CC BY
49
УДК 636 + 635
КОРОВНИК - ТЕПЛИЦА ДЛЯ СЕВЕРНЫХ РЕГИОНОВ СТРАНЫ
(УСТРОЙСТВО И СПОСОБ)
И.А.Антуфьев
Предложено комбинированное сельскохозяйственное строение, объединяющее теплицу и коровник с взаимными выгодами по производственным показателям. Общая система вентиляции выполнена с возможностью обогащения воздуха углекислотой в коровнике перед подачей его в теплицу, а в теплице -обогащения воздуха кислородом перед подачей его в коровник. Предусмотрена утилизация производственных отходов с помощью установки сверхкритического окисления, которая будет заявлена отдельным изобретением. Установка позволяет любые органические отходы переводить в горючий газ (метан), техническую воду и минеральный остаток (удобрения). Ключевые слова: коровник, теплица, совмещённые строения.
В большинстве холодных регионов страны чувствуется настоятельная потребность экономного расходования тепла и сокращения затрат на обогрев производственных помещений. В то же время, во всех теплицах всегда появляется острая нужда в углекислом газе, который используется для подкормки растений в теплицах.
Помимо этого в северных районах очень остро стоит проблема с удалением навоза особенно в холодный период года. Мы попытались объединить общие задачи и потребности на примере теплицы и коровника в одном строении.
Разработка относится к сельскому хозяйству и может быть использована в любых регионах страны с холодными зимами.
Известно техническое решение по содержанию коров в районах Крайнего Севера в коровниках со свайным фундаментом [1, 2]. Недостатками такого проекта являются устаревшие способы организации отопления, вентиляции, устройства полов, удаления навоза, горячего водоснабжения и др., что требует больших расходов электроэнергии и, соответственно, - больших объёмов топлива, а также - совершенно нерешенный вопрос о необходимой утилизации навоза и производственных отходов теплиц.
Задачами настоящего изобретения является разработка конструкции комбинированного сельскохозяйственного предприятия с экономным расходованием топливно-энергетических ресурсов, полной и экономически целесообразной утилизацией навоза при одновременном обеспечении технологического процесса интенсивного растениеводства в теплице.
Поставленная цель решается следующим образом.
Коровник на любое количество скотомест (например, 100 скотомест на первом этаже здания) объединён с теплицей в одном строении (например, на втором этаже того же здания). Вентиляция, отопление и управление микроклиматическими параметрами объединены в одну схему постоянного контроля.
Для дальнейшего описания необходимо сделать некоторое отступление и привести сведения из практики опытных животноводческих хозяйств.
Опытные животноводы знают, что для полной реализации своего продуктивного потенциала молочные коровы нуждаются в постоянном притоке свежего, чистого воздуха. Свежий воздух — ключ к успеху. Высокий уровень влажности, температуры, концентрации газов, патогенных микробов и пыли в плохо вентилируемых помещениях отрицательно влияет на здоровье, продуктивность животных и качество молока. Однако значение хорошей вентиляции для повышения эффективности содержания скота, к сожалению, зачастую недооценивают. Правильно спроектированная вентиляционная система должна обеспечивать необходимую циркуляцию свежего воздуха в помещении, удаляя зимой высокую влажность, а летом — тепло.
Эти требования вполне подходят и для организации условий в процессах интенсивного выращивания растений. Кроме того, совместная вентиляция теплиц и животноводческих помещений обогащает воздух углекислым газом, выделяющимся из навоза животных. Углекислый газ является естественной подкормкой быстро растущих растений. И в то же время, в помещениях теплицы циркулирующий воздух обогащается кислородом от растений и возвращается в коровник, создавая ощущения свежего воздуха на открытой местности.
Из литературы [6] известно о тенденции применения «холодного содержания» молочных коров в целях экономного расходования топливно-энергетических ресурсов. Но это приемлемо для скота, выращиваемого на откорм (например, бычков), однако для молочных коров требования к уходу резко повышаются. Одно только обмывание вымени холодной водой перед доением рефлекторно снижает отдачу молока коровой в первые минуты дойки, что создаёт некоторые проблемы в вакуумных магистралях молокосбора. Кроме того, в холодных коровниках совершенно невозможно допустить чистку животного с использованием воды, что для молочных коров всегда желательно по гигиеническим нормативам.
Ещё одним отрицательным фактором «холодного содержания» является резкие изменения параметров приточного воздуха в разные временные периоды как в течение дня, так и в течение года. Мы, в целях повышения продуктивности молочного животноводства, отказываемся от «холодного» содержания молочных коров в любых климатических зонах и настаиваем на оптимальных микроклиматических условиях в коровниках в течение круглого года.
При проектировании и оценке системы вентиляции наиболее важны потребности животных, а не потребности персонала. Коровы чувствуют себя комфортно в широком диапазоне температур от плюс 15 до минус 15°С, если места для отдыха защищены от ветра и осадков, удобные и сухие. При правильном кормлении в хорошо вентилируемом помещении они лишь незначительно уменьшают удои, когда температура понижается. Надлежащим образом разработанная и управляемая система вентиляции создает приемлемые условия для животных, но не может обеспечить тепловой комфорт для работников фермы. Холодная сухая среда лучше для здоровья и продуктивности скота, чем теплая и влажная.
За оптимальную температуру для коровника нами взята температура приточного воздуха скорость движения воздуха не более 3,5 м/сек.,
а относительная влажность воздуха не более 40%. За оптимальную температуру для теплицы нами взята температура +18...200С, скорость движения воздуха не выше 3,8 м/сек., при относительной влажности воздуха в пределах 60%.
Естественно, что соблюдение параметров микроклимата в разных помещениях заставляет контролировать параметры вентиляционного воздуха на всех этапах кругооборота и требует автономной системы регулирования. Кроме того, кругооборот воздуха во всех помещениях теплицы и коровника по предложенной схеме подразумевает закрытый, замкнутый кругооборот с незначительным влиянием или воздействием наружного воздуха.
Далее, в развитие интенсивного способа получения продукции, в северных регионах возникает необходимость изолировать и растения, и животных от естественного света и регулировать суточную периодичность с помощью простых электронных схем управления освещённостью в помещениях. В северных широтах такое мероприятие приобретает весомое значение. Стабильная ритмичность и постоянство параметров микроклимата повышает выход продукции как растительного, так и животного происхождения на десятки процентов. Все эти моменты позволяют устраивать в помещениях минимум окон или вообще отказаться от естественного освещения.
Те выгоды, которые можно получить при строго управляемом режиме освещения и регулируемых параметрах микроклимата заметно превышают затраты на электрическое освещение и автоматику. Тем более, что в наших схемах организации производства предусмотрено использование установки сверхкритического окисления для переработки навоза и производственных отходов, вплоть до трупов животных. Газ метан, вырабатываемый этой установкой, используется для производства электроэнергии, достаточной для круглогодичного освещения коровника и теплицы, при условии содержания 100 и более коров.
Система удаления навоза основана на постоянном и медленном движении толстого резинового полотна, движущегося по многочисленным роллерам (или
валкам), чтобы копыта коров не проваливались. Головной конец полотна слегка приподнят, что обеспечивает стекание жидкостей в заднюю часть стойла к скребку.
На участке закругления полотно соприкасается со скребком, который совмещён с прижимным роликом. Скребок счищает навоз и другую производственную грязь, слегка отжимая полотно и освобождая его от излишков влаги.
В результате такой организации удаления навоза коровы постоянно передвигаются по полотну ленты и совершают необходимую для них физическую работу в течение определённых промежутков дня. Толстое резиновое полотно позволяет коровам отдыхать на нём без сильных потерь тепла, не испытывая неудобств. Фактор подвижности опоры под ногами используется для физиологической тренировки животных и позволяет отказаться от прогулок за стенами коровника.
В общей сумме факторов автоматического удаления навоза заложена возможность выращивать коров «новой генерации» или «дисциплинированных коров», которые легче поддаются тренировке по заданным режимам жизнеобеспечения и продуктивности. Это сулит интересные перспективы.
Навоз, попавший в навозохранилище, специальными мешалками интенсивно перемешивается с жижей и промывными техническими водами и подаётся по трубопроводу в установку сверхкритического окисления, где перерабатывается в горючий газ, техническую воду и минеральное удобрение [7, 8, 9, 10].
Горючий газ отводится в газгольдеры и проходит стадию очистки от углекислого газа (разделения газов на углекислоту и метан) для последующего использования в генераторах электрической энергии. (Стадия и установка для очистки метана от углекислого газа не описывается).
Таким же образом утилизируют органические отходы производства растительной продукции, которые сбрасывают по мусоропроводу в навозохранилище, перемешивают, измельчают и подают вместе с навозной пульпой в установку сверхкритического окисления.
Система вентиляции организована так же по оригинальному принципу. В основу взят кругооборот воздуха в замкнутой или полузамкнутой системе. Воздух из теплиц, содержащий повышенную температуру и влажность, а также обогащённый кислородом, проходит через конденсатор с естественным охлаждением (наружным воздухом) одной (конденсирующей) плоскости. Влага, сконденсировавшись на охлаждённой плоскости, стекает в резервуар чистой воды, а слегка охлаждённый и более сухой воздух поступает в коровник через множество приточных патрубков, чтобы не создавать ощущения сквозняков. В коровнике воздух обогащается углекислым газом от навоза, навозной жижи и дыхания коров, проходит через калорифер для лёгкого подогрева и поступает в теплицу.
Рис.1
Производство растительной продукции в теплицах организовано на принципах гидропонных культивационных колонн [3,4,5]
с подачей питательного раствора в колонны вместе с газовоздушными смесями.
Отопление теплиц осуществляют двумя, параллельно работающими системами: инфракрасными обогревателями (как газовыми, так и электрическими) и воздушным отоплением по принципу приточно-вытяжной вентиляции.
Возведение здания, в предпочтительном варианте, производят с использованием сендвич-панелей. Для снижения теплопотерь поверх тепличного перекрытия установлен купол с защитой от перекосов под влиянием ветров, а навозохранилище изолировано от внешних температур высокой теплоизолирующей насыпкой.
Изобретение поясняется рисунками 1, 2, 3 и 4, где на рис. 1 дан фронтальный разрез теплицы - коровника, на рис. 2 представлена принципиальная схема удаления навоза, на рис. 3 приведена схема конденсатора для воздуха, поступающего в коровник, а на рис. 4 приведён пример схемы вентиляции помещения коровника и теплицы как одного целого.
Теплица - коровник для северных регионов страны (рис. 1) состоит из коровника 1 на любое количество скотомест (предпочтительно, 100 и более), теплицы 2, купола 3, устройства 4 для удаления навоза, навозохранилища 5. Конструкция здания и навозохранилища размещена на сваях 6 с выполненным воздушным пространством 7 между естественным грунтом и конструкциями здания с навозохранилищем. Поверх навозохранилища выполнена насыпка 8 для защиты навозохранилища от теплопотерь. Внутри навозохранилища выполнены устройства 9 для размельчения производственного мусора, навоза и отходов тепличного производства с помощью циркулярных ножей 10.
Для подачи пульпы в установку сверхкритического окисления (не показана) выполнен вакуумуый отсос 11. В верхней части навозохранилища устроены патрубки 12 для удаления выделяющихся из пульпы газов. В помещениях теплиц размещены культивационные колоны 13 и источники освещения и тепла 14. В куполе над потолком теплицы оборудован дефлектор 15.
Система удаления навоза (рис. 2) сформирована как часть пола стойла для коровы. Она выполнена из толстой резиновой или пластиковой ленты 16, роллеров 17 (или валков), скребка 18 с прижимным роликом 19, а также побудителями движения ленты 20, которые могут быть расположены как в головной (приподнятой) части ленточного конвейера, так и в хвостовой (опущенной) его части (что предпочтительнее). На рисунке для удобства восприятия показаны побудители движения в головной части ленточного конвейера.
Рис. 2
На рисунке 3 приведён конденсатор для влажного воздуха тепличных помещений.
из
Рис.3
Он выполнен из собственно ёмкости (или объёмной конструкции) 21, размещённой в наружной стене 22 с возможностью охлаждения наружным воздухом и закреплённой кронштейном
23. Конденсатор состоит из приёмного патрубка
24, выпускного патрубка 25, направляющих пластин 26, охлаждаемой плоскости 27 и патрубка 28, отводящего конденсат в ёмкость 29.
23
21
Схема вентиляции (рис. 4) в теплице «А» и коровнике «Б» как единого целого представлена воздухозаборными устройствами 30 в коровнике, воздуховодами 31, побудителем 32 движения воздуха, калорифером -распределителем 33, заборными устройствами 34 в теплице, побудителем 35 движения воздуха, конденсатором 21 и распределительными устройствами в коровнике (не показаны).
Рис. 4.
31
А
А
34
35
21
С точки зрения оптимизации теплового баланса строения в целом, заявляется, что тепло-потери от навозохранилища 5 (рис. 1) значительно уменьшены, благодаря воздушной прослойки 7 между грунтом и перекрытиями полов коровника 1 и навозохранилища 5, а также насыпке 8, высота которой может даже превышать высоту помещений коровника 1.
А теплопотери от теплицы 2 заметно уменьшены, благодаря теплозащитной роли купола 3 и применению в строительстве усиленных стеновых панелей-сэндвичей. Поскольку теплопотери от коровника 1 и навозохранилища 5 заметно снижаются, это позволяет сохранять все отбросы производства, как от коровника 1, так и от теплицы 2, в пульпообразном (то есть жидком) виде, что улучшает газообразование в самой пульпе.
С точки зрения улучшения производственных показателей, заявляется следующее. Большая часть газов из пульпы и навоза является углекислым газом (хотя имеется и метан в значительных количествах). Такая газовая смесь при возврате в воздухообмен коровника 1 заметно снижает порог нервной чувствительности у коров и способствует развитию очень спокойного состояния, которое выгодно с точки зрения ритмичного и обильного молокообразования.
Эта же газовая смесь из коровника 1 поднимается вентиляционной системой (рис. 4, позиции 30, 31, 32, 33) вверх, в теплицу, где способствует полноценному питанию растений углекислотой. При такой подкормке данной газовой смесью, например, помидоры быстрее созревают, краснеют и приобретают лучшие вкусовые качества (в них больше полисахаридов и биологически активных веществ).
С точки зрения энергетики производства, отмечается следующее. Излишки газа из пульпы направляются через патрубок 12 (рис. 1) в газгольдер (не показан), проходя систему очистки от углекислого газа (система не описана, поскольку будет представлена новой отдельной заявкой на изобретение). Газовая смесь, значительно обогащённая метаном, из газгольдеров направляется в генераторы электроэнергии (не показаны), что обеспечивает как коровник, так и теплицу достаточным количеством электроэнергии для освещения помещений.
То есть в отношении устройства мы имеем в краткой формулировке следующее:
Теплица - коровник, содержащая помещения для животных и выращивания растений, навозохранилище с приспособлениями для создания пульпы, откачки её на утилизацию и удаления газов, расположенная на свайном фундаменте с выполненными воздушными прослойками между грунтом и перекрытиями полов первого этажа, насыпкой поверх навозохранилища, а также воздушным куполом над перекрытиями потолков тепличных помещений, оборудованная вентиляцией, выполненной с возможностью охлаждения воздуха и освобождения его от излишней влажности перед подачей в коровник и подогрева воздуха перед подачей его в теплицу.
С точки зрения способа мы имеем в принципиальной формулировке следующее:
Способ организации выращивания растений в интенсивном режиме при одновременном содержании животных с достижением максимальных производственных показателей, включающий замкнутую приточно-вытяжную вентиляцию с возможностью совместного кругооборота воздуха, при котором его обогащают углекислотой в коровнике перед подачей в теплицу, а в теплице обогащают кислородом перед подачей его в коровник, причём перед подачей в коровник воздух освобождают от излишней влажности и охлаждают, а перед подачей в теплицу подогревают.
Защита строения от теплопотерь и разумно устроенная вентиляция позволяют сохранять оптимальные микроклиматические условия как для коров в коровнике, так и для растений в теплице.
В коровнике становятся допустимыми влажные гигиенические процедуры для коров и поддерживание помещений с высокой степенью чистоты.
Работает представленное изобретение следующим образом.
Углекислоту, выделяющуюся из навоза, навозной жижи и пульпы в навозохранилище 5 (рис. 1) и коровнике 1, используют в качестве подкормки растений в теплице 2. В свою очередь, воздух, обогащённый кислородом в теплице 2, и освобождённый от излишнего количества водяных паров в конденсаторе 21, используют для оптимизации условий содержания коров в коровнике 1.
Литература:
1. Типовой проект 801-2-31 М.83 Коровник на 100 голов молочного направления.
2. Пат. № 2248120. 20.03. 2005.
3. Пат. № 2414121. 20.03. 2011.
4. Пат. № 2423044. 10.07. 2011.
5. Галкин, А.А. Вода в суб- и сверхкритическом состояниях - универсальная среда для осуществления химических реакций / А.А.Галкин, В.В.Лунин // Успехи химии. - 2005, №74(1).
6. Горбатый, Ю.Е. Сверхкритическое состояние воды / Ю.Е.Горбатый, Г.В.Бондаренко // Сверхкритические флюиды. Теория и практика. - 2007. - № 2.
7. Hazlebeck, D.A. Supercritical water oxidation of chemical agents, propellants, and other DOD hazardous wastes. - New York, 1995. - Р.632-637.
8. Sato, M. National R & D Project on Reactions in Supercritical Fluids in Japan. - Japan, 1997. -Vol.C. - Р.901-905.
Антуфьев Игорь Александрович, кандидат медицинских наук, заместитель заведующего отделом
ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства
Тел. 8(916)184-47-71 E-mail: [email protected]
Invited to the combined agricultural structure, uniting the greenhouse and a cowshed with mutual benefits in the production indices. General ventilation system is made with the opportunity to enrich the air carbon dioxide in the barn to feed it into the greenhouse, and in the greenhouse - enrichment of air with oxygen before its submission to the barn.
Provides recycling of industrial wastes with the help of the supercritical oxidation, which will be declared a separate invention. Setting allows you to any organic waste translate into combustible gas (methane), technical water and mineral balance (fertilizers).
Keywords: cow-shed, greenhouse, combined structure.
