CC BY
108
ISSN 0131-5226.Теоретический и научно-практический журнал.
ИАЭП. 2017. Вып. 93.
17. Патент РФ 2112764, 10.06.1998. Ковалев Н.Г., Малинин Б.М., Туманов И.П. Способ приготовления компоста многоцелевого назначения // Патент России №97101103/13. 1998. Бюл. № 16.
18. Уваров Р.А. Результаты исследований потерь питательных веществ при биоконверсии подстилочного птичьего помета в биоферментационной установке камерного типа // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2015. № 86. С. 139-147.
19. Subbotinl.A. BriukhanovA.Yu., UvarovR.A.
Lossesofnutrientsatintensiveprocessingofpoultrymanure // International Research Journal. 2016. № 1-3 (43). P. 41-42.
20. Разработка микробиологической технологии производства экологически безопасных биологических удобрений на основе отходов птицеводства // Отчет по НИР № 02.515.11.5102 / ФГБНУ ВНИИСХМ, рук. И.А. Архипченко. 2009. СПб. 108 с.
21. Уваров Р.А. Методика исследования режимов работы барабанного биоферментатора // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2016. № 89. С. 193-201.
22. Патент РФ 146604, 03.06.2014. Брюханов А.Ю., Васильев Э.В., Максимов Н.В., Уваров Р.А. Биореактор для конверсии органических отходов непрерывного действия // Патент России № 2014122545/13. - 2014. - Бюл. № 16.
23. Патент РФ 2632162, 14.06.2016. Брюханов А.Ю., Максимов Н.В., Уваров Р.А. Универсальный биоферментатор // Патент России № 2016123623. 2017. Бюл. № 15.
24. Уваров Р.А. Определение потерь питательных веществ при переработке подстилочного птичьего помета в биоферментационной установке барабанного типа // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. 2015. № 4 (20). С. 145-148.
25. Уваров Р.А. Биоферментация помета в установках закрытого типа // Птицеводство. 2016. № 10. С. 53-56.
26. LimS.S. &other. Nitrogen, carbon,
anddrymatterlossesduringcompostingoflivestockmanurewithtwo bulking agents as affected by co-amendments of phosphogypsum and zeolite // Ecological Engineering. 2017. Vol. 102. P. 280-290.
27. Winkel A. & other. Evaluation of manuredrying tunnels to serve as dust filters in the exhaust of laying hen houses: Emissions of particulate matter, ammonia, and odour // Biosystems Engineering. 2017. Vol. 162. P. 81-98.
УДК 631.22
МЕТОД РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ МИКРОКЛИМАТА В ПОМЕЩЕНИЯХ ДЛЯ СОДЕРЖАНИЯ ЖИВОТНЫХ
В.Ф. ВТОРЫЙ, д-р техн. наук; С.В. ВТОРЫЙ, канд. техн. наук; Р.М. ИЛЬИН
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт агроинженерных и
экологических проблем сельскохозяйственного производства» (ИАЭП), Санкт-Петербург, Россия
146
Технологии и технические средства механизированного производства продукции
уастениеводстваи животноводства________________________________________
Контроль и управление параметрами микроклимата в помещениях для содержания животных является важным фактором обеспечения высокой продуктивности животных. В настоящее время в нашей стране отсутствуют системы комплексного мониторинга параметров микроклимата на фермах КРС, а управление системами вентиляции осуществляется по одному-двум параметрам. Нормируемым параметрическим показателем является концентрация аммиака в коровнике. При воздействии различных факторов существует неравномерность его распределения по объему помещения с разницей концентраций до 1,5 -2,0 раз. Устранение этого недостатка требует организации локальной вентиляции с подачей свежего воздуха в наиболее загазованные зоны помещения. Для уменьшения количества необходимых для установки в коровнике средств контроля, снижения концентрации аммиака и других вредностей, предлагается методика моделирования этих процессов в различных зонах животноводческого помещения на основе данных измерений в одной наиболее критической точке. Проведенный статистический анализ полученных экспериментальных данных показал, что среднее значение концентрации аммиака внутри коровника составляет 0,733 мг/м3, среднеквадратичное отклонение а = 0,134 мг/м3, коэффициент вариации 18,3%. Наиболее критической точкой является центр коровника. На основании экспериментальных данных построены математические модели расчета концентрации аммиака в различных точках исследуемого коровника с коэффициентом детерминации R2 = 1,0 что свидетельствует о
высокойфункциональнойзависимости принятых переменных.
Ключевые слова: коровник; метод расчета; микроклимат; аммиак.
CALCULATION METHOD OF ANIMAL HOUSE MICROCLIMATE PARAMETERS
V.F.VTORYI, DSc (Engineering); S.V.VTORYI, Cand. Sc. (Engineering); R.M. YLYIN Federal State Budget Scientific Institution “Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production” (IEEP), Saint Petersburg, Russia
Indoor environment monitoring and control in livestock houses is an important factor to ensure the high productivity of animals. At present, the systems for integrated monitoring of climate variables on cattle farm are not in place in our country. The ventilation systems are controlled by one or two parameters. The rated parameter is the concentration of ammonia in the barn. Under the influence of various factors, there is uneven ammonia distribution over the room, with the concentration difference being 1.5 to 2.0 times. A remedial action is organization of local ventilation with the supply of fresh air to the most gassy areas of the room. To decrease the number of monitoring equipment to be installed in a cow barn and to reduce concentration of ammonia and other hazards, a technique to simulate these processes in different parts of animal houses on the basis of measurement data at one critical point was designed. Statistical analysis of the obtained experimental data demonstrated that the average ammonia concentration inside the bam is 0.733 mg / m3, the mean deviation a = 0.134 mg / m3, the coefficient of variation is 18.3%. The most critical point is the center of the cow bam. On the basis of experimental data, mathematical models for calculating the ammonia concentration at various points in the cow bam under study with the determination coefficient of R2 = 1.0 were created that indicates a high functional dependence of the adopted variables.
Keywords: cow barn; calculation method; indoor climate; ammonia.
ВВЕДЕНИЕ
Благоприятные условия содержания животных оказывают значительное влияние на полную реализацию продуктивного генетического потенциала, что безусловно положительно сказывается на экономической эффективности производства животноводческой продукции. Зная текущее состояние параметров микроклимата,
147
ISSN 0131-5226.Теоретический и научно-практический журнал.
ИАЭП. 2017. Вып. 93.
закономерности его формирования внутри животноводческого помещения в зависимости от технологии производства и влияния внешних факторов можно наиболее эффективно и с учетом прогноза метеоусловий локально управлять температурно-влажностным режимом и газовым составом при экономии энергоресурсов.
Целью исследований является выявление закономерностей и получение математических моделей формирования микроклимата в животноводческих помещениях, и в частности в коровниках, влияния различных факторов на этот процесс.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Основой исследований является инструментальный экспресс-метод с планированием экспериментов, регистрацией контролируемых параметров микроклимата в заданный промежуток реального времени. Аналоговые сигналы с датчиков сохраняются в памяти регистратора или на картах памяти с дальнейшей передачей на компьютер для обработки.
Обработка результатов мониторинга производилась известными методами математической статистики с определением средних значений исследуемых величин за установленные временные периоды с использованием пакета Excel [1].
Исследования проводились в январе-феврале 2017 г в коровнике с привязным содержанием на 200 коров представленном на рисунке 1, входящим в состав молочного комплекса. Измерения параметров микроклимата проводились с использованием аналогового датчика аммиака Астра-Д с диапазоном измерений 0-64 мг/м3, относительной погрешностью измерений 25% в девяти точках по схеме, представленной на рисунке 2, в последовательности соответствующей номеру точки, с использованием переносной установки на высоте 1,4 м над уровнем пола, в дневное время. Уборка навоза в коровнике производится 2 раза в сутки, с погрузкой в специальные тракторные прицепы. Система вентиляции естественная через регулируемые проемы в световом коньке крыши (рисунок 1). Метеоусловия определялись по данным метеостанции находящейся на расстоянии 26 км от комплекса и дополнительно производились замеры температуры, влажности наружного воздуха и концентрации газов непосредственно на территории молочного комплекса.
3
в
12 3
4 5 6
7 8 9
Рис. 2. Схема замера параметров
Рис. 1. Общий вид коровника микроклимата в коровнике
148
Технологии и технические средства механизированного производства продукции
растениеводстваи животноводства________________________________________
Для измерения параметров микроклимата использовано электронное устройство, состоящее из датчиков температуры, относительной влажности, скорости движения воздуха, концентрации аммиака, углекислого газа, сероводорода. Аналоговые сигналы с датчиков с заданным временным интервалом поступают на архиватор МСД-200 с картой памяти емкостью 32 Гб, это позволяет собирать и архивировать информацию значительного объема с передачей на компьютер для дальнейшей обработки и анализа [2, 3, 4].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты измерений концентрации аммиака в коровнике и параметры наружного воздуха в течение 5 дней, средние значения концентрации в точках измерения представлены в таблице. В целом можно говорить о том, что концентрация аммиака в зависимости от погодных условий (скорости и направления ветра, температуры и влажности воздуха)
О О
изменялась от 1,72 до 9,99 мг/м при фоновом природном значении 0,55 - 0,62 мг/м . Существенное влияние скорости и направления ветра, температуры наружного воздуха на уровень концентрации аммиака можно заметить при сравнении данных 1-го и 3-го дня. Так в первый день исследований при силе ветра 5 м/с максимальная концентрация аммиака
О
составила 4,38 мг/м , что примерно в 2 раза ниже, чем в третий день, где его максимальная
О
концентрация при скорости ветра 1 м/с составила 9,99 мг/м при несущественном падении
температуры воздуха.
Таблица
Концентрация аммиака в коровнике и параметры наружного воздуха
Концентрация аммиака, мг/м3
№ точки 1-ый день 2-ой день 3-ий день 4-ый день 5-ый день
i 4,38 5,86 6,58 4,69 5,21
2 3,96 6,77 7,18 4,57 5,61
3 4,36 6,42 6,83 4,59 5,56
4 2,97 5,2 8,85 6,18 5,94
5 3,81 8,46 9,99 9,92 7,45
6 2,97 6,78 8,97 7,67 7,03
7 1,95 4,13 6,84 7,19 6,92
8 2,44 4,61 7,08 6,97 6,37
9 1,72 4,96 7,18 7,6 6,61
Параметры наружного воздуха
Температ., °С -2,5 -4,6 -6,0 -10,5 -8,4
Отн. влаж, % 81 93 78 64 82
Ветер напр. Ю-В Ю-3 Ю-В С-В С-3
скор., м/с 5,0 2,0 1,0 2,0 2,0
Концен. NH3, 0,58 0,58 0,57 0,55 0,62
мг/м3
На основании обработки экспериментальных данных получены математические модели концентрации аммиака в 9-ти основных точках коровника, где Y1-9 - концентрация
О
аммиака в 1-9 точках соответственно, мг/м ; Xi - скорость ветра в диапазоне 1-5 м/с; Х2 -температура наружного воздуха в диапазоне -2,5 - 10,5°С.
Yi = 8,50093 - 0,722006Х! + 0,222518Х2 R2 = 98,35 Y2= 10,4607- 1,12271Xi+ 0,335658Х2 R2 = 98,77
Y3 = 9,49553 - 0.879389Xi + 0.286405Х2 R2 = 98,37
Y4 = 1,77627+ l,33446Xi - 1,74354X2 + 0,786995XiX2 R2 = 99,65
Y5= 10,2995- l,38439Xi-0,148285X2 R2 = 90,07
149
ISSN 0131-5226.Теоретический и научно-практический журнал.
ИАЭП. 2017. Вып. 93.
У6 = 7,07443 - 0,495412Х, - 0,660858Х2 +0,262361XiX2 У7= 4.44121 0,75152Х, 0,432568Х2
Ys = 5,56395 - 0.809042Х, - 0,292461Х2 Y9= 5,55642-0,978332Xj- 0,375871Х2
R2 = 99,70 R2 = 94,38 R2 = 94,67 R2 = 98,72
2
Коэффициенты детерминации R > 90 говорят о
функциональнойзависимостимеждупеременными модели.
Критерий Стьюдента Тфакх для всех девяти моделей колеблется в пределах от 2,5 до 25,5 при табличном значении Тхаб =3,18 при уровне значимости Р= 0,05, соответственно в моделях 1, 2, 3, 4, 9 коэффициенты значимы, а моделях 5,6,7,8 коэффициенты уравнений являются значимыми при уровне Р = 0,1 (Тхаб = 2,35), но исключать их не целесообразно т.к. снижается функциональная взаимосвязь факторов, определяемая коэффициентом детерминации.
На рисунке 3 в графическом виде представлены экспериментальные данные, где отчетливо видно, что в точке 5 наблюдается максимальная концентрация аммиака (критическая точка). Отсюда следует, что данные, полученные в точке 5, могут служить базовой точкой отсчета для построения математической модели расчета параметров микроклимата в других точках коровниках.
Рис. 3. Концентрация аммиака в различных точках коровника, где 1-5 концентрации аммиака соответственно в день измерений
Для построения расчетных моделей концентрации аммиака введем приведенный коэффициент концентрации аммиака Ki_9 определяемый по выражению:
Ki-9 = Y1.9/Y5, (1)
где Yi_9 - концентрация аммиака в точках 1-4, 6-9, мг/м ;
Y5 - концентрация аммиака в точке 5, мг/м3
Проведенный статистический анализ полученных экспериментальных данных показал, что среднее значение изменения приведенного коэффициента концентрации
150
Технологии и технические средства механизированного производства продукции
уастениеводстваи животноводства_______________________________________
аммиака Ki внутри коровника составляет 0,733, среднеквадратичное отклонение о = 0,134 при коэффициенте вариации 18,3%.
Обработав полученные экспериментальные данные, построим математические модели вида:
Ki
0,769856 + 0,0936701Xi + 0,0407288Х2 R2= 92,44
К2 = -0,21231 + 0,149137Xi - 0,253058Х2 - 0,0207025XiX2R2=99,84
R =99,27
R2=71,30
R2=88,49
R2=93,60
R2=80,08
R2=99,27
говорят
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8) (9)
о
K3 =-0,393826 + 0,196021Xi - 0,272322X2 - 0,0217321XiX2 K4 = 0,890876 - 0,0220569Xi + 0,015303X2 K6 = -0,14297 + 0,0719786Xi - 0,266917X2 - 0,018427X!X2 K7 = -1,58468 + 0,187446Xi - 0,540153X2 - 0,0339073XiX2 K8 = -0,905999 + 0,145544Xi - 0,378874X2 - 0,0241 197XiX2 K9 = -0,76099 + 0,0874985Xi - 0,362517X2 - 0,0222159XtX2 Коэффициенты детерминации R2> 80
функциональнойзависимостимеждупеременными модели.
Критерий Стьюдента Тфакт для моделей колеблется в пределах от 1,4 до 9,8 при табличном значении Ттаб = 2,35 и уровне значимости Р= 0,1. Коэффициенты моделей в основном значимы за исключением модели (5).
Результаты исследований позволяют предполагать, что представленные математические модели (2-9) при наличии данных о концентрации аммиака в точке 5 (по данным мониторинга), позволяют расчетным путем с определенной погрешностью определить концентрацию аммиака в остальных 8-ми точках по выражению (10):
Y'1.9 = Y5*K1.9, (10)
О
где Y'i-9 - расчетная концентрация аммиака в точках 1-4, 6-9 коровника, мг/м ; Y5 - фактическая концентрация аммиака в точке 5 коровника, мг/м3;
Ki-9 - приведенный коэффициент, рассчитанный по уравнениям 2 -9 для соответствующих точек коровника.
Для практического использования метода расчета параметров микроклимата животноводческих помещений, необходимо провести исследования с большой выборкой данных для уточнения параметров моделей, взаимодействия значительного количества зависимых и независимых факторов между собой их влияния на формирование микроклимата в целом.
ВЫВОДЫ
1. Контроль и управление параметрами микроклимата в помещениях для содержания животных является важным фактором обеспечения высокой продуктивности животных. В настоящее время отсутствуют системы комплексного мониторинга параметров микроклимата на фермах КРС, а управление системами вентиляции производится по одному или двум параметрам.
2. Нормируемым параметрическим показателем является концентрация аммиака в
О
коровнике, значение которого не должно превышать 20 мг/м . При воздействии различных факторов существует неравномерность распределения аммиака по объему помещения и разница концентраций может достигать 1,5 -2,0 раза. Для устранения этого недостатка необходима организация локальной вентиляции с подачей свежего воздуха в наиболее загазованные зоны коровника.
151
ISSN 0131-5226.Теоретический и научно-практический журнал.
ИАЭП. 2017. Вып. 93.
3. Для снижения количества необходимых для установки в коровнике средств контроля концентрации аммиака и других вредностей, предлагается методика моделирования этих процессов в различных зонах животноводческого помещения на основе данных измерений в одной наиболее критической точке.
4. Проведенный статистический анализ полученных экспериментальных данных показал, что среднее значение приведенного коэффициента концентрации аммиака внутри коровника составляет 0,733, среднеквадратичное отклонение а = 0,134 при коэффициенте вариации 18,3%. Критической точкой с наивысшей концентрацией аммиака является центр коровника.
5. На основании экспериментальных данных построены математические модели расчета концентрации аммиака в различных точках исследуемого коровника с коэффициентами детерминации R = 0,8 - 0,99, что свидетельствует о функциональнойзависимости принятых переменных, при уровнях значимости Р = 0,05 - 0,1. Однако из-за небольшого объема выборки получена недостаточная значимость коэффициентов, необходимы дальнейшие комплексные исследования для уточнения параметров моделей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Валге А.М. Использование систем Excel и Mathcad при проведении исследований по механизации сельскохозяйственного производства (Методическое пособие) / А.М.Валге, ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии.- СПб., 2013.-200 с.
2. Патент №161235 РФ. Устройство контроля параметров микроклимата в помещениях для содержания сельскохозяйственных животных./ Вторый В.Ф и др. Опубл. 10.04.16.
3. Вторый В.Ф., Гордеев В.В., Вторый С.В., Ланцова Е.О. Влияние погодных условий на формирование температурно-влажностного режима в коровнике / Вестник ВНИИМЖ, №3(23), М.- 2016.- с.68-72.
4. Valerii Vtoryi, Sergei Vtoryi, Eugenia Lantsova. Research Results of Ammonia Emission from Cattle Manure.Environmentally Friendly Agriculture and Forestry for Future Generations: Book of Full Papers of International Scientific XXXVI CIOSTA & CIGR SECTION V Conference, 26-28 May, 2015, Saint Petersburg, Russia: SPbSAU, p. 293-296.
УДК 631.22
РАСЧЕТ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БАЗЫ ДАННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ФЕРМЫ КРС
В.В. ГОРДЕЕВ, канд. техн. наук; С.Н. МАТЕЙЧИК; В.Е. ХАЗАНОВ, канд. техн. наук Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства» (ИАЭП), Санкт-Петербург, Россия
В помещенияхдля содержания животных необходимо создать оптимальный микроклимат, который обеспечивает максимальную конверсию корма в продукцию, высокую резистентность животных, длительный срок их использования. Количество подаваемого наружного приточного воздуха определяется нормативами и должно быть не менее 15 м3/час на 1 ц массы взрослого скота и молодняка и 18 м3/час - на 1 ц массы телят. С расчетным притоком свежего воздуха образуются выбросы вредных газов из помещений для содержания животных. При проектировании фермы КРС
152
