКRОЛОКПР++nОК∙FОКRООКПР+nВ∙FВRОВПР+FПОЛRОПОЛПР∙tВ-tН QUOTE (2)
При этом теплопотери с инфильтрацией не учитываются.
Теплопотери на испарение влаги с открытой водной и смоченной поверхностей с учетом технологии содержания животных и планировочных решений животноводческого помещения определяются по формуле:
QИ=0,68∙WИ=0,68ωСМFСМ+ωОТКРFОТКР QUOTE (3)
где 0,68 - скрытая теплота испарения, Вт∙ч/г.
Количество влаги, испаряющейся с открытых водных и смоченных поверхностей, определяется в зависимости от технологии навозоудаления [2]:
- при беспривязном содержании и периодической уборке навоза:
QUOTE WИ=FНЖ+FП)∙ωОТКР=(FНЖ+FП∙10(2,127+0,0269tВ)∙(1-φВ)(4)
- при содержании животных на решетчатых полах:
WП=ωК∙FК+ωП∙FП=FК∙23,75+1,486tB+0,025tB2∙1-φB++FП∙10(2,127+0,0269tB)∙(1-φB)(5)
- при привязном содержании и механической уборке навоза:
WП=ωСМ∙FСМ+ωП∙FП=FСМ∙30+2,2tB∙1-φB+FМ∙∙10(2,127+0,0269tB)∙(1-φB) QUOTE (6)
Теплопотери помещения с вентиляционным воздухом определяются с учетом тепловозврата утилизаторами по формуле:
QUOTE QВ=QПР-QУТ=0,278∙GПР∙tВ-tН-qУТ∙ZУТ(7)
Требуемое количество приточного воздуха определяется из условия удаления избытков влаги:
GПР=WЖ+WИ∙(dВ-dН)(8)
Количество водяных паров, выделяемых животными при дыхании, определяется в соответствии с видом и возрастом животных и с учетом расчетной температуры в помещении по формуле:
WЖ=mЖ∙ωЖ∙KЖВ (9)
где ωж- для телят и молодняка при интенсивном откорме определяется по формуле:
QUOTE ωЖ=0,78PЖ+7,56tВ-0,005PЖtВ-36 (10)
Для остального поголовья крупного рогатого скота ωЖ определяется по [2].
КЖВ - определяется по [2]для крупного рогатого скота и свиней соответственно.
Количество свободного потока теплоты, выделяемое животными, определяется в зависимости от вида, возраста и расчетной температуры внутреннего воздуха:
QЖСВ=mЖ∙qЖСВ∙KЖТ (11)
где qЖСВ-для телят и молодняка при интенсивном откорме определяется по формуле:
qЖСВ=1,26PЖ-2,9tВ-0,02PЖtВ+121(12)
Для остального поголовья крупного рогатого скота  определяется по [2].
КЖВ - определяется по [2]для крупного рогатого скота и свиней соответственно.
Тепловозврат от теплоутилизационных установок определяется в зависимости от типа теплоутилизатора и его теплотехнических характеристик при различных температурно-влажностных условиях первичного и вторичного теплоносителей и определяется по формуле:
QУТ=qУТZУТ=f(tН1, tВ, φВ) QUOTE (13)
где
qУТ=AУТ∙∆tУТ=AУТ∙(tВ-tНУТ) QUOTE (14)
Минимально требуемое количество теплоутилизаторов для конкретного помещения определяется в зависимости от вида теплоутилизаторов и требуемого воздухообмена при максимальной расчетной температуре наружного воздуха для отопительного периода (в соответствии с расчетом тепловоздушного баланса) по выражениям:
- при GУТ>4,0 тыс.м3/ч:
ZУТ=GПРGУТ+0,7- целое число; (15)
- при GУТ ≤ 4,0 тыс.м3/ч:
ZУТ=GПРGУТ+1- целое число. (16)
С учетом выбранного количества утилизаторов корректируется расчетный максимальный воздухообмен:
GВР=GУТ∙ZУТmax (17)
При понижении температуры наружного воздуха ниже расчетной может быть уменьшено количество работающих утилизаторов, либо снижена воздухоподача регулируемых приточных вентиляторов теплоутилизационных установок.
При уменьшении воздухоподачи приточных вентиляторов теплоутилизационных установок в животноводческих помещениях должен обеспечиваться воздушный баланс по притоку и вытяжке за счет применения рециркуляции выбросного воздуха, прошедшего тепловую обработку в утилизаторе.
Потребность в дополнительном тепле может быть реализована с помощью воздухоподогревателей(водяных или электрокалориферов), встроенных в конструкцию теплоутилизаторов, либо с помощью предусматриваемых тепловентиляционных установок, работающих на рециркуляционном воздухе, либо с помощью приборов местного отопления(регистров, электроконвекторов и других нагревательных приборов).
Окончательный выбор тепловентиляционного оборудования для СОМ с утилизацией теплоты выбросного воздуха должен производиться на основе результатов вариантных расчетов тепловлажностных балансов с учетом различной степени утепления зданий и его отдельных элементов, эффективности теплоутилизаторов различного типа, мощности и эффективности средств дополнительного подогрева.
Расчет теплового баланса показывает, что в итоге необходимо выбрать тип и количество оборудования для животноводческого комплекса с учетом всех потерь.Облегчить вопросы реализации энергоэффективных режимов может информационная система по расчету и выбору системы обеспечения микроклимата для животноводческого помещения, напрямую работающая с частотно- регулируемым электроприводом.
В процессе проектирования было выделено несколько функционально-однородных модулей, которые позволяют, в свою очередь, выделить множество отдельных операций, которые целесообразно объединить по функционально-однородному признаку в несколько подсистем.
Разработанная информационная система включает следующие модули (подсистемы):
а) справочник «Теплоутилизаторы»,
б) диаграммы.
в) расчет теплопотерь через ограждение, на испарение влаги, с вентиляцией, количества теплоты, выделяемой животными,
г) ввод-вывод данных,
д) расчет энергопотребления,
е) формирование отчета,
ж) справка.
Каждая подсистема отвечает за выполнение конкретных задач. Приводится описание подсистем и задач, которые они выполняют.
Разработанная информационная система решает ряд вышеописанных задач, которые объединены в подсистемы: справочники, диаграммы, расчеты.[3]
Обычно применяемый метод расчета теплового балансаисходит из основных заданий (расчет теплопотерь, тепловозврат оттеплоутилизационных установок, вид теплоутилизатора, требуемый воздухообмен в помещении) и использует ряд величин и формул из практики проектирования систем обеспечения микроклимата животноводческих помещений.
Допустим, в автоматизированную информационную систему поступили сведения обизменении температуры внутреннего воздуха в животноводческом помещении. Открываем рабочую форму,переходим по вкладке «Температурв» и вносим данные о поступившем изменении. На рис.1 представлена рабочая форма «Расчет».

Рисунок 1 – Рабочая форма «Расчет»
После проведения расчета необходимо обратиться к кнопке «Сохранить в базу данных».
Рабочая форма предполагает проведение расчета теплового баланса помещения при использовании различных материалов для внутренней поверхности стен и покрытий, при различной геометрии здания (рис.2).

Рисунок 2 – Выбор используемого материала
Аналогичным образом осуществляется построение диаграмм и графиков. Следует также отметить, что в подсистеме «Диаграммы» решается такая задача, как построение графиков зависимости испарения влаги с открытых поверхностей и графиков зависимости удельных влаговыделений от температуры воздуха. На рисунке 3.4 приведена рабочая форма «Диаграмма».

Рисунок 3 – Рабочая форма «Диаграмма»
Кратко опишем процедуру построения диаграммы по исходным температурным параметрам.Процедура обращается к рабочей форме «Расчет» и отыскивает параметры для конкретного здания –и «запоминает» их. Далее возвращается в таблицу «Расчеты» и затем в поле «Построить диаграмму/график» строит диаграмму для конкретного расчета.

Рисунок 4 – Построение диаграммы количества теплоутилизаторов и изменения внутренних температур в помещении
Итак, были рассмотрены приведены примеры основных расчётных программ созданной информационной системы.
На основании физических взаимозависимостей составлена адекватная математическая модель регулирования микроклимата в животноводческих помещениях.
На основании этой модели разработано программное приложение [3] для имитации регулирования систем микроклимата и выработки управляющих воздействий, поддерживающих температуру и влажность воздуха в животноводческом помещении на оптимальном уровне.

Литература
Энергосберегающее оборудование для обеспечения микроклимата в животноводческих помещениях. Научный аналитический обзор 01.01.2004
Рекомендации по расчету и проектированию систем обеспечения микроклимата животноводческих помещений с утилизацией теплоты выбросного воздуха (http://snipov.net/c_4696_snip_111315.html)
Зайцева Е.И., Гузев С.А., Долгих П.П. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014614825 Дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 08 мая 2014 г. «Моделирование энергоэффективных режимов работы климатического оборудования в животноводческих помещениях»

Приложенные файлы