Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

5.2: Проектування будівель для енергоефективного житла тваринництва

  • Page ID
    28698
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Андреа Константіно

    Дослідницька група TEBE

    Департамент енергетики

    Політехнічний університет Туріно

    Турин, Італія

    і

    Інститут тваринництва і технології

    Політехнічний університет Валенсії

    Валенсія, Іспанія

    Енріко Фабріціо

    Дослідницька група TEBE

    Департамент енергетики

    Політехнічний університет Туріно

    Турин, Італія

    Ключові умови
    Енергетичний баланс Додаткове опалення Клімат-контроль
    Баланс маси Рекуперація тепла Вентиляція
    Енергетичний менеджмент Системи охолодження  

    Змінні

    Вступ

    Використання енергії на фермах вважається прямим, коли використовується для експлуатації машин та систем клімат-контролю, або непрямим, коли використовується для виробництва кормів та агрохімікатів. За оцінками, пряме споживання енергії на фермі становило 6 EJ на рік −1, що становить близько 1,2% від загального світового споживання енергії (OECD, 2008). Якщо включити непряму енергію, загальне споживання енергії фермами може становити цілих 15 ЕДж рік −1, що становить близько 3,1% світового споживання енергії. Розміщене худобу вимагає адекватних умов клімату в приміщенні, щоб максимізувати як виробництво, так і добробут, особливо уникаючи теплового Завданням інженера є підвищення ефективності використання енергоресурсів житла тваринництва та мінімізація енергоспоживання. Цього можна досягти за рахунок поліпшення енергетичних показників обладнання, що використовується для клімат-контролю і проектування будівлі.

    Основна увага цієї глави приділяється проектуванню будівель для ефективного управління енергоспоживанням у тваринництві. Удосконалення конструкції будівлі вимагає розуміння маси та енергетичного балансу системи для визначення матеріалів, розмірів та обладнання, необхідних для підтримки безпечних умов експлуатації. Важливість розуміння енергетичних потреб будівель ілюструється доповіддю St-Pierre et al. (2003), які оцінили економічні втрати молочної промисловості в США в $1,69 до $2,36 млрд щорічно через тепловий стрес. Розуміння та можливість використовувати фундаментальні концепції для проектування житла для тварин забезпечує основу для бажаного добробуту та більш ефективного утримання тварин, орієнтованого на виробництво.

    Результати

    Прочитавши цю главу, ви повинні мати можливість:

    • • Опишіть потреби в енергії для житла худоби
    • • Поясніть вимоги до енергоменеджменту тваринницького будинку
    • • Охарактеризуйте основні системи клімат-контролю, що використовуються для утримання тваринництва та особливості, що впливають на енергоменеджмент
    • • Розрахуйте енергетичні баланси для тваринницьких будинків

    Поняття

    Енергетичний та масовий баланс тваринницького будинку

    Термодинамічно тваринницький будинок - це відкрита система, яка обмінюється енергією та масою (наприклад, повітрям, вологою та забруднюючими речовинами) між внутрішнім та зовнішнім середовищем та тваринами, які займають внутрішній об'єм (вольєр). Закон збереження енергії і маси є основним принципом для балансу маси. Стіни, підлога та дах будівлі являють собою контрольні поверхні та охоплюють контрольний об'єм термодинамічної системи, представленої тваринницьким будинком та його внутрішніми поверхнями, такими як тварини, внутрішні стіни та обладнання. Рівняння енергетичного та масового балансу дозволяють аналізувати теплову поведінку тваринницького будинку, але розрахунок цих залишків є складним завданням, оскільки багато факторів впливають на теплову поведінку цих будівель. Важливо розуміти, які терміни розглядати, а що вважати незначними.

    Енергетичний баланс

    Розумне тепло - це кількість тепла, яке обмінюється тілом та навколишньою термодинамічною системою, яка передбачає зміну температури. Приховане тепло - це тепло, поглинене або виділяється речовиною під час зміни фази без зміни температури. Ці дві форми тепла можна проілюструвати на прикладі нагрівання каструлі з водою на плиті. Спочатку вода буває кімнатної температури (скажімо, 25°C), а в міру нагрівання води її температура підвищується. Тепло, що спричиняє підвищення температури, є відчутним теплом і для води дорівнює 4,186 кДж кг −1 К −1. Коли температура води досягає 100° C (температура кипіння води при атмосферному тиску), вода змінює фазу з рідини на газ (пар). Тепло, що надається при зміні фази, розриває молекулярні зв'язки рідкої води для переходу в газову фазу, але температура не змінюється. Тепло, що подається для впливу зміни фази, є прихованим теплом. Прихована теплота випаровування для одиниці маси води становить 2272 кДж кг −1 при 100°С і атмосферному тиску.

    Енергетичний баланс тваринницького будинку, враховуючи тільки розумне тепло, можна записати наступним чином (Панагакіс і Аксаопулос, 2008):

    \[ \phi_{a}+\phi_{tr}+\phi_{sol}+\phi_{f}+\phi_{v}+\phi_{m}+(\gamma_{fog}\cdot \phi_{H})=\sum^{n}_{k=1}(M_{el,k}\cdot C_{el,k})\cdot \frac{dT_{air,i}}{dt} \]

    де\(\phi_{a}\) = відчутний тепловий потік від тварин всередині вольєра (Вт)

    \(\phi_{tr}\)= відчутний тепловий потік за рахунок передачі через контрольні поверхні, але виключаючи підлогу (Вт)

    \(\phi_{sol}\)= відчутний тепловий потік за рахунок сонячного випромінювання через непрозорі і засклені елементи будівлі (Вт)

    \(\phi_{f}\)= відчутний тепловий потік за рахунок передачі через підлогу (Вт)

    \(\phi_{v}\)= відчутний тепловий потік за рахунок вентиляції (Вт)

    \(\phi_{m}\)= відчутний тепловий потік від внутрішніх джерел, таких як двигуни та ліхтарі (Вт)

    \(\gamma_{fog}\)= Булева змінна для наявності (\(\gamma_{fog}\)=1) чи ні (\(\gamma_{fog}\)=0) системи запотівання всередині тваринницького будинку

    \(\phi_{fog}\)= відчутний тепловий потік через систему запотівання (Вт)

    \(\gamma_{H}\)= Булева змінна для наявності (\(\gamma_{H}\)=1) чи ні (\(\gamma_{H}\)=0) додаткової системи опалення всередині тваринницького будинку

    \(\phi_{H}\)= відчутний тепловий потік за рахунок додаткової системи опалення (Вт)

    \(M_{el,k}\)= маса k го будівельного елемента (кг)

    \(C_{el,k}\)= загальна теплоємність k го елемента будівлі (кДж, кг −1 К −1)

    \(\frac{dT_{air,i}}{dt}\)= зміна температури повітря в приміщенні\(T_{air,i}\) з часом t

    Використовуючи рівняння 5.2.1 для розрахунків та розмірів, зверніть увагу на теплові потоки, оскільки кожен член може бути позитивним або негативним залежно від фізичного контексту. Зазвичай теплові потоки, що надходять в контрольний об'єм (тваринний будинок), позитивні, а витікають негативні. Наприклад, в\(\phi_{sol}\) Рівнянні (5.2.1) терміни\(\phi_{a}\) і завжди позитивні або нульові, так як вони представляють вхідний тепловий потік від тварин і сонячної радіації відповідно, тоді як значення\(\phi_{tr}\) і\(\phi_{v}\) можуть бути позитивними або негативними, в залежності від різниці температур всередині і зовні тваринного будиночка. Термін\(\phi_{f}\) залежить від конструкції підлоги. Хоча\(\phi_{tr}\) і\(\phi_{f}\) передають обидва теплові потоки через контрольну поверхню, вони завжди розділені. Оцінка тепловіддачі через землю є дуже складною справою (Олбрайт, 1990; Panagakis and Axaopoulos, 2008; Costantino et al., 2017), наприклад, у свинарниках з вентильованими ямами для зберігання гною. Для спрощення енергетичного балансу термін\(\phi_{tr}\) часто розглядається як сума\(\phi_{tr}\) і\(\phi_{f}\) і при\(\phi_{f}\) розрахунку використовується коригуючий коефіцієнт.

    Термін\(\phi_{fog}\) завжди негативний, оскільки він являє собою розумне тепло, що видаляється краплями води системи запотівання. Система запотівання забезпечує охолодження всередині тваринного будинку, поміщаючи в повітря серпанок крихітних крапель води, щоб забезпечити випарне охолодження для тварин. Термін\(\phi_{H}\) завжди позитивний. Параметри\(\gamma_{fog}\) і не\(\gamma_{H}\) повинні мати значення 1 одночасно, але обидва можуть бути 0.

    Розумне тепло від тварин\(\phi_{a}\), залежить від виду і маси тіла і температури навколишнього середовища. Розумні та приховані теплові значення можна знайти в літературі, наприклад, з ASABE (2012), Hellickson & Walker (1983) або Lindley & Whitaker (1996), а більш детальні дані доступні в Pedersen and Sällvik (2002), які виражають розумне і приховане тепло від тварин як функція ваги тварини, температура повітря в приміщенні, і активність тварин. У складних тваринницьких будинках може бути включений розумний тепловий потік від внутрішніх джерел, таких як двигуни (вентилятори та автоматичні системи подачі) та термін освітлення (\(\phi_{m}\)) (Олбрайт, 1990), але в багатьох розрахунках він виключається, оскільки він дуже малий порівняно з\(\phi_{a}\) (Midwest Plan Service, 1987). Це виключення додатково виправдано, коли використовуються енергоефективні технології, такі як LED/газорозрядні лампи та безщіткові двигуни.

    Продукт\(M_{el}\cdot C_{el}\) являє собою згорнуту ефективну теплоємність будівельного елемента, виражену в кДж К −1. Для кожного елемента будівлі (стін і даху) повинна бути відома кількість або маса матеріалу, а також кількість теплової енергії, необхідної для підвищення температури одиниці маси матеріалу на один градус Цельсія. Фракція\(\frac{dT_{air,i}}{dt}\) являє собою зміну температури повітря в приміщенні через час. Ця сторона рівняння представляє зміну температури самої будівлі.

    Можна включити додаткові терміни до рівняння 5.2.1 (Albright, 1990; Esmay and Dixon, 1986), такі як розумний тепловий потік для випаровування води всередині контрольного об'єму з таких структур, як водяні жолоби та накопичувач суспензії (\(\phi_{e}\)). Деякі автори вважають це важливим (Hamilton et al., 2016), а інші - ні (Служба плану Середнього Заходу, 1987). Liberati та Zappavigna (2005) вважають розумний теплообмін між гноєм (особливо при зібранні в ямах) та повітрям всередині вольєра (\(\phi_{man}\)) важливим у великомасштабних будинках, обладнаних накопичувальними ямами та гноєм, коли він не видаляється часто. Булева змінна\(\gamma_{man}\) може узагальнити рівняння 5.2.1 далі.

    Рівняння 5.2.1 являє собою динамічний енергетичний баланс. Якщо передбачається великий часовий крок (можливо, тиждень і більше), його можна записати для стаціонарних умов, тобто змінні стану, що описують систему, можна вважати постійними з часом, а терміни балансу представляють середні значення для системи. Для великих часових кроків або в стаціонарних умовах з постійною температурою повітря всередині і зовні, накопичення тепла самою будівлею можна вважати нульовим, тому рівняння 5.2.1 стає:

    \[ \phi_{a}+\phi_{tr}+\phi_{sol}+\phi_{v}+\gamma_{fog}\cdot \phi_{fog}=0 \]

    Для отримання енергетичного балансу тваринницького будинку в холодному стані, що вимагає додаткового опалення, енергетичний баланс стає:

    \[ \phi_{a}+\phi_{tr}+\phi_{H}+\phi_{sol}+\phi_{v}=0 \]

    На малюнку 5.2.1 представлена ілюстрація розумного теплового балансу рівняння 5.2.3 для простого житла молочної корови. Рівняння 5.2.3 може бути використано для проектування основного тваринницького приміщення. Безсумнівно, представлене формулювання є спрощенням, а в літературі в енергетичний баланс вводяться інші терміни. Розрахунок кожного члена енергетичного балансу Рівняння 5.2.3 докладніше наведено далі в цьому розділі.

    Наведено діаграму розумного теплового балансу рівняння 3, застосованого до родового тваринницького будинку.
    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Розумний тепловий баланс рівняння 5.2.3 застосовується до загального тваринницького будинку.
    Баланс маси

    Масові залишки необхідні для планування управління забруднюючими речовинами, такими як вуглекислий газ (CO 2), сірководень (H 2 S) та аміак (NH 3), що виробляються тваринами (Esmay and Dixon, 1986), і для регулювання температури навколишнього середовища в приміщенні, вмісту вологи та відносного вологість. Поряд з температурою та відносною вологістю, якість повітря в приміщенні (IAQ) повинна контролюватися за допомогою вентиляції, щоб уникнути проблем зі здоров'ям тварин. Розрахунок вимог до вентиляції для контролю забруднень є проблемою балансу маси. При низьких температурах повітря в приміщенні мінімальна витрата вентиляції (базова вентиляція) використовується для розведення забруднень, таких як H 2 S і NH 3. Мінімальний витрата вентиляції може бути збільшений, щоб зменшити вміст вологи. Коли температура повітря в приміщенні вище заданої температури охолодження, яка використовується для підтримки комфорту тварин, швидкість вентиляції повинна бути збільшена для охолодження тварин (Esmay and Dixon, 1986). Максимальна швидкість потоку вентиляції повинна уникати високих швидкостей повітря, які шкодять добробуту тварин. Якщо охолодження неможливо досягти за допомогою масового потоку, можна використовувати систему запотівання. Повітряний потік вентиляції може виражатися в м 3 с −1, м 3 ч −1 або як ach (змінюється повітря за годину), що вказує, скільки разів змінюється обсяг повітря всередині будинку за одну годину.

    Для оцінки витрати вентиляції для регулювання вологості в простому тваринницькому приміщенні можна використовувати рівняння 5.2.4 (Panagakis and Axaopoulos, 2008):

    \[ \dot{V}_{air}\cdot \rho_{air}\cdot(x_{air,i}-x_{air,o})+\dot{m}_{a}+(\gamma_{fog} \cdot \dot{m}_{fog})=\rho_{air,i} \cdot V_{air,i} \cdot \frac{dx_{air,i}}{dt} \]

    де\(\dot{V}_{air}\) = витрата вентиляційного повітря (м 3 с −1)

    \(\rho_{air}\)= об'ємна масова щільність (кг м 3)

    \(x_{air,o}\)= питома вологість зовнішнього повітря (кг пари, кг повітря −1)

    \(x_{air,i}\)= питома вологість повітря в приміщенні (кг пари, кг повітря −1)

    Наведено діаграму балансу маси пари рівняння 5, застосованого до родового тваринницького будинку.
    Малюнок\(\PageIndex{2}\): Баланс маси пари рівняння 5.2.5 застосовується до загального тваринницького будинку.

    \(\dot{m}_{a}\)= виробництво водяної пари тварин (кг пари s −1)

    \(\gamma_{fog}\)= Булева змінна, яка вказує на наявність системи запотівання

    \(\dot{m}_{fog}\)= вода, що додається через запотівання (кг пари s −1)

    \(\rho_{air,i}\)= об'ємна масова щільність внутрішнього повітря (кг м −3)

    \(V_{air,i}\)= обсяг внутрішнього повітря (м 3)

    \(\frac{dx_{air,i}}{dt}\)=\(x_{air,i}\) зміна часу t

    У стаціонарних умовах і не враховуючи наявність систем запотівання, баланс маси (рис. 5.2.2) можна спростити як:

    \[ \dot{m}_{air} \cdot x_{air,i} - \dot{m}_{air} \cdot x_{air,i} + \dot{m}_{a} = 0 \]

    Рівняння 5.2.5 є базовою формулюванням балансу вологомаси в стаціонарних умовах для тваринницьких приміщень.

    Розрахунки енергоменеджменту

    Основою розрахунків розумного енергетичного та масового балансу для тваринництва є Рівняння 5.2.3 та 5.2.5 відповідно. У наступних розділах представлено визначення кожного члена енергетичного балансу (Рівняння 5.2.3). Аналогічний підхід може бути використаний для Equation 5.2.5.

    Тепловий потік від вирощених тварин (\(\phi_{a}\))

    Тварини виробляють і значно сприяють тепловому потоку в своєму житло. У прохолодних умовах цей тепловий потік може допомогти прогріти будівлю та зменшити потребу в додатковому теплі. У теплих умовах цей тепловий потік слід видаляти, щоб уникнути перегріву та спричинення теплового стресу тварин. Тваринам потрібно випромінювати тепло (як розумне, так і приховане тепло) для регулювання температури тіла та підтримки функцій організму. У міру зростання тварини (зазвичай бажаний результат системи виробництва м'яса, але не для молочних і курей-несучок) тварина виробляє більше тепла. Кількість тепла також залежить від температури повітря в приміщенні, виробничих цілей (наприклад, маси яєць, молока або м'яса) та енергетичної концентрації комбікорму. Оцінка виробництва тепла також має важливе значення для розрахунку вимог до вентиляції.

    Стандартні значення для виробництва тепла доступні (CIGR, 1999; ASABE, 2012), але можливий конкретний розрахунок (Pedersen and Sällvik, 2002). Спочатку загальна вироблена теплота\(\phi_{a,tot}\) (сума розумного і прихованого тепла) для тваринного будинку розраховується для температури повітря в приміщенні 20° C Формулювання рівняння залежить від виду тварин і виробництва:

    Бройлери:\[ \phi_{a,tot} =10.62\cdot w_{a}^{0.75} \cdot n_{a} \]

    Кури-несучки:\[\phi_{a,tot} =(6.28\cdot w_{a}^{0.75} + 25\cdot Y_{eggs}) \cdot n_{a} \]

    Відгодівля свиней:\[ \phi_{a,tot} =(5.09 \cdot +[1-(0.47+0.003 \cdot w_{a})] \cdot [5.09 \cdot w_{a}^{0.75} \cdot (Y_{feed}-1)]) \cdot n_{a} \]

    Молочні корови:\[ \phi_{a,tot} =(5.6\cdot w_{a}^{0.75} + 22\cdot Y_{milk} +1.6\cdot 10^{-5}\cdot Y_{pregnancy}^{3} )\cdot n_{a} \]

    де\(w_{a}\) = середня жива маса тварини (кг)

    \(n_{a}\)= кількість тварин всередині тваринницького будинку (тварин)

    \(Y_{eggs}\)= несучість (кг день −1), зазвичай між 0,04 (виробництво роздумів) і 0,05 кг день −1 (споживачі яєць)

    \(Y_{feed}\)= безрозмірний коефіцієнт, пов'язаний з добовим споживанням енергії корму свинями (значення\(Y_{feed}\) наведені в таблиці 5.2.1)

    \(Y_{milk}\)= виробництво молока (кг добу −1)

    \(Y_{pregnancy}\)= кількість днів вагітності (днів)

    Далі розраховується відчутне тепло, вироблене (\(\phi_{a}\)) при заданій температурі повітря в приміщенні. Якщо температура повітря в приміщенні знаходиться в термонейтральній зоні, тобто діапазоні температур, де тепловіддача тварин постійна (Pedersen and Sällvik, 2002), а енергетична частка, яка використовується тваринами для підтримки їх гомеотермії, знаходиться на мінімальному рівні, на рівні будинку\(\phi_{a}\) можна розрахувати як:

    Таблиця\(\PageIndex{1}\): Значення Y корму для свиней на відгодівлі (Pedersen and Sällvik, 2002).
    Маса тіла свині
    (кг)
      Y подача  
    Норма приросту: 700 г на добу −1 Норма приросту: 800 г на добу −1 Норма приросту: 900 г на добу −1

    20

    3.03

    3.39

    3.39

    30

    2.79

    3.25

    3.25

    40

    2.60

    3.22

    3.43

    50

    2.73

    3.16

    3.41

    60

    2.78

    3.16

    3.40

    70

    2.84

    3.12

    3.40

    80

    2.83

    3.04

    3.38

    90

    2.74

    2.79

    3.18

    100

    2.64

    2.57

    2.98

    110

    2.52

    2.40

    2.78

    120

    2.36

    2.25

    2.60

    Бройлерний будинок:\[ \phi_{a}=\{0.61 \cdot[1000+20 \cdot (20-T_{air,i})]-0.228 \cdot T_{air,i}^{2} \} \cdot n_{hpu} \]

    Укладання курника:\[ \phi_{a}=\{0.67 \cdot[1000+20 \cdot (20-T_{air,i})]-9.8\cdot 10^{-8} \cdot T_{air,i}^{6} \} \cdot n_{hpu} \]

    Відгодівля свинарника:\[ \phi_{a}=\{0.62 \cdot[1000+12 \cdot (20-T_{air,i})]-1.15\cdot 10^{-7} \cdot T_{air,i}^{6} \} \cdot n_{hpu} \]

    Молочний коров'ячий будинок:\[ \phi_{a}=\{0.71 \cdot[1000+4 \cdot (20-T_{air,i})]-0.408 \cdot T_{air,i}^{2} \} \cdot n_{hpu} \]

    де\(T_{air,i}\) = температура повітря в приміщенні (°C)

    \(n_{hpu}\)= кількість тепловиробляючих одиниць (ГПУ), які присутні всередині тваринницького приміщення

    Один ГПУ визначається як кількість тварин, які виробляють 1000 Вт загального тепла (сума розумного і прихованого тепла) при температурі повітря в приміщенні 20° C і може бути розрахована як:

    \[ n_{hpu} = \frac{\phi_{a,tot}}{1000} \]

    де\(\phi_{a,tot}\) розраховується за допомогою рівнянь 5.2.6, 5.2.7, 5.2.8 або 5.2.9 в залежності від виду і виробничої системи. Поза термонейтральною зоною не можна знайти чіткого взаємозв'язку між температурою повітря в приміщенні та загальним виробництвом тепла, але значення можна розрахувати за допомогою рецептур, присутніх у Pedersen та Sällvik (2002).

    Передача теплового потоку через оболонку будівлі (\(\phi_{tr}\))

    Термін\(\phi_{t}\) приймається для позначення теплового потоку через стіни, дах, вікна, двері та підлогу. Він розраховується як (Європейський комітет стандартизації, 2007):

    \[ \phi_{tr}=[\sum^{n}_{j=1}(b_{tr,j} \cdot U_{j} \cdot A_{j})] \cdot (T_{air,o}-T_{air,i}) \]

    де b tr = безрозмірний поправочний коефіцієнт між 0 і 1

    \(U_{j}\)= коефіцієнт теплопропускання будівельного елемента j (W m −2 K −1)

    \(A_{j}\)= загальна площа будівельного елемента j2)

    \(T_{air,o}\)= температура зовнішнього повітря (° C)

    Коефіцієнт\(b_{tr}\) використовується для корекції теплового потоку, коли різниця температур форсування не є різницею між внутрішнім та зовнішнім повітрям, наприклад, коли тепловий потік відбувається до некондиційних приміщень (наприклад, сховищ матеріалів та приміщень клімат-контролю) або через землю. У цих випадках різниця температур повітря між внутрішньою та зовнішньою може бути використана, але тепловий потік зменшується за допомогою\(b_{tr}\). Цей коефіцієнт можна обчислити в двох випадках: (1) якщо температура сусіднього простору фіксована і відома, або (2) якщо всі коефіцієнти теплопередачі між розглянутими просторами можуть бути чисельно оцінені. У більшості ситуацій\(b_{tr}\) (безодиничний) виходить з стандартів, (наприклад, табл. 5.2.2).

    Таблиця\(\PageIndex{2}\): Значення\(b_{tr}\) для різних типів безумовних приміщень і поверхів (з EN 12831, Європейський комітет зі стандартизації, 2009).

    Тип безумовного простору б тр

    Простір з 1 стіною, що виходить на зовнішнє середовище

    0,40

    Простір з 2 стінами, що виходять на зовнішнє середовище (без дверей)

    0,50

    Простір з 2 стінами, що виходять на зовнішнє середовище (з дверима)

    0,60

    Простір з 3 стінами, що виходять на зовнішнє середовище (з дверима)

    0,80

    Пол в безпосередньому контакті з землею

    0,45

    Вентильована підлога (наприклад, ями та порожнина підлоги)

    0,80

    Тепловий потік завдяки додатковій системі опалення (\(\phi_{H}\))

    У більшості випадків\(\phi_{H}\) невідома проблема і енергетичний баланс вирішується з метою знаходження її значення. Типовим прикладом є вирішення енергетичного балансу рівняння 5.2.3 для знаходження\(\phi_{H}\) та визначення розмірів теплової потужності додаткової системи опалення. В інших випадках\(\phi_{H}\) може дорівнювати нулю, а невідома проблема може бути з метою пошуку необхідної витрати вентиляції для підтримки певної температури повітря в приміщенні і для охолодження вирощуваних тварин. Рідко\(\phi_{H}\) доводиться оцінювати. Наприклад,\(\phi_{H}\) доводиться оцінювати, коли енергетичний баланс вирішується з метою оцінки температури повітря в приміщенні в заданих конкретних граничних умовах. Простий спосіб оцінити\(\phi_{H}\) - розглянути теплову потужність, повідомлену в технічному паспорті обладнання для додаткового опалення.

    Більш докладно про системи додаткового опалення описано нижче, в розділі Застосування.

    Тепловий потік від сонячної радіації (\(\phi_{H}\))

    Тепловий потік за рахунок сонячної радіації залежить від сезону, місця розташування ферми та особливостей будівлі. Загалом, сонячний тепловий потік можна розділити на два терміни наступним чином (Міжнародна організація зі стандартизації, 2017):

    \[ \phi_{sol} = \sum^{q}_{n=1}\phi_{sol,op,q} + \sum^{k}_{n=1} \phi_{sol,gl,k} \]

    де\(\phi_{sol,op,q}\) = теплові потоки на q непрозорих (наприклад, стін і даху) поверхонь (W)

    \(\phi_{sol,gl,k}\)= теплові потоки на k засклених (вікон) поверхонь (Вт)

    Для загальної непрозорої поверхні\(\phi_{sol,op,q}\) розраховується як:

    \[ \phi_{sol, op,q} = A_{q} \cdot U_{q} \cdot \alpha_{q} \cdot R_{ex} \cdot I_{sol,q} \cdot F_{sh,q} \]

    де\(\alpha_{q}\) = коефіцієнт поглинання сонячної енергії розглянутої поверхні в залежності від кольору поверхні (0,3 для світлих тонів, 0,9 для темних кольорів)

    \(R_{ex}\)= теплостійкість зовнішньої поверхні (м 2 К −1 Вт −1), зазвичай приймається рівним 0,04 м 2 K −1 Вт −1

    \(I_{sol,q}\)= сонячне опромінення, що падає на розглянуту поверхню (Вт м −2)

    F ш, q = поправочний коефіцієнт затінення

    Для загальної глазурованої поверхні k,\(\phi_{s,gl,k}\) розраховується як:

    \[ \phi_{s,gl,k} = A_{k} \cdot g_{gl} \cdot I_{sol,k} \cdot (1-F_{fr}) \cdot F_{sh,k} \cdot F_{sh,gl,k} \]

    де\(g_{gl}\) = загальний коефіцієнт пропускання сонячної енергії прозорої поверхні

    \(F_{fr}\)= частка площі кадру

    \(F_{sh,gl,k}\)= коефіцієнт зменшення затінення для рухомих положень затінення

    Фактори затінення як для непрозорих, так і для засклених компонентів можуть бути виключені для більшості тваринницьких приміщень, оскільки вони збільшують складність розрахунку, але не сильно впливають на результати.

    Тепловий потік за рахунок вентиляційної системи (\(\phi_{v}\))

    Теплове навантаження за рахунок вентиляційної системи може виражатися як

    \[ \phi_{v} = \rho_{air} \cdot c_{air} \cdot \dot{V} \cdot (T_{air,sup}-T_{air,i}) \]

    де\(\rho_{air}\) = об'ємна масова щільність повітря (кг м −3)

    \(c_{air}\)= питома теплоємність повітря (Вт год, кг −1 К −1)

    \(\dot{V}\)= витрата вентиляції (м 3 год −1)

    \(T_{air,sup}\)= температура припливного повітря (° C)

    У прохолодну пору року\(T_{air,sup}\) зазвичай має таке ж значення\(T_{air,o}\), так як вентиляція використовує зовнішнє повітря. У теплу пору року\(T_{air,sup}\) може мати значення нижче\(T_{air,o}\), ніж, так як зовнішнє повітря охолоджується перед надходженням всередину будівлі. Значення\(T_{air,sup}\) може бути оцінено за допомогою ефективності прямого насичення\(\varepsilon\) (%) системи випарних подушок, розрахованих як (ASHRAE, 2012):

    \[ \varepsilon = 100 \cdot \frac{T_{air,o,db}-T_{air,sup,bd}}{T_{air,o,db}-T_{air,o,wb}} \]

    де\(T_{air,o,db}\) = температура зовнішнього повітря сухої цибулини (° C)

    \(T_{air,sup,db}\)= температура сухої цибулини припливного повітря, що виходить з охолоджуючої підставки (° C)

    \(T_{air,o,wb}\)= температура вологої колби зовнішнього повітря, що надходить в колодку (° C)

    Рівняння 5.2.20 може бути змінено для оцінки температури подачі повітря (\(T_{air,sup,db}\)) при наявності випарних прокладок для використання в Рівнянні 5.2.19.

    Додатки

    Поняття описують основу розрахунку енергетичного балансу простого тваринного будиночка. Зазвичай це досить прості конструкції, побудовані за стандартними конструкціями, які відрізняються у всьому світі, але виконують аналогічну функцію, роблячи тваринництво більш ефективним для фермера. Розрахунок для проектування тваринного будиночка (контрольної конструкції) обов'язково передбачає типову або середню обстановку. Насправді управління погодою та виробництвом означають, що повинні бути компоненти системи, які динамічні та реагують на зовнішні умови. У цьому розділі обговорюються деякі технології, необхідні для підтримки безпечного та ефективного середовища проживання тварин.

    Опалення будинків тварин

    Додаткові системи опалення

    У холодну погоду може знадобитися додаткове джерело тепла для досягнення заданої температури повітря для забезпечення належних умов життя худоби. Це часто зустрічається на початку виробничого циклу, коли виробництво тепла тварин невелике і в холодні пори року. Це споживання енергії становить основну частку загального прямого споживання енергії фермою (табл. 5.2.3) і може бути розраховане за допомогою рівняння 5.2.3.

    Додаткові системи опалення можна класифікувати на локалізовані системи опалення та опалення приміщень. Локалізовані системи опалення створюють температурні перепади в зонах, де вирощуються тварини. Це дозволяє молодняку переміщатися в зону для оптимального теплового комфорту. Для проектування локалізованої системи опалення термін\(\phi_{m}\) (як використовується в рівнянні 5.2.1) повинен бути врахований у розрахунку для обліку теплового потоку між внутрішніми зонами. Локалізоване опалення зазвичай використовує променисте тепло, наприклад інфрачервоні лампи (для поросят) або інфрачервоні газові каталітичні променеві обігрівачі (для бройлерів). Ці системи випромінюють 70% свого тепла випромінюванням, а решту 30% - конвекцією; радіаційна складова безпосередньо нагріває тварин і підлогу, тоді як конвекційна складова нагріває повітря.

    Системи опалення приміщень створюють більш рівномірну теплове середовище. Вони легше проектувати, управляти та контролювати, ніж локалізовані системи опалення, але вони, як правило, мають більш високе споживання енергії. Обігрів приміщень зазвичай заснований на конвекційній системі з використанням теплого повітря. Тепло виробляється в котлах або печах, а потім передається в будівлю, коли це необхідно.

    Альтернативою є використання прямого повітряного опалення в будинку. Пряме опалення може бути дешевшим в установці, але вимагає більшого обслуговування для боротьби з забрудненнями, пилом та вологою (Lindley and Whitaker, 1996). Крім того, існує потреба у вентиляції вихлопних газів та CO 2, тому витрати вентиляції повинні бути збільшені, вимагаючи більшого споживання енергії (Costantino et al., 2020). В інших сільськогосподарських будівлах, таких як теплиці, тепле повітря рециркулює, щоб зменшити споживання енергії. У тваринницьких будинках така практика настійно не рекомендується, оскільки концентрація забруднень, які виробляються в вольєрі, робить ІАК ще гірше.

    Таблиця\(\PageIndex{3}\): Перелік використання енергії та їх відсотки від загального споживання енергії різних типів тваринницьких будинків Італії (Rossi et al., 2013).
    Тваринницький будинок Операція Відсоток електричної енергії
    (від загальної кількості)
    Відсоток теплової енергії
    (від загальної кількості)

    Бройлерні будинки

    вентиляція

    39%

    -

    додаткове опалення

    27%

    96%

    освітлення

    9%

    -

    розподіл годування

    20%

    -

    розподіл сміття та видалення гною

    -

    3%

    транспортування і утилізація гною

    -

    1%

    збір та упаковка продукції

    5%

    -

    Укладання курників

    вентиляція

    44%

    -

    додаткове опалення

    -

    -

    освітлення

    15%

    -

    розподіл годування

    5%

    -

    розподіл сміття та видалення гною

    2%

    33%

    обробка гною

    27%

    -

    транспортування і утилізація гною

    -

    67%

    збір та упаковка продукції

    7%

    -

    Свині Будинки

    вентиляція і додаткове опалення

    48%

    69%

    освітлення

    2%

    -

    підготовка годування

    11%

    -

    розподіл годування

    19%

    -

    догляд за підстилкою та видалення гною

    4%

    1%

    обробка гною

    4%

    -

    транспортування і утилізація гною

    12%

    30%

    Молочні коров'ячі будинки

    вентиляція

    20%

    -

    освітлення

    8%

    -

    годування

    17%

    52%

    доїння

    16%

    6%

    охолодження молока

    12%

    -

    догляд за підстилкою

    -

    7%

    видалення гною

    8%

    5%

    обробка гною

    18%

    4%

    транспортування і утилізація гною

    1%

    26%

    Локалізовані та космічні системи опалення можуть використовуватися разом або в поєднанні з підлоговими обігрівачами для поліпшення контролю кліматичних умов в приміщенні. Підігрів підлоги зазвичай здійснюється через труби гарячого водопостачання або кабелі електричного опору, закопані безпосередньо в підлогу, але це може викликати більше випаровування і підвищення вологості повітря.

    Найпоширенішими джерелами енергії для опалення є електроенергія, природний газ, пропан та біомаса. Сонячна енергія являє собою цікаве рішення для забезпечення додаткового опалення, але пікова доступність припадає на теплу пору року і вдень, коли потреба в тепла найнижча.

    Системи рекуперації тепла

    Для підтримки IAQ повітря в приміщенні замінюється свіжим зовнішнім повітрям для розведення забруднень та зменшення вмісту вологи. У опалювальні періоди кожен кубічний метр свіжого повітря, який вводиться всередину тваринницького приміщення, нагрівається до досягнення заданої температури повітря в приміщенні. Тепло відпрацьованого повітря втрачається. Коли зовнішнє повітря холодне, нагрівання свіжого повітря вимагає значної енергії; вентиляція становить від 70% до 90% теплових втрат в типових тваринницьких будинках протягом зимового сезону (ASHRAE, 2011).

    Для поліпшення енергетичних показників, особливо в холодному кліматі, можна використовувати рекуперацію тепла. У тваринницьких приміщеннях системи рекуперації тепла повітря-повітря використовуються для передачі відчутного тепла від повітряного потоку при високій температурі (відпрацьоване повітря) в повітряний потік при низькій температурі (свіже припливне повітря) (ASHRAE, 2012). Теплообмін відбувається через поверхню теплообміну (серія пластин або трубок), яка розділяє два повітряні потоки, уникаючи перехресного забруднення свіжого припливного повітря забруднюючими речовинами у відпрацьованому повітрі. Найбільш поширений тип теплообмінника, який використовується в тваринницьких будинках, - це перехресний потік (рис. 5.2.3). Відновлене тепло безпосередньо підвищує температуру свіжого припливного повітря, зменшуючи додаткове тепло, необхідне для досягнення заданої температури повітря в приміщенні. Системи рекуперації тепла в основному передають розумне тепло, але, за певних психрометричних умов, навіть частина прихованого тепла відпрацьованого повітря може бути відновлена. Наприклад, коли зовнішнє повітря дуже прохолодне, водяна пара, що міститься у відпрацьованому повітрі, конденсується і виділяє приховане тепло конденсації, підвищуючи температуру свіжого повітря.

    Схема поверхні теплообміну в системі рекуперації тепла повітря-повітря.
    Малюнок\(\PageIndex{3}\): Схема поверхні теплообміну в системі рекуперації тепла повітря-повітря.

    На практиці ефективність теплообмінника - це співвідношення між фактичною передачею енергії і максимально можливою передачею між повітряними потоками (ASHRAE, 1991). У тваринницьких будинках це зазвичай становить від 60% до 80% через замерзання та накопичення пилу на теплообмінних поверхнях (ASHRAE, 2011). Накопичення пилу зменшує тепловіддачу між повітряними потоками і зменшує швидкість потоку. Крім того, гази і волога у відпрацьованому повітрі можуть пошкодити теплообмінну поверхню. Управління фільтрацією, автоматичним промиванням, ізоляцією та розморожуванням можна використовувати, щоб уникнути проблем з теплообміном.

    Охолодження будинків тварин

    Системи охолодження

    У теплих умовах охолодження потрібно для зниження температури повітря в приміщенні та полегшення теплового стресу тварин. Повітряний потік, керований вентиляторами, використовується для видалення тепла, що генерується тваринами, і від сонячного випромінювання. При високій температурі повітря в приміщенні та в ситуаціях теплового стресу кращі більші швидкості повітря навколо тварин, оскільки температура шкіри тварин знижується завдяки зростаючому конвективному теплообміну.

    Коли різниця між температурами зовнішнього повітря та повітря в приміщенні невелика, вентиляція охолодження менш ефективна, оскільки необхідні витрати повітря вимагають занадто великих швидкостей повітря для комфорту тварин. Для подолання цієї проблеми можна використовувати водяне охолодження і випарне охолодження (Lindley and Whitaker, 1996). Водяне охолодження складається з обприскування або капання води безпосередньо на тварин для видалення тепла від їх тіла через випаровування. Випарне охолодження використовує тепло від повітря в приміщенні для випаровування води і, таким чином, зниження температури повітря в приміщенні за допомогою системи запотівання або випарних прокладок. Тумани випускають туман крихітних крапель води безпосередньо всередині корпусу. Випарні прокладки застосовуються в тваринницьких приміщеннях з системами витяжної вентиляції (рис. 5.2.4). У цих системах витяжні вентилятори витісняють повітря в приміщенні, створюючи негативну різницю тиску всередині і зовні будинку. Ця різниця тисків витягує свіже зовнішнє повітря всередині будинку через випарні прокладки, знижуючи його температуру на деякі градуси в залежності від ефективності прямого насичення\(\varepsilon\) (ASHRAE, 2012) (Рівняння 5.2.20). З технічної точки зору,\(\varepsilon\) це найбільш захоплююча особливість випарної прокладки, і вона коливається від 70% до 95% для комерційно доступних випарних прокладок. Ця величина прямо пропорційна товщині майданчика (від 0,1 до 0,3 м) (ASHRAE, 2012) і обернено пропорційна швидкості повітря через майданчик. Найвищий ККД має швидкість повітря між 1,0 і 1,4 м с −1 (ASHRAE, 2011). На значення\(\varepsilon\) також впливає вік та утримання прокладки;\(\varepsilon\) може зменшитися до 30% у старих та погано доглянутих прокладках (Costantino et al., 2018).

    Схема бройлерного будиночка з випарними подушечками уздовж стін.
    Малюнок\(\PageIndex{4}\): Схема бройлерного будиночка, обладнаного випарними прокладками.

    Випарні прокладки впливають на споживання енергії двома способами. З одного боку, вони знижують температуру повітря, який використовується для провітрювання будинку, що означає зменшення швидкості вентиляційного потоку, необхідного для підтримки заданої температури повітря в приміщенні. З іншого боку, вони збільшують різницю тиску між внутрішньою та зовнішньою частиною будинку, тому для однакової швидкості потоку повітря вентилятори в тваринницькому приміщенні, обладнаному випарними прокладками, вимагають більшого споживання електроенергії. Нарешті, використання випарних прокладок вимагає додаткової електричної енергії завдяки циркуляційним насосам, що використовуються для переміщення води з накопичувача для змочування верхньої частини колодок.

    Системи вентиляції

    Ефективність вентиляції всередині тваринницького приміщення залежить від вибору, монтажу та експлуатації вентиляційного обладнання, такого як повітрозабірники, виходи, системи управління, вентилятори.

    Вентилятори класифікуються як відцентрові або осьові, відповідно до напрямку повітряного потоку через крильчатку (ASHRAE, 2012). Осьові вентилятори витягують повітря паралельно осі вала (навколо якої обертаються лопаті) і витягають його в тому ж напрямку. Відцентрові вентилятори відводять повітря за рахунок відхилення і відцентрової сили. У відцентрових вентиляторах повітря надходить поруч з валом за рахунок обертання крильчатки і потім переміщається перпендикулярно від вала до отвору, де він вичерпується. Осьові вентилятори зазвичай використовуються в тваринництві, оскільки основною метою є забезпечення високої швидкості повітряного потоку, а не створення різниці високого тиску на вентиляторі. Вентилятори спричиняють значне споживання енергії в тваринницьких будинках (Costantino et al., 2016), як показано в таблиці 5.2.3, але зазвичай купуються виходячи з вартості покупки, а не експлуатаційних витрат. При установці вентиляторів в тваринницьких приміщеннях слід очікувати зниження ККД через знос механічних з'єднань (ASHRAE, 2012).

    Приклади

    Приклад\(\PageIndex{1}\)

    Приклад 1: Тепловий потік через оболонку будівлі

    Проблема:

    Визначте сумарний сталий тепловий потік передачі через огорожу будівлі двосхилим даху бройлерного будинку, представленого на малюнку 5.2.5. Теплофізичні властивості елементів оболонки наведені в таблиці 5.2.4. Для розрахунку припустимо, що температура повітря в приміщенні становить 23° C, а температура зовнішнього повітря 20° C.

    Основні геометричні розміри на прикладі бройлерного будиночка. Ширина - 10 метрів, довжина - 120 метрів, висота від землі до вершини даху - 4,4 метра, а висота від землі до вершини стіни - 2,1 метра.
    Малюнок\(\PageIndex{5}\): Схема на прикладі бройлерного будиночка з основними геометричними розмірами.

    Рішення

    Загальний тепловий потік передачі через оболонку слід розраховувати за рівнянням 5.2.15. При підсумовуванні повинні бути враховані всі елементи конверта бройлерного будиночка. У цьому бройлерному будинку різними продуктами\((b_{tr,j} \cdot U_{j} \cdot A_{j})\) підсумовування Рівняння 5.2.15 є:

    Таблиця\(\PageIndex{4}\): Граничні умови на прикладі бройлерного будиночка.
    Будівельний
    елемент
    Площа
    2)
    U
    (Ш м −2 к−1)
    б тр (-)

    Північна стіна

    195

    0,81

    1

    Південна стіна

    195

    0,81

    1

    Східна стіна

    18

    0,81

    1

    Західна стіна

    33

    0,81

    1

    Дах

    1320

    1.17

    1

    Поверх

    1200

    0,94

    0,45

    Двері (схід)

    15

    1.51

    1

    Північні вікна

    57

    3.60

    1

    Південні вікна

    57

    3.60

    1

    \( \phi_{tr} = [\sum^{n}_{j=1}(b_{tr,j} \cdot U_{j} \cdot A_{j})] \) (Equation \(\PageIndex{15}\))

    \( b_{tr,walls} \cdot U_{walls} \cdot A_{walls} = 1 \cdot 0.81 \frac{W}{m^{2} \cdot K} \cdot 441 m^{2} = 357.2 \frac{W}{K} \)

    \( b_{tr,roof} \cdot U_{roof} \cdot A_{roof} = 1 \cdot 1.17 \frac{W}{m^{2} \cdot K} \cdot 1320 m^{2} = 1544.4 \frac{W}{K} \)

    \( b_{tr, doors} \cdot U_{doors} \cdot A_{doors} = 1 \cdot 1.51 \frac{W}{m^{2} \cdot K} \cdot 15 m^{2} = 22.7 \frac{W}{K} \)

    \( b_{tr, windows} \cdot U_{windows} \cdot A_{windows} = 1 \cdot 3.60 \frac{W}{m^{2} \cdot K} \cdot 114 m^{2} = 410.4 \frac{W}{K} \)

    U -значення статі бройлерного цеху становить 0,94 Вт м −2 К −1. Ця величина розраховувалася з урахуванням того, що підлога була виконана залізобетонною стяжкою і гідроізоляційним листом безпосередньо стикається з грунтом. При передачі теплового потоку через землю слід враховувати\(b_{tr}\) коефіцієнт. З огляду на, що підлогу бройлерного будинку знаходиться в безпосередньому контакті з землею,\(b_{tr,floor}\) можна прийняти рівним 0,45 (значення з таблиці 5.2.2). Розрахунок буває:

    \( b_{tr, floor} \cdot U_{floor} \cdot A_{floor} = 0.45 \cdot 0.94 \frac{W}{m^{2} \cdot K} \cdot 1200 m^{2} = 507.6 \frac{W}{K} \)

    З огляду на раніше розраховані значення, сума становить:

    \( \sum^{n}_{j=1} (b_{tr,j} \cdot U_{j} \cdot A_{j}) = 2842.3 \frac{W}{K} \)

    Нарешті, тепловий потік можна розрахувати, враховуючи різницю температур всередині та зовні як:

     

    Приклад\(\PageIndex{2}\)

    Приклад 2: Розумний тепловий потік в бройлерному будинку

    Проблема:

    Визначити відчутний тепловий потік, вироблений на домашньому рівні зграєю з 14 000 бройлерів при температурі повітря в приміщенні 23°С, середня вага бройлерів 1,3 кг.

    Рішення

    Загальна тепловіддача\(\phi_{a,tot}\) від бройлерної стади при температурі повітря в приміщенні 20°C визначається рівнянням 5.2.6, яке читає

    \( \phi_{a,tot}=10.62 \cdot w_{a}^{0.75} \cdot n_{a} \)(Рівняння\(\PageIndex{6}\))

    З огляду на задані граничні умови, рівняння 5.2.6 стає:

    \( \phi_{a,tot}=10.62 \cdot 1.3^{0.75} \cdot 14,000 = 181,013.1\ W \)

    Перед\(\phi_{a}\) розрахунком n hpu слід обчислити відповідно до рівняння 5.2.14:

    \( n_{hpu} = \frac{\phi_{a,tot}}{1000} \)(Рівняння\(\PageIndex{14}\))

    \( n_{hpu} = \frac{181,031.1\ W}{1000 \frac{W}{hpu}} = 181.01\ hpu \)

    Нарешті,\(\phi_{a}\) обчислюється при 23° C\(T_{air,i}\) is (з рівняння 5.2.10):

    \( \phi_{a} = \{0.61 \cdot [1000+20 \cdot(20-T_{air,i})] -0.228 \cdot T_{air,i}^{2} \} \cdot n_{npu} \)(Рівняння\(\PageIndex{10}\))

    \( \phi_{a} = \{0.61 \cdot [1000+20 \cdot(20-23^\circ C)] -0.228 \cdot (23^\circ C)^{2} \} \cdot 181.01 = 81,959.2\ W \)

    У цьому прикладі стадо бройлерів виробляє близько 82 кВт відчутного тепла.

    Приклад\(\PageIndex{3}\)

    Приклад 3: Тепловий потік на основі сонячної енергії

    Проблема:

    Визначити значення\(\phi_{sol}\) враховуючи граничні умови, наведені в таблиці 5.2.5 і використовуючи той же бройлерний будинок Приклади 5.2.1 і 5.2.2.

    Рішення

    Першим кроком для визначення\(\phi_{sol}\) є розрахунок\(\phi_{sol,op}\) для кожного непрозорого елемента будівлі відповідно до Рівняння 5.2.17, як:

    Таблиця\(\PageIndex{5}\): Граничні умови на прикладі бройлерного будиночка.
    Будівельний
    елемент
    Площа
    2)
    U
    (Ш м −2 к−1)
    α (-) г гл (-) I соль
    (Вт м −2)

    Північна стіна

    195

    0,81

    0.3

    -

    142

    Південна стіна

    195

    0,81

    0.3

    -

    559

    Східна стіна

    18

    0,81

    0.3

    -

    277

    Західна стіна

    33

    0,81

    0.3

    -

    142

    Дах

    1320

    1.17

    0.9

    -

    721

    Поверх

    1200

    0,94

    -

    -

    -

    Двері (схід)

    15

    1.51

    0.9

    -

    277

    Північні вікна

    57

    3.60

    -

    0.6

    142

    Південні вікна

    57

    3.60

    -

    0.6

    559

    \( \phi_{sol,op,q} = A_{q} \cdot U_{q} \cdot \alpha_{q} \cdot R_{ex} \cdot I_{sol,q} \cdot F_{sh,q} \) (Equation \(\PageIndex{17}\))

    \( \phi_{sol,op,wall, N} = 195 m^{2} \cdot 0.81 \frac{W}{m^{2}\cdot K} \cdot 0.3 \cdot 0.04 \frac{m^{2} \cdot K}{W} \cdot 142 \frac{W}{m^{2}} = 269.1\ W \)

    \( \phi_{sol,op,wall, S} = 195 m^{2} \cdot 0.81 \frac{W}{m^{2}\cdot K} \cdot 0.3 \cdot 0.04 \frac{m^{2} \cdot K}{W} \cdot 559 \frac{W}{m^{2}} = 1059.5\ W \)

    \( \phi_{sol,op,wall, E} = 18 m^{2} \cdot 0.81 \frac{W}{m^{2}\cdot K} \cdot 0.3 \cdot 0.04 \frac{m^{2} \cdot K}{W} \cdot 277 \frac{W}{m^{2}} = 48.5\ W \)

    \( \phi_{sol,op,wall, E} = 33 m^{2} \cdot 0.81 \frac{W}{m^{2}\cdot K} \cdot 0.3 \cdot 0.04 \frac{m^{2} \cdot K}{W} \cdot 142 \frac{W}{m^{2}} = 45.5\ W \)

    \( \phi_{sol,op,wall, Roof} = 1320 m^{2} \cdot 1.17 \frac{W}{m^{2}\cdot K} \cdot 0.9 \cdot 0.04 \frac{m^{2} \cdot K}{W} \cdot 721 \frac{W}{m^{2}} = 40,086.4\ W \)

    \( \phi_{sol,op,wall, Roof} = 15 m^{2} \cdot 1.51 \frac{W}{m^{2}\cdot K} \cdot 0.9 \cdot 0.04 \frac{m^{2} \cdot K}{W} \cdot 277 \frac{W}{m^{2}} = 225.9\ W \)

    Сума обчислюваних\(\phi_{sol,op,q}\) значень становить:

    \( \sum^{q}_{n=1}\phi_{sol,op,q} = 41,734.9\ W \)

    Сонячні теплові навантаження на засклені компоненти можна оцінити за допомогою рівняння 5.2.18:

    \( \phi_{s,gl,k}=A_{k} \cdot g_{gl} \cdot I_{sol,k} \cdot (1-F_{fr}) \cdot F_{sh,k} \cdot F_{sh,gl,k} \)(Рівняння\(\PageIndex{18}\))

    З огляду на наведені граничні умови,\(\phi_{sol,gl}\) для засклених елементів можна обчислити як:

    \( \phi_{sol,gl,win,N} = 57\ m^{2} \cdot 0.6 \cdot 142 \frac{W}{m^{2}} \cdot (1-0.2) = 3885.1\ W \)

    \( \phi_{sol,gl,win,S} = 57\ m^{2} \cdot 0.6 \cdot 559 \frac{W}{m^{2}} \cdot (1-0.2) = 15,294.2\ W \)

    Сума обчислюваних\(\phi_{sol,gl,k}\) значень становить:

    \( \sum^{k}_{n=1} \phi_{sol,gl,k} = 19,179.3\ W \)

    Нарешті, сумарне сонячне теплове навантаження становить:

    \( \phi_{sol} = 41,734.9\ W + 19,179.3\ W = 60,914.2\ W \)

    Приклад\(\PageIndex{4}\)

    Приклад 4: Витрата вентиляції для регулювання температури

    Проблема:

    Визначте об'ємний витрата вентиляції (м 3 год −1), який повинен забезпечуватися витяжними вентиляторами бройлерного цеху для підтримки температури повітря в приміщенні на рівні 23°С. Для розрахунку врахуйте відсутність додаткового теплового потоку (\(\phi_{H}=0\ W\)) теплових потоків, розрахованих в Приклад 5.2.1 (\(\phi_{tr}\)), Приклад 5.2.2 (\(\phi_{a}\)) та Приклад 5.2.4 (\(\phi_{sol}\)). Температура припливного повітря така ж, як і зовнішнього повітря (20° C, як у прикладі 5.2.1).

    Рішення

    У попередніх прикладах були розраховані наступні теплові потоки:

    \( \phi_{tr} = -8,526.9\ W = - 8.5\ kW \)

    \( \phi_{a} = 81,959.2\ W = 82.0\ kW \)

    \( \phi_{sol} = 60,914.2\ W = 60.9\ kW \)

    У тексті проблеми зазначено, що додаткового потоку опалення немає, тому:

    \( \phi_{H} = 0\ kW \)

    Враховуючи задані граничні умови, енергетичний баланс Рівняння 5.2.3 можна записати у вигляді:

    \( 82.0\ kW - 8.5\ kW + 0\ kW + 60.9\ kW + \phi_{v} = 0 \)

    Це стає:

    \( \phi_{v} = -134.4\ kW \)

    Рівняння 5.2.19 може бути виражено в\(\dot{V}\) (невідоме завдання, в кВт) як:

    \( \dot{V} = \frac{\phi_{v}}{\rho_{air} \cdot c_{air} \cdot (T_{air,sup} - T_{air, i})} \)

    Значення\(\rho_{air}\) приймається рівним 1,2 кг м −3 і\(c_{air}\) дорівнює 2,8 × 10 −4 кВт/год, кг −1 К −1 (1010 Дж кг −1 К −1), хоча для більш детального розрахунку\(\rho_{air}\) слід оцінювати при заданому приміщенні повітря температури і атмосферного тиску. Потік вентиляційного повітря забезпечується зовнішнім повітрям, отже,\(T_{air,sup}\) дорівнює\(T_{air,o}\). Вводячи раніше розраховане значення\(\phi_{v}\), попереднє рівняння читає:

    \( \dot{V} = \frac{-134.4\ kW}{1.2 \frac{kg}{m^{3}} \cdot 2.8 \cdot 10^{-4} \frac{kWh}{kg \cdot K} \cdot (20 ^\circ C - 23 ^\circ C)} = 133,333\frac{m^{3}}{h} \)

    Для підтримки необхідної температури повітря в приміщенні всередині тваринницького приміщення система вентиляції повинна забезпечувати близько 133 000 м 3 год −1 свіжого зовнішнього повітря.

    Зображення Кредити

    Малюнок 1. Фабріціо, Е. (CC By 4.0). (2020). Розумний тепловий баланс рівняння 3 застосовується до родового тваринницького будинку.

    Малюнок 2. Фабріціо, Е. (CC By 4.0). (2020). Баланс маси пари рівняння 5 застосовується до загального тваринницького будинку.

    Малюнок 3. Костантіно, А. (CC By 4.0). (2020). Схема поверхні теплообміну в системі рекуперації тепла повітря-повітря.

    Малюнок 4. Костантіно, А. (CC By 4.0). (2020). Схема бройлерного будиночка, обладнаного випарними прокладками.

    Малюнок 5. Костантіно, А. (CC By 4.0). (2020). Схема на прикладі бройлерного будиночка з основними геометричними розмірами.

    Посилання

    Олбрайт, Л. Екологічний контроль для тварин і рослин. Сент-Джозеф, М.І.: ASAE.

    Стандарти ASABE. ASAE EP270.5 DEC1986: Проектування систем вентиляції для птахів та тваринницьких притулків. Сент-Джозеф, М.І.: ASABE.

    АШРАЕ. Довідник ASHRAE 2012: HVAC системи та обладнання. Атланта, Джорджія: АШРАЕ.

    АШРАЕ. Довідник ASHRAE 2011: HVAC додатків. Атланта, Джорджія: АШРАЕ.

    АШРАЕ. (1991). ANSI/ASHRAE Стандарт 84-1991: Метод випробування теплообмінників повітря-повітря. Атланта, Джорджія: АШРАЕ.

    СИГР. (1999). Довідник CIGR сільськогосподарського машинобудування (Vol. II). Сент-Джозеф, М.І.: ASAE.

    Костантіно, А., Балларіні, І., Фабріціо Е. Порівняння спрощеного та детального методів розрахунку потреб в енергії опалення та охолодження житла тваринництва: тематичне дослідження. У додатках моделювання будівель (с. 193-200). Больцано, Італія: Вільний університет Бозен-Больцано.

    Костантіно, А., Фабріціо, Е., Білья, А., Корнале, П., & Баттагліні Л. Використання енергії для клімат-контролю будинків тварин: стан техніки в Європі. Енергетичний проц. 101, 184-191. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2016.11.024

    Костантіно, А., Фабріціо, Е., Гіггіні, А., і Баріані М. Клімат-контроль в бройлерних будинках: Теплова модель для розрахунку використання енергії та умов навколишнього середовища в приміщенні. Енергетичний корпус. 169, 110-126. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2018.03.056

    Костантіно, А., Фабріціо, Е., Віллагра, А., Естеллес, Ф., & Кальвет, С. (2020). Зниження концентрації газу в бройлерних будинках через вентиляцію: оцінка споживання теплової та електричної енергії. Біосист. англ. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2020.01.002.

    Есмей, М.Е., Діксон, Дж. Е. (1986). Екологічний контроль сільськогосподарських будівель. Вестпорт, Коннектикут: AVI.

    Європейський комітет зі стандартизації. EN 12831: Системи опалення в будівлях—Метод розрахунку розрахункового теплового навантаження. Брюссель, Бельгія: CEN.

    Європейський комітет стандартизації. EN 13789: Теплові характеристики будівель — Коефіцієнти передачі та вентиляції теплопередачі — метод розрахунку. Брюссель, Бельгія: CEN.

    Гамільтон, Дж., Негнівицький М., & Ван, Х. (2016). Термічний аналіз одноповерхового тваринницького сараю. Адв. мех. англ. 8 (4). https://doi.org/10.1177/1687814016643456.

    Хелліксон, М.А., і Уокер, Дж. Вентиляція сільськогосподарських споруд. Сент-Джозеф, М.І.: ASAE.

    ISO. (2017). ISO 52016-1:2017: Енергетичні показники будівель - Енергетичні потреби в опаленні та охолодженні, внутрішні температури та розумні та приховані теплові навантаження—Частина 1: Процедури розрахунку. Міжнародна організація зі стандартизації.

    Лібераті, П., & Заппавінья, П. (2005). Комп'ютерна модель для оптимізації внутрішнього клімату при проектуванні тваринництва. У тваринницькому середовищі VII, Proc. Int. Симп. Сент-Джозеф, М.І.: ASABE.

    Ліндлі, Дж. А., Уітакер, Дж. Сільськогосподарські будівлі та споруди. Сент-Джозеф, М.І.: ASAE.

    Служба плану Середнього Заходу. (1987). Довідник по структурам та навколишньому середовищу (11-е видання). Еймс, ІА: Служба плану Середнього Заходу.

    ОЕСР. (2008). Екологічні показники сільського господарства країн ОЕСР з 1990 року. Париж, Франція: ОЕСР.

    Панагакіс, П., & Аксаопулос П. Порівняння стратегій запотівання при вирощуванні свиней за допомогою моделювання для визначення видимих показників теплового напруження. Біосист. Анг. 99 (1), 112-118. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2007.10.007.

    Pedersen, S., & Sällvik, K. (2002). 4-й звіт робочої групи з кліматизації твариннихбудинків - виробництво тепла та вологи на рівні тварин та будинків. Хорсенс, Данія: Данський інститут сільськогосподарських наук.

    Россі, П., Гастальдо, А., Ріва, Г., & де Кароліс, К. (2013). Progetto re Sole — лінійне керівництво per il risparmio energio e per la produzione di energia da fonte solare negli allevamenti zootecnici (італійською мовою). Реджо-Емілія, Італія: CRPA.

    Сен-П'єр, Н.Р., Кобанов Б., & Шніткі, Г. (2003). Економічні втрати від теплового стресу тваринницькими галузями США. Дж. молочних наук 86, E52-E77. https://doi.org/10.3168/jds.s0022-0302(03)74040-5.