PROGNOZOWANIE KSZTAŁTOWANIA SIĘ MIKROKLIMATU BUDYNKÓW INWENTARSKICH MOśLIWOŚCI I OGRANICZENIA

Transkrypt

1 InŜynera Rolncza 7/2005 Jan Radoń Katedra Budownctwa Weskego Akadema Rolncza w Krakowe PROGNOZOWANIE KSZTAŁTOWANIA SIĘ MIKROKLIMATU BUDYNKÓW INWENTARSKICH MOśLIWOŚCI I OGRANICZENIA Streszczene Opsano nawaŝnesze procesy ceplno wlgotnoścowe zachodzące w pomeszczenach hodowlanych. Stwerdzono, Ŝe określene podstawowych parametrów mkroklmatu w czase moŝe nastąpć poprzez budowę rozwązane równań blansowych cepła wlgoc w krótkch okresach czasu. O dokładnośc rozwązana decyduą moŝlwośc ogranczena wyznaczena zgodnych z rzeczywstoścą poszczególnych składnków równań blansowych. Słowa kluczowe: mkroklmat, budynek nwentarsk, prognozowane Wprowadzene Stosowane dotychczas metody wymarowana termcznego określena welkośc wentylac budynków nwentarskch bazuą na staconarnych blansach cepła wlgoc. Take metody pozwalaą wprawdze na oblczenowe sprawdzene blansu ceplnego budynku (np. sprawdzene samoogrzewalnośc), ne umoŝlwaą ednak określena zman mkroklmatu w pomeszczenu hodowlanym w kaŝdym okrese czasu. Ne uwzględnaą one bowem wpływu akumulac ceplne w przegrodach oraz, co est bardzo stotne, w grunce pod posadzką. W artykule podęto próbę odpowedz na pytane, czy moŝlwe est obecne warygodne przewdywane kształtowana sę mkroklmatu budynku nwentarskego w cągu całego roku. Take prognozowane umoŝlwa bowem rozpoznane ewentualną elmnacę welu zagroŝeń powodowanych nekorzystnym parametram mkroklmatu (np. wyzębena w zme czy przegrzana budynku w lece) uŝ na etape proektowana technolog produkc konstrukc budynku. 245

2 Jan Radoń Materał metody Mkroklmat budynku pomeszczena nwentarskego est kształtowany poprzez oddzaływane welu czynnków enocześne. Na rys. 1. pokazano schematyczne nawaŝnesze procesy ceplne wlgotnoścowe zachodzące w obrębe budynku nwentarskego. C 3 W W 5 5 C 11 W 6 C 10 C 6 C W 1 7 W1 W C 7 C C C 2 C 9 W 2 W 3 C 4 W 4 C 5 Rys. 1. Fg. 1. Schematyczny obraz przepływu cepła wlgoc w budynku nwentarskm. Ltery C oznaczaą przepływy cepła: C1 przez ścany zewnętrzne, C2 przez okna, C3 przez strop, C4 przez posadzkę, C5 mędzy zwerzęcem a ścółką posadzką, C6 zysk od promenowana słonecznego, C7,C8,C9 cepło emtowane przez zwerzęta, C10 cepło wentylacyne, C11 cepło grzana (chłodzena). Ltery W oznaczaą przepływy wlgoc: W1,W2,W3 emsa wlgoc przez zwerzęta, W4 wymana wlgoc ze ścółką (posadzką), W5,W6 wymana wlgoc poprzez wentylacę, W7 nawlŝane (osuszane) powetrza. Schematc presentaton of heat and mosture flow n lvestock buldng. The C letters stand for heat penetraton: C1 through external walls, C2 through wndows, C3 though celng, C4 through floor, C5 between an anmal beddng and floor, C6 gan from solar radaton, C7,C8,C9 heat emtted by the anmals, C10 ventlaton heat, C11 hatng (coolng) heat. The W letters stand for mosture penetraton: W1,W2,W3 mosture emtted by the anmals, W4 mosture exchange wth the beddng (floor), W5,W6 mosture exchange through ventlaton, W7 mosturzng (dryng) of ar 246

3 Prognozowane kształtowana sę... Podstawowym parametram mkroklmatu budynku nwentarskego są temperatura wlgotność powetrza wewnętrznego. Wyznaczene przebegu tych welkośc w czase est moŝlwe edyne poprzez uęce pomeszczena hodowlanego ako otwartego systemu termodynamcznego, ogranczonego wewnętrznym powerzchnam przegród, poprzez które następue określony przepływ cepła wlgoc. Istotnym elementem systemu są zwerzęta emtuące cepło, wlgoć domeszk gazowe. System ten est celowo modyfkowany przez uŝytkownka poprzez czynne oddzaływane z zewnątrz, take ak dodatkowy dopływ cepła (ogrzewane), sterowany przepływ powetrza wlgoc (wentylaca, nawlŝane osuszane powetrza), odprowadzene nadmaru cepła (chłodzene). Wyznaczene przebegu podstawowych parametrów systemu następue poprzez zbudowane rozwązane róŝncowych równań blansowych cepła wlgoc powetrza wewnętrznego w krótkch okresach czasu (tzw. krokach czasowych), zazwycza co godznę. Równane blansu cepła moŝna zapsać w postac róŝncowe: 356, ,934 ' ' [( + 1,86 w ) ϑ ( + 1,86 w ) ϑ ] V 1000 = )] ', 273+ ϑ 273+ ϑ { [ A α ( ϑp ϑ + Q } τ (1) Lewa strona równana 1. oznacza zmanę entalp wlgotnego powetrza a prawa obemue zewnętrzne przepływy cepła do od systemu. Poszczególne welkośc oznaczaą: ' ϑ temperatura powetrza wewnętrznego na początku kroku czasowego [ C], ϑ temperatura powetrza wewnętrznego na końcu kroku czasowego [ C], V kubatura pomeszczena w śwetle przegród [m³], A wewnętrzna powerzchna -te przegrody (takŝe posadzk) [m²], α współczynnk przemowana cepła na wewnętrzne powerzchn -te przegrody [W (m 2 K) -1 ], ϑ temperatura wewnętrzne powerzchn -te przegrody [ C], p, Q suma chwlowych strumen cepła: zysk cepła od nasłonecznena, cepło awne wydzelane przez zwerzęta, zysk/straty cepła wentylacynego, cepło grzana lub chłodzena, τ długość kroku czasowego [s]. Blans wlgotnoścowy systemu opsue chwlowe zmany absolutne wlgotnośc powetrza w czase, a odpowedne równane róŝncowe ma postać: ' V ( w w ) = ( Ww + W ) τ (2) 247

4 Jan Radoń gdze: w wlgotność bezwzględna powetrza wewnętrznego na końcu kroku czasowego [kg m -3 ], ' w wlgotność bezwzględna powetrza wewn. na początku kroku czasowego [kg m -3 ], W w przepływ wlgoc poprzez wymanę powetrza [kg s -1 ], W wydaność źródła wlgoc w pomeszczenu [kg s -1 ], pozostałe oznaczena ak w równanu 1. W równanach blansowych 1 2 występue wlgotność bezwzględna powetrza. Tymczasem parametrem słuŝącym do opsu stanu powetrza est wlgotność względna (ϕ ). Jest ona powązana z wlgotnoścą bezwzględną prawem gazowym [Recknagel Sprengel 1976]: ϕ ps( ϑ ) w = 219, 81 (3) [ ϕ p ( ϑ )] ( ϑ ) Gdze p s ( ϑ ) est cśnenem cząstkowym pary wodne w stane nasycena. Równań blansowych 1 2 ne moŝna rozwązać względem ϑ oraz ϕ z uwag na ch wysoke uwkłane w tych równanach. Wartośc temperatury wlgotnośc względne są węc wstępne zakładane koleno określane na drodze teracyne w danym kroku czasowym. Po spełnenu równań blansowych 1 2 następue prześce do następnego kroku czasowego, przy czym końcowa temperatura wlgotność z poprzednego kroku staą sę welkoścam początkowym ( ϑ ' ', w ) w kroku następnym. Dokładność rozwązana przedstawonego zagadnena zaleŝy przede wszystkm od właścwego określena wszystkch składowych równań blansowych w kaŝdym kroku czasowym. Stopeń zgodnośc poszczególnych składnków z rzeczywstym procesam ceplno wlgotnoścowym zachodzącym w budynku nwentarskm określa zakres moŝlwośc ogranczeń w prognozowanu mkroklmatu w tych budynkach. Zagadnene nestaconarnego przepływu cepła przez przegrody zewnętrzne est obecne dobrze rozpoznane. Badana nad tym zawskam są od welu lat prowadzone w odnesenu do budownctwa meszkanowego a uzyskane metody mogą być zastosowane do budownctwa rolnczego [Koczyk 2000]. Jako zewnętrzny warunek brzegowy moŝe zostać wykorzystany tzw. klmat statystyczny stworzony właśne do symulac procesów wymany cepła masy w budynkach. W Polsce s 248

5 Prognozowane kształtowana sę... dopero od nedawna rozpoczęto prace nad określenem klmatu statystycznego dla poszczególnych reonów krau. Tym nemne dostępne są uŝ plk klmatyczne dla klku mescowośc (m.n. Warszawy Krakowa) w forme tzw. Typowego Roku Odnesena (TRO) [Gawn Kossecka 2002]. Wewnętrznym, źródłem cepła w budynku est cepło wydzelane przez zwerzęta. W lteraturze moŝna znaleźć welkośc ems dla wększośc zwerząt hodowlanych w zaleŝnośc od masy cała otaczaące temperatury powetrza [Wolsk 1988]. Welkośc te ne zostały w Polsce unormowane a wartośc podawane przez róŝne źródła wykazuą pewne róŝnce. Przykładem mogą być emse cepła dla drobu podawane przez róŝnych autorów [Kettlewel Moran 1992, Podgórsk Lebedowcz 1995]. W obecnych oblczenach prognozowana mkroklmatu emse cepła wlgoc będą węc edyne welkoścam orentacynym. Ilość powetrza wymenanego zaleŝy od zakładane w danym kroku czasowym wlgotnośc względne powetrza oraz stęŝena określonego składnka gazowego (kryterum pary wodne lub np. CO 2 ). Jakkolwek strumeń wymenanego powetrza moŝe być w oblczenach precyzyne wyznaczony, w praktyce problemem pozostae moŝlwość dokładnego sterowana wentylacą w stneących budynkach nwentarskch, w których często dochodz do nekontrolowane wymany powetrza. Nemal wszystke budynk nwentarske posadaą posadzkę połoŝoną na grunce. Przegroda ta pełn stotną rolę w kształtowanu warunków termcznych w pomeszczenach hodowlanych. Dla ustalena wymany cepła ze ścółką posadzką koneczne est wyznaczene pola temperatur ch powerzchn, co wymaga pełnego rozwązana zagadnena nestaconarnego przepływu cepła w grunce pod budynkem w ego otoczenu. Obszar przewodzena cepła est trówymarowy teoretyczne neogranczony. W pewne odległośc od budynku zanka ednak przepływ pozomy oraz na pewne głębokośc przepływ ponowy, co pozwala wyodrębnć z przestrzen neogranczone bryłę o skończonych wymarach. Naturalnym obszarem przewodzącym cepło stae sę prostopadłoścan gruntu z posadzkam, ścanam fundamentowym nnym elementam połoŝonym na grunce wewnątrz nego. Oddzaływana zewnętrzne na opsany powyŝe system (warunk brzegowe) wyznaczaą dwe strefy na górne powerzchn. Jest to powerzchna posadzk (ścółk podłog) wewnątrz budynku oraz powerzchna oddzaływana klmatu zewnętrznego poza budynkem. Na rys. 2 przedstawono wyodrębnony ośrodek gruntowy, w którym zachodzą przepływy cepła maące wpływ na ego mkroklmat. 249

6 Jan Radoń Obszar oddzaływana mkroklmatu wewnętrznego Obszar oddzaływana klmatu zewnętrznego Przepływ pozomy = 0 (płaszczyzna adabatyczna) Przepływ ponowy = 0 (płaszczyzna adabatyczna) Rys. 2. Fg. 2. Model fzyczny geometryczny ośrodka gruntowego do oblczeń przepływu cepła Physcal and geometrcal model of sol medum for calculaton of heat penetraton ZłoŜoność przepływu cepła w grunce warunków brzegowych powodue, Ŝe pełne rozwązane tego zagadnena ne est obecne moŝlwe. Koneczne stae sę przyęce załoŝeń upraszczaących. W analze nestaconarnego, trówymarowego przepływu cepła w ośrodku gruntowym zastosowano metodę blansów elementarnych [Gdula 1984] zakładaąc zmenne właścwośc fzyczne ośrodka gruntowego w róŝnych mescach (ścółka, posadzka, fundamenty, grunt). Wewnątrz budynku załoŝono konwekcyną wymanę cepła na powerzchn ścółk (posadzk) oraz bezpośredną wymanę cepła z całem zwerząt (sedzących lub leŝących). Na zewnątrz uwzględnono konwekcyną wymanę cepła z powetrzem zewnętrznym z uwzględnenem dzałana watru. Przykład oblczenowy Na podstawe opsanych załoŝeń zbudowano model oblczenowy program komputerowy o nazwe KLIMAT_INW do analzy dynamcznego kształtowana sę mkroklmatu budynków rolnczych ze szczególnym uwzględnenem brolern [Radoń 2004]. Program poddano waldac eksperymentalne w zakrese wyznaczena temperatury w grunce oraz waldac oblczenowe w zakrese kształtowana sę mkroklmatu budynku meszkalnego z pomnęcem przegród stykaących 250

7 Prognozowane kształtowana sę... sę z gruntem (oprogramowane obecne dostępne ne umoŝlwa uwzględnena przepływu cepła w grunce). Do oblczeń porównawczych uŝyto programu o nazwe TRNSYS (http//sel.me.wsc.edu/trnsys). Ne uzyskano pełne zgodnośc pomędzy wynkam oblczeń pomarów. JednakŜe długotermnowe przebeg badanych parametrów wykazały duŝe podobeństwo. Na rysunku 3 pokazano przykładowe wynk oblczeń temperatury oraz mocy grzewcze dla letnego cyklu produkcynego ( ) w przykładowe brolern przy sterowanu klmatyzacą z kontrolą wlgotnośc powetrza, uzyskane za pomocą programu KLI- MAT_INW. W oblczenach wykorzystano klmat statystyczny dla Warszawy. Rys. 3. Wynk oblczeń temperatury mocy grzewcze dla letnego cyklu produkcynego ( ) uzyskane za pomocą programu KLIMAT_INW Fg. 3. Calculaton results for summer producton cycle ( ) obtaned wth the ad of KLIMAT_INW applcaton 251

8 Jan Radoń Podsumowane Budynek nwentarsk stanow złoŝony system termodynamczny, w którym poszczególne elementy (zwerzęta, powetrze wewnętrzne, przegrody, ścółka, posadzka grunt) są sprzęŝone termczne. Oblczena kształtowana sę mkroklmatu moŝna dokonać poprzez numeryczne rozwązywane róŝncowych równań blansowych cepła wlgoc powetrza wewnętrznego. Obecna technka oblczenowa umoŝlwa zbudowane programów komputerowych, umoŝlwaących rozwązane tych równań z dowolną dokładnoścą. Problemem pozostae ednak właścwe określene wszystkch składowych równań blansowych w kaŝdym kroku czasowym. Oblczena wykonane za pomocą autorskego programu komputerowego KLIMAT_INW wykazały wynk porównywalne w sense akoścowym do wynków badań eksperymentalnych. W pełn warygodne prognozowane kształtowana sę mkroklmatu budynków nwentarskch będze ednak moŝlwe po uścślenu welu parametrów, ak np. welkość wydzelana sę cepła w ścółce, czasowe zmany e parametrów fzycznych, czy określene welkośc ems cepła przez zwerzęta w zaleŝnośc od temperatury wlgotnośc powetrza oraz weku. Welkośc te w chwl obecne często mogą być tylko oszacowane lub wyznaczone pośredno. Bblografa Gawn D., Kossecka E Komputerowa fzyka budowl. Typowy rok meteorologczny do symulac procesów wymany cepła masy w budynkach. Drukarna Wydawnctw Naukowych, Łódź. Gdula S Przewodzene cepła. PWN, Warszawa. Kettlewel P.J., Moran P A study of heat producton and heat loss n crated broler chckens: a mathematcal model for a sngle brd. Brtsh Poultry Scence, 33, Koczyk H Podstawy proektowana ceplnego termomodernzac budynków. Wydawnctwo Poltechnk Poznańske, Poznań. Podgórsk W., Lebedowcz W Wytwarzane cepła sensyblnego przez brolery kurze. Problemy InŜyner Rolncze, 3,

9 Prognozowane kształtowana sę... Radoń J Model oblczenowy analza dynamcznego kształtowana sę mkroklmatu budynków rolnczych na przykładze brolern. Zesz. Nauk. AR w Krakowe, nr 410, ser. Rozprawy, 299. Recknagel H, Sprenger E Ogrzewane klmatyzaca poradnk. Arkady, Warszawa. Wolsk L Mkroklmat w budynkach nwentarskch. PWN, Warszawa. FORECASTING MICROCLIMATE DEVELOPMENT IN LIVESTOCK BUILDINGS POSSIBILITIES AND LIMITATIONS Summary The maor heat and humdty related processes have been descrbed, whch take place n lvestock halls. It has been found that determnng the basc parameters of mcroclmate n course of tme can be obtaned by developng and solvng heat and mosture content balance equatons n short perods. The accuracy of the soluton s decded by the possbltes and lmtatons of determnng relable ndvdual components of balance equatons. Key words: mcroclmate, lvestock halls, forecastng 253