CC BY
23
УДК 631.22-52:636.4
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И ПУТИ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ СВИНОВОДЧЕСКИХ
ПОМЕЩЕНИЙ
Н.Н. Новиков, кандидат технических наук ИМЖ - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ E-mail: vniimzh@mail.ru
Аннотация. На основании данных архива погоды, аналитических зависимостей прироста живой массы и оплачиваемости кормов от температуры окружающего воздуха, степени влияния различных факторов на состояние микроклимата получены расчетные данные об эффективности кондиционирования животноводческих помещений и рекомендуемых параметрах соответствующего оборудования. Базовые расчеты выполнены для свинарника-откормочника на 1300 голов, расположенного в центральной зоне европейской части РФ. Приняты фактические погодные условия июня-августа 2010 г., когда было жаркое лето, и температура воздуха с 10 июля по 20 августа не опускалась ниже +35°C. Установлено, что для охлаждения воздушной среды только одного свинарника в указанных условиях потребуется оборудование кондиционирования мощностью несколько сотен киловатт, а прибавка продукции составит около 26%. При существующем масштабе цен на оборудование и энергоносители применение компрессорных систем охлаждения дает нулевой эффект. Водоиспарительное охлаждение воздуха, реализация которого обходится в десятки раз меньше компрессорного и по стоимости оборудования, и по эксплуатационным затратам, оказывается в животноводстве достаточно эффективным. Показано, что применение в животноводческом помещении водоиспарительного охлаждения в жаркое время позволит почти на 10°С понизить температуру воздуха в нем по сравнению с уличной, при этом относительная влажность его повышается на 50%. Для применения в свиноводстве рекомендован типоразмерный ряд кондиционеров водоиспарительного типа производительностью 40, 20 и 10 тыс. м3/ч с номинальным расходом воды на испарение соответственно 3,63; 1,82; 0,91 л/мин.
Ключевые слова: животноводство, микроклимат, кондиционирование, водоиспарительное охлаждение воздуха.
Введение. В связи с потеплением клима- В настоящее время известны отдельные та все большую актуальность приобретает экспериментальные количественные данные проблема охлаждения животноводческих по- по отрицательному влиянию высоких темпе-мещений в жаркое время года. ратур окружающего воздуха на свиней раз-
Свиньи, как известно, очень чувствитель- ных половозрастных групп: ны к состоянию микроклимата помещений. - период откорма при температуре окру-В частности, известно, что отклонение тем- жающего воздуха +32,2°C оказывается в че-пературы окружающего воздуха от значений тыре раза продолжительнее, чем при темпе-оптимального для них интервала +(18...22)°С ратуре +21,1°С, а оплачиваемость кормов отрицательно сказывается на всех показате- возрастает в три раза; отмечены также слу-лях их жизнедеятельности. чаи, когда пребывание животных в среде с
А когда температура окружающей среды температурами, превышающими +32,2°C, приближается к температуре крови свиней приводит к отвесам;
или превышает ее, немногие из них могут - способность хряков к осеменению при выжить. Так, после жаркого лета 2010 года температуре воздуха +33,3оС снижается на многие свиноводы из-за перегрева помеще- 40% по сравнению с той, которая достигает-ний лишились значительной части свинома- ся при оптимальных температурах, и остает-ток, после чего руководители предприятий ся низкой в течение 45 суток после помеще-начали проявлять интерес к системам охла- ния животных в условия, рекомендуемые зо-ждения. отехническими нормами;
- повышение температуры окружающего воздуха до +(38...39)°С может привести к массовому падежу животных, т.к. у них нет достаточного количества потовых желез, а температура тела равняется 39,2°С;
- на одной из ферм в течение пяти дней наблюдения установлено, что воздействие окружающей среды с температурой +36,7°С привело к падежу 8 свиноматок из 22; свиноматки при температуре +33,3°С имеют на 13% больше выкидышей и приносят в среднем по 4 поросенка вместо 9, получаемых при температуре +26,7°С.
Кондиционирование животноводческих помещений пока имеет очень ограниченное применение как в целом в животноводстве, так и в свиноводстве в частности.
Специализированное оборудование для охлаждения воздушной среды помещений стало разрабатываться только в последние годы. Поэтому на большинстве ферм традиционно уповают на прохладное лето и, как правило, вынуждены мириться с потерями, происходящими в жаркий период.
Получение научно обоснованных оценок основных технико-экономических показателей при использовании кондиционирования помещений в свиноводстве является актуальной задачей, т.к. является основой для доработки существующих технологий обеспечения микроклимата свинарников, разработки рационального оборудования охлаждения в жаркое время года.
Цель исследований - выполнить анализ воздействия кондиционирования на параметры микроклимата свинарников в жаркое время года, определить мощность и энергопотребление оборудования кондиционирования, обеспечивающего удовлетворительные условия содержания животных, обосновать рациональные принципы функционирования оборудования кондиционирования, получить оценки экономически обоснованных затрат на соответствующее оборудование.
Методика. Для расчета параметров систем микроклимата свинарников в жаркое время года использовались методики [1, 2], действующие ведомственные нормы технологического проектирования свиноводче-
ских предприятий ВНТП (МИНСЕЛЬХОЗ РФ), статистические данные архива погоды ГИДРОМЕТа РФ, технологические данные влияния температуры окружающего воздуха на продуктивность и оплачиваемость кормов в свиноводстве [3].
Результаты исследований. Будем придерживаться далее следующих положений:
- пребывание животных в среде повышенных температур окружающего воздуха непрерывной продолжительностью до трех суток не оказывает на них существенного отрицательного воздействия;
- для определения расчетных параметров наружного воздуха используем статистические данные погоды ГИДРОМЕТа РФ для летнего периода 2010 г. - года экстремально высоких дневных температур +(34...39)°С и наибольшей продолжительности их стояния (почти 40 суток), что позволяет получить граничные оценки соответствующих показателей;
- расчеты продуктивности и оплачивае-мости кормов в зависимости от параметров воздушной среды помещений выполним для откормочников, по которым имеются соответствующие цифровые данные [3] и их аналитическая аппроксимация [4] (рис. 1), а также в связи с тем, что эти помещения имеют наибольшую концентрацию поголовья, а следовательно, и самые значительные поступления теплоты и влаги (рис. 2);
- в качестве базового объекта для получения искомых оценок примем свинарник-откормочник на 1300 голов типового проекта ТП 802-5.86.91, имеющий достаточно широкое распространение на фермах;
- поставленные единовременно на откорм животные массой 14 кг в указанном свинарнике содержатся в течение 92 суток с 1 июня по 31 августа 2010 г.
Охлаждение животноводческих помещений в жаркое время требует значительных затрат энергии. Мощность оборудования кондиционирования в рассматриваемом случае должна быть такой, чтобы посредством глубокого охлаждения вентиляционного воздуха компенсировать поступление теплоты от животных и через ограждения.
?В 15 20 25 30 35 40 45 температура г 'С
а
£ /г
///
8
X;
6
и
а
1- г
£ о
- А
/
/ V
\ / / /
V / /
\ / Г 1
л ч 1 ¡\ ✓ /
а—' *
-
нарнике (рис. 2), и расчетные параметры наружного воздуха, имевшие место в исследуемом периоде.
Расчетные параметры наружного воздуха лета 2010 г. - температура +35°С, относительная влажность 20%, атмосферное давление 746 мм рт. ст. Они получены усреднением данных архива погоды лета 2010 г. в центральной зоне РФ с 10 июля по 20 августа 2010 г. (рис. 3).
Расчеты мощности охлаждающего оборудования для свинарника-откормочника на 1300 голов, выполненные по методике [1], показывают, что охлаждение воздушной среды одного такого помещения в жаркое время года до оптимальных параметров воздуха внутри помещения (температура +(18-22)°С, относительная влажность около 70%) потребует сотен киловатт (рис. 4).
?о го
Температура,
Ж -с
40
б
Рис. 1. Графики зависимости продуктивности (а) и оплачиваемости
кормов (б) откармливаемых свиней от температуры окружающего воздуха (по Мотес [3], Хейтман, Келли, Бонд)
Для решения поставленных задач использовались данные о количестве теплоты и водяных паров, поступающих от животных в зависимости от температуры воздуха в сви-
Рис. 2. График зависимости теплоты и водяных паров, поступающих от животных в свинарни-кеоткормочнике на 1300 голов, от температуры воздуха
июль август
Рис. 3. График температуры воздуха посуточно (день, ночь) в теплый период 2010 года
Рис. 4. График зависимости глубины охлаждения воздуха и его относительной влажности в помещении свинарника-откормочника на 1300 голов от мощности охладителя (при ^ = +35°С, фн =20%, ратм =746 мм рт.ст.)
При использовании кондиционеров компрессорного типа, которые позволят решить проблему охлаждения воздушной среды помещения, таких, например, как ЮС 1МВТ-F250A/NB (производитель Китай), потребуется два комплекта по 250 кВт каждый, стоимость одного комплекта 3,9 млн руб., общая стоимость 2х3,9=7,8 млн руб., установленная электрическая мощность 86х2=172 кВт; при стоимости электроэнергии 5,5 руб/ кВт-ч получим, что приведенные затраты на охлаждение только одного свинарника составят около 2,2-2,5 млн руб. в год.
Используя зависимости (см. рис. 2) [3, 4, 5], архивные данные погоды июня-августа 2010 г. (рис. 3), расчетным путем получаем, что, откармливая в свинарнике 1300 голов животных элитных пород на качественных кормах за 92 дня с 1 июня по 31 августа 2010 г. при использовании кондиционирования помещения, можно было бы получить около 1000 ц свинины в живом весе (среднесуточный прирост массы 840 г), без кондиционирования - только 740 ц (прирост 620 г/сут.).
Аналогичные расчеты показывают также (рис. 1, б), что при использовании кондиционирования свинарника в жаркое время года несколько (на 5-7%) увеличивается расход кормов.
Таким образом, кондиционирование помещения позволит произвести дополнительно 260 ц свинины или повысить продуктивность на 26%. При стоимости свинины в живом весе около 10,8 тыс. руб. за центнер [6] прибавка стоимости произведенной продукции от кондиционирования составит около 2,8 млн руб.
Сравнивая полученные ранее затраты на рассматриваемый процесс и полученный от этого эффект, видим, что при существующей структуре цен вариант применения компрессорного кондиционирования практически себя не оправдывает.
Поэтому далее будем рассматривать решение рассматриваемой проблемы с использованием водоиспарительного охлаждения. Наибольшее распространение его в животноводстве следует ожидать в варианте прямого водоиспарительного охлаждения, когда охлаждаемый воздух проходит через специальные панели, орошаемые водой. Испарение воды сопровождается поглощением энергии, что и приводит к понижению температуры воздуха.
Экономически водоиспарительное охлаждение животноводческих помещений оказывается в большом выигрыше, т.к. стоимость применяемого оборудования в этом случае в десятки раз меньше, а потребление электроэнергии почти в 15 раз ниже. При этом в качестве основного энергоносителя используется вода. К недостаткам такого решения относятся меньшая глубина охлаждения воздуха и повышение его влагосодер-жания ввиду испарения влаги в самом охладителе. Она добавляется к собственным выделениям влаги в помещении (от животных, с водных и смоченных поверхностей, из навозных каналов, рис. 4) и приводит к общему повышению влагосодержания воздуха, понижающего степень его охлаждения.
В южных областях России уже в настоящее время на некоторых свинофермах можно видеть установленные водоиспарительные охладители общего применения. Один из
возможных вариантов использования водо-испарительных охладителей представлен на рисунке 5, а результаты их применения (по данным работников фермы) - в таблице 1.
Рис. 5. Свинарники с охладителями испарительного типа на одном из свинокомплексов Краснодарского края
Таблица 1. Параметры микроклимата в корпусе опороса свинофермы свинокомплекса Краснодарского края с охладителями испарительного типа Breezair моделей TBA550 и ICON (8 установок) по результатам измерений 8 августа 2009 г. (до использования охладителей были случаи гибели животных от жары)
Данные таблицы 1 несколько не согласуются между собой. Так, указанное в ней расчетное влагосодержание исходного атмосферного воздуха составляет 18,7 г/кг, а после водоиспарителей, повышающих влагосодер-жание, оно оказывается ниже - около 12,2 г/кг, в силу чего в рассматриваемом примере даже теоретически (температура мокрого термометра в этом случае согласно расчету составляет +24°С) температуру воздуха можно понизить только до +24°С, а не до +18°С, как приведено в таблице. Тем не менее, представленные данные подтверждают работоспособность водоиспарителей, их эффек-
тивность и возможность применения их на животноводческих фермах.
Нами выполнены расчеты параметров во-доиспарительного охладителя воздуха для свинарника-откормочника на 1300 голов при температуре наружного воздуха +35°С, относительной влажности его 20%, атмосферном давлении 746 мм рт. ст., нормативном воздухообмене 93600 кг/ч (60-63 м3/ч на 1 ц согласно нормам ОНТП), общих поступлениях влаги в воздух помещения 371000 г/ч и общей теплоты от животных 375 кВт (см. рис. 4, температура в помещении +26°С), а также интенсивности потока теплоты через ограждения 18,8 кВт на 1°С перепада наружной и внутренней температур воздуха (данные ТП 802-5.86.91, размеры помещения в плане 120х18 м, высота по коньку 5,5 м). Весь вентиляционный воздух подается в помещение с животными после водоиспарительных охладителей. Результаты расчетов приводятся в таблице 2.
Таблица 2. Результаты расчетов параметров микроклимата по температуре и влажности в свинарнике-откормочнике на 1300 голов в жаркое время при использовании прямого водоиспарительного охлаждения
при кондиционировании
Зона потока воздуха
Параметры атмосфер- воздух после воздух в
ный воздух кондиционера помещении
Температура, °С 35 22,1 25,8
Относитель- 20 71,1 69,1
ная влаж-
ность^
Влагосодержание, г/кг 9,98 15,0 19,0
Подача воз-
духа: м3/ч 81700 78880 81550
кг/ч 93100 93578 93578
м3/ч на 1 ц - - 62,7
Расход воды - 7,96 -
в испарителе, л/мин
Расчеты водоиспарительного охлаждения воздуха выполнены при использовании панелей из специально обработанной гидрофильной целлюлозы, которая широко применяется в настоящее время для указанных
Бокс загруженный На улице В коридоре после пуска В боксе после пуска
t, °C Ф, % t, °C Ф, % t, °C Ф, %
Бокс 1 (работало 2 аппарата) 29,5 53 18 78 20 65
Бокс 2 (работало 2 аппарата) 29,5 53 18 78 19,5 70
Бокс 5 (работал 1 аппарат) 29,5 53 20 78 21 67
целей. Панель имеет сотовую структуру для увеличения поверхности испарения, толщина ее может быть 100, 150 и 200 мм, ширина -630 мм, длина принимается согласно расчету. Водоиспарительные кондиционеры конструируются с тем расчетом, чтобы длина применяемых панелей, как правило, составляла не более 2000 мм.
Определение режима работы рассматриваемого кондиционера выполнено при использовании панели толщиной 150 мм. Эта панель имеет поверхность испарения воды в 20-25 раз больше площади, вычисленной произведением ее длины на ширину.
Несмотря на рекомендации современных авторов принять расчетную скорость воздуха через панель равной порядка 4 м/с, что позволит уменьшить габариты кондиционера, примем все же, опираясь на опыт отечественных специалистов, расчетную скорость равной 1,26 м/с. Эта скорость, как показали отечественные исследования, является наилучшей с точки зрения равномерного постоянного увлажнения всего объема панели в процессе работы и невыноса капель влаги в уходящий поток воздуха.
В результате расчетов получаем требуемую площадь испарительной панели кондиционера 18 м , ее длина в этом случае 28,6 м. Площадь испарения при этом составит 334,8 м2, расход воды для орошения - 7,26 л/мин, мощность, необходимая для охлаждения -334,8 кВт.
Такой кондиционер позволит охладить поток воздуха для вентиляции свинарника-откормочника на 1300 голов от +35°С почти на 10°С, что при относительной влажности воздуха, находящегося в помещении, около 70% обеспечит условия содержания животных, близкие к комфортным.
Если использовать для подготовки вентиляционного воздуха только один кондиционер, то его габариты будут весьма внушительны - более 7х7 м. Если расположить панели по высоте (0,63 м) одна под другой, то размеры кондиционера будут 3,5х3,5 м.
Целесообразно использовать все же кондиционеры меньших размеров, одновременно увеличивая их число при совместной ра-
боте. Поскольку располагать их лучше всего равномерно по обеим сторонам помещения, то получаем типоразмерный ряд водоиспа-рителей, сформированный путем уменьшения параметров упомянутого выше кондиционера в 2, 4 и 8 раз (таблица 3).
Таблица 3. Параметры типоразмерного ряда
кондиционеров водоиспарительного типа _для животноводческих ферм_
Обозначение Произ- Габаритные раз- Расход
типоразмера водитель меры*, мм воды на
кондиционера тель-ность по воздуху, тыс. м3/ч испарение, л/мин
ВИ0-0,5-40 40 1800х1800х1300 3,63
ВИ0-0,25-20 20 1000х1000х1300 1,82
ВИ0-0,125-10 10 1000х1000х630 0,91
*Приводятся габаритные размеры только испарительных панелей в конструкции в виде квадрата. В кондиционерах на производительность 40 и 20 тыс. м3/ч панели высотой 630 мм располагаются одна под другой.
Поскольку данные таблицы 3 получены в результате анализа и расчетов режима кондиционирования животноводческого помещения с максимальными удельными выделениями теплоты животных, а также поступлениями влаги в воздух помещения в период экстремальной жары лета 2010 года, рекомендуемое в ней оборудование может быть успешно применено и в других помещениях с животными различных технологических групп. Помимо улучшения многих указанных выше технологических показателей в период жары рекомендуемое оборудование надежно позволит исключить массовый падеж поголовья.
Выводы.
1. В связи с потеплением климата во многих регионах РФ возрастает актуальность решения проблемы кондиционирования животноводческих помещений в жаркое время года, в том числе для обеспечения сохранности поголовья.
2. Проблема кондиционирования животноводческих помещений может быть решена организацией отечественного производства кондиционеров водоиспарительного типа производительностью по воздуху 10, 20 и 40 тыс. м3/ч.
Литература:
1. Новиков Н.Н. Моделирование и расчет систем микроклимата животноводческих помещений. М., 2013.
2. Методические рекомендации по проектированию систем вентиляции жилых и общественных зданий. М., 2018.
3. Мотес Э. Микроклимат животноводческих помещений. М., 1976. 192 с.
4. Новиков Н.Н. Интеллектуальное управление биотехническими системами // Вестник ВНИИМЖ. 2016. № 1(21). С. 58-63.
5. Иванов Ю.А., Новиков Н.Н. Автоматизация процессов как фактор повышения эффективности производства животноводческой продукции // Сборник научных докладов ВИМ. 2006. Т. 1. С. 104-109.
6. Анализ мясной отрасли в России в 2014-2018 г., прогноз на 2019-2023 г. М., 2018. 163 с.
Literatura:
1. Novikov N.N. Modelirovanie i raschet sistem mikroklimata zhivotnovodcheskih pomeshchenij. M., 2013.
2. Metodicheskie rekomendacii po proektirovaniyu sistem ventilyacii zhilyh i obshchestvennyh zdanij. M., 2018.
3. Motes E. Mikroklimat zhivotnovodcheskih pomeshc-henij. M., 1976. 192 s.
4. Novikov N.N. Intellektual'noe upravlenie biotekhnic-heskimi sistemami // Vestnik VNIIMZH. 2016. № 1(21).
5. 58-63.
5. Ivanov YU.A., Novikov N.N. Avtomatizaciya proces-sov kak faktor povysheniya effektivnosti proizvodstva zhivotnovodcheskoj produkcii // Sbornik nauchnyh dok-ladov VIM. 2006. T. 1. S. 104-109.
6. Analiz myasnoj otrasli v Rossii v 2014-2018 g., prog-noz na 2019-2023 g. M., 2018. 163 s.
THE STUDY OF EFFICIENCY AND WAYS OF SOLVING OF THE PIG PREMISES CONDITIONING PROBLEM
N.N. Novikov, candidate of technical sciences IMJ - filial of FGBNY FNAC VIM
Abstract. On the basis of weather archive, live weight gain and feeding from ambient temperature' analytical dependencies, various factors influence's degree on the microclimate condition the calculated data of livestock buildings' conditioning effectiveness and recommended parameters of corresponding equipment is received. Basic calculations for 1300 heads of pigs' fattening pigsty locating in Central zone of the Russian Federation's European part were performed. The June-August 2010actual weather conditions, when it was a hot summer, and the air temperature from July, 10 till August, 20 did not fall below +35 °C, are accepted. It is established that for the environment air cooling for the only one pigsty, the air conditioning equipment with several hundred of kilowatts' capacity is required, and then pigs' production about in 26% will increase At the existing equipment and energy carriers scale's prices, compressor cooling systems' using has zero- effect. Water-evaporating air cooling, which implementation costs are in ten times lesser than the compressor's one, as well as the equipment and operational costs, is quite effective in livestock. It is shown that livestock premises water- evaporative air cooling use in the hot season will allow to reduce the air temperature almost in 10 °C in compared to the street ones, while its relative humidity in 50% will increase. For pig farming using, a standard-sized series of water-evaporating air conditioners with a capacity of 40, 20 and 10 thousand m3/h with nominal water consumption for evaporation 3,63; 1,82; 0,91 l/min respectively, are recommended.
Keywords: livestock, microclimate, air conditioning, water-evaporate air cooling.
