СИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ПОМЕЩЕНИЙ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.359

Система автоматизации параметров воздушной среды животноводческих помещений

Леонид Николаевич Андреев, Борис Викторович Жеребцов

Государственный аграрный университет Северного Зауралья

Аннотация. Получение максимального количества животноводческой продукции высокого качества осложняется повышенной концентрацией животных на комплексах, уплотнённым их содержанием, приводящим к уменьшению объёма помещения в расчёте на одно животное. Это приводит к нарушениям условий содержания, выражающихся в ухудшении параметров микроклимата (определяют продуктивность мясного животноводства на 10 - 30 %), в частности, параметров воздушной среды, таких, как запылённость и загазованность воздуха. Системы вентиляции, применяемые в настоящий момент, обладают большими теплопотерями ввиду того, что энергозатарты на подогрев приточного воздуха могут достигать 60 % от всех энергозатрат предприятия. При этом вся тепловая энергия выбрасывается вместе с вытяжным загрязнённым вентиляционным воздухом в окружающую среду, что приводит не только к снижению энергоэффективности предприятия, но и повышает экологическую нагрузку на близлежащие территории. Исследование проведено с целью изучения системы автоматизированного регулирования параметров воздушной среды животноводческих помещений с регулируемым уровнем энергозатрат. Дана оценка влияния системы автоматизированного регулирования параметров воздушной среды на энергетическую эффективность производства продукции животноводства.

Ключевые слова: животноводческие помещения, воздушная среда, параметры, система автоматизации, энергозатраты.

Для цитирования: Андреев Л.Н., Жеребцов Б.В. Система автоматизации параметров воздушной среды животноводческих помещений // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 5 (91). С. 133 - 138.

Original article

Automation system for the parameters of the air environment of livestock premises

Leonid N. Andreev, Boris V. Zherebtsov

Northern Trans-Ural State Agricultural University

Abstract. Getting the maximum amount of high-quality livestock products is complicated by the increased concentration of animals in the complexes, compacted by their content, leading to a decrease in the volume of the premises per animal. This leads to violations of the conditions of detention, which are expressed in the deterioration of the microclimate parameters (they determine the productivity of beef cattle breeding by 10 - 30%), in particular, the parameters of the air environment, such as dustiness and air pollution. The ventilation systems used at the moment have large heat losses due to the fact that the energy costs for heating the supply air can reach 60 % of the total energy consumption of the enterprise. At the same time, all thermal energy is emitted together with the exhaust polluted ventilation air into the environment, which leads not only to a decrease in the energy efficiency of the enterprise, but also increases the environmental load on the nearby territories. The study was carried out with the aim of studying the system of automated regulation of the parameters of the air of livestock buildings with an adjustable level of energy consumption. An assessment of the impact of the system of automated regulation of air parameters on the energy efficiency of livestock production is given.

Keywords: livestock buildings, air environment, parameters, automation system, energy consumption.

For citation: Andreev L.N., Zherebtsov B.V. Automation system for the parameters of the air environment of livestock premises. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 91(5): 133 - 138. (In Russ.).

В России и в других странах мира продовольственная безопасность является одной из главных целей аграрной и экономической политики государства. Цель государства - обеспечение жителей страны доступными и качественными продуктами. К наиболее калорийным и питательным относятся продукты животного происхождения. Животноводство является одним из важнейших направлений аграрного сектора станы. Отечественное производство мяса и мясопродуктов полностью обеспечивает потребности постоянно развивающегося рынка. Государственные программы по поддержке сельского хозяйства, исключающие зависимость от импорта, позволяют повысить прирост продукции животноводства.

Развитие мясного животноводства представляет собой естественное, объективно обусловленное, экономически и социально выгодное и наиболее перспективное направление возрождения мясного комплекса России [1].

В работах Г.Н. Самарина, А.Г. Возмилова, П.А. Шеффа и др. обосновано положение, что одним из перспективных и эффективных способов создания оптимальных параметров воздушной среды является использование систем вентиляции с перераспределением воздушных потоков в режиме рециркуляции вентиляционного воздуха с его одновременной высокоэффективной очисткой и обеззараживанием. В работах А.Г. Возмилова, Л.Н. Андреева, Б.В. Жеребцова, А.А. Дмитриева

было обосновано использование двухступенчатого мокрого электрофильтра (ДМЭФ) для высокоэффективной очистки и обеззараживания рециркуляционного воздуха.

Система очистки рециркуляционного воздуха включает в себя энергоёмкое оборудование, такое, как вентиляторы, калориферы, газовые отопите-ли, сервоприводы, вентиляционные клапаны и др., энергопотребление которого, как правило, не зависит от поведения животных и их активности. Однако из этологии животных известно, что у всех живых организмов в течение суток можно наблюдать периодическое нарастание и убывание различных функций (например, чередование состояний активности и покоя) или же периодические изменения состояния отдельных органов и целых систем органов. Поэтому для повышения энергоэффективности системы очистки рециркуляционного воздуха встаёт вопрос о регулировании производительности системы в зависимости от активности животных с целью экономии электроэнергии, что достигается внедрением автоматизированных систем управления (АСУ), предназначенных для обеспечения оптимального технологического процесса, т.е. наиболее благоприятного, при котором будут достигнуты требуемые технологические параметры при заданных условиях [2].

В качестве предмета исследования рассматривались закономерности и режимы работы процесса регулирования параметров воздушной среды в животноводческих помещениях и взаимосвязь между отдельными составляющими системы автоматизированного регулирования параметров воздушной среды.

Цель исследования - анализ системы автоматизированного регулирования параметров воздушной среды животноводческих помещений с регулируемым уровнем энергозатрат.

Задача исследования - оценить влияние системы автоматизированного регулирования

параметров воздушной среды на энергетическую эффективность производства продукции животноводства.

Материал и методы. Исследование проводили с использованием известных положений теоретических основ электротехники, физики электрического разряда в газах, теплотехники, зоотехники, теории планирования эксперимента и технико-экономического анализа. Результаты обработаны с помощью MS Excel 2013.

Предложена система автоматизированного регулирования параметров воздушной среды, обоснованы режимы её работы. Разработаны практические рекомендации по использованию системы автоматизированного регулирования параметров воздушной среды животноводческих помещений с регулируемым уровнем энергозатрат, которые используются в технологическом процессе выращивания поросят на откорме свинокомплексом ООО «Согласие» (с. Новая Заимка, Заводоуковский р-н, Тюменская область) [3, 4].

Результаты исследования. Система автоматизированного регулирования параметров воздушной среды принята и используется свинокомплексом ООО «Согласие» в технологическом процессе выращивания поросят-отъёмышей (пат. на полезную модель N° 142385 РФ «Ресурсосберегающая система автоматического регулирования параметров микроклимата в животноводческих помещениях»).

Одним из перспективных путей повышения энергоэффективности систем вентиляции животноводческих помещений является использование различных режимов их работы, связанных с перераспределением воздушных потоков в режимах прямой циркуляции, рециркуляции, частичной рециркуляции. Рассмотрены особенности режимов рециркуляции вентиляционного воздуха. Режим работы системы вентиляции по схеме частичной рециркуляции представлен на рисунке 1.

Рис. 1 - Схема частичной рециркуляции воздуха:

Сшшь - концентрация пыли; С^щ - концентрация аммиака; CH2S - концентрация сероводорода

134

Для очистки и рециркуляции воздуха целесообразно применение двухступенчатого мокрого электрофильтра (ДМЭФ). В этом случае эффективность очистки воздуха от пылевых и аэрозольных частиц достигает 95%, от аммиака - 84 %, от сероводорода - 50 %. При этом выявлена связь между изменениями текущей генерации вредностей внутри животноводческого помещения и периодами активности (неактивности) животных, которые в свою очередь связаны с экзогенными влияниями природы. Оптимальные значения концентрации пыли и вредных газов для сельскохозяйственных животных, обеспечивающие нормальную жизнедеятельность без снижения производственных показателей, проанализированы в ранее опубликованной работе [5].

Повышение энергоэффективности указанных систем происходит за счёт снижения энергопотребления, чего можно добиться благодаря внедрению элементов автоматизации в систему управления параметрами воздушной среды. Обзор существующих отечественных и импортных автоматизированных систем регулирования параметров воздушной среды в животноводческих помещениях и анализ их характеристик показал, что такие системы дорогостоящие или обладают недостаточным функционалом. Поэтому возникла необходимость разработки и внедрения системы автоматизированного регулирования параметров воздушной среды животноводческого помещения, которая приведёт к повышению энергоэффективности производ-

ства животноводческой продукции, улучшению условий содержания животных и повышению производственной культуры [6].

Для теоретического обоснования процесса контроля и поддержания на заданном уровне концентрации вредных веществ внутри животноводческого помещения в режиме частичной рециркуляции воздуха на основании уравнения материального баланса (1) была составлена структурная блок-схема (рис. 2).

dФв = dФв1 + dФв2 - dф,

Кв3'

(1)

где dфв - изменение количества 1-й вреднодей-ствующей компоненты в воздушной среде помещения;

dфвl - количество 1-й вреднодействующей компоненты, поступающее в помещение,

dФв1 = dФв7(1 - П) = ^Фв6 + dФв3 - dФв5 )(1 - П);

dфв2 - количество 1-й вреднодействующей компоненты, выделяемое внутри помещения; dфвз - количество 1-й вреднодействующей компоненты, удаляемое из помещения с вытяжным воздухом;

dфв5 - количество 1-й вреднодействующей компоненты, выбрасываемое наружу; dфв6 - количество 1-й вреднодействующей компоненты, поступающее снаружи; dфв7 - количество 1-й вреднодействующей компоненты, поступающее из помещения и снаружи;

П - эффективность очистки воздуха от 1-й вреднодействующей компоненты воздушной среды в рециркуляционном фильтре.

d(pm

dcpBô

dpB5

Рис. 2 - Структурная блок-схема системы автоматизированного регулирования параметров воздушной среды:

1 - помещение, камера и т.п. с объёмом V; 2 - электрофильтр; Xi - удельное выделение i-й вреднодействующей компоненты в воздушную среду замкнутого объёма; Qi - количество воздуха, поступающего в систему снаружи и удаляемого наружу; Q4 - количество воздуха, поступающего в замкнутый объём и удаляемого из замкнутого объёма; СД Ci - соответственно начальная и текущая концентрация i-й вреднодействующей компоненты воздушной среды замкнутого объёма; Q1, СД Ci3 - концентрация i-й вреднодействующей компоненты соответственно в наружном, поступающем в фильтр и удаляемом из фильтра воздухе; БУ -блок управления; Д1 - датчик NH3; Д2 - датчик H2S; Д3 - датчик запылённости

2

(3)

При работе системы одновременно в режиме обычной и внутренней рециркуляции для составляющих й?фв; ^фв5; ^фв2; ^фвз; ^фвб можно записать:

d фв = VdCi d фв6 = C]VN (1 -a)dt d фв2 = XVdt \ (2)

d фв5 = CVN (1 -a)dt d фв3 = CVNdt

C = e( N (1-П)-N(1-a)(1-n)-N )tC + Ci~e C0

+e(N(1-П)-N(1-a)(1-r|)-N)t x

x C)N (1 -a)(1 -n) + Xt (N(1 - n) - N(1 - a)(1 - n) - N)

- C)N (1 -a)(1 -n) + X, (N(1 - n) - N(1 - a)(1 - n) - N).

Полученное уравнение (3) представляет собой теоретическую модель контроля и поддержания концентрации вреднодействующих веществ, позволяющую определить значение текущей концентрации i-й вреднодействующей компоненты в замкнутом объёме помещения от времени, в зависимости от кратности воздухообмена N, коэффициента рециркуляции а, эффективности очистки ДМЭФ от i-й вреднодействующей компоненты п, генерации i-й вреднодействующей компоненты внутри помещения Xi и от концентрации i-й вреднодействующей компоненты в приточном воздухе C,1. Управляемыми параметрами являются эффективность очистки п и кратность воздухообмена N [7].

Для апробации теоретической модели контроля и поддержания концентрации вред-нодействующих веществ был смоделирован процесс изменения текущей концентрации i-й вреднодействующей компоненты для реального животноводческого помещения. Проектирование модели рассмотрено на примере типового свинарника-откормочника на 550 гол. Были учтены предельно допустимые концентрации аммиака - 20 мг/ м3; сероводорода - 10 мг / м3; пыли - 6 мг/м3, оптимальные концентрации аммиака - 10 ± 1 мг /м3; сероводорода - 5 ± 0,5 мг / м3; пыли - 5 ± 0,5 мг / м3, возраст животных, нормы свежего воздуха по зоогигиеническим требованиям на центнер живой массы (35 м3/ч/ц), нормы площади (0,4 м2 / гол), удельное выделение сероводорода Х = 11,5 мг/(ч-м3); аммиака -Х = 35,2 мг/(ч-м3); пыли - Х = 20,6 мг/ (ч-м3), коэффициент рециркуляции а = 0,87.

Оптимальными называются значения концентрации пыли и вредных газов, при длительном и систематическом воздействии которых у содержащихся в помещении животных не возникает

отклонений в состоянии здоровья и не изменяются показатели продуктивности. Предельно допустимые концентрации (ПДК) - это концентрации пыли и вредных газов в окружающей среде помещения, которые при повседневном влиянии в течение длительного времени на организм животного не вызывают повреждений или нарушений состояния здоровья, но могут приводить к возникновению общих и локальных ощущений дискомфорта, ухудшению самочувствия и понижению продуктивности. Необходимая кратность воздухообмена в животноводческом помещении, обусловленная зоогигиеническими требованиями и для реального помещения, исходя из норм свежего воздуха, составляет N = 3,8. При этом, учитывая, что мощность электрофильтра составляет 223 Вт, а мощность электродвигателя вентилятора - 22 кВт, очевидно, что максимального эффекта с точки зрения энергосбережения можно достичь при регулировании энергопотребления электродвигателем вентилятора, т.е. изменением кратности воздухообмена, минимальное значение которого ограничено зоотехническими требованиями [8].

Использовав выражение (3), смоделирован процесс изменения концентрации сероводорода в зависимости от времени при изменении кратности воздухообмена (рис. 3).

На графике (рис. 3) видно, что при эффективности очистки п = 0,5 и кратности воздухообмена N= 3,8 концентрация по сероводороду находится в пределах оптимальных значений. Таким образом, для данного животноводческого помещения кратности воздухообмена N = 3,8 будет достаточно для поддержания концентрации сероводорода в оптимальных пределах [9, 10].

Смоделирован процесс изменения концентрации аммиака (рис. 4) и процесс изменения концентрации пыли (рис. 5).

На графике (рис. 4) видно, что для данного животноводческого помещения кратности воздухообмена N = 3,8 будет достаточно для поддержания концентрации аммиака в оптимальных пределах.

На графике (рис. 5) видно, что для данного животноводческого помещения кратности воздухообмена N = 3,8 будет достаточно для поддержания концентрации пыли в оптимальных пределах.

Для управления системы вентиляции на основе ДМЭФ разработана система автоматизированного регулирования параметров воздушной среды

Вывод. Проведённые лабораторные испытания показали, что при работе без системы автоматизированного регулирования параметров воздушной среды концентрация вредностей в экспериментальной ёмкости падает ниже оптимального уровня и достигает нулевых значений, что приводит к повышению энергопотребления системы очистки вентиляционного воздуха; при

13 12

<j 10

к s

x

01 J X

о

10

12

C = /(f); n - const (0,5); N - var (2; 3,8; 5) Рис. 3 - Динамика изменения концентрации сероводорода

25

к s J

20

х

Ol

J X

о

15

10

10

12

С = /(f); n - const (0,84); N - var (2; 3,8; 5) Рис. 4 - Динамика изменения концентрации аммиака

* 15 S

10

sir

5

о

N =2

/ П ДК

/

/

N =3,8

II

г Оптимал ьные знс эчения N =5

г

14 16

Время t, час

N = 2

ПД

г К

[

1

1

/ — N = 3

Г

значения N= 5

14 16

Время t, час

N=2 ПДК

0

10

12

N=3,8 N=5

14 16

Время t, час

С = /(f); n - const (0,95); N - var (2; 3,8; 5) Рис. 5 - Динамика изменения концентрации пыли

работе с системой автоматизированного регулирования параметров воздушной среды концентрация вредностей снижается до оптимальных значений и за счёт снижения интенсивности очистки поддерживается в пределах оптимальных значений, что приводит к снижению энергопотребления системы очистки вентиляционного воздуха до 50 % [11].

Для дезинфекции животноводческих помещений в периоды санитарных перерывов возможна работа системы вентиляции в режиме полной рециркуляции воздуха с максимальной кратностью воздухообмена и максимальной генерацией озона. В этот период животные в помещении будут отсутствовать. Управление процессом также будет осуществляться системой автоматизированного

8

6

4

2

0

0

2

6

8

4

5

0

0

2

4

6

8

0

2

4

6

8

регулирования параметров воздушной среды. Для этого необходимо разработать новый алгоритм работы системы, в котором будет учтён новый режим.

Литература

1. Повышение продуктивности и энергоэффективности животноводческих предприятий за счёт использования системы рециркуляции вентиляционного воздуха с его очисткой и обеззараживанием / В.В. Юркин, В.В. Волков, Б.В. Жеребцов [и др.] // Вестник Государственного аграрного университета Северного Зауралья. 2013. № 2 (21). С. 87 - 91.

2. Пейль А.К., Жеребцов Б.В., Шахов В.А. Применение солнечного концентратора для получения тепловой и электрической энергии в условиях климата города Тюмени // Современные научно-практические решения в АПК: сб. ст. II Всерос. (национал.) науч.-практич. конф. / Государственный аграрный университет Северного Зауралья. Тюмень, 2018. С. 317 - 320.

3. Андреев Л.Н., Юркин В.В., Басуматорова Е.А. Эффективность применения систем частичной рециркуляции воздуха в свиноводческих помещениях // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2020. № 5 (85). С. 140 - 144.

4. Андреев Л.Н., Юркин В.В. Результаты производственных испытаний системы регулирования параметров воздушной среды помещения для содержания поросят на откорме // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2019. № 4 (78). С. 134 - 137.

5. Андреев Л.Н., Басуматорова Е.А. Мониторинг состояния воздушной среды вблизи крупных животноводческих комплексов Тюменской области // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2020. № 5 (85). С. 179 - 181.

6. Ашихмин А.А., Андреев Л.Н., Суринский Д.О. Влияния электроотпугивателя птиц на энергетическую эффективность производства продукции растениеводства Тюменской области // Современные научно-практические решения в АПК: сб. ст. II Всерос. (национал.) науч.-практич. конф. / Государственный аграрный университет Северного Зауралья. Тюмень, 2018. С. 290 -294.

7. Андреев Л.Н., Басуматорова Е.А. Особенности конструкций электрофильтра-озонатора в АПК // Молодёжь и инновации: матер. XV Всерос. науч.-практич. конф. молодых учёных, аспирантов и студентов. Чебоксары, 2019. С. 279 - 283.

8. Возмилов А.Г. Электроочистка и электрообеззараживание воздуха в промышленном животноводстве и птицеводстве: дис. ... д-ра техн. наук. Челябинск: ЧИМЭСХ, 1993. 337 с.

9. Метод определения весовой концентрации аэрозолей с помощью фильтра АФА-В-18. М.: Всесоюзное объединение «Изотоп», 1968. 6 с.

10. Методика определения эффективности систем очистки воздуха от микроорганизмов / В.Н. Мишагин, Л.Н. Андреев, И.Е. Сыромятов [и др.] // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2008. № 5. 39 - 40 с.

11. Андреев Л.Н., Юркин В.В. Разработка системы удаления вредностей из воздушной среды животноводческих помещений // Инновации в сельском хозяйстве. 2019. № 4 (33). С. 223 - 231.

Леонид Николаевич Андреев, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья». Россия, 625000, Тюменская область, г. Тюмень, ул. Республики, 7, andreevln@gausz.ru

Борис Викторович Жеребцов, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья». Россия, 625000, Тюменская область, г. Тюмень, ул. Республики, 7, mosyn@rambler.ru

Leonid N. Andreev, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Northern Trans-Ural State Agricultural University. 7, Republic St., Tyumen, 625000, Russia, andreevln@gausz.ru

Boris V. Zherebtsov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Northern Trans-Ural State Agricultural University. 7, Republic St., Tyumen, 625000, Russia, mosyn@rambler.ru

-Ф-

Научная статья УДК 681.5

Тестирование разработанной модели системы управления теплонасосной установкой

Анатолий Сергеевич Кизуров

Государственный аграрный университет Северного Зауралья

Аннотация. Для обеспечения надёжности работы автоматических и автоматизированных схем управления, построенных на базе программных логических реле, микроконтроллерной и микропроцессорной техники, разрабатываемое программное обеспечение, под управлением которого осуществляется функционирование схемы управления, необходимо тестировать на этапе разработки для обеспечения возможности своевременного исключения ошибок работы. В качестве примера необходимости тестирования программного обеспечения представлена разработанная модель системы автоматического управления теплонасосной установкой. Рассмотрена актуальность автоматизации технологического процесса управления теплонасо-сной установкой, подтверждённая наличием узкоспециализированных контроллеров управления. На основе анализа выпускаемых промышленностью схем управления и на основании требований к технологическому процессу сформулированы требования к автоматизации процесса управления теплоасосной установкой. На основании требований разработаны мнемосхема, электрическая принципиальная схема и модель управления