Моделирование воздушных потоков и расчет элементов аэрационных систем микроклимата животноводческих помещений

УДК 631.22:628.8.001.57

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ И РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ АЭРАЦИОННЫХ СИСТЕМ МИКРОКЛИМАТА ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ПОМЕЩЕНИЙ

Н.Н.Новиков

Приведены основные положения разработанной математической модели аэрации животноводческого помещения, позволяющей выполнять расчеты показателей микроклимата с побуждением от энергии ветра и теплоты животных. Параметры математической модели идентифицированы с использованием данных инструментальных измерений соответствующих расчетных величин в помещениях животноводческих ферм. Даны примеры расчетов с помощью модели, а также оценено влияние некоторых факторов на воздухообмен.

Ключевые слова: математическая модель, микроклимат, аэрация.

В настоящее время в молочном животноводстве все большее распространение получают системы микроклимата аэрационного типа. Они не требуют затрат дорогих энергоносителей, таких как электроэнергии, нефтепродуктов, других видов топлив. Основные элементы таких систем: вентиляционные проемы продольных ограждений (рис.1), светоаэрационные коньки крыш (рис.2), ворота различных конструкций.

Рис.1. Вентиляционные проемы продольных ограждений животноводческих помещений: а) окна с надоконными каналами; б) подъемные непрозрачные шторы; в) подъемные окна; г) скручивающиеся снизу белые шторы.

а)

б)

в)

Ь- ширина горловины; А - удельная расчетная площадь проходного сечения, м2/м; а- угол наклона ветроотражающей панели; в- угол наклона покрытия светоаэрационного конька; Ь/А = 3,25...6; а = 120 0; в = 20 0

Рис.2. Светоаэрационные коньки крыш животноводческих помещений: а) двустронний, двускатная крыша; б) односкатная крыша; в) двусторонний

со световыми проемами

Конструкция и размеры перечисленных элементов аэрационных систем должны в максимальной степени способствовать обеспечению нормативного микроклимата животноводческих помещений во все периоды года. Это достаточно сложная инженерная задача.

В настоящее время нам неизвестна утвержденная отраслевая методика для расчета аэрационных систем микроклимата. Вместе с тем имеются запросы производственников, проектировщиков и строителей на внедрение аэрацион-ных систем.

В ГНУ ВНИИМЖ Россельхозакадемии проведены теоретические и эспе-риментальные исследования для подготовки методики расчета систем микроклимата аэрационного типа, первым этапом которой является математическая модель аэрации, рассматриваемая в настоящей работе.

Таблица 1. Параметры типоразмерного ряда светоаэрационных коньков

А, мм 120 180 270 360

Ь, мм 400.700 600.1000 900.2000 1200.2100

А2, м2/м 0,24 0,36 0,54 0,72

Весовой расход воздуха через приточные (п) и вытяжные (в) каналы вычисляются по формулам:

Оп = Ц Р , кг/с

Ов = Ц Р , кг/с

ц - коэффициент расхода, для полностью открытых каналов; ц ~ 0,6;

2 2 § = 9,81 м/с ; Рп Рв - общая площадь приточных (вытяжных) каналов, м ;

у п , у в - удельный вес приточного (удаляемого) воздуха в кг/м вычисляется по

формулам:

Уп = 0,46264  Ратм - 0,1753

^ 273 + ^^ ' 273 + 1п '

Р т Р

Ув = 0,64264  —^^ - 0,1753  —врн^ , кг/м3

' 273 + г. 273 + г. х '

Ратм - атмосферное давление мм рт. ст.;

Ф п, фв - относительная влажность приточного (удаляемого) воздуха, доли единицы;

гп , гв - температура приточного (удаляемого) воздуха, оС;

Рнп , Ррв - упругость насыщающих водяных паров в мм рт. ст. при температуре гп , гв .

Для полей температуры и давлений воздуха внутри помещения приняты следующие допущения: температурное поле стационарно, однородно; приточный воздух получает температуру гв при поступлении в помещение; давление воздуха стационарно во всем объеме и переменно только по вертикальной координате. Кроме того, вентиляция происходит при условии сохранения массы потока воздуха.

Обозначим давление воздуха внутри помещения на уровне каналов самого нижнего уровня Рх, тогда внутреннее давление воздуха на уровне канала ¡,

имеющего превышение над нижнем уровнем А Н , будет:

Рв1 = Рх - А Н

Ветровой напор, создаваемый потоком воздуха с внешней стороны аэрацион-ных каналов:

Нв = £

V - скорость ветра, м/с .

Давление воздуха снаружи ограждения, создаваемого ветром, зависит от направления ветра относительно продольной оси здания (рассматриваются три случая: ветер дует вдоль, поперек и под углом 45о к оси). Примем, как и в [1], линейную зависимость давлений воздуха в каналах снаружи помещения от ветровых давлений

Рш = К Нв

Учитывая (5,7), для приточных и вытяжных воздушных каналов

АРт = Рнг - Рв1 , 1= 1,2..п

АРв] = Рв] - Рн] , = 1,2..п

nj , n2 - соответственно число приточных, вытяжных каналов. Уравнение сохранения массы потока, из которого определяется Рх, примет вид D Gni =D Gej, i< nj, j< n2

Система уравнений (1)-(10) является замкнутой нелинейной. Она устанавливает связь между температурой, влажностью атмосферного и внутреннего воздуха, атмосферным давлением, скоростью и направлением ветра, ориентацией помещения относительно вектора скорости ветра, площадями аэрационных каналов, степенью их открытия, воздухообменом. В ней пока неопределенным является уравнение (6), которое будет дано ниже.

Для определенности дальнейшего рассмотрения примем следующие соответствия индексов воздушных каналов помещения их расположению в помещении: i = 1-у продольной наветренной стены;

i = 3 - у продольной подветренной стены;

i = 2' - у наветренного аэрационного канала светоаэрационного конька; i = 2 - у подветренного аэрационного канала светоаэрационного конька. Приняв в модели (1)-(10) линейную зависимость величин наружных давлений у ограждений от ветрового давления Р в Hi = К Нв, i = 1, 2, 2', 3, а формулу величины ветрового давления в виде

7 V2 9

Нв = 7— , кг/м2

2 g

путем продувки физических моделей помещений в [1] для промышленных зданий определены величины коэффициентов К , i =1, 2', 2, 3 при различных направлениях ветра относительно продольной оси здания (таблица 2.).

Таблица 2. Значения коэффициентов К, i =1, 2', 2, 3 для промышленных зданий

Величина угла между направлением К i К 2 К К

ветра и продольной осью

промышленного здания

0 0 -0,27 -0,30 -0,30 -0,27

45 0 0,14 -0,48 -0,74 -0,46

90 0 0,5 -0,20 -0,42 -0,27

Расчетная модель с ветровыми коэффициентами из таблицы 1 применялась для расчетов аэрации мартеновских цехов и показала удовлетворительные результаты.

На начальной стадии исследований аэрации животноводческих помещений эта модель и была принята в качестве исходной. Исследования проводились на действующих помещениях путем натурных измерений многоканальными приборами ряда параметров (температуры, влажности, загазованности по СО2 , скорости движения воздуха) в 2008-2009 гг. Обследовались коровники размерами в плане 78х21, 108х24, 148х32 м, высотой по коньку 6,2; 10,5; 13 м. Условия измерений: атмосферный воздух - температура -24...+260 С, относи-

тельная влажность 42...68%, скорость ветра 0...8,8 м/с, атмосферное давление 735...755 мм.рт.ст.; воздух помещений - температура -9...+280 С, относительная влажность 46. 100%, подвижность 0,1. 2,5 м/с.

Исследования аэрации помещений и обработка результатов измерений проводились согласно действующих методик [2-5].

В результате проведенных исследований выявлен ряд особенностей исследуемых объектов и процессов, что позволило доработать модель [1] и снизить погрешность моделирования процессов для рассматриваемых объектов.

Прежде всего следует отметить вклад до 30% в общий воздухообмен помещений воздухообмена через ворота, которые постоянно открыты в теплое время года. Поэтому для учета воздухообмена через ворота в модель (1)-(10) введены дополнительно два коэффициента для вычисления давления воздуха снаружи ворот от скорости ветра К4 (для ворот с наветренной стороны) и К5 (для ворот с подветренной стороны).

С учетом участия в расчетах шести коэффициентов Кг-; I =1, 2', 2, 3, 4, 5 были уточнены их числовые значения. Они представлены в табл.3.

Таблица 3. Значения ветровых коэффициентов К / , I =1, 2', 2, 3, 4, 5 для животноводческих помещений, полученных в результате натурных измерений

Величина угла между направлением ветра и продольной осью животноводческих помещений К1 К' 2 К 2 К 3 К 4 К 5

0 0 -0,270 -0,300 -0,300 -0,270 0,430 -0,40

45 0 0,156 -0,281 -0,434 -0,945 0,148 -0,720

90 0 0,500 -0,200 -0,420 -0,270 0,560 -0,510

В последнее время стали строиться животноводческие помещения со значительными размерами вентиляционных проемов продольных стен, для которых отношение площади проема Бп к площади всего ограждения Богр составляет: Бп / Богр -0,6.0,7 (рис.3).

В этих случаях, как установлено, ветровое давление, вычисленное по формуле квадрата скорости ветра (11), приводит к слишком большим погрешностям в величинах воздухообмена в сторону его завышения. Скорее всего это объясняется тем, что в рассматриваемом случае происходит лишь незначительное торможение потока воздуха зданием и, следовательно, меньшее повышение давления воздуха на наветренной стороне и понижение на подветренной. Для таких помещений нами предложено пользоваться формулой ветрового давления вида Ив = кп V, где кп - коэффициент пропорциональности, имеющий соответствующие размерность и числовое значение. Такая модификация формулы для вычисления ветрового давления позволила снизить погрешность вычислений процесса аэрации до 10.15% для всех таких типов зданий.

Рис.3. Помещение с вентиляционными проемами, площадь которых составляет 60...70% поверхности ограждения

Для иллюстрации вычислений с помощью модели (1)-(10) выполнен расчет аэрации коровника с климатическими условиями центральной зоны РФ (рис.4).

Рис.4. Коровник на 200 голов беспривязного содержания, средняя масса животных в нем 500 кг, удой 7000 кг, период - теплое время года. Размеры здания в плане 108х24м, высота по коньку 6,2 м, размеры окон 1,2х1,4 м, 28 окон с каждой стороны, ворота 4,3х3,2 м по торцам, конек А=120 мм

В коровнике, изображённом на рис. 4, аэрация помещения происходит через окна, расположенные по продольным стенам, их общая площадь с каждой стороны составляет 47 м2 , ворота по обоим торцам площадью 13,8 м2 каждые, вентиляционные каналы светоаэрационного конька двускатной крыши, характерный размер каждого канала А=120 мм (рис.2), расчетная площадь каждого канала 12,9 м , расстояние по вертикали между средними точками приточных окон и каналов светоаэрационного конька 3,9 м .

Выполнены расчеты аэрации по модели (1)-(10) и натурные измерения температуры, влажности, загазованности, подвижности воздуха как снаружи, так и внутри помещения. Путем подбора значений коэффициентов табл.3 произведена идентификация расчетных и измеренных значений величин. Результаты моделирования аэрации в коровнике (рис.4), представлены на рис. 5-7, 10 и на графиках рис. 8, 9.

На рис. 5-7, 10 стрелками показаны направления воздушных потоков через проемы ограждений, а цифры у стрелок-интенсивность потока воздуха в тыс.м3 /ч. На рисунках стрелкой указано также направление ветра и его скорость в м/с.

Рис.5. Влияние скорости ветра на режим воздушных каналов и общий воздухообмен

Рис. 5 иллюстрирует зависимость интенсивности аэрации помещения от скорости ветра. Анализируя данные рисунка, видим, что скорость ветра оказывает существенное влияние на работу всех аэрационных каналов в теплое время года как по величине воздухообмена, так и по направлению воздушных потоков, а также на общий воздухообмен. Общий воздухообмен в помещении минимален при безветрии. Поэтому размеры аэрационных каналов в климатических зонах с нулевой расчетной скоростью ветра [6] в самый жаркий месяц года целесообразно определять при безветрии.

Рис.6. Влияние типоразмера светоаэрационного конька на воздухообмен при безветрии

На рис. 6 и на графиках рис. 8, 9 показано существенное влияние размера светоаэрационного конька на величину воздухообмена в помещении при безветрии.

Рис.7. Влияние размера проёмов продольных стен на воздухообмен при безветрии

Из рис. 7 и графиков рис. 8, 9 видно, что при безветрии геометрические размеры оконных проемов влияют на общий воздухообмен незначительно.

О • 103 м3 /ч

120 100 80 60 40 20 0

Рис.8. График зависимости воздухообмена в помещении от размеров «фонаря» и окон

120

180

270

Размер «фонаря» А,

мм

А 1, оС

6 5 4 3 2 1 0

120 180

^^^ График 1

270

Рис.9. График зависимости п ер еп ад а температуры воздуха внутри и снаружи помещений от размеров «фонаря» и окон

Размер «фонаря» А,

мм

Граф и к 2

График 1 - при размере окон 1,2 х 1,8 м График 2 - при размере окон 1,2 х 1,4 м

Направление ветра также влияет на режим работы аэрационных каналов. Это влияние иллюстрируется рис. 10. Однако в этом случае можно отметить, что изменение общего воздухообмена в помещении невелико.

Рис.10. Влияние направления ветра

на режим воздушных каналов и общий воздухообмен

Литература:

1. Батурин, В.В.Аэрация промышленных зданий / В.В.Батурин, В.М.Эльтерман. - Гос-стройиздат, 1953.

2. Руководство по расчету и проектированию систем обеспечения микроклимата при строительстве новых и реконструкции действующих животноводческих зданий:РД-АПК 3.10.01.09-08. - М.: Гипронисельхоз, 2008.

3. Временные рекомендации по расчету, проектированию и эксплуатации систем отопления и вентиляции животноводческих помещений. - М.: Гипронисельхоз, 1973.

4. Методика исследований микроклимата, систем вентиляции и отопления животноводческих и птицеводческих зданий.- М.: Гипронисельхоз, 1972.

5. Стандарт СТО АИСТ 31.2-2007. Испытания сельскохозяйственной техники. Комплекты оборудования для создания микроклимата в животноводческих и птицеводческих помещениях. Методы оценки функциональных показателей. - Подольск, 2007.

6. СНИП 23-01-99. Строительная климатология. - М.: Госстандарт, 1999.

Новиков Николай Николаевич, кандидат технических наук, доцент, заведующий отделом

ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства

Россельхозакадемии

Тел. 8(4967)674333

E-mail: vniimzh@mail.ru

There are the main provisions of the developed mathematical model of the aeration of livestock facilities, which allow you to perform calculations of indicators of microclimate with prompting from the wind and the heat of animals. Parameters of mathematical models are identified with using data instrumental measurements of the calculated values of the premises of livestock farms. There are examples of calculations of using the model as well as the influence of some factors on the air. Keywords: mathematical model, microclimate, aeration.