Обеспеченность теплофизических характеристик наружных ограждений неотапливаемых производственных сельскохозяйственных зданий Чиркова Елена Владимировна

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Анализ исследований систем обеспечения параметров микроклимата в производственных сельскохозяйственных зданиях 17

1.1. Влияние параметров микроклимата на эффективность производства 17

1.1.1. Физиологические основы тепломассообмена животных и птиц с окружающей средой 17

1.1.2. Физиобиологические требования к параметрам микроклимата 22

1.2. Параметры микроклимата сельскохозяйственных зданий 26

1.2.1. Животноводческие и птицеводческие помещения 26

1.2.2. Зона максимальной продуктивности животных 28

1.2.3. Хранилища картофеля и овощей 31

1.3. Основные физиобиологические и теплофизические показатели 32

1.4. Нормирование и расчет сопротивления теплопередаче наружных ограждений 34

1.5. Условная расчетная температура наружного воздуха 38

1.6. Воздухопроницаемые наружные ограждения 41

1.7. Методы расчета влажностного режима наружных ограждений

1.7.1. Диффузия водяного пара через ограждение 44

1.7.2. Теория влагопроводности 47

1.7.3. Нормирование сопротивления паропроницанию ограждающих конструкций зданий и сооружений 48

1.8. Теория потенциала влажности 49

Выводы по главе 1 60

ГЛАВА 2. Нормирование сопротивления влагопередаче наружных ограждающих конструкций неотапливаемых производственных сельскохозяйственных зданий 62

2.1. Анализ аналогии процессов переноса теплоты и влаги через на ружные ограждения 62

2.1.1. Использование аналогии процессов тепло- и влагопереноса для расчета требуемого сопротивления влагопредаче 62

2.1.2. Аналитическое определение коэффициентов влагопроводности строительных материалов в шкале потенциала влажности 67

2.2. Ограничения при расчете сопротивления влагопередаче наружных

ограждений 71

2.2.1. Ограничения по использованию энергии 72

2.2.2. Ограничения по интенсивности естественной вентиляции 76

2.2.3. Ограничения по влажностному режиму многослойных конструкций 80

2.3. Нормирование величины сопротивления влагопередаче 81

2.3.1. Общий методический подход 81

2.3.2. Коэффициент влагообмена внутренней поверхности ограждения 83

2.3.3. Методика расчета коэффициента влагообмена 87

2.4. Анализ зависимостей по расчету потенциала влажности 89

Выводы по главе 2 92

ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования тепловлажностных характеристик внутренних поверхностей ограждающих конструкций 94

3.1. Объект исследования и план проведения экспериментов 94

3.2. Характеристики контрольно-измерительных средств 97

3.3. Проверка результатов наблюдений на соответствие их нормальному закону распределения 99

3.4. Определение необходимого количества измерений 103

3.5. Обработка результатов натурных экспериментов

3.5.1. Результаты обработки температурно-влажностных параметров 106

3.5.2. Экспериментальное определение разности потенциалов влажности 111

Выводы по главе 3 115

ГЛАВА 4. Методика расчета теплофизических характеристик наружных ограждений неотапливаемых производственных сельскохозяйственных зданий 117

4.1. Общие положения 117

4.2. Теплоустойчивость наружных ограждений неотапливаемых сельскохозяйственных зданий 119

4.3. Расчетные параметры наружного и внутреннего воздуха 123

4.4. Методика расчета теплотехнических характеристик наружных ограждений неотапливаемых сельскохозяйственных зданий 126

4.5. Методика расчета влажностного режима наружных ограждений неотапливаемых сельскохозяйственных зданий 128

4.6. Расчет теплофизических характеристик теплового контура неотапливаемых сельскохозяйственных зданий при реконструкции

4.6.1. Общие исходные данные 129

4.6.2. Анализ теплового баланса коровника 132

4.7. Расчет влажностного режима наружных ограждений 137

4.8. Анализ результатов реконструкции теплового контура здания коровника 146

4.9. Влияние влажности материала на долговечность конструкций 151

4.10. Эффективность инженерных решений по управлению параметрами микроклимата 154

Выводы по главе 4 157

Выводы по диссертации 159

Список литературы

• Физиобиологические требования к параметрам микроклимата
• Использование аналогии процессов тепло- и влагопереноса для расчета требуемого сопротивления влагопредаче
• Проверка результатов наблюдений на соответствие их нормальному закону распределения
• Методика расчета теплотехнических характеристик наружных ограждений неотапливаемых сельскохозяйственных зданий

Введение к работе

Актуальность исследования. Современные тенденции развития отечественного сельского хозяйства направлены как на создание высокомеханизированных крупных комплексов, так и мелких индивидуальных хозяйств, что расширяет диапазон требований к снижению общей энергоемкости сооружений, к повышению экономической эффективности производства.

Производственные сельскохозяйственные здания (ПСЗ) относятся к самостоятельному классу сооружений по нормированию и расчету систем обеспечения параметров микроклимата (СОМ) и представляют собой единый биоэнергетический и архитектурно-строительный комплекс. Во-первых, наличие постоянных физиологических и биологических тепловыделений изменяет основную функцию теплового контура здания, сводя ее к нормированному рассеиванию явных тепловыделений. Во-вторых, утилизация физиологических и биологических выделений теплоты животными, птицами, хранящимся сочным растительным сырьем позволяет отказаться от подачи в помещение искусственно генерируемой теплоты, т.е. рассматривать их как неотапливаемые. В-третьих, теплофизические характеристики материалов наружных ограждений в процессе круглогодичной эксплуатации помещений с естественными источниками энергии должны соответствовать заложенным при проектировании параметрам. Перечисленные особенности динамики формирования параметров микроклимата в неотапливаемых ПСЗ показывают, что температурный, влажностный и воздушный режимы помещений и наружных ограждений данного класса зданий не могут быть рассчитаны по рекомендуемым методикам для гражданских и промышленных зданий. Отсутствие учета указанных особенностей при проектировании сельскохозяйственных зданий приводит к непредсказуемым отклонениям реальных параметров микроклимата от расчетных, необоснованному применению искусственно генерируемой энергии, неизбежному снижению количественных показателей результатов сельскохозяйственного производства.

Использование ПСЗ как неотапливаемых без негативного влияния на теплозащитные свойства ограждающих конструкций возможно только за счет разработки методов расчета процессов тепло- и массопереноса в ограждающих конструкциях с выявлением и количественным обоснованием расчетных теплофизических характеристик строительных материалов для одновременного поддержания как температурных, так и влажностных режимов в помещениях.

Степень разработанности темы исследования. Теоретическими основами диссертационного исследования являются работы, посвященные проектированию энергосберегающих сельскохозяйственных зданий, авторов:

А.Г. Егиазарова, В.И. Бодрова, В.М. Валова, и др.; работы, связанные с изучением вопросов влагопереноса в наружных ограждениях зданий, авторов: В. А.В. Лыкова, Н. Богословского, К.Ф. Фокина, В.Г. Гагарина и др; работы, посвященные развитию теории и практики потенциала влажности Б.В. Абрамова, В.Н. Богословского, В.И. Бодрова, В.Г. Гагарина, А.Н. Гвоздкова, СВ. Корниенко, М.Н. Кучеренко, А.В. Лыкова, А.С. Микшера, А.Г. Перехоженцева, Е.И. Тертичника.

Целью диссертационного исследования является обеспечение расчетных теплофизических характеристик теплового контура неотапливаемых производственных сельскохозяйственных зданий путем разработки методики нормирования и расчета теплофизических характеристик наружных ограждений сельскохозяйственных зданий как единых биоэнергетических комплексов на основе полного термодинамического потенциала переноса фаз (потенциала влажности) с обоснованием эффективности объемно-планировочных, конструктивных и технологических решений по созданию и управлению параметрами микроклимата.

Задачи исследования:

1. Оценить особенности формирования температурно-влажностных параметров микроклимата в неотапливаемых производственных сельскохозяйственных зданиях как единых биоэнергетических комплексах; сравнить известные теории влагопереноса через наружные ограждения и выявить наиболее полно учитывающую процессы переноса влаги в многослойных конструкциях при стационарных и нестационарных условиях; провести анализ разработанных ранее методов нормирования и расчета сопротивлений тепло- и влагопередаче наружных ограждений применительно к производственным сельскохозяйственным зданиям.

2. Обосновать и разработать методику нормирования требуемого сопротивления влагопередаче наружных ограждений неотапливаемых производственных сельскохозяйственных зданий, основанную на теории потенциала влажности.

3. Получить графоаналитические зависимости для расчетов значений коэффициентов влагопроводности строительных материалов в шкале потенциала влажности в однослойных и многослойных конструкциях наружных ограждений.

4. Провести натурные исследования по определению перепадов потенциалов влажности внутреннего воздуха и внутренних поверхностей ограждающих конструкций в холодный период года, необходимых для нормирования сопротивлений влагопередаче теплового контура неотапливаемых производственных сельскохозяйственных зданий.

5. Разработать методику расчета влажностных характеристик наружных ограждений при проектировании и реконструкции производственных сельскохозяйственных зданий, использующих естественные источники энергии.

Объектом исследования является энергоэффективность производственных сельскохозяйственных зданий различного функционального назначения как самостоятельного класса сооружений по нормированию и расчету теплофизических характеристик наружных ограждающих конструкций.

Предметом исследования является температурный и влажностный режимы помещений и наружных ограждений производственных сельскохозяйственных зданий как единых биоэнергетических комплексов с минимизацией (вплоть до нулевой) использования искусственных источников энергии системами обеспечения параметров микроклимата.

Научная новизна результатов исследования:

5. Разработан метод нормирования и расчета сопротивления влагопередаче в шкале потенциала влажности по нормируемому удельному потоку влаги через наружные ограждения неотапливаемых производственных сельскохозяйственных зданий с естественными источниками энергии, включающий аналитическое определение коэффициента влагообмена на внутренних поверхностях наружных ограждений.

6. Получены аналитические зависимости для расчета коэффициентов влагопроводности любого строительного материала в шкале потенциала влажности для однослойных и многослойных конструкций наружных ограждений.

7. В результате натурных экспериментальных исследований получены графические и аналитические зависимости для определения перепада потенциалов влажности внутреннего воздуха и внутренней поверхности ограждающей конструкции.

8. Разработана инженерная методика расчета влажностных характеристик наружных ограждений неотапливаемых производственных сельскохозяйственных зданий.

Методологической основой диссертационного исследования являются: аналитическое обобщение известных научных теоретических результатов; использование аналогии процессов тепло- и влагопереноса; планирование эксперимента и обработка экспериментальных данных методами математической статистики.

Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК: 05.23.03 - «Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение» пункту 5 «Тепловой,

воздушный и влажностный режимы зданий различного назначения, тепломассообмен в ограждениях и разработка методов расчета энергосбережения в зданиях».

Практическая значимость результатов исследования. Для производственных сельскохозяйственных зданий разработан новый подход комплексного проектирования, конструирования и эксплуатации систем обеспечения параметров микроклимата, пригодный как при новом проектировании, так и при реконструкции объектов. Снижение расходов энергии в круглогодичном цикле эксплуатации достигается за счет обеспечения теплофизических характеристик наружных ограждений путем учета функционального назначения помещений и технологий производства; полной утилизации физиобиологической явной теплоты; всестороннего использования естественных источников энергии, в том числе естественной аэрации.

Внедрение результатов исследования. 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 Тольяттинского государственного университета по дисциплинам «Тепловая защита зданий» и «Теплоэнергосбережение». Технические предложения по реконструкции теплового контура здания коровника использованы при модернизации на ферме с.п. Васильевка.

Личное участие автора заключается в формулировании цели работы и постановке задач, в разработке методик теоретических исследований, в планировании и проведении экспериментальных исследований, обработке полученных результатов.

Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационного исследования доложены на следующих конференциях: Международ, науч.-технич. конференция студентов, магистрантов и аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» -Тольятти: ТГУ, 2009; Всеросс. науч.-практич. конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2009; Всеросс. науч.-практич. конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» - Екатеринбург: УрФУ, 2010; Междунар. науч.-практич. конференция «Строительная индустрия: вчера, сегодня, завтра» - Пенза: ПТУ АС, 2010; XIII Междунар. науч.-технич. конференция «Энерго- и ресурсосберегающие технологии в системах теплогазоснабжения и вентиляции» - Пенза: ПГУАС, 2011;

б

Международ, науч.-практич. конференция «Актуальные проблемы развития науки и образования» - М.: АР-Консалт, 2014.

Публикации. Основное содержание диссертационного исследования опубликовано в 12 работах, из них 4 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы (153 наименования), 9 приложений. Объем работы составил 160 страниц, включая 60 рисунков, 19 таблиц.

Физиобиологические требования к параметрам микроклимата

Для протекания процессов жизнедеятельности, роста животных и птиц необходима энергия, получаемая ими из корма. Производство продуктов животного происхождения (мяса, молока, яиц, шерсти) связано с превращением энергии.

В процессе метаболических превращений питательных веществ, а также в процессе мышечной работы, необходимой для поддержания жизнедеятельности, постоянно вырабатывается теплота, достаточная при благоприятных условиях для поддержания температуры тела, характерной для животного или птицы определенного возраста и видовой принадлежности. Этого количества теплоты достаточно для поддержания постоянной температуры тела, когда условия микроклимата таковы, что отданное окружающей среде количество теплоты не превышает выработанное организмом. В противном случае в целях сохранения постоянства температуры организм использует часть энергии своей жизнедеятельности на работу систем терморегуляции [125].

Когда организм животных и птиц находится в тепловом равновесии, размеры теплопродукции и теплоотдачи, связанной и не связанной с испарением, а также взаимосвязь между ними изменяются в зависимости от температуры окружающей среды. Качественно эти изменения показаны на рисунке 1.1 [6].

На основании закона Фурье не связанную с испарением отдачу теплоты животными можно изобразить прямой, которая с повышением внешней температуры пропорционально снижается и пересекает ось абсцисс в точке TR. Температура в точке TR равна ректальной (температура в прямой кишке животного), а если учесть, что в таких случаях между животным и окружающей средой нет температурных различий, то отсутствует и не связанная с испарением отдача теплоты. На крутизну участков G–H, I–TR влияет много факторов, в том числе сопротивление теплопередаче тканей и покровов, терморегулированное поведение животного. Линия будет более крутая, если работа механизмов теплосбережения минимальна (животное находится в теплом помещении – участок I–TR) или менее крутая (животное находится в помещении с низкой температурой воздуха – участок G–H), когда для сохранения постоянной температуры тела животное использует процессы теплосбережения.

Если теплоотдача, связанная с испарением, изменяется в соответствии с изменением разницы между теплопродукцией и не связанной с испарением теплоотдачей (участок K–L), то крутизна линии связанной с теплоотдачей схожа с крутизной линии отдачи теплоты не связанной с испарением, но имеет противоположную направленность. В условиях низких температур у животных имеется некоторая минимальная теплоотдача, связанная с испарением (участок J–K) через дыхательные пути и кожу.

Теплопродукция домашних животных отмечена на рисунке 1.1 участками А–В, В–C, C–D, D–E и E–F. Участок D–E называется термонейтральной зоной с оптимальной температурой внутреннего воздуха tвопт , С, в которой образованная в организме животного теплота теряется без дополнительных затрат энергии животными. Поэтому желательно стремиться поддерживать термонейтральный температурный режим для животных согласно их возрасту, вне зависимости от вре 19 мени года. Однако вопрос выбора оптимальной температуры в помещении осложняется экономическими показателями. Это связано с тем, что размеры капитальных вложений и стоимость эксплуатации отопительно-вентиляционного и охладительного оборудования, обеспечивающего постоянство температуры tвопт , практически всегда не покрываются тем приростом продукции, которого можно достигнуть с помощью оптимизации параметров микроклимата. На основании расчетов охлаждение свинарников при помощи специального оборудования окупается только в том случае, если свиньи, помещенные в охлаждаемое помещение, ежесуточно будут давать прирост массы на 0,3 кг больше, чем свиньи, помещенные в неохлажденное помещение [6]. Поэтому с точки зрения производства животноводческой продукции правильнее говорить об оптимальной производственной температуре tв, при которой производство животноводческой продукции наиболее экономично.

У каждого вида животных имеется такой температурный интервал (участок B–C), когда животное уже не способно больше увеличивать выработку теплоты (пиковая теплопродукция). Если температура окружающей среды и дальше снижается, то наступает гибель животного от переохлаждения (участок A–B).

При высокой температуре образующаяся в организме животного теплота удаляется с трудом за счет механизмов, способствующих теплоотдаче. При их отсутствии животное в течение короткого времени погибло бы от теплового удара.

Большую практическую значимость имеют факторы, влияющие на истинные значения верхних и нижних пределов критических температур (точки D и E на рисунке 1.1). К ним относятся теплотехнические свойства кожного покрова; количество потребления питательных веществ (с увеличением потребления питательных веществ, увеличивается теплопродукция животных и их организм в состоянии перенести более низкую температуру окружающей среды без необходимости ее повышения); адаптация животных (при длительном воздействии холода или теплоты изменяется критическая температура тела животных, причем при содержании в холодных условиях она снижается, в теплых – увеличивается [61, 81, 93, 94, 109]); соотношение площади поверхности тела животного и его массы (у взрослых животных на единицу массы приходится меньше поверхности, которая может охлаждаться); скорость движения воздуха (с увеличением скорости движения воздуха у животных увеличивается неизбежная потеря теплоты, и, соответственно, повышается нижняя критическая температура); величина групп (у животных, содержащихся группами, нижняя критическая температура ниже, чем у животных, которые содержатся в одиночку); теплообмен излучением (нижняя критическая температура повышается из-за низких температур ограждающих конструкций; эффект, полученный только за счет излучения теплоты, уменьшает критическую температуру); теплотехнические свойства пола (при одинаковой теплопродукции для животных, лежащих на полу с худшей теплоизоляцией, нижняя критическая температура выше (табл. 1.3)). На рисунке 1.2 показано влияние качества пола на нижнюю критическую температуру для свиней массой 40 кг [6].

Для решения инженерных задач при определении режимов хранения картофеля и овощей достаточно макроскопического уровня анализа. На этом уровне имеют значение феноменологические законы, описывающие поведение продуктов в условиях воздействия внешней среды.

Использование аналогии процессов тепло- и влагопереноса для расчета требуемого сопротивления влагопредаче

Проведение аналитических исследований по расчету сопротивления влаго-передаче наружных ограждений неотапливаемых производственных сельскохозяйственных зданий вызвано особенностями формирования температурно-влажностных параметров в данном классе сооружений при круглогодичной эксплуатации. В результате исследований должны быть получены новые или уточнены имеющиеся методики расчета влажностного режима теплового контура зданий на основе полного термодинамического потенциала фаз (потенциала влажности).

Физико-математическое обоснование теории потенциала влажности основывается на единстве явлений тепло- и массообмена. В исследованиях [12, 18, 73] доказана возможность применения классических термодинамических представлений к явлениям переноса вещества.

Использование аналогии процессов тепло- и влагопереноса для расчета требуемого сопротивления влагопередаче Проведем теоретическое сопоставление особенностей динамики тепло- и влагопереноса между воздухом и поверхностью строительных конструкций, приняв в качестве основной функции механизма влагопереноса разность потенциалов влажности.

Теплопроводность и влагопроводностъ. Основной закон теплопроводности (закон Фурье) устанавливает прямую пропорциональность между удельным пото-ком теплоты q, Вт/м , и градиентом температур:

Рассмотрим однослойную плоскую стену толщиной 8 с коэффициентом теплопроводности X и коэффициентом влагопроводности % (рисунок 2.1). Температуры и потенциалы влажности на внутренней и наружной поверхностях стены равны, СООТВеТСТВеННО, Тв.п, Тн.ш в.п, н.п Зависимости (2.1) и (2.2) для слоя толщиной dx можно привести к виду:

Рассмотрим процессы тепло- и влагопередачи через плоскую однослойную стену с коэффициентом теплопроводности X и коэффициентом влагопроводности X (рисунок 2.2). Температуры и потенциалы влажности внутреннего и наружного воздуха равны, соответственно, tB, tH, @в, н, коэффициент теплоотдачи внутрен-ней поверхности стены составляет ав, наружной поверхности ан, Вт/(м -С), коэффициенты влагообмена внутренней и наружной поверхностей стены равны Вв и В, кг/(ч-м -В).

Передача теплоты в рассматриваемом примере при постоянном удельном тепловом потоке q, Вт/м , складывается из теплоотдачи от внутреннего воздуха внутренней поверхности стены, теплопроводности через стену и теплоотдачи от наружной поверхности стены наружному воздуху.

Тепло- и влагопередача через плоскую стену Величина, стоящая в знаменателе уравнения (2.10), представляет собой со-противление теплопередаче глади ограждения и обозначается Ко, м -С/Вт. Величина RQ оценивает теплозащитные характеристики ограждения и показывает разность температур в градусах, при которой через 1 м ограждения проходит 1 Вт теплоты.

Рассмотрим физические явления при процессе влагопередачи через плоскую однослойную стену. Процесс влагопередачи осуществляется в три этапа: влаго-обмен внутреннего воздуха с внутренней поверхностью стены; влагопроводность через стену; влагообмен наружной поверхности стены с наружным воздухом. Запишем соответствующие закономерности переноса влаги за счет разности потенциалов влажности между внутренним и наружным воздухом в холодный период года, учитывая равенство удельных потоков влаги / в каждом из трех указанных этапов.

Величина сопротивления влагопередаче i?n „ оценивает влагозащитные ха рактеристики наружных ограждений и показывает количественно разность потенциалов влажности А0, В, при которой через 1 м стены в течение 1 ч передается 1 кг влаги.

Аналитическое определение коэффициентов влагопроводности строительных материалов в шкале потенциала влажности Имеется ограниченное количество конкретных значений коэффициентов влагопроводности строительных материалов в шкале потенциала влажности. На основе экспериментальных данных приводятся графические зависимости х(н) для красного кирпича и пенобетона (рисунок 1.17).

Для возможности практического применения зависимости (2.17) определенный интерес представляет аналитический способ определения коэффициента влагопроводности х, кг/(м-ч-В), для любого строительного материала в шкале потен 68 циала влажности. Вывод зависимости осуществлялся, исходя из равенства удель ного количества влаги і, кг/(м -ч), проходящего сквозь плоскую стену площадью 1 м , рассчитанного на основе двух теории влагопереноса в ограждающих конструкциях зданий: теории диффузии водяного пара; теории потенциала влажности [А1, А10].

На основании формулы (2.21) на рисунке 2.3 построена графическая зависимость между коэффициентом влагопроводности пенобетона % и разницей потенциалов влажности внутреннего и наружного воздуха А0, В. Значения упругости водяного пара еъ и потенциала влажности внутреннего воздуха 0В рассчитывались при tB = 20 С и фв = 55 % по зависимостям (1.31) и (1.53... 1.56), соответственно. Величины ен и 0Н вычислялись при температурах наружного воздуха tH = = 10...-50 С и значении относительной влажности наружного воздуха фн = 80 %, характерном для наиболее холодного месяца в большинстве городов России. Из сравнения графических зависимостей, изображенных на рисунке 1.17 [18] и ри Х Ю , кщм ч В) 2,1

Зависимость коэффициента влагопроводности пенобетона от разности потенциалов влажности внутреннего и наружного воздуха сунке 2.3, вытекает, что значения коэффициентов влагопроводности пенобетона %, кг/(м-ч-В), полученные экспериментальным [18] и аналитическим путем по (2.21), имеют достаточную сходимость и лежат в пределах от 1,0-10 до 2,5-10 кг/(м-ч-В).

Проверка результатов наблюдений на соответствие их нормальному закону распределения

Таким образом, не представляется возможным определять аналитически коэффициент влагообмена Р, а, следовательно, и требуемое сопротивление влагопе-редаче наружных ограждений производственных сельскохозяйственных зданий Rт р по зависимости (2.30).

Методика расчета коэффициента влагообмена Неотапливаемые производственные сельскохозяйственные здания по нормированию теплофизических характеристик теплового контура выделены в специальный класс (раздел 1.4). Особенностью формирования в них температурно-влажностных параметров микроклимата является как наличие постоянных круглогодичных явных тепловыделений теплоты, так и постоянных биологических и физиологических выделений влаги от животных, птиц, хранящейся продукции (раздел 1.5, приложение А). Поэтому через наружные ограждения должна удаляться не только избыточная теплота, но и накапливающаяся в помещении влага. Расчет количества физиологической и биологической влаги, выделяемой животными, птицей, сочным растительным сырьем Gвл, кг/ч, приведен в разделах 1.4, 1.5. Определение дополнительного количества испаряющейся в помещении влаги от навоза, помета, подстилки, пола, поилок, систем навозоудаления Сд , кг/ч, дано в [21, 24]. Общее количество выделяемой в воздух помещения влаги составляет:

Естественная вентиляция производительностью Сгн min, кг/ч, (Lн. min, м ч), определяемой по (1.17), обеспечивает в расчетных условиях удаление выделяющихся водяных паров до температуры наружного воздуха f, С, начиная с кото-рой в помещении наблюдается дефицит теплоты (формула 1.19, рисунок 2.5). В этот интервал времени (до 15 суток в год), когда t f, подача наружного возду-ха практически прекращается. В помещении начинает скапливаться влага, относительная влажность воздуха повышается практически до фв = 95…100 %, происходит интенсивная конденсация водяных паров на внутренних поверхностях ограждений, увлажнение последних и образование наледи на окнах. Именно данные экстремальные температурно-влажностные условия в помещениях неотапливаемых производственных сельскохозяйственных зданий и сооружений следует принимать за расчетные.

Полученная аналитическая зависимость (2.40) по определению коэффициента влагообмена Р однозначно характеризует требуемую интенсивность влаго обмена на внутренних поверхностях наружных ограждений [A4]. Она взаимоувязывает температурно-влажностные параметры среды и наружных ограждений (Д0н, В): с объемно-планировочными и конструктивными решениями зданий (F, м ); с технологией производства, видом животных, птиц, хранящегося сырья, режимами эксплуатации (Gо , кг/ч).

Рассчитанные по (2.30) значения требуемого сопротивления влагопередаче Rт р, м -ч-В/кг, однозначно характеризуют и учитывают индивидуальные особен 89 ности каждого из видов неотапливаемых производственных сельскохозяйственных зданий и сооружений, их индивидуальное функциональное назначение.

Анализ зависимостей по расчету потенциала влажности Расчет значений потенциалов влажности , В, может быть осуществлен на основе аналитических зависимостей (1.48… 1.52) и (1.53… 1.56), представленных в работах [11] и [69]. С целью дальнейшего использования одной из указанных зависимостей нами был проведен сравнительный анализ результатов, рассчитанных по формулам (1.48…1.52) (потенциал 1, В) и (1.53… 1.56) (потенциал 2, В) для воздуха на основе климатических данных г. Тольятти [A7]. Исходные данные получены в Тольяттинской специализированной гидрометеорологической обсерватории (приложение Б). Расчет потенциалов влажности наружного воздуха проводился по среднесуточным значениям температуры tн, C, и относительной влажности н, %, наружного воздуха для периода с 1997 по 2007 гг.. Расчет по зависимостям (1.48…1.52) осуществлялся без учета последних двух слагаемых ввиду незначительного их влияния на конечные результаты (невязка до 4 %).

На основании выполненных расчетов 1 и 2, В, были построены зависимости годового хода потенциалов влажности наружного климата г. Тольятти (рисунок 2.12). Из представленных графиков можно сделать вывод, что значения потенциалов влажности наружного воздуха н, В, вычисленные как по зависимо 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 г. Тольятти стям (1.48... 1.52), так и по зависимостям (1.53... 1.56) в холодный период года практически совпадают. Это подтверждает возможность использования в инженерных расчетах влажностного режима ограждений производственных сельскохозяйственных зданий обеих видов зависимостей. Расхождения значений потенциалов влажностей в теплый период года были обусловлены влиянием на величину потенциала влажности солнечной радиации, которая не учитывалась нами при расчете характеристик \.

Зависимости потенциалов влажности і и 2 от температуры наружного воздуха tH, С, и его относительной влажности фн, %, в г. Тольятти даны на рисунках 2.13...2.16. Где также наблюдается достаточная для инженерных расчетов сходимость полученных результатов значений потенциалов влажности і и 2, рассчитанных по предлагаемым аналитическим зависимостям. Максимальная невязка для холодного периода года не превышает 12,2 % при фн = 50 %; 10,8 % при фн = 60 %; 9,2 % при фн = 70 %; 8,6 % при фн = 80 %.

Поскольку величина потенциала влажности будет применяться при расчете ограждающих конструкций сельскохозяйственных зданий в холодный период года, а расчет по формулам (1.48... 1.52) ограничен температурой воздуха tH = = -20 С, в дальнейших расчетах будем использовать зависимости (1.53... 1.56), пригодные для определения значений потенциалов влажности воздуха в любых диапазонах температур и относительных влажностей.

Методика расчета теплотехнических характеристик наружных ограждений неотапливаемых сельскохозяйственных зданий

На рисунках 4.9 и 4.10 приведены графики распределения потенциалов влажности в толще многослойной наружной стены и бесчердачного покрытия после реконструкции, построенные с учетом постоянства значений потенциалов влажности на границах слоев, полученных для условной однослойной конструкции. Как видно из графиков, значения потенциалов влажности в толще наружных ограждений изменяются от величины 0в до 0н. При этом наибольшая разность потенциалов наблюдается в слое железобетона, имеющего наименьшее значение коэффициента влагопроводности, а наименьшая - в слое утеплителя, коэффициент влагопроводности которого наибольший по сравнению с остальными слоями рассматриваемой конструкции.

По результатам расчета проверяется выполнение необходимого требования по влажностному режиму (R,0 Rт р):

Таким образом, ни существующие наружные ограждения реального коровника, ни предложенные при реконструкции ограждающие конструкции не обеспечат удаление излишек влаги в атмосферу, что говорит о необходимости применения других строительных материалов для выполнения наружных стен и покрытия, либо использования систем вентиляции или осушения внутреннего воздуха.

Проведенная реконструкция (утепление теплового контура) здания коровника в с. Васильевка Самарской области позволила увеличить период его эксплуатации без систем отопления с поддержанием расчетных параметров воздуха в помещении за счет утилизации естественной физиологической теплоты, выделяемой животными. С точки зрения энергосбережения при реконструкции соблюдены все необходимые условия, и наружные стены и бесчердачное покрытие конструктивно удовлетворяют теплотехническим требованиям.

Однако реконструкция теплового контура здания оказалась нецелесообразной в плане поддержании требуемого влажностного режима помещения. Согласно проведенным расчетам при отключении систем вентиляции в период с температурой наружного воздуха ниже tнр в помещении коровника будет накапливаться выделяемая животными влага, поскольку материалы наружных ограждений не являются достаточно влагопроводными, чтобы обеспечить удаление необходимого количества влаги. Это в результате приведет к увлажнению ограждающих конструкций с последующим увеличением их коэффициентов теплопроводности и длительным периодом естественной сушки, а, следовательно, к увеличению трансмиссионных теплопотерь и нарушению температурного режима в помещении.

Следовательно, на стадии проектирования неотапливаемых производственных сельскохозяйственных зданий необходимо с теплофизической точки зрения рассчитывать и подбирать конструкции наружных ограждений с учетом рассеивания влаги. Ниже приводится пример расчета наружных стен и бесчердачного покрытия коровника выполненных из дерева. Расчетные параметры внутреннего воздуха: tB = 10 С, фв = 60 %; наружного: tH = -30 С, фн = 84 %.

Далее рассчитывается коэффициент влагопроводности %, кг/(м-ч-В), для однослойной наружной стены из дерева по (2.21): Y =(е -е )ц /(0 -0 )= (736,8-220)0,32-10 б/(12,3-7,2) = 32,43-10 б кг/(м-ч-В).

Из сравнения результатов влажностных расчетов наружной стены, выполненной из железобетона и дерева, имеем: величина приведенного сопротивления влагопередаче деревянной конструкции в 20 раз меньше, чем железобетонной (iC = 7092 м -ч- В/кг; кпп = 142255 м -ч- В/кг).

Таким образом, необходимо предусматривать наружные ограждающие конструкции из строительных материалов, обладающих большим коэффициентом влагопроводности %, чтобы через них в рассматриваемый период эксплуатации удалялись излишки влаги. В частности, коэффициент влагопроводности дерева в раз больше, чем у железобетона (хд = 32-10 кг/(м-ч- В), Хж/б = 5-Ю кг/(м-ч-В)). Следовательно, использование дерева для выполнения наружных ограждений предпочтительней.

Применение влагопроницаемых ограждающих конструкций животноводческих, птицеводческих зданий, хранилищ СРС позволяет использовать их как неотапливаемые даже в холодный период года, когда температура наружного воздуха tH ниже условной f, за счет практически полного отключения систем вентиляции и удаления избытков влаги через наружные стены и покрытия. Согласно проведенным расчетам наружные ограждения из влагопроницаемых материалов полностью удовлетворяет теплотехническим требованиям.

Экономическая эффективность производственных сельскохозяйственных зданий с влагопроницаемыми наружными ограждениями, в частности из дерева, достигается за счет повышения теплозащитных качеств ограждающих конструкций в результате предотвращения их увлажнения и поддержания круглогодичного влажностного режима ограждений при расчетных условиях; уменьшения затрат на искусственные системы обеспечения микроклимата.

Отрицательное влияние повышенной влажности материалов ограждающих конструкций на их морозо- и термостойкость общеизвестно и бесспорно [29, 31, 71, 114, 119, 120, 132, 133, 150, 153]. Повышенным значениям влажности материалов наружных ограждений способствуют специфические особенности параметров микроклимата животноводческих и птицеводческих помещений, хранилищ сочного растительного сырья. При высоких значениях относительной влажности внутреннего воздуха как на внутренних поверхностях, так и в толще ограждений возможно выпадение конденсата, который впитывается материалом. После насыщения ограждений влагой конденсат продолжительное время сохраняется на их внутренних поверхностях. Ограждения, имеющие плотные фактурные слои, за лето не просыхают до равновесной влажности и остаются на зиму переувлажненными. Поэтому влажность материалов наружных ограждений животноводческих зданий в 1,5…2,0 раза превышает норму. По результатам натурных исследований [32], влажность стен из ячеистого и легкого бетонов к концу зимы достигает, соответственно, 24…30 % и 15…19 %, кирпичных стен – 27,8 %. Это ведет в условиях знакопеременных температурных воздействий к резкому снижению морозостойкости и общей долговечности конструкций. Как правило, наибольшие разрушения наблюдаются во внутреннем фактурно-защитном слое ограждений: трещины, отслаивание, шелушение и т.п.

В то же время недостаточно изученным является фактор влияния агрессивных газов (углекислый газ, хлор, сероводород, аммиак) на долговечность ограждающих конструкций. Газы, растворяясь во влаге ограждающих конструкций, образуют водные растворы. Над этими растворами происходит понижение давления насыщенного пара, что обусловлено осмотическими свойствами растворов. Повышенная разность давлений над раствором и парциальным давлением водяного пара увеличивают поглощение влаги из воздуха. Установлено, что присутствие хлористых солей в ограждающих конструкциях увеличивает их влажность на 5…7 % даже при нормальном влажностном режиме помещений [103].

Водяные пары вместе с молекулами хлоропроизводных, проникая внутрь ограждающих конструкций, взаимодействуют с материалами элементов этих конструкций, вызывая коррозию. Коррозия несущих ограждений охватывает как цементную часть бетона, так и металлическую часть конструкций, что приводит к снижению их прочности и долговечности. В качестве примера на рисунке 4.14 приведены результаты имеющихся в литературе расчетов влияния водопроводной воды и воды с различным содержанием NaCl на коррозию арматуры в бетоне [103].