МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАЦИОНАРНОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ "ЖИВОТНОВОДЧЕСКО-ГЕЛИОТЕПЛИЧНОГО КОМПЛЕКСА"

АННОТАЦИЯ

В статье разработана математическая модель стационарного режима системы отопления гелиотеплицы на основе энергии биогаза полученной из отходов животноводства и энергии солнца, позволяющая рассчитать утилизацию тепла животноводческих помещений. Установлено что, тепло утилизируемое из животноводческого помещения, может покрыть 34 % тепловой нагрузки гелиотеплицы с рабочей площадью 180 м².

ABSTRACT

The article developed a mathematical model of the stationary mode of the heliogreenhouse heating system based on biogas energy obtained from animal waste and solar energy, which makes it possible to calculate the heat utilization of livestock buildings. It has been established that the heat recovered from the livestock building can cover 34% of the heat load of a heliogreenhouse with a working area of ​​180 m².

Ключевые слова: гелиотеплица, теплопотери, ограждающие конструкции, расходуемый воздух,  обогрев,  внутренняя климат теплицы, количество теплоты, испарения влаги, математическая модель.

Keywords: heliogreenhouse, heat loss, enclosing structures, consumed air, heating, internal climate of the greenhouse, amount of heat, moisture evaporation, mathematical model.

В настоящее время в нашей стране особое внимание уделяется внедрению энергосберегающего, высокоэффективного оборудования и технологий, в частности, использованию возобновляемых источников энергии для создания необходимого климатического режима в животноводческих помещениях. Для этого разработан экспериментальный вариант устройства, состоящего из плоскостенного водосборника и животноводческого-гелиотепличного комплекса с подземным тепловым аккумулятором, предназначенного для создания необходимого климатического режима с использованием солнечной и биоэнергии. Расчетная схема предлагаемого энергосберегающего комплекса представлена ​​на рис. 1.

Внутренний климат теплицы должен иметь оптимальные условия для выращивания растительной продукции и быть неизменным. Температура, влажность и многие параметры в теплице должны контролироваться. С этой целью рядом исследователей были предложены дополнительные системы для солнечных теплиц [1 - 8].

Животноводческий корпус рассчитан на 40 голов скота, наряду с частичным подогревом воздуха в гелиотеплице за счет утилизации естественного теплового потока от находящегося там скота, количество вредных газов в воздухе животноводческого помещения нормировано. В солнечные дни солнечная энергия, поступающая в гелиотеплицу, аккумулируется в земляном покрове, в резервуаре для воды, расположенном между животноводческим помещением и гелиотеплицей. В пасмурные дни в гелиотеплице создается микроклимат за счет передачи нагретой воды от котла работающего на полученного на биогазовой установке.

Рисунок 1. Расчетная схема для расчета теплового баланса "животноводческого-гелиотепличного комплекса"

Математическая модель комбинированного гелиотепличного-животноводческого комплекса с учетом конструктивных, технических, технологических и метеорологических параметров теплового режима может быть записана следующим образом:

                 (1)

В зависимости от их живой массы от скота выделяется тепло, влага и углекислый газ. Тепловой поток, свободно отделяемый от скота, можно записать в виде [9]:

                                                (2)

где, -число голов скота,  - свободный тепловой поток выделяемый от одного животного, Вт; - поправочный коэффициент учитывающий свободное выделение тепла от животных в зависимости от температуры внутри помещения (таб.1).

Потери тепла через ограждения животноводческого помещения, включающие себя потери через наружную стену, потолок и пол,  выражается следующим образом [10]:

            (3)

где  , , , ,  - площади наружной стены, окна, двери, потолка и пола животноводческого помещения соответственно, м²;  , , ,  - термическое сопротивление  наружной стены, окна, двери, потолка и пола животноводческого помещения соответственно, ; - внутренняя температура воздуха животноводческого помещения, ;   - наружная температура воздуха, .

Воздухообмен между животноводческим помещением и гелиотеплицей обеспечивается потребностью гелиотеплицы в углекислом газе [11]. Теплообмен между ними через вентиляцию выражается следующим образом:

                                            (4)

где   - объёмный расход воздуха, ;  - плотность воздуха, ;  - удельная теплоёмкость воздуха, ;  - внутренняя температура гелиотеплицы, .

Влага, испаряющаяся с влажной поверхности животноводческого помещения (полы, полив, кормление и т. д.), равна 25 % от всей влаги, выделяемой животновоными, т. е.

Потери тепла с влажной поверхности животноводческого помещения на испарение влаги определяются по следующей формуле [9]

                               (5)

где   - число животных; - количество водяного выделяемого от одного животного, ;   - поправочный коэффициент учитывающий выделение влажности животными в зависимости от температуры воздуха внутри помещения (таб. 1).

Таблица 1.

Поправочный коэффициент учитывающий выделение влажности животными в зависимости от температуры воздуха внутри помещения

Поправочный коэффициент, учитывающий выделение свободного тепла и влаги от животных, зависит от внутренней температуры помещения, и при повышении температуры свободный поток тепла от животных уменьшается, а влажность увеличивается. Это, в свою очередь, оценивается по изменению вводимых поправочных коэффициентов в зависимости от температуры (рис. 2) [12].

Рисунок 2. График зависимости поправочных коэффициентов от выделения свободного тепла и влажности (а), от тепловой мощности (б)

Примем, что тепловой поток, теряемый через инфильтрацию, равен 30 % теплоты, теряемой через ограждения, и выражается следующим образом:

                 (6)

Благодаря постоянному воздухообмену между животноводческим помещением и гелиотеплицей, часть тепловой потребности гелиотеплицы покрывается вентиляцией. Кроме того, в солнечные дни гелиотеплица обогревается солнечной энергией, попадающая в гелиотеплицу солнечная радиация, рассчитывается по следующему выражению [13]:

                                         (7)

где   - рабочая площадь  гелиотеплицы; - коэффициенты поглощения и коэффициент пропуска солнечных лучей гелиотеплицы соответственно, ;  -  падение солнечного излучения на едицу площади, .

Потери тепла через внешние ограждения гелиотеплицы можно выразить следующим образом [14]:

                             (8)

где   - коэффицент инфильтрации, ;  - коэффициент ограждения, равный отношению чистой поверхности гелиотеплицы к инвентарной (рабочей) поверхности, ;  - коэффициент теплопередачи между гелиотеплицей и внешней средой, для двухслойной полиэтиленовой пленки  [14].

В ночное время без поступления солнечного света гелиотеплица обогревается горячей водой, нагретой биогазовым котлом, и это тепло можно рассчитать следующим образом [15]:

                                           (9)

где   - массовый расход теплоносителя (вода), ;  - удельная теплоёмкость  теплоносителя (вода), ;  - входная и выходная температура воды поступающей в отопительную систему гелиотеплицы соответственно, .

Учитывая выражения  (2)-(9), выражение (1)  можно записать в следующем виде:

 (10)

Систему уравнений (10) представим в виде линейных дифференциальных уравнений первого порядка, описывающих изменение во времени () внутренней температуры животноводческого помещения и гелиотеплицы во времени.

      (11)

Введем обозначения потерь через единицу площади ограждения  животноводческого помещения , потери через единицу площади ограждения  гелиотеплицы  и запишем уравнение (11) в следующем виде:

 (12)

Для решения дифференциальных уравнений (12) построим блок-схему (рис. 3) в статическом состоянии программы MATLAB/Simulink без учета изменения плотности и удельной теплоемкости воздуха от температуры. В статической модели мы берем температуру наружного воздуха , принимаем среднесуточное значение солнечной радиации  и показываем на рис. 4 изменение температуры воздуха в животноводческом помещении и в помещении гелиотеплицы  в зависимости от времени.

Рисунок 3. Блок схема математической модели статического состояния системы теплоснабжения животноводческо - гелиотепличного комплекса в программе MATLAB/Simulink

Рисунок 4. Изменение температуры воздуха во времени в животноводческом помещении и в гелиотеплице

Как видно из рис. 4, что при температуре наружного воздуха  и величине солнечного излучения  даже при неработающей системе отопления в гелиотеплице температура может повысится в животноводческом помещении до а в гелиотеплице до  .

Выводы

Для расчета математической модели теплового баланса "животноводческого гелиотепличного комплекса" в пакете MATLAB/Simulink разработана блок схема в статическом состоянии;

Как видно из результатов блок-схемы в статическом состоянии (рис. 3) (рис. 4), при температуре наружного воздуха 0⁰С, средней солнечной радиации 150 Вт/м² внутренняя температура животноводческого помещения составляет 18,8⁰С, внутренняя температура гелиотеплицы за 50 минут повысится до 15,6⁰С. Если оценить тепловую нагрузку гелиотеплицы по потерям тепла через внешние ограждения и энергии, используемой для обогрева воздуха в помещении (26,25 кВт), то определилось, что это может быть покрыто за счет солнечной энергии 66 % (17,28 кВт) и за счет утилизации животноводческого помещения 34 % (8,97 кВт);

Список литературы:

1. Ghosh, A., Ganguly, A., 2017. Performance analysis of a partially closed solar regenerated desiccant assisted cooling system for greenhouse lettuce cultivation. Sol. Energy 158, 644–653.
2. Ozgener, L., Ozgener, O., 2010. Energetic performance test of an underground air tunnel system for greenhouse heating. Energy 35 (10), 4079–4085.
3. Ghosal, M.K., Tiwari, G.N., 2006. Modeling and parametric studies for thermal performance of an earth to air heat exchanger integrated with a greenhouse. Energy Convers. Manage. 47 (13–14), 1779–1798.
4. Sharan, G., Prakash, H., Jadhav, R., 2004. Performance of Greenhouse Coupled to EarthTube-Heat-Exchanger in Closed-Loop Mode.
5. Xu, J., Li, Y., Wang, R.Z., Liu, W., 2014. Performance investigation of a solar heating system with underground seasonal energy storage for greenhouse application. Energy 67, 63–73.
6. Zarei, T., Behyad, R., Abedini, E., 2018. Study on parameters effective on the performance of a humidification-dehumidification seawater greenhouse using support vector regression. Desalination 435, 235–245.
7. Zhai, Z.J., Chen, Q.Y., 2005. Performance of coupled building energy and CFD simulations. Energy Build. 37 (4), 333–344.
8. Zhang, G., Fu, Z., Yang, M., Liu, X., Dong, Y., Li, X., 2019. Nonlinear simulation for coupling modeling of air humidity and vent opening in Chinese solar greenhouse based on CFD. Comput. Electron. Agric. 162, 337–347.
9. Hayriddinov, B. E., N. S. Holmirzayev, and Sh H. Ergashev. "Combination of the solar greenhouse-livestock farms with the subsoil accumulator of heat.«." Symbol of science». International scientific magazine. OMEGA SCIENCE INTERNATIONAL CENTER OF I,(OVATION) 16 (2017).
10. Хайриддинов, Б.Э., Холмирзаев, Н.С., Халимов, Г.Г., Рысбаев, А.С. and Эргашев, Ш.Х., 2018. Муқобил энергия манбаларидан фойдаланиш. Монография. Т.“ADAD PLYUS, 417.
11. Хайриддинов Б.Э., Холмирзаев Н.С., Эргашев Ш.Х., Хайриддинов А.Б., Нурматова Д.Ж. Комбинирование гелиотеплицы-живодноводчеких ферм с подпочвенным аккумулятором теплица // Символ науки. 2017. №1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/kombinirovanie-gelioteplitsy-zhivodnovodchekih-ferm-s-podpochvennym-akkumulyatorom-teplitsa (дата обращения: 06.10.2022).
12. Ergashev, Sh H., et al. "Results of mathematical modeling of nostatic temperature temperature heating of" livestock heat complex" through the use of solar and bio energy." International Conference on Remote Sensing of the Earth: Geoinformatics, Cartography, Ecology, and Agriculture (RSE 2022). Vol. 12296. SPIE, 2022.
13. Uzakov G.N. Technical and economic calculation of combined heating and cooling systems vegetable store-solar greenhouse// Applied Solar Energy. – Allerton Press, USA, 2012. –vol.48, №1. –PP. 60-61.
14. Sh H Ergashev et al 2022 IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 1070 012031.
15. A A Khusenov et al 2022 IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 1070 012032.