3ο Εργαστήριο: Ρύθμιση και έλεγχος της θερμοκρασίας μιας κτηνοτροφικής μονάδας

3ο Εργαστήριο: Ρύθμιση και έλεγχος της θερμοκρασίας μιας κτηνοτροφικής μονάδας 1

Περιεχόμενα 3.1 Παράγοντες που συνιστούν το εσωτερικό περιβάλλον ενός κτηνοτροφικού κτηρίου... 3 3.2 Θερμότητα... 4 3.3 Θερμοκρασία... 4 3.4 Μηχανισμοί μετάδοσης θερμότητας... 5 3.4.1 Μετάδοση θερμότητας με αγωγιμότητα... 5 3.4.2 Μετάδοση θερμότητας με συναγωγή... 6 3.4.3 Μετάδοση θερμότητας με ακτινοβολία... 7 3.5 Πηγές απώλειας θερμότητας σε κτηνοτροφικό κτήριο... 8 3.5.1 Απώλειες θερμότητας μέσω των δομικών στοιχείων... 8 3.5.2 Απώλειες θερμότητας λόγω αερισμού... 10 3.6 Εσωτερικά θερμικά κέρδη σε ένα κτηνοτροφικό κτήριο... 11 3.7 Εκτίμηση θερμικών απαιτήσεων ενός κτηνοτροφικού κτηρίου... 11 3.8 Παράδειγμα υπολογισμού θερμικών αναγκών κτηνοτροφικού κτηρίου... 12 Εργαστηριακή άσκηση... 12 2

Στόχος του εργαστηρίου Στόχος του εργαστηρίου είναι να γνωρίσουν οι φοιτητές τους παράγοντες που συνιστούν το εσωτερικό περιβάλλον ενός κτηνοτροφικού κτηρίου, και να επικεντρωθούν στη θερμοκρασία. Επίσης στόχος είναι να εξοικειωθούν με έννοιες όπως: - Θερμότητα, θερμοκρασία, μονάδες μέτρησης θερμότητας - Μηχανισμοί μετάδοσης θερμότητας - Πηγές απώλειας θερμότητας σε ένα κτηνοτροφικό κτήριο - Εσωτερικά θερμικά κέρδη σε ένα κτηνοτροφικό κτήριο - Διαδικασία εκτίμησης θερμικών απαιτήσεων ενός κτηνοτροφικού κτηρίου 3.1 Παράγοντες που συνιστούν το εσωτερικό περιβάλλον ενός κτηνοτροφικού κτηρίου Εσωτερικό περιβάλλον Θερμοκρασία Υγρασία Ποιότητα αέρα Επίπεδα φωτισμού Σχήμα 1. Οι παράγοντες του εσωτερικού περιβάλλοντος ενός κτηνοτροφικού κτηρίου, που επηρεάζουν τους στεγασμένους πληθυσμούς που φιλοξενούν Πίνακες με ζωοτεχνικά δεδομένα δίνουν τα όρια θερμοκρασίας, υγρασίας, σύστασης του αέρα και επιπέδων φωτισμού εντός των οποίων τα ζώα μπορούν να διαβιούν καταναλώνοντας την ελάχιστη ενέργεια και διατηρώντας την υγεία τους. Τα όρια αυτά εξαρτώνται από το είδος του ζώου, την ηλικία του και την κατάσταση στην οποία βρίσκεται. Για παράδειγμα στον Πίνακα 1 που ακολουθεί, δίνονται οι απαιτήσεις των ζώων σε θερμοκρασία του περιβάλλοντος αέρα. 3

Πίνακας 1. Απαιτήσεις αγροτικών ζώων σε θερμοκρασία περιβάλλοντος Είδος ζώου Θερμοκρασία [ o C] Νεογέννητοι μόσχοι 10 16 Ενήλικα βοοειδή 0 16 Νεογέννητα χοιρίδια 27 Ενήλικοι χοίροι 4 29 Χοίροι πάχυνσης 16 24 Πρόβατα 0 10 Όρνιθες κρεοπαραγωγής 18 21 Όρνιθες αυγοπαραγωγής 10 21 3.2 Θερμότητα Θερμότητα είναι η μορφή ενέργειας που μπορεί να μεταφερθεί από ένα σώμα σε ένα άλλο λόγω διαφοράς θερμοκρασίας. Στο διεθνές σύστημα (SI) η θερμότητα εκφράζεται σε J (Joule). Άλλες μονάδες μέτρησης της θερμότητας συχνά χρησιμοποιούμενες, είναι η kwh και το kcal. 1 kwh = 3,6 x 10 6 J = 3600 kj 1kcal = 4184 J = 4,184 kj Οι θερμικές ανάγκες εκφράζονται ως θερμικής ισχύς. έ Γενικά, ισχύει ότι: ύ ό Στο διεθνές σύστημα (SI) η θερμική ισχύς (ή θερμική ροή) εκφράζεται σε W (Watt). Ισχύει 1W = 1 (J/s). Άλλες μονάδες μέτρησης της θερμικής ισχύος είναι το kcal/h και για τις ψυκτικές εφαρμογές το btu/h. 1 kcal/h = 1.163 W 1 btu/h = 0.293 W 3.3 Θερμοκρασία Η θερμοκρασία είναι το μέτρο εκείνο με το οποίο προσδιορίζεται η "θερμική κατάσταση" των διαφόρων σωμάτων, είναι δηλαδή ένα φυσικό μέγεθος που συνδέεται με τη μέση κινητική ενέργεια των σωματιδίων ενός συστατικού, το οποίο και χαρακτηρίζει πόσο θερμό ή πόσο ψυχρό είναι αυτό. Στο διεθνές σύστημα (SI) η θερμοκρασία εκφράζεται σε βαθμούς Kelvin (K). Άλλες μονάδες μέτρησης της 4

θερμοκρασίας είναι ο βαθμός Celsius ( 0 C) και ο βαθμός Farenhait (F). H σχέση μεταξύ των δύο τελευταίων μονάδων είναι η εξής: F 32 C 1.8 F 1.8C32 3.4 Μηχανισμοί μετάδοσης θερμότητας Αναγνωρίζονται τρεις βασικοί μηχανισμοί μετάδοσης της θερμότητας. 3.4.1 Μετάδοση θερμότητας με αγωγιμότητα Όταν η θερμότητας μεταδίδεται διαμέσου του ίδιου σώματος μέσω των ταλαντώσεων των μορίων (εντός στερεού) ή από ένα στερεό σε άλλο. Έτσι αν θερμανθεί η μια άκρη της ράβδου του Σχήματος 2, η θερμότητα θα μεταφερθεί λόγω αγωγιμότητας μέχρι την άλλη άκρη της ράβδου σύμφωνα με την ακόλουθη σχέση: Q A. d 1 2 Σχήμα 2. Μετάδοση θερμότητας με αγωγή Όπου, Α: το εμβαδό της επιφάνειας κάθετα ως προς την οποία πραγματοποιείται η μετάδοση θερμότητας [m 2 ], λ : ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας του υλικού [W/m 0 C], ο οποίος εξαρτάται από το υλικό και δίνεται σε πίνακες, d : το πάχος διάδοσης της θερμότητας [m], δηλαδή η απόσταση ανάμεσα στα σημεία με θερμοκρασίες θ 1 και θ 2, θ 1 : η θερμοκρασία του θερμότερου σημείου του σώματος [ 0 C], θ 2 : η θερμοκρασία του ψυχρότερου σημείου προς το οποίο μεταδίδεται η θερμότητα [ 0 C]. 5

3.4.2 Μετάδοση θερμότητας με συναγωγή Μετάδοση θερμότητας εμφανίζεται και στα ρευστά (υγρά και αέρια). Το ρευστό κινούμενο (με μακροσκοπικές κινήσεις) μεταφέρει μαζί του (συνάγει) θερμότητα. Το φαινόμενο αυτό χαρακτηρίζεται ως συναγωγή θερμότητας (ή επαγωγή). Ανάλογα με το αίτιο της κίνησης η συναγωγή διακρίνεται σε φυσική και εξαναγκασμένη συναγωγή. Όταν το ρευστό κινείται λόγω θερμικών ανωστικών δυνάμεων τότε το φαινόμενο χαρακτηρίζεται ως φυσική συναγωγή (σχήμα 2.β). Όταν το ρευστό κινείται λόγω κάποιου εξωτερικού αιτίου τότε έχουμε εξαναγκασμένη συναγωγή (Σχήμα 3.α) Σχήμα 3. Μετάδοση θερμότητας με συναγωγή Η ροή θερμότητας με συναγωγή δίνεται από την ακόλουθη σχέση: Q aa. 1 2 Όπου: a : είναι ο συντελεστής συναγωγής [W/(m 2 K)], που είναι πολύ δύσκολο να προσδιοριστεί και όταν αυτό γίνεται, συνήθως βασίζεται σε ημιεμπειρικές σχέσεις. Για τις συνήθεις εφαρμογές της δομικής φυσικής λαμβάνεται από πίνακες, Α: το εμβαδό της επιφάνειας του στερεού που έρχεται σε επαφή με το ρευστό (στο παράδειγμα του Σχήματος 3 είναι η εξωτερική επιφάνεια του αβγού), θ 1 : η θερμοκρασία του πιο θερμού μέσου (στο παράδειγμα του Σχήματος 3 είναι η θερμοκρασία του αβγού), θ 2 : η θερμοκρασία του πιο ψυχρού μέσου (στο παράδειγμα του Σχήματος 3 είναι η θερμοκρασία του αέρα). 6

3.4.3 Μετάδοση θερμότητας με ακτινοβολία Κάθε σώμα (υγρό, στερεό ή αέριο) έχει την ικανότητα να εκπέμπει θερμότητα με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Ενώ για την αγωγή και τη συναγωγή απαιτείται ένα υλικό μέσο σαν φορέας της θερμότητας, στη μετάδοση θερμότητας με ακτινοβολία δεν απαιτείται μέσο και η μετάδοση είναι δυνατή ακόμη και σε απόλυτο κενό. Η σχέση που δίνει την ποσότητα θερμότητας που ακτινοβολεί ένα σώμα με θερμοκρασία, Τ, δίνεται ακολούθως: 4 Q T. Όπου, ε : ο συντελεστής εκπομπής της επιφάνειας, που λαμβάνει μέγιστη τιμή ίση με 1 για μέλαν (μαύρο) σώμα, σ : η σταθερά Stefan-Boltzmann = 5.67x10-8 [W/m 2 K 4 ], Τ : η θερμοκρασία του σώματος σε [K]. Εκείνο που είναι σημαντικό είναι ότι το μήκος κύματος στο οποίο ακτινοβολεί ένα σώμα εξαρτάται επίσης από τη θερμοκρασία του. Συγκεκριμένα σώματα με πολύ υψηλή θερμοκρασία (της τάξης των χιλιάδων K) ακτινοβολούν σε μικρά μήκη κύματος (υπεριώδη, ορατή και υπέρυθρη ακτινοβολία μέχρι λ=3 μm, Σχήματα 4, 5). Αντιθέτως σώματα με χαμηλή θερμοκρασία (της τάξης των εκατοντάδων K) ακτινοβολούν σε μεγάλα μήκη κύματος (θερμική ακτινοβολία η οποία εκτείνεται στο υπέρυθρο φάσμα, Σχήματα 4, 5, της μη ορατής ακτινοβολίας). Σε αυτό το γεγονός βασίζεται η λειτουργία των ηλιακών συλλεκτών, των θερμοκηπίων αλλά και του φαινομένου υπερθέρμανσης του πλανήτη. Σχήμα 4. Κατάταξη της ακτινοβολίας (Α) 7

Σχήμα 5. Κατάταξη της ακτινοβολίας (Β) 3.5 Πηγές απώλειας θερμότητας σε κτηνοτροφικό κτήριο Ένα κτηνοτροφικό κτήριο κατά τη διάρκεια ψυχρών περιόδων (όταν η εσωτερική θερμοκρασία πρέπει να είναι υψηλότερη από την εξωτερική) έχει απώλειες θερμότητας προς το περιβάλλον. Υπάρχουν δύο βασικοί μηχανισμοί απώλειας θερμότητας: α) Λόγω συνδυασμού αγωγής/συναγωγής μέσω των δομικών στοιχείων (τοίχοι, υαλοστάσια, οροφή, δάπεδο κλπ) και β) Λόγω αερισμού 3.5.1 Απώλειες θερμότητας μέσω των δομικών στοιχείων Η θερμότητα μεταφέρεται από το εσωτερικό ενός κτηνοτροφικού κτηρίου προς το περιβάλλον (όταν αυτό είναι θερμότερο από το περιβάλλον) μέσω των δομικών του στοιχείων με τους εξής μηχανισμούς μετάδοσης (Σχήμα 6): 8

Α) από τον εσωτερικό αέρα στην εσωτερική επιφάνεια του δομικού στοιχείου τοίχο λόγω συναγωγής, Β) από την εσωτερική επιφάνεια του δομικού στοιχείου στην εξωτερική αυτού λόγω αγωγής και Γ) από την εξωτερική επιφάνεια στον εξωτερικό αέρα λόγω και πάλι συναγωγής. Η συνολική ροή θερμότητας χαρακτηρίζεται από έναν συνολικό συντελεστή θερμοπερατότητας ο οποίος προσδιορίζεται συναρτήσει των τοπικών συντελεστών συναγωγής α 1 (για το εσωτερικό), α 2 (για το εξωτερικό), του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας του δομικού στοιχείου λ, και του πάχους του δομικού στοιχείου. Η συνολική μετάδοση θερμότητας χαρακτηρίζεται από έναν συντελεστή θερμοπερατότητας, U. Σχήμα 6. Μεταφορά θερμότητας από το εσωτερικό ενός κτηνοτροφικού κτηρίου προς το περιβάλλον (όταν αυτό είναι θερμότερο από το περιβάλλον). Ο συντελεστής θερμοπερατότητας υπολογίζεται από την ακόλουθη σχέση: U 1 1 d 1 a a i Θα πρέπει να σημειωθεί ότι αν το δομικό στοιχείο αποτελείται από περισσότερες από μία στρώσεις (που είναι και το πιθανότερο) τότε η παραπάνω σχέση γίνεται: o 9

U 1 1 di 1 a a i i o Τελικά οι απώλειες θερμότητας μέσω του εξεταζόμενου δομικού στοιχείου υπολογίζεται από τη σχέση: Q AU( ). Όπου, A : το εμβαδό της επιφάνειας του δομικού στοιχείου [m 2 ], U : ο συντελεστής θερμοπερατότητας του δομικού στοιχείου [W/(m 2 C)], θ i : η θερμοκρασία του εσωτερικού χώρου [ 0 C], θ ο : η θερμοκρασία του εξωτερικού περιβάλλοντος [ 0 C]. i o Για ένα κτήριο είναι δυνατό να προσδιοριστεί μια μέση τιμή του συντελεστή θερμοπερατότητας U m και τότε οι απώλειες θερμότητας του συνολικού κτηρίου διαμέσου των δομικών στοιχείων δίνονται από τη σχέση: Q AU ( ), όπου p m i o πλέον, ως εμβαδό επιφάνειας Α λαμβάνεται όλη η εξωτερική επιφάνεια του κτηρίου που έρχεται σε επαφή με τον εξωτερικό αέρα. Η απώλεια θερμότητας Q υπολογίζεται σε [W]. 3.5.2 Απώλειες θερμότητας λόγω αερισμού Σε ένα κτηνοτροφικό κτήριο ο αέρας θα πρέπει να ανανεώνεται για να παραμένει καθαρός. Ο φρέσκος αέρας όμως θα έχει τη χαμηλή θερμοκρασία του εξωτερικού περιβάλλοντος, συνεπώς θα πρέπει να καταναλωθεί ενέργεια για να θερμανθεί. Η θερμότητα που θα πρέπει να καταναλωθεί δίνεται από τη σχέση: Όπου: Q 0.3V V i o V : η παροχή αέρα [m 3 /h], θ i : η θερμοκρασία του εσωτερικού χώρου [ 0 C], θ ο : η θερμοκρασία του εξωτερικού περιβάλλοντος [ 0 C]. Στη σχέση αυτή η ποσότητα θερμότητας που καταναλώνεται για να θερμανθεί ο εισερχόμενος αέρας, υπολογίζεται σε [W]. 10

3.6 Εσωτερικά θερμικά κέρδη σε ένα κτηνοτροφικό κτήριο Τα ζώα που βρίσκονται μέσα στο κτηνοτροφικό κτήριο αποβάλλουν θερμότητα σε μορφή αισθητής θερμότητας και λανθάνουσας. Αυτή η θερμότητα μπορεί να θεωρηθεί θερμικό κέρδος και να ληφθεί υπόψη στη διαστασιολόγηση του συστήματος θέρμανσης. Η συνολική ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται από τα ζώα δίνεται από τη σχέση: Qa nxqa. Όπου, n : ο αριθμός των ζώων στο κτηνοτροφικό κτήριο, q a : η συνολική θερμότητα που αποβάλλεται από το κάθε ζώο [W/ζώο], λαμβάνεται από πίνακες με ζωοτεχνικά δεδομένα (Πίνακας 2) που ακολουθεί και στον οποίο δίνεται η εκλυόμενη αισθητή θερμότητα ανά ζώο για διάφορους τύπους ζώων, ανάλογα με την επιθυμητή θερμοκρασία της ατμόσφαιρας που το περιβάλλει. Πίνακας 2. Εκλυόμενη αισθητή θερμότητα αγροτικών ζώων Είδος ζώου Θερμοκρασία [ ο C] Εκλυόμενη αισθητή θερμότητα ανά ζώο [W] Νεογέννητοι μόσχοι 10-16 199-120 Ενήλικα βοοειδή 16 570 Νεογέννητα χοιρίδια 27 4 Ενήλικοι χοίροι 13 199 Χοίροι πάχυνσης (26 19 161 εβδομάδων) Πρόβατα 10 157 Όρνιθες κρεοπαραγωγής 16 7 (7 εβδομάδων) Όρνιθες αυγοπαραγωγής 13 9.6 (18 εβδομάδων) 3.7 Εκτίμηση θερμικών απαιτήσεων ενός κτηνοτροφικού κτηρίου Τελικά η συνολική θερμική απαίτηση του κτηνοτροφικού κτηρίου μπορεί να ληφθεί αν από τις απώλειες θερμότητας αφαιρεθούν τα θερμικά κέρδη: Όπου: Q Qp QV Qa Q : η συνολική θερμική απαίτηση του κτηνοτροφικού κτηρίου [W] Q p : οι απώλειες θερμότητας διαμέσου δομικών στοιχείων [W] Q V : οι απώλειες θερμότητας λόγω αερισμού [W] Q a : τα θερμικά κέρδη από τα ζώα [W] 11

3.8 Παράδειγμα υπολογισμού θερμικών αναγκών κτηνοτροφικού κτηρίου Να υπολογιστούν οι θερμικές απαιτήσεις χοιροτροφείου με τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Διαστάσεις χοιροτροφείου : (10 x 28 x 3) m 3 Συνολικός συντελεστής θερμοπερατότητας : U=2.3 W/m 2 C Επιθυμητή εσωτερική θερμοκρασία : t i = 19 o C Εξωτερική θερμοκρασία σχεδιασμού : t o = -7 o C Αριθμός χοίρων : n = 100 Θερμότητα που εκλύεται από κάθε χοίρο : qa = 161 W/ζώο Απαιτούμενη παροχή αέρα : v = 80 m 3 /[hζώο] Επίλυση παραδείγματος Υπολογισμός θερμικών αναγκών Q, όπου Q = Q p +Q v - Q a [W] (Q p : θερμικές απώλειες κτιρίου, Q v : θερμικές απώλειες αερισμού, Q a : θερμική ενέργεια που εκλύεται από τα ζώα). Υπολογισμός επιφάνειας κτηρίου σε επαφή με εξωτερικό αέρα Α= (10X3+28X3)X2 + 10X28 = 508 m 2 Q p = U x A x (θ i θ ο ) = 2.3 [w/m 2 C] x 508 m 2 x (19-(-7)) = 30378 [W] Q v = 0.3 x V x (θ i θ ο ) = 0.3 x (n x v) x (θ i θ ο )= 0.3x100 ζώα x 80 [m 3 /hζώο] = 0.3 x 8000 [m 3 /h] x (19-(-7)) = 62400 [W] Q a = n x qa = 100 ζώα x 161 [w/ζώο] = 16100 [W] Άρα Q = 30378 + 62400 16100 = 76678 [W] Υπολογισμένο σε θερμίδες Q = 76678 /1.162 = 65988 [kcal/h] Εργαστηριακή άσκηση 3.1 Υπολογισμός θερμικών αναγκών πτηνοτροφείου με τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Διαστάσεις πτηνοτροφείου : (10 Χ 30 Χ 2.5) m 3 12

Συνολικός συντελεστής θερμοπερατότητας : U=2.3 W/m 2 C Επιθυμητή εσωτερική θερμοκρασία : t i = 21 o C Εξωτερική θερμοκρασία σχεδιασμού : t o = -7 o C Αριθμός χ ο (κρεοπαραγωγής) : n = 1000 Θερμότητα που εκλύεται από κάθε πτηνό : qa = 7 W/ζώο Απαιτούμενη παροχή αέρα : v = 2 m 3 /hζώο Μετατρέψτε το αποτέλεσμα σε Kcal/h (1 Kcal/h = 1.162 W) Επίλυση άσκησης Υπολογισμός θερμικών αναγκών Q, με Q = Q p +Q v - Q a [W] Όπου: Q p : θερμικές απώλειες κτιρίου, Q v : θερμικές απώλειες αερισμού, Q a : θερμική ενέργεια που εκλύεται από τα ζώα Q p = U x A x (θ i θ ο ) = 2.3 [W/m 2 C] x 500 m 2 x (21-(-7)) = 32200 [W] Q v = 0.3 x V x (θ i θ ο ) =0.3 x (n x v) x (θ i θ ο )= 0.3 x 1000 ζώα x 2 [m 3 /hζώο] x (θ i θ ο )= 0.3 x 2000 [m 3 /h] x (21-(-7)) = 16800 [W] Q a = n x qa = 1000 ζώα x 7 [W/ζώο] = 7000 [W] Άρα Q = 32200 + 16800 7000 = 42000 [W] Υπολογισμένο σε θερμίδες Q = 42000 /1.162 = 36144 [kcal/h] 13