5 ο Εργαστήριο: ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΗΣ ΥΓΡΑΣΙΑΣ ΣΕ ΜΙΑ ΚΤΗΝΟΤΡΟΦΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ

5 ο Εργαστήριο: ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΗΣ ΥΓΡΑΣΙΑΣ ΣΕ ΜΙΑ ΚΤΗΝΟΤΡΟΦΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ 1

Στόχος του εργαστηρίου Στόχος του εργαστηρίου είναι να εξοικειωθούν οι φοιτητές με έννοιες όπως: - σχετική και απόλυτη υγρασία, θερμοκρασία δρόσου - ψυχρομετρικό διάγραμμα - απαίτηση αερισμού σε κτηνοτροφικά κτήρια - υπολογισμός απαιτούμενου αερισμού - δείκτες θερμικής άνεσης Θεωρητικό μέρος Υγρασία Ορισμοί υγρασίας Υπολογισμός υγρασίας Έλεγχος υγρασίας Αερισμός Για ποιο λόγο είναι απαραίτητος ο αερισμός στα κτηνοτροφικά κτήρια Ταχύτητα του αέρα μέσα στα κτηνοτροφικά κτήρια Υπολογισμός απαιτούμενου αερισμού Υπολογισμός ελάχιστης παροχής αέρα. Υπολογισμός μέγιστης παροχής αέρα. Παραδείγματα υπολογισμού του απαιτούμενου αερισμού Εργαστηριακή άσκηση Υπολογισμός του ελάχιστου απαιτούμενου αερισμού ενός βουστασίου Υπολογισμός της μέγιστης απαιτούμενης παροχής αέρα ενός συστήματος αερισμού 2

Εισαγωγή Όπως αναφέρθηκε σe προηγούμενο εργαστήριο το εσωτερικό περιβάλλον ενός κτηνοτροφικού κτηρίου χαρακτηρίζεται από τέσσερις παράγοντες (θερμοκρασία, υγρασία, ποιότητα αέρα και επίπεδο φωτισμού). Στα προηγούμενα εργαστήρια, αναλύθηκαν οι τεχνικές ελέγχου της θερμοκρασίας. Στο παρόν εργαστήριο θα αναλυθεί το θέμα της υγρασίας και του αερισμού. Αρχικά όμως πρέπει να γίνει κατανοητός ο ψυχρομετρικός χάρτης (περιγράφεται στην επόμενη παράγραφο) γιατί είναι βασικό εργαλείο για να επιλυθούν προβλήματα αερισμού και ελέγχου υγρασίας σε ένα κτηνοτροφικό κτήριο. Ψυχρομετρικός χάρτης Ο ατμοσφαιρικός αέρας δεν είναι ποτέ εντελώς ξηρός. Είναι ένα μίγμα ξηρού αέρα και υδρατμών οπότε μπορεί να χαρακτηριστεί ως υγρός. Το ποσό των υδρατμών που περιέχει ο αέρας δεν είναι σταθερό και εξαρτάται από τη θερμοκρασία του. Όσο αυξάνεται η θερμοκρασία του αέρα τόσο αυξάνεται και η υγρασία που μπορεί αυτός να συγκρατήσει. Όταν επομένως πρέπει να αερισθεί ένα κτηνοτροφικό κτήριο, παράλληλα εισάγεται ή αποβάλλεται υγρασία στο εξωτερικό περιβάλλον. Στο μεταξύ στο εσωτερικό των κτηρίων υπάρχουν ζώα τα οποία επειδή αναπνέουν, αποβάλλουν υγρασία στον χώρο. Ένα σωστά μελετημένο σύστημα αερισμού πρέπει να μπορεί να εξασφαλίσει στον εσωτερικό αέρα ενός κτηνοτροφικού κτηρίου, τις βέλτιστες συνθήκες για την ευζωία των ενοίκων του. Η κατανόηση των φυσικών και θερμοδυναμικών ιδιοτήτων του μίγματος ξηρού αέρα υδρατμών, είναι βασική παράμετρος στον σχεδιασμό των συστημάτων ελέγχου περιβάλλοντος στα οποία είτε ενυπάρχουν φυτά (θερμοκήπια), είτε αποθηκευμένα προϊόντα (αποθήκες, ψυκτικοί θάλαμοι) είτα ζώα (σταβλικές εγκαταστάσεις).

Ο ψυχρομετρικός χάρτης είναι μια γραφική παρουσίαση των φυσικών και θερμικών ιδιοτήτων του ατμοσφαιρικού αέρα. Προβλήματα θέρμανσης, τεχνητού αερισμού, υγροποίησης, αφύγρανσης, ψύξης και ανάμειξης μειγμάτων ξηρού αέρα ατμών νερού, μπορεί να επιλυθούν με τη βοήθεια του ψυχρομετρικού χάρτη. Οι ψυχρομετρικές παράμετροι του αέρα που υπάρχουν είναι: 1. Σχετική υγρασία είναι ο λόγος του βάρους των υδρατμών που περιέχει ο αέρας προς εκείνο που θα είχε αν ήταν κορεσμένος. Εκφράζεται επί τοις % (Η τιμή 100% σημαίνει κορεσμένος αέρας, η τιμή 0% σημαίνει ότι ο αέρας είναι ξηρός. 4

2. Απόλυτη υγρασία, ονομάζεται η ποσότητα των υδρατμών (kg) που εμπεριέχονται σε 1 kg ξηρό αέρα. Συμβολίζεται με w και οι μονάδες είναι είτε [kg H2O /kg ξηρ.αέρ. ] είτε [g H2O /m ξηρ.αέρ.]. 0,026 0,02 0,021 0,018 0,015 0,012 0,009 0,006 0,00 0,001. Θερμοκρασία δρόσου, σημείο υγροποίησης ή σημείο κορεσμού της ατμόσφαιρας χαρακτηρίζεται το σημείο εκείνο της θερμοκρασίας στο οποίο υγροποιούνται οι υδρατμοί της ατμόσφαιρας. -10 0 0 0 10 0 20 0 0 0 40 0 4. Θερμοκρασία ξηρού βολβού (Dry bulb temperature, Td), η θερμοκρασία του υγρού αέρα που μετριέται με κοινό θερμόμετρο. Αντιστοιχεί στην αισθητή θερμότητα του αέρα δηλ. αυτή που προκαλεί την αύξηση της θερμοκρασίας του. Μέτρηση σε [ ο C]. -10 0 0 0 10 0 20 0 0 0 40 0 50 0 5. Θερμοκρασία υγρού βοβού (Wet bulb temperature, Tw), είναι η min θερμοκρασία στην οποία μπορεί να η θερμοκρασία του υγρού αέρα αποκλειστικά λόγω της εξάτμισης του νερού (είναι αυτή που αισθάνεται κάποιος αν εκθέσει ένα βρεγμένο τμήμα του σώματος του, σε ένα ρεύμα αέρα). Μέτρηση σε [ ο C]. 5

6. Ειδικός όγκος (specific volume, v) του υγρού αέρα ορίζεται ως ο «υγρός όγκος» ανά μονάδα μάζας του αέρα (m kg -1 ). O υγρός όγκος ενός μίγματος αέρα υδρατμών λαμβάνεται (χωρίς σημαντικό σφάλμα) ίσος με το άθροισμα του όγκου του ξηρού αέρα και του όγκου των υδρατμών που περιέχει ο υγρός αέρας. 7. Ενθαλπία του αέρα (Enthalpy, Q) είναι το άθροισμα της αισθητής και της λανθάνουσας θερμότητας ανά μονάδα μάζας του υγρού αέρα (kcal kg -1 ή kj kg -1 ). Λανθάνουσα θερμότητα (Latent heat, Q l ) είναι η θερμότητα που περιέχει ο υγρός αέρας (η λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης του νερού είναι 540 cal g -1, δηλαδή για την εξάτμιση 1 g νερού απαιτείται θερμότητα ίση με 540 cal). Η λανθάνουσα θερμότητα δεν επηρεάζει τη θερμοκρασία του σώματος (π.χ. το Η 2 Ο παραμένει στους 100 0 C ενώ βράζει. Η θερμότητα που προστίθεται για να συνεχιστεί ο βρασμός, είναι η λανθάνουσα θερμότητα. Α Σχήμα 1. Παράδειγμα υπολογισμού των ψυχρομετρικών παραμέτρων του αέρα που βρίσκεται στην κατάσταση (Α) 6

Έλεγχος της υγρασίας σε ένα κτηνοτροφικό κτήριο Όπως και με τη θερμοκρασία, έτσι και με την υγρασία υπάρχουν συγκεκριμένα όρια σχετικής υγρασίας εντός των οποίων τα ζώα αισθάνονται άνετα. Συνεπώς είναι σημαντικό να μπορεί να ελεγχθεί το επίπεδο υγρασίας. Πολύ ξηρός ή πολύ υγρός αέρας είναι δυσάρεστος για τη διαβίωση των ζώων, διότι: - είναι δύσκολο για τα ζώα να ψυχθούν μέσω εφίδρωσης, - σε κάποια είδη όπως είναι τα πτηνά προκαλείται ύγρανση των φτερών, - διευκολύνεται η εναπόθεση των υδρατμών (μετά τη συμπύκνωση) στο δάπεδο, με αποτέλεσμα να υπάρχει κίνδυνος τα ζώα να γλιστρήσουν και να τραυματιστούν - η εναπόθεση υγρών υδρατμών μπορεί να δημιουργήσει εστίες ανάπτυξης παθογόνων μικροοργανισμών - η εναπόθεση υγρών υδρατμών μπορεί να προκαλέσει σήψη ξύλινων επιφανειών ή/ και οξείδωση μεταλλικών επιφανειών - υψηλή υγρασία είναι δυνατό να προκαλέσει ασθένειες του αναπνευστικού συστήματος των ζώων Στον ακόλουθο πίνακα 1 δίνονται στοιχεία σχετικά με την ευνοϊκή σχετική υγρασία για κάθε ζώο. Πίνακας 1. Ζωτοτεχνικά δεδομένα υγρασίας για αγροτικά ζώα και πτηνά Είδος ζώου Ευνοϊκή σχετική υγρασία [%] Χοίροι (ανάλογα με το φύλο, την ηλικία και το βάρος) 60-80 Όρνιθες 60 70 Πρόβατα 70-75 Βοοειδή 50 Η υγρασία μέσα στα κτηνοτροφικά κτήρια προέρχεται από δύο πηγές. Η μία είναι ο αέρας της ατμόσφαιρας που πάντα περιέχει ποσότητες υδρατμών. Η άλλη πηγή είναι τα ίδια τα ζώα τα οποία παράγουν υδρατμούς, λόγω της αναπνοής. 7

Η υγρασία μέσα στα κτηνοτροφικά κτήρια ελέγχεται μέσω δύο παραμέτρων: 1. της θέρμανσης και 2. του αερισμού. Στον πίνακα 2 δίνεται ενδεικτικά η παραγωγή υδρατμών από αγροτικά ζώα. Πίνακας 2. Παραγωγή υδρατμών από αγροτικά ζώα Τύπος ζώου Υδρατμοί παραγόμενοι ανά ζώο [g/h] Αγελάδα γαλακτοπαραγωγής 522 Χοιρομητέρα 175 Όρνιθες αυγοπαραγωγής 18 εβδομάδων Βουστάσιο 50 Αερισμός Για ποιον λόγο είναι απαραίτητος ο αερισμός στα κτηνοτροφικά κτήρια Με τον αερισμό στα κτηνοτροφικά κτήρια αφενός μεν ελέγχεται η θερμοκρασία και η υγρασία και αφετέρου διατηρείται ο αέρας εντός του κτηρίου καθαρός. Μέσα σε ένα κτηνοτροφικό κτήριο με την αναπνοή των ζώων καταναλώνεται το οξυγόνο του αέρα, ενώ παράλληλα αυξάνονται τα ποσοστά του διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) και των υδρατμών. Από την αποσύνθεση των οργανικών ουσιών (ούρα και κόπρανα των ζώων) παράγoνται: ---αμμωνία (ΝΗ ), ---μεθάνιο (CH 4 ), ---υδρόθειο (H 2 S), ---διοξείδιο του θείου (SO 2 ), τα οποία θεωρούνται τοξικά αέρια επικίνδυνα για την υγεία των ζώων αλλά και των εργαζομένων στις κτηνοτροφικές εγκαταστάσεις. 8

Επίσης λόγω της αποσύνθεσης των οργανικών ουσιών και λόγω του αριθμού των ζώων, αυξάνεται ιδιαίτερα ο πληθυσμός των παθογόνων μικροοργανισμών. Τέλος, λόγω: των εργασιών μέσα στην εγκατάσταση (τροφοδοσία, καθάρισμα κλπ), της κίνησης των ζώων και της απόθεσης τροφής, αυξάνεται το ποσοστό σκόνης και σωματιδίων στον αέρα. Προκειμένου να διατηρηθεί η συγκέντρωση των παραπάνω συστατικών σε ανεκτά για την υγεία των ζώων επίπεδα και να εξασφαλιστεί ικανή ποσότητα οξυγόνου, επιβάλλεται η ανανέωση του αέρα. Πίνακες ζωοτεχνικών δεδομένων δίνουν τις ποσότητες αερισμού ανά τύπο ζώου και ηλικία σε m /h. Στον Πίνακα δίνονται οι μέγιστες επιτρεπόμενες τιμές ρύπων του περιβάλλοντος αέρα των κτηνοτροφικών κτηρίων. Πίνακας. Μέγιστες επιτρεπόμενες τιμές ρύπων Ρύπος Μέγιστη τιμή Διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) 0.5% ή 5000 ppm Αμμωνία (NH ) 0.01% ή 100 ppm Υδρόθειο (H 2 S) 0.002% ή 20 ppm Διοξείδιο του θείου (SO 2 ) 5 ppm Ταχύτητα του αέρα μέσα στα κτηνοτροφικά κτήρια Η ταχύτητα του αέρα μέσα στα κτηνοτροφικά κτήρια είναι επίσης ένας σημαντικός παράγοντας για την επιθυμητή ανάπτυξη των ζώων. Μπορεί να είναι επιζήμια ή ευεργετική. Χαμηλή ταχύτητα αέρα δε διευκολύνει την απομάκρυνση των τοξικών αερίων και των οσμών και κατά συνέπεια τον αερισμό του χώρου. Αντιθέτως υψηλή ταχύτητα κατά τους θερινούς μήνες μπορεί να βοηθάει τον δροσισμό των ζώων (μέσω 9

εξάτμισης και συναγωγής) αλλά κατά τους χειμερινούς μήνες μπορεί να ψύχει τα ζώα, αυξάνοντας σημαντικά τις θερμικές απώλειες. Γενικά για κάθε ζώο υπάρχουν όρια ταχύτητας αέρα που θεωρούνται ευνοϊκά. Στον πίνακα 4 δίνονται οριακές τιμές ταχύτητας του αέρα σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία της ατμόσφαιρας. Πίνακας 4. Οριακές τιμές της ταχύτητας του αέρα Τύπος ζώου Θερμοκρασία ατμόσφαιρας ( ο C) Μέγιστη επιτρεπτή ταχύτητα [m/s] Αγροτικά ζώα 20 1 Αγροτικά ζώα 16 0.2 Πτηνά 21 1 Πτηνά 15 0.5 Υπολογισμός απαιτούμενου αερισμού Πίνακες ζωοτεχνικών δεδομένων δίνουν την ελάχιστη απαιτούμενη παροχή φρέσκου αέρα ανά ζώο (ανάλογα με το είδος και την ηλικία του ζώου) η οποία πρέπει να εξασφαλίζεται ώστε να απομακρύνονται τα τοξικά αέρια και το CO 2 που παράγει κάθε ζώο. Πέραν αυτού όπως ήδη αναφέρθηκε ο αερισμός χρησιμοποιείται για ρύθμιση της υγρασίας και της θερμοκρασίας. Έτσι η απαραίτητη ποσότητα αερισμού εξαρτάται από την εκάστοτε περίπτωση. Στον πίνακα 5 δίνονται μέγιστες και ελάχιστες απαιτήσεις αερισμού ανά ζώο, για ορισμένα ζώα. Πίνακας 5. Μέγιστες και ελάχιστες απαιτήσεις αερισμού Τύπος ζώου Ελάχιστη απαίτηση αερισμού [m /h] Μέγιστη απαίτηση αερισμού [m /h] πτηνά 0.2 6.8 πρόβατα 42.5 40 βοοειδή ενήλικα 51 55.5 χοίροι (κάπροι) 24 510 10

Υπολογισμός ελάχιστης παροχής αέρα. Η ελάχιστη παροχή αέρα υπολογίζει τον αέρα που απαιτείται για να απομακρυνθεί η υγρασία από το κτηνοτροφικό κτήριο (κυρίως τον χειμώνα). Συνεπώς η παροχή του αερισμού υπολογίζεται με την ακόλουθη σχέση: V P i P n P Όπου, V: η παροχή αερισμού σε [m /h] P : η υγρασία που παράγεται από τα ζώα σε [g/(h*ζώο)] P i : η επιθυμητή απόλυτη υγρασία στο εσωτερικό περιβάλλον [g/m ] P e : η απόλυτη υγρασία στο εξωτερικό περιβάλλον [g/m ] n : ο αριθμός των ζώων e Υπολογισμός μέγιστης παροχής αέρα. Η μέγιστη παροχή αέρα υπολογίζει τον αέρα που θα επιτρέψει να μειωθεί η θερμοκρασία (εποχές με υψηλότερη θερμοκρασία), απομακρύνοντας τον αέρα που θερμαίνεται λόγω της θερμότητας που αποβάλουν τα ζώα. Σε αυτή την περίπτωση η απαιτούμενη παροχή αέρα δίνεται από: V qn a 2.95 ( ) Όπου, V : η παροχή του αέρα σε [m /h] q a : η θερμότητα που αποβάλει ένα ζώο σε [W/ζώο] n : ο αριθμός των ζώων θ i : η επιθυμητή εσωτερική θερμοκρασία [ 0 C] θ ο : η θερμοκρασία του προσαγόμενου αέρα [ 0 C] i 0 11

Παραδείγματα υπολογισμού του απαιτούμενου αερισμού Α. Υπολογισμός του ελάχιστου απαιτούμενου αερισμού ενός βουστασίου κατά τη χειμερινή περίοδο. Αριθμός ζώων: ν=100 Συνθήκες εξωτερικού περιβάλλοντος: εξωτερική θερμοκρασία θ ο = 0 o C, σχετική υγρασία RH = 95%. Συνθήκες εσωτερικού περιβάλλοντος:εσωτερική θερμοκρασία θ i = 15 o C, σχετική υγρασία RH = 50%. Από το ψυχρομετρικό διάγραμμα είναι δυνατό να προσδιοριστεί η απόλυτη υγρασία (w) σε kg αέρα, ο ειδικός όγκος (u) και από αυτά η απόλυτη υγρασία σε 1 m. Για το εξωτερικό περιβάλλον με θ ο = 0 o C και RH = 95% από το ψυχρομετρικό διάγραμμα προκύπτει w =.6 g/kg και ειδικό όγκο u=0.78 m /kg. Συνεπώς w.6 g P 4.6 u 0.78 m. Άρα υγρασία P ο = 4.6 g/m Για το εσωτερικό του κτηρίου με θ i = 15 o C και RH = 50% από το ψυχρομετρικό διάγραμμα προκύπτει για w = 5. g/kg και ειδικό όγκο u=0.82 m /kg 12

w 5. g P 6.4 u 0.82 m. Άρα υγρασία P i = 6.4 g/m Υγρασία παραγόμενη από τα ζώα: P = 50 g/h*ζώο (από τον Πίνακα 2) V P P P 50 gr h m V x100 n V 19444 gr 6.4 4.6 h m i e 19444 m h m V V 5.4 600 s s h B. Να υπολογιστεί η μέγιστη απαιτούμενη παροχή αερισμού για το ίδιο κτήριο σε εποχή με υψηλές εξωτερικές θερμοκρασίες Αριθμός ζώων n = 100 Παραγωγή θερμότητας ανά ζώο q a = 570 W Θερμοκρασία σχεδιασμού εσωτερικού χώρου θ i = 16 o C Θερμοκρασία προσαγόμενου αέρα θ ο = 10 o C qn a 570x100 V 2.95 2.95x 28025 [ m / h] ( ) 16 10 i 0 m m V 28025 28025 7.78 m h s hx600 h s Εργαστηριακή άσκηση Υπολογισμός ελάχιστου απαιτούμενου αερισμού βουστασίου Υπολογίστε τον απαιτούμενο αερισμό σε βουστάσιο με τα ακόλουθα στοιχεία Αριθμός ζώων: ν=50 Συνθήκες εξωτερικού περιβάλλοντος: εξωτερική θερμοκρασία θ ο = 1 o C σχετική υγρασία HR = 90% Συνθήκες εσωτερικού περιβάλλοντος εσωτερική θερμοκρασία θ ο = 16 o C σχετική υγρασία HR = 60% Υγρασία παραγόμενη από τα ζώα: P = 50 g/hζώο 1

Υπολογισμός μέγιστης απαιτούμενης παροχής αέρα Να υπολογιστεί η μέγιστη απαιτούμενη παροχή αέρα για το παραπάνω κτήριο Αριθμός ζώων n = 50 Παραγωγή θερμότητας ανά ζώο q a = 570 W Θερμοκρασία σχεδιασμού εσωτερικού χώρου θ i = 16 o C Θερμοκρασία προσαγόμενου αέρα θ ο = 12 o C Επίλυση εργαστηριακής άσκησης α) Υπολογισμός απόλυτης υγρασίας στην ατμόσφαιρα και το κτηνοτροφικό κτήριο 14

Για εξωτερική ατμόσφαιρα (θ =1 o C και RH=90%) από ψυχρομετρικό διάγραμμα προκύπτει w =.6 gr/kg και ειδικό όγκο u=0.78 m /Kg w.6 g Po 4.62 u 0.78 m, Άρα υγρασία P ο = 4.62 g/m Για το εσωτερικό του κτηρίου (θ = 16 ο C και RH = 60%) από ψυχρομετρικό διάγραμμα προκύπτει για w = 6.8 gr/kg και ειδικό όγκο u=0.828 m /Kg w 6.8 g Po 8.21 u 0.828 m Άρα υγρασία P i = 8.21 g/m () β) Υπολογισμός απαιτούμενης παροχής αέρα P V n h Pi Pe 8.21 6.8 γ) Μετατροπή μονάδων 50 gr m V x50 V 12411 gr h m V=12411 m 12411 h m h m V V.45 600 s h h V=.16 m s 15

Επίλυση εργαστηριακής άσκησης Αριθμός ζώων n = 50 Παραγωγή θερμότητας ανά ζώο q a = 570 W Θερμοκρασία σχεδιασμού εσωτερικού χώρου θ i = 16 o C Θερμοκρασία προσαγόμενου αέρα θ ο = 12 o C qn a 570x50 V 2.95 2.95x 21018 [ m / h] ( ) 16 12 i 0 m m V 21018 21018 5.8 m h s hx600 h s 16