CC BY
20
DOI: 10.24412/2074-5036-2022-2-47-52 УДК: 636.082.474.2
Ключевые слова: рекуператоры тепловой энергии, бройлер, воздух, теплообменник
Key words: heat energy recuperators, broiler, air, heat exchanger
Морозов В. Ю., Колесников Р. О., Калиткина К. А., Черников А. Н.
ОБЗОР ПРОБЛЕМ ПРИМЕНЕНИЯ РЕКУПЕРАТОРОВ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПТИЦЫ
OVERVIEW OF THE PROBLEMS OF USING RECUPERATORS THERMAL ENERGY
FOR FARMING POULTRY
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет». Адрес: 196601, РФ, г. Санкт-Петербург, г. Пушкин, Петербургское шоссе, дом 2.
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Saint Petersburg State Agricultural University». Address: 196601, Russian Federation, St. Petersburg, Pushkin, Petersburg highway, 2.
Морозов Виталий Юрьевич, доктор ветеринарных наук, доцент, заведующий кафедрой крупного животноводства. E-mail: supermoroz@mail.ru
Morozov Vitaliy Yuryevich, Doctor of Veterinary Sciences, Associate Professor, Head of the Department
of Large Livestock. E-mail: supermoroz@mail.ru Колесников Роман Олегович, кандидат ветеринарных наук, доцент кафедры крупного животноводства.
E-mail: roman-koles@bk.ru Kolesnikov Roman Olegovich, PhD of Veterinary Sciences, Associate Professor of the Department of Large Livestock. E-mail: roman-koles@bk.ru Калиткина Ксения Андреевна, магистрант 2 курса, факультета зооинженерии и биотехнологий.
E-mail: kalitkina.xeniya@gmail.com Kalitkina Kseniya Andreevna, Master's Student, Faculty of Animal Engineering and Biotechnology.
E-mail: kalitkina.xeniya@gmail.com Черников Алексей Николаевич, кандидат ветеринарных наук, директор института учебно-практического центра агротехнологий (на правах института). E-mail: Alexei_chernikov92@bk.ru Chernikov Alexey Nikolaevich, PhD of Veterinary Sciences, Director of the Institute of Educational and Practical Center of Agrotechnologies (on base an institute). E-mail: Alexei_chernikov92@bk.ru
Аннотация. Птицеводство - одна из энергоемких отраслей промышленности, которая потребляет большое количество энергии для обеспечения комфортного микроклимата, здоровья и продуктивности птиц. Высокие инвестиционные расходы на птицеводческих предприятиях приводят к необходимости снижения затрат. Из-за растущей стоимости топлива традиционные системы отопления могут становиться нерентабельными. Одним из возможных решений данной проблемы может быть применение установок рекуперации тепла с целью экономии энергии. Рекуператоры (теплоутилизаторы) - это теплообменники поверхностного типа для использования энергии отходящих газов. Применение рекуперативных систем тепловой энергии в птицеводческих помещениях позволяет значительно повлиять на экономию энергетических ресурсов при содержании птицы. Однако, на сегодняшний день существует недостаточно исследований в данном направлении. В дальнейшем разработка и применение новых технологий теплоснабжения являются важными областями исследований в птицеводстве.
Sunmary. Poultry is one of the energy-intensive industries that consumes a large amount of energy to ensure a comfortable microclimate, the health and productivity of birds. High investment costs in poultry enterprises lead to the need to reduce costs. Due to the rising cost of fuel, traditional heating systems are not cost-effective at most poultry farms. One of the research approaches in this direction is the use of heat recovery plants in order to save energy. Thermal energy recovery is a process of partial return of energy for reuse. Recuperators (heat recovery units) are surface-type heat exchangers for using the energy of exhaust gases. The use of recuperative thermal energy systems in poultry houses can significantly affect the savings in energy resources when keeping poultry. However, there is currently insufficient research in this direction. In the future, the development and application of new heat supply technologies are important areas of research in the poultry industry.
Требования к температуре и качеству воздуха птичников
Продуктивность сельскохозяйственной птицы во многом зависит от условий окружающей среды, изменение температуры в птичнике может спровоцировать холодовой или тепловой стресс [24]. В таблице 1 представлено влияние теплового стресса на зоотехнические показатели птиц [9, 20]. Цыплята гомеотермичны, что означает поддержание почти постоянной внутренней температуры тела независимо от условий окружающей среды. В том случае, если организм птицы преобразует большую часть поступающих с кормом питательных веществ в тепло, продуктивность снижается.
В таблице 2 приведены оптимальные параметры окружающей среды в помещении птичника [9].
Температура в первый день жизни цыплят должна поддерживаться в диапазоне от 30 до 32 °С. После этого температуру следует снижать на 2-3 °С каждую неделю, вплоть до 21-23 °С в возрасте 7 недель. Желаемый диапазон относительной
влажности (ЯН) составляет от 50 до 70 %. Если уровень ЯН выше 70 %, это приведет к значительному увлажнению подстилки, распространению патогенов, загрязнению яиц и увеличению выбросов аммиака. Если уровень относительной влажности ниже 50 %, птичий помет может высохнуть, что спровоцирует проблему появления пыли. Обычно концентрация аммиака выше 25 ррт нежелательна. Высокий уровень аммиака может привести к повреждению органов дыхания птиц.
Тепло генерируется процессом метаболизма в организме, который включает рост, производство яиц и мяса. На выработку тепла влияют вид, масса тела, качество корма, уровень потребления корма [22]. Избыточное тепло организма птиц рассеивается за счет излучения, конвекции, испарительного охлаждения и проводимости, которые носят название чувствительных тепловых потерь.
Эффективность применения рекуператоров
Одним из энергосберегающих подходов является использование рекуператоров (те-
Таблица 1
Влияние теплового стресса на физиологические и зоотехнические показатели птиц
Изменения показателя Изменения показателя
Показатели под влиянием теплового Показатели под влиянием теплового
стресса стресса
Потребление корма 4* Смертность |**
Производство яиц 4 Каннибализм т
Вес яйца 4 Иммуносупрессия т
Качество скорлупы 4 Выводимость 4
Высота белка 4 Рост 4
^4 - снижается, **Т - повышается
Таблица 2
Оптимальные параметры внутренней среды для птичника
№ Параметры Оптимальные уровни
1 Температура воздуха в целом 22-28 °С
2 Температура воздуха до 1 недели жизни 30-32 °С
3 Температура воздуха от 1 до 7 недель жизни 20-32 °С
4 Температура воздуха через 7 недель жизни 10-27 °С
5 Относительная влажность (ЯН) 50-70 %
6 Аммиак <25 ррт
плоутилизаторов), т. е. теплообменников поверхностного типа для использования энергии отходящих газов, в котором теплообмен между теплоносителями осуществляется непрерывно через разделяющую их стенку [14, 18].
Эффективность рекуперативного теплообменника определяется температурным КПД [21] и тепловым КПД. Температурный КПД рассчитывается с использованием следующей формулы [4]:
Ф=
где, Ф4 - температурная эффективность, 1 - температура отработанного воздуха (°С), 1 - температура выходящего воздуха (°С), 1 - температура наружного воздуха (°С), 1 - температура приточного воздуха (°С).
Теплопроизводительность рекуперативного теплообменника рассчитывается по следующему уравнению [4]:
Q(кВт)=
1000
где Q - производительность нагрева (кВт), т - массовый расход воздуха (кг ч-1), ср1 - удельная теплоемкость воздуха по отно-
шению к сухому воздуху (Втч кг 1 К 1) (ср1 -1,005 кДж кг-1 К-1 - 0,28 Втч кг-1 К-1), 1 - температура наружного воздуха (°С), 1;22 - температура приточного воздуха (°С).
Согласно исследованиям [12], температурный КПД рекуператоров зависит от температуры выхлопного и наружного воздуха, а также массы расхода воздуха: с увеличением расхода воздуха температурный КПД быстро снижается (а сопротивление системы увеличивается) [15].
Как показали исследования, внедрение технологии рекуперации тепла является актуальным не только для бытовых и промышленных зданий [3, 15, 16], но и для экономии энергии на сельскохозяйственных комплексах.
Однако, исследования, касающиеся использования рекуперативных теплообменников в животноводческих и птицеводческих предприятиях, на сегодняшний день ограничены. Первые научные исследования по использованию рекуперативного теплообменника в животноводстве описаны при выращивании свиней на откорм в Восточной Германии [12]. Вслед за этим были опубликованы исследования данных установок
Рис. 1. Разрез рекуператора (цит. по: Гусев и др., 2012): 1 - листы оцинкованной стали; 2 - брус деревянный или труба ниппельной поилки; 3 - желобок для стока конденсата и воды при орошении и мойке; 4 - вентилятор вытяжной (ВО-12); 5 - дверка обводного канала; 6 - штора.
а - направление движения воздуха из птичника; б - направление движения холодного воздуха в птичник; в - направление движения воздуха по обводному каналу из птичника.
Рис. 2. Схема обменной установки для механически вентилируемых животноводческих помещений, способной одновременно очищать отработанный воздух и осуществлять рекуперации тепла, А, В, С - исследованные варианты сборки теплообменного агрегата.
на свиноводческих предприятиях в 2010 и 2012 годах [17, 19]. В среднем, производительность теплообменников, исследованных при выращивании поросят, составила 18,7± 8,3 кВт за год (при расходе воздуха 11471± 3041м3 ч-1). Исследование Немецкого сельскохозяйственного общества (DLG), посвященное испытанию рекуператора тепловой энергии, используемого в откорме свиней в зимних условиях, зарегистрировало тепло-производительность 26,0 кВт при расходе воздуха 11 465 м3/ч-1 [8]. Теплопроизводи-тельность теплообменника Еагпу, используемого при откорме бройлеров, составила 23,8 кВт в зимних условиях при расходе воздуха 5008 м3/ч-1 [7].
Важным фактором, влияющим на эффективность рекуператоров, является размер, конструкция, материал и толщина материала (особенно в отношении коэффициента теплопередачи) [15]. На сегодняшний момент используемые рекуператоры классифицируются по схеме относительного движения теплоносителей на противоточные, прямоточ-
ные и др.; по конструкции - на трубчатые, пластинчатые, ребристые; по материалу -металлические, мембранные, пластиковые [2]. В целом, согласно литературным данным [12, 19], применение рекуператоров тепловой энергии дает возможность экономить от 50 до 60 % топливных ресурсов для обеспечения оптимальных параметров микроклимата.
Как отмечает В. А. Гусев с соавт. [1], серийно выпускаемые рекуператоры тепловой энергии не подходят для применения в птичниках, так как они предназначены в основном для воздуха с концентрацией пыли до 0,5 мг/м3, а в воздухе птичника концентрация пыли составляет 4-10 мг/м3. Отечественными учеными [1] был разработан пластинчатый рекуператор, надежно работающий при большой концентрации пыли в воздухе птичника. Разрез рекуператора представлен на рисунке 1.
S. К1етеП с соавт. [12] также отмечал, что осаждение пыли на поверхности теплообменника со стороны выхода отработанно-
го воздуха усугубляет не только теплообмен, но и приводит к увеличению сопротивления давлению при растущем осаждении пыли. Чтобы избежать этого, автор рекомендовал систему очистки на водной основе.
Комбинирование рекуператоров тепловой энергии с системой очистки отработанного воздуха
Загрязняющие вещества, образующиеся вследствие ведения интенсивного животноводства и птицеводства, включают твердые частицы, аммиак (КН3), парниковые газы, такие как метан (СН4) и закись азота (К2О). Несколько исследований показали, что использование систем очистки отработанного воздуха на свиноводческих предприятиях и птицефабриках позволяют снизить выбросы твердых частиц и КН3 [10, 11, 23].
Интересно, что М. Zwoll с соавт. опубликовано исследование [25], сообщающее о научном подходе к созданию многоступенчатой системы очистки воздуха со встроенным теплообменником при выращивании бройлеров [7]. Первая стадия очистки заключается в использовании вертикально установленных труб, распыляющих жидкость с уровнем рН 3,5 для уменьшения выброса КН3; вторая стадия включает распыление жидкости с уровнем рН 6,8 для уменьшения запаха. Поскольку выбросы КН3 в течение первых нескольких дней откорма птицы очень низкие (вследствие малой живой массы бройлеров и малого расхода воздуха), для очистки отработанного воздуха на данном этапе требуется только вторая стадия обработки. Однако в это время потребность бройлеров в тепле очень высока (начальная температура в помещении составляет примерно 32-34 °С), что приводит к очень высокой температуре отработанного воздуха. Поэтому в течение первых нескольких дней откорма птицы для рекуперации тепла используется первая стадия без разбрызгивания жидкости.
М. S. Krommweh и W. ВшЛег [13] также разработана новая технология установки для механически вентилируемых животноводческих помещений, способная одновременно
очищать отработанный воздух и осуществлять рекуперацию тепла (рис. 2).
Таким образом, очевидно, что на сегодняшний день необходимо внедрение инновационных экологически чистых, экономически эффективных и энергосберегающих стратегий для снижения затрат энергии. Одним из таких подходов является использование рекуператоров (теплоутилизаторов), т. е. теплообменников поверхностного типа для использования энергии отходящих газов. Использование рекуперативных систем тепловой энергии в птицеводческих помещениях позволяет значительно повлиять на экономию энергетических ресурсов при содержании птицы. Однако, на сегодняшний день существует недостаточно исследований в данном направлении. В дальнейшем разработка и применение новых технологий теплоснабжения являются важными сложными областями исследований в птицеводстве.
Список литературы
1. Гусев В. А. Повторное использование тепла при выращивании бройлеров в клеточных батареях /
B. А. Гусев, И. П. Салеева, А. А. Тарабрин, В. В. Мо-хов, В. Г. Шоль // Вестник ВНИИМЖ. 2012. №1. Т. 5.
2. Кульбаба С. В. Рекуперация тепла - одно из направлений экономии тепловой энергии при отоплении птицеводческих помещений // С. В. Кульбаба,
C. А. Нагорный // Науково-техшчний бюлетень НДЦ бюбезпеки та еколопчного контролю ресурав АПК. 2016. №2. Т. 4.
3. Cuce P. M. A comprehensive review of heat recovery systems for building applications / P. M. Cuce, S. Rifat // Renew. Sustain. Energy Rev. 2015. Vol. 47. P. 665-682. doi:10.1016/j.rser.2015.03.087.
4. DIN EN 13053. Ventilation for buildings -Air handling units — Rating and performance for units, components and sections / German version EN 13053:2019 // Beuth Verlag. 2020.
5. DIN EN 13053. Ventilation for buildings -Air handling units - Rating and performance for units, components and sections / German version EN 13053:2019 // Beuth Verlag. 2020.
6. DLG. 2-stufge Ablufreinigungsanlage EMMI für die Hâhnchenschwermast. DLG-Prüfericht 6212. 2014.
7. DLG. Big Dutchman International GmbH -Heat Exchanger Earny Type 40.000-Eficiency of heat recovery under practical conditions. DLG Test Report 6140F. 2014.
8. DLG. Luf-Luf-Wârmetauscher WVTL 480. Wârmerûckgewinnungsefzienz unter Praxisbedingungen. Schonhammer GmbH. DLGPrüfericht 5971F. 2011.
9. Donald J. O. Environmental Management in the Broiler House. Aviagen. 2010.
10. EC. Best Available Techniques (BAT) Reference Document for the Intensive Rearing of Poultry or Pigs. Industrial Emissions Directive 2010/75/EU. Integrated Pollution Prevention and Control. 2017.
11. Ivanova-Peneva S. G. Ammonia emissions from organic housing systems with fattening pigs / S. G. Ivanova-Peneva, A. J. A. Aarnink, M. W. A. Verstegen // Biosyst. Eng. 2008. Vol. 99. P. 412-422. doi:10.1016/j.biosystemseng.2007.11.006.
12. Klement S. Möglichkeiten und Grenzen des Einsatzes rekuperativer Wärmetauscher bei der Klimatisierung von Schweineställen am Beispiel der Mastanlage „Burkersdorfer Schweineproduktion" / S. Klement // Wissenschaflicher Fachverlag Fleck. 2001.
13. Krommweh M. S. Heating performance of a laboratory pilot-plant combining heat exchanger and air scrubber for animal houses / M. S. Krommweh, W. Büscher // Scientific reports. 2021. Vol. 11(1). P. 6872. doi:10.1038/s41598-021-86159-5.
14. Lindley J. A. Agricultural Buildings and Structures / J. A. Lindley, J. H. Whitaker // American Society of Agricultural Engineers. 1996.
15. Mardiana A. Review on physical and performance parameters of heat recovery systems for building applications / A. Mardiana, S. B. Rifat // Renew. Sustain. Energy Rev. 2013. Vol. 28. P. 174-190. doi:10.1016/j. rser.2013.07.016.
16. Mardiana-Idayu A. Review on heat recovery technologies for building applications / A. Mardiana-Idayu, S. B. Rifat // Renew. Sustain. Energy Rev. 2012. Vol. 16. P. 1241-1255. doi:10.1016/j.rser.2011.09.026.
17. Rösmann P. Einsatz von regenerativen Energiequellen zum Heizen und Kühlen von
zwangsbelüfeten Tierställen / P. Rösmann // Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn. 2012.
18. Rösmann P. In 10. Tagung Bau, Technik und Umwelt in der Llandwirtschaflichen Nutztierhaltung / P. Rösmann, W. Büscher, // Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaf. 2011. P. 280-285.
19. Rösmann P. Rating of an air-to-air heat exchanger in practice / P. Rösmann, W. Büscher // Landtechnik. 2010. Vol. 65. P. 418-420. doi:10.15150/lt.2010.538.
20. Technical Update, Understanding Heat Stress in Layers: Management Tips to Improve Hot Weather Flock Performance. 2015.
21. VDI 3803-5. Air-conditioning, system requirements. Part 5: Heat recovery systems (VDI Ventilation Code of Practice). VDI guidelines, 3803-5. Beuth Verlag. 2013.
22. Vitt R. Modelled performance of energy saving air treatment devices to mitigate heat stress for confined livestock buildings in Central Europe / R. Vitt, L. Weber, W. Zollitsch et al. // Biosyst Eng. 2017. Vol. 164. P. 85-97.
23. Winkel A. Emissions of particulate matter from animal houses in the Netherlands / A. Winkel, J. Mosquera, P. W. G. Groot Koerkamp et al. // Atmos. Environ. 2015. Vol. 111. P. 202-212. doi:10.1016/j. atmosenv.2015.03.047.
24. Yuanlong C. A comprehensive review on renewable and sustainable heating systems for poultry farming / C. Yuanlong, T. Elmer, G. Tugba et al. // International Journal of Low-Carbon Technologies. 2020. Vol. 15(1). P. 121-142.
25. Zwoll M. In 12. Tagung Bau, Technik und Umwelt in der Landwirtschaflichen Nutztierhaltung vom 8.-10. September 2015 in Freising (ed. KTBL) 462-467 (Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaf, 2015).
+JF ЧОУДПО «ИНСТИТУТ ВЕТЕРИНАРНОЙ БИОЛОГИИ»
г. Санкт-Петербург
Курсы повышения квалификации
• Ветеринарная эхокардиография (теория и практика)
• Лабораторная диагностика в ветеринарии
• Ветеринарная офтальмология
• Ветеринарная рентгенология, в т.ч. персонал группы А и ответственный за рентгенобезопасность
• Ультразвуковая диагностика в ветеринарии
• Ветеринарная фармация (для лицензирования ветеринарных аптек)
Предварительная регистрация обязательна! Справки по тел. (812) 612-13-34 или (812) 232-55-92 доб. 208 График проведения и информация на сайте: www.invetbio.spb.ru/seminars.html
Лицензия Комитета по образованию Санкт-Петербурга на осуществление образовательной деятельности по образовательным программам дополнительного профессионального образования № 1093 от 04.08.2014 г.
