Технические науки/ 5.Энергетика
Д.т.н.,
профессор Воронин С.М., аспирант Закиров Ф.В., к.т.н., доцент Панченко С.В.
Азово-Черноморский
инженерный институт – филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный
университет» в г. Зернограде, Россия
Оценка
низкотемпературного потенциала животноводческих помещений
Создание и поддержание
микроклимата в животноводческих помещениях связаны с решением комплекса
инженерно-технических задач и наряду с полноценным кормлением являются
определяющим фактором в обеспечении здоровья животных, их воспроизводительной
способности и получении от них максимального количества продукции высокого
качества. Основные усилия при этом направляются на теплоснабжение помещений.
Одним из современных
направлений в развитии систем теплоснабжения зданий, в том числе и
животноводческих помещений, является применение теплонасосных установок с
использованием в качестве источника теплоты окружающей среды: атмосферного воздуха,
грунта, грунтовых и поверхностных вод и др. В соответствии с общепринятой методикой
создания систем теплоснабжения, необходимо установить баланс между источниками
теплоты и потребностью в тепле. Учитывая, что применение ТНУ является новым
направлением, возможные источники теплоты являются мало изученными. Дополнить
информацию о потенциальных источниках теплоты в системах теплоснабжения на
основе ТНУ является целью настоящей статьи.
В общем случае
источниками теплоты для ТНУ в животноводческих помещениях могут быть: теплота
окружающего воздуха, теплота грунта и грунтовых вод, теплота, отводимая при
первичном охлаждении молока, теплота, выносимая при удалении навоза и подстилки,
теплота солнечного излучения.
Температура
атмосферного воздуха подвержена существенным колебаниям, как в течение суток,
так и на протяжении года (рисунок 1). Учитывая, что температура воздуха может
принимать значения меньше -5°С, этот источник
теплоты не рассматривается.
Рисунок 1 – График изменения температуры
атмосферного воздуха по месяцам
Грунт как источник
низкопотенциальной теплоты характеризуется тем, что в течение года он имеет практически
постоянную положительную температуру, существенно отличающуюся от температуры
окружающего воздуха. В зимний период она больше температуры воздуха, в летний
период – меньше. Поэтому грунт представляет наибольший интерес для систем теплоснабжения
на основе использования тепловых насосов, так как при этом обеспечиваются
стабильные параметры системы[1].
Проводя анализ
температуры грунта на разных глубинах в
разное время года, было выяснено, что для Ростовской области характерны
температуры, приведенные в таблице 1.
Таблица 1: Температура
грунта на глубине до 3,2 м по месяцам
|
|
I |
II |
III |
IV |
V |
VI |
VII |
VIII |
IX |
X |
XI |
XII |
|
0,2 |
-8,9 |
-5,3 |
1,8 |
10,6 |
18,5 |
23,6 |
24,4 |
207 |
13,5 |
4,7 |
-3,2 |
-8,2 |
|
0,4 |
-7,6 |
-5 |
1 |
8,8 |
16,3 |
21,5 |
23 |
20,3 |
14,3 |
6,5 |
-1 |
-6,1 |
|
0,6 |
-5,9 |
-4,4 |
0,4 |
7,1 |
14 |
19,2 |
21,3 |
19,8 |
15 |
8,3 |
1,4 |
-3,9 |
|
0,8 |
-4,6 |
-3,8 |
0 |
5,9 |
12,3 |
17,4 |
19,9 |
19,1 |
15,4 |
9,4 |
3,1 |
-2 |
|
1,2 |
-1,7 |
-2,1 |
0 |
4,2 |
9,3 |
14 |
16,9 |
17,5 |
15,3 |
11,2 |
6 |
1,3 |
|
1,6 |
0,9 |
-0,3 |
0,5 |
3,3 |
73,3 |
11,3 |
14,3 |
15,7 |
14,8 |
12 |
8,1 |
4 |
|
2,4 |
5 |
3,2 |
2,6 |
3,3 |
5,2 |
7,8 |
10,3 |
12,2 |
12,8 |
12 |
10,1 |
7,5 |
|
3,2 |
7,3 |
5,7 |
4,6 |
4,4 |
5 |
6,4 |
8 |
9,6 |
10,7 |
11 |
10,3 |
9 |
Из данных видно, что
на глубине 2 метра температура грунта становится положительной круглый год, а
ниже 3,2 м не опускается ниже 4°С.
Для наглядности
приведен график (рисунок 2) [2]
1 – Январь, 2 – Февраль, 3 – Март, 4 –
Апрель, 5 – Май, 6 – Июнь, 7 – Июль,
8 – Август, 9 –
Сентябрь, 10 – Октябрь, 11 – Ноябрь, 12 – Декабрь.
Рисунок 2. Изменение температуры грунта с
глубиной по месяцам
Анализируя данные
можно сказать, что на глубине 3 м мы будем иметь постоянно положительную температуру,
достаточную для того чтобы фреон закипал в испарителе теплового насоса.
Используя фреон R410А,
получаем цикл теплового насоса с характерными точками, параметры в которых
можно получить расчетным путем.
1–2 – сжатие паров
в компрессоре; 2–3 – конденсация паров;
3–4 –
дросселирование холодильного агента; 4–1 – кипение хладагента.
Рисунок 3 –
Цикл теплового насоса.
Таблица 2:
Характеристики основных точек процесса
|
Точка |
1 |
2 |
3 |
4 |
|
Р, МПа |
0,66 |
1,4 |
1,4 |
0,66 |
|
t, 0С |
-3 |
29 |
15 |
-3 |
|
h, кДж/кг |
425 |
440 |
230 |
245 |
Удельная тепловая нагрузка на испаритель qгр, Вт*ч/м3
определяется по формуле:
(1)
где h1, h4– энтальпии характерных
точек, кДж/кг;
mгр – масса грунта, кг;
Vпом – объем
помещения, м3;
τ – время охлаждения, ч.
Если учитывать плотность фреона и занимаемый им объем и принять
толщину слоя грунта 0,5 м, то потенциально на такой глубине сосредоточена
тепловая энергия с плотностью 0,772 кВт.ч/м3.
С удаляемым воздухом вытяжной вентиляцией
удаляется и тепло из животноводческого помещения. Удельную теплоту можно
оценить следующим образом:
(2)
где k – кратность воздухообмена;
mвоз – масса воздуха, кг;
Своз –
теплоемкость воздуха, кДж/кг*К;
ρвоз –
плотность воздуха, кг/ м3;
Vпом – объем помещения, м3;
Твн, Тн
– температура внутреннего и наружного воздуха, К.
Тепловая энергия, отводимая при охлаждении
молока и удалении навоза и подстилки, является периодической и оценивается по
следующей формуле
(3)
где Св-ва – теплоемкость вещества, кДж/кг*К;
mв-ва – масса вещества, кг;
Vпом – объем
помещения, м3;
Твн, Тн
– температура внутреннего и наружного воздуха, К;
τ – время охлаждения, ч.
Таким образом, на территории
животноводческого помещения имеются следующие потенциальные источники тепла
(таблица 3).
Таблица 3 – Плотности тепловой энергии от
разных источников
|
|
Вентиляционный воздух |
Грунт |
Молоко* |
Подстилка* |
|
q, кВт*ч/м3 |
0,063 |
0,772 |
0,179 |
0,350 |
* – периодические
источники
Энергозатраты для обеспечения микроклимата
оценены на примере коровника на 400 голов с привязным содержанием животных в
условиях Ростовской области.
Тепловая энергия для холодного периода
года определяется из следующего уравнения теплового баланса [1].
,кВт*ч,
(3)
где 
– потери теплоты через ограждения, кВт;
– тепловой поток на нагрев инфильтрующегося воздуха, кВт;
– тепловой поток на нагрев приточного воздуха, кВт;
– тепловой поток, расходуемый на испарение влаги, кВт;
– тепловыделения от животных, кВт.
При выполнении калорического расчета было
установлено, что большая доля тепловой
нагрузки приходится на нагрев поступающего приточного воздуха (рисунок 4) [3].
Сравнивая потребность в теплоте с потенциальными
источниками тепла можно сделать вывод, что для удовлетворения потребностей
будет достаточно теплоты грунта. При этом площадь слоя грунта, с которого будет
отбираться тепло, зависит от отводимой теплоты при вытяжной вентиляции (рисунок
5).
1 – затраты теплоты на нагрев приточного
воздуха; 2 – затраты теплоты на испарение влаги; 3 – потери теплоты через
ограждения; 4 – затраты теплоты на нагрев инфильтрующегося воздуха.
Рисунок 4 – Структура затрат теплоты при создании требуемых
параметров микроклимата коровника.
Рисунок 5 – График зависимости площади испарителя от
кратности воздухообмена коровника
Из графика следует, что чем больше кратность
воздухообмена, тем больше мы отберем тепла от уходящего через вентиляцию
воздуха посредством теплообменника, и тем меньше будет площадь, занимаемая
испарителем.
Таким образом, на территории типового коровника
достаточно природных и технологических низкопотемпературных источников тепла,
которые могут преобразовываться в тепловую энергию посредством теплового
насоса. Для повышения коэффициента преобразования энергии ТНУ целесообразно для
привода компрессора и насосов теплоносителя использовать ветроэлектростанцию.
Литература
1. Статья Филатов
С.О., Володин В.И. «работа теплоообменников утилизации теплоты грунта»
2. Ramming, К. Bewertungund Optimierung ober flachennaher
Erdwarmekollektoren fur verschiedene Lastfalle: Dissertation ... Dok-toringenieur
/ K. Ramming. - TU Dresden, 2007. - 149 s.
3. Строительная
климатология: СНиП 23-01-99. - Введ. 1999.11.06. - М.: Изд-во стандар-тов,
2001. -61 с.
4. Геотермальные
теплонасосные системы теплохладоснабжения зданий и сооружений [Электронный
ресурс.] - Москва, 2010. - Режим доступа: http://www.insolar.ru/lib_7.php.
-Дата доступа: 20.10.2010.
5. Васильев, Г. П.
Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием тепловой энергии
поверхностных слоев Земли / Г. П. Васильев. - М.: Издательский дом «Граница»,
2006. - 176 с.
6. Бажан, П. И.
Справочник по теплообменным аппаратам / П. И. Бажан, Г. Е. Каневец, В. Е.
Селиверстов. - М.: Машиностроение, 1989.-367 с.
7. Сайт «Климат
городов России»
8. Драганов
Б.Х.Теплотехника и применеие теплоты в сельском хозяйстве/, Б.Х. Драганов, А.В. Кузнецов, С.П.Рудобашта.- М.;
Агропромиздат,1990-463с.
9.Гриценко А.А.
Агрометеорологические условия в Зерноградском районе Ростовской области
(1930-2002 г.г)/ А.А. Гриценко.-Ростов-на- Дону, 2005-80с.
10. Штокман Е.А.
Вентиляция, кондиционирование и очистка воздуха на предприятиях пищевой
промышленности/Е.А. Штокман – Ростов-на-Дону: Новая книга, 1997. – 126 с.
11. НТП 1-99 «Нормы
технологического проектирования предприятий крупного рогатого скота»
12. Фокин В.И.
Строительная теплофизика/В.И. Фокин-М.; Стройиздат.1977-231с.
13. Статья Токарева
А.Н., Панченко С.В. «Возможность
использования геотермальной системы обеспечения микроклимата в животноводческих
помещениях для условий Зерноградского район»