CC BY
47
УДК 631.22:628.8
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА СРЕДЫ ОБИТАНИЯ ЖИВОТНЫХ НА ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ УПРАВЛЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЕМ СИСТЕМ МИКРОКЛИМАТА
Ю.А. Иванов, Н.Н. Новиков
Рассмотрены проблемы, связанные с обеспечением нормативного микроклимата в животноводческих помещениях: экономия энергозатрат в холодное время года, создание комфортных условий в зоне обитания животных в жаркий период, современные методы расчета параметров микроклимата помещений.
Ключевые слова: микроклимат, энергоэффективность, кондиционирование, животноводство.
По степени влияния на продуктивность животных микроклимат помещений уступает лишь влиянию породы и кормлению. Параметры микроклимата, которые рекомендуется поддерживать в помещениях, содержатся в соответствующих нормах технологического проектирования животноводческих ферм и должны выдерживаться вне зависимости от времени года, состояния погоды, других значимых факторов.
При этом существенное и все возрастающее значение имеет ресурсоем-кость, обеспечивающая поддержание заданных параметров микроклимата в помещениях. Прежде всего под ресурсоемкостью понимаются энергозатраты, составляющие более 90% всех затрат на микроклимат. В настоящее время на фермах доля энергии составляет до 4% в себестоимости продукции, причем на обеспечение микроклимата приходится 35-40% всех энергозатрат или около 1,6 млн т у.т. в год, поэтому снижению энергозатрат на рассматриваемый процесс постоянно уделяется большое внимание.
В холодное время года энергозатраты на микроклимат наиболее высоки вследствие необходимости обогревать помещения, в переходное (весна, осень)
- энергозатраты существенно меньше, т.к. в основном работает вентиляция, а также в некоторых случаях оборудование удаления избыточной теплоты, поступающей от животных.
На рис. 1 в качестве примера для количественной иллюстрации рассматриваемых ниже предложений представлен тепловой баланс типового животноводческого помещения (свинарника-откормочника на 1200 голов) в холодное время года. Для обеспечения нормативного микроклимата в нем - температуры
о
воздуха +16 С, относительной влажности 75-80% , других заданных параметров
- в помещение следует подавать 28 тыс. м /ч атмосферного воздуха.
^_^ о
При наружной температуре -28 С указанные параметры внутри помещения будут достигаться, если подаваемый воздух предварительно подогревать установками мощностью 175 тыс. ккал/ч.
Рис. 1. Тепловой баланс типового свинарника-
откормочника на 1200 голов в холодное
время года при воздухообмене 28 тыс.
м3/ч и температуре атмосферного воздуха -28°С
В этом случае на поддержание микроклимата в помещении (нагрев оборудования, конструкций, кормов и т.п.) расходуется около 20% тепловой энергии, более 40% теплоты рассеивается ограждениями, свыше 30% -уходит с отработавшим воздухом. Известные установки микроклимата «Агровент», «Аг-роклимат», УТ-Ф-12 и т.п. [1] специально разработаны для животноводства и позволяют при определенных условиях утилизировать теплоту отработавшего воздуха с коэффициентом эффективности утилизатора 0,4. В рассматриваемом случае при удалении в атмосферу отработавшего воздуха удавалось бы из него отобрать около 47000 ккал/ч тепловой энергии и сберегать до 27% энергии на первичный нагрев свежего воздуха.
Практическое применение на фермах оборудования микроклимата с утилизацией теплоты отработавшего воздуха сопровождалось происходившими обмерзаниями теплообменников, особенно при температурах наружного возду-
о
ха ниже -15 С, а также запылением теплообменных поверхностей, приводившим к снижению коэффициента эффективности утилизатора. В настоящее время такие установки не получили распространение на фермах.
Поэтому представляют определенный интерес дальнейшие исследования в области повышения энергоэффективности систем микроклимата, в частности тех, которые предусматривают утилизацию теплоты ограждений животноводческих помещений.
Рассмотрим интенсивности рассеивания теплоты ограждениями помещений (табл.1).
Таблица 1. Интенсивности рассеивания теплоты ограждениями животноводческих помещений в холодное время года
Наименование ограждения Доля теплопотерь, %
1. Продольные стены 25
2. Торцевые стены 10
3. Перекрытие 43
4. Пол 10
5. Прочие (окна, двери, ворота и т.п.) 12
Расчеты показывают, что утилизация теплоты, рассеиваемой стенами и кровлей помещений, позволит полезно использовать до 78% теплопотерь огра -ждений. Для рассматриваемого примера (рис.1), в котором теплопотери ограждений равняются 163700 ккал/ч, эта величина составит почти 89700 ккал/ч (163700x0,78). Таким образом, можно почти вдвое уменьшить мощность нагрева атмосферного вентиляционного воздуха. Следовательно, утилизация теплоты, рассеиваемой ограждениями животноводческих помещений, может дать эффект в 1,9 раза больший, чем утилизация теплоты отработавшего воздуха. К этому следует добавить, что при утилизации теплоты ограждений происходит нагрев холодного воздуха, что исключает обмерзание теплообменных поверхностей. Также в атмосферном воздухе по сравнению с воздухом помещений содержится гораздо меньше пыли, ухудшающей теплопередачу, и значит, теплообмен стен и воздуха будет происходить с большей интенсивностью.
Схемы систем микроклимата животноводческого помещения, в которых предусматривается утилизация теплоты, рассеиваемой ограждениями, представлены на рис.2.
а)
б)
Рис. 2. Схемы систем микроклимата с утилизацией теплоты, рассеиваемой ограждениями: а) для свинарников; б) для коровников
Схема 2а может применяться в свинарниках, обогреваемых телятниках и представляет собой систему микроклимата отрицательного давления. Разрежение в помещении создается вентиляторами вентиляционных башен. Свежий воздух поступает через пристенный канал в чердачное пространство помещения. Таким образом, утилизируется теплота стен, теплота чердачного пространства, а также многократно снижаются теплопотери кровли. Далее более холодный воздух оседает вниз через перфорированный потолок, догреваясь потолочными дельта-трубками отопления, равномерно вентилирует станки с животными. Затем воздух нагревается теплотой животных, одновременно насыщается выделяемыми газами, парами, поднимается вверх и через шахты удаляется.
В коровниках чердачного пространства нет, поэтому внутри помещения под покрытием могут размещаться потолочные короба, показанные на рис.2б. Воздух в эти потолочные короба поступает также, как и в схеме рис.2а, из пристенных коробов. Удаление отработавшего воздуха в этом случае из помещения происходит посредством светоаэрационного конька.
В переходное время года (весна, осень) особых проблем с обеспечением микроклимата в животноводческих помещениях не наблюдается, т.к. теплоты, поступающей от животных, достаточно для обогрева помещений, а производительности вентиляции хватает, чтобы удалять избытки теплоты, влаги, газов и паров. В связи с потеплением климата в настоящее время получает все больше значение проблема охлаждения помещений в жаркое время года. Считается наиболее рациональным применять для охлаждения воздушной среды животноводческих помещений испарительное охлаждение воздушной среды водой (рис.3), а также интенсивное перемешивание внутреннего воздуха.
Рис. 3. Схема системы микроклимата с испарительным охлаждением водой
На принципе испарительного охлаждения водой функционируют увлажняемая стена (рис.4), вентиляционная шахта Cool-X Германия, HIS Kunststofftechnik GMBH, рис.5), другие установки.
Увлажняемая стена состоит из панельных модулей испарительного охлаждения толщиной 10 или 15 см, обеспечивает максимальное охлаждение при достаточно низких затратах на оборудование и экономном потреблении электроэнергии. Комплект панельных модулей снабжается насосом, который подает воду на 12 м увлажняемой стены. Рекомендуемая скорость воздуха для стены толщиной 100 мм - 1,5 м/с, для стены толщиной 150 мм - 1,8 м/с.
Рис. 4. Увлажняемая стена животноводческого помещения
Вентиляционная шахта COOL-X (рис.5) содержит охладитель, имеющий форму куба размером стороны 1100.. .1300 мм. Внутри куба имеются многочисленные пластинки с гидрофильной поверхностью, общая площадь которых достигает 150.250 м .
Рис. 5. Вентиляционная шахта COOL-X с испарительным охладителем воздуха
В куб закачивается вода, которая орошает пластинки и равномерно покрывает всю их поверхность. Поступающий вентиляционный воздух проходит между пластинками, способствует испарению с них влаги. Пластинки сами охлаждаются и поглощают теплоту из воздуха. Перепад температур между поступающим и обработанным воздухом в такой шахте может достигать
о о
14 С при температуре воздуха снаружи +40 С и его относительной влажности 30.35%. Другая модификация оборудования испарительного охлаждения воздуха (комплект EXAFAN) состоит из насосного агрегата высокого давления (100 и более атмосфер), системы трубопроводов и форсунок (рис.6).
Имеется несколько модификаций насосного агрегата EXAFAN (табл. 2).
Таблица 2. Технические параметры ряда насосных агрегатов EXAFAN
Производительность насоса Двигатель Масса, кг
л/ч Давление, бар кВт В Об./мин
GP 660 T 660 40-50 2 220-380 1500 64
GP 900 T 900 40-50 4 22-380 1500 79
GP 1260 T 1260 40-50 4 220-380 1500 88
Функционирование такого оборудования на фермах Краснодарского края и Ростовской области позволило снижать температуру воздуха в животновод-
о
ческих помещениях на 7-8 С через 15 минут после включения системы увлажнения.
Рис. 6. Оборудование охлаждения воздушной среды животноводческих помещений EXAFAN путем мелкодисперсного распыления воды под высоким давлением
Интенсивное перемешивание внутреннего воздуха, создающее в жаркое время года в помещении прохладный бриз, производят вентиляторами типа DF1300 (рис.7, а), а также большими вентиляторами BIG-ASS-FAN (рис.7, б).
Рис. 7. Создание прохладного бриза в зоне нахождения животных: а) с помощью циркуляционного вентилятора типа DF1300 б) с помощью большого (горизонтально-поточного) вентилятора BIG-ASS-FAN
Техническая характеристика циркуляционных вентиляторов большой производительности представлена в табл. 3.
Таблица 3. Технические параметры вентиляторов большой производительности
Тип вентилятора Диаметр лопастей, м Частота вращения, -1 мин Производительность, тыс. м3 /ч Размер зоны вен-тилирова-ния, м Потребляемая мощность, кВт Масса, кг
BIG-ASS-FAN 0 7,86 7,86 42 418 50 1,51 149
BIG-ASS-FAN 0 6,10 6,1 47 297 40 1,2 132
BIG-ASS-FAN 0 4,27 4,3 71 190 35 1,11 100
DF1300 1,3 550 48,5 15 1,3 45
Выбор оборудования типа БХАБАК, перемешивающих вентиляторов для конкретного животноводческого помещения в заданных климатических и погодных условиях производится по специальной методике, разработанной ГНУ ВНИИМЖ [2].
Во ВНИИМЖе с помощью методики [2] разработан инновационный проект реконструкции системы микроклимата коровника на 348 молочных коров привязного содержания (рис.8). Вид коровника снаружи представлен на рис. 9(а), внутри - на рис. 9(б). На крыше коровника имеется 9 вытяжных шахт квадратного сечения с размером стороны 1,1м.
| |-| I I г I ! г-рт I '"1 ГГГТ-Г-г 1 Г I" I Г"1 —I г I I I . ! I М М П
Т"
пт'тлтщтт гу а 1)
П I I' I I !: ! Т~Г—г'| "Г 1 •• Гм*'
_ЕГ , . ■ . , а -и
ГгУ...... ■ т+"~
3
ГП~ГТ^ГТ^Т НИМ "Т -ТТТ1 ....... I I I ■ I 1 ! ■ I П N I г
т
t
ш>:> " -Иге | еам
1Г
■у
ж
Н
-I
- - - , .
■ ■ '
I " Направление ветра
Рис. 8. План и фасады коровника на 348 молочных коров, где намечена
реконструкция системы
а) б)
Рис. 9. Вид коровника на 348 коров привязного содержания со стороны северного фасада: а) снаружи; б) внутри
Расчетным путем установлено, что в месте расположения коровника при преобладающем направлении ветра с юга в теплое время года удельный воздухообмен в нем составляет около 29 м3/ч на ц живой массы, что почти в 2,5 раза ниже нормативного, а при безветрии он понижается до 12 м /ч на ц. Усиление ветра до 5,2 м/с приводит лишь к интенсивной продувке центральной части помещения. Ввиду того, что свежий воздух в этом режиме вентиляции в коровнике находится всего 3-4 минуты, он не успевает ассимилировать вредные газы и пары. Это приводит к тому, что в стойлах, особенно в зоне северного торца
о
здания, температура воздуха повышается на 7-8 С относительно уличной, а также увеличивается загазованность. Учитывая вышеуказанные особенности, предложено равномерно по продольной оси коровника под приемными горловинами вытяжных шахт разместить 4 вентилятора типа DF1300 с возможностью кругового вращения каждого со скоростью 0,5-1 об/мин в точке подвеса. Вентиляторы способны продуть помещение на расстояние до 15 м, поэтому в коровнике не будет застойных зон, а воздухообмен станет нормативным вне зависимости от погодных условий. Затраты на оборудование при этом не будут высокими, т.к. стоимость 1 вентилятора DF1300 составляет около 22 тыс. руб.
Для повышения теплозащитных свойств ограждений, оперативности регулирования воздухообмена при снижении трудоемкости предложено заменить существующее одинарное остекление коровника подъемными окнами из поликарбоната. Для этого потребуются 32 шестиметровые подъемные секции с соответствующим оборудованием, общая стоимость которого на здание составит 1032 тыс. руб. Реализация разработанного проекта позволит обеспечить в помещении нормативный воздухообмен во все периоды года, создать прохладный бриз в коровнике в жаркое время и исключить сезонное снижение продуктивности животных на 10-12%. Окупаемость проекта ожидается в течение 0,8 года.
Литература:
1. Мишуров Н.П., Кузьмина Т.Н. Энергосберегающее оборудование для обеспечения микроклимата в животноводческих помещениях. М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2004. 96с.
2. Новиков Н.Н. Моделирование и расчет систем микроклимата животноводческих помещений. М.: ФГУП «Типография Россельхозакадемии», 2013. 60с.
Иванов Юрий Анатольевич, доктор сельскохозяйственных наук, директор института Новиков Николай Николаевич, кандидат технических наук, зав. отделом ГНУ Всероссийский научно- исследовательский институт механизации животноводства E-mail: vniimzh@mail.ru
The problems connected with the regulation of microclimate livestock premises: save energy during the cold season, creat a comfortable condition in the animal habitats in the torrid period, modern methods of calculation the parameters of the indoor climate.
Keywords: climate, energy efficiency, air conditioning, animal breeding.
