Системы микроклимата для зимнего мясного животноводства

Параметры воздуха в зоне нахождения животных оказывают значительное влияние на их продуктивность и расход кормов [1, 3]. В работе [1] приведен график о зависимости продуктивности животных и расхода ими кормов от температуры воздуха в зоне их обитания, представленный нами на рис. 1. Из графика на рис. 1 следует, что для мясного животноводства высокая продуктивность животных по увеличении массы наблюдается в диапазоне температур воздуха от t_в = 10 °С до 26 °С. Такие оптимальные для животных температуры невозможно достигнуть при их содержании на открытом воздухе при отрицательных температурах t_нх ≤ 0 °C. В зимние месяцы температуру 1в для достижения эффективного привеса необходимо поддерживать от 10 до 20 °C. Относительная влажность воздуха в зоне обитания животных может изменяться от φ_в = 30 % до 70 % [1].

От животных в воздух поступает тепло, влага и газы. Нормирование их выделений производится в зависимости от массы животных. В приложении в [1] приведена таблица выделений тепла, влаги и СО₂ от животных и птиц. Допустим, в помещении зимой могут содержаться на откорме бычки массой от 130 до 350 кг. От животного при массе 130 кг выделяется явного тепла q_т.пр.я = 269 Вт·ч на одну голову одного животного, влаги W_вл = 170 г/ч на голову и вредного газа q_CO2 = 53 л/ч на голову. При массе 350 кг эти величины составят: явного тепла q_т.пр.я = 552 Вт·ч, влаги W_m = 344 г/ч и вредного газа q_CO2 = 107 л/ч на голову одного животного.

В зимние месяцы часть поступающего от животных в воздух помещения явного тепла расходуется на компенсацию теплопотерь через наружные строительные ограждения. Строительство помещений для содержания животных рационально осуществлять с использованием современных теплоизолированных панелей, которые с 2000-х годов массово изготавливаются на строительных комбинатах. Эти строительные конструкции отвечают требованиям СНиП о теплозащите зданий [2]. Теплопотери через строительные конструкции вычисляются по обычной методике:

Поверхности ограждающих строительных конструкций F_огр [м²] примем условными величинами на содержание в помещении одного животного в модуле площади пола размером: 1 м х 4 м = 4 м². В удельном модуле площадь наружной стены высотой 3 м: F_ст = 1 м х 3 м = 3 м². Удельная площадь кровли длиной 6 м: F_кр = 1 м х 6 м = 6 м². Удельная поверхность пола 4 м².

В помещениях содержания животных и птиц в нашей стране продолжают применяться схемы смесительной вентиляции: приточный воздух подается сверху; вытяжка осуществляется снизу или сверху

Температуру воздуха по высоте стены примем t_вx.ст = 16 °C, термическое сопротивление R_ст = 3,2 (м²·°С)/Вт, и теплопотери по формуле (1) составят:

q_{т.пот.ст} = 3 х (16 + 26)/3,2 = 39 Вт·ч.

Теплопотери под перекрытием при температуре воздуха 23 °С и величине R_пер = 4,4 (м²·°С)/Вт:

q_{т.пот.кр} = 6 х (23 + 26)/4,4 = 67 Вт·ч.

Теплопотери через пол при термическом сопротивлении пола, составляющем величину R_пол = 6,6 (м²·°С)/Вт:

q_{т.пот.пол} = 6 х (10 + 26)/6,6 = 33 Вт·ч.

Общие удельные теплопотери через наружные ограждения:

Σq_т.пот = 39 + 67 + 33 = 139 Вт·ч на голову одного животного.

При создании энергосберегающей и эффективной системы микроклимата решающее значение имеет выбор схемы организации воздухообмена [6].

В помещениях содержания животных и птиц в нашей стране продолжают применяться схемы смесительной вентиляции: приточный воздух подается сверху; вытяжка осуществляется снизу или сверху. Навстречу приточному воздуху от животных поднимаются вверх конвективные потоки тепла, водяных паров и вредных газов. Приточный воздух смешивается с конвективными потоками вредностей и возвращает их в зону обитания животных. Поэтому, параметры вытяжного воздуха будут равны параметрам воздуха в зоне обитания.

При вытеснительной вентиляции приготовленный приточный воздух поступает в зону обитания и выдавливает под потолок потоки вредностей. Параметры вытяжного воздуха, удаляемого под потолком помещения, значительно выше, чем в зоне обитания. К сожалению, нет данных по применению схем вытесняющей вентиляции в помещениях содержания животных.

За последние годы схема вытесняющей вентиляции получила значительное применение в западных странах при строительстве различных по назначению зданий. В нашей стране реализованы схемы вытесняющей вентиляции в общественных зданиях: например, при реконструкции Большого театра в Москве или же во вновь построенной национальной картинной галереи в городе Йошкар-Ола (столице Республики Марий Эл) и др.

В работе [6] подробно рассмотрена методика расчета параметров воздуха при организации воздухообмена по схеме вытесняющей вентиляции.

По результатам испытаний установлено, что выделяющиеся водяные пары, газы и явное тепло на 30—40 % поглощается приточным воздухом в зоне обитания, а 60-50 % выделений воспринимается вытяжным воздухом по высоте

Изменение параметров воздуха по высоте помещения оценивается следующими показателями:

по температуре:

по влагосодержанию:

по удалению СО2:

где t_у, d_у, CO_2у — температура, влагосодержание и содержание СО₂ удаляемого вытяжного воздуха; t_в, d_в, СO_2в — температура, влагосодержание и содержание СО₂ воздуха в зоне обитания; t_п, d_п, СO_2п — температура, в лаго содержание и содержание СО₂ приточного воздуха.

В работе [6] приведен график зависимости показателя K_Lt от отношения количеств явных теплоизбытков, воспринимаемых в зоне обитания, к общим теплоизбыткам.

По результатам испытаний систем вытесняющей вентиляции в театрах, на зрительных трибунах спортивных комплексах установлено, что выделяющиеся от зрителей водяные пары, газы и явное тепло на 30-40 % поглощается приточным воздухом в зоне обитания людей, а 60-50 % выделений воспринимается вытяжным воздухом по высоте, и под потолком собирается вытяжной воздух с параметрами t_у и d_у Используем эти данные для расчета параметров воздуха в системе микроклимата помещения содержания животного на откорме в холодный период года.

Проведем вычисление определяющих параметров вредностей в зависимости от массы животного и минимально допустимого расхода приточного наружного воздуха для удаления определяющей вредности. В качестве определяющей вредности рассматриваем выделение СО₂, который содержится в приточном наружном воздухе в количестве 0,2 л/м³, а под потолком помещения вытяжной воздух содержит СО₂ в количестве 3 л/м³. От животного массой 130 кг за час выделяется СО₂ в количестве q_CO2 = 53 л/ч на одну голову [1]. Вычисляем необходимый расход приточного наружного воздуха l_пн [м³/ч на голову] для восприятия вытяжным воздухом в количестве l_пн = l_у выделений СО₂:

l_пн = 107/(3 - 0,2) = 39 м³/ч на голову.

Для животного массой 350 кг выделения СО₂ составляет 107 л/ч на голову [1]. Требуемое количество приточного наружного и вытесненного воздуха:

l_пн = 107/(3 - 0,2) = 39 м³/ч на голову.

При создании энергосберегающей системы микроклимата необходимо ограничивать расход приточного наружного воздуха минимально-допустимыми значениями, которые определяются по основной удаляемой вредности. Принимаем выделения СO₂ от животных как основную вредность и оцениваем достигаемые параметры воздуха в зоне обитания животных по температуре и влажности. Вычисляем параметры вытесняемого воздуха для условий поглощения расчетных тепло- и влаговыделений при использовании минимальных расходов.

Расчет проводим для холодного периода года в климате Брянской области, где по новому климатическому СНиП [4] расчетные параметры наружного воздуха: t_Нх = -26 °C; φ_Нх = 85 %; d_Нх = 0,4 г/кг. Принимаем, что l_ПН.мПН в приточном агрегате нагревается до t_ПН = 0° и d_ПН = 0,4 г/кг. Температура вытяжного воздуха вычисляется по формуле:

где q_т.пр.у — притоки явного тепла от животного, подлежащего удалению с вытяжным воздухом, Вт·ч.

Выше изложены расчетные удельные теплопотери через наружные ограничения на условную занимаемую площадь в помещении одним животным. Суммарные удельные теплопотери через наружные ограждения по расчету равны Σq_т.пот = 139 Вт·ч.

Для животного массой q_ж = 130 кг для удаления вытяжным воздухом остается явного тепла:

q_т.пр.у = q_т.пр – Σq_т.пот = 269 - 139 = 130 Вт·ч.

По формуле (5) вычисляем:

Вычисление влагосодержания вытяжного воздуха производится по формуле:

Для животного массой q_ж = 130 кг количество выделяемой влаги W_вл = 170 г/ч. По формуле (6) получим:

d_y = 0,4 + 170/(19 х 1,25) = 7,6 г/кг.

При схеме вытеснительной вентиляции от одного приточного достигается равномерность распределения по площади обитаемой зоны в помещении подаваемого от напольных воздухораспределителей приточного воздуха

На рис. 2 представлено построение на i-d-диаграмме влажного воздуха расчетного режима работы системы микроклимата в помещении содержания бычков массой 130 кг. Приточный наружный воздух нагревается до параметров т. ПН: t_ПН = 0 °С, d_Hx = 0,4 г/кг. В зону обитания животных приточный воздух подается через оригинальный отечественный эжекционный воздухораспределитель (модель ВЭ-800), разработанный и производимый компанией «Альтернатив а» [5]. Через щелевое отверстие в корпусе воздухораспределителя со скоростью V_ПН = 6,5 м/с выходит l_ПН = 800 м³/ч и через верхнее фасадное отверстие эжектирует внутренний воздух в количестве l_в.э = 800 м³/ч. В корпусе ВЭ оба потока смешиваются и образуют приточный воздух в количестве:

l_п = 800 + 800 = 1600 м³/ч.

Приточный воздух l_п = 1600 м³/ч при параметрах смеси поступает в зону обитания животных:

• температура смеси приточного воздуха вычисляется по формуле:

t_п = t_ПН + t_в.э/2, °С; (7)

• влагосодержание смеси приточного воздуха вычисляется по формуле:

d_п = d_пн + d_в.э /2, г/кг. (8)

Температуру t_в.э и влагосодержание d_в.э эжектируемого в агрегат ВЭ-800 воздуха принимаем равными t_в = t_в.э и d_в = d_в.э, соответственно. Нахождение параметров воздух в зоне обитания t_в и d_в проводим по формулам:

t_в = 0,5 х (t_y - t_пн), °С, (9)

d_в = 0,5 х (d_y - d_nH), г/кг. (10)

Для содержания животного массой q_ж = 130 кг по формулам (9) и (10) вычисляем величины t_вх и d_вх:

t_вх = 0,5 х (20,5 - 0) = 10,3 °С,

d_вх = 0,5 х (7,6 - 0,4) = 3,6 г/кг.

На i-d-диаграмме рис. 2 в месте пересечения линий изотермы t_в = 10,3 °С и влагосодержания d_в = 3,6 г/кг получим т. В с φ_в = 45 %, что отвечает рекомендуемым рациональным параметрам воздух в животноводческих помещениях [1]. По формулам (7) и (8) вычислим параметры смеси приточного воздуха:

t_п = 0,5 х (0 + 10,3) = 5,2 °С и

d_п = 0,5 х (0,4 + 3,6) = 2 г/кг.

На прямой ПН-В рис. 2 в месте пересечения с изотермой 5,2 °С находим параметры т. П приточного воздуха в зону обитания животных.

Для подогрева приточного наружного воздуха до t_ПH = 0 °C с t_Нх = -26 °С в качестве первой ступени нагрева используем установку утилизации (УУ) теплоты вытесняемого выбросного воздуха (т. Ух) который имеет энтальпию l_ух = 39,7 кДж/кг.

В работе [6] проведен подробный анализ преимуществ применения для климата большинства районов России для утилизации теплоты вытяжного воздуха на нагрев холодного приточного воздуха, с низкими отрицательными температурами [4], установки утилизации (УУ) с насосной циркуляцией антифриза. В вытяжном агрегате после фильтра устанавливается отечественный теплообменник из биметаллических трубок с накатным алюминиевым оребрением на стальную трубу диаметром 20 мм.

В приточном агрегате устанавливается аналогичный теплообменник. Теплообменники соединены трубопроводами со смонтированным на них насосом циркуляции антифриза. Для предохранения от замерзания конденсата, выпадающего при охлаждении и осушении удаляемого воздуха, принимаем его конечную температуру охлаждения не ниже (t_у2 = +2 °С (т. У2 на рис. 2).

Параметры вытяжного воздуха после теплоизвлекающего теплообменника УУ: t_у2 = 2 °C, У_у2 = 93 %, д_у2 = 13 кДж/кг, а также d_y2 = 4,2 г/кг.

Вычисляем количество извлеченного в УУ из вытяжного воздуха полного тепла, которое составит:

Извлеченное тепло вытяжного воздуха пойдет на нагрев антифриза в трубках теплообменника с (t_аф1 = -4 °С до (t_аф2 = +2 °С. С температурой (t_аф2 = +2 °С отепленный антифриз насосом подается в трубки тепло отдающего теплообменника УУ в приточном агрегате и температура наружного приточного воздуха примет значение:

В догревающем предохранительном электрокалорифере приточного агрегата приточный наружный воздух догреется до t_ПНх = 0°, что потребует затраты электроэнергии:

N_эл.ПН = L_ПНρ_ПНс_р(t_ПН– t_Н2)3,6 = 800 х 1,3 х 1 х (0 + 1) х 3,6 = 290 Вт·ч.

Энергосберегающая система микроклимата в помещениях содержания животных проектируется с применением воздухораспределителей ВЭ-800, которые монтируются на полу у наружных стен. Над каждым агрегатом ВЭ-800 в отверстии в наружной стене и в правый приточный тракт агрегата забирается наружный воздух в количестве L_ПH = 800 м³/ч, а в левый тракт агрегата забирается вытяжной воздух, засасываемый из верхней зоны помещения при высокой температуре, влажности и загазованности в количестве L_y = 800 м³/ч. В приточном и вытяжном трактах смонтированы теплообменники системы УУ Приточный канал соединяется вертикальным коротким воздуховодом с воздухораспределителем ВЭ-800.

Благодаря приближению агрегатов АПВУ-800 к воздухораспределителям ВЭ-800 отпадает необходимость в сооружении протяженных приточных воздуховодов. Это обеспечивает снижение расхода электроэнергии на работу приточных и вытяжных агрегатов по сравнению с традиционными центральными приточными и вытяжными системами [1].

Если при откорме число животных за зимний период их содержания в помещении постоянно за время их зимнего откорма масса животных возрастает, то и производительность приточных и вытяжных систем должна меняться. Расчетная производительность выбирается режим работы при наибольшей массе, достигаемой при зимнем откорме животного при содержании животных в помещении. Для рассматриваемого помещения масса животных за период зимнего содержания может применяться с 130 до 350 кг на одну голову.

Проведем расчет режимов работы системы микроклимата при g_ж = 350 кг. На одного животного выше вычислена зоо-санитарная норма приточного наружного воздуха в l_ПН.мПН = 39 м³/ч.

От одного агрегата ВЭ-800 обеспечивается подача нормы l_ПН.мПН = 39 м³/ч на следующее число животных массой g_ж = 350 кг всего: Ж = 800/39 = 20 голов. При начальной массе животного g_ж = = 130 кг от одного ВЭ-800 обеспечивается подача зоо-саннормы l_ПН.мПН = 19 м³/ч на число животных: Ж = 800/19 = 40.

При схеме вытеснительной вентиляции от одного приточного агрегата может обслуживаться площадь помещения до 1000 м² и достигается равномерность распределения по площади обитаемой зоны в помещении подаваемого от напольных воздухораспределителей приточного воздуха.

Благодаря приближению агрегатов АПВУ-800 к воздухораспределителям ВЭ-800 отпадает необходимость в сооружении протяженных приточных воздуховодов, что обеспечивает снижение расхода электрической энергии

Тепло- и влаговыделения от животных, обладающих температурой тела, равной t_ж = 39 °C, имеют массовую плотность поступающих от них в помещения нагретых паров и газов значительно меньшую массовой плотности в приточном воздухе. Поэтому, образуются интенсивные вертикальные конвективные потоки, которые создают разрежение в нижней обитаемой зоне помещения. Эти зоны активно заполняются приточным воздухом, что обеспечивает высокую равномерность воздухораспределения.

В системе микроклимата число агрегатов ВЭ-800 выбирается из расчета на максимальную массу откармливаемого животного, когда требуются высокие расчетные расход и Σl_ПН.мПН/Ж. При размещении в помещении животных меньшей массы, для которых по расчету требуется меньше Σl_ПН.мПН/Ж, для снижения расхода электроэнергии рекомендуется останавливать вентиляторы у части агрегатов АПВУ-800, а прочие АПВУ должны подавать требуемый уменьшенный расчетный расход Σl_ПН.мПН/Ж.

По изложенной выше методике проведем расчет работы системы микроклимата для помещения с содержанием животных при максимальной массе g_ж = 350 кг и требуемом минимальном расходе l_ПН.мПН = 39 м³/ч на одну голову.

Вычисляем количество явного тепла, подлежащее удалению вытяжным воздухом, оно составит:

q_т.пр.У = 552 - 139 = 413 Вт·ч.

По формуле (5) вычисляем:

По формуле (6) вычисляем:

На рис. 3 представлено построение на i-d-диаграмме расчетного режима работы системы микроклимата при содержании в помещении на откорме животных массой g_ж = 350 кг. Для т. У получена энтальпия l_у = 49 кДж/кг.

По формулам (9) и (10) вычисляем:

t_в = 0,5 х (30,5 - 0) = 15,3 °С и

d_в = 0,5 х (7,5 - 0,4) = 3,55 г/кг.

На рис. 3 представлено построение проведенных расчетов параметров в т. В. С повышением температуры наружного воздуха будет возрастать и его влагосодержание. Это обусловит повышение относительной влажности воздуха в зоне обитания животных до верхнего уровня 70 %. По формулам (7) и (8):

t_п = 0,5 х (0 + 15,3) = 7,7 °С и

d_п = 0,5 х (0,4 + 3,55) = 2 г/кг.

Вычисляем требуемое количество утилизируемого тепла вытяжного воздуха для нагрева L_ПH = 800 м³/ч с t_Нх = -26 °С до t_ПH = 0 °C:

Вычисляем требуемую энтальпию охлажденного вытяжного воздуха в установке утилизации:

На i-d-диаграмме при φ_у2 = 93 % и l_у2 = 19,8 кДж/кг находим t_у2 = 5,2 °C и d_у2 = 5,1 г/кг, что значительно выше возможного нижнего значения t_у2min. Изменяя количество проходящего антифриза по трубкам теплообменников в УУ производится регулирование количества извлекаемого тепла Q_т.УУ и поддержание t_ПHх = 0 °C при вырастании t_Hх.

Выводы

1. Анализ многочисленных исследований о зависимости продуктивности животных и птиц, оцениваемой по возрастанию массы (у свиней, быков, бройлеров и др.) или производство яиц у курнесушек или надоев молока у коров, оцениваемой по количеству потребления коров, показал существенное влияние параметров воздуха на показатели продуктивности и расход корма.

Животные мясного производства при температурах окружающего воздуха ниже 10 °С начинают резко снижать продуктивность при одновременном росте расхода корма с понижением t_в < 10 °C, так как возрастает теплоотдача тепла животными. На поддержание температуры их тела на уровне нормальной жизнеспособности в 39 °C, затрагивается повышенный расход корма. При температурах окружающего животных воздуха t_в = 0 °C, прирост массы прекращается, а потребление корма возрастает (см. график на рис. 1). При t_в < 0 °C животное потребляет увеличенный расход корма, но начинает терять массу. Это показывает, что в климате средней полосы России в комплексах для мясного животноводства необходимо в зимний период года при t_HX < 0 °C проводить откорм животных в помещениях, в которых сохраняется температура не ниже t_в = 10 °C.

2. Энергетически и экологически создание рационального микроклимата для содержания животных в помещениях рекомендуется осуществлять с применением энергосберегающих систем микроклимата.

Для создания энергосберегающих систем микроклимата рекомендуется выполнение следующих условий:

• наружные ограждения зданий выполнены по требованиям теплозащиты [2];

• расход приточного наружного воздуха необходимо ограничить минимально-допустимым расходом L_ПН.мПН, отвечающего зоо-санитарным нормам;

• организацию воздухообмена в помещении содержания животных осуществлять по схеме вытесняющей вентиляции с подачей саннорм Ьпн.мПН в зону обитания животных и вытяжка загазованного и влажного воздуха из верхней зоны помещения;

• использование теплого вытяжного воздуха для нагрева саннормы L_ПН.мПН;

• применение эжекционных воздухораспределителей с коэффициентом эжекции не менее 2;

• количественное автоматическое увеличение расхода Ьпн в соответствии с возрастанием массы откармливаемых на предприятии животных.

При создании энергосберегающей системы микроклимата необходимо ограничивать расход приточного наружного воздуха минимально-допустимыми значениями, которые определяются по основной удаляемой вредности

Реализация энергосберегающей системы микроклимата, разработанной авторами, позволяет не устраивать местного или централизованного теплоснабжения от газовых котельных или нагревателей, как это осуществляется сейчас во всех животноводческих и птицеводческих комплексах.