Вариант разумного компромисса

В. И. Бодров, доктор техн. наук, профессор, Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет (ННГАСУ)

М. В. Бодров, канд. техн. наук, ННГАСУ, otvet@abok.ru

На практике компромисс между затратами на создание допустимых параметров среды обитания животных с минимальным энергопотреблением и достойной продуктивностью животных отсутствует. Крупный рогатый скот (КРС) выдерживает широкий диапазон отрицательных воздействий (низкая температура t_в, повышенная относительная влажность воздуха φ_в) и выживает в таких условиях, но продуктивность его при этом резко снижается. В стране отапливается не более 2–3 % построенных по типовым проектам коровников и помещений для откорма скота. Смонтированные в них системы отопления и вентиляции функционируют только в начальный период, а после выхода из строя не восстанавливаются. Такое положение сложилось из-за больших энергозатрат на поддержание заложенных в проекте параметров микроклимата, которые не окупаются приростом получаемой от животных продукции за счет повышения комфортности параметров среды обитания животных. Следствием является эксплуатация помещений содержания КРС неотапливаемыми, с неорганизованным воздухообменом.

Обоснуем достижимый уровень снижения энергозатрат для поддержания допустимых, не оказывающих влияния на продуктивность животных параметров воздуха в помещениях содержания КРС. Предварительно примем гипотезу, что в животноводческие помещения не подается искусственная теплота, температурный режим в них поддерживается за счет постоянно действующих явных биологических тепловыделений животных (Q_б). Теплотехнические характеристики наружных ограждений этих помещений в холодный период года должны обеспечивать такой удельный тепловой поток, чтобы предотвратить переохлаждение животных (при расчетной температуре наружного воздуха t_н). Приведенная трактовка энергетического баланса помещений содержания КРС методически обосновывает принятие за основу нормирования сопротивления теплопередаче наружных ограждений R_о^тр удельного теплового потока q_б^н, Вт/м², учитывающего величину Q_б, Вт, и объемно-планировочные решения здания [1]:

R_о^тр = (t_в – t_н)/q_б^н,

q_б^н = (1 – m) Q_б/F, (1)

где F – площадь надземных стен и покрытия, м²;
m = 0,05–0,10 – коэффициент, учитывающий долю потерь теплоты через подземные части здания.

Расчет величины R_о^тр по действующим нормам [2] не может считаться приемлемым как с методической, так и с инженерной точек зрения по точности конечных результатов. При субъективном выборе параметров внутреннего воздуха животноводческих помещений (в допустимых нормами пределах) значения R_о^тр теплового контура зданий могут отличаться до 250 %. Определенная по (1) величина R_о^тр однозначно взаимоувязывает функциональное назначение здания с биологической активностью животных (Q_б) и объемно-планировочными решениями зданий (F).

Первый предварительный вывод: в помещениях содержания КРС имеется достаточное количество естественной биологической теплоты, подача дополнительной теплоты не требуется.

В процессе жизнедеятельности животные выделяют влагу j_ж, г/(ч·гол.). При их расчетном количестве n, голов, влаговыделения составляют G_вл = j_ж n, г/ч. Минимальное количество наружного воздуха G_н.min, кг/ч, подаваемого для ассимиляции влаги, при его влагосодержании d_пp и удаляемого из помещения d_уд, г/кг сух. в‑ха, равно G_н.min = G_вл/(d_yд – d_пp). Теплозатраты на нагрев этого количества воздуха составляют (с_в – удельная теплоемкость воздуха, Вт·ч/(кг·°C):

Q_в = c_в G_н.min (t_н^р – t_н). (2)

Наружная температура t_н^р, начиная с которой требуется нагревание воздуха, определяется из теплового баланса конкретного сооружения:

t_н^р = t_в – Q_б/(F/R_отр + c_в G_н.min). (3)

Из (2) и (3) следует вывод, противоречащий первому.

Второй предварительный вывод: нагревание необходимого для ассимиляции избытков влаги наружного воздуха в холодный период года не позволяет рассматривать животноводческие помещения как полностью неотапливаемые. Такой точки зрения придерживается большинство специалистов [3, 4, 5], на это указывается в нормативной литературе [6].

В случае эксплуатации животноводческих зданий с неполной загрузкой n_д, голов, (а = n_д/n) требуется восполнение недостатков биологической теплоты. Резервная мощность систем дополнительного отопления возрастает обратно пропорционально степени загрузки. В этих условиях использование искусственной теплоты начинается с температуры наружного воздуха:

t_н^ра = t_в – аQ_б/(F/R_о^тр + c_в G_н.min). (4)

Значения R_о^тр, определенные по (1), в общем случае приводят к увеличению сопротивления теплопередаче наружных ограждений животноводческих зданий по сравнению с типовыми проектами, что согласуется с нормативными документами [2].

Оценив тепловую нагрузку на системы отопления и не придя к однозначному выводу об их необходимости, продолжим поиск допустимых решений. Проанализируем воздушный режим помещений содержания КРС. Известные графоаналитические зависимости теплового, влажностного и воздушного балансов животноводческих помещений [3] качественно характеризуют взаимосвязь теплофизических процессов. Приняв за основу указанный метод анализа, с учетом приведенной выше методики нормирования теплотехнических характеристик ограждений были количественно конкретизированы области применения различных систем вентиляции в животноводческих помещениях (рис. 1) [7].

Рисунок 1. Взаимосвязь теплового, влажностного и воздушного режимов животноводческих помещений

Приведем конечные результаты исследований. Точка А определяет границу наружной температуры, до которой возможно поддержание расчетных параметров внутреннего воздуха за счет естественных факторов. Она соответствует наружной температуре t_н^р, ниже которой необходим подогрев приточного воздуха. Эта граница может быть расширена до t_н^р_А1 при увеличении сопротивления теплопередаче ограждений или сужена до t_н^р_А2 при его снижении.

Точка Б определяет наивысшую температуру наружного воздуха t_н.е^max, при которой естественное давление ∆р_е (сумма гравитационного ∆р_t и ветрового ∆р_v) обеспечивает подачу в помещение расчетного количества наружного воздуха. Таким образом, интервал наружных температур между точками А и Б является зоной обеспеченной естественной вентиляции. Она может быть расширена на величину ∆t⁺_н.е при уменьшении потерь давления циркулирующего в помещении воздуха (точки Б₁ или Б₁₁) или уменьшена на ∆t^–_н.е при появлении дополнительных аэродинамических сопротивлений в системе. Возможно расширение зоны естественной вентиляции за счет применения активной естественной аэрации помещений (между точками Б и В) до максимальной температуры наружного воздуха t_н. е.

При температуре наружного воздуха, превышающей t_н.е, что характерно для теплого периода года, необходимо прибегать к механической вентиляции в помещениях с круглогодичным привязным содержанием скота. Такой способ содержания КРС в стране применяется крайне редко.

Проведенный графоаналитический анализ температурно-влажностного и воздушного балансов животноводческих помещений позволил сделать третий предварительный вывод.

Третий предварительный вывод: круглогодичная подача наружного воздуха достигается и обеспечивается системами естественной вентиляции. Авторов удивляет появляющееся в литературе пренебрежительное отношение к естественной вентиляции как неэффективной и нерегулируемой. Попытаемся доказать обратное.

Холодным периодом года при расчете систем естественной вентиляции будем считать период с t_н ниже t_н^р (на рис. 1 – зона искусственного подогрева), длительность которого не превышает 8–12 суток в год. Расчеты показывают, что в этот период в случае отсутствия искусственной подачи теплоты в помещения, при воздухообмене G_н.min величина t может понизиться до +4…+6 °C. Такое относительно кратковременное понижение внутренней температуры практически не приводит к снижению удоев и не отражается на жизнедеятельности КРС [5, 8, 9, 10]. Следует также отметить, что в холодный период года допускается снижение удельных воздухообменов до 2,5–3,0 м³/ч на один центнер массы животного [11] и даже ниже, вплоть до полного прекращения подачи наружного воздуха [5].

Четвертый предварительный вывод: можно констатировать, что при t_н^р > t_н в животноводческих неотапливаемых помещениях системы естественной вентиляции могут даже временно отключаться.

В переходный период года температура наружного воздуха колеблется от t_н^р до t_н.е^max (на рис. 1 – зона естественной вентиляции). Температура t_н.е^max ≈ t_в, начиная с которой возможна активная аэрация помещений (открытые окна, ворота и т. п.) при привязном содержании, а при выгульном – начало выпаса животных. Естественный воздухообмен в переходный период осуществляется совместно за счет ветрового давления (горизонтальная вентиляция) и за счет гравитационных сил (шахтная вентиляция).

В теплый период (температура наружного воздуха выше t_н.е^max) в помещении находятся только животные привязного содержания. Для естественной вентиляции используются все доступные средства: горизонтальная, шахтная, активная аэрация.

Горизонтальная вентиляция может осуществляться двумя способами: через щелевидные регулируемые по воздухопроницаемости проемы в наружных стенах и за счет инфильтрации атмосферного воздуха через наружные ограждения. Расчет щелевидных горизонтальных систем приведен в [1, 3]. Горизонтальная вентиляция путем инфильтрации наружного воздуха основана на эффекте поровой фильтрации через воздухопроницаемые ограждения, особенности ее расчета приведены в [5]. Нами выявлены условия включения наружных стен в режим устойчивой инфильтрации под действием относительно предсказуемого гравитационного ∆р_t давления и неустойчивого, случайного по величине ветрового ∆р_v давления [7].

Заключение

Теплофизические и аэродинамические исследования показывают, что без заметного снижения продуктивности в помещениях содержания крупного рогатого скота параметры внутреннего воздуха имеется возможность поддерживать только за счет естественных источников энергии: биологической теплоты животных и естественных систем вентиляции. Обязательным условием стабилизации параметров микроклимата в течение года является грамотная эксплуатация систем жизнеобеспечения коровников. Она не является источником дополнительных затрат, но требует определенных профессиональных навыков по соблюдению технологических регламентов содержания и выращивания животных. Например, на рис. 2 показаны два одинаковых типовых неотапливаемых коровника в хозяйствах Нижегородской области. Снимки сделаны при t_н ≈ –14 °C. Один из них сухой, в другом на полу в стойлах и в проходах капельная жидкость, грязь, навоз (без комментариев).

Литература

1. Бодров В. И. и др. Микроклимат производственных сельскохозяйственных зданий и сооружений. Нижний Новгород: ННГАСУ, 2008.
2. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий.
3. Егиазаров А. Г., Кокорин О. Я., Прыгунов Ю. М. Отопление и вен-тиляция сельскохозяйственных зданий. Киев: Будiвельник, 1976.
4. Ануфриев Л. Н., Кожинов И. А., Позин Г. М. Теплофизические расчеты сельскохозяйственных производственных зданий. М.: Стройиздат, 1974.
5. Валов В. М. Энергосберегающие животноводческие здания (физико-технические основы проектирования). М.: Изд-во АСВ, 1997.
6. НТП‑1-99. Нормы технологического проектирования предприятий крупного рогатого скота.
7. Бодров М. В. Обоснование, выбор и расчет круглогодичных систем естественной вентиляции животноводческих зданий. Научн. вестник ВГАСУ. – 2010. – № 1.
8. Ковальчук М., Ковальчук К. Адаптация и стресс при содержании и разведении сельскохозяйственных животных. М.: Колос, 1978.
9. Плященко С. И., Сидоров В. Т. Предупреждение стрессов у сельскохозяйственных животных. Минск: Уражай, 1983.
10. Гауптман Я. И. и др. Этоло-гия сельскохозяйственных животных. М.: Колос, 1977.
11. Раяк М. Б., Шмидт В. А. Снижение расхода тепла на вентиляцию помещений крупного рогатого скота // Водоснабжение и санитарная техника. – 1978. – № 6.