CC BY
51
УДК 636:658.382
К ВОПРОСУ ИСПЫТАНИЙ И ИССЛЕДОВАНИЙ СИСТЕМ МИКРОКЛИМАТА С РЕКУПЕРАЦИЕЙ ТЕПЛОТЫ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ПОМЕЩЕНИЙ
Д.В. Казанский, главный инженер В.Н. Чувашев, зав. отделом ФГБУ «Подольская МИС» E-mail: podolskmis@yandex.ru
Аннотация. Рассмотрены результаты испытания систем микроклимата животноводческих и птицеводческих ферм и комплексов, исследований параметров воздушной среды помещений при различной комплектации оборудования на основе современных цифровых технологий. Констатируется, что за 40 лет работы специалисты ФГБУ «Подольская МИС» проверили на практике различные системы микроклимата, в том числе с рекуперацией теплоты животных при вентиляции помещений. Проанализированы преимущества и недостатки различного рода рекуперативных теплообменников. Роторные теплообменники характеризуются повышенной материалоемкостью, нуждаются в балансировке, а также отмечен переток воздуха между притоком и вытяжкой, что снижает их эффективность. Испытания макетного образца с использованием современных цифровых средств измерений lT-системы мониторинга энергосберегающего оборудования ИИП-1, разработанного ФГБУ «Подольской МИС», показали работоспособность установки с температурным коэффициентом эффективности 0,3. Тепловозврат от вытяжного воздуха к приточному воздуху в условиях наружных температур до -15°С составил до 6 кВт. Конструкция установки и ее технические характеристики удовлетворяют разработанным техническим требованиям, обеспечивают снижение энергозатрат до 50% по сравнению с традиционными системами, применяемыми в животноводстве. Установлено, что рекуперация теплоты выбросного воздуха обеспечивает существенное снижение расходов энергии на поддержание оптимального микроклимата с целью повышения продуктивности животных и птицы. Определены направления дальнейшего развития систем микроклимата на основе новейших информационных технологий и энергосбережения. Ключевые слова:утилизация, теплота, температура, микроклимат, рекуперация.
Влияние микроклимата на организм животных складывается из комплексного действия всех его факторов, но особое зоогиги-еническое значение имеют температура, влажность, скорость движения воздуха, концентрация вредных газов, освещенность и производственные шумы. Температура воздуха оказывает значительное влияние на уровень теплопродукции животных и процессы теплообмена организма с окружающей средой (воздуха и окружающих поверхностей). Для различных групп животных имеется своя зона термической нейтральности (теплового безразличия), в пределах которой обмен веществ сохраняется на постоянном уровне. В зависимости от возраста, породы, адаптации животных, интенсивности кормления и прочих условий для крупного рогатого скота эта зона колеблется от +4 до
+20°С. Экономическая эффективность интенсивного ведения животноводства на промышленной основе зависит от рационального содержания животных, которое в значительной мере определяется наличием оптимального микроклимата в помещениях. Какими бы высокими породными и племенными качествами ни обладали животные, без создания необходимых условий микроклимата они не в состоянии сохранить здоровье и проявить свои потенциальные производительные способности, обусловленные наследственностью.
Формирование микроклимата в помещениях для животных зависит от ряда условий: местного климата, термического и влажно-стного состояния ограждающих конструкций здания, уровня воздухообмена или вентиляции, отопления, канализации и освещения, а
также от степени теплопродукции животных, плотности их размещения, технологии содержания, распорядка дня и пр. Анализ структуры потребления энергии на животноводческих фермах показывает, что доля затрат на создание и поддержание в помещениях оптимального микроклимата составляет от 40 до 90% общих расходов энергии. Основные направления, обеспечивающие снижение затрат энергии - уменьшение потерь теплоты ограждающими конструкциями и с вентиляционным воздухом. Среди указанных методов наибольший интерес представляет разработка и использование технических средств, обеспечивающих утилизацию теплоты выбросного воздуха и использование ее для частичного или полного покрытия дефицита теплоты помещения [1].
В последнее время все шире применяется теплообменная вентиляция, в которой утилизируется биологическая теплота, выделяемая животными, которая в дальнейшем используется для подогрева приточного воздуха. При этом снижаются затраты теплоты на подогрев приточного воздуха. Предложены различные конструкции теплообменников, однако большинству из них присущи существенные недостатки.
Рис. 1. Схема пластинчатого рекуператора
Рис. 3. Схема рекуператора на тепловых трубках
Рис. 2. Схема рекуператора с промежуточным теплоносителем
Рис. 4. Схема рекуператора роторного типа
Пластинчатые теплообменники (рис. 1) менее трудоемки в изготовлении и не требуют технологических жидкостей. Передача теплоты от вытяжного воздуха приточному осуществляется через развитую поверхность конструкции. Схема движения потоков воздуха, как правило, перекрестная.
Теплообменники с промежуточным контуром (рис. 2) включают в себя два радиатора, размещенных в разных каналах по притоку и вытяжке. Радиаторы соединены трубопроводами и образуют замкнутый контур, заполненный водогликольной смесью, перекачиваемой циркуляционным насосом. Жидкость, циркулирующая в контуре, нагревается в радиаторе вытяжного потока и передает теплоту приточному воздуху через радиатор, размещенный в приточном канале.
Тепловые трубки (рис. 3) требуют высокотехнологичной организации изготовления, и при этом используется высокотоксичный заполнитель (фреон). Одна часть тепловой трубы находится в вытяжном канале, а другая в приточном. Передача теплоты осуществляется по холодильному циклу: испарение фреона в части трубки, расположенной в вытяжном канале - конденсация в части трубки, расположенной в приточном канале.
Роторные теплообменники (рис. 4) характеризуются повышенной материалоемкостью, нуждаются в балансировке, а также отмечен переток воздуха между притоком и вытяжкой, что снижает их эффективность. Теплота от вытяжного канала к приточному передается вращающимся ротором, части которого попеременно находятся то в одном, то в другом канале. Теплообменники (рекуператоры) в системах микроклимата принято оценивать по температурному коэффициенту эффективности [2]. В соответствии с отраслевым стандартом СТО АИСТ 31.2 [11] ФГБУ «Подольской МИС» проведены испытания различных систем утилизации теплоты выбросного вентиляционного воздуха в помещениях содержания крупного рогатого скота и свинооткормочного поголовья.
Сравнительные испытания систем микроклимата с рекуперативными теплообменниками различного типа (представлены пять типов) в условиях монтажа в помещениях свинарника ГПЗ «Заря Коммунизма» Московской области показали недостаточную эффективность представленных теплообменников. Коэффициент температурной эффективности составил от 0,18 до 0,365 при температуре наружного воздуха до -23 °С и нормированной температуре воздуха в зоне нахождения животных [6]. Нормированные температура и относительная влажность воздуха в зоне нахождения по группам животных приведены в таблице.
Таблица 1. Допустимая температура и относительная влажность воздуха в помещениях для животных
Помещения Температура, °С Относительная влажность, %
Коровники для привязного и беспривязного боксового содержания скота 10 (8-12) 70
Коровники для беспривязного содержания на глубокой подстилке 6 (5-8) 50-85
Родильные отделения 16 (14-18) 70 (50-85)
Профилактории 18 (16-20) 70 (50-80)
Свинарники для маток холостых и легкосупоросных 15 (14-16) 75 (60-85)
Свинарники откормочного поголовья 14-18 70 (50-85)
Особое место занимают полнокомплектные системы обеспечения микроклимата для содержания животных. Отметим, что оборудование должно быть четко подобрано к конкретному помещению и поголовью в соответствии с тепловыми расчетами. Особенно это касается системы с рекуперацией теплоты вентиляционных выбросов. Принимать на испытания такой объект целесообразно на конкретном помещении по окончании специализированного монтажа с участием разработчиков и эксплуатантов.
Испытания рекуператоров теплоты с промежуточным теплоносителем («Агровент» финской фирмы «Суомен Пухаллинтехдас») на объекте коровника на 200 голов, ППО «Петровское», Московской области, показали положительные результаты [3]. При этом температурный коэффициент эффективности составил до 0,65, а тепловая мощность комплекта по возвращаемой теплоте достигала до 80 кВт при наружных температурах от -18 до -23 °С.
Рис. 5. Схема приточно-вытяжной установки с естественной конвекцией УПВЭА
Интересен вариант приточно-вытяжных установок УПВЭА с естественной конвекцией конструкции «МосгипроНИИсельстроя» (типа «труба в трубе») [8]. Проектирование
установок с минимально необходимым объемом вентиляции и рекуперацией теплоты в приточно-вытяжных каналах позволяет сократить расход тепловой и электрической энергии с обеспечением требуемых параметров внутри помещений. Испытания проведены на базе коровника на 200 голов совхоза «Нара», Наро-Фоминского района, Московской области. При удельном воздухообмене 4,0 м3/ч на 1 ц живой массы температурный коэффициент рекуперации составил до 0,5 в условиях наружных температур до - 20°С.
К недостаткам следует отнести нижнее расположение вытяжного входа, поэтому не используется теплота более теплого воздуха верхней зоны помещения.
Вытяжка
Рис. 6. Схема приточно-вытяжной установки ПВУ
Дальнейшим развитием принципа «труба в трубе» является разработка установок типа ПВУ с механическим побуждением воздухообмена, выпускаемых заводом «Брестсель-маш» [7].
Испытания проводились в ряде хозяйств Белоруссии и России, в основном, в коровниках на 200 голов. В данном исполнении вытяжка идет из верхней зоны (более теплой), и кроме того, применен один специальный вентилятор двойного действия с двумя концентрическими рядами лопаток (рис. 6).
Внутренний ряд лопаток находится в центральном вытяжном канале, а наружный ряд - в межтрубном пространстве для притока воздуха. Предполагалось, что через поверхность внутренней трубы должна происходить частичная рекуперация теплоты вытяжного воздуха, однако в силу недостаточной поверхности эффект оказался невелик (коэффициент температурной эффективности не превысил значения 0,2), и тепловозврат в данной системе решался за счет частичной рециркуляции внутреннего воздуха.
В качестве рекуператора на тепловых трубках ГСКБ, г. Брест, была разработана конструкция УТФ-12 с подачей воздуха по притоку 12 000 м3/ч. [9]. Испытания систем вентиляции на базе этих установок проводились в коровниках, свинарниках и птицеводческих хозяйствах средней полосы России. Коэффициент температурной эффективности достигал величины 0,5, что позволило существенно сократить дефицит теплоты при вентиляции помещений. В девяностые годы установка УТФ-12 входила в состав комплексной системы микроклимата «Климат-3МУ» для птицеводческих хозяйств.
Среди установок роторного типа следует отметить совместную разработку ВНИИ-КОМЖ, г. Москва, и ГСКБ, г. Брест, тепло-вентиляционного оборудования с утилизацией теплоты под маркой «Агровент-С» [10]. Ротор утилизатора (рекуператора) выполнен из алюминиевых дисков. Приток и вытяжка воздуха осуществлялись регулируемыми вентиляторами и составляли от 2000 до 6000 м3/ч на одну установку в зависимости от периода эксплуатации (зима-лето). Комплект на одно помещение - от 4 до 6 установок.
Испытания комплектов проводились в коровниках на 200 голов и в свинарнике-откормочнике на 1000 голов в условиях Московской области. Отмечена работоспособность установок, температурный коэффициент эффективности составил до 0,58 в соответствии с заданием, однако производство данных комплексов не было организовано.
Среди современных разработок особое место занимает рекуператор шахтного типа компании ООО «АгроПроектИнвест», Рос-
сия [12]. Данная установка является продолжением развития систем типа ПВУ, однако отличается наличием оригинального теплообменника из самонесущего сотового поликарбоната (рис. 7).
Установка снабжена отдельными вентиляторами для притока и вытяжки, оборудована системой автоматической промывки и оттайки собственно рекуператора. Установление алгоритма работы «оттайка-работа» через систему «Климат-контроль» в автоматическом режиме обеспечивает функционирование оборудования при температурах наружного воздуха -30°С.
Рис. 7. Схема приточного рекуператора системы «АгроПроектИнвест».
При этом коэффициент температурной эффективности рекуператора на уровне 0,5 позволяет экономить до 80% тепловой энергии за отопительный период. Установка разработана для крупных свинооткормочных комплексов, которые при нормальном заполнении помещений имеют достаточные теплоизбытки для организации эффективной рекуперации теплоты удаляемого воздуха.
В стадии разработки рекуператор пленочного типа конструкции лаборатории электро-теплообеспечения и энергосбережения ФГБНУ ВИМ под названием «Вентиляцион-но-отопительная установка ВОУ-1500» с воз-духоподачей на притоке 1500 м3/ч [5]. Для
обеззараживания воздуха в установку входит озонатор коронного разряда, а для догрева приточного воздуха предусмотрен электрокалорифер мощностью до 6 кВт.
Испытания макетного образца с использованием современных цифровых средств измерений 1Т-системы мониторинга энергосберегающего оборудования ИИП-1 (определения потребительских свойств техники для села) [13], разработанного ФГБУ «Подольской МИС», показали работоспособность установки с температурным коэффициентом эффективности 0,3. Тепловозврат от вытяжного воздуха к приточному воздуху в условиях наружных температур до -15°С составил до 6 кВт. Конструкция установки и ее технические характеристики удовлетворяют разработанным техническим требованиям, обеспечивают снижение энергозатрат до 50% по сравнению с традиционными системами, применяемыми в животноводстве.
Предполагается на базе этой разработки создать установки модульного типа для ферм КРС, свиноводства и птицеводства.
Разработки ВНИИМЖ в части установления требований к техническим средствам создания микроклимата [14] в животноводческих помещениях (содержания КРС и свинарниках всех возрастов и назначений) создают предпосылки для реализации принципа энергоэффективности путем применения регулируемого воздухообмена при новых перспективных технологиях с использованием биологической теплоты животных, кондиционирования, очистки, дезодорации и санации воздуха. В частности, в свиноводстве имеются тенденции создания крупных комплексов с полным производственным циклом, начиная от осеменения, содержания маточного поголовья, выращивания откормочного поголовья и реализации продукции.
Выводы. С учетом научных достижений в части организации производства, использования новейших цифровых технологий регулирования технологических процессов на основе энергоэффективности обеспечивается возможность повысить продуктивность животных, снизить болезни животных, уменьшить расход энергии на 40-50%.
Литература:
1. Энергосберегающая технология создания микроклимата на фермах / Б.А. Рунов и др. // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1986 . № 2.
2. Казанский Д.В., Чувашев В.Н. Состояние и развитие оборудования для создания микроклимата животноводческих ферм и комплексов // Вестник ВНИ-ИМЖ. 2017. № 4(28). С. 158.
3. Отчет о результатах испытаний рекуператора с промежуточным теплоносителем «Агровент» фирмы «Пухаллинтехдас» (Финляндия). Климовск, 1984 .
4. Комплект оборудования для содержания и кормления свиней: Протокол №09-55-11.
5. Вентиляционно-отопительная установка с утилизацией теплоты ВОУ-1500: Протокол №09-45-16.
6. Сравнительные испытания систем микроклимата с рекуперацией теплоты: Прот. №20-14-15-16-17-18-83.
7. Испытания приточно-вытяжных установок ПВУ-6М: Протокол №20-20-87.
8. Испытания приточно-вытяжных установок с естественной конвекцией: Протокол №20-29-87.
9. Испытания рекуператора УТ-Ф-12М: Протокол №20-42-87.
10. Испытания рекуператора «Агровент-С» ВНИИ-КОМЖ: Протокол №20-19-90.
11. СТО АИСТ 31.2-2010. Установки для создания микроклимата. Методы оценки функциональных показателей
12. Рекуператор АПИ: проспект АгроПроетИнвест. М., 2016.
13. Чувашев В.Н. Инновационная система мониторинга долговременных тепловых процессов ИИП-1: проспект Подольская МИС. Климовск, 2013.
14. Новиков Н.Н. Решение проблем микроклимата, автоматизации процессов и теплоснабжения на животноводческих фермах // Вестник ВНИИМЖ. 2014. № 2.
Literatura:
1. Energosberegayushchaya tekhnologiya sozdaniya mikroklimata na fermah / B.A. Runov i dr. // Mekhanizaciya i elektrifikaciya sel'skogo hozyajstva. 1986 . № 2.
2. Kazanskij D.V., CHuvashev V.N. Sostoyanie i razvitie oborudovaniya dlya sozdaniya mikroklimata zhivotno-vodcheskih ferm i kompleksov // Vestnik VNIIMZH. 2017. № 4(28). S. 158.
3. Otchet o rezul'tatah ispytanij rekuperatora s promezhu-tochnym teplonositelem «Agrovent» firmy «Puhallintek-hdas» (Finlyandiya). Klimovsk, 1984 .
4. Komplekt oborudovaniya dlya soderzhaniya i kormle-niya svinej: Protokol №09-55-11.
5. Ventilyacionno-otopitel'naya ustanovka s utilizaciej te-ploty VOU-1500: Protokol №09-45-16.
6. Sravnitel'nye ispytaniya sistem mikroklimata s rekupe-raciej teploty: Prot. № 20-14-15-16-17-18-83.
7. Ispytaniya pritochno-vytyazhnyh ustanovok PVU-6M: Protokol №20-20-87.
8. Ispytaniya pritochnovytyazhnyh ustanovok s estestven-noj konvekciej: Protokol №20-29-87.
9. Ispytaniya rekuperatora UT-F-12M: Protokol №20-4287.
10. Ispytaniya rekuperatora «Agrovent-S» VNIIKOMZH: Protokol №20-19-90.
11. STO AIST 31.2-2010. Ustanovki dlya sozdaniya mikroklimata. Metody ocenki funkcional'nyh pokazatelej
12. Rekuperator API: prospekt AgroProetInvest. M., 2016.
13. CHuvashev V.N. Innovacionnaya sistema monitoringa dolgovremennyh teplovyh processov IIP-1: prospekt Podol'skaya MIS. Klimovsk, 2013.
14. Novikov N.N. Reshenie problem mikroklimata, av-tomatizacii processov i teplosnabzheniya na zhivotnovod-cheskih fermah // Vestnik VNIIMZH. 2014. № 2.
TO THE LIVESTOCK HOUSES MICROCLIMATE SYSTEMS WITH HEAT RECUPERATION TESTS
AND STUDIES' ISSUE
D.V. Kazansky, chief engineer V.N. Chuvashev, department head FGBY "Podol'skya MIS"
Abstract. The livestock and poultry farms and complex microclimate systems testing, air environment parameters of premises at different equipment on the basis of modern digital technologies study's results are shown. It is stated that for 40 years of work by FGBY "Podol'skya MIS" specialists were checked in practice the various microclimate systems, including with animals heat recuperation at ventilation of rooms are showed. The various kinds recuperative heat exchangers' advantages and disadvantages were analyzed. Rotary heat exchangers by high material consumption are characterized, they need to be balanced, and also the air flow between the inlet and exhaust was marked, that their efficiency had reduced. The prototypes' testing with modern digital instruments with the IT-system of IIP-1with energy-efficient monitoring using equipment, developed by the FGBY "Podil'skya MIS", showed the unit's availability with 0,3 thermal efficiency coefficient. The heat return from exhaust air to supply one in outer air temperatures up to -15 °C conditions was up to 6 kW. The unit's design and its technical characteristics meet the developed technical requirements, provide energy consumption up to 50 % reducing in compared to traditional livestock systems. It is established that the exhausted air's heat recuperation provides energy costs' significant reducing for optimal microclimate maintaining in order to animals and poultry production increasing. The further directions' development of microclimate systems based on the latest information and energy saving technologies are determined. Keywords: utilization, heat, temperature, microclimate, recuperation.
