CC BY
3УДК 621.58
Курочкин В. Н., Щербак Н. А.
Kurochkin V. N., Shcherbak N. A.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СНИЖЕНИЯ РЕСУРСОЁМКОСТИ И ПОВЫШЕНИЯ НАДЁЖНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЖИВОТНОВОДЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ В УСЛОВИЯХ ИМПОРТОЗАМЕЩЕНИЯ
ENERGY ASPECTS OF REDUCING RESOURCE INTENSITY AND IMPROVING THE RELIABILITY OF TECHNOLOGICAL PROCESSES IN THE LIVESTOCK INDUSTRY IN THE CONTEXT OF IMPORT SUBSTITUTION
Проведен анализ структуры энергопотребления в агропромышленном комплексе, в частности в животноводстве. Поставлена задача исследования энергетических аспектов снижения ресурсоёмкости технологических процессов животноводческой отрасли, в частности объектов крупного рогатого скота.
Ключевые слова: энергосбережение, надёжность, технология, ресурсоёмкость, тепловой насос, температура грунта, грунтовый теплообменник, животноводство.
The article deals with the analysis of the structure of energy consumption in the agricultural sector, particularly in the animal husbandry. The authors have set a problem to study the energy aspects of reducing the resource intensity of technological processes of the livestock industry, objects of bovine animals in particular.
Key words: energy efficiency, reliability, technology, resource intensity, heat pump, ground temperature, ground heat exchanger, livestock.
Курочкин Валентин Николаевич -
доктор технических наук, старший научный сотрудник, профессор кафедры экономики и управления, Азово-Черноморский инженерный институт «Донской государственный аграрный университет» г. Зерноград Тел.: 8-952-608-00-77 E-mail: valentin952@mail.ru.
Щербак Наталья Александровна -
кандидат технических наук, доцент кафедры энергетики Азово-Черноморский инженерный институт «Донской государственный аграрный университет» г. Зерноград Тел.: 8-918-517-75-38 E-mail: na-nasarenko@mail.ru.
Для обеспечения продовольственной безопасности необходимо обеспечить импортозамещение продуктов питания, доля отечественного мяса должна составлять не менее 85 %, молочной продукции не менее 90 %[1,2], но с 2008 года поголовье крупного рогатого скота (КРС) ежегодно сокращается на 2-3 %, что уменьшает базу продовольствия для животноводческого сырья.
К настоящему времени доля импорта продуктов питания достаточна весома: необеспеченность собственным продовольствием, по данным Минсельхоза РФ, составляет по мясным продуктам свыше 50 %, по сырам - 46 %, по сливочному маслу - 40 %,[2] что не соответствует требованиям продовольственной безопасности страны. Следовательно, имеет место неблагополучное положение в отрасли животноводства, усугубляемое недостаточной надёжностью его технологических процессов.
Kurochkin Valentin Nikolaevich -
Doctor in Technical Sciences, Senior Research Fellow, Professor of the Chair for Economics and Management, Donskoy state agrarian university Azov-and-Black Sea engineering institute Zernograd
Tel.: 8-952-608-00-77 E-mail: valentin952@mail.ru.
Shcherbak Natalia Alexandrovna -
Ph.D. in Technical Sciences, Associated Professor of the Chair for Energy, Donskoy state agrarian university Azov-and-Black Sea engineering institute Zernograd
Tel.: 8-918-517-75-38 E-mail: na-nasarenko@mail.ru.
Значимым фактором импортозамещения является снижение себестоимости единицы продукции, что обеспечит конкурентоспособность продукции животноводства. Необходимо отметить, что в структуре себестоимости производимой продукции до 30 % занимает потребление энергоресурсов, поэтому снижение себестоимости напрямую зависит от уменьшения ресурсоемкости повышения надёжности технологических процессов животноводческой отрасли, в частности объектов для КРС.
Была поставленазадача исследования энергетических аспектов снижения ресурсоёмкости технологических процессов животноводческой отрасли, в частности объектов КРС.
Сельскохозяйственное производство является крупным потребителем тепловой энергии, используемой для теплообеспечения множества производственных объектов: животноводческих ферм, птицефабрик, предприятий по сушке и переработке фуражных культур, предприятий по производству кормов. Потребителя-
в
№ 4(16), 2014
Агроинженерия
57
ми тепловой энергии являются как крупные животноводческие комплексы, так и фермерские (ФХ) и личные подсобные хозяйства (ЛПХ).
В производственных процессах этих объектов (за исключением мобильных процессов) теплота используется для обеспечения микроклимата, горячего водоснабжения и отопления, тепловой обработки кормов, сушки, хранения и переработки различных видов фуражных культур и ряда других технологических процессов. В животноводстве к настоящему времени для выполнения тепловых технологических процессов разработано необходимое, достаточно большое количество различного типа теплоэнергетического оборудования - топливного и электротеплового, на базе которых формируются системы теплообеспечения. Однако, система машин, принятая в производство, и поставка отечественного теплоэнергетического оборудования и обеспеченность им производственных объектов, в частности животноводческих ферм, весьма низкая и составляет менее 40 %. К тому же состояние имеющихся топливных котельных, тепловых сетей и теплоэнергетического оборудования в сельскохозяйственном производстве, как и в теплоэнергетике, характеризуется их старением и значительным снижением технико-экономических показателей, требуется переоборудование с достаточно большими капитальными вложениями.
Анализ состояния вопроса показал, что уменьшение ресурсоемкости в животноводческой отрасли должно включать: эффективное использование топлива и энергии; замену дорогостоящих видов энергоресурсов на более дешевые; максимальное использование местных топливных энергетических ресурсов (ТЭР); децентрализация источников теплоснабжения; использование энергоэффективных технологий и оборудования, нетрадиционных и возобновляемых источников энергии.
Имеется прямая связь производства продукции животноводства с прямыми энергозатратами, доля которых в ее себестоимости возросла за последние годы с 8 до 15 %, а по некоторым видам продукции до 30-50 % и более, что вызвано опережающим ростом тарифов и цен на электроэнергию и топливо по сравнению с ценами на сельхозпродукцию. При этом на те-плообеспечение производственных объектов в агропромышленном комплексе (АПК) потребление ТЭР составляет более 65 %.
Замена зарубежных поставок мясомолочной продукции конкурентоспособными товарами собственного производства предполагает использование инновационных энергосберегающих технологий. Рост собственного производства на имеющейся базе неразрывно связан с возрастанием потребления энергии: на сегодняшний день прирост продукции на 1 % влечет за собой увеличение расхода энергоресурсов на 2-3 %[3].
В животноводстве потребляется 18-22 % жидкого топлива и 19-20 % электрической
энергии от всех энергоресурсов, используемых на производственные цели в сельском хо-зяйстве[3].
Сельское хозяйство России отстает в области ресурсосбережения от зарубежных стран. Это объясняется тем, что разразившийся в 70-е годы энергетический кризис заставил страны Западной Европы, США, Канады, Японии разработать и внедрить систему технических, технологических, организационных и экономических мероприятий, позволивших обеспечить рост производства продукции сельского хозяйства при уменьшении энергозатрат. Удельный вес энергозатрат в объединенной Германии в стоимости продукции составляет порядка 7 %, в России же - свыше 20 %. Причем отмечаются тенденции роста не только общих энергозатрат, но и удельных[3].
К решению проблем ресурсосбережения следует относиться как к стратегическим инновациям: только за счёт инноваций в этой сфере предприятия АПК могут добиться существенного повышения эффективности производства и надёжности технологических процессов.
Как показали проведенные многочисленные исследования и опыт применения ресурсосберегающих систем теплоэнергетического оборудования на животноводческих фермах, существует целый ряд способов и путей экономии ресурсов: децентрализация систем теплообеспечения, использование теплоты вентиляционных выбросов с помощью теплоутилизаторов и тепловых насосов, повышение термического сопротивления ограждающих конструкций, применение местного обогрева животных и помещений, повышение коэффициента полезного действия (КПД) теплоэнергетического оборудования, автоматизация тепловых процессов и т. д.[5].
Повышение надёжности технологических процессов в животноводстве достигается главным образом за счет применения децентрализованных систем и технических средств теплоснабжения, когда теплогенерирующие и теплопотребляющие установки размещаются непосредственно в производственных помещениях, в местах потребления энергоресурсов. В результате этого сокращаются значительные материальные затраты в 1,5-2 раза (за счет исключения центральных котельных и внешних теплотрасс), а также энергозатраты на 20-25 % за счет исключения в них теплопотерь и более четкого регулирования температурных режимов по отдельным помещениям производственного объекта.
Технологические особенности животноводства заключаются в поддержании микроклимата и строгом соблюдении норм кормления, поения, а также соблюдении технологии доения.
Тепловая энергия для животноводческого помещения КРС (в стойловый период) расходуется на различные нужды: подогрев приточного воздуха при стойловом содержании КРС до температуры комфорта 16 оС; подогрев помещений для содержания молодняка (при помо-
щи подогреваемых полов), в пределах 22 оС, и в родильных отделениях до 30оС; на подогрев воды в системе автопоения (18-20оС); промывка молокопроводов и доильного оборудования при температуре воды 45-50 оС.
Из существующих тепловых нагрузок для помещений КРС целесообразно выделить тепловые потоки: действующие непрерывно (отопление и система автопоения); действующие периодически (охлаждение молока, технологические нужды).
Для поддержания микроклимата и технологических нужд для помещений КРС можно предложить централизованное размещение агрегатов тепловых насосов (ТН).
Для ферм КРС могут применяться следующие типы отопительных сетей и установок с тепловыми насосами: с расчётной температурой 45 оС (тепловой насос с аккумулятором теплоты) или 60 оС (бивалентная система отопления с ТН и параллельно работающей системой отопления в период пиковых нагрузок); с расчётной температурой 90 оС (бивалентная система отопления с тепловым насосом и дополнительной системой отопления, работающей в период пиковых нагрузок с разновременным режимом работы[5].
При выборе схемы теплонасосной установки следует принимать во внимание, что во многих регионах России продолжительность периодов с низкой температурой воздуха составляет небольшую часть отопительного сезона. Это позволяет снизить стоимость теплонасосной установки (ТНУ) и особенно работ по монтажу первичного контура для получения низкопотенциального тепла (прокладка траншей, бурение скважин и т. п.), которая сильно увеличивается при возрастании мощности установки.
К источникам низкопотенциального тепла (ИНТ) предъявляются следующие требования: стабильно высокая температура в течение холодного сезона, коррозийная устойчивость, благоприятные теплофизические характеристики, низкая стоимость обслуживания.
Параметры выбранного иНт являются ключевым фактором, определяющим эксплуатационные характеристики теплового насоса. В качестве источников тепла для тепловых насосов широко используются наружный и отводимый воздух, почва и подпочвенная вода, для систем большой мощности применяются морская, озерная и речная вода, геотермические источники и грунтовые воды[5,9].
Основным критерием для ИНТ для животноводческих объектов в нашей стране является наличие неограниченных грунтовых массивов вблизи объектов животноводства, что позволяет использовать грунтовые теплообменники неограниченной мощности.
Температурный режим слоев грунта, расположенных ниже глубин проникновения тепла солнечной радиации, формируется только под воздействием тепловой энергии, поступающей из недр земли, и практически не зависит от сезонных и суточных изменений параметров наружно-
го климата. На сравнительно небольшой глубине от поверхности имеются слои грунта, температурный потенциал которых в холодное время года значительно выше, чем у наружного воздуха, а в жаркое время года - значительно ниже.
Для снятия поверхностной теплоты грунта используют заложенные в грунт трубы на различную глубину, но не менее глубины промерзания грунта. Количество передаваемой теплоты от грунта к теплообменнику зависит от ряда факторов: солнечной радиации, влажности и водопроницаемости грунта, свойств грунта и условий теплопередачи, глубины заложения грунтового теплообменника, теплопроводности грунта и температуры теплоносителя[9].
Важным параметром является глубина заложения грунтового теплообменника, поскольку в поверхностных слоях грунта, согласно исследованиям Нейса и Винтера, разброс количества тепловой энергии (для горизонтальных теплообменников), извлекаемого из грунта, составляет от 6 до 45 Вт/м2. В связи с этим необходимо в каждом конкретном случае определять глубину заложения грунтового теплообменника. Согласно данным рекомендаций[8], в Ростовской области на глубине от 1,6 до 4 м температура грунта изменятся с различной интенсивностью (рис 1).
Наименьшие изменения температуры грунта по месяцам отопительного периода наблюдаются на глубине не менее 4 м, эта глубина может быть рекомендована для заложения грунтовых горизонтальных теплообменников в Ростовской области.
Нами получены следующие зависимости изменения температуры грунта в месяцах отопительного периода:
на глубине 4 м
у = -0,046х2 - 0,246х + 12,38, при Я2 = 0,96;
на глубине 3,2 м
у = - 0,011х2 - 1,023х + 14, при Я2 = 0,99;
на глубине 1,6 м
у = 0,357х2 - 4,214х + 17,71 при Я2 = 0,97.
1 2 3 4 5 6 7
Месяцы :
1-октябрь, 2-ноябрь, 3 -декабрь, 4- январь, 5- февраль, 6- март, 7-апрель
Рисунок 1 - Изменение температуры грунта по месяцам отопительного периода в Ростовской области в зависимости от глубины
в
№ 4(16), 2014
Агроинженерия
> 11 & £ 10
св а
о
С
§
о Н
59
Зависимости, полученные для глубины от 1,6 до 4 м? показывают, что наименьшее изменение температуры к концу отопительного сезона происходит глубже 4 м - на 4...5 оС, что составляет 38 %. На глубине 1,6 м изменение составляет 57 %.
12
Таблица 1 - Результаты расчёта потребления теплоты для помещений КРС (дойные коровы со средним годовым удоем 4657 кг)
0123456789 10
Глубина расположения грунтовых теплообменников, м
Рисунок 2 - Градиент температуры грунта в Ростовской области (средние данные для февраля)
Получена показательная зависимость изменения температуры грунта от глубины в феврале: у = 10,1х0 041, в верхних слоях грунта температура изменяется значительно, а на глубине от 4 до 10 м температура грунта изменяется незначительно в пределах 1 оС. Полученное уравнение позволяет получать данные о температуре грунта на заданной глубине для грунтового теплообменника, а именно: данные о температуре теплоносителя на выходе из грунтового теплообменника и на входе в испаритель теплового насоса.
Известно, что при1 кВт-ч затраченной электроэнергии на привод теплового насоса может быть получено от 3 до 3,5 кВт-ч, а в некоторых случаях и до 5 кВт-ч, эквивалентной тепловой энергии[5], Кроме этого, применение теплона-сосной установки (ТНУ) приводит к получению экологически чистой тепловой энергии, уменьшению выбросов вредных веществ в атмосферу; значительно снизижает стоимость тепловой энергии; экономит топливно-энергетические ресурсы и в итоге снизит себестоимость продукции животноводства.
Энергетическую оценку производства молока для ферм КРС (привязного и беспривязного содержания) и потребностей в энергоресурсах выполнили ученые В. Н. Расстригин (ГНУ ВИЭСХ), Н. П. Мишуров, Т. Н. Кузьмина (ФГНУ Росинформагротех) и установили что тепловые потери в коровнике привязного содержания составляют 49,9 %, при беспривязном содержании в прямых затратах около 45,7 %.
Расчёт теплопотерь для помещений КРС, приведенный в таблице выполнен по стандартным методикам[5].
Затраты теплоты,кВт 400 голов 200 голов
Теплопотери через ограждения помещения Фогр 604,86 302,43
Теплозатраты на подогрев вентиляционного воздуха Фвент 50,59 25,30
Теплота, выделенная животными Фж 234,36 117,18
Суммарная теплота на отопление Фот 421,10 210,60
Теплота, затраченная на пастеризацию молока Фпастер 289,16 144,58
Теплота для подогрева технологической воды Фтехн 59,75 29,87
Итого 770,0 385,0
В данном расчёте часовой расход газа составляет 42,04 м3, за стойловый период - 211,68 тыс. м3 стоимостью от 1,016 до 2,0 млн руб. Применение ТНУ (с коэффициентом преобразования 3,5) приводит к экономии ресурсов в следующих объёмах; для 200 голов 488 тыс. руб., для 400 голов 977 тыс. руб. в год.
800
н
м
И 600
« 400 Я
I 200
у = 1,925х
К2 = 1 ^
-''385 у = 0,55х К2 = 1
100 200 300 Количество голов
400
Рисунок 3 - Зависимость мощности тепловых затрат (1) и мощности теплонасосной установки (2) от количества голов в коровнике:
коэффициент преобразования теплоты 3,5.
Полученные уравнения (рис. 3) показывают прямопропорциональную зависимость мощности ТНУ от количества голов. Изменение мощности тепловых затрат составляет около 192 кВт на 100 голов. Уравнения (рис. 3) позволяют выбирать мощность ТНУ для ферм и комплексов с различным поголовьем.
На основании вышеизложенного можно сделать выводы:
- в настоящее время для достижения продовольственной безопасности необходимо увеличить производство мясных продуктов на 50, сыров на 46, сливочного масла на 40 %;
- известно, что при использовании существующих технологий рост животноводческой отрасли на 1 % влечет увеличение расхода электроэнергии на 2-3 %, поэтому при условии достижения контрольных цифр продовольственной безопасности рост энергопотребления составит более
770
220
0
0
трех раз при том, что животноводство уже потребляет 20 % энергоресурсов с.-х. производства. Увеличение производства мяса на 50 % означает рост потребления энергоресурсов в животноводстве более чем на 100 %;
- эффективное импортозамещение имеет место при собственном производстве конкурентоспособной продукции, в данном случае с конкурентоспособной себестоимостью, что можно достичь снижением энергоёмкости и повышением надёжности технологических процессов.
В качестве источника низкопотенциальной теплоты для животноводческих объектов для Ростовской области предлагается использовать теплоту грунта и грунтовых вод, расположенных ниже 4...10 м.
Литература
1. Министерство сельского хозяйства Российской Федерации [Электронный ресурс]. URL: //www.mcх. ru.
2. Институт конъюнктуры аграрного рынка [Электронный ресурс]. URL: http:www.ikar. ru, 2014.
3. Ушачев И. О. О проекте госпрограммы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 гг. // АПК: экономика, управление. 2012. № 1. С. 3-6.
4. Коновалов А. П. Энергосбережение в сельском хозяйстве // Фонд энергосбережения, развития промышленности и энергетики Курской области. URL: http: www.energo.kcnti.ru, свободный.
5. Теплоэнергетические установки и системы сельского хозяйства / Р. А. Амерханов, А. С. Бессараб, Б. Х. Драганов [и др.]. М. : Колос-Пресс, 2002. 243 с.
6. Захаров А. А. Применение теплоты в сельском хозяйств. М. : Агропромиздат, 1986. 282 с.
7. Хайнрих П, Найорк Х., Нестлер В. Теплона-сосные установки для отопления и горячего водоснабжения / пер. с нем. Н. Л. Кораблё-вой, Е. Ш. Фельдмана ; под ред. Б. К. Явне-ля. М. : Стройиздат, 1985. 351 с., ил.
8. Рекомендации по расчёту теплопотерь трубопроводами, проложенными в грунте / под ред. К. М. Осипова. СевКав ЗНИ-ИЭПсельстрой, 1981.
9. Основы методики проектирование те-плонасосных систем с горизонтальными грунтовыми теплообменниками [Электронный ресурс]. URL: http: www.energov-ent.com.
- При изучении структуры энергопотребления при производстве молока КРС установлено, что потребление тепла составляет около 2 кВт/голову, поэтому необходимо принять меры по оснащению ферм оборудованием, обеспечивающим получение альтернативной энергии (ТНУ), что позволит снизить потребление энергии до 0,55 кВт/голову.
- При теплоснабжении помещений для содержания КРС (дойных коров) рекомендуется использовать децентрализованное теплоснабжение с использованием ТНУ, определен диапазон мощностей тепло-насосных установок для животноводческих помещений от 20 кВт для 50 дойных коров до 210 кВт для 400 дойных коров, ресурсосбережение по производству молока составит 0,52 руб. на 1 кг молока.
References
1. Ministry of Agriculture of the Russian Federation [electronic resource]. URL: http: www.mch. ru.
2. Institute for Agricultural Market Studies [electronic resource]. URL: http: www.ikar. ru, 2014.
3. Ushachev I. O. About the State Program on the Development of Agriculture and Regulation of Agricultural Products, Raw Materials and Food for 2013-2020 // Agribusiness: Economics, Management. 2012. № 1. P. 3-6.
4. Konovalov A. P. Energy Conservation in Agriculture // Energy Saving, Industrial Development and Energy Sector Fund of the Kursk region. URL: http://energo.kcnti.ru, free.
5. Thermal Power Plants and Agricultural Systems / R. A. Amerkhanov, A. S. Bessarab, B. H. Draganov [et al.]. M. : Kolos-Press, 2002. 243 p.
6. Zakharov A. A. The Use of Heat in Agriculture. M. : Agropromizdat, 1986. 282 p.
7. Heinrich G., Nayork H., Nestler V. Heat Pump Systems for Heating and Hot Water / trans. from German by N. L. Korableva, E. Sh. Feldman ; ed. B. K. Yavnel. M. : Stroyizdat, 1985. 351 p., illustrations.
8. Guidelines for the Calculation of Heat Losses of Pipelines laid in the Ground / Edited by K. M. Osipov. Sevkav ZNIIEPselstroy, 1981.
9. Basic Methods of Design of Heat Pump Systems with Horizontal Ground Heat Exchangers [Electronic resource]. URL: http: www.energovent.com.
