автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Энергосберегающие системы управления микроклиматом животноводческих помещений

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И РАЗВИТИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ СИСТЕМ СОЗДАНИЯ МИКРОКЛИМАТА В ЖИВОШОВОДЧЕСКИХ ПОМЕЩЕНИЯХ

1.1. Влияние микроклимата на здоровье человека и продуктивность сельскохозяйственных животных

1.2. Технологические средства формирования микроклимата в животноводческих помещениях

1.3. Современные электрифицированные энергосберегающие системы формирования микроклимата в животноводстве

Цель и задачи исследований Выводы по первой главе

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ОПТИМАЛЬНОГО МИКРОКЛИМАТА В ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ПОМЕЩЕНИЯХ

2.1. Исходные элементы математической модели формирования оптимального микроклимата в животноводческих помещения

2.2. Уравнения энергомассообмена в станках с тмолодняком сельскохозяйственных животных

2.3. Аналитические зависимости тепло - влаговыделений животных от температуры

2.4. Уравнения энергомассообмена в зоне общеобменной вентиляции животноводческого помещения

2.5. Уравнения энергомассообмена перекрытий стен, окон, пола

2.6. Уравнения энергомассообмена конденсатора

2.7. Уравнения энергомассообмена системы микроклимата

2.8. Алгоритм энергосберегающей технологии формирования оптимального микроклимата в станках с молодняком сельскохозяйственных животных

2.9. Алгоритм и программа расчета на ЭВМ статических параметров системы обеспечения нормативного микроклимата в животноводческом помещении

Выводы по второй главе

3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДИНАМИКИ ЭНЕРГОСБЕРЕ ГАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ СОЗДАНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО МИКРО КЛИМАТА В ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ПОМЕЩЕНИЯХ

3.1. Уравнение динамики режимов формирования микроклимата в станках с молодняком сельскохозяйственных животных

3.2. Уравнения динамики режимов формирования микроклимата в зоне обслуживающего персонала

3.3. Уравнения динамики тепло - и массообмена системами микрокли

3.4. Решение системы дифференциальных уравнений с сосредоточенными параметрами для емкостей тепло - и массообмена объекта и исполнительного элемента

3.5. Решение системы дифференциальных уравнений с распределёнными параметрами для емкостей тепло - и массообмена объекта и исполнительного элемента

3.6. Решение системы дифференциальных уравнений, описывающих динамический режим работы АСКВ и животноводческого помещения

3.7. Результаты теоретических и экспериментальных исследований автоматизированной системы управления температурой, относительной влажностью и газовым составом по аммиаку и углекислому газу воздуха в животноводческом помещении

Выводы по третьей главе

4. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ СИСТЕМ СОЗДАНИЯ НОРМАТИВНОГО МИКРОКЛИМАТА НА ФЕРМАХ

4.1. Машинная энергосберегающая технология кондиционирования воздуха при формировании оптимального микроклимата в животноводческих помещениях

4.2. Энергосберегающие электрифицированные АСКВ формирования оптимального микроклимата на фермах с насосным фильтром

4.3. Энергосберегающие электрифицированные АСКВ формировани оптимального микроклимата на фермах с аэрогидродинамически водяным фильтром

4.4. Энергосберегающие и технические средства очистки воздуха животноводческих помещений от аммиака, углекислого газа, микробных тел и пыли

4.5. Энергосберегающие технические средства очистки воздуха в животноводческих помещениях от паров воды

4.6. Энергосберегающие устройства стабилизации температуры в станках с молодняком сельскохозяйственных животных

4.7. Автоматическая информационно - измерительная система для контроля, измерения и записи температурных режимов в животноводческих помещениях

4.8. Энергосберегающая электрифицированная технологическая линия создания оптимального микроклимата в животноводческих комплексах

Выводы по четвертой главе

5. ИССЛЕДОВАНИЯ, ИСПЫТАНИЯ И КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА 193 ЭФФЕКТИВНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА (АСКВ) СОЗДАНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО МИКРОКЛИМАТА В ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ПОМЕЩЕНИЯХ

5.1. Натурные экспериментальные и производственные исследования и 193 исследования АСКВ в условиях животноводческих помещений фермерских хозяйств

5.2. Основные результаты физиологических и зоотехнических исследо- 202 ваний состояния организма племенных телят

Выводы по пятой главе

6. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 205 ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ СИСТЕМ МИКРОКЛИМАТА В ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ПОМЕЩЕНИЯХ

Выводы по шестой

Интенсификация животноводства, как основа выполнения, продовольственной программы нашей страны, требует разработки и внедрения новых технологий содержания сельскохозяйственных животных, обеспечивающих создание здоровых стад и повышение их продуктивности, реализацию наследственных качеств животных /4, 24, 142, 118, 279/.

Развитие промышленного животноводства возможно только в условиях создания нормативного микроклимата в животноводческих помещениях /46/.

Параметры микроклимата животноводческих помещений устанавливаются для каждой возрастной группы животных с учётом их физиологических и продуктивных особенностей, экономической целесообразности и технических возможностей/134/.

Концентрация большего количества животных в одном здании, что предусматривается типовыми проектами крупных животноводческих комплексов, предъявляет повышенные требования к параметрам микроклимата, даже непродолжительное изменение которых может привести к большим хозяйственно - экономическим потерям /178/.

Особенностью труда в животноводческих помещениях является окружающая санитарно - гигиеническая обстановка. Операторы и рабочие находятся постоянно под воздействием многих факторов: температуры, влажности воздуха, насыщенности его вредными газами, аммиаком, сероводородом, углекислым газом и др., пыли, микрофлоры, в условиях влияния подвижности воздуха, контакта, с больными животными, работы со сложными механизмами и т.д. Все эти факторы при определённых условиях могут оказывать вредное влияние на здоровье человека, снижать его работоспособность и производительность труда /311/.

Вместе с этим следует отметить, что если на промышленных предприятиях (химической, текстильной и других) благодаря внедрению мощных систем вентиляции, кондиционирования воздуха производственных помещений и ряду других санитарно - гигиенических приёмов, удаётся нормализовать микроклимат и снизить до нормативных значений содержание в воздухе пыли, микрофлоры, вредных газов: NH3, С02, H2S и др., этого пока не удалось осуществить на животноводческих фермах, что отрицательно отражается на здоровье обслуживающего персонала и снижает продуктивность и сохранность животных /102/.

По мнению специалистов, продуктивность животных на 50 - 60% определяется кормами, на 20% уходом и на 10 - 30% микроклиматом животноводческого помещения /1, 15, 179/.

Существующие системы поддержания микроклимата в животноводческих помещениях обладают целым рядом недостатков и несовершенны. Из - за этого на животноводческих предприятиях имеет место значительный отход поголовья и снижение его продуктивности /102, 317/. 7

Одним из основных направлений решения этой проблемы является оптимизация микроклимата на фермах на базе энергосберегающих систем с устройствами химической очистки загрязненного воздуха от паров воДы, аммиака, углекислого газа, сероводорода, вредных микроорганизмов и пыли. Формирование нормативного микроклимата на фермах требует большого количества энергии, и затраты на микроклимат приближаются к затратам на кормление животных/102, 162/.

Существующие технологии обработки воздуха на фермах и типовые ото-пительно - вентиляционные системы в своей физической основе не имеют устройств очистки и рекуперации воздуха /183, 87, 88/.

Типовые рекуперационные установки имеют низкий К.П.Д., забиваются пылью, обмерзают в зимнее время и не находят широкого применения на фермах/106, 120/.

Поэтому Госэнергонадзор РФ запретил использовать электроэнергию для отопления животноводческих помещений без установок рекуперации воздуха.

Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха потребляют до 40% добываемого в стране твердого и газообразного топлива и до 10% производимой электрической энергии.

Одна из проблем в животноводстве - снижение энергозатрат на создание оптимального микроклимата на фермах. В соответствии с требованиями ОНТП 1-89 в помещениях содержания крупного рогатого скота требуется поддерживать нормативные параметры микроклимата, поэтому сельскохозяйственные предприятия вынуждены идти на высокие материальные затраты, т.к. не имеют других технологий и систем создания нормативного микроклимата. Это связано в первую очередь с тем, что существуют еще многочисленные хозяйства, где даже, несмотря на полноценное кормление, высокие породные и племенные качества животных и птицы, от неудовлетворительного состояния микроклимата погибает значительное количество животных /132, 28, 119/.

В результате неполного использования генетического потенциала животных потенциальная продуктивность животных недоиспользуется //.

К настоящему времени в нашей стране и за рубежом проведено значительное количество исследований, связанных с разработкой, сравнительной оценкой эффективности и внедрением различных систем и установок нормализации микроклимата на фермах. /46.48, 244, 251/.

В результате предложено значительное число разнообразных методик расчета, разработано и выпускается различное оборудование создания нормативного микроклимата на фермах с устройствами локального обогрева молодняка - инфракрасные электрические и газовые излучатели и облучатели (облуча-тельные установки), обогреваемые полы, панели, плиты, ковры (коврики), маты, а также установки и устройства комбинированного обогрева; - типовые электрокалориферные установки СФОА; приточно-вытяжные системы типа ПВУ; электроклимат; агровент; различные типы теплогенераторов и другие. Однако данные разработки лишь частично соответствуют потребности животноводства/23.8, 184, 195/. 8

Отсюда следует, что создание на животноводческих фермах и комплексах регулируемых условий развития животных и нормативных санитарно - гигиенических условий труда обслуживающего персонала является важнейшей задачей для дальнейшего развития животноводства, так как большое содержание NH3, СО2, H2S и влаги в воздухе животноводческого помещения отрицательно действует на человека и животных и могут быть удалены автоматическими установками нормализации микроклимата, способными при больших концентрациях поголовья и плотности размещения животных обеспечить необходимый воздухообмен и нормативные параметры микроклимата. Создание нормальных микроклиматических условий, отвечающих физиологическим потребностям организма людей и животных, обеспечит необходимые санитарно - гигиенические условия труда обслуживающего персонала, высокую сохранность и продуктивность животных, а также удлинит срок службы технологического оборудования /311/.

Таким образом, исследования, связанные с разработкой энергосберегающих электрифицированных систем обеспечения нормативного микроклимата в животноводческих помещениях особенно в настоящее время при высокой стоимости энергоресурсов являются актуальными и решение этой задачи связано с большим экономическим эффектом /178, 44/.

Цель настоящей работы - создание энергосберегающей электрифицированной системы, обеспечивающей оптимальные параметры микроклимата в животноводческих помещениях/167, 168, 184/.

Для выполнения поставленной цели решены задачи определения закономерностей энергосбережения формирования процессов энергомассообмена в нижней и верхней зонах животноводческого помещения и их взаимосвязь с основными параметрами микроклимата. Разработана математическая модель управления энергосберегающей автоматизированной системой формирования оптимального микроклимата в технологической зоне станков с животными /225,214,215/.

Разработана энергосберегающая электрифицированная система формирования оптимального микроклимата в животноводческих помещениях, успешно прошедшая ведомственные и государственные испытания, которая рекомендуется для внедрения в животноводстве/218, 225/.

Исследования режимов формирования микроклимата в животноводческих помещениях проводили по методике ВИЭСХ, а функционирование электрифицированной системы управления микроклиматом - по методике ЦНИИ-Ка. Зоогигиенические, физиологические и зоотехнические исследования проводили по методикам: ВИЖ и кафедр: физиологии и биохимии сельскохозяйственных животных, зоогигиены и ветеринарии ТСХА /9, 311, 38, 149/.

Обработка результатов исследований проводилась на ЭВМ 1063 в ВЦ ТСХА/146/. 9

Научная новизна:

1. разработаны научно-методические основы и практические методы энергосбережения в автоматизированных системах и электрифицированных технических средствах создания нормативного микроклимата в животноводческих фермах при улучшении энергетических, экологических и эксплуатационных характеристик;

2. разработаны двухзонные математические модели формирования оптимального микроклимата в животноводческом помещении, в которых содержатся уравнения взаимосвязанного энергомассообмена: для зоны станков с животными, для зоны общеобменной вентиляции, для конденсатора и для кондиционера;

3. определены динамические характеристики животноводческого помещения и алгоритмы управления параметрами микроклимата на ферме;

4. разработана методика построения энергосберегающей технологии формирования оптимального микроклимата на фермах на базе технических средств кондиционирования воздуха и конденсатора воздухоосушителя.

Практическая ценность:

В результате проведенных исследований и испытаний в течение 1973 -2001 гг. осуществлено комплексное решение крупной научно - технической проблемы - энергосбережения в системах создания нормативного микроклимата в животноводческих помещениях. Разработанный энергосберегающий комплекс микроклимата позволяет:

•регулировать основные параметры микроклимата - температуру, влажность, газовый состав воздуха (по кислороду 02, аммиаку №13, углекислому газу С02, сероводороду Н28);

•отапливать и вентилировать животноводческие помещения в отопительный период года (в среднем в течение 80 - 85 % времени отопительного периода) только за счет тепловыделений животных, поддерживать в помещении животных нормативные технологические параметры микроклимата: температуру, влажность и газовый состав 02, N113, С02, Н28 при работе энергосберегающей электрифицированной системы микроклимата с оросительной камерой, позволяющей очищать внутренний воздух от Н28, КН3, С02, пыли микробиологической загрязненности. Система работает в режиме глубокой рециркуляции воздуха с минимально возможным энергопотреблением.

Разработана энергосберегающая система кондиционирования воздуха и электротехнические средства создания нормативного микроклимата в животноводческих помещениях с использованием технических средств кондиционирования воздуха и конденсатора воздухоосушителя. Наличие конденсатора повысило энергоэффективнсть системы и дало возможность регулирования абсолютной влажности воздуха, а кондиционера обеспечило энергосбережение и возможность поддержания оптимального микроклимата в помещении, как в зимний, так и в летний периоды года.

10

Совокупность теоретических и практических результатов диссертационной работы создает объективные предпосылки для широкого й эффективного внедрения энергосберегающей системы микроклимата в отрасли животноводства России, что имеет важное народнохозяйственное значение.

Апробация работы: Доложена в 1993 - 2000 гг. на 3 - х Всероссийских и пяти Международных конференциях, где получила положительную оценку. Награждена медалью ВВЦ г. Москва в 1995 г., прошла Государственные приемочные испытания, проведенные в 1996 г. Подольской МИС Минсельхоза РФ в телятнике на 320 голов Великолукского района Псковской области (протокол № 09 - 8 - 96(1060123) от 10.06.1996 г.), награждена Международным дипломом выставки " Агропродмаш - 97" - Москва, 1997 г.

Кроме того, ранее данная работа прошла широкое производственное и научное обсуждение. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на конференциях ТСХА, ВГСХА, МГАУ, ВНИИМЖ ежегодно с 1977 по 2000 гг. Ежегодно с 1975 по 1989 г.г. докладывалась на научно - техническом совете Главживпрома СССР, на котором в 1984 г. рекомендована для Всесоюзного внедрения; доложена на 4 - х Всесоюзных конференциях: 1977 г. -Всесоюзная конференция по автоматизации сельскохозяйственного производства (г. Пушкино, институт биологической физики), 1979 г. - Всесоюзная конференция по кибернетике сельскохозяйственного производства в Одесском СХИ; 1980 г. - Всесоюзная конференция по применению электрической энергии в сельскохозяйственном производстве (г. Тбилиси, Грузинский СХИ); 1981г. - Всесоюзная конференция по автоматизации сельскохозяйственного производства (г. Минск, Белорусский СХИ). Результаты работы по разработке и внедрению энергосберегающей системы формирования оптимального микроклимата в животноводстве отмечены в 1998 году почетной грамотой Министерства сельского хозяйства Р.Ф.

ВЫВОДЫ ' • '

I. Внедренная в телятнике племенного молодняка совхоза имени 60-летия Союза ССР система кондиционирования воздуха (АСКВ) ;для .рптимизации микроклимата в станках с телятам^ и .в зоне обслуживающего персонала по сравнению с"промышленными установками^аналогичного назначений тйпа ИШ позволяет: полностью исключить рециркуляцию' воздуха^ 'автоматически'поддерживать'заданные оптимальные уровни1"дараме^ров* микроклимата; снизить на"Ш^о "рублей расходы по -потреблению электроэнергии на нагрев наружного воздуха, за счет внедрения новой системы оптимизации энергопотребления АСКВ, '-уровни- парйкеДййпфоклимата

ЖЮбоЙ года.-Л-'* —" ' - >'л .и.--,^ - • ^ I

2.сравниваема'®'-си©тема ЕЕВУ в■ «омлйекте'& установок-не" содо-гобщ!поддерживать^ тре^уеше;;уровни параметров микроклимата^. - ■1 1•1' ^ * г! ■" ' ' и ! 1' 11 1 11' ' ' I ' 5 { Ь, л 3.»',:Рааработанмая • в^ТСХА-'/установка электрокалорифер^до-вод-щк для^ стабилизации ^температурно-влажноетных режимов ■ в станках зи.те лотами щхршел шроиздодстветшые .испытания' в услрвилх »телятница, И'< рекомендуется для'.внедрения в. системе Гла©живирома ?. 'гиТолько '-.за. теъсшэ^шш' оптимального1;.микрошимата ,акоыо-ш. эледаршчаской .'энергии. на нагрев-наружного.воздуха1 для Cípaби-;ешации.'.^ешерал^грно^влазкностных 'режимов-¡в станках1 с телятами со-ращен. т-дёж»-Фел-ят'- в-• 198-3^' шду на; сравнению - со средне— одовыМ'^отаод-ом: моло^нжа; за 1974-19Э2 тг. ¿Эффективность* примене