автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Исследование теплового режима полов животноводческих помещений в климатических условиях зоны максимальной продуктивности животных

МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО'С*РОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ им. В. В. КУЙБЫШЕВА

На правах рукописи

697.1:692.53:536.2

МИЗИН Станислав Вильевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ПОЛОВ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ПОМЕЩЕНИЙ В КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ЗОНЫ МАКСИМАЛЬНОЙ ПРОДУКТИВНОСТИ животных

05.23.03. — Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение, акустика и осветительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степей» кандидата технических наук

Москва — 1992 г.

Диссертационная работа выполнена в Московском инженерно-строительном институте им. В. В. Куйбышева

Научный руководитель — к.т.н., проф. Егиазаров А. Г.

Официальные оппоненты — д.т.н., проф., Гикдоян А. Г. к.т.п., доц. Кушнырев В. И.

Ведущая организация — ГПИ «Целиигипросельхоз»

Защита состоится 1992 г. в -г-' _ часс

на заседании специализированного совета Д 053.11.07 в Московской I женерпо-строителыюм институте им. В. В. Куйбышева по адресу: 12931 Москва, Ярославског шоссе, д., 26, МИСИ им. В. В. Куйбышева, ауд._

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Просим Вас принять участие в защите и направить Ваш отзыв по а ресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, МИСИ им. В. В. Куйбышева, Ученый совет.

Автореферат разослан « Т^РоА? <-? __ 1992 г.

АА

Ученый секретарь специализированного совета д.т.н., проф.

Хаванов П. А.

уд л г. .с::;:;: •; j -■-f;i;

к^^ШиШь"'Работ». Потери тепла через полы животноводческих метений составляют до 30 % от общих теплопотерь. Процесс теи-юаредачи через полы на грунте животноводческих зданий носта-юнарен. Нестацнонарноо гь обусловлена тепловым взаимодействием гоотного с конструкцией пола, а также нестационаршш цикличоо-ш характером изменения температуры наружного воздуха.

В настоящее вреш в нормативной литературе предлагав тс л метод асчета теплопотврь через полы иа грунте, основанный на отацио-арной схеме процесса теплопередачи. Рекомендуемые сопротивления еплопёредачи соответствуют величинам тепловых иотоков, получе-» мм В.Д. Мачинским в IS3® г. . '

Исследованию процаоса теплопередачи чорез полы на грунте поо-зещены работы С.Н. Ковнера, В.Д. Мачинского, O.E. Власова, О.Н. Иорина, которые рассматривают стационарные задачи. 9 работах h.k. Сандера, А.Г. Гшдояна, А.И. Фомичева решены' задачи, обусловленные нестационарным характером изменения температуры'наружного воздуха при граничных условиях 1-го рода. ■

При .'исследований процесса теплопередачи через полы на грунте нами предложен комшгакенш!. подход, с разработкой инженерной методики радчета теплопотврь с учетом влияния животного на распределение тепловых потоков на поверхности пола, а также решения вопросов, связанных с нормированием тэплотехиичбоких качеств полов в целях создания условий климатической зоны максимальной проективности кшзотннх.. ■• Цаль иоододоваиий;

1. Разработка методики расчета тешкжотерь через полы на грунте животноводческих пи.®¡пений;

2. Разработка рекомендаций по обеспечения теплотехнических качеств полов животноводческих помещений.

Ъиполнить математическое оаиоакие процесса теплопередачи чер полы на грунта животиово^аоих »омещавий о учат оЦ оквффики, о дерйашш и поведения.животных;" ,'т ' 4

3. Выявить основные варьируемые факторы, влияющие на процесо • ■ теплсдаредачи'через полы нагруат, ^алапазоиы варьировения факт! ров, ¿планировать а гсущестбятьЦ&тематичеокий эксшршвнт;.. ; ,

3. Создать алгоритм и лрограшу .расчетов на ЗЕИ тепловых, потоко! 4 'штвратурных полей кошгрукщй пола я массива грунта/яадтв! '¿о|о^веоким. здфяием.«а ооноэё матеыаяячвокой модели}"

4.-Провести натурные. исследования ^ аров^рить цравилбиОогь ыагв-м&тичвЬкой'^мадрли лроцеоса/'твялфмрэдачв.'черев йот «а грунта; б'. Установии; граница зона мпксвмавьЕой вродуктивйоо*и животных , ^•Йологении'лх лэха, в аазвси«оо.1ги ¿от твйлофивичвокиХ Харектерис

йой9Трукци1я<йола: 4 песте раойр^оления животного,' температуры ¿^т^н'йего'воэдуха йа ;оойаве Ьиимальнык ооотношайий оротавля-яйх;обхдегЬ■ те плКвого потока от животного;,. ■ ■ ', •' ч"; '■ • ■ ^¿^Ф^зра^тйь; и»тр!даку определение,йвиимальяой, "«гчвплЬтеэвдчво* кой "точки зреий.а. ^'Л'пдани. верхнегослоя иокрптяя пОла, при -к»то-». рой' отсутйтвуёт влияние, ложааих'ииже слоздконотрукции пола ¿ля . деунлэрйоЯ контккткой- задачи..'

Научная-' новизна. . Выполнено маУематичеоко* описание нвотеционЬр-него прбпвеса теплопередачи через полы натрунте югёотноводчаЬкях . лшещешй с учетом их спвщфхка. при граничных условиях 3-го рода. Разработана универсальная программа расчетов температурных полей конструкций пола и'массива грунта и локал&шх тепловых потоков на поверхности пола, £&зработан метод расчэта теплопотерь через йо.ты на грунте животноводческих помещений с учетом нестадионарнооти процесса теплопередачи. Решены вопросы, связшшые о нормированием

щлотехнических качеств долов на ооисье создания условий клима-¡чвокой зоны максимальной продуктивности животных. оактитеокое значение работы. Разработан более точный метод рао-эта теплопотврь через полы на грунте, подтверждении!! натурными соледовшишди, при использовании которого, доля теплопохерь через ол в среднем на 40 % меньше, чем по методика СНиП 2.04.05-86 . .ри использовании рекомендуемого метода расчета, предотавляется 08М0ЖНЫМ Еыбрагь конструкцию пола, обеспечивающую условия клима-:ичвокой зоны макошальной продуктивности животных. 'еалдзадия сезулътатов шботн. Разработанная методика теплотех-шческого раочеха полов ва грунте животноводческих помещений, «пользуется в практика лровктированяч институтом "Целингапро-. зельхоз", Для ряда хозяйств разработана рекомендации по устройству, полов с применением местных строительных Материалов, Объем работы. Диосэртадкониая работа состоит из введения, 4, глав, выводов, списка исиольэоьанноА.литературы 89 наименований и приложений. Работа изложена на 183 отраницах, включающих 97 стр. текста, 30 рисунков и 66 отр. приложений.

Апробация работы. Основные разделы работы доложены на: научно-технических конференциях прсфосорско-преподавательокого состава Целиноградского инженерно-строительного института .1987.- 1091 г. г. ; аоцирантском семинаре ла^одры Отопления и вентиляции Московского аняенерно-строцтельного инотит/та и:, В.В. КуНбышеаа в 1920 г. ; научном семинаре ка|едри Отоплендя и вентиляции Московского инхенерно-строите.'инрго.института т. В.В. Куйбышева в 1991 г. . . .

Публикация, Основные положения диссертация опуоликованн в 7 работах.

На защиту взносятся:

- физико-математическая.модель нестационарного процесса теплопередачи через долы на грунте животноводческих помещений;

- алгоритм щ программа расчета температурных полей конструкций пола и массива грунта под животноводческим зданием и локальн тепловнх потоков на поверхности пола; ', ;

- результаты исследования теплового режима полов животноводчес кого помещения на основе математического и' натурного экспери мента; . • .'■,.'.■'".' - •

- методика расчета теплопогерь через полы на'грунте животноводческих помещений и теплотехнического расчета.' ' .

Основное содержание работы. Во введении обоснована актуальное' темы, научная новизна,- практическое приложение результатов исс; дованш.' '': . " !■'•■." ..--'''

В первой главе, диссертации дан анализ работ различных авто] посвященных, исследовании таллового режима полов на грунте.: Пой зана целесообразность 'дальнейших доследований в целях; разрайои более;, точной методики расчета теплопотерь через поли на грунта -методики теплотехнического расчета полов:животноводческих помещений. ГЛ ".'.''■.'_' ' '. - - ■ ' .'//'' ^ . '•'

Во второй главе - дано .математическое, описание процесса теш передачи через полы* на грунте ,'которое.в соответствии о рис. ,1, о учетом, специфики давотноводаеских;помещений может, быть заст-: сано в елбрущем виде: '.'''■'']■, ■/" '■.-'■■,''-;. •-Ч;.''

При граничнах и начальных условиях ^ - '

Л(я)

Зт<ярп

¿4 - Т(о,х,Щ Г(а * хм+4- £4)>сс> (.¿ж- Т(а,яг.г-))' (аса*

сС3й(-¿г - Тсо^г)) (яеиг-л-за)>йс > (зсал-**

С 2 )

Г(хфоиг<х,Щ г?1'

( 3 )

На участке расположения животных предполагается с периодом ; часов.изменение положения животного в соответствии о тэорэти-шской функцией поведения, ^уикщы'иьменения температуры наруж-юго воздуха . представляется рядом шурье как по средне-

леоячным так и по срэднесуточнШ значениям.-

'Промерзании грунта вне здания, которое у наружной стены по глубина в среднем на 30 % ыенше, чем в свободном массиве грунта, оказывает влияний на величину теплового потока только первого пристенного участка иола риз.. I Промерзание грунта в постановке. задачи учитывается через коэффициенты" Л , с , р грунта в мерзлеы и талом состояний. Учесть фазониё'перехода вода грунта в лед возможно, используя принцип эквивалентности воздействия. Однако, в пзриод наступления наиболее холодного месяца «разовыми переходами можно пренебречь', так как скорость распространения узкого фронта раздела мерзлой и талой зон грунта в годовом цикле незначительна: '[-''■;■',

Так как. граничные, условия сложны и рассматривается нестади-

Рис. 1 Расчетная-схема к постановке задачи исследования процесса теплопередачи через пол на грунте

поведения

тарный процесс теплопередачи, то дои решения поставленной за-ачи использован метод математического моделирования с исполь-ованием ЭВМ. Принята явная разностная схема представления уравнения теплопроводности, как наиболее приемлемая по ограничению а шаг по временной координате и затратам машинного времени.

Во второй главе приводится блок-схема программы расчета тем-[ературных полей конструкций пола и массива грунта под животно-»одческими зданиями и локальных тепловых потоков на поверхности юла. Результаты расчета по разработанной программе при конкрет-шх граничных и начальных условиях проиллюстрированы на рис.2, 3.

В качестве основных варьируемых факторов, при планировании и осуществлении математического эксперимента, приняты следующие величины:

1. Коэффициент теплоотдачи на поверхности пола с границами изменения от 4 до 30 Вт/мС;

2. Температура внутреннего воздуха помещений с пределами варьирования от б до ¿5 "О,

*

3. Среднегодовая температура наружного воздуха, верхняя граница принята из условия отапляваемости животноводческого помещения, нижняя - наименьшая доя районов без вечномерзлых грунтов;

4. Комплекс' 3£ с £> . .связывающий теплоцмзические характеристики верхнего слоя конструкции пола в месте расположения животного с пределами варьирования от 15 до 70 кДк/м2- ч^ "С ;

5. Комплекс для грунта основания с пределами варьирования от 33 до 110 кДж/м2- ч1^ °0 .

В качестве функции отклика были определены.оледующ'е величины: '■• I. Плотность теплового потока от животного в конструкцию пола за первый чао пребывания животного лека: а) При регулярном режиме взаимодействия животного с полом;

Рис. 5' 1£афик зависимости "удального результирующего теплового потока на участках пола 2, 4 за восьыичасовой период щрирагулнрномрежимеззашлодейстзид животного с полом

Рис. 6 График зависимости удельного теплового потока на участке пола I при Д»=14,5 кДд/мЗч^/Зп

фафзки зависимости удельного теплового потока на участках

Рис. 8 при ° Bs = 14,5 кДк/ы2- ч1/-2'0

Еяс. 9 при ßi = Лю,8 кП»/ы2- ч1/2^

й) при начальном периоде взаимодействия животного с полом и установившемся температурным полем конструкций пола и массива грунта;

2. Плотность теплового потока от конструкции пола внутреннему воздуху'помещения'за первый час пребывания животного стоя;

3. Результирующий удельный тепловой поток на поверхности пола учаотков 2, 4 за'восьмичасовой период взаимодействия животного о полом при регулярном режиме взаимодействия животного о полом;

4. Плотность теплового потока на поверхности пола участков I, 3, ,5 при регулярном режиме взаимодействия животного о полом.

В результате осуществления полного факторного эксперимента приводятся уравнения регрессяии для соответствующих функций отклика, графическая интерпритация приведена на рис. 4, 5, 6, 7, 8,9. В третьей глава приведены результаты натурных исследований теплового.режима полов животноводческого здания расположенного в Целинограде^! области о двухрядным привязным содержанием животных.

Целью натурных лсс.:'эдова!шя являлась проверка математической модели процесса теплопередачи через полы на грунте животноводческих помещений. ■

Для чсследования температурного поля конструкций пола и массива грунта под животноводческим зданием, были заложены на глубину до трех метров хромель-копэлевые датчики температур в характерных сечениях животноводческого здания по его ширине рис. 10, работающие совместно о потенциометрами ЭШ-09-МЗ.

Результаты измерений температурного поля конструкций пола и массива грунта изображены на рис. 12 . Полученное температурное

поле характерно для'животноводческих зданий, с прогибом линий .

• » # ,

постоянной температуры под местами постоянного пребывания тавотных. Глубина воздействия животного на температурное поле массива грунта под.зданием за .стойловый период оказывается на глубине до

грех метров. При повышения глубины заложения..датчиков тешера-туры в характерных сечениях, значения измеряемых температур ; -стремятся к .значению среднегодовой, температуры наружного воздаха С целью измерения плотности теплового потока на поверхности пола в характерных сечениях, использовались специально изготовленные и оттарированные тепломеры, работающие совместно с. потен, -одометрами." -

В результате обработки данных натурных наблюдений получена .зависимость, показывающая изменение во времени величины и направления теплового потока на поверхности пола в характерных"сечениях животноводческого здания.

В главе описывается сопоставительный анализ результатов на-, турных наблюдений и результатов математического моделирования о использованием ЭВМ для условий натурных наблюдений. 1)эа^ичвскея ■ и..лосграцир данных натурных исследований и результатов расчета .. . по разработанной программе приведена на рис. 12, 13. В четвертой главе приводится полученные'соотношения составляющих общего теплового потока от животного, при.котором обесгшчивагя'он условия климатической .зоны'максимальной продуктивности животных--•в положении лежа. Доя животных массой 500 кг- зто'соотношение . будет, следующим: ;■.'.' .' -'. .' ..- . ■"'■ ;

;; ; О."- '.¿б: 33 ' : "Г С 4 >

Из, которого следует, что для.создания условий климатической -' зоны максимальной продуктивности животных- теплопотери о« кивот-ного в конструкцию пола должны быть не более 11 % от допустимого :эоогигиеничеокого уровня'общей теплоотдачи. ' у.-'

• В четвертой главе приводятся рекомендации по утеплению пола.. • животноводческих ломэщений. ■■ '

$гог>

ЗОЮ

¿500.

Рис »'10 Схема установки первичных преобразователей

температур и тепловых потоков : '

I, 2, 3 - участки пола с характерной конструкцией ;

4 первичные преобразователи температур;

5 - первичные преобразователя тепловых потоков

Рис .! II Состав конструкций участков пола 1, 2, 3 ; А - конструкция пола участка I; Б - конструкции пола участка 2; Вконструкция пола участка 3; I - бетоя, Л «1,86 Вт/(м °С), с ;еС,84 кД^/<кг"С);: 2. - щебеночный слои Л « 1,05 , с =0,ВЗ;

3 - дощатый настил ■ «Я =0,23 , с =2,3 ; 4 - бетон -X = . с =0,84 ¡ 5 - грунт «Я »0,902 , С =1,15 •'

го

Рис. 12 Г^ра^их сопоставления расчетных данных температурного соля конструздий пола и массива грунта с данными натурных

1. " исследований • - /

I - в йрчении 2 ; 2 - в сечении 3;3-в сечения 4, в соответствии со схемой рис. 10 ' -—— - по данным натурных исследований — - расчетные данные

ро

Ы) 60

'м 0

■ -20

Тис.' 13 Г^а^ик сопоставления расчетных данных величины теплового потока на поверхности пода где располагается животное с данными 1 .■". натурных исследований

I - по даннш натурных исследований; 2 - расчетные данные { ¿в, вС* и1 ¿ж - значения постоянные в пределах соответствующего. отрезка времени) ; 3 - расчетные лапше■ (изменение эйачбний <<*,. и- ¿V* , ¿ж , - представлено рядом Фурье)

о

СО

¿ем ¿191. мт лма «газ* ¿ш ат

г-су)

Рис. 14 Фрагмент аппроксимации среднесуточных температур наружного воздуха рядом Фурье

В 1 шва приводится последовательность теплотехнического расчета полов на грунте животноводческих помещений.

Основные выводы

1. Натурные наблюдения в коровниках при стойловом содержании КРС позволяют сделать вывод что пол, как ограждающая конструкция 'зда ния, оказывает большое влияние на оовдю теплоотдачу животного в окружающую сред/ и , являясь составной частью общей теплоотдачи, требует более точного определения, чем это регламентировано действующими нормативно-техническими документами, расчеты по которым приводят к завышению этих величин, что влечет перерасход энергии на поддержание теплового баланса помещения и искажает .фактическую теплоотдачу животного по^. •

2. В связи с той, что конструкции пола в животноводческом поме-' щении неоднородны в силу специфики его назначения (стойла, проходы, пристенная зона) показана необходимость расчета теплопотер через полы конкретно через каждую конструктивную зону.

3. Отклонение величины теплоотдачи животного полу, находящихся в различных зонах стойл по всей площади помещения не превышает 5 %,

4. Аналиё теплового режима здания показал, что определяющими па-раметраш внешнего воздействия .климата на величину теолопотерь. будет являться: для пристенного участка пола - среднемесячная температура наружного воздуха; .идя всех остальных конструктивных зон, - среднегодовая .температура наружного воздуха. . '

5. ,При привязном содержании животных плотность теплового потока в система "жиаотноа-пол" при регулярно;.! режиме ц'аашодбйсхвия в 1,5-2 раза ниже в сравнении с начальна.! триодом, что следует иметь в виду при определении климатической .зоны максимальной

ПРОДУКТИВНОСТИ Ж.ИВ0Т1ШХ. "б. Условиям КШП животных в положении лежа соответствует ( 4 )

этнощение составляющих общего теплового потока от житного.

Величина теплопотерь через пол на грунте по предлагаемой тодике расчета в среднем на 40% меньше, чем по норматив-му методу.

Экономическая эффективность предлагаемой методики рас-га теплопотерь через полы на грунте животноводческих потений для условий Северного Казахстана составила 14,43 с. руб. по ценам на февраль 1991 г.

Список опубликованных работ по теме диссертации: Клопов И. И., Мизин С. В. Оптимизация уровня теплозащи-наружных ограждений животноводческих помещений в Сетом Казахстане. ЦИСИ, материалы НТК, Целиноград, 17 г.;

Мизин С. В. Разработка математической модели процесса лопередачи через полы животноводческих помещений. 1СИ, материалы НТК, Целиноград, 1988 г.;

Мизин С. В., Клопов И. И. Натурные исследования темпе-урного режима конструкций полов и массива грунта под вотноводческим зданием. ЦИСИ, материалы НТК, Целино-Д, 1989 г.;

Лизин С. В. Математическое моделирование процессов теп-ередачи через полы животноводческих помещений с ис-ьзованнем ЭВМ, ЦИСИ, материалы НТК, Целиноград, 0 г.;

Лизин С. В. Оценка достоверности математического моде-ования процесса теплопередачи через полы животноводче-х помещений по результатам натурных исследований. СИ, материалы НТК, Целиноград, 1990 г.;

Лизин С. В. Планирование и результаты математического теримента исследования процесса теплопередачи через по-животноводческих помещений. ЦИСИ, материалы НТК, шноград, 1991 г.;

гиазаров А. Г., Мизин С. В., Клопов И. И. Методические за пня к теплотехническому расчету полов на грунте живот-эдческих помещений. MHO. Каз. ССР. ЦИСИ, Целино-1, 1991 г.

словные обозначения;

- коэффициент теплопроводности, Вт/м°С; с — удельная совая теплоемкость, кДж/кг°С; tB — температура внут-

ср. м.

реннего-воздуха, °С; — средня'я температура'наиболее х(

ср. г.

лодного месяца, °С; !:„ — среднегодовая температура наруя ного воздуха, °С; а — коэффициент температуропроводноеп

,\12/ч; ав — коэффициент теплоотдачи, Вг/м2°С; 1?,= ~ —

термическое сопротивление кожного покрова животног м2°С/Вт; ан — коэффициент теплоотдачи на поверхноп грунта за зданием, Вт/м2°С; я — плотность теплового поток Вт/м2; — тепловой поток, Вт; В — коэффициент тепловс активности, кДж/м2-ч'/2°С; х, у — пространственные коо| динаты, м; т — временная координата, ч.

Подписано а печать 02.06.92, Формат 50x84 1/16. Печап, офс. И-37 Объем 1 уч.-изд. л. Т. 100. Заказ 756. Бесплатно.

Ротапринт МИСИ им, В. В. Куйбышева.