CC BY
17
УДК 631.171 DOI 10.51794/27132064-2021-2-74
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ МИКРОКЛИМАТА В КОРОВНИКЕ НА КЛИНИКО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЖИВОТНЫХ
В.Г. Борулько, кандидат технических наук, доцент Ю.Г. Иванов, доктор технических наук, профессор Д.А. Понизовкин, кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева E-mail: v.borulko@mail.ru Н.А. Шлычкова, преподаватель
АНО «Московский центр профессионального образования» E-mail: nshlichkova84@gmail.com
Аннотация. Рассмотрено влияние параметров микроклимата на животных в коровнике в летний период времени. Для количественной характеристики теплового стресса введен индекс теплового стресса коров, зависящий от изменения частоты дыхания и сердечных сокращений животных. Предложена целевая функция индекса теплового стресса, определяющая параметры микроклимата, при которых индекс теплового стресса стремится к минимуму. Представлены экспериментальные данные по определению индекса теплового стресса в коровнике с беспривязным содержанием для теплого времени года. Исследования включают в себя определение частоты дыхания и частоты сердечных сокращений при различных температурах и относительной влажности воздуха в коровнике в летний период времени. На основании проведенных исследований получены количественные значения индекса теплового стресса. Предложенный подход к определению теплового стресса у коров в летний период позволяет учитывать индивидуальные особенности животных, в том числе теплообмен с окружающей средой. Используя данные индекса теплового стресса, можно выбирать методы использования технических средств обеспечения микроклимата на основе индивидуальных особенностей животных. Применение технических средств с учетом индивидуальных особенностей животных позволяет регулировать микроклимат в коровнике в месте нахождения животных, что способствует более рациональному подходу к выбору и эксплуатации технических средств обеспечения микроклимата в летний период времени. Ключевые слова: тепловой стресс, коровник, индекс теплового стресса.
Введение. Анализ состояния молочного животноводства показал, что до настоящего времени проблемными остаются вопросы обеспечения параметров микроклимата в животноводческих помещениях с учетом внешних возмущающих факторов: температуры и относительной влажности воздуха, скорости ветра, интенсивности солнечного излучения и т.д. Несмотря на существенное количество фундаментальных и прикладных исследовательских работ, повышение эффективности содержания крупного рогатого скота, как и раньше, остается сложной задачей, к решению которой нет единого системного подхода. Это связано со сложностью научной проблемы и спецификой отечественного молочного производства.
Сложность проблемы состоит в том, что параметры микроклимата зависят от большого количества факторов, которые в процессе эксплуатации непрерывно изменяются. Высокая стоимость и энергоемкость технических средств поддержания параметров микроклимата не позволяют широко внедрять их, особенно в условиях современного состояния отечественного животноводства.
В случае значительных отклонений в животноводческих помещениях температурно-влажностных параметров воздуха от нормативных возможно ухудшение состояния организма животных, а также состояния животноводов и, как следствие этого, возникновение заболеваний, снижение продуктивности животных и качества труда животно-
водов. Одним из главных критериев оценки условий содержания крупного рогатого скота является состояние терморегуляторных функций. К факторам, имеющим определяющее влияние на эти функции, относятся температура, относительная влажность окружающего воздуха и их взаимосвязь.
Одним из сдерживающих факторов повышения эффективности систем обеспечения микроклимата является ручное управление всеми или отдельными элементами системы. Ручное управление повышает трудозатраты и увеличивает погрешность регулирования, возможны сбои в режимах работы приточных и вытяжных устройств с последующим уменьшением эффективности их работы. Для систем естественной вентиляции необходима разработка регуляторов прямого действия с простыми кинематическими связями, что позволит обеспечить не-
зависимость вентиляционных устройств от дополнительных энергоисточников при высокой эксплуатационной надежности [1].
При создании и эксплуатации технических средств обеспечения параметров микроклимата с целью достижения благоприятного микроклимата необходимо учитывать энергоэффективность, высокую надежность при эксплуатации, минимальный срок окупаемости, возможность обслуживания персоналом невысокой квалификации. Поэтому исследования микроклиматических условий в животноводческих помещениях и разработка методов и технических средств обеспечения микроклимата являются актуальными и имеют важное значение для агропромышленного комплекса [2].
Материалы и методы. В общем виде микроклимат М в помещении можно описать функцией множества переменных:
М = f
Л ,Фв ,Фн , Ve, УRm , L, Е, Рш , Р
5> йж ^ж , ^ V,W,«в„, F, Foc
K К f Л/ Л/
сп^ м ' кп^> О ' п
V P Р Q Q С
9 п' вН ' о<
(1)
где 6в - температура в помещении, °С; вн - температура наружного воздуха, °С; фв, фн -относительная влажность воздуха внутри и вне помещения, %; Увн.в - скорость воздуха внутри помещения, м/с; Qж - поступление теплоты от животных, Вт; фж - влаговыде-ления животными, кг/ч; q - мощность внутренних источников тепловыделений от ламп и нагревательных приборов, оборудования, Вт; V - скорость движения воздуха, м/с; Ж -общее количество удельной влаги, кг/ч; авн -коэффициент теплообмена через прозрачные и непрозрачные ограждения, Вт/град; Г -суммарная площадь ограждений, м2; Гост -общая площадь оконных проемов, м2; Уп -объем помещения, м ; Рвн, Рнар — давление внутреннего и наружного воздуха, Па; Q -
теплопотери в помещении через ограждающие конструкции, Вт; Qcp - теплопоступле-ния от солнечной радиации, Вт/м2; Сов - охлаждающая способность воздуха, Дж/с; Rm -термическое сопротивление теплопередаче, оС/Вт; L - воздухообмен в помещении, м3/ч; E - освещенность, лк; Рш - уровень шума, дБ; Рзпм - запыленность воздуха и загрязненность микроорганизмами, мг/м3; Ксп - коэффициент светопропускной способности оконных проемов; Км - поправочный коэффициент; К - температура кожного покрова животного, оС; vd - частота дыхания, мин-1; Vn - частота сердечных сокращений, мин-1.
Логические соотношения между приведенными параметрами могут быть представлены в виде:
М = f
ен AVH A (6е Чфв ) A W A V A q A Q А A (Q V F V авН) А
А Ят А Рш А Рз ча(у V Ь V С )А(^
V V внв ов / \ к
Предложенные логические соотношения позволяют описать математическую модель биотехнической системы «животное-среда-техника-коровник» и выделить наиболее значимые параметры, влияющие на микрокли-
A Руф A Рвн A Рнар A
(E v K v F )
V сп ост /
A
V V V V
кп О п У
(2)
мат в коровнике, для целевой функции снижения теплового стресса животного в летнее время года: температуру и относительную влажность воздуха (6вv фв); поступающую солнечную тепловую энергию через свето-
прозрачные ограждения (e v kcn v focm); характеристики ограждающих конструкций коровника (Q v F v авн); методы применения
технических средств в коровнике (veiie v L v Coe) с учетом клинико-физиоло-гических показателей животных (tm wdwn) [3, 4].
Одной из основных целей управления микроклиматом коровника является минимизация теплового стресса животных. Для определения количественной характеристики теплового стресса предлагается использовать индекс теплового стресса Ire. Этот индекс характеризует изменение частоты дыхания (ЧД) и частоты сердечных сокращений (ЧСС) при возникновении теплового стресса, т.е. он позволяет оценивать разницу между нормальным состоянием животного и состоянием при тепловом стрессе. Индекс должен стремиться к минимальному значению. Принимаем, что показатель - индекс теплового стресса Ire, характеризующий клинико-фи-зиологическое состояние животного - является безразмерной величиной.
Для удобства описания влияния воздействия внешних факторов на клинико-физио-логические показатели животных предлагается ввести индекс теплового стресса Ire, который будет количественно характеризовать наступление теплового стресса. Данный индекс рассчитывается, исходя из произведения показателей частоты дыхания v и частоты сердечных сокращений vn:
v. • v
т _ д п
1 ТС =
к
(3)
ср
Таким образом, для усредненных кср нормальных показателей частоты дыхания и сер-
дечных сокращений для коров индекс теплового стресса не превышает 1,0. При значениях индекса теплового стресса выше 1,0 начинается тепловой стресс.
Индекс теплового стресса характеризует реакцию организма животного на внешние воздействия, которые, в свою очередь, могут характеризоваться такими показателями, как индекс температуры и влажности (ТН1) воздуха; индекс тепловой нагрузки среды (ТНС-индекс), являющийся интегральным показателем, отражающим сочетание влияния температуры воздуха, скорости его движения, относительной влажности и теплового облучения на теплообмен человека (животного) с окружающей средой.
Таким образом, целевую функцию индекса теплового стресса можно представить в виде:
¥= Лв , V ,а , ^, ^ , О , С , К , Ь, Е )(4)
J \ в'тв* вн.в* вН > ост'*-<ср> ов> сп> > /V /
Предложенная целевая функция ¥ индекса теплового стресса позволяет определять необходимые параметры для технических средств в коровнике, обеспечивающих как естественную, так и принудительную вентиляцию.
Результаты и обсуждения. Проведенные экспериментальные исследования на базе разработанного устройства вентиляции коровника [5] позволили установить, что значения индекса теплового стресса для нормального состояния (кр=1500) не превышают 1,0, в то время как при сильных тепловых стрессах он достигает 2,5 единиц (рисунок). <1,00 нет стресса
1,00-1,25 начало теплового стресса 1,26-1,50 легкий тепловой стресс 1,51-1,75 средний тепловой стресс 1,76-2,00 сильный тепловой стресс >2,00 экстремальный тепловой стресс
17,5°С 20°С 22,5°С 25°С 27,5°С 30°С 32,5°С 35°С
ф=50% 0,81 9,93 1,02 1,17 1,33 1,49 1,63 1,79
ф=55% 0,83 1,00 1,16 1,25 1,39 1,56 1,72 1,83
ф=60% 0,86 1,04 1,18 1,31 1,46 1,60 1,76 1,88
ф=65% 0,88 1,09 1,21 1,39 1,56 1,82 1,86 1,98
ф=70% 0,92 1,12 1,26 1,46 1,69 1,97 2,01 2,09
ф=75% 0,96 1,12 1,28 1,61 1,92 2,06 2,18 2,28
ф=80% 1,00 1,18 1,34 1,68 1,98 2,25 2,33 2,46
Рисунок. Значение индекса теплового стресса в зависимости от температуры и относительной
влажности в коровнике
Используя индекс теплового стресса в качестве управляющего параметра для местной принудительной системы вентиляции, можно непосредственно воздействовать на животных в месте нахождения их в коровнике, учитывая их индивидуальные особенности.
Выводы. Использование индекса теплового стресса, основанного на клинико-физи-ологических показателях животных, позволит более точно описывать индивидуальные особенности коров. Применение местной принудительной вентиляции в зонах нахождения животных позволяет снизить капитальные и эксплуатационные затраты на поддержание нормативных параметров микроклимата за счет снижения количества технических средств обеспечения микроклимата.
Литература:
1. Борулько В.Г. Исследование переходных процессов в системе воздухообмена животноводческих помещений // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2007. № 10. С. 19-20.
2. Совершенствование технологических процессов и технических средств на основе индивидуального контроля параметров животных на фермах / Ю.Г. Иванов и др. // Вестник МГАУ. 2018. № 5(87). С. 25-30.
3. Методы и технические средства снижения тепловых стрессов коров в теплый период года / Ю.Г. Ива-
нов и др. // British Journal of Innovation in Science and Technology. 2017. Т. 2, № 2. С. 41-52.
4. Влияние параметров принудительной вентиляции на физиологические показатели коров при высоких значениях температуры и относительной влажности воздуха в помещении / Ю.Г. Иванов и др. // Вестник ВНИИМЖ. 2015. № 4(20). С. 192-194.
5. Пат. 151656 РФ. Устройство для вентиляции коровника / Ю.Г. Иванов и др. Заяв. 08.09.14; Опубл. 10.04. 15, Бюл. № 10.
Literatura:
1. Borul'ko V.G. Issledovanie perekhodnyh processov v sisteme vozduhoobmena zhivotnovodcheskih pomeshche-nij // Mekhanizaciya i elektrifikaciya sel'skogo hozyajst-va. 2007. № 10. S. 19-20.
2. Sovershenstvovanie tekhnologicheskih processov i tek-hnicheskih sredstv na osnove individual'nogo kontrolya parametrov zhivotnyh na fermah / YU.G. Ivanov i dr. // Vestnik MGAU. 2018. № 5(87). S. 25-30.
3. Metody i tekhnicheskie sredstva snizheniya teplovyh stressov korov v teplyj period goda / YU.G. Ivanov i dr. // British Journal of Innovation in Science and Technology. 2017. T. 2, № 2. S. 41-52.
4. Vliyanie parametrov prinuditel'noj ventilyacii na fizio-logicheskie pokazateli korov pri vysokih znacheniyah temperatury i otnositel'noj vlazhnosti vozduha v pomesh-chenii / YU.G. Ivanov i dr. // Vestnik VNIIMZH. 2015. № 4(20). S. 192-194.
5. Pat. 151656 RF. Ustrojstvo dlya ventilyacii korovnika / YU.G. Ivanov i dr. Zayav. 08.09.14; Opubl. 10.04.15, Byul. № 10.
MATHEMATICAL MODEL OF COWSHED MICROCLIMATE PARAMETERS INFLUENCE ON ANIMALS
CLINICAL-AND-PHYSIOLOGICAL PARAMETERS V.G. Borul'ko, candidate of technical sciences, associate of professor Yu.G. Ivanov, doctor of technical sciences, professor D.A. Ponizovkin, candidate of technical sciences, associate of professor FGBOU VO RGAU-MSHA named after K.A. Timiryazev N.A. Shlychkova, lecturer ANO "Moscow center of professional education"
Abstract. The cowshed microclimate parameters influence on animals in summer period is considered. To identify thermal stress quantify characteristics, the thermal cows' stress index was introduced, it depends on animals' respi-ratory and heart rates changing. The heat stress index objective function is proposed, determining the microclimate parameters, when the heat stress index tends to a minimum. Experimental data on the heat stress index determination in a cowshed with tied cows' keeping for warm season are presented. The research includes the respiratory and heart rates at various temperatures and relative humidity in the cowshed in summer determining. Based on the conducted studies, quantitative values of the heat stress index were obtained. The proposed approach of cows' thermal stress in summer period determination allows to take into account the animals' individual characteristics, including heat exchange with the environment. The heat stress index data using, makes it possible technical means methods using to ensure a microclimate based on the animals' individual characteristics to choose. The technical means using takes into account the animals' individual characteristics that allows the microclimate in the cowshed at the location of the animals to regulate, that contributes to a more rational approach to the selection and microclimate technical means operation in summer to ensure. Keywords: heat stress, cowshed, heat stress index.
