Статья ВАК: Использование испарительного охлаждения для повышения продуктивности животноводческих ферм

Зависимость удоев молока от микроклимата

Животноводческие помещения для содержания крупного рогатого скота должны быть оборудованы вентиляцией, исходя из требуемых расчётных параметров внутреннего воздуха. По данным [1], нарушение теплового режима негативно влияет на проявлении жизненных функций коров. Реакция коров на температуру, влажность и подвижность воздуха зависит от возраста, породы, кормления, продуктивности, степени приспособленности, сезона и погодных условий (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость потребления пищи животными и их молочной продуктивности от температуры внутреннего воздуха в коровнике

Влажность воздуха в животноводческих помещениях играет важную роль в создании комфортных условий для содержания коров. Оптимальный уровень влажности способствует поддержанию здоровья животных, их продуктивности и репродуктивной функции. Повышение влажности более 80% может привести к негативным последствиям. При высокой влажности воздуха обмен веществ у коров замедляется, окислительно-восстановительные процессы нарушаются. Это приводит к снижению аппетита, ухудшению усвояемости кормов и, как следствие, к уменьшению продуктивности. Кроме того, повышается заболеваемость и отбраковка коров, особенно молодняка, который более чувствителен к сквознякам.

Зависимость параметров наружного воздуха от широты

Мощность солнечного излучения, поступающего на Землю в определённой местности, зависит от географической широты. Она определяет полуденную высоту Солнца и продолжительность излучения, то есть широта влияет и на температуру воздуха. В европейской части России преобладает умеренно-континентальный климат. Он является одним из продуктивных для сельского хозяйства благодаря условиям для скотоводства.

Зависимость температуры от широты местности в июле показана на рис. 2.

Рис. 2. Средние температуры воздуха и преобладающие направления ветров в июле в РФ

Способы охлаждения воздуха в животноводческом помещении

Для достижения параметров микроклимата используются различные методы. Пассивные методы направлены на снижение теплопоступлений в помещения от солнца через ограждающие конструкции. К активным относят действия, направленные на вентиляцию помещения без охлаждения или с охлаждением приточного воздуха, в зависимости от климатических условий, на охлаждение воздуха от установок, расположенных непосредственно внутри помещений содержания животных.

Рассмотрим имеющиеся на рынке системы с охлаждением воздуха:

1. Системы с использованием кассет. Испарительные охладители с использованием кассет являются эффективными аппаратами со стороны степени охлаждения и энергоэффективности, а также простыми по исполнению. Воздух, подаваемый в здания, проходит через смоченные водой кассеты, которые располагаются на стенах здания. Они могут изготавливаться из различных материалов, таких как гофрированная бумага, различного рода губки, ткани, образующих большую площадь соприкосновения воздуха со смоченной поверхностью, чтобы увеличить эффективность испарения, а, следовательно, и обеспечить снижение температуры воздуха. Принцип действия систем с использованием кассет показан на рис. 3.

Рис. 3. Принцип действия испарительного охладителя с использованием кассеты

2. Модульные охладители. Их монтируют на наружных стенах здания. Модульные охладители не нуждаются в больших стеновых проёмах, легко встраиваются в действующую систему вентиляции. Конструктивно они представляют собой устройства, в которых совмещены две функции: вентилирование и охлаждение.

3. Центробежные охладители. Вода подаётся из сети центрального водоснабжения по пластиковым трубам в бак оперативного запаса. Уровень воды в баке регулируется поплавковым клапаном. Из бака вода насосом подаётся на вращающийся диск, приводимый в движение электромотором. Соосно с первым электромотором расположен второй, который вращает лопасти вентилятора, создавая поток движения воздуха. Воздух проходит внутри корпуса охладителя, подхватывает распылённые капли воды и разносит их по помещению. Вода разбрасывается вращающимся диском под действием центробежных сил и превращается в мелкодисперсный аэрозоль (размер частиц 20–60 мкм). Мелкие капли, встречаясь с сухим потоком воздуха, испаряются, охлаждая воздух. Далее охлаждённый воздух поступает в зону обитания животных.

4. Системы форсуночного распыления. Используются в помещениях, для которых характерна не только высокая температура, но и низкая влажность. Они размещаются высоко над животными, чтобы по мере распыления капли воды испарялись в воздухе. Мелкие капельки воды распыляются в помещении с помощью форсунок под высоким давлением, что способствует уменьшению температуры и не приводит к значительному увеличению влажности. Снижение температуры в помещении составляет не более 5°C.

Методы расчёта

Расчёт системы вентиляции в летний период

Тепловыделения [ кВт] от животных в тёплый период:

Ф = Фжnжqжобщβt, (1)

где nж — количество животных, находящихся в помещении, голов; qжобщ — норма тепловыделения выделения, Вт [2]; βt — поправка на зависимость тепловыделений животных от температуры воздуха внутри помещения. Для определения коэффициента βt нужно определить температуру воздуха [°C] внутри помещения:

tв = tн + 5, (2)

где tн — температура наружного воздуха [°C] обеспеченностью 0,95 для определённого региона [3]. Тепловыделения от технологического оборудования [ кВт] представляют собой сумму:

где Nуст.i — установленная мощность для привода электродвигателей i-го типа, кВт; ηэ — КПД электродвигателей; ηи — коэффициент использования установленной мощности, ηи = 0,75–0,90; ηз — коэффициент загрузки оборудования в течение суток, ηз = 0,5–0,8; ηо — коэффициент одновременности работы электродвигателей, ηо = 0,6–0,95.

Термическое сопротивление покрытия теплопередаче [ м²·К/Вт] представляет собой сумму элементов:

здесь Rп.i — термическое сопротивление i-го слоя, Rп.i = δi/λi, м²·К/Вт, где δi — толщина i-го слоя, м; λi — коэффициент теплопроводности i-го слоя, Вт/(м·К).

Теплопоступления от солнечной радиации [Вт]:

где Фр.п и Фр.ост — тепловой поток солнечной радиации через перекрытие и остекление, Вт; К1 — поправочный коэффициент, К1 = 1,0 — для бесчердачных помещений и К1 = 0,75 — для чердачных; ∆t1 — эквивалентная разность температур, зависящая от географической широты местности; ∆t2 — эквивалентная разность температур, зависящая от конструкции перекрытия, цвета его наружной поверхности и географической широты местности; Ro — общее термическое сопротивление перекрытия, м²·К/Вт; Ап — площадь горизонтальной проекции перекрытия, м²; Кост — коэффициент, зависящий от типа остекления; qост — плотность радиационного потока, зависящая от географической широты местности и стороны света, к которой обращено остекление; Аост — площадь поверхности остекления, м².

Тепловые избытки [ кВт] в тёплый период [4] определяются как сумма:

Фиобзбщ = Фж + Фт.о + Фр. (6)

Расчётная норма относительной влажности воздуха внутри помещения: максимальная — 75%, минимальная — 40%. Влаговыделения с квадратного метра смоченной и свободной поверхности в час определяются графически [4].

Количество влаги [г/ч], испаряемой со свободной поверхности:

Wсв.п = ωсв.пAсв.п, (7)

где ωсв.п — количество влаги, испаряемой с 1 м² свободной поверхности в единицу времени, г/( м²·ч); Aсв.п — площадь свободной поверхности, м².

Количество влаги [г/ч], испаряемой со смоченной поверхности:

Wсм.п = ωсм.пAсм.п, (8)

где ωсм.п — количество влаги, испаряемой с 1 м² смоченной поверхности в единицу времени, г/( м²·ч); Aсм.п — площадь смоченной поверхности, м².

Количество водяных паров [г/ч], выделяемых животными:

Wж = nжωжβw, (9)

где ωж — выделение влаги одним животным, кг; βw — коэффициент, учитывающий изменение количества выделяемого водяного пара в зависимости от температуры воздуха в помещении.

Общее количество водяных паров W [кг/с], поступающих в животноводческое помещение:

W = Wж + Wсв.п + Wсм.п. (10)

Поступления в помещения углекислого газа [л/с]:

m′CO₂ = nжVжβCO₂, (11)

где Vж — норма выделения углекислого газа одной головой КРС, л/ч; βCO₂ — коэффициент для расчёта выделений животными при расчётной температуре внутри помещения [2].

Объёмный расход воздуха [ м³/с] по нормируемому удельному расходу приточного воздуха:

Vн.уд = Nm, (12)

где N — живая масса животных, ц; m — нормируемый удельный расход приточного воздуха на 1 ц массы животных, равный 15 м³/ч.

Массовый расход воздуха [кг/с] по нормируемому удельному расходу приточного воздуха:

Lн.уд = Vн.удρ2, (13)

где ρ2 — плотность воздуха внутри помещения, кг/м³.

Массовый расход воздуха, необходимый для удаления CO₂:

где C1 — концентрация углекислого газа в воздухе, равная 0,3 л/м³; C2 — допустимая концентрация CO₂ внутри помещения, равная 2,5 л/м³; ρ1 — плотность приточного воздуха, кг/м³; ρ2 — плотность воздуха внутри помещения, кг/м³. Массовый расход воздуха, необходимый для удаления избыточной теплоты и влаги:

где d1 и d2 — влагосодержания приточного воздуха и воздуха внутри помещения, соответственно, кг вл/кг.

Расчёт системы испарительного охлаждения фермы

Для равномерного охлаждения помещения, расположим в помещении четыре испарительных охладителя. Расход воздуха [кг/с] для каждого аппарата:

V1a = V/4, (16)

где V — общий расход воздуха по летнему периоду. Парциальное давление пара:

pп = pс = φpнас [кПа], (17)

где φ — относительная влажность, %; pнас — давление насыщенного воздуха, кПа (определяется по таблицам теплофизических свойств воды и водяного пара [5]).

Скорость воздуха, выходящего из испарителя-охладителя:

где F — площадь отверстия для выхода воздуха из аппарата, м²; ρв — плотность воздуха, кг/м³.

Критерий Рейнольдса:

где μв — динамическая вязкость жидкости, Па·с.

Критерий Гухмана:

где tс — температура воздуха, поступающего с улицы, К; tм — температура мокрого термометра, К.

По формуле А. В. Нестеренко [6] находим критерий Нуссельта для случая испарения жидкости с плоской поверхности при вынужденном движении влажного газа:

Num = ARemPrm0,33Gu0,185, (21)

где Prm — число Прандтля; A и m — постоянные, зависящие от величины критерия Рейнольдса.

Коэффициент диффузии [ м²/с] определяется по [6]:

где D0 — коэффициент диффузии для водяного пара при нормальных условиях, м²/с.

Коэффициент массоотдачи [м/с], отнесённой к разности концентраций пара:

Коэффициент массовой отдачи [кг/( м²·Па·с)], отнесённый к разности парциальных давлений:

где Rп — газовая постоянная водяного пара, кДж/(кг·°C).

Количество влаги [кг/( м²·с)], испаряемое с 1 м² испарителя-охладителя [7]:

где Cв.п — концентрация влажного пара; Сc — концентрация воздуха, поступающего в помещение. Количество влаги [кг вл/кг], проходящей через аппарат:

M = V1a∆d, (26)

где ∆d — разность влагосодержания воздуха до и после аппарата, кг вл/кг.

Требуемая площадь испарения [ м²] одного аппарата:

Fисп = M/i. (27)

Расчёт увеличения удоев молока за счёт внедрения системы испарительного охлаждения

Расчёт увеличения удоев молока начинается с анализа статистических данных температуры окружающего воздуха для определения количества дней Nдней, при которых целесообразно использовать систему испарительного охлаждения.

Далее определяется производительность фермы в базовом режиме Пб [%] при температуре воздуха внутри помещения и производительность при температуре мокрого термометра после внедрения системы испарительного охлаждения Похл [%] для конкретного региона.

Затем проводится расчёт количества молока [л], которое получится за Nдней при охлаждении помещения:

Qохл = Q1кnж(Похл — Пб)Nдней, (28)

где Q1к — количество молока, производимого одной коровой в сутки, л/сут.

Анализ влияния широты местности на испарительное охлаждение

Для исследования рассмотрен типовой коровник на 250 голов, габаритные размеры строения (д×ш) — 72×18 м (рис. 4). Проект данного коровника анализировался для климатических условий четырёх регионов России: Ростовской, Воронежской, Рязанской и Тверской областей. Средняя масса крупного рогатого скота — 500 кг. Тип животного — коровы молочные породы, средний удой молока составляет 20 л/сут. Содержание — стойловое.

Рис. 4. Схема рассматриваемого здания коровника (1 — кормовой проход; 2 — кормушка; 3 — стойло; 4 — решётка; 5 — навозный проход; 6 — вытяжная шахта; 7 — навозный канал)

Здание — бесчердачное, одноэтажное, прямоугольной формы, высота боковых стен составляет 3,3 м, высота до конька крыши — 4,8 м. Несущие стены — пенобетон [δк = 0,420 м, λк = 0,43 Вт/(м·К)], покрыты цементно-песчаной штукатуркой внутри [δк = 0,015 м, λк = 0,93 Вт/(м·К)] и снаружи [δк = 0,020 м, λк = 0,93 Вт/(м·К)]. Покрытие — железобетонные плиты [δк = 0,11 м, λк = 2,04 Вт/(м·К)]. Пароизоляция — слой рубероида [δк = 0,0015 м, λк = 0,17 Вт/(м·К)] на битумной мастике [δк = 0,004 м, λк = 0,27 Вт/(м·К)]. Утеплитель — строительный войлок [δк = 0,13 м, λк = 0,05 Вт/(м·К)]. Выравнивающий слой — цементно-песчаный раствор [δк = 0,015 м, λк = 0,93 Вт/(м·К)], сверху рубероид [δк = 0,0015 м, λк = 0,17 Вт/ (м·К)] на битумной мастике [δк = 0,004 м, λк = 0,27 Вт/(м·К)]. Полы — деревянные щиты [δк = 0,02 м, λк = 0,35 Вт/(м·К)], бетон [δк = 0,07 м, λк = 1,86 Вт/(м·К)]. На каждой из продольных стен расположено 50 окон размерами (ш×в) 0,6×0,8 м, на торцах здания — по двое ворот размерами (ш×в) 2,4×2 м (Rв = 0,42 м²·К/Вт). Продольные стены здания ориентированы, соответственно, одна на юг, другая на север.

Результаты расчётов приведены в виде зависимости (рис. 5) увеличения удоев молока от широты местности при применении испарительного охлаждения.

Рис. 5. Зависимость увеличения удоев молока от широты местности

Выводы

По результатам проведённого исследования можно сделать следующие выводы:

1. Рассмотрены способы охлаждения воздуха в животноводческом помещении.

2. Представлен алгоритм расчёта летнего режима в животноводческом помещении, методика расчёта системы испарительного охлаждения кассетного типа, которая является эффективной для охлаждения помещений. Описан алгоритм оценки увеличения удоев молока за счёт внедрения системы испарительного охлаждения.

3. Проведены расчёты летних режимов животноводческих помещений, размещённых в различных регионах европейской части Российской Федерации:

• Ростовской области (46,5° с.ш.);
• Воронежской области (51,6° с.ш.);
• Рязанской области (54,6° с.ш.);
• Тверской области (56,8° с.ш.).

4. Проведены расчёты испарительных охладителей кассетного типа для типового коровника.

5. Увеличение удоев молока при применении систем испарительного охлаждения варьируется от 11 тыс. л молока в Тверской области до 52,5 тыс. л молока в Ростовской области. Показано, что с увеличением северной широты наблюдается снижение прироста надоев молока, поскольку в более северных регионах климат более холодный и влажный, что негативно сказывается на здоровье и продуктивности коров. В более южных широтах климат сухой и жаркий, то есть в таких условиях эффект испарительного охлаждения существенен, поскольку температура наружного воздуха выше, и её понижение даёт больший прирост надоев.

В северных регионах, где климат более холодный и влажный, испарительное охлаждение даёт меньший эффект в увеличении надоев молока.