Математическая модель гелиобиоэнергетического контура для системы отопления животноводческих помещений

В настоящее время правительством нашей страны поставлены задачи по снижению энергоемкости выпускаемой продукции путем дальнейшей модернизации, технического и технологического перевооружения существующих и создания новых производственных мощностей на базе современных энергоэффективных и энергосберегающих технологий. Особое внимание уделено ускорению развития возобновляемых источников энергии в отраслях животноводческих комплексов.

При проектировании систем отопления и создание микроклимата в животноводческих помещениях необходимо определить расчетную нагрузку отопления, параметры комбинированных гелиобиоэнергетических установок, теплообменника и подпочвенного аккумулятором тепла, с учетом конструктивных, режимных технологических и метеорологических особенностей работы системы.

В настоящее время существует расчетное моделирование лишь отдельных элементов системы отопления (подпочвенного аккумулятора тепла в субстрактном слое) теплообменника [1]. Один из методов, предложенных для решения данной проблемы состоит в том, чтобы допустить дневной нагретый внутренний воздух объемного солнечного коллектора в подпочвенный субстрат аккумулятора тепла [2]. Авторами рассматривается тепловая и математическая модели системы отопления, учитывающие все ее элементы и метеорологические условия работы. На рис.1 показаны основные компоненты систем гелиобиоэнергетической отопления гелиотеплиц и животноводческих комплексов.

Рис. 1. Схема поперечного сечения гелиотеплицы и животноводческой фермы подсобного хозяйства при заводе “Муборекнефтгаз” с подпочвенным автоматически регулируемым аккумулятором тепла. Где: 1,2 -полиэтиленовые пленки; 3-воздуховод подпочвенного аккумулятора тепла; 4, 5 -система, обеспечиваюшая воздухообмен в помещении гелиотеплицы; 6 –подпочвенный слой из композиционных материалов диаметром 0,20 метра; 7-помещение животноводческой фермы; 8 — вентилятор; 9,10 –вентиляционные окна; 11 –труба для циркуляции воды; 12 -внутренняя часть помещения теплицы; 13 -сток для дождя; 14 –посевная площадь гелиотеплицы; 15 -фундамент; 16-стена разделяющая помещения гелиотеплицы и животноводческой фермы; 17-солнечная панель и система автоматики; 18 –слой субстракта аккумулятора тепла; 19 — теплообменники; 20 –труба для циркуляции горячей воды

Объемный солнечный коллектор и подпочвенный аккумулятор тепла разделены промежуточным воздушно — водяным теплообменником. Система солнечного отопления проектируется так, чтобы с ее помощью обеспечивать только часть тепловой нагрузки, дополняющей тепло от биоэнергетического источника. При рассмотрении процессов теплообмена в системе отопления гелиотеплиц — животноводческого комплекса приняты следующие допущения: распределение температуры воздуха и воды по длине подпочвенного аккумулятора и теплообменника разбиты на несколько областей, в каждой из которых температурное поле равномерно, тепловые процессы между отдельными областями модели характеризуются средними значениями коэффициентов теплоотдачи.

С учетом изложенного в тепловой модели системы можно выделить области: — объемной солнечной энергии коллектора; — секции теплообменника; секции подпочвенного аккумулятора тепла; — трубопроводы; — дополнительного биоэнергетического установки для подогрева; — элементы объемного солнечного коллектора. Сформулируем закон сохранения энергии для каждой из областей тепловой модели.

Область . Поглощенный объемным коллектором солнечный тепловой поток расходуется на изменение энтальпии объемного коллектора и воздуха в нем, теплоотдачу к элементам (подпочвенного аккумулятора тепла) и субстратного слоя .

Область . Тепловой поток , полученный жидкостью, идет на изменение ее энтальпии и теплоотдачу подпочвенного аккумулятора и субстратного слоя .

Область . Тепловой поток , полученный от горячей воды биоэнергетической установки, расходуется на изменение ее энтальпии и теплоотдачу к -ой области .

Область . Поток , получаемый от биоэнергетической установки расходуется на изменение энтальпии , теплоотдачу подпочвенного аккумулятора тепла и нагрузку отопления .

Согласно закону сохранения энергии для каждой области тепловой модели, а также всей системы отопления можно записать

(1)

В (1) входит нагрузка биоэнергетического отопления , которая зависит от метеорологических условий, архитектурных особенностей животноводческого помещения, его ориентации, качества строительных работ и. т.д.

Нагрузка отопления животноводческих помещений равна

(2)

Где — разность температур 24,3 среднесуточного наружного воздуха; — коэффициент теплоотдачи от поверхности подпочвенного аккумулятора к субстратному слою [3,4]. Температурное поле описанной системы гелиобиоэнергетического контура и системы отопления животноводческих помещений определяется численным решением (1) по программе +CDELPUJ. Зависимость тепловых проводимостей от температуры учитывается методом последовательных приближений.

Решая систему дифференциальных уравнений, получаем температуры в отдельных областях системы отопления. Выходной параметр, определяющий работоспособность системы — температура воздуха и температура дополнительного обогрева циркулирующей воды биогазовой установки.

Если она ниже 25–30, включается дополнительный нагреватель водяной системы биогазовой установки , доводящий температуру подпочвенного аккумулятора тепла до уровня, при котором включается нагрузка отопления , т. е. подключается насос для циркуляции горячей воды от системы биогазовой установки к системе отопления животноводческих помещений.

Приведенная модель использована при расчете системы отопления комбинированных гелиотеплиц — животноводческих помещений объемом 300 построенной в фермерском хозяйстве ООО Муборакнефтгаз (г.Муборек). Тепло от объемного коллектора гелиобиоэнергетической установки подается для отопления животноводческого помещения, посредством горячей воды циркулирующей в подпочвенном аккумулятора тепла и в отопительном теплообменника. В качестве объемного гелиоколлектора применена система гелиотеплиц полуцилиндрического типа (рис.1). При расчете потоков солнечного излучения, прошедших прозрачную пленку гелиотеплицы нагревающих внутренний воздуха, и потерь тепла на вынужденную конвекцию и собственную теплопроводность поглощающей почвы и элементов объемного солнечного коллектора, а также при определении температуры окружающей среды использовались метеорологические данные [5, 6]. На рис.2 представлены изменения температуры среды и потока солнечного излучения падающего на прозрачную поверхность объемного гелиоколлектора в течение суток (в январе 2017 года), нагрузка отопления , необходимая для поддержания микроклимата в рассматриваемых животноводческих помещениях, а также результаты расчета динамики изменения температуры воздуха , подаваемой в систему отопления в течение трех дней.

Рис. 2. Зависимость температуры воздуха объемного гелиоколлектора и циркулирующей воды подаваемой биогазовой установкой в системе отопления подпочвенного аккумулятора тепла от времени, мощности добавочного нагревателя и нагрузки отопления , кВт; 90 , ;.

Видно, что даже при солнечной погоде и отсутствии нагрузки отопления данного объемного гелиоколлектора солнечная энергия не обеспечивает необходимую для отопления животноводческого помещения температуру 20–25. При введении добавочного биоэнергетическая нагревателя температура (см. рис. 2) воды циркулирующим подпочвенного аккумулятора тепла существенно повышается и уже на вторые сутки может бить использована для отопления.

Приведенная модель расчета системы отопления животноводческих помещений позволяет проследить почасовую динамику изменения температуры воды, поступающей из биоэнергетического котла в подпочвенный аккумулятор тепла; определить оптимальные соотношения между солнечной и дополнительной энергией; оценить влияние конструктивных и режимных параметров на тепловой режим комбинированной гелиотеплицы — животноводческой фермы; рассчитать необходимую аккумулирующую теплоту подпочвенного аккумулятора для обеспечения запаса тепловой энергии днём и его использования в ночной время, а также в суровые пасмурные дни.

Литература:

1. Вардияшвили А. Б. Теплообмен и гидродинамика в комбинированных солнечных теплицах с субстратом и аккумулированием тепла./ Т.: Фан. 1990,194 с.
2. Хайриддинов Б. Э., Холмирзаев Н. С., Эргашев Ш. Х. “Комбинирование гелиотеплицы — животноводческих ферм с подпочвенным аккумулятором тепла”. //Международный научный журнал. Символ науки OMEGA SCIENCE INTERNATIONAL CENTER OF INNOVATION RESEARCH ISSN 2410–700x № 01/2017 B 2 частях. Часть 2, с. 16–22.
3. Эгиазаров А. Г. Отопление и вентиляция зданий и сооружений сельскохозяйственных комплексов./ М.: Стройиздат, 1981, с. 165–209.
4. Аллокулов П. Э., Хайриддинов Б. Э., Ким В. Д. Нетрадиционная теплоэнергетика./ Т.: Фан 2009, 182 с.
5. Бекман У. А., Клейн С., Даффи Дж. Расчет систем солнечного теплоснабженая./ М.: Энергоиздат. 1982, 78 с.
6. Драгонов Б. Х., Есин В. В., Зуев В. П. Применение теплоты в сельском хозяйстве./ Киев “Вища школа”. 1983, 230 с.