Введение. Качественный состав воздушных потоков в помещениях животноводческих комплексов постоянно меняется под воздействием углекислого газа, тепла и влаги, выделяемых животными. Для обеспечения нормативных параметров микроклимата, требуемой кратности воздухообмена необходима рационально организованная система приточно-вытяжной вентиляции, что в конечном итоге позволит увеличить продуктивность животных [1].
Целью работы является проведение сравнительного анализа распределения воздушных потоков при естественной и приточно-вытяжной вентиляции в корпусе откорма свиноводческого комплекса при одних и тех же условиях.
Системы вентиляции бывают двух видов: системы естественной и механической (принудительной) вентиляции.
В системах с естественной вентиляцией приток и вытяжка воздуха из помещения происходит без механических побудителей. В области животноводческих комплексов данный тип вентиляции получил наибольшее распространение. Однако регулировать и поддерживать требуемые параметры микроклимата в животноводческих комплексах при такой схеме вентиляции достаточно сложно. Работа естественной вентиляции основана на движении воздушных потоков за счет разности давлений наружного и внутреннего воздуха, обусловленного разностью температур. Также существуют системы естественной вентиляции, основной движущей силой в которых является сила ветра [2–3].
Системы механической вентиляции делятся на следующие типы: системы положительного давления, системы отрицательного давления и приточно-вытяжные системы. Отличаются эти системы способом организации притока наружного и вытяжки внутреннего воздуха.
В первом случае приточный воздух подается в помещение за счет механического побудителя воздуха, а вытяжка осуществляется без вентиляторов через воздушные клапаны.
В системах отрицательного давления организация воздухообмена происходит за счет разряжения, создаваемого при удалении внутреннего воздуха вытяжными вентиляторами большой мощности, а подача наружного воздуха осуществляется через воздушные стеновые или потолочные клапаны без механического побуждения [4].
Следует отметить, что при неправильной организации такой системы вентиляции в зоне нахождения животных будет располагаться загрязненный аммиаком и прочими вредными газами воздух. А более чистый и теплый воздух будет занимать пространство в верхней части животноводческого комплекса под крышей, и, соответственно, будет удаляться вытяжными вентиляторами [5].
В приточно-вытяжных системах вентиляции поступление наружного свежего воздуха, и удаление внутреннего воздуха осуществляется за счет работы механических побудителей воздуха. При такой схеме организации воздухообмена происходит равномерное распределение воздушных потоков, как по температуре, так и по скорости движения воздушных масс, по всему объему помещения животноводческого комплекса. Появляется возможность поддерживать требуемые параметры микроклимата, отвечающие зоогигиеническим нормам.
Материалы и методы. В качестве объекта исследования был принят корпус откорма свинокомплекса на 200 голов в Белгородской области. Расчет воздухообмена проводился согласно норм РД АПК 1.10.02.04-12 Методические рекомендации по технологическому проектированию свиноводческих ферм и комплексов [6–8]. Параметры наружного воздуха приведены в таблице 1.
Таблица 1
Расчетные параметры наружного воздуха
|
Период года |
Параметр |
tн,°С |
Iн, кДж/кг |
dн,г/кг |
jн, % |
|
Теплый (ТП) |
А |
23 |
53,5 |
12 |
68 |
|
Холодный (ХП) |
Б |
-27 |
-26 |
0,4 |
86 |
Для поддержания требуемых параметров микроклимата в свиноводческом корпусе необходимо организовать приточно-вытяжную систему вентиляции так, чтобы кратность воздухообмена в помещении не превышала 5 раз в час. [8]. Неправильно организованная система вентиляции приводит к отклонению параметров микроклимата от нормативных, а соответственно в помещении могут наблюдаться как повышенные концентрации углекислого газа, избытки тепла и влаги, так их недостатки [9].
Рассматриваемый корпус откорма свиноводческого комплекса имеет габаритные размеры 60×12×5 м, объем помещения соответственно равен 3600 м3. В нем находится 200 свиней, каждая живой массой по 100 кг. Температура внутреннего воздуха +18 °С.
Расчет производительности системы вентиляции рекомендуется производить по выделениям углекислого газа и по влаговыделениям, согласно методическим указаниям [9].
Производительность системы вентиляции по углекислому газу рассчитывается по формуле:
, (1)
где К – количество углекислого газа, выделяемое всеми животными за час, л/ч – 8740 м3/г;
С1 – допустимое количество углекислого газа в 1 м3 воздуха помещения – 2,5 л /м3;
С2 – количество углекислого газа в 1 м3 атмосферного воздуха – 0,3 л/м3.
Согласно РД АПК 1.10.02.04-12 нормы выделения теплоты и водяных паров представлены при температуре 10 °С и относительной влажности 70–75 %. На основании этого произведены расчеты количества углекислого газа и влаговыделений, поступающих в помещение, которые приведены в таблице 2.
Таблица 2
Выделение животными водяных паров, углекислоты и свободного тепла
|
Группы животных, живая масса (ж.м) |
Кол-во голов |
Водяные пары, г/ч |
Углекислота, л/ч |
||
|
На 1 ж-е |
На поголовье |
На 1 ж-е |
На поголовье |
||
|
Взрослые свиньи |
200 |
152 |
30400 |
43,7 |
8740 |
|
Итого: |
200 |
– |
30400 |
– |
8740 |
Тогда, используя все полученные результаты, рассчитываем производительность системы вентиляции Lco2, которая равняется
3973 м3/ч.
Расчет производительности системы вентиляции по углекислоте чаще всего недостаточен для удаления влаги, поступающей в помещение от животных и испаряемой с ограждающих конструкций. Поэтому далее производим расчет часового объема вентиляции по водяным парам.
Для переходного периода года, воздухообмен рассчитывается по избыточной влаге. Это обусловлено относительно низкой температурой наружного воздуха и его повышенной относительной влажностью. Увеличение кратности воздухообмена за счет открытия окон и дверей может привести к переохлаждению животных и простудным заболеваниям.
Производительность системы вентиляции по влаговыделениям рассчитывается по формуле:
, (2)
где Q – количество влаги, выделяемое животными и испаряемое с ограждающих конструкций, г/ч;
q1 – абсолютная влажность воздуха при оптимальных условиях, г/м3 – 11,45 г/м3;
q2 – абсолютная влажность вводимого в помещение атмосферного воздуха в переходный период года г/м3 – (4,2+3,8)/2 = 4,0 г/м3.
В помещение от свиней поступает 30400 г/ч влаги. Поступление влаги в помещение за счет ее испарения с ограждающих конструкций при удовлетворительном санитарном режиме, исправно действующей канализации, регулярной уборке навоза в корпусах откорма свиноводческих комплексов принимается равным 30 % [10, 11]. Дополнительно с ограждающих конструкций в течение часа выделяется 9120 г/ч влаги.
Результаты расчета производительности системы вентиляции по углекислому газу и по влаговыделениям для теплого периода года приведены в таблице 3.
Таблица 3
Производительность системы вентиляции
|
Помещение |
Объем помещения V, м3 |
Расход воздуха L, м3/ч |
|
|
По влаговыделениям |
По СО2 |
||
|
Корпус откорма |
3600 |
5304,7 |
3973 |
Согласно требованиям, предъявляемым к проектированию свиноводческих комплексов, кратность воздухообмена не должна превышать нормируемого значения. При увеличении данного параметра в помещении возникают сквозняки, вследствие чего повышается заболеваемость животных [12, 13]. Кратность воздухообмена в помещении корпуса откорма составила 1,5 раза в час (5304,7/3600), что отвечает требованиям нормативных документов.
Для расчета общей площади сечения вытяжных каналов используем формулу:
= 
, (3)
где L – производительность системы вентиляции, м3/ч;
V – скорость движения воздушных потоков.
Температура воздуха внутри свинокомплекса – 18 ºС, средняя температура наружного воздуха в переходный период – -0,1 ºС (ноябрь –
0,5 ºС, март – -0,7 ºС). Следовательно, разница температур составляет 18 – (-0,1) = 18,1 °С. Тогда при высоте трубы 5 м скорость движения воздуха в вентиляционной шахте V будет равна
1,29 м/с [14].
В нашем примере площадь сечения вытяжных каналов равна 1,14 м2.
Для свиноводческих комплексов наиболее эффективно применение вытяжных шахт, площадь сечения которых более 1 м2. Следовательно, принимаем вытяжную шахту с размерами сечения 1,1 м × 1,1 м. Площадь поперечного сечения одной такой шахты составит 1,21 м2. Тогда количество вытяжных шахт – 1 шт. (1,14/1,21).
Общая площадь сечения приточных каналов составляет 70 % от площади сечения вытяжных каналов, соответственно получаем 0,8 м2 [14].
При расчете площади сечения одного приточного окна для системы естественной вентиляции получаем 0,0675 м2 (0,15×0,45 м), следовательно, общее число приточных окон равно 12 шт. При расчете площади сечения одного приточного канала для механической системы приточно-вытяжной вентиляции получаем
0,0314 м2, общее число приточных каналов равно 26 шт.
Составлена аксонометрическая схема приточной системы вентиляции, произведен аэродинамический расчет, по результатам которого подобран вентилятор ЦЧ-70 № 5 930 об/мин с подачей воздуха 5700 м3/ч.
Перспективным направлением энергосбережения является использование в теплоснабжении возобновляемых источников энергии и вторичного тепла с помощью теплонасосных установок [15–17]. В настоящей работе для подготовки требуемых параметров воздуха предлагается использовать воздушный тепловой насос с антиобледенительной системой MOVEBIT [18, 19]. Для охлаждения воздуха в теплый период предусмотрен реверсивный цикл работы теплонасосной установки с необходимым комплектом клапанов и терморегулирующих вентилей.
Результаты и обсуждение. При проектировании и расчете систем микроклимата зданий возникает потребность в оценки адекватности принятых инженерных решений. Для расчета и оценки эффективности таких систем применяется CFD-моделирование, позволяющее детально и точно спрогнозировать характер движения воздуха в помещении.
Используя методы численного моделирования движения воздушных потоков, рассмотрим на примере здания свинокомплекса эффективность запроектированной системы вентиляции с учетом теплопотерь помещения, теплопоступлений, расположения воздухораспределителей и температуры приточного воздуха.
Численное моделирование поставленной задачи проводится в программном комплексе SolidWorks Flow Simulation [20]. В данном случае движение и теплообмен текучей среды моделируется с помощью уравнений Навье-Стокса, описывающих в нестационарной постановке законы сохранения массы, импульса и энергии этой среды.
Объект моделирования представляет собой здание свинокомплекса. Общая площадь здания 720 м2. Суммарные теплопотери здания согласно выполненным проектным расчетам через наружные ограждения в холодный период года составили 62740 Вт, в переходный период – 29914 Вт. Потери тепла на испарение влаги составили 6310 Вт. Теплопоступления от свиней составили 60000 Вт.
Рассматривается два случая организации воздухообмена в здании свинокомплекса: за счет естественной вентиляции, когда приток воздуха осуществляется через открытые окна и механической вентиляции, когда приток воздуха осуществляется через воздухораспределители. Параметры температуры приточного воздуха приняты одинаковые для случая естественной и механической вентиляции и равны -20, 0 и 20 °С. Удаление воздуха из помещения осуществляется системой вытяжной вентиляции – расход удаляемого воздуха 6366 кг/ч, что соответствует объемному расходу воздуха 5307,4 м3/ч (табл. 3). Модели воздушных потоков представлены на рисунках 1-3.
а)
б)
Рис. 1. Распределение температур (а) и скоростей (б) воздушных потоков через приточные каналы
механической вентиляции при температуре подаваемого воздуха 20 °С
Рис. 2. Распределение температур воздушных потоков внутри помещения при естественной вентиляции
и tн = -20, 0, 20 °С
Рис. 3. Распределение скоростей воздушных потоков внутри помещения при естественной вентиляции
и tн = -20, 0, 20 °С
На рисунке 1 показано распределение температур и скорости воздуха в производственном помещении при подаче подготовленного воздуха через приточную механическую систему вентиляции. Температура воздуха в рабочей зоне находится в пределах 18 градусов, скорость воздуха составляет 0,2–0,5 м/с, что соответствует нормативным значениям.
Распределение температур (рис. 2) при естественной системе вентиляции в теплый период года и температура внутреннего воздуха в зоне дыхания свиней, а также во всем корпусе в целом, не соответствует нормативным параметрам микроклимата. Наблюдается значительное превышение температуры воздуха внутри откормочного помещения до 35–40 ºС в теплый период, что недопустимо. Распределение температур воздушных потоков внутри помещения для переходного и холодного периода года при естественной вентиляции также не соответствует требуемым параметрам микроклимата (рис. 2). Область холодного воздуха с температурой 10–13 °С находится в рабочей зоне пребывания животных и работающего персонала, что создает некомфортные условия.
Из рисунка 3 видно, для естественной системы вентиляции распределение скоростей воздушных потоков в рабочей зоне помещения лежит в допустимых пределах для теплого периода. Для холодного и переходного периода наблюдается несколько завышенная подвижность воздуха (0,5–0,6 м/с), что в совокупности с низкой температурой может провоцировать заболевания животных.
Таким образом, для обеспечения равномерного распределения температуры и подвижности внутреннего воздуха в рабочей зоне производственного помещении свинокомплекса необходимо организовать механическую приточно-вытяжную систему вентиляции с предварительной подготовкой воздуха, нагревая его в холодный период года и охлаждая в теплый период.
Выводы. Для производственных цехов животноводческих комплексов с большими выделениями тепла, влаги и газов расчет производительности системы вентиляции целесообразно производить по значениям избыточной влаги. Это соответствует требованиям зоогигиенического норматива, в противном случае часть влаги может выпадать в виде конденсата на холодных поверхностях ограждающих конструкциях здания. Произведенный расчет производительности приточно-вытяжной системы вентиляции соответствует значениям нормативной кратности. Анализ моделей распределения воздушных потоков и температур в помещении откормочного цеха показал, что в холодный и теплый периоды года подачу наружного воздуха для более равномерного распределения параметров воздушного потока в зоне нахождения животных целесообразно проводить через приточные каналы механической вентиляции. Причем для обеспечения требуемых параметров воздуха внутри помещения подготовку приточного воздуха предлагается проводить с использованием воздушного теплового насоса с антиобледенительной системой MOVEBIT, работающего как в режиме нагревания, так и охлаждения воздуха в зависимости от периода года.
