Расчет вентиляции, теплового баланса и анализ теплового баланса

Вентиляция помещений производится с целью создания благоприятного микроклимата для здоровья и продуктивности животных, а также для сохранения строительных материалов и конструкций зданий.

В плохо вентилируемых помещениях у животных более часто возникают незаразные и заразные заболевания, что бывает, связано с большими непроизводительными потерями для хозяйств.

Воздух закрытых помещений для животных и птиц, если он не будет обмениваться с наружным воздухом, быстро приобретает отрицательные и вредные свойства. В нем накапливается излишнее тепло, увеличивается влажность, к нему примешиваются токсические и дурно пахнущие газы, главным образом клоачные: метан, аммиак, сероводород и др.

Такой воздух влияет отрицательно на теплообмен, аппетит, переваримость и использование корма, ухудшает обмен веществ, в частности азотистый обмен, в конечном счете, это отражается на здоровье и резистентности животных, понижает их продуктивность (удой, прирост массы тела), ухудшает качество молока).

Главное назначение вентиляции сводится к поддержанию оптимальной температуры воздуха помещений: удалению из него излишней влажности, а также разбавлению и удалению вредных и дурно пахнущих газовых примесей предупреждению конденсации паров на внутренней поверхности ограждений.

Усиленная вентиляция возможна в том случае, если теплозащитные свойства здания и его ограждений соответствуют климату местности, а постройки находятся в полной исправности и если в здании соблюдаются санитарно-гигиенические правила по уходу за животными, полами, канализацией, своевременно и систематически удаляются экскременты животных.

Основные условия для правильной работы искусственной вентиляции - это возможная герметичность постройки. Проникновение больших количеств атмосферного воздуха через не плотности и утечка воздуха помимо вытяжных устройств нарушают правильное функционирование вентиляции и создают трудность в управлении ею.

Проектирование и оборудование вентиляции в неотапливаемых помещениях представляют определенную трудность, так как вентиляция и поддержание положительной температуры воздуха всецело базируются на использовании животного тепла. В отапливаемых помещениях животное тепло также занимает значительное место.

Теория вентиляции базируется на корреляционной зависимости между такими факторами: величиной теплопродукции и воздухообмена - чем больше теплопродукция, тем больше воздухообмен: теплотехническим показателем здания и вентиляционным обменом; температурой внутреннего и наружного воздуха; величиной воздухообмена и связанной с этим концентрацией СО₂: во внутреннем воздухе - чем меньше разность температуры, тем меньше воздухообмен, тем больше содержание паров и СО₂.

Нередко в хозяйствах вентиляция не работает или работает неудовлетворительно. Это бывает в том случае, когда при монтировании и эксплуатации вентиляционных устройств допускаются отклонения от типовых проектов.

Эффективность вентиляции зависит от системы, конструкции, соотношения сечений вытяжных и приточных устройств, высоты вытяжных труб и расположения вентиляционных устройств. Нерационально устроенные вентиляции имеют большое сопротивление в каналах, что зависит от малого сечения вытяжных труб, криволинейной конфигурации, недостаточного утепления труб, шероховатости и щелеватости стенок вытяжных и приточных устройств. Для хорошей работы вентиляции необходимо правильно определить сечение вытяжных труб. Короткие вытяжные трубы менее эффективны, чем длинные. Поэтому чем короче вытяжная труба, тем ее сечение должно быть больше. В южных районах целесообразно устраивать трубы более высокие, чем в северных. Предупреждение охлаждения воздуха и конденсации водяных паров в трубах может быть достигнуто устройством в помещении меньшего числа вытяжных труб с большей площадью сечения. Вытяжные трубы должны выступать над коньком крыши не менее чем на 0,5-0,6 м. На верхнем конце вытяжной трубы устанавливают дефлектор высотой не менее 0,5 м.

Вытяжные трубы рекомендуют устраивать над навозным проходом. Приточные каналы следует располагать вдоль продольных стен, чтобы приточный воздух поступал равномерно по всей длине помещения. Во избежание подсасывания приточного воздуха вытяжными трубами приточные устройства надо размещать не ближе 2,5 м от вытяжных отверстий. Каналы должны иметь отбойные щитки, чтобы приточный воздух сразу не попадал на животных, а направлялся к потолку и, равномерно распределяясь, опускался вниз.

В качестве материала для вентиляционных каналов служат сухие, без сучков доски, пропитанные смолой или маслом для предохранения от сырости, а также металлические и асбоцементные трубы.

Для регулирования вентиляции вентиляционные каналы должны иметь дверцы, клапаны, дроссели, шиберы, щитки и т.п. Уход за вентиляцией состоит в очистке ее от паутины, устранении щелей, поддержании герметичности, утеплении труб на чердаке, исправлении клапанов и т.д.

Многие существующие животноводческие помещения оборудованы трубной приточно-вытяжной вентиляцией на естественной тяге воздуха. В связи с этим возникает необходимость точного расчета оптимального объема вентиляции. При расчете воздухообмена обычно учитывают содержание в воздухе водяных паров и углекислого газа

Исходной величиной при расчете эффективной вентиляции является часовой объем вентиляции. Эта величина определяет, какое количество куб. метров чистого воздуха надо подать в данное помещение с данным поголовьем, чтобы обеспечить в нем требуемый по нормативам воздушный режим.

Часовой объем вентиляции (L_СО2) по накоплению углекислого газа производят только в птичниках.

(1.1), где

L_СО2– часовой объем вентиляции, или количество воздуха, которое необходимо удалить из помещения за час, в м³, чтобы процентное содержание углекислого газа не превышало допустимого предела (0,25%);

К - количество углекислого газа (в л), выделяемое всеми животными за час, л/ч;

С₁ – допустимое количество углекислого газа в 1м³ воздуха помещения - 2,5 л/м³ (или 0,25%);

С₂ - количество углекислого газа в 1 м ³ атмосферного воздуха - 0,3 л/м³ (или 0,03%).

Объем вентиляции, рассчитанный по содержанию углекислого газа, в большинстве случаев оказывается недостаточным для удаления образующихся в помещении водяных паров. Поэтому расчеты вентиляции в условиях повышенной влажности наружного воздуха целесообразнее вести по влажности воздуха.

Часовой объем вентиляции (L_Н2О) по влажности производят в животноводческих помещениях и определяют по формуле: 1.2

(1.2), где

L_Н2О- количество воздуха (в м3), которое необходимо удалить из помещения за час, чтобы поддержать в нем относительную влажность в пределах нормы (75-85%), м³/ч;

a - количество водяных паров (в г), которое выделяют находящиеся в помещении животные за час;

b – процентная надбавка от a (10% для коров, лошадей, овец; 25% для свиней) с учетом влаги испаряющейся с поверхности пола, кормушек, поилок, стен и других ограждений в час, г в час;

q₁ - абсолютная влажность воздуха помещений (в г/м³), при которой относительная влажность остается в пределах норматива (коровы 80-85%, все остальные животные 75%);

q₂ - абсолютная влажность наружного воздуха (в г/м³) вводимого в помещение в январе по данной климатической зоне.

Для расчетов вентиляции животноводческого помещения необходимы следующие данные: существующий или проектный объем помещения, количество животных в помещении, их живая масса, возраст, физиологическое состояние, продуктивность, нормативные показатели основных параметров микроклимата помещения, температура, относительная и абсолютная влажности, а также эти показатели атмосферного воздуха.

Пример: Коровник на 200 животных с привязным содержанием коров.

Поголовье животных:

1 группа - коровы лактирующие, живой массой 500 кг, среднесуточный удой 10 л, их количество 102 головы;

2 группа - коровы лактирующие, живой массой 600 кг, среднесуточный удой 15 л, их количество 63 головы;

3 группа - коровы сухостойные, живой массой 600 кг, количество 27 животных;

4 группа - коровы сухостойные, живой массой 400 кг, количество 8.

Внутренние размеры коровника (без учета тамбуров): длина - 66 м, ширина -21м, высота стены - 3 м, высота в коньке – 5,8 м.

Животноводческое помещение находится в Витебском районе. Нормативная температура в коровнике 10^ОС, максимальная относительная влажность 85 %. Температура наружного воздуха в январе для данного района составляет – -1,65 ^ОС, абсолютная влажность – 3,6 г/м³.

Необходимо определить:

1. Часовой объем вентиляции (L) по влажности воздуха.

2. Кратность воздухообмена в час.

3. Объем воздухообмена на 1 центнер живой массы животного данного помещения (или на 1 голову животного или у кур на 1 кг живой массы).

4. Общую площадь сечения вытяжных и приточных каналов, а также их количество при вентиляции с естественным побуждением.

5. Количество вентиляторов (соответствующей мощности), которое должно быть в помещении с принудительным воздухообменом.

Определяем часовой объем вентиляции по формуле (1.2).

Поголовье животных, размещенное в коровнике, выделяет за час (таблицы 15-16 стр. 35, 39 "Нормы выделения тепла, углекислого газа и водяных паров сельскохозяйственными животными и птицами") следующее количество водяных паров:

Таблица 1.Часовое выделение водяных паров.

Животное	Удой	Масса	Количество голов	Выделяется пара 1 головой г/час	Выделяется пара всеми животными г/час
Корова
Корова
Корова сухостой
Корова сухостой
Итого

Испарение влаги с ограждающих конструкций при удовлетворительном санитарном режиме, исправно действующей канализации, регулярной уборке навоза и применения соломенной подстилки в коровнике составляет 10 % (таблица 18 приложения "Процентные надбавки к количеству влаги, выделяемой животными, на испарение воды с пола, кормушек, поилок, стен и перегородок").

b - 10% от общего количества влаги, выделяемой всеми животными данного помещения, составит 9724 г/ч.

97240 - 100 %

x - 10%

Всего поступит водяных паров в воздух коровника за час 106964 г (97240+9724).

В коровнике температура воздуха 10°С и относительная влажность 80 % (таблица 31-32 "Параметры микроклимата помещений для крупного рогатого скота" стр. 53-54).

Для расчета абсолютной влажности (q₁) по таблице 17 "Максимальная упругость водяного пара в мм ртутного столба" находят, что максимальная влажность воздуха при температуре 10°С составляет 9,17. Следовательно, этой влажности соответствует 100 %-ная относительная влажность, а в помещении относительная влажность должна быть максимум 85 %(только для коров, для всех остальных животных и птицы максимум 75%). Составляем пропорцию:

9,17 - 100%

q₁ - 80 %

q₁=9,17×80/100=7,336 г/м³

Значение q₂ берем из таблицы 17 "Средние показатели температуры и абсолютной влажности в различных пунктах Российской Федерации и Республики Беларусь ".

Абсолютная влажность наружного воздуха в Витебском районе в ноябре 4,2 г/м³, в марте - 3,0 г/м³.

Полученные данные подставим в формулу (1.2.)

L=97240+9724/7,336-3,6=106964/3,736= 28630,6 м³/ч

Определение кратности воздухообмена в помещении выполняют по формуле :

(1.3), где

Кр - кратность воздухообмена, показывает сколько раз в течение часа воздух в помещении необходимо заменить на новый;

L - часовой объем вентиляции, м³/ч ;

V - объем помещения, м³.

V=(A×B +0,5 ×H×A)×длину здания

V = (21 × 3 + 0,5 ×21 × 2,8) × 66 = 6098,4 м³

объем параллелепипеда плюс объем пирамиды

Кр= 28630,6/6098,4= 4,7 раз в час. В течение часа воздух в помещении будет заменен на новый;

Определение объема вентиляции на 1 ц живой массы производят по формуле:

(1.4), где

V₁ - объем вентиляции на 1 ц живой массы, м³/ч;

L - часовой объем вентиляции, м³/ч;

m - живая масса животных, ц. (1 ц = 100 кг)

m =(5 ×102) + (6 × 63) + (6 × 27) + (4 × 8) = 1082 ц

V=28630,6/1082=26,5 м³/ч на 1 ц массы

Общую площадь сечения вытяжных труб, обеспечивающих расчетный воздухообмен, определяют по формуле :

(1.5), где

S₁ - общая площадь поперечного сечения вытяжных шахт, м2;

v - скорость движения воздуха в вытяжной шахте, м/с;

3600 - количество секунд в одном часу.

Для определения скорости движения воздуха в вентиляционной шахте (v) можно применить таблицу 19 "Скорость движения воздуха в вентиляционных трубах (м/с) при разной высоте труб и при различных температурах воздуха внутри помещения и наружного воздуха". Но лучше определить скорость движения воздуха по формуле:

Где h – высота трубы, м (выбирается на усмотрение студента или дано в задании)

Подставим все значения в формулу 1.5.

S₁=28630,6/1×3600=8 м²

Таким образом, общее площадь вытяжных шахт равно 8 м².

Количество вытяжных шахт (n₁) определяют по следующей формуле:

, (1.6), где

S₁ - общая площадь сечения вытяжных шахт, м²;

S₂ - площадь сечения одной вытяжной шахты, м².

Эффективнее работают в коровнике трубы с сечением большим чем 1 м², поэтому можно установить 6 вытяжных шахт сечением 1 м х 1 м каждая.

n₁=8/1=8 шт вытяжных шахт.

Площадь приточных каналов (S₃) составляет 60 - 70 % от общей площади вытяжных шахт и определяется по формуле:

S₃ = S₁× 0,6 (1.7)

S₃= 8 × 0,6 = 4,8 м²

Количество приточных каналов (n₂) рассчитывается по следующей формуле:

(1.8), где

S₃- общая площадь сечения приточных каналов, м²

S₄ - площадь сечения одного приточного канала, м².

В коровнике приточные каналы могут быть выполнены в виде подоконных щелей или приточных каналов различных размеров. Если подоконная щель имеет площадь 2,35 м × 0,135 м = 0,31 м², то

n₂=4,8/0,31=15,4≈16 шт подоконных щелей по 8 с каждой стороны, которые располагают в шахматном порядке во избежание сквозняков.

Если приточный канал имеет площадь сечения 0,4 м × 0,4 м = 0,16 м², то

n₂ = 50 шт, в этом случае приток воздуха с естественным побуждением не рационален, следует рекомендовать осуществлять приток воздуха механическим (принудительным) способом.

Количество вентиляторов (n₃), которое должно быть в помещении с принудительным воздухообменом.

(1.9), где

L - часовой объем вентиляции, м³/ч;

Р – подача воздуха, м³/ч.

Если рекомендовать для применения вентилятор центробежный ЦЧ № 5, 930 с воздухоподачей 5700 м³, то их необходимо 7 (таблица 20 "Вентиляционно-отопительное оборудование, рекомендуемое для комплектации систем обеспечения микроклимата животноводческих помещений" стр. 42).

n₃=28630,6/5700 = 5 шт.

Вывод: В нашем коровнике 8 вытяжных шахт размером 1 ×1 м, и 16 подоконных щелей размером 2,35 м × 0,135 м. L=28630,6м³/час.