Рациональный выбор систем и технических средств теплообеспечения технологических процессов в животноводстве

УДК 631.22

РАЦИОНАЛЬНЫЙ ВЫБОР СИСТЕМ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ТЕПЛООБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЖИВОТНОВОДСТВЕ

Д.А. Тихомиров, доктор технических наук, чл.-корр. РАН, зав. лабораторией Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ E-mail: tihda@mail.ru

Аннотация. В издержках производства сельхозпродукции значительное место занимают затраты на топливно-энергетические ресурсы до 35%. В этой связи реализация путей их эффективного использования и повышения коэффициента полезного действия теплоэнергетического оборудования приобретает особое значение. В статье предложен алгоритм расчета, выбора и обоснования рационального варианта теплоснабжения животноводческих объектов. Расчет тепловой нагрузки и годовой расход тепловой энергии на технологические процессы является основой для выбора энергоэффективного теплоэнергетического оборудования. Проведена оценка энергоэффективности систем теплообеспечения типовых животноводческих объектов при использования разного рода энергоносителей. Разработана методика выбора рациональных систем теплообеспечения сельхозпредприятий. Обоснована область экономически оправданного применения электрических децентрализованных систем теплообеспечения. Решается значимая и актуальная проблема оптимального построения систем теплоэнергообеспечения животноводческих и других сельхозпредприятий для различных регионов.

Ключевые слова: системы теплообеспечения, животноводческие объекты, алгоритм.

Одними из основных показателей энергоэффективности производства сельскохозяйственной продукции являются энергоемкость и, соответственно, доля энергозатрат в ее себестоимости. Доля энергозатрат в себестоимости животноводческой продукции составляет 15-25%, а с учетом кормопроизводства достигает 30-35%. Энергоемкость производства сельхозпродукции в РФ в 2-3 раза выше, чем в развитых странах (рис. 1). В издержках производства сельхозпродукции значительное место занимают затраты на топливно-энергетические ресурсы (ТЭР) -до 35%, в связи с чем реализация путей их эффективного использования и повышения КПД теплоэнергетического оборудования приобретает особое значение. Внедрение новых инновационных технологий в растениеводстве, животноводстве и других сельскохозяйственных технологиях требует новых, более совершенных систем и средств энергообеспечения, в ряде случаев новые технологии и

процессы не могут быть осуществлены на старой энергетической базе [1].

Возможность использования различных энергоносителей, многообразие систем и технических решений определяют необходимость технико-экономического сравнения разных вариантов теплообеспечения и выбора из них наиболее рационального с учетом технологии содержания животных и местных климатических условий.

ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА

С.Х. ПРОДУКЦИИ

ЭНЕРГОЕМКОСТЬ

МДж/кг продукции МДж/руб продукции

ДОЛЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ В СЕБЕСТОИМОСТИ С.Х. ПРОДУКЦИИ

В 2-3 РАЗА ВЫШЕ ЧЕМ В РАЗВИТЫХ СТРАНАХ

15-25% 25-35% - С УЧЕТОМ КОРМОПРОИЗВОДСТВА

Рис. 1. Основные показатели энергоэффективности производства сельхозпродукции

%

Эффективность теплообеспечения сельских потребителей, затраты на энергоресурсы, а следовательно, и энергоемкость сельхозпродукции в значительной степени определяются принятыми системами тепло- и энергоснабжения, используемыми энергоносителями, энергоэкономным оборудованием и величиной энергопотерь. Поэтому обоснование и выбор рациональной системы теплоснабжения конкретных объектов (или ее модернизация), с учетом местных условий и наличия энергоресурсов, является безусловно важнейшей задачей при проектировании и реализации систем теплообеспечения сельских потребителей. Расчеты по выбору схемы энергоснабжения и структуры энергоносителей выполняют в следующей последовательности (рис. 2) [2]:

1) определяют потребность в тепловой энергии по процессам (расчетные тепловые нагрузки потребителей, их режимные характеристики и соответствующая им годовая потребность в тепловой энергии;

2) намечают возможные варианты и схемы теплообеспечения;

3) на рассмотренные виды энергоносителей по расчетным тепловым нагрузкам потребителей подбирают теплогенерирующие и теплопотребляющие установки и приборы и рассматривают режимы их работы в заданных технологических процессах и природно-климатических зонах России;

4) определяют приведенные затраты для рассматриваемых вариантов.

Расчет потребной мощности, а также годового потребления энергии в тепловых процессах животноводства служит основой для выбора теплоэнергетического оборудования и последующего обоснования системы теплообеспечения. Для автоматизированного расчета теплоэнергетических показателей объекта нами разработан программный проект для персонального компьютера, содержащий алгоритм в соответствии с ГОСТ 19.701-90, программные модули, базы данных и интерфейс [3]. Расчет ведется для каждого отдельного помещения, причем для помещений, в которых содержатся животные, учтены технология и способ их содержания.

Рис. 2. Порядок расчета, выбора и обоснования рационального варианта теплообеспечения животноводческих объектов

Алгоритм расчета (рис. 3) создан на теоретической базе методических рекомендаций с рядом новых существенных дополнений [4]. С целью повышения точности расчета годовой расход теплоты на подогрев приточного воздуха определяется не по средней температуре за отопительный период, а по дифференциальным функциям распределения стояния температуры наружного воздуха рассматриваемой климатической зоны, которые взяты из климатологического справочника и внесены в базу данных программного проекта. Все параметры и коэффициенты, заложенные в базу данных проекта, взяты из действующих рекомендаций РД-АПК 1.10. 01.0210, РД-АПК 1.10.02.04-12 и норм технологического проектирования животноводческих предприятий и соответствующих СНиП 4101 -2003. При этом пользователь может самостоятельно менять и устанавливать исходные данные, оценивая их влияние на итоговые теплоэнергетические показатели объекта. При использовании утилизаторов теплоты дополнительно вводятся в качестве исходных данных их теплоэнергетические показатели и проводится анализ влияния теплоути-лизаторов на мощность отопительной установки и годовой расход теплоты. Расчет тепловой нагрузки и годовой расход тепловой энергии на процессы горячего паро- и водоснабжения оформлен в виде подпрограмм.

Рис. 3. Алгоритм расчета теплоэнергетических показателей животноводческого объекта

Разработанный программный проект позволяет: значительно ускорить, автоматизировать расчет составляющих уравнения теп-ловлажностного баланса помещений для различных групп животных с учетом технологий их содержания и климатической зоны размещения объекта; повысить точность расчета годового расхода тепловой энергии на микроклимат; исследовать в динамике режимы работы проектируемой вентиляци-онно-отопительной установки при изменении параметров наружного и внутреннего воздуха; проанализировать эффективность применения оборудования для утилизации теплоты удаляемого вентиляционного воздуха; определить величину тепловой нагрузки и годовой расход теплоты на горячее водоснабжение и производство пара.

С помощью программного проекта [4] проведена оценка энергоэффективности систем теплообеспечения типовых животноводческих объектов (рис. 4). На основании

анализа полученных данных по исследованию различных животноводческих объектов и применению типовых систем теплообеспе-чения проведена оценка области эффективного применения электрической системы теплообеспечения при росте цен на энергоносители: пропорциональном и опережающем на электроэнергию.

На графиках (рис. 5 и 6) показана динамика изменения удельных приведенных затрат на 1 кВтч полезной тепловой энергии для различных систем теплообеспечения при возможном пропорциональном и опережающем для электроэнергии росте цен и тарифов на энергоносители.

Даже при опережающем в 1,5 раза темпе роста тарифов на электроэнергию электрические системы, уступая системам на природном газе, будут эффективнее систем теплообеспечения на жидком и твердом топливе для объектов с тепловой нагрузкой, не превышающей 300 кВт.

На основании проведенного анализа можно сделать следующие выводы: наиболее эффективны децентрализованные системы теплообеспечения, в первую очередь на природном газе, затем электрические; установлено, что капитальные вложения и текущие издержки без учета стоимости энергоносителя у электрических систем наименьшие; затраты на получение и использование 1 кВтч полезной тепловой энергии в 2-4 раза выше,

чем просто на ее получение, поэтому при выборе и оценке систем теплообеспечения и энергоносителя следует учитывать удельные приведенные затраты на получение и использование 1 кВтч полезной тепловой энергии; чем меньше поголовье или тепловая нагрузка объекта, тем выше удельные приведенные затраты на 1 кВтч полезной тепловой энергии и тем эффективнее использование децентрализованных электрических систем.

а б

Рис. 4. Удельные приведенные затраты на 1 кВт^ч полезной тепловой энергии:

а) фермы по доращиванию и откорму молодняка КРС; б) свинарники-откормочники Котельные: 1 - на твердом топливе; 2 - на жидком топливе; 3 - на природном газе; 7 - на электроэнергии Децентрализованные системы: 4 - на твердом топливе; 5 - на жидком топливе; 6 - на природном газе

Рис. 5. Удельные приведенные затраты на тепловую энергию при пропорциональном росте цен на энергоносители

-♦-твердое топливо -»-жидкое топливо —»-природный газ -»-электроэнергия

В целях совершенствования и повышения энергоэффективности технических средств теплообеспечения сельхозпредприятий в ФГБ-НУ ФНАЦ ВИМ:

- разработаны новые технические средства и системы для основных тепловых технологических процессов в животноводстве:

• горячего водо- и паро-обеспечения,

• создания микроклимата,

• термической обработки сельхозпродукции и кормов;

- разработаны и исследованы их физические и математические модели, с помощью которых выявлены неизвестные ранее закономерности, что позволило оптимизировать процессы и повысить эффективность применения электротеплового технологического оборудования в животноводстве;

- предложен и запатентован новый способ создания микроклимата в животноводческих помещениях с использованием утилизации теплоты, озонирования и рециркуляции внутреннего воздуха;

- доказана перспективность использования энергоэффективных децентрализованных электрических систем на базе разработанных новых технических средств тепло-обеспечения объектов животноводства при текущем и прогнозируемом соотношении цен на энергоносители.

16,00

£

ао к

14.00

Ü 12,00

£¿10.00

0,00

20 40 60 80

Опережающий рост цен на электроэнергию, %

текущем соотношении цен на энергоносители. Для негазифицированных объектов сельскохозяйственного производства применение современных энергоресурсосберегающих электрических систем теплообеспечения, при прочих равных условиях, является предпочтительным.

В настоящее время решается значимая и актуальная проблема оптимального построения систем теплоэнергообеспечения животноводческих и других сельхозпредприятий для различных регионов, технологий и способов содержания животных с целью повышения эффективности использования и экономии топливно-энергетических ресурсов в сельском хозяйстве.

Решение этой задачи важно и актуально, т.к. в себестоимости сельхозпродукции энергозатраты достигают 30% (для продукции животноводства, включая энергозатраты на производство кормов), и их снижение в значительной мере снижает себестоимость, увеличивает рентабельность и прибыль предприятий.

-♦-юсрдос ТОПЛ.ШО Литература:

- жидкое топливо 1- Энергетическая стра-• природный газ тегия сельского хозяй-

а алекгрианершя ства России на период

до 2030 года / А.В. Тихомиров и др. М., 2015.

2. Тихомиров А.В., Маркелова Е.К., Уха-нова В.Ю. Топливно-энергетические ресурсы на базе энергоэкономных технологий и технических средств в сельском хозяйстве // С.-х. машины и технологии. 2015. №15.

3. Тихомиров Д.А. Программный проект

100

Рис. 6. Удельные приведенные затраты на тепловую энергию при опережающем росте цен на электроэнергию

Таким образом, для малых ферм (до 200 голов), при использовании современного энергосберегающего оборудования [5] и реализации системы дифференцированного учета электроэнергии, электрическая энергия как энергоноситель не уступает природному газу по эффективности использования при

для расчета потребной мощности теплоэнергетического оборудования и годового расхода тепловой энергии на объектах животноводства // Вестник ВИ-ЭСХ. 2013. №1(10).

4. Программный проект расчета теплоэнергетических параметров объектов животноводства / Д.А. Тихомиров и др. // Международный научно-исследовательский журнал. 2016. №8(50). С. 95-98.

5. Тихомиров Д.А. Энергосберегающие электрические средства и системы теплообеспечения основных технологических процессов в животноводстве // Вестник Нижегородского гос. инж.-экон. ун-та. 2016. №8(63). С. 129-138.

Literatura:

1. EHnergeticheskaya strategiya sel'skogo hozyajstva Rossii na period do 2030 goda / A.V. Tihomirov i dr. M., 2015.

2. Tihomirov A.V., Markelova E.K., Uhanova V.YU. Top-livno-ehnergeticheskie resursy na baze ehnergoehkonom-nyh tekhnologij i tekhnicheskih sredstv v sel'skom ho-zyajstve // S.-h. mashiny i tekhnologii. 2015. №15.

3. Tihomirov D.A. Programmnyj proekt dlya rascheta po-trebnoj moshchnosti teploehnergeticheskogo oborudova-niya i godovogo raskhoda teplovoj ehnergii na ob"ektah

zhivotnovodstva // Vestnik VIEHSKH. 2013. №1(10).

4. Programmnyj proekt rascheta teploehnergeticheskih parametrov ob"ektov zhivotnovodstva / D.A. Tihomirov i dr. // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal. 2016. №8(50). S. 95-98.

5. Tihomirov D.A. EHnergosberegayushchie ehlektriches-kie sredstva i sistemy teploobespecheniya osnovnyh tekh-nologicheskih processov v zhivotnovodstve // Vestnik Nizhegorodskogo gos. inzh.-ehkon. un-ta. 2016. №8(63). S. 129-138.

THE RATIONAL CHOICE OF LIVESTOCK TECHNOLOGICAL PROCESSES HEAT SUPPLY SYSTEMS

AND EQUIPMENT

D.A. Tihomirov, doctor of technical sciences, RAS corr.-member, laboratory chief FGBNY FNAZ VIM

Abstract. In the agricultural production costs the significant place have fuel and energy ones achieving up to 35%. In this regard, their effective ways using and thermal power equipment increasing implementation's efficiency has particular importance. The article proposes the algorithm of calculation, choice and justification at livestock facilities heat supply's rational variant. Calculation of technological processes' heat load and annual consumption is the basis for the energy efficient power equipment choice. The typical livestock objects' heat supply systems efficiency estimation at different kinds of energy using is conducted. The agricultural enterprises' heat supply rational systems choice methodology is developed. The economically viable application of electric decentralized heating systems' area is justified. The significant and urgent problem of the livestock and other agricultural enterprises heat energy supply system optimization for the various regions has been resolved. Keywords: heat supply system, livestock facilities, algorithm.