Введение к работе
Актуальность проблемы. Основой продовольственной безопасности РФ является увеличение животноводческой продукции. Одним из направлений решения данной проблемы является – улучшение условий содержания животных, в том числе микроклимата животноводческих и птицеводческих помещений.
Современные технологии содержания животных предъявляют высокие требования к микроклимату в животноводческих помещениях. По мнению ученых, специалистов животноводства и технологов, продуктивность животных на 50…60% определяется кормами, на 15…20% – уходом и на 10…30%– микроклиматом в животноводческом помещении. Отклонение параметров микроклимата от установленных оптимальных пределов приводит к сокращению удоев молока на 10…20%, прироста живой массы – на 20…35%, увеличению отхода молодняка до 5…40%, уменьшению яйценоскости кур – на 30…35%, расходу дополнительного количества кормов, сокращению срока службы оборудования, машин и самих зданий, негативно влияет на обслуживающий персонал, снижению устойчивости животных к заболеваниям.
Фермы являются мощными источниками загрязнений окружающей среды и потребителями энергии: ежегодно из помещений животноводческих ферм РФ отрасли требуется удалять до 166 млрд м3 водяных паров, 39 млрд м3 углекислого газа, 1,8 млрд м3 аммиака, 700 тыс. м3 сероводорода, 82 тыс. т пыли, патогенную микрофлору.
Для удаления вредностей, образующихся в животноводческих помещениях Российской Федерации, на вентиляцию за 2004 год было использовано около 2 млрд кВтч электроэнергии, на обогрев помещений дополнительно было израсходовано 1,8 млрд кВтч, 0,6 млн м3 природного газа, 1,3 млн т жидкого и 1,7 млн т твердого топлива. Общие затраты энергии на микроклимат составляют до 3 млн т у.т. в год, что равняется 32% всей энергии, потребляемой в отрасли животноводства.
Кроме того, неблагоприятное состояние воздушной среды животноводческих помещений отрицательно сказывается на здоровье работников ферм. По данным Росстата в организациях сельского и лесного хозяйства в 2006 году ущерб от несчастных случаев и профзаболеваний составил 200 млн рублей.
Современные типовые отопительно-вентиляционные системы (ОВС) не обеспечивают создания нормативного микроклимата на фермах, так как они регулируют в основном температурный и влажностный режимы; их работа основана на кратности воздухообмена в помещении до 3…5 раз/ч, поэтому К.П.Д. использования теплоты внутреннего воздуха животноводческих помещений в зимний период не превышает 25…30%, а в летний период не обеспечивают нормативной технологии содержания животных.
Для достижения максимальной продуктивности требуется создание и поддержания нормативных параметров микроклимата, которые носят индивидуальный характер для каждого вида животных и птицы, половозрастной группы, но это не гарантирует минимальную себестоимость производимой продукции. Поэтому в животноводческих помещениях следует поддерживать оптимальные параметры микроклимата. Однако существующие методы оптимизации микроклимата в животноводческих помещениях пока учитывают один – два параметра микроклимата, как правило, температуру и влажность воздуха.
Таким образом, исследования, связанные с разработкой энергосберегающей технологии формирования оптимального микроклимата в животноводческих помещениях, особенно в настоящее время при высокой стоимости энергоресурсов, являются актуальными и решение этой проблемы связано с большим экономическим эффектом.
Решению этой проблемы посвящена настоящая работа, выполненная в период 1993 - 2009 гг. в рамках координационных планов региональной научно - технической программы при администрации Псковской области; по техническому региональному проекту Разработать технологические и технические средства для производства продукции растениеводства и животноводства в условиях Северо- Запада Нечерноземной зоны РФ раздел 3 Энергосберегающие системы и технологии формирования микроклимата в животноводстве; планам НИР ФГОУ ВПО Великолукская государственная сельскохозяйственная академияи ФГОУ ВПО МГАУ; конкурса молодых российских ученых- кандидатов наук при президенте РФ в области технические и инженерные науки по теме Энергосберегающая технология формирования оптимальной среды обитания в животноводческих и птицеводческих помещениях № Гранта МК-1086.2007.8 на базе ФГОУ ВПО МГАУ.
Цель исследования. Повышение эффективности сельскохозяйственного производства в животноводстве путем совершенствования рециркуляционных отопительно- вентиляционных систем и оптимизации параметров микроклимата внутри животноводческого помещения.
Для достижения этой цели определены следующие задачи исследования:
выполнить анализ отечественных и зарубежных тенденций совершенствования технологий и технических средств формирования микроклимата в животноводческих помещениях;
обобщить и установить закономерности влияния параметров микроклимата на расход энергии, кормов и продуктивность животных и птицы;
обосновать требования и условия работы систем кондиционирования воздуха применительно к действующим фермам;
разработать математические модели систем кондиционирования воздуха и выявить их оптимальные конструктивно-технологические режимы работы;
разработать математические модели оптимизации технологий формирования микроклимата в животноводческих помещениях;
провести экспериментальные исследования и испытания в условиях действующих ферм систем кондиционирования воздуха;
разработать рекомендации по внедрению и эксплуатации систем кондиционирования воздуха в животноводческих помещениях.
Объект исследования. Совокупность параметров микроклимата, биологические объекты, технология и технические средства микроклимата.
Предмет исследований. Оптимизация параметров технологических процессов и средства их электромеханизации.
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. В работе использованы аналитические и экспериментальные методы, в основу которых положен системный подход. Разработка методологических основ расчета, проектирования и решения комплексной проблемы, имеющей инжерно- технические, зооинженерные и санитарно-гигиенические аспекты, базировалась и выполнялась с использованием положений, законов и методов классической электромеханики, физики, теплотехники, гидравлики и аэродинамики, химии, теории вероятности, математического моделирования, статистики, оптимизации.
Обработку результатов экспериментальных исследований осуществлялась на ПЭВМ при помощи прикладных пакетов компьютерных программ. Достоверность результатов работы подтверждена корректностью и адекватностью разработанных математических моделей, а также результатами государственных и сравнительных производственных испытаний.
Научная новизна. Выполненные в работе исследования позволили получить совокупность новых знаний:
математические модели зависимостей расхода энергии, кормов и продуктивности животных и птицы от параметров микроклимата;
разработаны математические модели систем кондиционирования воздуха для животноводческих помещений;
получены математические модели оптимизации технологий формирования микроклимата в животноводческих помещениях по критерию минимума себестоимости произведенной продукции;
изготовлены и проведены исследования систем кондиционирования воздуха в действующих животноводческих фермах.
Новизна технических решений подтверждена 4 патентами на изобретение и 1 патентом на полезную модель.
Практическая ценность работы. Предложенный метод оптимизации технологий формирования микроклимата в животноводческих помещениях, реализованный в виде компьютерных программ, позволяет выбрать технологию и состав технологических линий по критерию минимума себестоимости произведенной продукции. Разработанные теоретические положения, математические модели и результаты лабораторных и производственных экспериментальных исследований позволяют проектировать системы кондиционирования воздуха для животноводческих помещений, которые могут поддерживать нормативные параметры микроклимата как в зимний, так и летний периоды года. Разработанные системы микроклимата прошли Государственные испытания и внедрены на ряде животноводческих ферм. В отличие от типовых систем при данной технологии осуществляется очистка внутреннего воздуха животноводческого помещения в аэрогидродинамической камере кондиционера от аммиака, углекислого газа, сероводорода, пыли и микроорганизмов, что позволяет перейти на 75…80 % рециркуляцию внутреннего воздуха, вследствие, чего экономится до 20 и более % энергии при одновременном формировании нормативного микроклимата в станках с животными.
Реализация результатов исследования. Разработанная энергосберегающая система формирования оптимального микроклимата в животноводческих помещениях прошла Государственные испытания в условиях телятника ОАО "Куйбышева" Великолукского района Псковской области (протокол №09-8-96 (10601123) Подольской машинно-испытательной станции МСХ РФ). Система формирования оптимального микроклимата рекомендована для очистки воздуха фермы от аммиака, углекислого газа, сероводорода, пыли и микробных тел и обеспечения энергосбережения за счет глубокой рециркуляции воздуха в течение зимнего и летнего периода года. Изготовленные и внедренные установки успешно эксплуатируются в хозяйствах Псковской области, что подтверждено актами приемки и эксплуатации. Методические положения, конструктивные разработки и рабочие чертежи на системы кондиционирования воздуха переданы в ЗАО Завод электротехнического оборудования г. Великие Луки, начат выпуск опытных образцов.
Разработанные энергосберегающие технологии и системы формирования оптимального микроклимата в 2002 году рекомендованы Псковским областным управлением сельского хозяйства к внедрению на фермах области.
Департаментом технической политики Министерства сельского хозяйства разработки данной работы включены в рекомендации по техническому перевооружению молочно-товарных ферм на 100, 200, 400 голов и свиноводческих ферм [утвержденные НТС Минсельхоза России (10.07.2002) и опубликованные в ФГНУ "Росинформагротех", 2003].
Апробация работы. Результаты работы доложены и одобрены на международных научно-практических конференциях: Автоматизация сельскохозяйственного производства (Углич, ГНУ ВИМ, 1997, 2008); Энергосбережение в сельском хозяйстве (Москва, ГНУ ВИЭСХ, 1998, 2000); Научно-технический прогресс в животноводстве (Подольск, ГНУ ВНИИМЖ, 1998); Технологическое и техническое обеспечение производства продукции животноводства (Москва, ГНУ ВИМ, 2002); III Международная научно-техническая конференция Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве (Москва, ГНУ ВИЭСХ, 2003); V Международная научно-техническая конференция Энергосберегающие технологии в животноводстве (Москва, ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии, 2006); IХ Международная научно-практическая конференция Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве (Углич, ГНУ ВИМ Россельхозакадемии, 2006); Зоогигиена, ветеринарная санитария и экология – основы профилактики заболеваний животных (Москва, ФГОУ ВПО МГАВМ и Б им. К.И. Скрябина, 2006); IХ Международная научно-практическая конференция Научно-технический прогресс в животноводстве– научное обеспечение реализации направления Ускоренное развитие животноводства приоритетного национального проекта Развитие АПК (Москва, ГНУ ВНИИМЖ Россельхозакадемии, 2006); Х Международная научно-практическая конференция Научно-технический прогресс в животноводстве– Машинно- технологическая модернизация отрасли (Подольск, ГНУ ВНИИМЖ Россельхозакадемии, 2007); 59-я Международная научно-практическая конференция Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе (Кострома, ФГОУ ВПО Костромская ГСХА, 2007); Энергообеспечение, электротехнологии, электрооборудование и системы управления АПК (Москва, ФГОУ ВПО МГАУ им. В.П. Горячкина, 2008); VI Международная научно-техническая конференция Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве – Энергосберегающие технологии в животноводстве и стационарной энергетике (Москва, ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии, 2008) и на научно-практических конференциях: Наука – возрождению сельского хозяйства в ХХI веке (Великие Луки, ФГОУ ВПО Великолукская ГСХА, 2001); Совершенствование технологических процессов и рабочих органов машин в растениеводстве и животноводстве (Санкт- Петербург, ФГОУ ВПО Санкт-Петербургский ГАУ, 2003); Наноэлектротехнологии в сельском хозяйстве (Москва, ФГОУ ВПО МГАУ им. В.П. Горячкина); Достижения науки – агропромышленному производству (Великие Луки, ФГОУ ВПО Великолукская ГСХА, 2007), 1-й Российский молодежный инновационный конвент (Москва, Министерство спорта, туризма и молодежной политики, 2008).
Работа прошла Всероссийский уровень апробации, награждена в 1994г. золотой медалью выставки ВВЦ г. Москва, дипломом Международной выставки Агропродмаш-97 г. Москва в 1997 г. и успешно прошла Государственные испытания в 1996 г. в условиях действующего телятника на 320 голов; награждена за разработку автоматизированной системы кондиционирования воздуха (АСКВ) в 1999 г. почетной грамотой Минсельхоза РФ.
За выполненную научно-исследовательскую работу по теме ”Энергосберегающая система формирования оптимального микроклимата в животноводческих помещениях” автор в 2004 г. удостоен звания Лауреата Государственной премией Российской Федерации для молодых ученых за выдающиеся работы в области науки (Указ Президента РФ В.В. Путина № 1076 от 13 августа 2004 г.).
В 2007 году соискатель стал победителем конкурса молодых российских ученых- кандидатов наук при президенте РФ в области технических и инженерных наук по теме Энергосберегающая технология формирования оптимальной среды обитания в животноводческих и птицеводческих помещениях Грант № МК-1086.2007.8.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 49 научных работ, в том числе 11 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ и одна монография. Получено 4 патента на изобретение и один патент на полезную модель.
Личный вклад автора: постановка задач исследования и разработка методологии их решения; проведение теоретических исследований; участие в экспериментальных исследованиях в лабораторных и производственных условиях; участие в проектировании энергосберегающих систем формирования оптимального микроклимата в животноводческих помещениях; участие в разработке систем кондиционирования воздуха для животноводческих помещений; разработка метода оптимизации моделированием технологий формирования микроклимата в животноводческих помещениях; содействие внедрению комплекса инженерных решений, позволяющих минимизировать себестоимость производимой продукции, на пяти животноводческих фермах Псковской области.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Она изложена на 353 страницах машинописного текста, содержит 119 рисунков, 40 таблиц и включает библиографический список из 351 наименования, в том числе 12 на иностранных языках.
Похожие диссертации на Энергосберегающая технология формирования микроклимата в животноводческих помещениях
