10138
.pdfМИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
М.В. Бодров
ОТОПЛЕНИЕ И ВЕНТИЛЯЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ
Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным и практическим занятиям (включая рекомендации
по организации самостоятельной работы) и выполнению курсовой работы по дисциплине «Отопление и вентиляция сельскохозяйственных и производственных зданий» для обучающихся по направлению подготовки 08.04.01. Строительство,
направленность (профиль) Теплогазоснабжение и вентиляция
Нижний Новгород
2022
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
М.В. Бодров
ОТОПЛЕНИЕ И ВЕНТИЛЯЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ
Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным и практическим занятиям (включая рекомендации
по организации самостоятельной работы) и выполнению курсовой работы по дисциплине «Отопление и вентиляция сельскохозяйственных и производственных зданий» для обучающихся по направлению подготовки 08.04.01. Строительство,
направленность (профиль) Теплогазоснабжение и вентиляция
Нижний Новгород
2022
УДК 697.9
Бодров М.В. Отопление и вентиляция производственных сельскохозяйственных зданий : учебно-методическое пособие / М.В. Бодров ; Нижегородский государственный архи- тектурно-строительный университет. – Нижний Новгород: ННГАСУ, 2022. – 281 с. : ил. – Текст : электронный.
Ключевые слова: производственные сельскохозяйственные здания, отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха, тепловой режим, влажностный режим, теплицы, установки для сушки травы, сочное растительное сырье.
Изложены теоретические основы и даны практические рекомендации обеспечения теплового, влажностного и воздушного режимов помещений производственных сельскохозяйственных зданий и сооружений различного назначения: животноводческих, птицеводческих, хранилищ картофеля и овощей, теплиц, установок для сушки травы. Обоснована методика нормирования теплотехнических показателей теплового контура зданий как особого класса помещений по параметрам микроклимата и технологии производства. Приведены основы конструирования, расчета и эксплуатации систем создания и поддержания технологических параметров микроклимата, даны примеры расчетов.
Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к практическим занятиям (включая рекомендации по организации самостоятельной работы) по дисциплине «Отопление и вентиляция сельскохозяйственных и производственных зданий» по направлению подготовки 08.04.01 Строительство, направленность (профиль) Теплогазоснабжение и вентиляция.
©М.В. Бодров, 2022
©ННГАСУ, 2022
ВВЕДЕНИЕ
Переход к индустриальному строительству и укрупнению сельскохозяй-
ственных комплексов привел к утере многих исторически выработанных объ-
емно-планировочных и теплофизических достоинств производственных сель-
скохозяйственных зданий и сооружений. Например, для животноводческих и птицеводческих зданий были характерны относительно малая вместимость по-
мещений, ограниченная остекленность, саморегулирующаяся воздухопроница-
емость, гигроскопичность ограждающих конструкций. Наружные стены храни-
лищ сочного растительного сырья (СРС) полностью обваловывались землей или сооружения выполнялись полностью в подземном варианте.
Промышленные условия содержания скота и птиц нарушают естествен-
ный стереотип обитания. Значительная концентрация животных и птиц на ограниченной площади вызывает в их организме реакции адаптации к новым условиям обитания, сопровождающиеся дополнительными расходами внутрен-
ней энергии, снижением продуктивности и прироста массы, заболеваниями и даже падежом. Поэтому мастерство инженеров и проектировщиков должно ба-
зироваться не только на достижениях современных строительных технологий,
но и учитывать многовековый народный опыт при проектировании систем жизнеобеспечения животных и птиц, хранения картофеля, овощей и фруктов,
учитывать физиологические потребности и биологические особенности живых организмов.
Представленный в учебном пособии методологический подход к созда-
нию высокопродуктивных, энергоэффективных сельскохозяйственных зданий и сооружений основан на объединении их в единый биоэнергетический и архи-
тектурно-строительный комплекс, в котором параметры микроклимата форми-
руются за счет пассивных (тепловой контур здания) и активных (отопление,
вентиляция, кондиционирование, холодоснабжение) систем обеспечения мик-
роклимата. Такой системный подход включает рассмотрение взаимосвязанных объемно-планировочной и инженерно-технологической моделей производ-
3
ственных сельскохозяйственных объектов. Первая модель основана на принци-
пе компактности теплового контура зданий и сооружений с возможным форми-
рованием буферных зон, что позволяет определять рациональные композици-
онные и пространственные параметры. Вторая модель, неразрывно связанная с первой, оценивает эффективность систем жизнеобеспечения, параметры ком-
фортности помещений при наличии различного инженерного оборудования.
Единый комплексный системный подход к закономерностям формирова-
ния параметров микроклимата приводит к выводу о необходимости выделения производственных сельскохозяйственных зданий и сооружений в самостоя-
тельный класс по нормированию и расчету энергоэффективных систем обеспе-
чения допустимых параметров внутреннего воздуха для животных, птиц, вы-
ращиваемой, заготавливаемой и хранящейся сельскохозяйственной продукции.
Данный методологический подход обосновывается следующими особен-
ностями формирования параметров микроклимата в рассматриваемых произ-
водственных помещениях.
1. Большой диапазон изменений расчетных параметров внутреннего воз-
духа (температуры, относительной влажности, подвижности) в круглогодичном цикле эксплуатации.
2. Наличие в холодный период года постоянно действующих явных фи-
зиологических (от животных и птиц) или биологических (от хранящегося соч-
ного растительного сырья) тепловыделений делает основной функцией тепло-
вого контура неотапливаемых (без подачи искусственно генерируемой энергии)
сельскохозяйственных зданий и сооружений рассеивание выделений явной теплоты; одновременно количественно величина теплового потока через наружные стены, покрытие и полы должна предупреждать переохлаждение жи-
вотных, птиц, хранящейся продукции.
3. Нормирование теплозащитных характеристик наружных ограждений с учетом утилизации биологической теплоты должно основываться не на субъек-
тивном выборе исходных данных (даже в пределах норм технологического про-
ектирования), приводящего к недопустимому различию конечных результатов,
4
а на объективных показателях конкретных сооружений с учетом их объемно-
планировочных решений и технологий производства, приводящих к однознач-
ному конечному результату.
4. Необходимость учитывать индивидуальность и многообразие направ-
лений и интенсивности процессов тепломассопереноса в объеме продукции и объеме помещений. Например, требуется минимизация влагоотдачи продукции при хранении СРС и максимально допустимый по биологическим требованиям влагосъем при сушке травы.
5. Рациональные по технологическим и энергетическим требованиям объ-
емно-планировочные и конструктивные решения производственных сельскохо-
зяйственных зданий и сооружений отличаются большим многообразием:
надземные, полузаглубленные или полностью заглубленные, подземные, ча-
стично или полностью обвалованные.
6. Нормирование и теплофизический расчет теплотехнических и аэроди-
намических характеристик некоторых сельскохозяйственных сооружений,
например, круглогодичных культивационных (теплицы, оранжереи) или широ-
ко применяемых при хранении СРС и заготовке грубых кормов систем актив-
ной вентиляции вообще не вошли в нормы и отсутствуют в технической и справочной литературе.
Актуальность и новизна учебного пособия заключается в разработке научно-методических основ расчета энергоэффективных, продуктосберегаю-
щих производственных сельскохозяйственных зданий и сооружений. Режимы работы их систем обеспечения допустимых параметров микроклимата с учетом биологических, технологических и технико-экономических требований должны учитывать особенности различных климатических регионов страны. Для каж-
дого из видов сельскохозяйственных зданий разработаны теоретические основы и инженерные методики расчетов систем отопления, вентиляции, кондициони-
рования воздуха и холодоснабжения. Они включают: термодинамические осно-
вы расчетов снижения потребления энергии (вплоть до нулевого) животновод-
ческими и птицеводческими зданиями, хранилищами биологически активной
5
продукции; графоаналитическое построение термодинамических процессов,
описывающих интенсивность динамики охлаждения воздуха в объеме теплиц в теплый период года за счет водоаэрозольного охлаждения; аналитически полу-
ченные и экспериментально подтвержденные закономерности динамики про-
цессов тепломассопереноса и формирования температурно-влажностных полей в слое биологически активного сырья при нестационарных внешних воздей-
ствиях как в процессах хранения, так и сушки.
Доказана возможность использования в помещениях производственных сельскохозяйственных зданий и сооружений с круглогодичным циклом эксплу-
атации только естественных источников энергии за счет эффективной утилиза-
ции явной физиологической и биологической теплоты, естественной вентиля-
ции, аэрации, солнечной энергии и др. Таким образом, большинство рассматри-
ваемых сельскохозяйственных зданий могут и должны эксплуатироваться без подачи в них искусственной явной теплоты или холода или иметь минималь-
ный резерв мощности по энергоносителям.
В учебное пособие включены все основные вопросы проектирования,
конструирования, строительства и эксплуатации продукто- и энергосберегаю-
щих систем обеспечения параметров микроклимата производственных сельско-
хозяйственных зданий: выбор технологических параметров микроклимата;
нормирование и расчет теплофизических характеристик теплового контура наземных и подземных зданий и сооружений; расчет реальных тепловых, влаж-
ностных и воздушных балансов сельскохозяйственных помещений различного назначения; расчет и конструирование систем обеспечения параметров микро-
климата; расчет энергоэффективных режимов эксплуатации систем; методика расчета систем активной вентиляции при заготовке грубых кормов; способы со-
здания круглогодичных технологических параметров микроклимата в культи-
вационных сооружениях; количественная оценка эффективности управления параметрами микроклимата сельскохозяйственных помещений различного назначения.
6
1. ПАРАМЕТРЫ МИКРОКЛИМАТА В ПОМЕЩЕНИЯХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ
1.1.Технологии сельскохозяйственного производства
ирасчетные параметры микроклимата
Наиболее распространенными производственными сельскохозяйствен-
ными зданиями являются животноводческие, птицеводческие, хранилища соч-
ного растительного сырья (картофеля, овощей, фруктов), культивационные со-
оружения (теплицы), а также установки для сушки травы в процессе заготовки грубых кормов. Рассмотрим специфические особенности требуемых (допусти-
мых) технологических параметров микроклимата в помещениях каждого из вышеперечисленных видов зданий и сооружений.
1.1.1. Помещения животноводческих зданий
От 180 до 240 суток в году крупный рогатый скот (КРС) и многие другие виды животных, а некоторые из них круглогодично, находятся в замкнутых по-
мещениях. В течение всего этого периода в помещениях должны быть созданы такие климатические условия (температура tв, относительная влажность φв, по-
движность vв и газовый состав воздуха), при которых высокая продуктивность животных достигается при минимальных затратах кормов и средств на их вы-
ращивание. Параметры воздуха в помещениях должны обеспечивать устойчи-
вость процессов внутреннего тепловлагообмена живого организма и всего жи-
вотного с окружающей средой.
Определяющим фактором в производстве продукции животноводства яв-
ляется кормовой (до 50...60 %). Породистость влияет на продуктивность до
20 %, а параметры микроклимата (климатические условия содержания живот-
ных и птиц) могут повысить выход продукции на 30 % [1].
Необходимость поддержания температурно-влажностных и газовых па-
раметров воздуха в помещениях диктуется не столько повышением продуктив-
7
ности каждого животного или птицы, сколько их способностью реализации возможной максимальной продуктивности данной породы.
Зоной размещения (рабочей зоной) крупного рогатого скота и свиней считается пространство в помещении высотой до 0,8 м; овец — до 0,75 м; ло-
шадей — до 1,6 м от уровня пола.
Крупный рогатый скот выращивается для племенных и товарных целей.
Преобладающей мировой тенденцией является повышение его продуктивности без существенного увеличения численности.
Для КРС применяют две системы содержания: круглогодичную стойло-
вую (беспастбищную) и стойлово-пастбищную. Новорожденных телят (до
15...20-дневного возраста) помещают в клетки профилакториев с обильной под-
стилкой. Из профилакториев телят переводят в телятники, где их выращивают до 4…6 мес.
При содержании КРС необходимо предусматривать удаление масс навоз-
ных стоков механическим или гидравлическим способами. За сутки корова вы-
деляет до 35,0 кг кала и 20,0 л мочи, теленок — до 5,0 кг и 2,5 л, соответственно.
При гидравлических способах удаления навоза предусматривается вентиляция сточных каналов.
Свиноводческие фермы по назначению подразделяются на племенные и товарные. На товарных фермах выращиваются свиньи для производства мяса.
Их размещают в станках индивидуально или группами, разделяя помещения на изолированные секции для определенных половозрастных групп. Удаление навоза на свиноводческих фермах осуществляется механическим способом. Су-
точное выделение кала и мочи от одного животного, соответственно, составля-
ет: хряк-производитель — 9,0 кг и 6,0 л; свиноматка подсосная — 12,0 кг и 10,0
л; свинья на откорме — 5,0 кг и 2,5 л.
Коневодческие предприятия по своему назначению подразделяются на племенные, товарные (производство кумыса и мяса) и рабочие (конные дворы для рабочих лошадей). Конюшенная система содержаний животных применя-
ется на племенных и рабочих предприятиях. При этой системе лошадей содер-
8
жат индивидуально или группами в конюшнях. Выход навоза и мочи у взрос-
лых лошадей достигает 20,0…30,0 кг и 10,0 л в сутки.
В овцеводстве приняты системы содержания: круглогодовая стойловая,
стойлово-пастбищная, пастбищная. При круглогодовой стойловой системе овец зимой содержат и кормят в помещениях. Стойлово-пастбищная система харак-
теризуется содержанием овец зимой в овчарнях с выгульно-кормовыми пло-
щадками, а летом — на пастбищах. При пастбищной системе преобладает круг-
логодовое содержание овец на пастбищах.
Технологии содержания кроликов и нутрий предусматривают клеточное содержание в помещениях. Основное стадо нутрий содержат в индивидуальных клетках без бассейнов или в групповых загонах с бассейнами. Основное стадо взрослых кроликов содержат в клетках по одной голове, а молодняк — в клет-
ках группами. Выход навоза одним взрослым кроликом в год составляет 73 кг,
взрослой нутрии — 420 кг.
Температурный режим животноводческих помещений можно условно разбить на следующие зоны [1]:
удовлетворительного общего теплового баланса (tв = 5…15 °С);
максимальной продуктивности животных, т. е. экономически целесооб-
разной из условий снижения расхода кормов (tв = 12…20 °С);
снижения продуктивности животных (tв = 0…12 °С), характеризующейся увеличением расхода кормов и числа случаев заболеваний;
низкой продуктивности (tв < 0 °С), в которой наблюдается большое коли-
чество заболеваний и возможен падеж скота;
пониженной продуктивности (tв = 20…30 °С), характеризующейся апати-
ей животных и нарушением их систем терморегуляции;
низкой продуктивности животных и возможного падежа из-за перегрева
(tв > 30 °С).
Допустимые пределы максимальных значений относительной влажности воздуха помещений для содержания КРС и свиней в холодный период года φв
составляют: при температуре наружного воздуха tн > –15 °С относительная
9