Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения и оценки тепловых условий в зонах обогрева и содержания молодняка животных

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к животноводству, и может найти применение при создании новых средств обогрева, разработке алгоритмов и режимов работы систем управления для создания теплового комфорта при обогреве животных, например, телят, поросят и др, а, также, оценки эффективности использования различных типов обогревателей.

Для определения теплового состояния животных известен способ, который устанавливает условия комфортности / Я.А. Кунгс, А.Г. Лапицкий и др.; под общ. Ред. Н.В. Цугленка. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2008., Растимешин С.А. Локальный обогрев молодняка животных (теория и технические средства), - М.: Агропромиздат, 1991). Первое условие комфортности определяет область сочетаний температуры внутреннего воздуха t_в и радиационной температуры помещения t_r, при которых животное, находясь в зоне отдыха, не испытывает ни перегрева, ни переохлаждения. Второе условие комфортности определяет допустимые температуры нагретых и охлажденных поверхностей, находящихся в непосредственной близости от животных. Второе условие комфортности для описания теплового состояния животных не определено или формулируется следующим предложением: явная теплоотдача со всех участков поверхности должна быть максимально равномерной (Обогрев сельских жилых и животноводческих помещений источниками инфракрасного излучения. / Я.А. Кунгс, А.Г. Лапицкий и др.; под общ. Ред. Н.В. Цугленка. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2008, Растимешин С.А. Локальный обогрев молодняка животных (теория и технические средства), - М.: Агропромиздат, 1991).

Недостатком известного способа и определения тепловых условий в зонах обогрева и содержания молодняка животных является то, что он не позволяет определять допустимую степень неравномерности теплового потока от нагретых и охлажденных поверхностей, находящихся в непосредственной близости от животных.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение требуемой температурной обстановки и допустимой неравномерности обогрева молодняка животных в зоне содержания.

В результате использования предлагаемого изобретения позволяют определить условия комфортного теплового состояния животных при меняющихся климатических показателях среды, возрастных изменений, требования к разрабатываемым техническим средствам для создания тепловых зон с допустимой неравномерностью обогрева, а также оценки уже известных технических систем.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что предлагаемый способ определения и оценки тепловых условий в зонах обогрева и содержания молодняка животных включает измерение интенсивности излучения Е_изм. [Вт/м²], создаваемой радиационными обогревателями, не менее чем в двух или более точках в пределах обогреваемой площади, заданной конкретными нормами технологических параметров для конкретного вида и возраста животных, и учитывают нормальную составляющую вектора интенсивности излучения Е_изм к площади обогрева, по результатам измерения определяют распределение интенсивности излучения Е_изм. в зоне обогрева, при этом требуемую расчетную интенсивность излучения Е_расч. [Вт/м²], определяют по формуле

Е_расч=(Q_яв/F_ж-Сϕb_м-п(τ_ж-t_r))/ε,

где Q_яв - явные тепловыделения животного [Вт],

С - приведенный коэффициент излучения (4.65 Вт/м²К⁴),

ϕ - коэффициент облученности элементарной поверхности животного на ограждающие конструкции помещения (рад),

b_м-п=0.81+0.01τ_ср - поправочный температурный коэффициент [°С],

τ_ср=0.5(τ_ж+t_r) [°C],

τ_ж - средняя температура поверхности животного [°С],

t_r - средняя температура ограждения помещения [°C],

F_ж - поверхность животного [м²],

причем значения явных тепловыделений Q_яв конкретного вида и возраста (массы) животного, температуры поверхности τ_ж принимают из области гомойотермальной или термонейтральной зоны температур, а значение коэффициента b_м-п и радиационную температуру помещения t_r по нормам технологического проектирования для конкретного способа содержания животных и климатических параметров, при этом расчетную интенсивность излучения Е_{расч.кр.н} определяют для значений нижней критической температуры t_кр.н и явных тепловыделений Q_яв(t_кр.н) при t_кр.н, расчетную интенсивность излучения Е_{расч.н.н} определяют для значений нижней нейтральной температуры t_н.н и явных тепловыделений Q_яв(t_н.н) при t_н.н, расчетную интенсивность излучения Е_{расч.н.в} определяют для значений верхней нейтральной температуры t_н.в. и явных тепловыделений Q_яв(t_н.в) при t_н.в., расчетную интенсивность излучения Е_{расч.кр.в.} определяют для значения верхней критической температуры t_кр.в и явных тепловыделений Q_яв(t_кр.в) при t_кр.в, полученные измерением значения интенсивности излучения E_изм, сравнивают с расчетными требуемыми параметрами интенсивности излучения, причем соотношение Е_{расч.tкр.н}≤Е_изм.min≤Е_изм.max≤Е_{расч.tкр.в}

где E_изм.min - минимальное значение измеренной интенсивности излучения Е_изм на обогреваемой площади,

Е_изм.max - максимальное значение измеренной интенсивности излучения Е_изм на обогреваемой площади,

устанавливает благоприятную тепловую обстановку для содержания животных, соотношение Е_{расч.tнн}≤Е_изм.min≤Е_изм.max≤Е_{расч.tнв} устанавливает оптимально комфортную температурную обстановку для содержания животных, при соотношениях Е_изм.min≤Е_{расч.tкр.н}<Е_изм.max≤Е_{расч.tкр.в}, Е_изм.min≤Е_{расч.tкр.н}≤Е_{расч.tкр.в}≤Е_изм.max, Е_{расч.tкр.н}≤Е_изм.min≤Е_{расч.tкр.в}≤Е_изм.ma устанавливают относительно благоприятную температурную обстановку для содержания животных.

Для конкретного возраста и вида животного определяют допустимые границы изменения климатических факторов внешней среды. Любой теплокровный организм при некоторой температуре внешней среды находится в полном температурном равновесии, при этом химические процессы, протекающие в тканях организма, обеспечивают его жизнедеятельность, и не тратится дополнительная энергия на поддержание нормальной температуры тела. При изменении условий внешней среды тепловой баланс организма нарушается, и животное реагирует увеличением или уменьшением скорости окислительных процессов, в результате которых вырабатывается тепло (Пантелеев П.А. Биоэнергетика мелких млекопитающих. М.: Наука, 1983; В.М. Юрков. Микроклимат животноводческих ферм и комплексов. М.: Россельхозиздат, 1985), при этом температура тела животного в пределах нижней критической температуры t_кр.н и верхней критической температуры t_кр.в (зона гомойотермии) поддерживается постоянной в результате химической терморегуляции. В границах термонейтральной зоны обмен веществ и продуцирование тепла осуществляется в минимальных размерах, в этом диапазоне животные дают наивысшие приросты (привесы). Зона гомойотермии U_г включает в себя термонейтральную область U_н, аналитически это выражается t_т.н≤U_н≤t_т.в ∈ t_кр.н≤U_г≤t_кр.в, где t_н.н, t_н.в - нижнее и верхнее значения границы температур термонейтральной зоны, t_кр.н, t_кр.в - нижняя и верхняя критическая температура гомойотермальной зоны.

В гомойотермальной области U_г имеет место диапазон значений теплопродукции Q_ж организма животного, часть которой расходуется на поддержания гомеостаза внутренней среды и теплообмен с окружающей средой, основной составляющей которой являются явные теплопотери Q_яв, и включают в себя потери энергии конвекцией, излучением и кондукцией. Для конкретного вида и возраста (массы) животного вводится понятие средней удельной теплоотдачи с поверхности тела q_уд=Q_яв/F_ж, тогда тепловое состояние организма животного будет соответствовать температурным параметрам зоны U_г при условии Q_яв(t_кр.н)/F_ж>Q_яв/F_ж>Q_яв(t_кр.в)/F_ж, т.е. организм будет нормально развиваться и адаптироваться к внешним условиям, если средняя удельная теплоотдача q_уд не выйдет за указанные границы, это соответствует понятию первого условия комфортности. Основное требование при проектировании системы микроклимата в животноводческих помещениях заключается в создании таких тепловых условий в зоне обитания животных, которые обеспечат оптимальный тепловой комфорт в зонах отдыха и содержания животных, это соответствует основному обмену в термонейтральной области t_н.н≤U_н≤t_н.в. В реальных условиях на организм животного оказывают тепловое воздействие нагретые и охлажденные поверхности, в частности холодные полы, на которых располагаются животные, различные обогреватели лучистого, кондуктивного типа и др. или их сочетание. Определяющей величиной в этом случае является интенсивность q_i=dQ_i/dF_i теплообмена на наиболее невыгодно расположенной и чувствительной части поверхности животного dF_i, на которую оказывают влияние нагретые или холодные поверхности в зоне обитания молодняка. Тепловой баланс должен быть таким, чтобы на любой элементарной площадке, рассматриваемой поверхности животного, значение интенсивности теплообмена q_i не превышало предельных значений средней удельной теплоотдачи на границах зоны U_г.

В соответствии с изложенными положениями определяют условия теплового комфорта:

- относительно благоприятной будет такая общая температурная обстановка в зоне нахождения животных, которая соответствует гомойотермальной области температур t_кр.н≤U_г≤t_кр.в, при этом отдается все явное тепло, организм животного не испытывает перегрева или переохлаждения, а средняя удельная теплоотдача Q_яв/F_ж не превышает предельных значений средней теплоотдачи на границах области U_г

Q_яв(t_кр.н)/F_ж>Q_яв/F_ж>Q_яв(t_кр.в)/F_ж.,

где Q_яв(t_кр.н) и Q_яв(t_кр.в) - явные тепловыделения животного при нижней критической температуры t_кр.н и верхней критической температуры t_кр.в гомойотермальной области [Вт], F_ж - поверхность животного [м²],

- благоприятной будет такая общая температурная обстановка в зоне нахождения животных, соответствующей гомойотермальной области температур t_кр.н≤U_г≤t_кр.в, при которой отдается все явное тепло, организм животного не испытывает перегрева или переохлаждения, и при этом удельная интенсивность теплоотдачи q_i=dQ_i/dF_i с различных участков тела животного не должны превышать предельных средних значений удельной теплоотдачи на границах гомойотермальной зоны U_г

q_i<Q_яв(t_кр.н)/F_ж и q_i>Q_яв(t_кр.в)/F_ж,

аналитическое выражение благоприятного теплового комфорта

{Q_яв(t_кр.н)/F_ж>Q_яв(U_г)/F_ж>Q_яв(t_кр.в)/F_ж}∧{Q_яв(t_кр.н)/F_ж>q_i>Q_яв(t_кр.в)/F_ж};

- комфортной будет такая общая температурная обстановка в зоне нахождения животных, соответствующей области термонейтральных температур t_н.н≤U_н≤t_н.в, при которой отдается все явное тепло, не испытывая перегрева или переохлаждения и при этом средняя удельная теплоотдача

Q_яв/F_ж не превышает предельных значений средней теплоотдачи на границах термонейтральной области U_н

Q_яв(t_н.н)/F_ж>Q_яв/F_ж>Q_яв(t_н.в)/F_ж.,

где Q_яв(t_н.н) и Q_яв(t_н.в) - явные тепловыделения животного при нижней температуры t_н.н и верхней температуры t_н.в термонейтральной зоны [Вт],

и (∧) при этом удельная интенсивность теплоотдачи q_i=dQ_i/dF_i с различных участков тела животного не должны превышать предельных средних значений удельной теплоотдачи на границах области U_г, аналитическое выражение теплового комфорта имеет вид:

{Q_яв(t_н.н)/F_ж>Q_яв(U_н)/F_ж>Q_яв(t_н.в)/F_ж}∧{Q_яв(t_кр.н)/F_ж>q_i>Q_яв(t_кр.в)/F_ж};

- оптимально комфортной будет такая общая температурная обстановка в зоне нахождения животных, соответствующей области термонейтральных температур U_н, при которой отдается все явное тепло, не испытывая перегрева или переохлаждения и при этом средняя удельная теплоотдача Q_яв/F_ж не превышает предельных значений средней теплоотдачи на границах термонейтральной области U_н

Q_яв(t_н.н)/F_ж>Q_яв(U_н)/F_ж>Q_яв(t_н.в)/F_ж.,

а удельная интенсивность теплоотдачи q_i=dQ_i/dF_i с различных участков тела животного не превышает предельных средних значений удельной теплоотдачи на границах области U_н, аналитическое выражение оптимального теплового комфорта имеет вид

{Q_яв(t_н.н)/F_ж>Q_яв(U_н)/F_ж>Q_яв(t_н.в)/F_ж)}∧{(Q_яв(t_н.н)/F_ж>q_i>Q_яв(t_н.в)/F_ж)}.

При воздействии лучистых обогревателей в зоне обогрева (отдыха) второе условие комфортности должно ограничивать интенсивность теплообмена животного. Система лучистого обогрева должна обеспечивать радиационный баланс таким образом, чтобы любая элементарная площадка на поверхности животного на наиболее невыгодно расположенной к излучению части тела, отдавала излучением окружающим поверхностям в зависимости от возраста и вида животного тепловую энергию в пределах, определяемых благоприятной, комфортной и оптимально комфортной температурной обстановкой в зоне обогрева.

Уравнение лучистого теплообмена для элементарной площадки на поверхности животного имеет вид (Богословский В.Н. Строительная теплофизика. - М.: Высш. школа, 1982)

q_i=Cϕb_м-п(τ_ж-t_r)-εE,

где С - приведенный коэффициент излучения (4.65 Вт/м²К⁴); ϕ - коэффициент облученности элементарной поверхности животного на ограждающие конструкции помещения (рад); b_м-п=0.81+0.01τ_cp - поправочный температурный коэффициент, τ_ср=0.5(τ_ж+t_r); t_r - средняя температура ограждения помещения; ε - коэффициент поглощения излучения; Е - вектор энергетической облученности от излучателя или нагретых поверхностей и нормально направленный на рассматриваемую элементарную площадку (Bт/м²), τ_ж - температура поверхности животного (°С).

Предельные значения облученности:

для гомойотермальной зоны -

E_{расч.кр.н}=(Cϕb_м-п(τ_ж(t_кр.н)-t_r)-Q_яв(t_кр.н)/F_ж)/ε,

E_{расчкр.в}=(Cϕb_м-п(τ_ж(t_кр.в)-t_r)-Q_яв(t_кр.в)/F_ж)/ε,

где τ_ж(t_кр.н) и τ_ж(t_кр.в) - значения температуры поверхности животного при температуре t_кр.н и t_кр.в., Q_яв(t_кр.н) и Q_яв(t_кр.в) - явные тепловыделения животного при нижней критической температуры t_кр.н и верхней критической температуры t_кр.в гомойотермальной области [Вт],

для термонейтральной зоны -

E_{расч.н.н}=(Cϕb_м-п(τ_ж(t_н.н)-t_r)-Q_яв(t_н.н)/F_ж)/ε,

E_{расч.н.в}=(Cϕb_м-п(τ_ж(t_н.в)-t_r)-Q_яв(t_н.в)/F_ж)/ε,

где τ_ж(t_н.н) и τ_ж(t_н.в) - значения температуры поверхности животного при температуре t_н.н и t_н.в термонейтральной зоны, Q_яв(t_н.н) и Q_яв(t_н.в) - явные тепловыделения животного при нижней границе температуры t_н.н и верхней границе температуры t_н.в термонейтральной зоны [Вт],

На фиг. 1. показаны результаты измерений распределения значений облученности Е_изм. [Вт/м²] от источников инфракрасного обогрева ЛЭО-250 и ИКЗК на обогреваемой поверхности. По оси абсцисс показано расстояние от центральной оси подвеса облучателя, по оси ординат - значения облученности. Горизонтальными линиями отмечены расчетные значения интенсивности излучения Е_расч., соответствующим зонам гойотермальной U_г⊂Е_{расчtкр.н}…E_{расчtкр.в.} и термонейтральной U_н⊂Е_{расчtн.н}…E_{расчtн.в.} для телят. Значения E_изм,_. заключенные в границах Е_{расчtкр.н}…E_{расчtкр.в.} и Е_{расчtн.н}…E_{расчtн.в.}, определяют часть обогреваемой поверхности, где излучателями создаются условия для благоприятной, комфортной и оптимально комфортной температурной обстановки.

Примеры (осуществления способа):

- для поросенка раннего возраста массой g_ж=1 кг, F_ж=0.092(g_ж)^2/3=0.092 м²; температура поверхности τ_ж=29.0+0.22t_в; термонейтральная зона - t_н.н=28°C≤t_в≤t_н.в=30°C; гомойотермальная зона - t_кр.н=26°C≤t_в≤t_кр.в=33°C; явные тепловыделения в зависимости от температуры среды Q_яв(t_в)=k_qq, здесь k_q=-0.0357t_в+1.357 (Министерство сельского хозяйства Российской Федерации. Москва, 2009); q=5.9 Вт; климатические параметры окружающей среды - радиационная температура помещения t_r=18°C.

- для теленка массой g_ж=40 кг, F_ж=0.104(g_ж)^2/3=1.2 м²; температура поверхности τ_ж=24.5+0.43t_в; термонейтральная зона - t_н.н=18°C≤t_в≤t_н.в=20°C; гомойотермальная зона - t_кр.н=15°C≤t_в≤t_кр.в=25°C; явные тепловыделения в зависимости от температуры среды Q_яв(t_кр.н=15°C)=59.1 Вт, Q_яв(t_н.н=18°C)=52.2 Вт, Q_яв(t_н.в=20°C)=47.9 Вт, Q_яв(t_кр.в=25°C)=37.2 Вт, климатические параметры окружающей среды - радиационная температура помещения t_r=10°C.

Результаты расчетов сведены в таблице 1 - для поросят и табл. 2 для телят.