Способ определения и оценки тепловых условий в зонах обогрева и содержания молодняка животных
METHOD OF DETERMINING AND EVALUATING THERMAL CONDITIONS IN ZONES OF HEATING AND KEEPING OF YOUNG ANIMALS

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к животноводству, и может найти применение при создании новых средств обогрева, разработке алгоритмов и режимов работы систем управления для создания теплового комфорта при обогреве животных, например, телят, поросят и др, а, также, оценки эффективности использования различных типов обогревателей.
в
r
Для определения теплового состояния животных известен способ, который устанавливает условия комфортности / Я.А. Кунгс, А.Г. Лапицкий и др.; под общ. Ред. Н.В. Цугленка. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2008., Растимешин С.А. Локальный обогрев молодняка животных (теория и технические средства), - М.: Агропромиздат, 1991). Первое условие комфортности определяет область сочетаний температуры внутреннего воздуха t и радиационной температуры помещения t, при которых животное, находясь в зоне отдыха, не испытывает ни перегрева, ни переохлаждения. Второе условие комфортности определяет допустимые температуры нагретых и охлажденных поверхностей, находящихся в непосредственной близости от животных. Второе условие комфортности для описания теплового состояния животных не определено или формулируется следующим предложением: явная теплоотдача со всех участков поверхности должна быть максимально равномерной (Обогрев сельских жилых и животноводческих помещений источниками инфракрасного излучения. / Я.А. Кунгс, А.Г. Лапицкий и др.; под общ. Ред. Н.В. Цугленка. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2008, Растимешин С.А. Локальный обогрев молодняка животных (теория и технические средства), - М.: Агропромиздат, 1991).
Недостатком известного способа и определения тепловых условий в зонах обогрева и содержания молодняка животных является то, что он не позволяет определять допустимую степень неравномерности теплового потока от нагретых и охлажденных поверхностей, находящихся в непосредственной близости от животных.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение требуемой температурной обстановки и допустимой неравномерности обогрева молодняка животных в зоне содержания.
В результате использования предлагаемого изобретения позволяют определить условия комфортного теплового состояния животных при меняющихся климатических показателях среды, возрастных изменений, требования к разрабатываемым техническим средствам для создания тепловых зон с допустимой неравномерностью обогрева, а также оценки уже известных технических систем.
изм.
изм
изм.
расч.
2
2
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что предлагаемый способ определения и оценки тепловых условий в зонах обогрева и содержания молодняка животных включает измерение интенсивности излучения Е [Вт/м], создаваемой радиационными обогревателями, не менее чем в двух или более точках в пределах обогреваемой площади, заданной конкретными нормами технологических параметров для конкретного вида и возраста животных, и учитывают нормальную составляющую вектора интенсивности излучения Е к площади обогрева, по результатам измерения определяют распределение интенсивности излучения Е в зоне обогрева, при этом требуемую расчетную интенсивность излучения Е [Вт/м], определяют по формуле
расч
яв
ж
м-п
ж
r
Е=(Q/F-Сϕb(τ-t))/ε,
яв
где Q - явные тепловыделения животного [Вт],
2
4
С - приведенный коэффициент излучения (4.65 Вт/мК),
ϕ - коэффициент облученности элементарной поверхности животного на ограждающие конструкции помещения (рад),
м-п
ср
b=0.81+0.01τ - поправочный температурный коэффициент [°С],
ср
ж
r
τ=0.5(τ+t) [°C],
ж
τ - средняя температура поверхности животного [°С],
r
t - средняя температура ограждения помещения [°C],
ж
2
F - поверхность животного [м],
яв
ж
м-п
r
расч.кр.н
кр.н
яв
кр.н
кр.н
расч.н.н
н.н
яв
н.н
н.н
расч.н.в
н.в.
яв
н.в
н.в.
расч.кр.в.
кр.в
яв
кр.в
кр.в
изм
расч.tкр.н
изм.min
изм.max
расч.tкр.в
причем значения явных тепловыделений Q конкретного вида и возраста (массы) животного, температуры поверхности τ принимают из области гомойотермальной или термонейтральной зоны температур, а значение коэффициента b и радиационную температуру помещения t по нормам технологического проектирования для конкретного способа содержания животных и климатических параметров, при этом расчетную интенсивность излучения Е определяют для значений нижней критической температуры t и явных тепловыделений Q(t) при t, расчетную интенсивность излучения Е определяют для значений нижней нейтральной температуры t и явных тепловыделений Q(t) при t, расчетную интенсивность излучения Е определяют для значений верхней нейтральной температуры t и явных тепловыделений Q(t) при t, расчетную интенсивность излучения Е определяют для значения верхней критической температуры t и явных тепловыделений Q(t) при t, полученные измерением значения интенсивности излучения E, сравнивают с расчетными требуемыми параметрами интенсивности излучения, причем соотношение Е≤Е≤Е≤Е
изм.min
изм
где E - минимальное значение измеренной интенсивности излучения Е на обогреваемой площади,
изм.max
изм
Е - максимальное значение измеренной интенсивности излучения Е на обогреваемой площади,
расч.tнн
изм.min
изм.max
расч.tнв
изм.min
расч.tкр.н
изм.max
расч.tкр.в
изм.min
расч.tкр.н
расч.tкр.в
изм.max
расч.tкр.н
изм.min
расч.tкр.в
изм.ma
устанавливает благоприятную тепловую обстановку для содержания животных, соотношение Е≤Е≤Е≤Е устанавливает оптимально комфортную температурную обстановку для содержания животных, при соотношениях Е≤Е<Е≤Е, Е≤Е≤Е≤Е, Е≤Е≤Е≤Е устанавливают относительно благоприятную температурную обстановку для содержания животных.
кр.н
кр.в
г
н
т.н
н
т.в
кр.н
г
кр.в
н.н
н.в
кр.н
кр.в
Для конкретного возраста и вида животного определяют допустимые границы изменения климатических факторов внешней среды. Любой теплокровный организм при некоторой температуре внешней среды находится в полном температурном равновесии, при этом химические процессы, протекающие в тканях организма, обеспечивают его жизнедеятельность, и не тратится дополнительная энергия на поддержание нормальной температуры тела. При изменении условий внешней среды тепловой баланс организма нарушается, и животное реагирует увеличением или уменьшением скорости окислительных процессов, в результате которых вырабатывается тепло (Пантелеев П.А. Биоэнергетика мелких млекопитающих. М.: Наука, 1983; В.М. Юрков. Микроклимат животноводческих ферм и комплексов. М.: Россельхозиздат, 1985), при этом температура тела животного в пределах нижней критической температуры t и верхней критической температуры t (зона гомойотермии) поддерживается постоянной в результате химической терморегуляции. В границах термонейтральной зоны обмен веществ и продуцирование тепла осуществляется в минимальных размерах, в этом диапазоне животные дают наивысшие приросты (привесы). Зона гомойотермии U включает в себя термонейтральную область U, аналитически это выражается t≤U≤t ∈ t≤U≤t, где t, t - нижнее и верхнее значения границы температур термонейтральной зоны, t, t - нижняя и верхняя критическая температура гомойотермальной зоны.
г
ж
яв
уд
яв
ж
г
яв
кр.н
ж
яв
ж
яв
кр.в
ж
уд
н.н
н
н.в
i
i
i
i
i
г
В гомойотермальной области U имеет место диапазон значений теплопродукции Q организма животного, часть которой расходуется на поддержания гомеостаза внутренней среды и теплообмен с окружающей средой, основной составляющей которой являются явные теплопотери Q, и включают в себя потери энергии конвекцией, излучением и кондукцией. Для конкретного вида и возраста (массы) животного вводится понятие средней удельной теплоотдачи с поверхности тела q=Q/F, тогда тепловое состояние организма животного будет соответствовать температурным параметрам зоны U при условии Q(t)/F>Q/F>Q(t)/F, т.е. организм будет нормально развиваться и адаптироваться к внешним условиям, если средняя удельная теплоотдача q не выйдет за указанные границы, это соответствует понятию первого условия комфортности. Основное требование при проектировании системы микроклимата в животноводческих помещениях заключается в создании таких тепловых условий в зоне обитания животных, которые обеспечат оптимальный тепловой комфорт в зонах отдыха и содержания животных, это соответствует основному обмену в термонейтральной области t≤U≤t. В реальных условиях на организм животного оказывают тепловое воздействие нагретые и охлажденные поверхности, в частности холодные полы, на которых располагаются животные, различные обогреватели лучистого, кондуктивного типа и др. или их сочетание. Определяющей величиной в этом случае является интенсивность q=dQ/dF теплообмена на наиболее невыгодно расположенной и чувствительной части поверхности животного dF, на которую оказывают влияние нагретые или холодные поверхности в зоне обитания молодняка. Тепловой баланс должен быть таким, чтобы на любой элементарной площадке, рассматриваемой поверхности животного, значение интенсивности теплообмена q не превышало предельных значений средней удельной теплоотдачи на границах зоны U.
В соответствии с изложенными положениями определяют условия теплового комфорта:
кр.н
г
кр.в
яв
ж
г
- относительно благоприятной будет такая общая температурная обстановка в зоне нахождения животных, которая соответствует гомойотермальной области температур t≤U≤t, при этом отдается все явное тепло, организм животного не испытывает перегрева или переохлаждения, а средняя удельная теплоотдача Q/F не превышает предельных значений средней теплоотдачи на границах области U
яв
кр.н
ж
яв
ж
яв
кр.в
ж.
Q(t)/F>Q/F>Q(t)/F,
яв
кр.н
яв
кр.в
кр.н
кр.в
ж
2
где Q(t) и Q(t) - явные тепловыделения животного при нижней критической температуры t и верхней критической температуры t гомойотермальной области [Вт], F - поверхность животного [м],
кр.н
г
кр.в
i
i
i
г
- благоприятной будет такая общая температурная обстановка в зоне нахождения животных, соответствующей гомойотермальной области температур t≤U≤t, при которой отдается все явное тепло, организм животного не испытывает перегрева или переохлаждения, и при этом удельная интенсивность теплоотдачи q=dQ/dF с различных участков тела животного не должны превышать предельных средних значений удельной теплоотдачи на границах гомойотермальной зоны U
i
яв
кр.н
ж
i
яв
кр.в
ж
q<Q(t)/F и q>Q(t)/F,
аналитическое выражение благоприятного теплового комфорта
яв
кр.н
ж
яв
г
ж
яв
кр.в
ж
яв
кр.н
ж
i
яв
кр.в
ж
{Q(t)/F>Q(U)/F>Q(t)/F}∧{Q(t)/F>q>Q(t)/F};
н.н
н
н.в
- комфортной будет такая общая температурная обстановка в зоне нахождения животных, соответствующей области термонейтральных температур t≤U≤t, при которой отдается все явное тепло, не испытывая перегрева или переохлаждения и при этом средняя удельная теплоотдача
яв
ж
н
Q/F не превышает предельных значений средней теплоотдачи на границах термонейтральной области U
яв
н.н
ж
яв
ж
яв
н.в
ж.
Q(t)/F>Q/F>Q(t)/F,
яв
н.н
яв
н.в
н.н
н.в
где Q(t) и Q(t) - явные тепловыделения животного при нижней температуры t и верхней температуры t термонейтральной зоны [Вт],
i
i
i
г
и (∧) при этом удельная интенсивность теплоотдачи q=dQ/dF с различных участков тела животного не должны превышать предельных средних значений удельной теплоотдачи на границах области U, аналитическое выражение теплового комфорта имеет вид:
яв
н.н
ж
яв
н
ж
яв
н.в
ж
яв
кр.н
ж
i
яв
кр.в
ж
{Q(t)/F>Q(U)/F>Q(t)/F}∧{Q(t)/F>q>Q(t)/F};
н
яв
ж
н
- оптимально комфортной будет такая общая температурная обстановка в зоне нахождения животных, соответствующей области термонейтральных температур U, при которой отдается все явное тепло, не испытывая перегрева или переохлаждения и при этом средняя удельная теплоотдача Q/F не превышает предельных значений средней теплоотдачи на границах термонейтральной области U
яв
н.н
ж
яв
н
ж
яв
н.в
ж.
Q(t)/F>Q(U)/F>Q(t)/F,
i
i
i
н
а удельная интенсивность теплоотдачи q=dQ/dF с различных участков тела животного не превышает предельных средних значений удельной теплоотдачи на границах области U, аналитическое выражение оптимального теплового комфорта имеет вид
яв
н.н
ж
яв
н
ж
яв
н.в
ж
яв
н.н
ж
i
яв
н.в
ж
{Q(t)/F>Q(U)/F>Q(t)/F)}∧{(Q(t)/F>q>Q(t)/F)}.
При воздействии лучистых обогревателей в зоне обогрева (отдыха) второе условие комфортности должно ограничивать интенсивность теплообмена животного. Система лучистого обогрева должна обеспечивать радиационный баланс таким образом, чтобы любая элементарная площадка на поверхности животного на наиболее невыгодно расположенной к излучению части тела, отдавала излучением окружающим поверхностям в зависимости от возраста и вида животного тепловую энергию в пределах, определяемых благоприятной, комфортной и оптимально комфортной температурной обстановкой в зоне обогрева.
Уравнение лучистого теплообмена для элементарной площадки на поверхности животного имеет вид (Богословский В.Н. Строительная теплофизика. - М.: Высш. школа, 1982)
i
м-п
ж
r
q=Cϕb(τ-t)-εE,
2
4
2
м-п
cp
ср
ж
r
r
ж
где С - приведенный коэффициент излучения (4.65 Вт/мК); ϕ - коэффициент облученности элементарной поверхности животного на ограждающие конструкции помещения (рад); b=0.81+0.01τ - поправочный температурный коэффициент, τ=0.5(τ+t); t - средняя температура ограждения помещения; ε - коэффициент поглощения излучения; Е - вектор энергетической облученности от излучателя или нагретых поверхностей и нормально направленный на рассматриваемую элементарную площадку (Bт/м), τ - температура поверхности животного (°С).
Предельные значения облученности:
для гомойотермальной зоны -
расч.кр.н
м-п
ж
кр.н
r
яв
кр.н
ж
E=(Cϕb(τ(t)-t)-Q(t)/F)/ε,
расчкр.в
м-п
ж
кр.в
r
яв
кр.в
ж
E=(Cϕb(τ(t)-t)-Q(t)/F)/ε,
ж
кр.н
ж
кр.в
кр.н
кр.в.
яв
кр.н
яв
кр.в
кр.н
кр.в
где τ(t) и τ(t) - значения температуры поверхности животного при температуре t и t, Q(t) и Q(t) - явные тепловыделения животного при нижней критической температуры t и верхней критической температуры t гомойотермальной области [Вт],
для термонейтральной зоны -
расч.н.н
м-п
ж
н.н
r
яв
н.н
ж
E=(Cϕb(τ(t)-t)-Q(t)/F)/ε,
расч.н.в
м-п
ж
н.в
r
яв
н.в
ж
E=(Cϕb(τ(t)-t)-Q(t)/F)/ε,
ж
н.н
ж
н.в
н.н
н.в
яв
н.н
яв
н.в
н.н
н.в
где τ(t) и τ(t) - значения температуры поверхности животного при температуре t и t термонейтральной зоны, Q(t) и Q(t) - явные тепловыделения животного при нижней границе температуры t и верхней границе температуры t термонейтральной зоны [Вт],
изм.
расч.
г
расчtкр.н
расчtкр.в.
н
расчtн.н
расчtн.в.
изм
.
расчtкр.н
расчtкр.в.
расчtн.н
расчtн.в.
2
На фиг. 1. показаны результаты измерений распределения значений облученности Е [Вт/м] от источников инфракрасного обогрева ЛЭО-250 и ИКЗК на обогреваемой поверхности. По оси абсцисс показано расстояние от центральной оси подвеса облучателя, по оси ординат - значения облученности. Горизонтальными линиями отмечены расчетные значения интенсивности излучения Е, соответствующим зонам гойотермальной U⊂Е…E и термонейтральной U⊂Е…E для телят. Значения E, заключенные в границах Е…E и Е…E, определяют часть обогреваемой поверхности, где излучателями создаются условия для благоприятной, комфортной и оптимально комфортной температурной обстановки.
Примеры (осуществления способа):
ж
ж
ж
ж
в
н.н
в
н.в
кр.н
в
кр.в
яв
в
q
q
в
r
2/3
2
- для поросенка раннего возраста массой g=1 кг, F=0.092(g)=0.092 м; температура поверхности τ=29.0+0.22t; термонейтральная зона - t=28°C≤t≤t=30°C; гомойотермальная зона - t=26°C≤t≤t=33°C; явные тепловыделения в зависимости от температуры среды Q(t)=kq, здесь k=-0.0357t+1.357 (Министерство сельского хозяйства Российской Федерации. Москва, 2009); q=5.9 Вт; климатические параметры окружающей среды - радиационная температура помещения t=18°C.
ж
ж
ж
ж
в
н.н
в
н.в
кр.н
в
кр.в
яв
кр.н
яв
н.н
яв
н.в
яв
кр.в
r
2/3
2
- для теленка массой g=40 кг, F=0.104(g)=1.2 м; температура поверхности τ=24.5+0.43t; термонейтральная зона - t=18°C≤t≤t=20°C; гомойотермальная зона - t=15°C≤t≤t=25°C; явные тепловыделения в зависимости от температуры среды Q(t=15°C)=59.1 Вт, Q(t=18°C)=52.2 Вт, Q(t=20°C)=47.9 Вт, Q(t=25°C)=37.2 Вт, климатические параметры окружающей среды - радиационная температура помещения t=10°C.
Результаты расчетов сведены в таблице 1 - для поросят и табл. 2 для телят.