Средства и система управления микроклиматом в животноводческих помещениях Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 631.22:628.8/.9-52

В.Г. Борулько, канд. техн. наук

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный аграрный университет — московская сельскохозяйственная академия им. К.А. Тимирязева»

СРЕДСТВА И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ МИКРОКЛИМАТОМ В ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ПОМЕЩЕНИЯХ

Важнейшим условием оптимизации микроклимата закрытых животноводческих помещений является его соответствие физиологическому состоянию животных. Физические и химические свойства воздушной среды — факторы непостоянные и подвержены большим колебаниям. Организм животного может приспосабливаться к этим изменениям, но лишь в определенных пределах. Физиологическое равновесие сохраняется до тех пор, пока действие внешних раздражителей не превышает приспособительных возможностей организма.

Длительное пребывание животных в помещениях, содержащих большие концентрации аммиака, сероводорода, ослабляет резистентность организма, способствует развитию заболеваний, понижает аппетит и вызывает слабость, неблагоприятно действует на воспроизводительную способность, приводит к ряду других нежелательных явлений. Нормализация температурновлажностного режима, снижение загрязненности воздуха и обеспечение других оптимальных показателей микроклимата благоприятно влияют на физиологию, продуктивность животных и снижают их заболевания.

Наиболее неблагоприятные климатические условия внутри молочных ферм создаются:

• за счет сквозняков, возникающих при неплотностях закрытия фрамуг, дверей, ступенчатого изменения параметров микроклимата при открывании ворот, дверей;

• при включении и отключении средств нормализации микроклимата (вентиляция, кондиционирование, отопление и др.);

• при экстремальных внешних климатических воздействиях.

До настоящего времени недостаточно изучены динамические изменения климатических условий в местах нахождения животных. Основная трудность исследований динамики этих условий состоит в несовершенстве методов и технических средств измерения параметров микроклимата: температуры, влажности, солнечного излучения, скорости потоков воздуха и др.

Создание средств нормализации микроклимата связано с большими материальными и энергетическими затратами.

Эта проблема может быть решена путем исследований микроклиматических условий в неустано-вившемся тепловлажностном режиме с применением современных средств электроники, микропроцессоров, микроЭВМ [3], поэтому создание средств нормализации микроклимата имеет важное народнохозяйственное значение.

Комфортный микроклимат достигается при условиях, обеспечивающих оптимальное тепловое состояние животного, характеризующееся отсутствием выраженного напряжения механизмов терморегуляции, комфортными общими и локальными теплоощущениями.

Систему «животное — ограждающая поверхность» можно рассматривать как замкнутый объем. Тепловой поток поступает от животного к ограждающим конструкциям.

В общем виде микроклимат М в помещении можно описать функцией множества параметров:

М = /

евн, Є у, Ф, Qж ,Жж, д, , а вн, ^ ,КП,

Рвн , Рнар, Q, бор, Сов , ^, ^ Рион , Рш > Рзпм , Руф , Км, хс, ^дм , 2к , (, V

(1)

где 9вн — температура в помещении, °С; 9н—температура наружного воздуха, °С; ф — относительная влажность воздуха, %; Qж — поступление теплоты от животных, кДж/ч; Жж — количество влаги, выделяемой животными, кг/ч; ^ — количество теплоты от внутренних источников — ламп и нагревательных приборов, Вт; V — скорость движения воздуха, м/с; Ж — общее количество удельной влаги, кг/ч; авн — коэффициент теплообмена через прозрачные и непрозрачные ограждения, Вт/град; F—суммарная площадь ограждений, м2; Vп — объем помещения, м3; pвн — давление внутреннего воздуха, Па; pн — давление наружного воздуха, Па; Q — теплопотери в помещении через ограждающие конструкции, кДж; Qср — теплопоступления от солнечного излучения, кДж; Сов — охлаждающая способность воздуха, °С; Rm — термическое сопротивление теплопередачи, К/Вт; L — освещенность, Лм/м2; Рион — плотность ионизации, ; Рш — уровень шума, дБ; Рзпм — запыленность воздуха и загрязненность его микроорганизмами, г/м3; Руф — ультрафиолетовое излучение, Вт; Км — поправочный коэффициент; ха, удм , гк, I, vс — показатели степени процесса.

Логические соотношения между приведенными параметрами могут быть представлены в виде

М = /(0уф) л (Ж V V) л (я V Q) л (Qcp V Рзш) X

х[(5ср V Удм V 1 а) л (Lпр V 1 а) л (V 2к )]. (2)

Для расчета теплового баланса в помещении необходимо знать количества теплоты, поступающие в здание (от животных, отопительных установок, а в летний период дополнительно от солнечного излучения), и расходуемые в нем (на нагрев воздуха и конструкций здания, на испарение влаги с поверхностей ограждающих конструкций и оборудования здания).

Тепловой баланс помещения имеет вид

п р

тк Дк = Х ь + Х я j + Яо + я + Я2, (3)

]=1 1=1

где тк — количество воздуха, подаваемого в животноводческое помещение в единицу времени, кг/с; Дг'к — изменение удельной теплоты воздуха, подаваемого кондиционером с расходом тк, при прохождении через внутренний объем животноводческого помещения, Дж/кг;

п

X — сумма тепловых потоков, поступающих в жи-

j=l

вотноводческое помещение от размещенного технологического оборудования, животных, Вт; п — число источников тепловыделений (технологического оборудования,

животных и т. д.); X qj — сумма тепловых потоков, по-1=1

ступающих в животноводческое помещение через непрозрачные и прозрачные ограждения, Вт; р — число элементов ограждений через которые поступает тепловая энергия солнца, почвы и т. д.; д0 — тепловые потоки, возникающие при испарении влаги, попадающей в животноводческое помещение (от животного, наружного воздуха, кондиционера и т. д.), Вт; д1 — тепловые потоки, возникающие при изменении химического состава воздуха (загазованности), Вт; д2 — тепловые потоки, возникающие при изменении биологических факторов и запыленности, Вт.

Животным необходим чистый воздух, близкий к атмосферному и состоящий из 72,13 % азота, 20,96 % кислорода, 0,88 % инертных газов, 0,03 % диоксида углерода (углекислого газа) и 0,1.. .4 % водяных паров.

Выдыхаемый животными воздух содержит около 18 % кислорода и до 4 % диоксида углерода, что приводит к резкому изменению газового состава воздуха в помещении.

Следует отметить, что в большинстве хозяйств микроклимат животноводческих помещений далек от нормативных параметров.

Загазованность помещения (суммарную концентрацию газов, мг/м3) можно рассчитать по формуле

X 8^ = (Мду + N + N. + N 0у)тк, (4)

1

где N — концентрация диоксида углерода, мг/м3; Nа — концентрация аммиака, мг/м3; N. — концентрация се-

роводорода, мг/м3; N — концентрация оксида углерода, мг/м3.

Суммарная концентрации пыли, мг/м3,

Х8^п =( ^пВ + ^пС + ^п + Nт )тк, (5)

где N — запыленность воздуха внутри животноводческого помещения, мг/м3; N — запыленность снаружи животноводческого помещения, мг/м3; N — концентрация пыли, проникающей в животноводческое помещение извне, мг/м3; ^ — концентрация технологической пыли, мг/м3.

Общая микробная осемененность воздуха, м2/м3,

Х8Ммз =(Ммф + М пм + Моп + Маэр ) тк, (6)

где Ммф — загрязнение атмосферы от экскриментов; Мпм — загрязнение атмосферы выделениями из подстилочного материала; Моп — накопление возбудителей инфекции на ограждающих поверхностях здания и технологическом оборудовании; Маэр — патогенное (аэрогенное) загрязнение (пылевое или капельное), попадающее в воздух при уборке здания.

Эффективность работы средств нормализации микроклимата существенно зависит от динамики тепловлажностного режима в животноводческом помещении.

Ввиду сложности проблемы, несовершенства методов исследований и неизученности тепловлажностных режимов при изменении различных воздействующих факторов до настоящего времени нет достаточного обоснования по расчету рациональных климатических параметров, обеспечивающих допустимые климатические условия внутри фермы. Как правило изменение климатических параметров (температуры, влажности, тепловых и скоростных потоков воздуха и др.) носят случайный и многофакторный характер.

Решением дифференциальное уравнение (3) при начальных условиях (£ = 0) получено выражение для расчета температуры воздуха, °С, внутри фермы:

0вн = К(Д0Н + 0НФ Лфн )(1 - е"ч (7)

ДРн -ДФн

где К = (тк + Дтк)С/я; т = СpV/q — постоянная времени установления температуры внутри фермы, с; С — теплоемкость воздуха, кДж/(кг • град.); я — суммарный тепловой поток через ограждения, Вт.

Для учебной фермы РГАУ МСХА (30 голов КРС) получены зависимости температуры воздуха внутри помещения при различных параметрах воздуха на выходе нормализатора (испарительного кондиционера) (рис. 1).

75

Рис. 1. Зависимости температуры воздуха на выходе нормализатора от влажности (р/рн = 1, ц = 780 Вт, С = 1,0 кДж/кг-град, 0нф = 1,5 °С):

-------экспериментальные;--------расчетные

ИП 5 6

10

Ч

9 - 18

* ■ * ,

11 12 I 13

14

£

15

16

17

19

20

Рис. 2. Структурная схема системы нормализации микроклимата (ИП — источник питания):

1 — компрессор; 2 — жидкостный насос; 3 — конденсатор; 4 — осушитель; 5 — кран; 6 — теплообменник; 7 — расширительный клапан;

8 — испаритель; 9 — вентилятор; 10 — микропроцессор;

11, 14,15,16 — датчики контроля температуры; 12,17,18 — датчики контроля влажности; 13 — датчик контроля расхода воздуха;

19, 20 — датчики измерения температуры и влажности окружающей среды

Как следует из выражения (7) постоянная температура воздуха внутри фермы (Д9вн = 0) при t ^ да должна обеспечиваться в соответствии с выражением

ДЄвн =

ен ЛФн

Дфн - Р / Рн

(8)

Температуру воздуха на выходе нормализатора Л0н можно изменять, корректируя влажность Лфн потока воздуха, поступающего через влажные фильтры.

Расчетные и экспериментальные зависимости температуры воздуха на выходе нормализатора Л0н от его влажности Лфн, рассчитанные на ЭВМ, показаны на рис. 1.

По разработанной автором методике исследованы также переходные процессы по другим параметрам микроклимата: влажности и скорости воздуха, тепловым потокам, солнечному излучению и др.

Анализ расчетных данных позволил установить рациональные параметры микроклимата в помещении при индивидуальном содержании животных и экспериментально определить требуемые параметры нормализатора при помощи автоматизированной модернизированной установки микроклимата «Микроклимат-3М» (рис. 2).

В животноводческом помещении микроклимат регулируется системой управления по разработанным автором программам и алгоритмам.

Воздухообмен в помещении описывается сложными функциональными зависимостями и достаточно полно рассмотрен автором в работах [1, 2].

Изучение воздухообмена и его влияния на микроклимат позволило определить критерии эффективности системы нормализации микроклимата и установить конструктивные, технологические параметры и режимы работы систем воздухообмена.

Установлено, что при относительном изменении скорости воздуха в помещении от 0,01 до 0,18 м/с и сечения воздушного потока от 0,05 до 0,18 мм2, воздухообмен изменяется в пределах от 0,1 до 0,99 кг/с от установленного значения. Экспериментальные данные, полученные на ферме РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, приближались к расчетным; отклонение от расчетных данных составило 5.11 %.

Список литературы

1. Борулько В.Г. Исследование параметров микроклимата в индивидуальных животноводческих помещениях // Механизация и электрификация сельского хозяйства. — 2007. — № 11. — С. 18, 19.

2. Борулько В.Г. Исследование переходных процессов системы воздухообмена для животноводческих помещений // Механизация и электрификация сельского хозяйства. — 2007. — № 10. — С. 19, 20.

3. Викторов А.И., Борулько В.Г. Автоматизированная установка нормализации микроклимата в животноводческих помещениях / Тезисы доклада на IX Международной научно-практической конференции «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве». — Углич: ВИМ, 2006.

2

8

1

3

4

7