Анализ предлагаемых технических решений для поддержания микроклимата животноводческих помещений
Основным критерием в сфере животноводческого АПК является продуктивность, зависит она от двух факторов — генетики и условия содержания. В настоящий момент современные породы крупного рогатого скота (КРС) обладают высоким генетическим потенциалом. Полноценно раскрыть генетический потенциал можно за счет правильного условия содержания. К ним относят кормление, поение, навозоудаление, соблюдение определенного уровня влажности, температуры, скорость воздушных потоков внутри помещения, кратность воздухообмена, освещенность, чистоту воздуха.
Важным фактором является соблюдение норм предельно допустимых концентраций (ПДК) по микроклимату помещений, например температуре, влажности, скорости движения воздуха, загазованности помещения, освещенности, бактериальной обсемененности. Для наиболее полной реализации генетического потенциала крайне важно соблюдать ПДК для параметров микроклимата, что достигается контролем и регулированием значений вышеуказанных параметров.
В предшествующей работе выявлено, что для регулировки бактериальной обсемененности можно использовать УФ-лампы, способные инактивировать патогенную микрофлору. Частичную дезинфекцию предлагается осуществлять разбрызгиванием дезинфицирующего вещества с таким содержанием дезинфектанта, что можно использовать в присутствии животных через форсунки распылителя, которые дополнительно санируют воздух внутри помещения.
Освещенность влияет на уровень стресса животного и поедаемость кормов, что в свою очередь отражается на степени продуктивности сельскохозяйственных животных. Световой стресс заключается в том, что слишком интенсивное излучение пагубно воздействует на зрительные нервы животных и мозговую активность в целом, также негативное влияние оказывает чрезмерно длительное воздействие. Следует учитывать, что недостаток света оказывает не менее отрицательный эффект. Может спровоцировать недостаточное усвоение витаминов и минеральных веществ.
Некоторые предприятия используют световой конек с частичным воздухообменом, что позволяет повысить коэффициент естественного освещения и существенно сэкономить на оборудовании для искусственного освещения и воздухообмена. Это хорошее решение данной проблемы в дневное время суток, но стоит учитывать возможные потери тепла и, как следствие, возможные затраты на отопление помещения.
Световой конек без вентиляции позволяет пропускать солнечный свет, но затрудняет процесс вентиляции. Для решения данного аспекта интегрируются вентиляционные шахты (рис. 1). Дополнительно отверстия для вентиляции в данном световом коньке можно закрывать, что делает процесс вентиляции контролируемым.
Для освещения помещений, содержащих КРС, рекомендуется освещенность в пределах 150–300 Лк в течение 16-часового дневного периода. В связи с высокой степенью влияния светового потока на организм животных проводится множество исследований на тему его влияния. Выявлено положительное влияние на повышение продуктивности молочного скота и улучшение иммунного ответа организма на возможные заболевания. Изучена возможность регуляции гормонального фона стимулированием синтеза определенных гормонов.
При воздействии освещения на животных установлена взаимосвязь между степенью интенсивности освещения и мощностью светового излучения на продуктивность и длительность хозяйственного использования КРС.
Шторки или подвижные жалюзи осуществляют дополнительную естественную освещенность и обеспечивают естественную вентиляцию в теплые периоды года. Рассматриваемое решение позволяет частично регулировать естественную освещенность и вентиляцию.
Навозоудаление имеет высокую значимость, так как продукты жизнедеятельности скота являются дополнительным источником загрязнения воздуха газовыми смесями, которые могут быть потенциальными для болезнетворных бактерий, спор и грибков, влажности и тепловой энергии в помещении.
Материалы и методы
Важные показатели микроклимата в животноводческих помещениях — качества воздуха: уровень влажности, температура, скорость воздушных потоков внутри помещения, кратность воздухообмена, загазованность помещения. При соблюдении требований ПДК данных факторов можно добиться высоких показателей продуктивности КРС.
Обработка данных, полученных от АО «Зеленоградское», Московской обл., во время аномально высоких кратковременных значений температуры осуществлялась периодически.
Во время исследований была разработана упрощенная модель фермы с полным соответствием габаритных размеров помещений, приточных и вытяжных отверстий в программных комплексах SketchUp 2020 (авторы — Last Software, Google; разработчик — Trimble Inc, США; патент США 6 628 279.
Моделирование движения воздуха проводилось в программном комплексе SolidWorks 2020 Dassault Systèmes SolidWorks Corporation (DS SolidWorks, Франция), защищено патентами США — 7184044, 7502027 и Канады — 2318706.
Для проведения параметрического моделирования внутри животноводческого помещения разработана начальная 3D-модель фермы. Общие задаваемые параметры для расчета: тепло, выделяемое коровами, — 1000 Вт; скорость ветра на входе в окно — 2 м/с; влажность — 70%; температура — 25 ℃. В качестве значений параметров были выбраны те, что являются стандартными в условиях периода, соответствующего нормам ПДК.
В модели присутствуют упрощения: форма коров, отсутствуют стойла, закрыты ворота, отсутствуют коммуникации на колоннах и прочие мелкие допущения. Данные допущения были сделаны с целью оптимизации модели для возможности проведения параметрического моделирования. В противном случае мощности вычислительных машин будет не хватать, а результат, на который повлияют добавленные упрощения, будет незначительным. Изучение движения воздушных потоков отображено на рисунках 2–4.
Внешний вид разработанной параметрической модели животноводческого помещения реализован в виде участка фермы с параметрами (длина х ширина х высота) 31,5 х 11,2 х 5 м, где иерархичным образом размещены 10 объектов. Модель разработана в 2022 году научными сотрудниками ФГБНУ «ФНАЦ ВИМ».
Накопление газов в помещении зависит от количества животных, температурно-влажностного режима и плотности размещения животных с учетом режима содержания, работы системы вентиляции. При рассмотрении движения газовых облаков в воздухе доработанная модель имела параметры (длина х ширина х высота) 63 х 22,4 х 5 м.
Результаты и обсуждение
По полученным данным от ЗАО «Зеленоградское» в 2021 г. из-за аномально высоких кратковременных значений температуры было выявлено, что температурный стресс напрямую влияет на экономические показатели производства молока, следовательно, существует потребность в нивелировании данного фактора. На ферме технологически предусмотрена естественная вентиляция. Фактическое снижение удоя в рассматриваемый период превысило на 7% (по сравнению с нормативными), а потери молока на корову — до 70%. Как следствие, были увеличены денежные потери (на 58%).
Для осуществления принудительной вентиляции могут использоваться вентиляционные шахты, которые, как правило, устанавливаются в коньке крыши (рис. 1). Они призваны осуществлять удаление воздушных масс внутри помещения и утилизацию отработанного воздуха наружу за счет того, что прогретый внутри помещения воздух поднимается вверх. Также существует ряд трудностей, связанный с установкой в помещении, так как приходится учитывать планировку помещения и осуществлять большие ремонтные работы.
Использование вытяжных шахт вместе с приточными каналами повысит объем удаляемого некачественного воздуха из помещения. В связи с конструкционными особенностями шахта не способна засасывать большой объем воздуха, из-за чего нет возможности удалять воздух, который находится на уровне животных и ниже, по всей площади здания.
Моделирование (рис. 2), установило наличие завихрений воздушных потоков и их скорости движения (табл. 1).
На рисунке 2 видно, что из-за неравномерности воздушных потоков отработанный воздух частично возвращается к животным. Стоит отметить: его насыщенность газами будет меньше, так как он смешивается с чистым воздухом. Определено, что засасывание воздуха под самой крышей малоэффективно. Это обусловлено отсутствием подвесных лопастных вентиляторов, способных устремить воздушный поток в вытяжную шахту.
В областях первичных завихрений 6 осуществляется частичный возврат удаляемого воздуха, а основная его масса в этих областях не затрагивается вообще. Из областей 9, 10, 14 происходит частичное удаление вредоносных газов, но значительная часть не перемещается достаточно близко к вытяжным шахтам для удаления. В областях 8, 12 наблюдаются наибольшие завихрения, воздух в которых нисходит до уровня животных. При этом удаление основных скоплений углекислого газа не осуществляется.
Из таблицы 1 видна скорость движения воздуха. Возле вентилятора рядом с областью 1 скорость достигает 7,6 м/с, потом она снижается. В областях завихрения и хаотичного движения воздушных масс скорость снижается до 1–2 м/с.
В связи с этим для осуществления движения воздушных масс используются вентиляторы: осевые (рис. 3), которые смешивают и продвигают воздушные массы, и подвесные лопастные (рис. 4), перенаправляющие потоки воздуха в воздушные шахты.
Предлагаемый вариант актуален для ферм, неспособных к полной модернизации и готовых частично улучшить или интегрировать оборудование, способное улучшить воздухообмен, газообмен и корректировку относительной влажности с температурой. Существенным преимуществом является возможность быстрой и более легкой интеграции такого оборудования в помещение для содержания скота по сравнению с иными системами вентиляции воздуха, такими как приточно-вытяжные системы удаления и всасывания воздуха.
На рисунке 3 основные воздушные потоки от осевых вентиляторов производительностью 22–44 тыс. м3/ч имеют туннельную направленность, что может быть пагубным для животных при условии отсутствия контроля за данным процессом, и затруднена утилизация отработанного воздуха. Данная проблема решается осуществлением контроля и регулировки вентиляторов посредством установки автоматики с непрерывным анализом воздушных потоков.
На основании данных, представленных в таблице 2 можно определить скорость движения воздуха на протяжении всей его длины. В точках 1 и 7 скорость воздушного потока почти 4,3 м/с. В точке 4 скорость уменьшается ввиду встречи противоположных потоков и невысокой мощности, которая ограничивается начальной скоростью потока в точках 1 и 7, достигает 1,63 м/с.
На рисунке 4 определялась направленность потоков воздуха от подвесных лопастных вентиляторов.
Скорость движения воздуха вокруг ЗАО «Зеленоградское» в 2021 году на период проведения исследований составила 1–2 м/с (по данным метеорологических показателей). При осуществлении замеров скорость воздушных потоков возле коровника была около 2 м/с. В результате проведенного моделирования (рис. 4) видно, что воздушные потоки, создаваемые подвесными лопастными вентиляторами, имеют туннельную направленность, следовательно, полностью удалить отработанный воздух через надлежащие вентиляционные отверстия они не могут. Ввиду того что подвесной лопастной вентилятор имеет туннельную направленность, существуют области, где воздух не подлежит полному удалению наружу. Такие области располагаются на уровне 0–0,8 м от земли и под крышей от приточного окна до 2–2,5 м от уровня пола.
Затруднение в удалении воздуха из-под самой крыши решается установкой вентиляторов на необходимой высоте. Часть воздуха при затягивании его данным вентилятором возвращается в помещения. Поскольку возвращается малая часть, не повышается концентрация вредоносных газов и происходит частичное смешение воздушных масс, что способствует уменьшению концентрации вредных веществ. В области удаления воздуха через шахты скорость воздуха достигает 2–3 м/с.
Из вышеизложенного следует, что необходимо использовать вентиляторы в совокупности. Обеспечивать оптимальный микроклимат в помещении для содержания КРС предлагается установкой совокупности технических решений (рис. 5).
Для регулирования процессов (рис. 5) используется семь исполнительных устройств. Данным техническим решением обеспечиваются нормы РД АПК по уровню относительной влажности, температуре, освещенности, загазованности помещения, скорость воздуха, кратность воздухообмена, запыленность помещения. Наиболее подходящими решениями являются вентиляторы (осевые и подвесные лопастные), приточные окна для естественной вентиляции, шторки для дополнительного освещения и вентиляции, световой конек и источники искусственного освещения, гидролиния с дезинфицирующим веществом.
Технологическая карта концептуальных предложений на основе проведенного анализа приведена на рисунке 6.
Предлагается использование ряда решений, которые позволят осуществлять контроль микроклиматических показателей. Использование осевых вентиляторов с производительностью до 44 тыс. м3/ч позволит осуществлять смешивание воздушных потоков и уменьшать загазованность в определенной области, регулировать температуру, а интегрированные в них форсунки позволят распылять дезинфицирующие вещества для регуляции обсемененности патогенной микрофлоры.
Использование подвесных лопастных вентиляторов с производительностью 160 тыс. м3/ч позволит производить качественное удаление отработанного воздуха. Световой конек и искусственные источники света позволят нормировать уровень освещенности, регламентируемый ПДК, 100 Лк, по опыту авторов и на основе анализа научных источников, 200–300 Лк у кормового стола. Всё вышеуказанное способствует поддержанию значений микроклиматических показателей в пределах ПДК. Установка автоматического управления позволит осуществлять корректный и качественный мониторинг и корректировку показателей микроклимата. Автоматика должна состоять из контроллера и датчиков температуры, относительной влажности и углекислого газа. Датчики позволят качественно осуществлять замер значения показателей в автоматическом режиме.
Выводы
Проведены исследования о различных возможностях регуляции микроклиматических показателей помещения для содержания животных.
Показаны функционально-структурная схема технических решений для обеспечения параметров микроклимата и технологическая карта концептуальных предложений; наиболее подходящим решением для поддержания микроклимата является внедрение на предприятии осевых и подвесных лопастных вентиляторов. Они создают мощный воздушный поток (около 5 м/с), происходит достаточно быстрый воздухообмен. Полноценное удаление отработанного воздуха достигается подвесными лопастными вентиляторами. Лопастные вентиляторы имеют низкую стоимость и легки в установке — как в новых коровниках, так и в старых, подвергшихся модернизации или реконструкции. Дополнительно такие вентиляторы удобно комбинировать с естественной вентиляцией, что благоприятно влияет на поддержание основных показателей микроклимата на должном уровне.
Рекомендуется устанавливать шторки в помещении для содержания КРС. Это позволит осуществлять регуляцию приточного воздуха и частично решать вопросы освещенности помещения.
Для полноценной регуляции освещенности необходимо устанавливать световой конек, таким образом значительно снижаются затраты на электроэнергию. Для обеспечения дополнительной освещенности стоит установить источники искусственного освещения и использовать их в случае необходимости.
Установка форсунок в составе системы гидролинии позволит регулировать уровень относительной влажности и возможность осуществления дезинфекции помещения с находящимися в нем животными. Дополнительно осуществлять охлаждение воздуха в жаркий период.
Естественные вытяжные шахты малопригодны для поддержания микроклимата по кратности воздухообмена, так как не имеют возможности удалять весь отработанный воздух.
Об авторах
Игорь Мамедяревич Довлатов1, кандидат технических наук, научный сотрудник,
dovlatovim@mail.ru; https://orcid.org/0000-0003-3058-2446
Илья Владимирович Комков1, специалист,
ilyakomkov10@yandex.ru; https://orcid.org/0000-0003-2407-4584
2 Алексей Юрьевич Алипичев, кандидат педагогических наук, доцент,
alipichev@rgau-msha.ru; https://orcid.org/0000-0002-8000-4532
Дмитрий Андреевич Благов1, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник,
aspirantyra2013@gmail.com; https://orcid.org/0000-0001-7826-5197
Сергей Сергеевич Юрочка1, кандидат технических наук, старший научный сотрудник,
yurochkasr@gmail.com; https://orcid.org/0000-0002-2511-7526
1 Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, 1-й Институтский проезд, 5, Москва, 109428, Россия
2 Российский государственный аграрный университет — МСХА им. К.А. Тимирязева, ул. Тимирязевская, 47, Москва, 127434, Россия
УДК 636.034. DOI: 10.32634/0869-8155-2023-374-9-149-155
Сельское хозяйство, ветеринария, зоотехния, агрономия, агроинженерия, пищевые технологии
