Энергосберегающая технология формирования микроклимата в животноводческих помещениях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.02, доктор технических наук Самарин, Геннадий Николаевич

• Самарин, Геннадий Николаевич
• доктор технических наук
• 2009

Оглавление диссертации доктор технических наук Самарин, Геннадий Николаевич

Перечень сокращений, условных обозначений, символов, единиц

Введение 9 1. Современное состояние и развитие систем микроклимата в животноводческих и птицеводческих помещениях

1.1. Влияние параметров микроклимата на продуктивность сельскохозяйственных животных и птицы

1.1.1. Значение корма для сельскохозяйственных животных и птицы

1.1.2. Значение воды для сельскохозяйственных животных и птицы

1.1.3. Влияние температурно-влажностных режимов на продуктивность и жизнедеятельность животных и птицы

1.1.4. Влияние скорости перемещения воздуха в животноводческих помещениях, на их продуктивность и параметры среды обитания

1.1.5. Влияние газового состава среды обитания на продуктивные функции животных

1.1.6. Влияние воздушной пыли на сельскохозяйственных животных и птицу

1.1.7. Влияние микрофлоры воздуха на сельскохозяйственных животных и птицу

1.1.8. Влияние производственных шумов на продуктивность сельскохозяйственных животных и птицы

1.1.9. Влияние ионизирующего излучения на животных и птицу

1.2. Анализ современных систем микроклимата животноводческих и птицеводческих помещений

1.2.1. Системы и технические средства формирования микроклимата в животноводческих и птицеводческих помещениях

1.2.2. Способы и технические средства химической и физической очистки воздуха от вредных газов

1.2.3. Способы и технические средства очистки воздуха от пыли

1.2.4. Способы и технические средства очистки воздуха от вредных микроорганизмов 1.3. Изучение систем микроклимата ферм на основе методов системного анализа

1.3.1. Численные методы решения задач оптимизации

1.3.2. Критерии оптимальности 123 Выводы по главе 1 126 Цель и задачи исследований

2. Математическая модель энергосберегающей технологии оптимального микроклимата в животноводческих помещениях

2.1. Математическая модель тепломассообмена в станках с животными

2.2. Математическая модель и оптимизация конструктивно-технологических параметров системы аэрогидродинамического кондиционирования воздуха

2.2.1. Исходные элементы математической модели аэрогидродинамического кондиционера

2.2.2. Процессы тепло- и массообмена в смесительной камере кондиционера

2.2.3. Процессы тепло - и массообмена в аэрогидродинамической оросительной камере кондиционера

2.2.4. Алгоритм расчета аэрогидродинамического кондиционера

2.2.5. Расчет системы аэрогидродинамического кондиционирования воздуха

2.3. Математическая модель и оптимизация технологических режимов системы микроклимата животноводческих помещений 177 Выводы по главе

3. Методика проведения экспериментальных исследований 215 3.1. Методика и приборы для определения параметров микроклимата в животноводческих и птицеводческих помещениях

3.2. Методика проведения исследований равновесных концентраций аммиака в системе воздух - вода

3.3. Описание макета экспериментальной установки и методика проведения исследований эффективности процесса теплообмена

3.4. Методика определения степени очистки воздуха

3.5. Методика проведения натурных испытаний СКВ в условиях действующего объекта

3.6. Вероятностный метод для исследования параметров микроклимата ферм

4. Результаты экспериментальных исследований

4.1. Химические исследования

4.1.1. Определение пригодности химических веществ для очистки воздуха фермы от вредных газов (аммиака, углекислого газа, сероводорода)

4.1.2. Исследования равновесных концентраций аммиака в системе воздух —вода

4.2. Экспериментальное исследование эффективности процесса « теплообмена при барботации

4.2.1. Описание макета установки для определения коэффициента эффективности процесса теплообмена при барботации

4.2.2. Экспериментальные исследования эффективности процесса теплообмена при аэрогидродинамическом смешивании

4.3. Разработка и исследование систем кондиционирования воздуха

4.3.1. Лабораторные исследования системы аэрогидродинамического кондиционирования воздуха

4.3.2. Натурные исследования системы аэрогидродинамического кондиционирования воздуха в условиях действующего объекта

4.4. Производственные испытания и исследования систем кондиционирования воздуха в условиях действующего объекта

4.4.1. Разработка энергосберегающий технологии формирования оптимального микроклимата в животноводческих помещениях

4.4.2. Описание работы система аэрогидродинамического кондиционирования воздуха с двумя центробежными вентиляторами

4.4.3. Разработка и исследование кондиционера на принципе орошения

4.4.4. Система аэрогидродинамического кондиционирования воздуха с двухлопастным осевым вентилятором

4.4.5. Исследование распределенности параметров микроклимата в различных животноводческих объектах

4.4.6. Проведение испытаний элементов технологии в условиях действующего объекта 285 Выводы по главе

5. Экономическая эффективность энергосберегающей технологии формирования микроклимата на ферме

5.1. Экономическая эффективность системы аэрогидродинамического кондиционирования воздуха

5.2. Оптимизации экономических параметров систем микроклимата

5.3. Экономическая эффективность природоохранных мероприятий

5.4. Режимы энергосбережения технологии формирования оптимального микроклимата в животноводческих помещениях 317 Выводы по главе 5 320 Основные результаты и выводы 322 Литература 325 Приложения

Перечень сокращений, условных обозначений, символов, единиц

Сокращения:

СМФ- система микроклимата фермы псв- приточная система вентиляции со- система отопления всв- вытяжная система вентиляции

АСКВ- автоматизированная система кондиционирования воздуха скв- система кондиционирования воздуха

САКВ- система аэрогидродинамического кондиционирования воздуха овс- отопительно-вентиляционная система онтп- общесоюзные нормы технологического производства кпд- коэффициент полезного действия тэн- теплоэлектронагреватель

ПВУ- приточно-вытяжная установка пдк- предельно-допустимая концентрация

СНиП- строительные нормы и правила эмп- электромагнитное поле к.ед. - кормовая единица

К.Р.С. - крупнорогатый скот

Обозначения: t - температура, °С ф - относительная влажность воздуха, d - влагосодержание воздуха, г/кг

V - скорость движения, м/с р. - концентрация вещества, %, мг/м3, кг/м

Е0 - освещенность, лк

Zd - звуковое давление, дБ

Ф - тепловой поток, Вт

W - энергия, Дж т - время, с, ч

Т - продолжительность периода, сут. и - содержание газа в воздухе помещения, г/(кг сух. воздуха)

G - массовый расход вещества, кг/с, кг/ч h - энтальпия, Дж/кг w - влаговыделения, кг/с, кг/ч п - поголовье животных и птицы, гол. m - масса, кг

L - воздухообмен, производительность по воздуху, м3/с, м3/ч

Q - расход воды, производительность по воде, м /с, м /ч

К - коэффициент

Км - коэффициент влияния параметров микроклимата на удой коровы

Кп - коэффициент влияния параметров микроклимата на привесы животных

Kn - коэффициент влияния параметров микроклимата на яйценоскость

Кк - коэффициент влияния параметров микроклимата на расход кормов

М - удой на корову, кг/сут.

П - привесы, г/ч, г/сут., кг/ч, кг/сут.

N - яйценоскость, шт./ч, шт./сут.

Рк - расход кормов, кг/ч, кг/сут., к.ед./ч, к.ед./сут.

ПЗ - прямые затраты, руб./ц, руб./гол.

ПЗ' - приведенные затраты, руб./ц, руб./гол.

KB - капитальные вложение, руб.

Ст - стоимость, руб.

Индексы:

0, нз - начальное значение кз - конечное значение н - параметры наружного воздуха в - параметры внутреннего воздуха п - продуктивность животного к - расход корма ср- среднее значение

1 - выделение одним животным

17- молекулярная масса аммиака NH3 =

18- молекулярная масса воды Н20 =

28- молекулярная масса азота N2 =

29- относительная молекулярная масса воздуха

32- молекулярная масса кислорода Ог =

34- молекулярная масса сероводорода H2S =

44- молекулярная масса углекислого газа СО2 =

Р- пыль м - микробные тела

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Энергосберегающая технология формирования микроклимата в животноводческих помещениях»

Актуальность проблемы. Микроклимат в помещении — это климат ограниченного пространства, включающий в себя совокупность факторов среды: температура, влажность, скорость движения и охлаждающая способность воздуха, атмосферное давления, уровень шума, содержание взвешенных в воздухе пылевых частиц и микроорганизмов, газовый состав воздуха и др. [11, 59, 120, 171].

Создание и поддержание микроклимата в животноводческих помещениях связаны с решением комплекса инженерно-технических задач и наряду с полноценным кормлением являются определяющим фактором в обеспечении здоровья животных, их воспроизводительной способности и получении от них максимального количества продукции высокого качества.

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 [11, 16].

Существующие типовые отопительно-вентиляционные системы (ОВС) животноводческих помещений обладают целым рядом недостатков. Во - первых, большая энергоемкость технологического процесса. Например, для поддержания нормативного микроклимата в комплексах на 108 тыс. свиней при действующих нормах воздухообмена зимой (ОНТП-2-90) требуется 11. 15 тыс. кВт-ч. Во - вторых, своими выбросами они загрязняют окружающую среду. Например, вытяжная вентиляция свиноводческого комплекса на 108 тыс. гол. выбрасывает в один час в атмосферу 1,5 млрд микробных тел, 159,0 KrNH3, 14,5кг H2S и, причем, часть этих выбросов вновь возвращается в помещение приточной вентиляцией, а оставшееся, распространяется в атмосфере, создает неблагоприятные условия для здоровья окружающего населения [171].

Фермы являются мощными источниками загрязнений окружающей среды и потребителями энергии: ежегодно из помещений животноводческих ферм РФ

3 3 отрасли требуется удалять до 166 млрд м водяных паров, 39 млрд м углекио т слого газа, 1,8 млрд м аммиака, 700 тыс. м сероводорода,,82 тыс. т пыли, патогенную микрофлору [143].

Для удаления вредностей, образующихся в животноводческих помещениях Российской Федерации, на вентиляцию за 2004 год было использовано около 2 млрд кВт-ч электроэнергии, на обогрев помещений дополнительно было израсходовано 1,8 млрд кВт-ч, 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 [143].

В целом потребление энергоресурсов в сельском хозяйстве РФ представлено в таблице 1.

Таблица 1 - Потребление энергоресурсов в сельском хозяйстве РФ [108, 305]

Показатели Годы

1990 1995 2000 2005 2006 2007

Дизельное топливо, млн. т 20,0 6,7 5,0 4,4 5,1 4,2

Бензин, млн. т 11,3 3,0 1,8 1,7 1,7 1,4

Электроэнергия на производственные цели, млрд. кВт-ч 67,3 53,0 30,2 16,9 16,8 16,7

Несмотря на снижение общего потребления энергетических ресурсов в подотраслях животноводства сохраняется высокое удельное потребление энергии и других ресурсов на производство продукции, превышающее, по многим источникам, показатели западных стан в 2,5.3,5 раза (см. таблицу 2) [151], а удельный вес технологических процессов в совокупных затратах труда и энергии представлен в таблице 3 [149].

Таблица 2 - Удельные затраты ресурсов на производство 1 ц продукции животноводства

Ресурсы Молоко Привес свиней Привес скота

20012002 гг. 20042006 гг. 20012002 гг. 20042006 гг. 20012002 гг. 20042006 гг.

Корма, ц к.ед. 1,4-1,5 1,3-1,4 8,4-9,1 6,8-7,5 14,5-14,6 14,4-14,7 в т.ч. концкорма 0,35-0,40 0,34-0,35 7,5-8,4 6,3-6,8 3,2-3,6 3,3-3,4

Рабочее время, чел.-ч 8,7-9,1 9,1-9,2 14,1-14,2 16,0-18,0 13,0-15,0 14,0-16,0

Электрическая энергия, кВт-ч 32,0-35,0 43,0-45,0 270-360 185-200 95-130 80-85

Топливо, кг 8-10 14-16 160-200 140-145 45-60 40-41

Таблица 3 - Удельный вес технологических процессов в совокупных затратах труда и энергии, %

Молочные фермы Свиноводческие фермы

Показатели потребление потребление затраты труда электроэнергии топливо затраты труда электроэнергии топливо

1 2 3 4 5 6 7

Приготовление и раздача кормов 12-22 3-4 13-40 30-42 18-31 5-21

Продолжение таблицы 3

1 2 3 4 5 6 7

Уборка и утилизация навоза 21-23 3-5 50-55 20-32 10-15 10-15

Содержание животных 12-16 13-19 12-15 20-26 2-5

Воспроизводство стада, зоотехническое и ветеринарное обеспечение 11-17 2-3 4-6 15-17 4-6 2-3

Отопление и обеспечение микроклимата 2-3 41-57 - 3-8 48-62 70-80

Доение коров и обработка молока 25-27 22-32 5-6 - -

Поэтому в общем комплексе задач по экономии и эффективному использованию топливно-энергетических ресурсов одним из важных направлений является разработка и внедрение энергосберегающего оборудования для создания микроклимата в животноводческих помещениях.

В тоже время неблагоприятное состояние воздушной среды отрицательно сказывается на здоровье работников птицеферм. Так по данным Саратовского НИИ гигиены села и клиники профзаболеваний при СНИИСГ работники птицеферм, находящиеся под пылевым воздействием, средняя концентрация которого колеблется от 6,4 до 19,6 мг/м3, а в отдельных местах около 30,0 мг/м3, что превышает ПДК в 6. 10 раз, в течение трех лет и более, как правило, страдают хроническим бронхитом, бронхиальной астмой, пневмокониозами и др. формами заболеваний, которые приводят людей к частичной потери трудоспособности, различным группам инвалидности (по данным на 1.01.2002 г. этот показатель по-птицеводству* составлял 12,9%), сокращению4 жизни. На* лечение* заболевших, выплату разного рода пособий по инвалидности затрачиваются значительные средства (по расчетам более 26000 руб./год на 1 человека) [2].

По данным Росстата в организациях сельского хозяйства, охоты и лесного хозяйства в 2006 году у 331человек были установлены профессиональные заболевания. По Российской Федерации профзаболевания установлены у 6290 человек. Ежегодный ущерб от несчастных случаев и профзаболеваний составляет 4,0 . 4,5 млрд. рублей.

Современные типовые ОВС, обзор которых представлен в главе 1, не обеспечивают создания нормативного микроклимата на фермах, так как они управляют в животноводческих помещениях в основном температурным и влажностный режимы. Управление влажностью воздуха, его химическим составом (концентрацией в воздухе аммиака, углекислого газа и сероводорода), запыленностью и бактерицидной обсемененностью осуществляется подачей нагретого наружного воздуха в помещение, где он смешивается с загрязненным воздухом, потоками теплоты и через вытяжную вентиляцию выбрасывается наружу. Поэтому его обработка в животноводческом помещении по типовой технологии требует большого расхода энергии.

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 (как правило, температура и влажность воздуха) оптимальных параметра микроклимата.

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 академия" и 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 "Московский государственный агроинженер-ный университет им. В.П. Горячкина".

Цель исследований

- 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 ин-жерно- 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.

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 №098-96 (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); IX 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); IX 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); X 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 ВИЭСХРос-сельхозакадемии, 2008) и на научно-практических конференциях: "Наука - возрождению сельского хозяйства в XXI 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 Ми-нобрнауки 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.

Заключение диссертации по теме «Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве», Самарин, Геннадий Николаевич

Основные результаты и выводы

1. Работа, существующих типовых систем формирования микроклимата животноводческих ферм основана на управлении температурой и влажностью воздуха кратностью воздухообмена в- помещении до 3.5 раз/час, - поэтому К.П.Д. использования теплоты внутреннего воздуха,фермы в зимний период не превышает 25 . .30%, а в летний период не обеспечивают нормативной технологии содержания животных. При этом в окружающую среду выбрасываются вредные газы (аммиак, углекислый газ, сероводород), пыль и микробные телаи

2\. С целью изыскания энергосберегающих технологий формирования параметров-микроклимата среды обитания» животных, изучены, и обобщены результаты научных исследований: данного направления и разработаны математические модели, позволившие получить аналитические зависимости между расходом энергии, корма, продуктивностью животных и основными параметрами микроклимата: температурой,, относительной влажностью, скоростью движения внутреннего? воздуха в* животноводческих помещениях, концентрации вредных газов, (углекислого газа,.аммиака^ сероводорода)^ освещенности и шумов, а также обобщены данные по влиянию ионизации воздуха, инфракрасного и ультрафиолетового облучения на продуктивность животных и птицы.

3. Определена математическая модель системы аэрогидродинамического кондиционирования воздуха, на основании которой и проведенных исследований, разработаны алгоритм, и программа расчета на ПЭВМ, которая позволяет оптимизировать основные конструктивно-технологические и энергетические параметры системы кондиционирования: воздуха в условиях сельского хозяйства.

4. Разработанные' математические: модели указанных зависимостей позволили получить математическую' модель, системы^ формирования-: микроклимата животноводческих: помещений, алгоритм; и программу ее расчета на ПЭВМ, позволяют выбрать, а затем оптимизировать методом последовательного анализа технологические и энергетические показатели выбранных технологий формирования-микроклимата в животноводческих помещениях.

5. По результатам теоретических исследований и реализации математической модели созданы энергосберегающая технология формирования оптимального микроклимата и система аэрогидродинамического кондиционирования воздуха (САКВ), которая выполняет следующие технологические операции: нагрев и охлаждение, увлажнение и осушение воздуха, очистку рециркуляционного воздуха водой от аммиака, углекислого газа, сероводорода, пыли и вредных микроорганизмов. Для повышения эффективности очистки воздуха от углекислого газа может использоваться гашеная известь, концентрацией 0,15%. В ходе реакций газов (аммиака и углекислого газа) с водой получается раствор гидрокарбоната аммония, тех же газов с гашеной известью — раствор гидрокарбоната кальция,, которые экологически безопасны и могут использоваться для удобрения почвы.

6. Проведенными лабораторно- полевыми исследованиями САКВ? установлено, что при давлении вентилятора 1,5 кПа оптимальный барботационный режим наблюдался при погружении шлангов .на глубину 70. .120 мм, при этом достигалась максимальная эффективность тепломассообмена; эффективность очистки рециркуляционного воздуха от аммиака составляет 76.78%, от углекислого газа — 62.64'%, от пыли - 100 %.

7. Производственные испытания' системы формирования оптимального микроклимата с аэрогидродинамическим кондиционером в свинарнике- маточнике на 160 свиноматок с приплодом учхоза "Удрайское" Псковской области при сравнении с типовой-системой микроклимата (ПВУ-4М) показали, что при создании нормативных параметров микроклимата на ферме эксплуатационные затраты уменьшились, в 1,94 раза, при этом срок окупаемости дополнительных капиталовложений составляет 0,81 года, а годовой экономический эффект - 535 тыс. руб; (в ценах 2008 года). В данном объекте САКВ успешно эксплуатируется по настоящее время более 10 лет.

8. Использование САКВ позволяет сэкономить энергии при выращивании телят до 4 мес. - до 20%, свиней до 6 мес. — до 60%, чем при типовых системах микроклимата. Экономическая эффективность природоохранных мероприятий при работе САКВ составляет для телятника на 120 голов - 730,4 руб./год, для свинарника- откормочника на 500 голов - 692,5 руб./год.

9. За последние 15 лет разработано, изготовлено и реализовано на практике несколько систем кондиционирования воздуха для животноводческих помещений, некоторые успешно эксплуатируются по настоящее время. Впервые, разработанная система кондиционирования воздуха на принципе орошения, прошла испытания в 1994 г. в телятнике на 320 голов А.О. «Великолукское» Великолукского района Псковской области, а в 1996 году прошла Государственные испытания Подольской МИС в условиях телятника на 300 голов ОАО "им. Куйбышева" Великолукского района Псковской области протокол № 09-896 (10601123). Производство СКВ освоено по заказам на ЗАО "Завод электротехнического оборудования" (182100, г.Великие Луки, Псковской обл., пр-т Октябрьский, 79, ЗАО "ЗЭТО" E-mail: [e-mail]).

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Самарин, Геннадий Николаевич, 2009 год

1. Агеев, В.Н: Промышленное птицеводство Текст./ В.Н. Агеев, Ф.Ф. Алексеев, М.А. Асриян и др. М.: Агропромиздат, 1985. - 479 с.

2. Акатов, А.А. Совершенствование локальной очистки воздуха в инкубаториях птицефабрик с помощью электрокоронного фильтра повышенной эффективности Текст.: дис.канд. техн. наук / А.А. Акатов. — Саратов, 2003. — 252 с.

3. Алборов, И.Г. Зоогигиеническая оценка комбинированного ультрафиолетового облучения»в птичниках Текст.: дис.канд. вет. наук / И.Г. Алборов. — Спб: С-Петербург. вет. ин-т, 1994. — 135 с.

4. Алексеев, Ф.Ф. Промышленное птицеводство Текст. /Ф.Ф* Алексеев, М.А. Асриян, Н.Б. Бельченко и др.: сост.: В.И. Фисин, Г.А. Тардатьян. М.: Агропромиздат, 1991. -544с.: ил.

5. Антонов, А.П. Анализ режимов работы вентиляционных установок на фермах Текст. / А.П. Антонов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1983. - №10. -С. 23-26.

6. Антонов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1987. - № 10. - С. 41-43.

7. Афанасьев, В.Н. Практическое руководство для сельскохозяйственных предприятий по охране окружающей среды Текст. / В.Н. Афанасьев, П.А. Суханов, А.В. Афанасьев и др. Спб: СЗНИИМЭСХ, 2005. - 272 с.

8. Афанасьев, Д.Е. Энергосбережение в сельском хозяйств. Якутии Текст.: дис. доктора техн. наук / Д.Е. Афанасьев. М.: МГАУ, 1995. - 279 с.

9. Ахмед Ибрагим Альбанки. Влияние генотип-средового взаимодействия на продуктивные качества кур яичного направления Текст.: дис.канд. с.-х. наук / Ахмед Ибрагим Альбанки. Жодино: Белорус. НИИ животноводства, 1994. -148 с.

10. Баланин, В.И.' Зоогигиенический контроль микроклимата в животноводческих и птицеводческих помещениях Текст. / В.И. Баланин. Л.: Агропромиздат, 1988. - С 5.

11. Банхиди, JI. Тепловой микроклимат помещений Текст.: пер. с венг / JL Банхиди. М.: Стройиздат, 1981.-248 с.

12. Баркалов, Б.В. Кондиционирование воздуха в промышленных и жилых зданиях Текст. / Б.В. Баркалов, Е.Е. Карпис. М.: Стройиздат, 1982. - С. 180 - 191.

13. Бароев, Т.Р. Электрифицированные системы локального микроклимата для молодняка сельскохозяйственных животных Текст.: дис.д-ра техн. наук / Т.Р." Бароев. М.: ВИЭСХ, 2002. - 364 с.

14. Бароев, Т.Р. Установка для инфракрасного и ультрафиолетового облучения молодняка Текст. / Т.Р. Бароев // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1985. - №4. - С. 48 - 49.

15. Бароти, И: Энергосберегающие технологии и агрегаты на животноводческих фермах Текст. / И. Бароти, П. Рафан. М.: Агропромиздат, 1988. - 227с.

16. Батмангхелидж, Ф. Вода для здоровья Текст. / Ф. Батмангхелидж: пер. с англ. О.Г. Белошеев. Мн.: «Попурри», 2006. - 288 с.; ил.

17. Башагиров, М.И. Микроклимат в коровнике Текст. / М.И1 Башагиров // Сельское хозяйство Казахстана: 1985. - №11. - С. 24 - 26.

18. Белоглазова, Т.Н. Многовариантное проектирование комплекса инженерных систем обеспечения .микроклимата: На примере цехов холоднойобработки металлов Текст.: дисс. канд. техн. наук / Т.Н. Белоглазова. Пермь, 2000. - 230 с.

19. Беляева, G. К. Исследование энергетики'технических средств.локального обогревав свинарниках-маточниках Текст. : автореф. дисс. . канд. техн. наук / С.К. Беляева. -М.: ВИЭСХ-, 1978. 20 с.

20. Богословский, В.Н; Кондиционирование воздуха,и холодоснабжение Текст. / В.Н. Богословский, О .Я. Кокорин, Л.В. Петров. М.: Стройиздат, 1985. - 225 с.

21. Богословский, В.Н. Строительная теплофизика. Теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования»воздуха Текст. / В.Н. Богословский. М.: Высшая школа, 1982. - 368 с.

22. Бодунов, А.В. Обеспеченность параметров микроклимата в сельскохозяйственных зданиях с воздухопроницаемыми наружными ограждениями Текст.: дис.канд. техн. наук / А.В. Бодунов. Н.Новгород, 2003. - 173 с.

23. B.П. Горячкина. М.: ФГНУ Росинформагротех, 2006. - 116 с.

24. Бородин, И.Ф. Основы автоматики и автоматизации производственных процессов Текст. / И.Ф. Бородин, Н.И. Кирилин. М.: Колос, 1977. - С. 81, 129.

25. Бородин, И.Ф. Проблемы энергосбережения Текст. / И.Ф. Бородин // Современные энергосберегающие технологии и оборудование: научные труды. МГАУ, 1999.

26. Бородин, И.Ф. Формирование оптимальной окружающей среды в животноводческих помещениях на основе нанотехиологии Текст. / И.Ф. Бородин, Г.Н. Самарин // Техника и оборудование для села. — 2007. № 6. — С.12.

27. Бородин, И.Ф. Электроозонирование воздушной среды в животноводстве Текст. / И.Ф. Бородин, Н.В: Ксенз, Т.П. Шубина // Механизация и-электрификация сельского хозяйства. 1995. - №7. - С. 18.

28. Бородуля, В:В. Твердотопливный теплогенератор ТГТ 100 Текст. / В.В. Боролуля // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 1992. - №2. - С. 20.

29. Бронфман, Л.И. Методы и средства-формирования рационального микроклимата в животноводческих помещениях Текст.: дис.д-ра техн. наук / Л.И: Бронфан. -Челябинск, 1990: 365 с.

30. Брух, С.В. Вероятностный метод выбора расчетной температуры внутреннего воздуха при проектировании многозональных систем кондиционирования Текст. /С.В. Брух.-Пермь, 2002. Зс.

31. Будзко, И.А. Экономические основыэлектрификации животноводства'Текст. / И.А. Будзко, P.M. Славин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1980. -№ 4. - С. 28.

32. Булавин, С.А. Математическая модель выращивания телят Текст. /С.А. Булавин, А.Ф: Пономарев // Техника в сельском хозяйстве. 1995. - № 6

33. Быстрицкий, Д.Н. Зонный > комбинированный обогрев поросят- сосунов Текст. / Д.Н. Быстрицкий, К.Е. Лещенко // Энергетика животноводческих ферм: научн. тр. -М.: ВИЭСХ, 1982. 55 с.

34. Быстрицкий, Д.Н. Расчет комбинированного обогрева молодняка Текст. / Д.Н. Быстрицкий, В.Н. Расстригин, К.Е. Лещенко // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1987. - № 3. - С. 46.

35. Веденяпин, Г.В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных Текст.'/ Г.В. Веденяпин. М.: Колос, 1967. - 152 е.: ил.

36. Вентиляция и кондиционирование воздуха Текст.: справочник. М.: Стройиздат, 1978.-С. 119-150.

37. Викторов, П.И. Методика и организация зоотехнических опытов Текст. / П.И. Викторов, B.C. Менькин.- М.: Агропромиздат, 1991. С. 37 - 55.

38. Волков, Г.К. Охрана воздушного бассейна животноводческих ферм и птицефабрик Текст. / Г.К. Волков, Л.Ф. Силенок, П.П. Козура // Ветеринария. 1975. - №9. - С. 32 - 36.

39. Волкова, Н.А. Биоритмы физиологических функций у коров при различных параметрах микроклимата Текст.: дис.канд. вет. наук / Н.А. Волкова. М.: ВНИИ вет. санитарии, 1997. - 168 с.

40. Вольф, Н. Водяной обогрев логова поросят Текст. / Н Вольф // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1988. - №7. - С. 63.

41. Воробьев, В. А. Электрификация и автоматизация, сельскохозяйственного производства Текст.: учебники и учеб.1 пособия для студентов с.-х. высш. учеб. заведений / В.А. Воробьев. М.: Колос, 2005. - 280 е.: ил.

42. Гайдук, В.Н. Практикум по электротехнологии Текст. / В.Н. Гайдук, В.Н. Шмигель.-М.: Агропромиздат, 1989:- 168'с.

43. Галушко, B.C. Проблемы микроклимата и продуктивность животных (сводный реферат) Текст. / B.C. Галушко // Сельское хозяйство за рубежом. Животноводство. -, 1973.-N 10.-С. 28-63.

44. Гарькавый, К.А. Исследования тепловлажностного режима животноводческих помещений и разработка энергосберегающих мероприятий для обеспечения микроклимата Текст.: дис.канд. техн. наук/К.А. Гарькавый. Ростов н/Д, 2003. - 131с.

45. Гатуева, К. К. Разработка и исследование системы панельно-лучистого локального электрообогрева молодняка КРС Текст.: автореф. дисс. . канд. техн. наук / К.К. Гатуева. М.: МИИСП, 1977. -16 с.

46. Георгиевский, В.И. Автоматические системы кондиционирования воздуха Текст. / В.И. Георгиевский, Ф.А. Соловьев, Т.Е. Бурделев, Н.С. Воробьев, В.А. Самарин // Ветеринария. 1988.- № 5. - С. 24 - 25.

47. Георгиевский, В.И. Оптимизация микроклимата в животноводческих комплексах на базе автоматических промышленных кондиционеров Текст. / В.И. Георгиевский, В.А. s Самарин, Н.С. Шевелев. Тбилиси: Грузинский СХИ, 1982.f

48. Георгиевский, В.И. Физиология сельскохозяйственных животных Текст. / В.И. Георгиевский.- М.: Агропромиздат, 1990. С. 334 - 378.21

49. Гирченко, М.Т. Исследование и определение оптимальных режимов общего и местного обогрева свинарников-маточников с автоматическим регулированием температуры Текст.: автореф. дисс. . канд. техн. наук / М.Т. Гирченко. Киев: УСХА, 1974. - 23 с.

50. Гичев, Ю.П. Влияние электромагнитных полей на здоровье человека Текст.: аналит. обзор / Ю.П. Гичев, Ю.Ю. Гичев // СО РАН, ГПНТБ: сер. экология Вып. 52: -Новосибирск, 1999. - 90 с.

51. Гоголин, В.А. Исследование процесса охлаждения и осушения воздуха в орошаемых регулярных насадках для систем кондиционирования воздуха Текст.: автореф. дис. канд. техн. наук / В:А. Гоголин. М.: НИИсантехники, 1986.

52. Горбачев, B.C. Теплоэнергетическое оборудование для животноводческих ферм Текст. / B.C. Горбачев, Н.Е. Колобов^// Достижения науки и техники АПК. 1989. -№5.-С. 50-51.

53. Горячев, О.Н: Исследование животноводческих помещений как объектов автоматического регулирования Текст.: автореф. дисс. канд. техн. наук / О.Н. Горячев. М.: МИИСП, 1968. - 29 с

54. Грачева, Л.И. Использование солнечной энергии для теплоснабжения ферм Текст. / Л'.И. Грачева; С.В. Чеботарь, М.И. Городов // Зоотехния. 1990. - №4. - С. 73 - 75.

55. Григорьев, Ю.Г. Человек в электромагнитном поле, существующая ситуация, ожидаемые биоэффекты и оценка опасности Текст. / Ю.Г. Григорьев // Радиац. биология. Радиоэкология. -1997. Т.37. - № 4. - С. 690 - 702.

56. Турецкий, Н.И. Химия: краткий учебный справочник Текст. / Н.И. Турецкий. М.: ФГОУ ВПО МГАУ, 2004. - 62с., табл. 60.

57. Дацков, И.И. Корреляционный анализ температурного режима животноводческих ферм Текст. / И.И. Дацков // Механизация и электрификация сельского хозяйства. -1976. № 9. - С. 27 - 28.

58. Дехнич, Н.Н. Рационализация режимов эксплуатации < отопите льно вентиляционных установок Текст. / Н.Н. Дехнич // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 1989. - №1. - С. 24 - 26.

59. Драганов, Б.Х. Использование возобновляемых и вторичных энергоресурсов в сельском хозяйстве Текст. / Б.Х. Драганов. Киев: Выща школа, 1988.-56с.

60. Драганов, Б.Х. Применение теплоты в сельском хозяйстве Текст. / Б.Х. Драганов, В.В. Есин, В.П. Зуев. Киев: Выща школа, 1990. - 319 с.

61. Драганов, Б.Х. Теплотехника и применение теплоты в сельском хозяйстве Текст. / Б.Х. Драганов, А.В. Кузнецов, С.П. Рудобашта. М.: Агропромиздат, 1990. - 463 е.: ил.

62. Дытнерский, Ю.Н. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию Текст. / Ю. Н. Дытнерский: под ред. Ю.Н. Дытнерского. М.: Химия, 1991.-498 с.

63. Дьяконов, В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке бейсик для персональных ЭВМ Текст.: справочник / В.П. Дьяконов М.: Наука. Гл. ред. физ. -мат. лит., 1989. - 240 с.

64. Егиазаров, А.Г. Общая теплотехника, теплоснабжение и вентиляция» Текст. / А.Г. Егизаров. М.: Стройиздат, 1982. - 215 с.

65. Егиазаров, А.Г. Отопление и вентиляция» зданий и сооружений сельскохозяйственных комплексов Текст. / А.Г. Егизаров. М.: Стройиздат, 1981.

66. Егиазаров, А.Г. Отопление и вентиляция сельскохозяйственных зданий Текст. / А.Г. Егизаров, О .Я. Кокорин, Ю.М. Прыгунов. Киев: Буд1вельник, 1976. -234с.

67. Егоров, Г.И. Повышение процессов и технических средств для обеспечения местного микроклимата в животноводческих помещениях Текст.: дис.канд. техн. наук / Г.И. Егоров. Чебоксары, 1999. - 197 с.

68. Живописцев, Е.Н. Об использовании устройств местного обогрева с бесконтактными регуляторами температуры Текст. / Е.Н. Живописцев. М.: МИИСП, 1979. - т.15. - С. 93 - 96.

69. Животноводство Текст. / Под. ред. Е.А. Арзуманяна. М.: Колос, 1976.

70. Животноводческая ферма Текст. / З.И. Жук и др.: А.с. № 685226 СССР. опубл. 1979. Бюл. № 42.29

71. Жильцов, В.И. Экономические режимы работы вентиляционных установок в животноводстве Текст. / В.И. Жильцов, A.M. Зайцев. М.: Агропромиздат, 1988. -С.109- 165.

72. Жуков, В.П. Исследование и разработка многоканальных систем автоматического управления микроклиматом теплицы Текст.: автореф. дис. . канд. техн. н.:05.411 / В.П. Жуков. М.: МИИСП, 1972. - С. 21.85.