CC BY
13
Научная статья УДК 621.359.4
Энергосбережение в свиноводческих помещениях
Леонид Николаевич Андреев, Владимир Валерьевич Юркин
Государственный аграрный университет Северного Зауралья
Аннотация. Одним из перспективных вариантов снижения теплопотерь животноводческих помещений является использование различных режимов работы систем вентиляции, связанных с перераспределением воздушных потоков в режимах прямой циркуляции, рециркуляции, частичной рециркуляции. Другим вариантом решения может быть применение систем управления процессом очистки воздуха на основе автоматизированных систем управления технологическими процессами. Цель исследования - изучение влияния системы частичной рециркуляции воздуха в помещениях для содержания поросят на энергопотребление вентиляционного оборудования. Исследование проведено в свинокомплексе ООО «Согласие» Тюменской области. Определены количество и степень концентрации загрязнений в воздушной среде секции, где содержались поросята (пыль, сероводород и аммиак), кратность воздухообмена для прямой циркуляции и частичной рециркуляции по каждому загрязнителю. Рассчитан тепловой баланс для исследуемого помещения при разных режимах работы системы вентиляции.
Ключевые слова: энергосбережение, воздушная среда, вентиляция, частичная рециркуляция, пыль, свиноводческий комплекс.
Для цитирования: Андреев Л.Н., Юркин В.В. Энергосбережение в свиноводческих помещениях // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 6 (92). С. 184 - 188.
Original article
Energy saving in pig-breeding premises
Leonid N. Andreev, Vladimir V. Yurkin
Northern Trans-Ural State Agricultural University
Abstract. One of the promising options for reducing the heat loss of livestock buildings is the use of various modes of operation of ventilation systems associated with the redistribution of air flows in the modes of direct circulation, recirculation, partial recirculation. Another solution can be the use of air purification process control systems based on automated process control systems. The aim of the research is to study the effect of the system of partial air recirculation in the premises for keeping pigs on the energy consumption of ventilation equipment. The study was carried out in the pig breeding complex of LLC Soglasie, Tyumen region. The amount and degree of concentration of pollutants in the air of the section where the pigs were kept (dust, hydrogen sulfide and ammonia), the frequency of air exchange for direct circulation and partial recirculation for each pollutant were determined. The heat balance has been calculated for the investigated room under different operating modes of the ventilation system.
Keywords: energy saving, air environment, ventilation, partial recirculation, dust, pig-breeding complex.
For citation: Andreev L.N., Yurkin V.V. Energy saving in pig-breeding premises. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 92(6): 184 - 188. (In Russ.).
Сельскохозяйственное производство является крупным потребителем топливно-энергетических ресурсов (ТЭР). ТЭР используются в системах теплообеспечения объектов: животноводческих ферм, птицефабрик, предприятий по сушке, переработке и хранению сельскохозяйственной продукции, фермерских и личных подсобных хозяйств. Теплота используется в технологических процессах обеспечения микроклимата, горячего водоснабжения и отопления, тепловой обработки кормов, сушки, хранения и переработки различных видов сельскохозяйственной продукции и ряде других технологических процессов [1 - 3]. Так, затраты на энергоресурсы в структуре себестоимости продукции могут достигать 15 %, из которых до 50 % расходуется на микроклимат, причём из них до 70 % расходуется на подогрев приточного воздуха [4]. Энергобаланс Российской Федерации показывает (табл. 1), что потребление электроэнергии сельским хозяйством в 2005 г. составляло 16908 млн кВт-час, а в 2018 г. - 18798
млн кВт-час (это 111,2 % по отношению к 2005 г.) [5]. Поэтому мероприятия, направленные на энергосбережение, будут иметь положительный экономический эффект.
При строительстве и реконструкции животноводческих ферм и комплексов руководствуются положениями по обеспечению нормируемым микроклиматом помещений путём рациональных строительных решений, сокращения теплопо-терь, использования рекуперации (возврата) тепловой энергии, теряемой с вентиляционным воздухом.
Целью исследования являлось изучение влияния системы частичной рециркуляции воздуха в помещениях для содержания поросят на энергопотребление вентиляционного оборудования.
Результаты исследования. Рассмотрен и предложен возможный вариант энергосбережения на свиноводческом предприятии. Исследование проводилось на свинокомплексе ООО «Согласие»,
1. Электробаланс Российской Федерации, млн кВт-час [5]
Год Произведено электроэнергии Получено из-за пределов РФ Потреблено электроэнергии, всего В том числе Отпущено за пределы РФ
промышленность (все отрасли) сельское хозяйство строительство транспорт и связь другие виды экономической деятельности городское и сельское население потери в электросетях
2018 1115088 5132 1108134 585832 18798 12622 96283 132174 159305 103119 12086
2017 1094288 6410 1089105 580218 18171 12711 92848 124227 155669 105261 11593
2006 995794 5115 979983 534073 16769 10478 85876 112670 112527 107589 20927
2005 953083 10139 940703 497435 16908 9527 83171 112117 108924 112620 22520
2018 к 2005, млн кВт-час 162004 5007 167431 88397 1889 3095 13112 20057 50382 9501 10434
2018 к 2005, % 117.0 50.6 117.8 117.8 111.2 132.5 115.8 117.9 146.3 91.6 537
с. Новая Заимка, Заводоуковский район, Тюменская область. Была выбрана секция с поросятами, животные находились в секции 53 сут. Были определены количество и концентрации загрязнений в воздушной среде секции (пыль, сероводород и аммиак), кратность воздухообмена для прямой циркуляции и частичной рециркуляции по каждому загрязнителю. Рассчитан тепловой баланс для исследуемого помещения при разных режимах работы системы вентиляции.
В настоящее время на предприятиях для содержания животных с целью удаления загрязнений из воздушной среды используется механическая приточно-вытяжная вентиляция, что не оправдано с точки зрения энергосбережения, так как с вентиляционным воздухом выбрасывается тепловая энергия, на получение которой расходуются энергоресурсы [4]. В предыдущих исследованиях, в частности в работе А.А. Дмитриева, для повышения эффективности очистки и обеззараживания воздуха в помещениях свинарника рассмотрено и предложено применение приточно-вытяжной вентиляции с частичной рециркуляцией воздуха (ПВВ с ЧРВ) на основе двухступенчатого мокрого электрофильтра (ДМЭФ). В исследуемой секции свинарника принята ПВВ с ЧРВ с кратностью воздухообмена, равной 3, где 1/3 - кратность воздухообмена в режиме частичной рециркуляции и 2/3 - в режиме прямой циркуляции [6].
Предварительное исследование состояния воздушной среды станка (рис. 1) для содержания поросят-отъёмышей секции, в которой функционирует данная система вентиляции, показало наличие застойных зон воздуха (аэростазов) с превышением ПДК по пыли до 60 % (в периоды кормления - до 100 - 150 %), сероводороду - до 20 % и аммиаку - до 25 %. Критические значения концентраций загрязнений показаны в таблице 2.
Данные таблицы свидетельствует о том, что существующая общеобменная ПВВ с ЧРВ не создаёт необходимых параметров воздушной
среды в некоторых локальных точках (секции) станка. Причиной этого может являться то, что не учитывалась связь между кратностью воздухообмена и изменением генерации загрязнений животными, связанной с изменением возраста поросят, и влиянием экзогенных факторов. Для учёта данных факторов определены объёмы генерации загрязнений поросятами на периоды посадки и выхода из секции, а также рассчитан тепловой баланс помещения (рис. 2), что позволило определить необходимый воздухообмен для прямой циркуляции и частичной рециркуляции воздуха (рис. 3) и рассчитать потенциал для снижения воздухообмена прямой циркуляции.
Рис. 1 - Существующая система вентиляции в секции для содержания поросят:
1 - вытяжной воздуховод; 2 - приточный воздуховод; 3 - навозоуборочный канал; 4 - кормушка; 5 - аэростазы; 6 - станок; А, В, С - точки замеров текущей концентрации загрязнений
2. Замеры концентраций загрязнений в станке
Загрязнение ПДК, мг/м3 Критические значения, мг/м3
Пыль 6 20,5 ± 3
Сероводород 10 14,1 ± 1
Аммиак 20 19,3 ± 1,3
140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0
-22 -15
Температура наружного воздуха tw °С
-5
20 кг, L=6336 м3/ч 20 кг, L=4245 м3/ч 20 кг, L=2647 м3/ч
50 кг, L=9504 м3/ч 50 кг, L=6367 м3/ч ■ 50 кг, L=3823 м3/ч
Рис. 2 - Расчётные значения тепловой мощности отопительно-вентиляционной системы при разной массе животных и при разном воздухообмене
М V п
SB
9 В 7 6 i i J 2 1
N
--- ___
--------- -. - яМ
Z3 Z 33
¡,0
ts я/ ii / dm,
Рис. 3 - Кратность воздухообмена вентиляционного воздуха:
N - общая кратность воздухообмена; ^ец -кратность рециркуляции; ^р - кратность прямой циркуляции
Анализ теплового баланса свиноводческого помещения показал, что при прямой циркуляции вентиляционного воздуха кратность воздухообмена для удаления пыли достигает значений от 6 до 9 ч-1 в зависимости от возраста животных, а по удалению влажности и углекислого газа составляет от 2,8 до 4,4 ч-1. Таким образом, существует потенциал по снижению кратности прямой циркуляции до значений от 2,8 до 4,4 ч-1 с переходом системы вентиляции в режим частичной рециркуляции воздуха без снижения эффективности по удалению из воздушной среды помещения избыточной влаги и углекислого газа.
Снижение энергопотребления общеобменной ПВВ с ЧРВ свиноводческих помещений возможно не только за счёт использования частичной рециркуляции воздуха, влияющей на мощность отопительной системы, но и за счёт внедрения автоматизированных систем управления исполнительными механизмами вентиляционной системы (рециркуляционный вентилятор, ДМЭФ), позволяющими регулировать воздухообмен частичной рециркуляции воздуха.
Проведён обзор существующих отечественных и импортных систем регулирования параметров воздушной среды в животноводческих помещениях, таких как «Климат», «SKOV» (Дания), «Big Dutchman» (Германия). Анализ показал, что такие системы дороги или обладают недостаточным функционалом.
Была разработана и запатентована локальная система очистки воздушной среды (ЛСОВС) станка для содержания поросят на откорме [7], позволяющая в режиме реального времени отслеживать значения конкретных параметров
Рис. 4 - ЛСОВС:
1 - электрофильтр; 2 - привод воздушной заслонки; 3 - животноводческое помещение; 4 - электродвигатель вентилятора; 5 - блок контроллера; 6, 8, 9 - датчики воздушной среды (датчик запылённости, датчик загазованно сти)
воздушной среды и управлять режимными характеристиками по разработанному ранее алгоритму [8, 9] с целью поддержания параметров воздушной среды в диапазоне нормируемых значений (рис. 4).
Были проведены лабораторные испытания ЛСОВС. При выборе основных конструктивных параметров опытного образца учитывался опыт конструирования предыдущих исследований [10, 11]. Перед началом лабораторного эксперимента на ПК была запущена программа Arduino IDE (программная оболочка). КПК с помощью шнура USB подключён микроконтроллер Arduino Mega 2560, к которому в свою очередь подключены датчики, находящиеся в герметичном резервуаре, ёмкостью 1 м3 (датчик аммиака MQ-135, датчик сероводорода MQ-136, датчик пыли Sharp GP2Y1010AU0F). Датчики проводили замеры текущих концентраций загрязнений в резервуаре с частотой 20 замеров в минуту, полученные данные выводились на ПК в течение всего эксперимента. С помощью приборов (газоанализаторы ИГС-98, ПГА-200, счётчик взвешенных частиц FLUKE 983, анализатор пыли «Атмас») проводился контрольный забор проб воздуха в контрольных точках также в течение всего опыта. Показания приборов и датчиков сравнивались. Затем в резервуар генерировалась i-я вредность до определённой концентрации (по пыли - 21 ± 3 мг/м3). Включался вентилятор, служащий для перемешивания воздушной среды в резервуаре. Подавалось напряжение на коро-норазрядную систему первой и второй ступени ДМЭФ (U ступени = 9 кВ, Uступени = 13 кВ). Далее включался рециркуляционный вентилятор и открывались заслонки, отсекающие резервуар
от электрофильтра. Скоростью вращения рециркуляционного вентилятора управлял микроконтроллер. Одновременно контроллер с помощью датчиков отслеживал текущую концентрацию Ct вредности в герметичном резервуаре (рис. 5). По истечении определённого промежутка времени (заранее заданного) рециркуляционный вентилятор отключался и заслонки перекрывались. Затем сравнивалось энергопотребление в опытах с системой регулирования параметров воздушной среды и без неё. По полученным данным строились зависимости изменения текущей концентрации загрязнений в воздушной среде помещения по времени.
Результаты изменения текущей концентрации пыли Спыль = f(t) в экспериментальной ёмкости представлены на рисунке 6.
По графической зависимости, представленной на рисунке 6, видно, что снижение концентрации пыли до оптимальных значений происходит за 2,5 - 3 мин. как в режиме I, так и в режиме II. Однако дальнейший процесс очистки воздуха от пыли в разных режимах имеет разную динамику развития. В режиме II первоначальная динамика сохраняется, что приводит к снижению концентрации пыли практически до нулевых значений. В режиме I динамика очистки замедляется и система переходит в следящий режим «Режим MIN». Дальнейший всплеск концентрации пыли переводит систему в режим максимальной эффективности «Режим MAX», процесс повторяется. Энергопотребление рециркуляционного вентилятора составляло в режиме I - 0,0204 кВт-ч, в режиме II - 0,0289 кВтч.
Вывод. Лабораторные исследования показали, что использование ЛСОВС станка позволяет поддерживать параметры воздушной среды в пределах оптимальных значений и снизить энергопотребление электрического оборудования системы вентиляции. На основании проведённого анализа состояния вопроса сделаны выводы о подготовке и проведении производственного эксперимента в станке для содержания поросят-отъёмышей с общеобменной ПВВ с ЧРВ с уточнёнными значениями кратности воздухообмена прямой циркуляции и частичной рециркуляции.
Рис. 5 - Схема экспериментального стенда:
1 - ДМЭФ, первая ступень; 2 - ДМЭФ, вторая ступень; 3 - вентилятор; 4, 5 - гофрированные соединительные воздуховоды; 6 - клапан; 7 - точки забора проб воздуха; 8 - пробирка с фосфором и серой; 9 - контроллер; 10 - вентилятор; 11 -датчики микроклимата; 12 - герметичный резервуар V = 1 м3
E
\ j \ 'a
1 1 F i \ ft i ft
ч i 11 ii \\ —Л /Ш
1 зг f ■ м ri .i t >F
OS Ю S ZO 2S 3Q
Вреня Ntrt
Рис. 6 - Зависимость изменения текущей концентрации пыли Спыль = в экспериментальной ёмкости:
1 - режим I (с ЛСОВС); 2 - режим II (без ЛСОВС)
Литература
1. Тихомиров Д.А. Перспективные направления энергообеспечения объектов АПК // Сельский механизатор. 2021. № 7. С. 16 - 18.
2. Самарин Г.Н., Соловьев М.С., Гордеев Д.Ю. Энергосберегающая рециркуляционная система микроклимата для животноводческих и птицеводческих помещений // Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве: матер. Междунар. науч.-практич. конф. В 2-х т. М., 2010. С. 159 - 163.
3. Юркин В.В., Басуматорова Е.А. Исследование воздушной среды цеха инкубации // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 2 (88). С. 231 - 235.
4. Самарин Г.Н. Энергосберегающая технология формирования микроклимата в животноводческих помещениях // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2010. № 4. С. 34 - 37.
5. Энергетический баланс России / Федеральная служба государственной статистики (Росстат). М., 2018. [Электронный ресурс]. URL: http://www.gks.ru/wps/ wcm/connect/rosstat_main/rosstat/ru/statistics/enterprise/ industrial/^
6. Дмитриев А.А. Энергоэффективная система комплексной очистки рециркуляционного воздуха животно-
водческих помещений: дис. ... канд. техн. наук: 05.20.02 / Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова. Барнаул, 2015. 110 с.
7. Очистка вентиляционного воздуха свиноферм / А.А. Дмитриев, А.Г. Возмилов, Л.Н. Андреев [и др.] // Свиноводство. 2015. № 2. С. 38 - 39.
8. Андреев Л.Н., Юркин В.В. Алгоритм работы системы частичной рециркуляции вентиляционного воздуха производственных помещений АПК // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2018. № 6 (74). С. 131 - 134.
9. Клопотной А.Ю., Жеребцов Б.В. Универсальный стенд по обучению автоматизированной работе и управлению технологическими процессами, применяемыми в АПК // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2020. № 6 (86). С. 137 - 139.
10. Смолин Н.И., Андреев Л.Н., Юркин В.В. Мокрый однозонный электрофильтр с осадительными электродами прямоугольной формы // Вестник КрасГау. 2016. № 8 С. 115 - 122.
11. Андреев Л.Н., Басуматорова Е.А. Обоснование конструктивных параметров электрофильтра-озонатора // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2019. № 3 (77). С. 185 - 187.
Леонид Николаевич Андреев, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья». Россия, 625000, г. Тюмень, ул. Республики, 7, [email protected]
Владимир Валерьевич Юркин, старший преподаватель. ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья». Россия, 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7, [email protected]
Leonid N. Andreev, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Northern Trans-Ural State Agricultural University. 7, Republic St., Tyumen, 625000, Russia, [email protected]
Vladimir V. Yurkin, Senior Lecturer. Northern Trans-Ural State Agricultural University. 7, Republic St., Tyumen, 625000, Russia, [email protected]
-Ф-
