З а д а н и е 4. Основные методы расчетов объема воздухообмена (вентиляции).

Вентиляция помещений производится с целью создания благополучного микроклимата, что способствует укреплению здоровья и повышению продуктивности животных, а также сохранению строительных материалов и конструкций зданий.

На животноводческих фермах Республики Беларусь применяют раз-

личные по принципу действия и конструктивным особенностям вентиляционные системы: с естественным побуждением тяги воздуха, механическим побуждением тяги и комбинированные ( приложение 8). Для правильной эксплуатации приточно-вытяжной системы вентиляции на естественной тяге воздуха необходим точный расчет объема вентиляции. При этом определяют часовой объем вентиляции, кратность воздухообмена, суммарную площадь сечения вытяжных труб и приточных каналов, их количество.

Часовой объем вентиляции определяет, какое количество кубических метров свежего воздуха вводится в помещение с определенным поголовьем, чтобы обеспечить оптимальные параметры микроклимата. Расчет часового объема вентиляции проводится по влаге с проверкой на углекислый газ для холодного и переходного периодов года, для теплого – по теплоизбыткам с проверкой на влажность. В помещениях для птицы во все периоды года расчет ведется по углекислому газу с проверкой по теплоизбыткам.

Для расчета часового объема вентиляции необходимо знать количество водяного пара, выделяемого животными, и другие поступления влаги в помещение в течение 1 ч в граммах.

При расчете газо-, влаго- и тепловыделений животными с разной живой массой и продуктивностью используют приложение 10. Если искомые показатели не совпадают с табличными данными, расчет ведут методом интерполяции.

Расчет методом интерполяции. Расчет проводится по формуле

,

где Q – количество тепла или влаги, выделяемое животным с данной живой

массой (г/ч или ккал/ч);

а – количество тепла или влаги, выделяемое животным с большей

живой массой, взятой для расчета (г/ч или ккал/ч);

b – количество тепла или влаги, выделяемое животным с меньшей

живой массой, взятой для расчета (г/ч или ккал/ч);

с₁ – большая живая масса животного, взятая для расчета, кг;

с₂ – меньшая живая масса животного, взятая для расчета, кг;

d – живая масса данного животного, у которого определяют

количество выделяемого тепла или влаги, кг.

Поправка на продуктивность составляет: по выделению влаги – 14 г/ч, по выделению тепла – 25 ккал/ч.

В качестве примера для расчета объема воздухообмена берем ко­ровник с привязным содержанием на 200 гол.

Размеры помещения: длина – 72 м, ширина – 21, высота в коньке крыши – 5,9, высота стены – 3,0 м. Промеры ведутся внутри помеще­ния (без учета тамбуров). Стены коровника кирпичные в два кирпича с внутренней штукатуркой 1,5 см на легком растворе, окна двойные размером 1,8´1,2 м по 12 шт. с одной стороны, ворота деревянные размером 2,1´2,4 м – 4 шт., двое деревянных дверей размером 2,1´1,2 м. Потолок совмещен с крышей. Покрытие железобетонное сборное с рулонной кровлей и утеплителем, уборка навоза с помощью скребкового транспортера ТСН-ЗБ. Количество вытяжных труб – 5 шт. сечением 0,9 ´ 0,9 м, высотой 4 м.

При определении общей площади сечения приточных каналов ис­ходят из того, что она составляет 80 % (0,8 части) от площади сечения вытяжных каналов. В нашем примере сечение приточных каналов составляет 0,6 ´ 0,3 м. На время расчетов температура воздуха в коров-

нике + 12 ^оС, наружного – 2 ^оС, относительная влажность воздуха в

коровнике 75 %, атмосферное давление 745 мм рт. ст.

В коровнике содержится 200 гол. крупного рогатого скота, из них:

1-я группа – коровы лактирующие живой массой 600 кг, удоем 15 л, их количество – 40 гол.; 2-я группа – коровы лактирующие живой массой 530 кг, удоем 12 л, 70 гол.; 3-я группа – коровы сухостойные живой массой 600 кг, 35 гол.; 4-я группа – нетели живой массой 350 кг, 40 гол.; 5-я группа – коровы лактирующие живой массой 500 кг, удоем 14 л, 15 гол.

Расчет часового объема вентиляции по углекислоте проводят по формуле

,

где L – часовой объем вентиляции, или количество воздуха, которое

подлежит вывести из помещения за 1 ч, м³;

С – количество углекислого газа, которое выделяют все животные

за 1 ч, л (приложение 10);

С₁ – допустимое количество углекислого газа в 1 м³ воздуха поме-

щения – 2,5 л/м³ (или 0,25%);

С₂ – количество углекислого газа в 1 м³ атмосферного воздуха – 0,3 л/м³

(или 0,03%).

1-я группа: С₁ = 171 л/ч ´ 40 гол. = 6840 л/ч.

2-я группа: С₂ = 142 + (14 ´ 2) = 174,5 л/ч.

С₂ = 174,5 л/ч ´ 70 гол. = 12215 л/ч.

3-я группа: С₃ = 152 л/ч ´ 35 гол. = 5320 л/ч.

4-я группа: С₄ = + 99 = 108,5 л/ч.

С₄ = 108,5 л/ч ´40 гол. = 4340 л/ч.

5-я группа: С₅ = л/ч.

С₅ = 136,5 л/ч ´ 15 гол. = 2047,5 л/ч.

С = С₁ + С₂ + С₃ + С₄ + С₅ = 6840 + 12215 + 5320 + 4340 + 2047,5 = =30762,5 л/ч.

Следовательно, все 200 коров выделяют за 1 ч в помещении 30762,5 л углекислого газа. Подставляем полученные данные в формулу

где С = 30762,5 л/ч;

С₁ – допустимое количество углекислого газа в 1 м³ воздуха по-

мещения – 2,5 л/м³ (или 0,25%);

С₂ – количество углекислого газа в 1 м³ атмосферного воздуха – 0,3 л/м³

(или 0,03 %).

Частоту или кратность объема воздуха в помещении определяют пу-

тем деления часового объема вентиляции (L) на внутреннюю кубатуру помещения (V):

Кp = L/V;

V = V₁ + V₂,

где V₁ – кубатура первой части здания: 72 ´ 21 ´ 3,0 = 4536 м³;

V₂ – кубатура второй части здания: 21: 2 ´ 2,9 = 30,4 м³ ´ 72 = 2188,8 м ³;

V = 4536 м³ + 2188,8 м³ = 6724,8 м³,

Кр =

Объем вентиляции на одно животное (Q₁) определяют путем деления часового объема вентиляции (L) на количество находящихся в помещении животных (n):

Q

Объем вентиляции на 1 ц живой массы (Q₂) определяют путем деления часового объема вентиляции (L) на живую массу находящихся в помещении животных (ц):

Q₂ = L/ц = = 13,5 м³/ч на 1 ц живой массы.

Общую плотность сечения вытяжных каналов, которая в состоянии обеспечить расчетный объем вентиляции, находим по формуле

S = L/V ´ t,

где S – искомая площадь сечения вытяжных каналов, м²;

L – часовой объем вентиляции, м³/ч;

V – скорость движения воздуха в вентиляционном канале, м/с, опре-

деляется по табл. 7 приложения (при ∆ t = 12 – (–2) = 14).

Высота трубы – 4 м, тогда V = 1,01 м/с;

t – расчетное время, 1 ч = 3600 с.

Подставив приведенные данные в формулу, получим:

.

Площадь сечения одного вытяжного канала вычисляем следующим образом: 0,9 м´ 0,9 м = 0,81 м², тогда число вытяжных каналов должно составлять: 3,85 м²:0,81 » 5 труб.

При определении общей площади сечения приточных каналов исходят из того, что она составляет 80% (0,8 части) от площади сечения вытяжных каналов, тогда 3,85 м² ´ 0,8 = 3,08 м². Площадь сечения одного приточного канала равна 0,6´0,3, тогда количество их будет 3,08 : 0,18 » 17.

Объем вентиляции, рассчитанный по содержанию углекислоты, в большинстве случаев оказывается недостаточным для удаления обра-

зующихся в помещении водяных паров. В связи с этим расчет объема

вентиляции ведут по влажности воздуха.

Расчет объема вентиляции по влажности воздуха ведется аналогично расчетам, проведенным по углекислому газу:

где L – часовой объем вентиляции, необходимый для поддержания

влажности воздуха помещения в пределах величин (70 %);

Q – количество водяных паров, которое выделяют находящиеся в

помещении животные за 1 ч. К этому количеству добавляется 10 –

15 % водяных паров, поступающих в воздух вследствие ис-

парения с влажных поверхностей пола, кормушек, поилок, сис-

тем канализации и др. При этом 10 % берется при уборке навоза

с помощью скребкового транспортера, 25 % – при самотечно-

сплавной системе, 30 % – при гидросмыве;

g₁ – абсолютная влажность воздуха помещения при относительной

влажности воздуха 70 %, г/м³. Для расчета абсолютной влажно-

сти по таблице максимальной насыщенности воздуха (приложение 16)

находят, что максимальная влажность воздуха при темпера-

туре воздуха + 12 ^оС составляет 10,46 мм рт. ст.

Составляем пропорцию:

10,46 – 100

х – 70 х = ;

g₂ – абсолютная влажность вводимого в помещение атмосферного

воздуха при температуре – 2 ^оС, которая составляет 3,5 г/м³ (приложение 1).

Q₁ = 0,549 г/ч ´ 40 гол. = 21960 г/ч;

Q₂ = ,

(14 ´ 2) – поправка на продуктивность;

Q₂ = 498 г/ч ´ 70 гол. = 34860 г/ч;

Q₃ = 489 г/ч ´ 35 гол. = 17115 г/ч;

Q₄ =

337,3 г/ч ´ 40 гол. = 13492 г/ч;

Q₅ = 455 + (14 ´ 4) поправка на продуктивность = 511 г/ч,

Q₅ = 511 г/ч ´ 15 гол. = 7665 г/ч.

Q = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ + поправка на испарение с поверхностей в помещениях = 21960 + 3486 + 17115 + 13492 + 7665 = 95092 г/ч.

К данной сумме добавляем 10 % влаги на испарение в помещении – 95092 г/ч.

Итого Q = 95092 + 9509,2 = 104601,2 г/ч.

Полученные данные подставим в формулу:

.

Определяем кратность объема воздуха:

.

Определяем объем вентиляции на одно животное:

Определяем объем вентиляции на 1 ц живой массы:

.

Определяем общую площадь сечения вытяжных каналов, обеспечивающих расчетный воздухообмен:

Тогда количество вытяжных каналов составит: 7,53 м: (0,9´0,9) 0,81 = 9 шт.

Площадь сечения приточных каналов (Sп) будет составлять:

7,53 м ² ´ 0,8 = 6,02 м ²,

их количество – 6,02 м² : (0,6´0,3) 0, 18 = 33 шт.

Из расчета объема вентиляции по углекислому газу кратность воздухообмена составила 13,1 м³/ч на 1 ц живой массы, или два раза в час, что явно не достаточно для удаления образующихся в помещении водяных паров.

Объем вентиляции, рассчитанный по содержанию в воздухе водяных паров, наиболее полно отвечает требованиям и обеспечивает допустимое содержание углекислого газа.

В условиях промышленного животноводства вентиляция с естественной тягой воздуха практически не обеспечивает параметры микроклимата в оптимальных величинах. Для этого в помещениях необходимо устраивать систему воздухообмена. Ведем расчет необходимого количества вентиляторов и их производительности. При определении мощности вентиляторов с механическим побуждением тяги воздуха исходят из расчетного воздухообмена и производительности вентилятора, которую можно определить путем замера подвижности воздуха в воздуховоде с помощью анемометра. Производительность одного вентилятора рассчитывают по формуле

L = S ´ V ´ 3600,

где L – производительность вентилятора, м ³/ч;

S – площадь сечения вытяжных каналов, м/с;

3600 – число секунд в 1 ч;

V – скорость движения воздуха в воздуховоде.

Пример. Площадь сечения воздуховода – 0,8 м², скорость движения воздуха в воздуховоде – 2,2 м/с. Требуется определить производитель­ность одного вентилятора, количество вентиляторов для обеспечения нужного воздухообмена: L = 0,8 ´ 2,2 ´ 3600 = 6336 м³/ч. Объем вентиляции равен 27382,5 м³/ч, тогда для подачи свежего воздуха в помещение потребуется 4 вентилятора (27382,5 : 6336,5) указанной выше производительности.

Расчет теплового баланса животноводческих помещений.Тепловой баланс животноводческих помещений рассчитывается с целью определения возможности обеспечения в них оптимального микроклимата, особенно в холодное время года. Расчеты теплового баланса помогают определить необходимость утепления помещения, регулирования вентиляции, правильно выбрать обогревательные установки, рассчитать их количество. Для расчета теплового баланса помещения необходимо знать величину поступления тепла от всех животных, содержащихся в этом здании (свободное тепло), и поступление дополнительного, если имеются дополнительные источники искусственного обогрева – это будет составлять левую часть формулы. Правую часть формулы составляют расходы тепла. Это теплопотери на нагревание холодного вентиляционного воздуха, потери через ограждающие конструкции, на испарение влаги с ограждающих конструкций в помещении.

Тепловой баланс помещения рассчитывают по формуле

Qж = ∆t (G ´ 0,24 + ∑КF) + W_зд,

где Qж – поступление тепла от животных (свободное тепло), ккал/ч

(приложение 10);

∆t – разность между температурой воздуха в помещении и среднеме-

сячной температурой воздуха самого холодного месяца зоны, °С

(приложение 1);

G – количество воздуха, удаляемого из помещения или поступающего

в него в течение 1 ч, кг;

0,24 – количество тепла, необходимое для нагрева 1 кг воздуха на

1 °С, ккал/кг;

К – коэффициент общей теплоотдачи через ограждающие конструк-

ции, ккал/м²/град ( приложение 11);

F – площадь ограждающих конструкций, м²;

∑ – показатель суммирования произведений КF;

W_зд – расход тепла на испарение влаги с поверхности пола и других

ограждений.

Пример.Для расчета берем коровник с параметрами, указанными в задании 4 при определении объема воздухообмена. Рассчитываем поступление тепла от указанных групп коров:

1-я группа: Q₁ = 823 ккал/ч ´ 40 гол. = 32920 ккал/ч;

2-я группа: Q ₂ = + 682 = 720,7 + (25 ´ 2) =

770,7 ккал/ч ´ 70 гол. = 53949 ккал/ч;

3-я группа: Q ₃ = 733 ккал/ч ´ 35 гол. = 25655 ккал/ч;

4-я группа: Q ₄ = + 478 = 505,3 ккал/ч,

505,3 ккал/ч´ 40 гол. = 20212 ккал/ч;

5-я группа: Q ₅ = 682 ккал/ч + (25 ´ 4) ´ 15 = 11730 ккал/ч;

Q = Q ₁ + Q ₂ + Q ₃ + Q ₄ + Q ₅ = 32920 + 53949 + 25655 + 20212 + 11730= 144446 ккал/ч.

Следовательно, от всех животных в помещение поступит свободного тепла 144446 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. В указанном примере левая часть формулы составляет приход тепла.

Δt = 12^°С – (– 8,2) = 20,2^°С.

Ведем расчет теплопотерь на нагревание поступающего в помещение наружного воздуха. В нашем примере L = 27382,5 м³/ч.

Для определения массы 1м³ воздуха пользуемся данными приложения 17. При температуре воздуха в коровнике 12°С и среднем барометрическом давлении 745 мм рт. ст. масса 1 м³ воздуха составляет 1,214 кг. Объем воздухообмена в 1 ч (по влажности) равен 27382,5 м³/ч. Следовательно, масса всего вентиляционного воздуха 27382,5 ´ 1,214 = 33242,4 кг. Если для нагрева 1 кг воздуха на 1°С требуется 0,24 ккал/ч,

то для нагрева всего воздуха потребуется 33242,4 кг ´ 0,24=7978,2 ккал/ч.

Ведем расчет теплопотерь через ограждающие конструкции, для этого составляем табл. 7. Значения коэффициента теплопередачи (К) приведены в приложениях 11 – 15.

Теплопотери через пол рассчитываем по зонам условно, поделив площадь пола на 4 зоны. Площадь пола составляет 72 м ´ 21 м = 1512 м². Каждая зона берется шириной 2 м. Теплопотери по углам пола учитываются дважды.

Т а б л и ц а 7.Определение теплопотерь через ограждающие конструкции

Необходимо учесть также расположение здания в отношении направ­ления господствующего ветра, сторон света и рельефа местности, так как помещение при этом теряет дополнительно еще 13 % тепла от те­плопотерь с ограждающих конструкций (стен, ворот, окон):

(567,64 + 129,6 + 80,64) ´ 0,13 = 101,12 ккал/ч.

Следовательно, общий расход тепла, необходимого на нагрев всех ограждающих конструкций коровника, составит 2374,81 + 101,12 =2475,9 ккал/ч. Коэффициенты для ограждающих конструкций (К) приведены в приложении 11.

Далее учитываются потери тепла на испарение влаги с поверхности пола, кормушек и ограждающих конструкций (W_зд). Принято считать, что эти теплопотери составляют 10 % от общего количества влаги, выделяемой всеми животными. При расчете вентиляции по влажности установлено, что данная величина составляет 9509,2 г/ч.

На испарение 1 г влаги затрачивается 0,595 ккал/ч тепла, тогда W_зд составит 9509,2 г/ч ´ 0,595 = 5657,9 ккал/ч.

Суммируем все теплопотери в помещении: на подогрев вентиляци­онного воздуха, на нагрев ограждающих конструкций, на испарение влаги с ограждающих конструкций:

20,2 ´ (7978,2 ккал/ч + 2475,9 ккал/ч) + 5657 = 216830,7 ккал/ч.

Итого 216830,7 ккал/ч.

Следовательно, все поступления тепла составляли 144446, а расход – 216830,7 ккал/ч. Расчет показывает, что расход тепла превышает теплопоступление на 72364,7 ккал/ч, или 62,4 %, что свидетельствует об отрицательном тепловом балансе помещения для коров. Допускаются отклонения ± 10 % к расчетным данным.

Для устранения дефицита тепла в помещении необходимо установить теплогенератор и рассчитать режим его работы (приложение 9).

Теплогенератор ТГ-1А выделяет в течение 1 ч 100000 ккал.

Следовательно: 100000 – 60 мин

72364,7 – х х = 43 мин.

Теплогенератор ТГ-1А должен работать в помещении 43 мин/ч.

Расчет ∆ t нулевого теплового баланса. Определение ∆ t нулевого теплового баланса животноводческого помещения необходимо для расчета предельно низкой внешней температуры воздуха, при которой еще воз­можна беспрерывная эксплуатация вентиляции:

^°С.

Получаем, что для беспрерывной работы вентиляции разница между температурой воздуха в середине помещения и температурой внешнего воздуха не должна превышать 13,3 °С. Расчет ∆t нулевого теплового баланса животноводческого помещения показал, что для того чтобы поддерживать температуру воздуха внутри помещения на уровне 12 °С, температура внешнего воздуха не должна опускаться ниже – 25,3 ^оС.

ЛИТЕРАТУРА

1. К а р т а ш о в а, А.Н. Практикум по гигиене / А.Н. Карташова. Минск: ИВЦ Минфина, 2003.

2. К у з н е ц о в, А.Ф. Гигиена содержания животных: справочник / А.Ф. Кузнецов. СПб.: Лань, 2003.

3. Гигиена животных / В.А. Медведский, Г.А. Соколов, А.Ф. Трофимов [и др.]; под ред. В.А. Медведского, Г.А. Соколова. Минск: Адукацыя i выхаванне, 2003.

4. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества: санитарные правила и нормы (Сан ПиН 10-124 РБ 99). М., 1999.

5. Практикум по зоогигиене / А.Ф. Кузнецов, А.А. Шуканов, В.И. Баланин [и др.]; под ред. А.Ф. Кузнецова. М.: Колос, 1999.

6. Республиканские нормы технологического проектирования новых, реконструкции и технического перевооружения животноводческих объектов (РНТП 1-2004). Минск, 2004.

7. Методы санитарно-гигиенической оценки кормов: метод. указания / сост. Н.А. Садомов. Горки, 2005.

8. Зоогигиенический контроль микроклимата в животноводческих помещениях:

метод. указания / сост. Н.А. Садомов. Горки, 2005.

9. Методы санитарно-гигиенической оценки воды: метод. указания / сост. Н.А. Садомов. Горки, 2006.

10. Зоогигиена с основами проектирования животноводческих объектов: метод. указания / сост. Н.А. Садомов. Горки, 2006.

11. Строительная теплотехника (СНБ 2.04.01–97). Минск, 1998.

12. Соколов, Г.А. Ветеринарная гигиена / Г.А. Соколов. Минск: Дизайн ПРО, 1998.