Введение к работе
Актуальность проблемы. Существующий в настоящее время методологический подход к нормированию и расчету динамики формирования параметров внутренней среды производственных сельскохозяйственных зданий и сооружений (ПСЗ) не в полной мере учитывает биолого-ветеринарные, объемно-планировочные, теплофизические и энергетические требования, предъявляемые к системам обеспечения микроклимата (СОМ). Результатом являются непредсказуемые отклонения реальных параметров воздуха от расчетных, количественное снижение показателей сельскохозяйственного производства.
Разработанный методологический подход к созданию энергоэффективных зданий основан на объединении их в единый биоэнергетический и архитектурно-строительный комплекс, в котором параметры микроклимата формируются за счет пассивных (наружные ограждения) и активных (системы отопления, вентиляции, кондиционирования) элементов СОМ. Системное решение проблемы включает рассмотрение взаимосвязанных архитектурно-планировочных и инженерно-технологических теплофизических моделей. Производственные сельскохозяйственные здания и сооружения должны быть выделены в самостоятельный класс по нормированию и расчету энергоэффективных СОМ для животных, птиц, выращиваемой, заготавливаемой и хранящейся сельскохозяйственной продукции по следующим основным особенностям формирования внутренней среды: во-первых, большой диапазон расчетных параметров внутреннего воздуха; во-вторых, наличие постоянных биологических тепловыделений меняет основную функцию теплового контура ПСЗ, сводя ее к нормированному рассеиванию явных тепловыделений; в-третьих, нормирование теплофизических показателей наружных ограждений должно основываться на объемно-планировочных и технологических показателях конкретных сооружений, что приводит к однозначному конечному результату; в-четвертых, индивидуальность и многообразие направлений и интенсивности процессов тепломассопереноса (например, минимизация влагоотдачи при хранении сырья и максимальный влагосъем в процессе сушки); в-пятых, конкретные рациональные объемно-планировочные решения отличаются большим многообразием (надземные, полузаглубленные, полностью заглубленные, частично или полностью обвалованные) и т.д. Перечисленные особенности ПСЗ показывают, что нормирование и расчет динамики формирования параметров микроклимата в них принципиально отличаются от известных в мировой и отечественной практике теплофизических моделей, оптимизирующих энергетические и аэродинамические параметры СОМ гражданских и промышленных зданий.
Таким образом, актуальность исследований состоит в необходимости дальнейшего изучения нестационарных процессов тепломассообмена в объеме помещений, в выявлении и количественном обосновании теплофизических характеристик конечных движущих сил переноса теплоты и влаги, в разработке научно-методологических основ расчета энергоэффективных ПСЗ, режимов работы их СОМ с учетом биологических, технологических и технико-экономических требований для различных климатических районов страны. Решаемые практические задачи имеют важное социальное значение.
Диссертационная работа выполнялась в рамках Указа президента РФ «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности Российской экономики» от 04. 06. 2008 г. Результаты исследований явились базовой основой аналитических ведомственных программ «Развитие научного потенциала высшей школы»: 1.2.05 «Разработка и обоснование физико-математических моделей процессов тепломассопереноса в слое биологически активной продукции при нестационарных возмущающих воздействиях», № ГР 01200503787, 2005-2006 гг.; 1.4.07 «Разработка термодинамического обоснования решения задачи влагопереноса в слое биологически активной продукции», № ГР 01200703967, 2007-2008 гг.; 1.1.09 «Теоретические исследования по термодинамическому обоснованию методов и средств обеспечения параметров микроклимата в сельскохозяйственных сооружениях», № ГР 01200902466, 2009-2010 гг.
Цель исследований заключается в развитии теоретических основ и создании методологии нормирования и расчета систем обеспечения микроклимата производственных сельскохозяйственных зданий и сооружений, как единых биоэнергетических комплексов, с оптимизацией объемно-планировочных и конструктивных решений зданий и систем при минимизации энергозатрат и максимальной продуктивности сельскохозяйственного производства.
Для достижения поставленной цели решался комплекс задач, основными из которых являются:
– разработка и научное обоснование теплофизических моделей сельскохозяйственных зданий и сооружений, как единых биоэнергетических комплексов (животноводческих, птицеводческих, хранилищ сочного растительного сырья, теплиц круглогодичной эксплуатации, установок для сушки травы);
– научное обоснование и создание методологии нормирования теплофизических характеристик теплового контура неотапливаемых и отапливаемых производственных сельскохозяйственных зданий, как специального класса сооружений по расчету и эксплуатации систем обеспечения микроклимата;
– выявление функциональных аналитических зависимостей термодинамических процессов в слоях хранящейся биологически активной продукции, в процессе ее сушки, а также в объемах культивационных сооружений;
– получение аналитических закономерностей динамики температурных и влажностных полей в режимах естественной и вынужденной конвекции в насыпях биологически активного сырья при хранении и сушке продукции и их экспериментальное подтверждение;
– обоснование необходимости и разработка методики расчета интенсивности тепловлагопереноса в сельскохозяйственных технологических процессах на основе понятия градиента потенциала влажности;
– выявление определяющих факторов и расчетных параметров энергоэффективных систем обеспечения микроклимата при естественных и искусственных источниках энергии;
– разработка инженерных методов расчета систем создания и поддержания технологических параметров внутреннего воздуха для сельскохозяйственных сооружений различного назначения;
– теоретические и экспериментальные исследования вихревых воздухоохладителей и систем водоаэрозольного охлаждения воздуха с обоснованием областей их эффективного использования в технологических процессах сельскохозяйственного производства;
– графоаналитическое и экспериментальное обоснование достаточности естественных источников теплоты для сушки травы атмосферным воздухом при заготовке грубых кормов;
– разработка, реализация и оценка эффективности архитектурно-плани-ровочных и инженерно-технологических решений по повышению обеспеченности параметров микроклимата в производственных сельскохозяйственных зданиях и сооружениях.
Научная новизна диссертационной работы:
– теплофизическая модель производственных сельскохозяйственных зданий, как единых биоэнергетических комплексов, методологически обосновывает разработанные принципы нормирования и расчета теплофизических характеристик наружных ограждений таких сооружений, как неотапливаемых (без подачи искусственной теплоты);
– теоретические основы расчета систем обеспечения параметров микроклимата производственных сельскохозяйственных зданий различного назначения, включающие: термодинамические основы повышения энергоэффективности животноводческих и птицеводческих зданий, овощекартофелехранилищ, теплиц в теплый период года; динамику процессов тепломассопереноса и формирования температурно-влажностных полей в слое биологически активного сырья при нестационарных внешних воздействиях; методику расчета вихревых воздухоохладителей в качестве источников холода и теплоты;
– количественные характеристики процессов переноса теплоты и влаги в биологически активных средах на основе полного термодинамического потенциала переноса (потенциала влажности), в том числе при противоположных требованиях к конечным равновесным состояниям;
– полученные аналитически и проверенные в натурных условиях расчетные закономерности достаточности различных видов естественной вентиляции животноводческих зданий по периодам года, области применения систем рециркуляции воздуха в птичниках, режимные и конструктивные особенности систем активной вентиляции овощекартофелехранилищ;
– разработанные теоретическо-экспериментальные основы графоаналитической методики инженерного расчета режимов работы систем активной вентиляции и интенсивности влагоотдачи при сушке травы;
– энергоэффективные технологические режимы работы комплексных систем снятия перегрева воздуха в теплицах в теплый период при ступенчатом (дискретном) включении пассивных и активных элементов охлаждения воздуха в суточном и годовом циклах эксплуатации;
– научно обоснованные количественные значения степени совершенства обеспеченности параметров микроклимата производственных сельскохозяйственных зданий и сооружений пассивными (объемно-планировочными) и активными (инженерно-технологическими) элементами систем; методики определения коэффициентов обеспеченности продуктивности животных, птиц, сохранности продукции с экономической оценкой величин коэффициентов обеспеченности.
На защиту выносятся:
– методология выделения производственных сельскохозяйственных зданий и сооружений в специальный класс по нормированию теплофизических характеристик наружных ограждающих конструкций;
– математические модели производственных сельскохозяйственных зданий, обосновывающие минимизацию потребления энергетических ресурсов системами обеспечения микроклимата и созданные на их основе комплексные методы расчета и управления динамикой температурно-влажностных полей, воздухообменов и концентрациями примесей в объеме помещений;
– научно обоснованные, апробированные методы расчета интенсивности нестационарных процессов тепломассопереноса между поверхностью биологически активного сельскохозяйственного сырья и влажным воздухом при сохранении влаги или сушке продукции;
– роль пассивных (наружные ограждающие конструкции) и активных (инженерно-технологические) элементов систем обеспечения микроклимата на повышение обеспеченности параметров микроклимата и их влияние на продуктивность и экономичность сельскохозяйственного производства;
– комплекс инженерных и технологических решений, позволяющий снизить энергопотребление (вплоть до нулевого) системами обеспечения микроклимата производственных сельскохозяйственных зданий и сооружений.
Научно обоснованный методологический подход по разработке путей совершенствования систем обеспечения микроклимата, методов расчета и конструктивных решений является основой для развития перспективных направлений минимизации энергопотребления и экологической безопасности производственных сельскохозяйственных зданий и сооружений.
Достоверность основных положений и выводов подтверждается их научной обоснованностью, правомерностью сделанных допущений, использованием основополагающих законов тепломассообмена, аэродинамики, отсутствием в полученных результатах противоречий с общепризнанными научными положениями, а также результатами лабораторных, полупромышленных и натурных экспериментальных исследований автора. Применено современное научное оборудование и необходимый объем статистики. Все это обеспечивает достаточный уровень надежности теоретических и экспериментальных исследований.
Практическая значимость. Для сельскохозяйственных производственных зданий, как самостоятельного класса сооружений, разработан новый подход комплексного проектирования, конструирования и эксплуатации систем обеспечения микроклимата. Снижение расхода энергии системами в круглогодичном цикле эксплуатации достигается за счет: учета функционального назначения помещений, технологий производства, климатических условий местности; полной утилизации биологической теплоты; всестороннего использования возможностей естественных источников энергии, в т. ч. естественной вентиляции, аэрации, солнечной энергии. При системном подходе к теплофизическому расчету пассивных (наружных ограждений) и активных (отопление и вентиляция) элементов систем обеспечения микроклимата и одновременной увязке с конкретными технологическими регламентами производства подавляющее большинство производственных сельскохозяйственных зданий и сооружений могут эксплуатироваться без подачи в них искусственной теплоты, холода или иметь минимальный резерв мощности по энергоносителям.
Практическую ценность для проектирования, конструирования и эксплуатации систем обеспечения микроклимата имеют методики расчетов: теплофизических характеристик теплового контура зданий и сооружений; динамики энергопотребления зданий; температурного, влажностного и воздушного режимов подземных и наземных зданий; тепломассообмена в слое биологически активного сырья при сушке и хранении продукции; вихревых воздухоохладителей в качестве источников холода и теплоты; интенсивности влагообмена на основе понятия градиента потенциала влажности; влагообмена в слое сохнущей травы; естественной круглогодичной вентиляции животноводческих помещений; энергоэффективности систем создания микроклимата в птичниках; систем активной вентиляции овощекартофелехранилищ; теплового, влажностного, воздушного режимов и систем водоаэрозольного охлаждения теплиц в теплый период года; эффективности архитектурных, инженерных и технологических решений по управлению параметрами микроклимата; экологической оценки внедрения энергоэффективных сельскохозяйственных зданий и сооружений.
Методики расчетов апробированы в практической деятельности, имеются акты внедрения. Теоретические и практические результаты исследований вошли в учебно-методические пособия, используются при чтении лекций, проведении курсового и дипломного проектирования со студентами и магистрантами ННГАСУ и ряда других высших учебных заведений страны.
Апробация результатов. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались: на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ННГАСУ «Строительный комплекс» в 1996 г., 1997 г., 1998 г., «Архитектура и строительство – 2000»; на международных VII (2009 г.), VIII (2010 г.) и IX (2011 г.) конференциях «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды», г. Волгоград; на III (2009 г.) и IV (2011 г.) международных научно-технических конференциях «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» (2009 г., 2011 г.), г. Москва; на ежегодных научно-практических конференциях «Тепломассообмен», г. Нижний Новгород, ННГАСУ; на международной научно-технической конференции «Проблемы экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири» (2010 г.), г. Тюмень; на 13 международном научно-промышленном форуме «Великие реки – 2011» г. Нижний Новгород; на XIV международной научно-методической конференции «Проблемы многоуровневого образования», г. Нижний Новгород, 2011 г.; на международном российско-германском семинаре «Опыт и перспективы инновационных и инвестиционных проектов по устойчивому развитию крупных регионов в условиях глобальных изменений», г. Нижний Новгород, 2011 г.
Личный вклад автора. Все основные результаты работы получены лично автором. Они заключаются в формулировании цели работы, в разработке методологии и методов теоретических и экспериментальных комплексных исследований, в выполнении части лабораторных, полупромышленных и натурных исследований, обобщении их результатов и выдаче рекомендаций для проектирования, строительства и эксплуатации систем обеспечения микроклимата производственных сельскохозяйственных зданий и сооружений. Использованные результаты других исследователей помечены ссылками на источники.
Автор выносит благодарность д.т.н., профессору Л.М. Дыскину за консультации по ряду вопросов диссертации.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 40 работ, из них три монографии и одно учебное пособие, в том числе 17 публикаций в рекомендуемых ВАК научных журналах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 522 страницах машинописного текста и состоит из введения, 8 глав, основных выводов, списка использованной литературы (404 наименования) и 8 приложений. Приложения содержат примеры расчетов по разработанным методикам, цифровой и графический материал по результатам лабораторных, полупромышленных и натурных исследований, акты и справки, подтверждающие внедрение результатов.
