Методы и технические средства обеспечения параметров микроклимата коровника

Борулько Вячеслав Григорьевич

Методы и технические средства обеспечения параметров микроклимата коровника тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, доктор наук Борулько Вячеслав Григорьевич

Борулько Вячеслав Григорьевич
доктор наук
2021

Специальность ВАК РФ05.20.01

Количество страниц 340

Борулько Вячеслав Григорьевич. Методы и технические средства обеспечения параметров микроклимата коровника: дис. доктор наук: 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства. ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева». 2021. 340 с.

Оглавление диссертации доктор наук Борулько Вячеслав Григорьевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Роль микроклимата в повышении эффективности молочного скотоводства

1.2 Требования нормативных документов к параметрам воздушной среды

1.3 Санитарно-гигиенические требования к параметрам микроклимата в животноводческих помещениях для КРС

1.4 Классификация систем вентиляции и их краткая характеристика

1.5 Особенности вентиляции помещений для содержания КРС

1.6 Основные ошибки при проектировании помещений и вентиляционных систем для КРС

1.7 Анализ устройств автоматического регулирования расхода воздуха для систем вентиляции

1.8 Методы организации вентиляции в животноводческих помещениях

для содержания КРС

1.9 Анализ распыления жидкости форсунками

1.10 Эффективность различных способов распыления жидкостей

1.10.1 Гидравлическое распыление

1.10.2 Механическое распыление

1.10.3. Пневматическое распыление

1.10.4. Электростатическое распыление

1.10.5. Проблемы и перспективные методы распыления жидкостей

1.10.6. Принцип и физический механизм ультразвукового распыления жидкостей

1.11. Аэрация коровников, конструктивные элементы, организация

воздухообмена

1.12 Анализ систем аэрации

1.13 Поступления теплоты, влаги и вредных выделений в воздух помещения

1.14 Основные виды вредных выделений в производственных зданиях

1.15 Поступления и потери теплоты в помещениях производственных

зданий

1.16 Определение поступлений теплоты и влаги с поверхности жидкости и прочих смоченных поверхностей в воздух помещения

1.17 Прочие случаи поступления газов и паров в воздух помещения

Выводы по главе

1.18 Цель и задачи исследований

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МИКРОКЛИМАТА КОРОВНИКОВ

2.1 Математическая модель влияния внешних факторов на микроклимат коровника

2.2 Тепловой баланс животноводческих помещений

2.2.1 Теплообмен излучением

2.2.2 Конвективный теплообмен

2.2.3 Оценка параметров микроклимата в животноводческих помещениях

2.3 Математическая модель естественной вентиляции помещения

2.4 Математическая модель местной принудительной вентиляции

2.5 Математическая модель принудительной вентиляции с

водоиспарительным охлаждением

2.5.1 Испарение капель воды

2.5.2 Испарение через монослои

2.6 Математическая модель поступления тепловой энергии через светопрозрачные ограждения

2.7 Математическая модель теплового потока воздуха вдоль ограждающих поверхностей

2.7.1 Тепловой режим помещения

2.7.2 Теплопроводность

2.7.3 Лучистый теплообмен в помещении

Выводы по главе

ГЛАВА 3 ПРОГРАММА, МЕТОДИКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Программа экспериментальных исследований системы обеспечения микроклимата коровника с беспривязным содержанием животных

3.2 Экспериментальная установка для комплексного исследования параметров микроклимата коровника

3.3 Экспериментальная установка для исследования устройства принудительной вентиляции с водоиспарительным охлаждением

3.4 Методики экспериментальных исследований и производственных

испытаний

Выводы по главе

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Результаты комплексного исследования параметров

микроклимата коровника

4.2 Результаты исследования температуры кожного покрова коров в

зависимости от температуры среды

4.3. Исследования влияния водоиспарительного охлаждения на температуру тела и кожного покрова коров при различной температуре и относительной влажности воздуха в коровнике

4.4 Результаты исследования изменения температуры и относительной влажности воздуха в коровнике

4.5 Результаты исследования местоположения животных в коровнике в зависимости от параметров микроклимата воздуха

4.6 Результаты оценки и обеспечения климатических условий

на молочной ферме в теплый период года

4.7 Результаты исследований зависимости освещенности и индекса

тепловой нагрузки от площади светового потока

4.8 Результаты исследования зависимости освещенности, результирующей температуры и средней температуры поверхностей внутри коровника

4.9 Результаты исследования влияния характеристик материалов крыши на температуру внутри помещения

4.10 Результаты исследования влияния режимов системы местной принудительной вентиляции с водоиспарительным охлаждением на клинико-физиологические показатели животных

4.11 Результаты производственной проверки устройства местной

вентиляции

Выводы по главе

ГЛАВА 5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ СИСТЕМЫ МЕСТНОЙ ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ С

ВОДОИСПАРИТЕЛЬНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

Выводы по пятой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А (обязательное)

Приложение Б (обязательное)

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и технические средства обеспечения параметров микроклимата коровника»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Важнейшим резервом повышения эффективности производства продукции животноводства является обеспечения рациональных параметров микроклимата в помещениях для содержания коров.

Климат средней полосы России стремительно меняется. Возникает острая проблема - волны тепла, когда летом все чаще и чаще температуры становятся экстремальными. За последние 30 лет средняя годовая температура в центре европейской части России выросла на 1 -1,5 оС, что негативно сказывается на условиях содержания сельскохозяйственных животных. Главной причиной экономических потерь в животноводстве в условиях повышенных температур является снижение адаптивных способностей организма в поддержании температурного баланса тела и толерантности к тепловому стрессу.

Коровы, из-за интенсивных обменных процессов подвержены тепловому стрессу, который начинает проявляться при увеличении температуры воздуха выше 24 оС и относительной влажности 50%. Возникающие при этом нарушения в терморегуляционных способностях крупного рогатого скота приводят к физиологическим, поведенческим и продуктивным изменениям. Снижается потребление корма на 10-30%, уменьшается двигательная активность на 20-50%, снижается до 35% молочная продуктивность, угнетаются репродуктивные функции, усложняются отелы, а 10-15% рожденных при этом телят зачастую рождаются больными и имеют в последствии пониженные продуктивные показатели.

Наметившаяся тенденция роста температуры окружающей среды и продолжительности ее воздействия на животных требует совершенствования существующих методов и технических средств для обеспечения оптимальных температурных режимов животноводческих помещений. При распознавании признаков начинающегося теплового стресса целесообразно организовать систему адекватных управляющих воздействий на микроклимат коровника, адаптированных к изменяющемуся физиологическому состоянию животных. Степень разработанности темы. Проанализированы работы ведущих

отечественных и зарубежных ученых, исследовавших в достаточной мере вопросы по микроклимату применительно к помещениям стационарных объектов, микроклимат и его влияние на продуктивность в молочном животноводстве.

Проблеме оптимизации микроклимата животноводческих помещений посвящены исследования отечественных ученых: С.А. Андреев [2, 3], И.Ф. Бородина [13, 14, 15, 16, 17], В.Н. Богословского [8, 9, 10, 11],

A.И. Викторова [34, 35, 36, 37, 38, 39, 40], В.А. Георгиевский [44, 45, 46],

B.И. Гулевского [49, 50, 51, 52, 53], Ю.А. Иванова [61, 62, 63, 64, 65, 66, 67], Ю.Г. Иванова [68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75], И.Ю. Игнаткина [76, 77, 78], В.В. Кирсанов [81, 82, 83, 84, 109, 110], А.И. Куприенко [96, 97, 177, 178],

A.А. Лебедя [98, 99, 100, 101], А.К. Лямцева [104, 105], Н.М. Морозова [113, 114, 115], Д.Н. Мурусидзе [120, 121], Н.Н. Новикова [122, 123, 124, 125, 126, 127], Д.А. Понизовкина [132, 133], Ю.Н. Пчелкина [134], С.П. Рудобашта [141],

B.Н. Расстригина [135, 136], С.А. Растимешина [137, 138, 139], В.А. Самарина [144, 145, 146], Г.Н. Самарина [148, 149], А.К. Тургиева [69, 180], B.C. Шкрабака [180], Gupta C.P. (Таиланд), Matsuki T. (Япония), и др.

Широкие исследования по созданию технических средств обеспечения микроклимата в животноводстве проведены в: ВИЭСХе, ВНИИМЖе, ВНИИКОМЖе, ВНИИОТе, ВИЖе, С-ЗНИИМЭСХ, Кубанском ГАУ имени И. Т. Трубилина, Белгородской ГСХА, Вятской ГСХА, Оренбургском ГАУ, РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, Санкт - Петербургском ГАУ, Воронежском ГАУ имени императора Петра 1, Великолукской ГСХА, ВЕНТМАШ и др.

Ведущими зарубежными фирмами по созданию средств обеспечения параметров микроклимата являются: Agrotel GmbH, Big Dutchman Pig Equipment GmbH, Moller GmbH Agraklima-Steuerungen, RIMU-Luftungstechnik, Rudolf Hermann GmbH&Co, НАКА (Германия), Dacs A/S, Scov A/S, Fog Agroteknik A/S (Дания), Genugten Agri B.V. (Нидерланды), Chore-Time (США) и др.

В последнее двадцатилетие промышленное молочное скотоводство развивается по пути строительства высокомеханизированных коровников с беспривязным содержанием животных в зданиях без обогрева, в которых за счет организации естественного воздухообмена практически полностью удаляются вредные составляющие воздуха, такие как - углекислый газ, сероводород, аммиак, пыль. Вместе с тем, крайне важными для животных остается влияние таких параметров как температура и влажность воздуха, скорость его движения, солнечная радиация, особенно для теплого периода года, которые желательно поддерживать в пределах физиологических норм, что и является предметом настоящих исследований.

Обобщая и систематизируя существующие меры по снижению тепловых стрессов для животных в теплое время года можно сформулировать современный уровень основных базовых принципов для поддержания рациональных параметров микроклимата животноводческих помещений, которые предусматривают набор методов и технических решений. Они включают: достаточную площадь и объем воздуха в помещении для животных; расположение коровников поперек преобладающего направления ветров; открытые боковые стеновые проемы и вентилируемый светопрозрачный конек, обеспечивающие естественную вентиляцию в объеме достаточном для удаления вредных составляющих воздуха, таких как - углекислый газ, сероводород, аммиак, пыль, избыточную влагу; обеспечение естественного освещения за счет боковых стеновых и оконных проемов, светопрозрачного конька и окон на крыше; регулирование уровня попадающей внутрь здания солнечной радиации, нагревающей животных, корм и оборудование за счет изменения высоты штор; применение вспомогательной принудительной локальной вентиляции и все это при ограничении скорости потока воздуха внутри помещения до таких значений, при которых не возникает сквозняков. Здания для животных с учетом возможных значительных низких температур окружающей среды в зимнее время года рекомендуется строить с теплоизоляцией, например - из сэндвич-панелей.

Анализ состояния вопроса показал, что в целом до настоящего времени проблематичными остаются вопросы поддержания нормативных параметров микроклимата в животноводческих помещениях для теплого периода года при высоких температурах, влажности и тепловой радиации. Несмотря на значительное число фундаментальных и прикладных исследований отсутствуют системные решения, учитывающих реакцию организма животного на тепловые стрессы и вызывающие их причины, поэтому совершенствование методов и технических средств обеспечения параметров микроклимата является актуальной задачей.

Цель исследований - разработка методов и технических средств обеспечения микроклимата коровников с беспривязным содержанием в теплый период года для снижения тепловых стрессов и повышения продуктивности животных.

Задачи исследований:

1. Провести анализ тенденций развития методов и технических средств обеспечения микроклимата в коровниках с беспривязно-боксовым содержанием животных.

2. Разработать усовершенствованную математическую модель биотехнической системы «животное - среда - техника - коровник» в виде целевой функции снижения показателей теплового стресса животного для теплого периода года в зависимости от факторов, влияющих на параметры микроклимата в коровнике: температуры и влажности воздуха, поступающей солнечной радиации, характеристик крыши и ограждающих конструкций с учетом клинико-физиологических показателей животных - частоты дыхания, частоты сердечных сокращений, температуры тела и кожного покрова.

3. Разработать метод и математическую модель местной принудительной вентиляции с водоиспарительным охлаждением для теплого времени года, обеспечивающие снижение температуры воздуха в помещении с учетом клинико-физиологических показателей животных.

4. Разработать метод и математическую модель местной принудительной вентиляции с водоиспарительным охлаждением для теплого времени года,

обеспечивающие снижение температуры кожного покрова животных с учетом их клинико-физиологических показателей.

5. Разработать метод и математическую модель влияния параметров микроклимата в коровнике на животное:

- температуры, относительной влажности воздуха, воздухообмена на физиологические показатели животных - частоту дыхания, частоту сердечных сокращений, температуру тела и кожного покрова;

- конструктивно-технологических параметров: размеров здания, боковых ограждающих поверхностей, оконных проемов;

- характеристик крыши: материала, теплопроводных свойств, размеров окон на крыше.

6. Разработать комплект технических средств местной принудительной вентиляции с водоиспарительным охлаждением, обеспечивающий охлаждение воздуха и животных в коровнике в теплое время года, учитывающий их клинико-физиологические показатели.

7. Провести лабораторные и производственные исследования технических средств местной принудительной вентиляции обеспечения микроклимата с водоиспарительным охлаждением, обеспечивающих снижение температуры воздуха в помещении и температуры кожного покрова животных в зоне их нахождения с учетом их клинико-физиологических показателей.

8. Провести экономическую оценку внедрения разработанного комплекта технических средств местной принудительной вентиляции с водоиспарительным охлаждением, обеспечивающего снижение температуры воздуха в помещении и температуры кожного покрова животных в зоне их нахождения с учетом их клинико-физиологических показателей.

Научная новизна работы заключается в разработке методов и технических средств ступенчатой системы обеспечения микроклимата коровника с водоиспарительным охлаждением, управляемого на основе клинико-физиологических показателей животных, обеспечивающих снижение тепловых стрессов в теплый период года.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в разработке технических средств местной принудительной вентиляции с водоиспарительным охлаждением для теплого времени года, обеспечивающих снижение тепловых стрессов животных различными методами, в зависимости от температуры и влажности в коровнике и проведение обоснованного размещения вентиляторов в коровнике, с учетом режимов воздействия потока воздуха и распыления жидкости в зонах нахождения животных, в зависимости от параметров микроклимата фермы и клинико-физиологических показателей животных. Техническая новизна разработанного устройства подтверждена патентами на полезную модель, свидетельством о регистрации в качестве ноу-хау результата интеллектуальной деятельности и свидетельствами о регистрации базы данных РФ.

Методология и методы исследования. Решение поставленных задач проведено с комплексным исследованием влияния параметров микроклимата и управляющих воздействий на физиологические показатели животных на молочных фермах с использованием математического анализа, математической статистики, дифференциального и интегрального исчислений, математического моделирования, программирования на ЭВМ. Используемое программное обеспечение: Microsoft Office Excel 2016, Microsoft VISIO 2016, AutoCAD, Adobe Illustrator, Testo.

Положения, выносимые на защиту:

- усовершенствованная математическая модель биотехнической системы «животное - среда - техника - коровник» в виде целевой функции снижения теплового стресса животного для теплого времени года по предложенному показателю - индексу теплового стресса, в зависимости от факторов, влияющих на параметры микроклимата в коровнике: температуры и влажности воздуха, поступающей солнечной радиации, характеристик крыши и ограждающих конструкций с учетом клинико-физиологических показателей животных -частоты дыхания, частоты сердечных сокращений, температуры тела и кожного покрова;

- метод и математическая модель местной принудительной вентиляции коровника с водоиспарительным охлаждением для теплого периода года, обеспечивающие охлаждение воздуха в зоне нахождения животных с учетом их клинико-физиологических показателей;

- метод и математическая модель местной принудительной вентиляции коровника с водоиспарительным охлаждением для теплого периода года, обеспечивающие охлаждение кожного покрова животных с учетом их клинико-физиологических показателей;

- метод и математическая модель влияния конструктивно-технологических параметров - размер здания, конструкция боковых ограждающих поверхностей, размер оконных проемов, характеристики крыши (материал, теплопроводные свойства, размеры коньков и окон на крыше) на микроклимат коровника - температуру, относительную влажность воздуха, воздухообмен; и физиологическое состояние животных - частоту дыхания, частоту сердечных сокращений, температуру тела и кожного покрова;

- комплект технических средств местной принудительной вентиляции коровника с водоиспарительным охлаждением для теплого времени года, управляемый с учетом клинико-физиологических показателей животных;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований, устанавливающих влияние конструктивно-технологических параметров коровника, технических систем обеспечения параметров микроклимата на клинико-физиологические показатели животных в теплое время года.

Реализация результатов исследований. Результаты проведенных исследований используются в учебном процессе вузах: ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, ФГБОУ ВО Кубанский ГАУ имени И.Т. Трубилина», ФГБОУ ВО Уральский ГАУ. Устройство местной вентиляции апробировано на предприятиях по производству молока ООО ФОТОН, КФХ Ковалев В.Н., КФХ Гаджиев А.Г., СПК Дмитриевы горы, ООО Лесные Поляны.

Степень достоверности и апробация результатов. Основные положения и результаты исследований доложены и получили одобрение на: Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии,

средства механизации и технического обслуживания в АПК» (г. Саранск, 2002 г.), Международной научно-технической конференции «Автоматизация сельскохозяйственного производства» (ГНУ ВИМ, г. Москва, 2004 г.), 5-ой Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (ГНУ ВИЭСХ, г. Москва, 2006 г.), IX-ой Международной научно-практической конференции «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве» (ФНАЦ ВИМ, г. Москва, 2006 г.), 10-ой Международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в животноводстве -машинно — технологическая модернизация отрасли» (ФГБНУ ВНИИМЖ, г. Москва, 2007 г.), Международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в животноводстве - перспективные ресурсосбережение на основе создания и применения инновационных технологий и техники» (ФГБНУ ВНИИМЖ, г. Москва, 2008 г.), 6-ой Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (ГНУ ВИЭСХ, г. Москва, 2008 г.), X-ой Международной научно-практической конференции «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве» (ФНАЦ ВИМ, г. Москва, 2008 г.), 11 -я Международная научно-технической конференции «Научно-технический прогресс в животноводстве - стратегия машинно-технологического обеспечения производства продукции на период до 2020г.» (ФГБНУ ВНИИМЖ, г. Москва 2009 г.), XП-ой Международной научно-технической конференции «Модернизация с-х производства на базе инновационных машинных технологий и автоматизированных систем» (ФНАЦ ВИМ, 2012 г.), Всемирном Конгрессе инженеров и ученых «Энергия будущего; инновационные сценарии и методы их реализации» (Республика Казахстан, г. Астана, 2017 г.), Международной научной конференции профессорско-преподавательского состава, посвященная 125-летию со дня рождения В.С. Немчинова (РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева, г. Москва, 2019 г.).

Научно исследовательская работа выполнена в рамках гранта Правительства Российской Федерации № 2011.6.34.31.0079 для

государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых в российских образовательных учреждениях высшего профессионального образования по направлению «Агроэкология, изменения климата, циклы углерода, экологии почв, системный анализ и моделирование экосистем».

Научно исследовательская работа выполнена в рамках тематического плана-задания Минсельхоза РФ за счет средств федерального бюджета в рамках тем: Разработка концепции инновационного развития АПК Российской Федерации на период 2012-2020 гг. (Принята решением Коллегии Минсельхоза России от 27.09.2011, протокол № 10) (2011 г); Разработка научного обоснования перехода на инновационное развитие АПК России (2012 г); Проведение исследований по научному обоснованию инновационного развития АПК (2013 г); Обоснование методических подходов к разработке систем ведения сельскохозяйственного производства (2014 г); Разработка методических подходов к системе развития сельского хозяйства в современных условиях (2015 г); Проведение научных исследований, разработка и проведение апробации процедур создания и трансфера инноваций в системе аграрный вуз -сельскохозяйственное консультирование региона Российской Федерации (2016 г); Разработка отраслевого информационно-технического справочника наилучших доступных технологий: «Интенсивное разведение сельскохозяйственной птицы» (2017 г); Научное обоснование создания национальной системы трансфера технологий и распространения знаний в агросфере в условиях цифровой экономики (2018 г); Научное обоснование поэтапного внедрения национальной системы трансфера технологий и распространения знаний в агросфере в условиях цифровой экономики (2019 г).

Публикации. Материалы диссертации изложены в 37 печатных работах, в том числе: 14 статей опубликовано в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК, 1 публикация в журнале, индексируемом в международной базе данных Web of Science. По результатам работы получено 7 объектов интеллектуальной собственности: 2 патента на полезную модель и на выставке «Золотая осень» получены награды: №151656 РФ, МПК А01 К 1/00

(диплом и серебряная медаль); № 178643 РФ, МПК A01K 1/00 (диплом и золотая медаль) и 1 свидетельство о регистрации в качестве ноу-хау результата интеллектуальной деятельности №2021016 «Устройство для создания микроклимата в коровнике». Получено 4 свидетельства о регистрации базы данных RUS: №2013620317, №2013620320, №2020620242, №2014620210. Издана 1 монография.

Диссертация изложена на 340 страницах, состоит из введения, основной части, содержащей 103 рисунок, 46 таблиц, заключения, списка литературы (включает 234 наименования, в том числе 52 - на иностранном языке) и 2 приложений.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Роль микроклимата в повышении эффективности молочного скотоводства

Понятие «микроклимат» было впервые предложено в 1931 г. Леманом, преподавателем Высшей школы земледелия в Вене. Микроклимат (внутренний климат) здания — климат ограниченного пространства, включающий совокупность следующих факторов среды: температуры, влажности, скорости движения и охлаждающей способности воздуха, освещенности, атмосферного давления, ионизации, уровня шума, концентрации взвешенных в воздухе пылевых частиц и микроорганизмов, химического состава воздуха [148].

Основным определяющим показателем являются температура и относительная влажность воздуха, или же ощущаемая температура, т.е. температура воздуха под влиянием других переменных. Результатом каждого решения должно быть минимальное колебание отдельных параметров микроклимата в течение дня, месяца и года, т.е. согласованная работа отопления, вентиляции и охлаждения. Конечно, существуют также прочие факторы влияния, как например температура наружных стен объекта, температура и влажность полов и т.д. Однако воздействовать на главные факторы среды можно при помощи систем вентиляции, отопления и охлаждения [164, 165, 166].

Значительные успехи к настоящему времени достигнуты в развитии теории теплоустойчивости, в котором рассматриваются вопросы периодических колебаний температуры и тепловых потоков в помещении. В развитие этой теории значительный вклад внесли российские ученые -О.Е. Власов [32], С.И. Муромов [119], Л.А. Семенов [152], А.М. Шкловер [179] и др. в трудах которого она получила наиболее полный вид.

Животноводческая продукция очень сложна, поскольку здесь заготовленные корма потребляются животными, которые, в свою очередь, обслуживаются целыми системами и комплексами сложного оборудования, в

которых разработана необходимая документация, где строго определены характер и последовательность технологических операций, и выбор оборудования.

Современное молочное животноводство во многих странах достигло высокого уровня развития и представлено высокопродуктивными породами скота.

Интенсификация молочного скотоводства в большом количестве государств идет за счет изменения в организации и технологий этой отрасли, внедрение комплекса мероприятий по повышению качества кормления и содержания, использование более высокопродуктивных молочных пород, улучшение систем выращивания ремонтного молодняка, которые обеспечивают рост производства молока при одновременном понижении издержек кормов и труда на единицу продукции [167, 168].

Применение интенсивных способов содержания животных в помещениях промышленного типа предъявляет особенные требования к микроклимату, который на современном этапе, вместе с полноценным кормлением коров, является важным фактором увеличения продуктивности отрасли за счет получения дополнительной продукции, сокращения заболеваемости и роста сохранности поголовья, уменьшения расхода кормов и увеличения качества производимой продукции.

Повышение продуктивности сельскохозяйственных животных невозможно обеспечить без глубоких знаний взаимоотношений организма с окружающей средой. Только в оптимальных условиях наиболее полно проявляется генетический потенциал продуктивности животных [57, 58, 59, 60]. Вот поэтому, важно иметь физиологически обоснованную систему содержания животных, наиболее полно учитывающую особенности среды обитания А.П. Костин, В.Ф. Лысенко и др. [87, 88, 103].

Проблеме улучшения микроклимата посвящены работы И.Ф. Бородина, A.M. Блажко, А.И. Викторова, С.В. Гусевой, A.M. Гавриченко, А.В. Дорошенко, О.Я. Кокорина, М.В. Михайлова, Л.Г. Маляренко, В.А. Михайлова, Ю.А. Судника, В.А. Соболева, А.С. Супруна, Е.Я. Улицкого, В.П. Хохрякова, В.М. Шабанова, B.C. Шкрабака [14, 15, 16, 17, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 89, 90, 91, 180],

Derjaguin B. V. [193], Eisner H. S. [199], Fanger P.O. [201], Helander L. [206], Houghten F. C. [207], Jen S. M. [212], Johannis G. [213], Kessel H.W. [214], Leonov L. F. [218], Pueschel R. F. [226], Rooth C. [227], Spizzichino M. C. [229], Tovbin M. V. [230], Yildiz S. [232], Wright P. G. [233] и др

В нашей стране селекция долгие годы велась по жирности, теперь необходимо вести селекцию на белок, так как доказано, что жир и величина надоя величины взаимосвязанные. Для этого необходимо сотрудничать с развитыми странами и улучшать механизацию и автоматизацию сельского хозяйства, кормовую базу и микроклиматические условия содержания животных.

Отклонение параметров микроклимата в зданиях от определенных предельных значений приводит к снижению удоев у коров на 10-20 %, уменьшению приростов живой массы на 20-30 % , увеличению падежа молодняка на 5-40 %, снижение продуктивности на 30-35 %, сокращению срока службы на 15 - 20 %, увеличение затрат на корма и рабочую силу на единицу продукции, уменьшение срока службы в три раза животноводческих зданий и рост затрат на ремонт технологического оборудования [5, 29, 41, 42, 43, 67, 92, 93, 106, 108, 163, 169, 171].

«Какими бы высокими породными и племенными качествами ни обладали коровы, без создания им необходимых комфортных условий существования они не в состоянии сохранить здоровье и проявить в полной мере свои продуктивные потенциальные возможности.

Внешняя среда всегда действует на организм всей совокупностью своих факторов, подчёркивал И.П. Павлов и соответственно с этим считал, что малейшее колебание внешней среды или внутреннего мира, часто едва уловимое или совершенно не подозреваемое, резко меняет ход явлений» [6].

Он подчеркивал, что «поведение животных является отражением процессов, происходящих внутри организма которые обусловлены воздействием внешней среды. Внешняя среда оказывает большое влияние на физиологическое состояние животных. Условия окружающей среды, особенно при интенсивных методах ведения хозяйства играют важную роль в

жизнедеятельности животных. Неблагоприятные условия микроклимата способствуют нарушению обмена веществ, снижению естественной резистентности организма, возникновению заболевания и гибели» [6, 31].

«Основная проблема гигиены животных — это рассмотрение взаимоотношений организма и внешней среды. «Животный организм, — писал И.П. Павлов, — представляет собой крайне сложную систему, состоящую из почти бесконечного ряда частей, связанных как друг с другом, так и с окружающей средой» (Рисунок 1.1) [6].

Из всех факторов микроклимата температура воздуха оказывает наибольшее влияние на адаптивные процессы, естественную резистентность

организма и продуктивность животного.

Рисунок 1.1 - Схема взаимоотношений в системе животное - окружающая среда

«Относительная влажность воздуха оказывает также самое значительное влияние на физиологическое состояние организма коров. Например, при увеличении влажности нарушается терморегуляция коров. Высокая

относительная влажность при высокой температуре внутреннего воздуха существенно ухудшает состояние коров. При низкой температуре усиливается теплоотдача, а при нормальной температуре и повышенной относительной влажности пар конденсируется на полу, на стенках и подстилке, что негативно влияет на здоровье животных» [148].

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Борулько Вячеслав Григорьевич, 2021 год

- - - г2

Ауп = 60К 4 г-- 60К 5 г-+ К 6

Полученная математическая модель позволяет определить взаимосвязь между конструктивными особенностями ограждающих поверхностей, в частности, коэффициентом поглощения, термическим сопротивлением и т.п. и клинико-физиологическими показателями животных: частотой дыхания и частотой сердечных сокращений, путем учета тепловых потоков через ограждающие поверхности.

Функция Р4(у) является функцией описывающей влияние параметров микроклимата и режимов работы технических средств на клинико-физиологических показатели животных.

Для оценки эффективности применения принудительной системы вентиляции с водоиспарительным охлаждением на клинико-физиологические показатели коров предлагается использовать разницу температур кожного животных А1кожп до включения системы вентиляции 1естест и после включения принудительной системы вентиляции иринуд

Аг = t - г ^ (2.7.18)

кож.п естест принуд ~ V У

Математическая модель влияние параметров микроклимата, режимов работы технических средств на клинико-физиологические показатели животных может быть представлена системой уравнений (2.7.19), устанавливающих зависимости режимов работы технических средств обеспечения микроклимата от клинико-физиологических показателей животных, описываемых индексом теплового стресса 1ТС:

Р4 —

V т V Т А^ — 60К ^ - 60К2 + К3

¥в (Ргв

V т V Т Ауп — 60К4 60К5 + К6

Фв Фв

Аг — г - г л , (2 7 19)

кож.п естест принуд у V * /

# в — / (а, А, X, Vв ,4,О)

/ , V п , г т , г кп )

где т - время воздействия на животное, мин; а^ - изменение частоты дыхания, мин-1; - изменение частоты сердечных сокращений, мин-1; К, К2, К3, К, °С/м-мин; к5, оС/м^мин; К - коэффициенты учитывающие индивидуальные

особенности животных.

Граничные условия для аналитического выражения: V — 0...2, гв —18...35 ^(0) —15...30 V(0) — 50...70, <р = 0,40...0,85, т — 0...40, ¥ — 0,3...10.

Экспериментально полученные коэффициенты: К — 0,13, К — 0,0016 К — 0,1...0,7; К4 — 0,4 К5 — 0,0053 К — 0.23...0,29.

Математическая модель (2.7.19) описывает создание комфортных условий и нормализации клинико-физиологических показателей коров за счет дополнительного отвода эндогенной теплоты в результате испарения с поверхности кожи животных распыленной жидкости вентиляторами и воздушного потока создаваемого ими.

Погрешность выражения не превышает 15%. Для получения высокоточной математической модели необходимо учитывать большое количество факторов: возраст животного, особенности породы, стадию лактации, массу и габариты животного, физиологический статус, режим питания, рацион корма, здоровье животных и т.д.

Выводы по главе

Математическая модель естественной вентиляции, устанавливает зависимость между воздухообменом в коровнике, и клинико-физиологическими показателями животных. Воздухообмен зависит от конструктивных особенностей здания и может регулироваться путем изменения площади боковых проемов и конька крыши. Однако при высоких температурах воздуха, естественная вентиляция не может обеспечивать комфортное состояние животных.

Математическая модель принудительной вентиляцией устанавливает зависимости между количеством вентиляторов, режимами работы вентиляторов, техническими характеристиками вентиляторов и клинико-физиологическими показателями животных. Применение принудительной вентиляции позволяет локально снижать ощущаемую температуру животными в коровнике и улучшать теплообмен с окружающей средой.

Математическая модель местной принудительной вентиляцией с водоиспарительным охлаждением, описывает зависимость между распылением жидкости, осуществляемым через форсунки, установленные на вентиляторах, и параметрами микроклимата в коровнике: температурой и относительной влажностью воздуха. Приведенная математическая модель устанавливает зависимости между количеством вентиляторов, режимами работы вентиляторов, техническими характеристиками вентиляторов, скоростью испарения распыленной жидкости и клинико-физиологическими показателями животных.

Математическая модель светового проема с изменяемой площадью, через которые в летний период может поступать избыточная тепловая энергия, описывает зависимость влияния площади светового проема на изменения параметров микроклимата коровника: температуру внутренних поверхностей коровника, освещенность, индекс тепловой нагрузки. Приведенная математическая модель позволяют установить зависимость между площадью

оконных проемов, клинико-физиологическими показателями коров и солнечной тепловой энергией, проникающей в коровник через оконные проемы.

Математическая модель теплового потока воздуха вдоль ограждающих поверхностей описывает влияния физических характеристик материалов кровельного покрытия, в части поглощающей способности материалов, и скорости воздушного потока в подкровельном пространстве. Представленная математическая модель теплового потока воздуха вдоль ограждающих поверхностей позволяет установить зависимость между температурой ограждающих поверхностей, естественной вентиляцией, воздухообменом в коровнике и клинико-физиологическими показателями животных.

Полученные математические модели являются основанием для разработки технических средств местной принудительной вентиляции с водоиспарительным охлаждением, управление которыми определяется по клинико-физиологическим показателям животных. Такой подход позволяет учитывать индивидуальные особенности животных, находящихся в коровнике в летний период времени. Математические модели позволяют определить для системы местной принудительной вентиляции с водоиспарительным охлаждением наиболее рациональное количество вентиляторов и их режимы работы при различных значениях температуры, относительной влажности и скорости воздуха в коровнике.

Предложенные математические модели учитывают влияние конструктивных особенностей коровника, в части ограждающих поверхностей (крыши, стены) и оконных проемов, через которые проникают дополнительная тепловая солнечная энергия.

ГЛАВА 3 ПРОГРАММА, МЕТОДИКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

В главе представлены экспериментальная установки для комплексного исследования параметров микроклимата коровника и экспериментальная установка для исследования устройства принудительной вентиляции с водоиспарительным охлаждением.

На базе представленных экспериментальных установок были проведены экспериментальные исследования методов и технических средств обеспечения микроклимата в коровнике в летний период времени.

3.1 Программа экспериментальных исследований системы обеспечения микроклимата коровника с беспривязным содержанием животных

Программа экспериментальных исследований включает:

- исследования влияния температуры воздуха на температуру тела и кожного покрова коров;

- исследования влияния водоиспарительного охлаждения на температуру тела и кожного покрова коров при различной температуре и относительной влажности воздуха в коровнике;

- исследования влияния водоиспарительного охлаждения на изменения температуры и относительной влажности воздуха в коровнике;

- исследования влияния водоиспарительного охлаждения на двигательную активность коров;

- исследования влияния площади светового проема на параметры микроклимата в коровнике;

- исследования влияния лучистого излучения на местоположение животных в коровнике;

- исследования влияния поглощающей способности материалов кровельного покрытия на температуру подкровельного пространства и воздухообмен;

- производственную проверку установки для комплексного исследования параметров микроклимата коровника;

- производственную проверку устройства принудительной вентиляции с водоиспарительным охлаждением.

3.2 Экспериментальная установка для комплексного исследования параметров

микроклимата коровника Представлена экспериментальная установка для комплексного исследования параметров микроклимата коровника СИСТЕМА СИУТ -301МЖ. Проведенные теоретические исследования и анализ данных позволили определить рациональные параметры микроклимата, различных технических средств обеспечения микроклимата (естественные, принудительные системы вентиляции).

Для комплексной оценки параметров микроклимата усовершенствованы ранее разработанные системы:

- СИУТ-301МЖ в части применения датчиков для всего комплекса параметров МК и разработки программного обеспечения при исследовании параметров микроклимата.

9 8 7 6 5

Рисунок 3.2.1 - Установка: 1 - блок преобразования и нормирования сигналов датчиков (согласующий блок), 2, 10 - блок измерительный; 3 - персональный

компьютер (ПК), 4 - датчик солнечной радиации, 5 - датчик влажности, 6 - датчики тепловых потоков, 7, 9 - датчики температуры, 8 - датчик скорости

движения воздуха, 10 - герконовый датчик.

Методика оценки параметров МК состояла в следующем: в животноводческом помещении монтировались датчики в виде координатных сеток по всему объему

1 2 3 4 5 6 7

9 8

Рисунок 3.2.2 - Установка: 1, 3-датчики температуры; 2, 11-контроллеры; 4, 8, 12-датчики скорости движения воздуха; 5, 14-датчики влажности; 6, 7-датчик тепловых потоков; 13-датчики солнечной радиации; 10-СИУТ-301МЖ; 9-Дана-Терм ИТВР-2606

12 3 4 5 6 7 8 9

Рисунок 3.2.3 - Установка: 1, 7-датчики солнечной радиации; 2, 8-датчики температуры; 3, 6-датчик тепловых потоков; 4, 9, 15-датчики влажности; 5, 10, 14-датчики скорости движения воздуха; 11-СИУТ-301МЖ; 12-контроллер; 13-Дана-Терм ИТВР-2606

3.3 Экспериментальная установка для исследования устройства принудительной вентиляции с водоиспарительным охлаждением

10 и 13 ь

Рисунок 4.3.1 - Схема расположения элементов системы вентиляции в коровнике: 5 - осевые вентиляторы с форсунками; 6 - датчик температуры; 7 - датчик влажности; 8 - блок управления; 9- электропривод редуктора; 10 -редуктор; 11 - кулиса; 12 - шарниры; 13 - трос; 14 - противовес; 15 -регулятор скорости поворота ряда вентиляторов; 21- антенна [74]

Рисунок 3.3.2 - Схема расположения элементов системы вентиляции в коровнике: 8 - блок управления; 9- электропривод редуктора; 12 - шарниры; 13 - трос; 14 - противовес; 15 - регулятор скорости поворота ряда вентиляторов; 16 - регулятор частоты вращения вентилятора; 17 -

электропривод вентилятора; 18 - насосная установка; 19 - фильтр для воды; 20 -форсунки; 22 - датчик сердечных сокращений, 23 -датчик частоты дыхания

/ 2 \ 6 5 7 21 8

Рисунок 3.3.3 - Схема расположения элементов системы вентиляции в коровнике: 1 - вентиляционный конек; 2 - управляемая заслонка; 3 - боковой

проем; 4 - управляемые шторы; 5 - осевые вентиляторы с форсунками; 6 -датчик температуры; 7 - датчик влажности; 8 - блок управления; 21- антенна; 22 - датчик сердечных сокращений, 23 -датчик частоты дыхания

Рисунок 3.3.4 - Устройство местной вентиляции: 1 - контроллер (регулятор) поворота вентилятора, 2 - мотор-редуктор, 3 - поворачивающийся осевой

вентилятор

3.4 Методики экспериментальных исследований и производственных

испытаний

Методика исследования температуры тела и кожного покрова коров в зависимости от температуры среды

Целью исследования температуры тела и кожного покрова коров является определение влияния температуры воздуха в коровнике на температуру тела и температуру различных участков кожного покрова животных.

Исследование проводится в коровнике. Отбирается 20 коров по одинаковым признакам (возраст, вес, количество отелов, состояние здоровья животного). Коровы делятся на две группы по десять коров. Производятся замеры температуры кожного покрова коров бесконтактным способом с использованием пирометра Fluke 63. В качестве зоны замеров выбираются несколько точек на теле коровы (рис. 3.4.1). Данные температуры кожного покрова регистрируются десять раз с интервалом в 60 с. Измерения кожного покрова проводятся при изменении температуры воздуха в коровнике на 1 оС в диапазоне от 19 до 34 оС. Измерения температуры тела проводятся ректально при изменении температуры воздуха в коровнике на 1 оС. в диапазоне от 19 до 34 оС.

Исследования проводятся с июня по сентябрь на Зоостанции РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.

Скорость воздуха, действующего на животное не превышала 0,5 м/с. Состояние воздушной среды регистрируется портативной метеостанцией Метеоскоп-М (Рисунок 3.4.1) [142].

Рисунок 3.4.1 - Участки кожного покрова:

Методика исследования зависимости влияния системы принудительной вентиляции с водоиспарительным охлаждением на температуру тела и

кожного покрова коров.

Целью исследования влияния системы принудительной вентиляции с водоиспарительным охлаждением на температуру тела коров при различной температуре воздуха в коровнике является определение зависимости температуры кожного покрова от температуры воздуха при разбрызгивании влаги в область нахождения животных.

Разработанное устройство местной принудительной вентиляции с водоиспарительным охлаждением разбрызгивает воду через установленные на вентилятор форсунки, смачивая кожный покров животных. Рассматриваются четыре группы животных по пять коров в каждой группе. Для каждой группы животных, кроме первой, являющейся контрольной, после смачивания кожного покрова применяются различные режимы работы разработанного устройства местной принудительной вентиляции с водоиспарительным охлаждением, отличающиеся скоростью создаваемого воздушного потока (табл. 3.4.1.). Изменение скорости воздушного потока, создаваемого вентилятором, осуществляется частотным преобразователем, регулирующим скорость вращения лопастей вентилятора.

Таблица 3.4.1 - Режимы работы устройства вентиляции

№№ Группа Скорость потока воздуха, м/с Продолжительность, мин Расстояние, м

1 Контрольная < 0,5 15 -

2 Группа 1 1,0 15 7-10

3 Группа 2 1,5 15 7-10

4 Группа 3 2,0 15 7-10

Каждая группа животных обладает одинаковыми признаками (возраст, вес, количество отелов, состояние здоровья животного). На каждую группу животных распыляется одинаковое количество воды в течении 5 минут.

Через одну минуту после смачивания кожного покрова в каждой группе животных проводятся замеры температуры кожного покрова, бесконтактным способом при помощи пирометра Fluke 63. Измерения делают через каждую минуту в течении 15 минут на одном и том же участке тела коровы. Измерения температуры тела проводятся ректально.

Исследования проводятся в период с июня по сентябрь. Измерения температуры тела и кожного покрова проводятся при температуре воздуха 20.34 оС и относительной влажности воздуха 50.60 %.

Методика исследования зависимости влияния водоиспарительного охлаждения на изменение температуры и относительной влажности воздуха в коровнике

Целью исследования зависимости влияния водоиспарительного охлаждения на изменение температуры и относительной влажности воздуха в коровнике является определение температуры и относительной влажности воздуха в коровнике при использовании разработанной системы местной принудительной вентиляции без распыления воды и с применением водоиспарительного охлаждения.

В исследовании применяется разработанное устройство вентиляции с водоиспарительным охлаждением. Исследование проводится с июня по сентябрь. В коровнике выделены три зоны одинаковой площади. Первая зона является контрольной, во второй зоне работает система принудительной

вентиляции без распыления воды, в третьей зоне работает система принудительной вентиляции с распылением воды. Система работает по 15 минут в течении каждого часа, 24 часа в сутки. Регистрируются температура и относительная влажность воздуха в коровнике.

Методика исследований зависимости влияния принудительной вентиляции с водоиспарительным охлаждением на тепловые стрессы у коров

Целью исследований влияния принудительной вентиляции с водоиспарительным охлаждением на тепловые стрессы у коров является определение двигательной активности животных при различной мощности лучистого потока, температуре и относительной влажности воздуха в коровнике.

В исследовании применяется разработанное устройство вентиляции с водоиспарительным охлаждением. Исследование проводится с июня по сентябрь. В коровнике выделены три зоны одинаковой площади. Первая зона является контрольной, во второй зоне работает система принудительной вентиляции без распыления воды, в третьей зоне работает система принудительной вентиляции с распылением воды. Регистрируется количество животных и их двигательная активность (лежат или стоят) в каждой зоне, а также продолжительность двигательной активности.

Методика исследования зависимости освещенности и индекса тепловой нагрузки от площади светового проема

Целью исследования является определение зависимости площади светового проема на световой поток поступающий в коровник и изменение индекса тепловой нагрузки внутри помещения.

Исследование проводится с использованием жалюзи, которые изменяют площадь светового проема (окна). Угол поворота жалюзи составляет 0о -жалюзи полностью закрыты, соответствует минимально площади светового

проема, 30о, 45о, 60о, 90о - жалюзи максимально открыты, соответствует максимальной площади светового проема.

Измерение параметров микроклимата температурно-влажностного индекса проводится прибором Метеоскоп-М (рис. 3.4.2) освещенность измеряется люксметром Testo 540 (рис. 3.4.3), все измерения проводятся в коровнике молочной фермы Зоостанции РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.

Рисунок 3.4.2 Метеоскоп-М

Q

Рисунок 3.4.3 Люксметр Testo 540

При подключенном шаровом термометре Измеритель параметров

микроклимата «МЕТЕОСКОП-М» определяет ТНС-индекс в соответствии с

методикой изложенной ниже.

Индекс тепловой нагрузки среды определяется как взвешенная сумма двух

температур: температуры ^ смоченного термометра аспирационного

психрометра и - температуры tg внутри шарового термометра.

тнс = 0.7 • ^ + 0.3 • гд (3.4.1)

Непосредственное использование этого соотношения приводит к большой

неопределенности результата из-за неточности определения Смоченный

термометр измеряет температуру точки росы. Целесообразно эту величину

вычислять по данным о температуре воздуха 1а и относительной влажности

ЯН, метеопараметрам, которые измеряются точно и надежно современными

приборами. По определению, точка росы - это температура воздуха, при

которой содержащийся в нем водяной пар становится насыщающим. Используя

ранее полученные соотношения имеем

^ = ^ + 1п(ЯН) (3.4.2)

здесь = 16,7 оС - характерный масштаб температурной зависимости давления

насыщающих паров воды. Величину ЯН здесь следует подставлять в

десятичных долях единицы. Производя соответствующие подстановки,

получим формулу для ТНС- индекса:

тнс = 0.7 • га + 0.3 + 1п(дя) (3.4.3)

Здесь = 11,7 оС.

Измерения индекса производится путем десяти измерений при каждом положении жалюзи от 0 до 90о.

Рисунок 3.4.4 - Исследование освещенности и индекса тепловой нагрузки

Методика исследования зависимости освещенности, результирующей температуры и средней температуры поверхностей от площади светового

проема

Целью исследования является определение влияния площади светового проема на световой поток поступающий в коровник и изменение результирующей температуры и средней температуры поверхностей внутри помещения.

Исследование проводится с использованием жалюзи, которые изменяют площадь светового проема (окна). Угол поворота жалюзи составляет 0о -жалюзи полностью закрыты, соответствует минимально площади светового

проема, 30о, 45о, 60о, 90о - жалюзи максимально открыты, соответствует максимальной площади светового проема.

Измерение параметров микроклимата результирующей температуры и средней температуры поверхностей проводится прибором Метеоскоп-М (рис. 3.4.1) освещенность измеряется люксметром Testo 540 (рис. 3.4.3), все измерения проводятся в коровнике молочной фермы Зоостанции РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.

При подключенном шаровом термометре Измеритель параметров микроклимата «МЕТЕОСКОП-М» определяет результирующую температуру и среднюю температуру поверхностей в соответствии с методикой, изложенной ниже.

Параметр tsu «результирующая температура» используется для характеристик микроклимата в помещениях жилых и общественных зданий. Температура tsu определяется как взвешенная сумма температуры воздуха ta и радиационной температуры tr:

tsu = vta + (1-u)^ tr (3.4.4)

Веса, с которыми температуры ta и tr в ходят в сумму (3.4.4), меняются в зависимости от скорости движения воздуха Va : ю = 0,5 если Va < 0,2 м/с и ю=0,6 если 0,2 < Va < 0,6 м/с .

При использовании этих соотношений радиационную температуру следует определять, как среднюю температуру поверхностей (стен, ограждений и технических средств и приборов):

ti

tr ^пов ' Ai

= (345)

здесь Лг - площадь поверхностей (стен, ограждений) с температурой ti. Пересчет температуры шарового термометра ^ в радиационную температуру производится по формуле

^ов =1г = 1ь+т^(1ь- 1аУ[У^1ь-1а\] (3.46)

~пов

где К-скорость движения воздуха, м/с; т - константа, определяемая по формуле

ш = 2.2 • (—) (3^7)

где d — диаметр сферы, м.

Измерения результирующей температуры и средней температуры поверхностей производится путем десяти измерений при каждом положении жалюзи от 0 до 90о.

Угол а =90 Угол а =60

Рисунок 3.4.5 - Методика исследования влияния характеристик материалов крыши на температуру внутри помещения

Методика исследования влияния характеристик материалов крыши на температуру внутри помещения Для определения зависимости конструктивных особенностей кровельного покрытия на воздухообмен в коровнике был проведён эксперимент целью которого являлась установление зависимости влияния цвета крыши на увеличение/уменьшение воздухообмена в помещении.

В эксперименте используется элемент кровельного покрытия из металлочерепицы длиной 2 м, установленный под углом к горизонту а=14о. Элемент кровли нагревается инфракрасным обогревателем мощностью 2.5 кВт до температуры в 60 оС. Измерения температуры кровельного покрытия приводятся с помощью инфракрасного пирометра Fluke, скорость потока воздуха в подкровельном пространстве крыльчатым анемометром, температура воздуха в подкровельном пространстве с помощью портативной метеостанции «Метеоскоп-М». Принципиальная схема эксперимента приведена на рисунке 3.4.6.

Рисунок 3.4.6 - Принципиальная схема эксперимента с кровлей

Методика исследования суточного изменения температуры и относительной влажности воздуха в коровнике

Целью исследования является определение температуры и относительной влажности воздуха в коровнике в теплый период времени в течении суток.

Для определения суточного изменения температуры и относительной влажности воздуха в коровнике используется разработанная система СИУТ -301МЖ в составе: блока преобразования и нормирования сигналов датчиков (согласующий блок), измерительного блока; персонального компьютера (ПК), датчиков солнечной радиации, датчиков влажности, датчиков тепловых потоков, датчиков температуры, датчиков скорости движения воздуха.

Температура и относительная влажность воздуха регистрировалась датчиками каждый час в течении суток с 17 июня по 03 сентября. Датчики располагались в зоне нахождения животных на высоте 1,2 м от пола.

Методика исследование влияния режимов принудительной вентиляции с водоиспарительным охлаждением на параметры микроклимата внутри

помещения

Целью исследования является определение влияния различных режимов принудительной вентиляции с водоиспарительным охлаждением на параметры микроклимата в коровнике.

В качестве устройства принудительной вентиляции с водоиспарительным охлаждением используется разработанная Установка [132] в составе: осевые вентиляторы с форсунками; датчики температуры, датчики влажности, блок управления, электропривод редуктора, редуктор, кулиса, шарниры, трос, противовес, регулятор скорости поворота вентиляторов, насосная установка, фильтр для воды.

В коровнике выбирается три зоны. Первая зона является контрольной -принудительная вентиляция не применяется. Во второй зоне применяется принудительная вентиляция без использования водоиспарительного охлаждения. В третьей зоне применяется принудительная вентиляция с использованием водоиспарительного охлаждения - через форсунки

распыляется жидкость. На рисунке 3.4.7 представлена схема расположения оборудования для второй и третьей зоны.

Рисунок 3.4.7 - Схема расположения оборудования для определения влияния принудительной вентиляции с водоиспарительным охлаждением на параметры

микроклимата в коровнике: 1 - блок управления, 2 - датчики температуры и относительной влажности воздуха, 3 - вентилятор без использования водоиспарительного охлаждения, 4 - вентилятор с использованием водоиспарительного охлаждения, 5 -трубопровод для подачи жидкости, 6 - насосная установка.

Регистрируются температура и относительная влажность воздуха в коровнике для каждой зоны в течении суток с интервалом в 30 минут на протяжении 11 недель с 17 июня по 3 сентября.

Для определения параметров микроклимата: температуры и относительной влажности воздуха, скорости воздуха в коровнике используется система СИУТ - 301МЖ в составе: блока преобразования и нормирования сигналов датчиков (согласующий блок), измерительного блока, персонального компьютера (ПК), датчиков солнечной радиации, датчиков влажности, датчиков тепловых потоков, датчиков температуры, датчиков скорости движения воздуха.

Методика исследования параметров устройства принудительной вентиляции с водоиспарительным охлаждением

Целью исследования является определение рациональных параметров устройства принудительной вентиляции для снижения теплового стресса у животных при различных показателях микроклимата в коровнике.

Для определения снижения теплового стресса регистрируется изменение температуры кожного покрова коров бесконтактным способом при диапазоне температуры воздуха в коровнике 30.40 С и относительной влажности воздуха 15.55 %.

Группа животных смачивается жидкостью через форсунки устройства принудительной вентиляции. После смачивания группа животных обдувается воздушным потоком от устройства принудительной вентиляции со скоростями 1,0 1,5 и 2,0 м/с. Контрольная группа животных после смачивания воздухом не обдувается.

Рисунок 3.4.8 - схема исследования параметров устройства принудительной вентиляции с водоиспарительным охлаждением

Методика исследования изменения температуры и относительной влажности воздуха в коровнике.

Инфракрасные фото ниже (Рисунок 3.4.9), показывают, что значительное количество тепла теряется из нижней части коровы, иллюстрируется одна из возможных причин, почему корова предпочитает стоять.

Незащищенный от прямых солнечных лучей, крупный рогатый скот принимает другие поведенческие стратегии, чтобы облегчить тепловые нагрузки, такие, например, как увеличение времени нахождения около воды. Существует также вероятность того, что крупный рогатый скот проводит больше времени около воды, потому что испарения от поилки могут создать благоприятный микроклимат, по сравнению с остальными зонами.

Увеличивается частота дыхания в ответ на повышение температуры с небольшим или без задержек во времени. Например, для откормочного скота, частота дыхания увеличилась приблизительно от 65 вздохов / мин, когда ТН1 <от 76 до 93 вдохов / мин, когда ТН1 > 84. Коровы увеличивают частоту дыхания в связи с тем, чтобы нормализовать потери тепла за счет испарения. Частота дыхания может быть наиболее практичным способом определения тепловой нагрузки, так как движения легко подсчитать.

Методика экспериментальных исследований поведенческой реакции животных на прямые солнечные лучи и распыление жидкости через форсунки Затененные участки коровника в летний период времени обеспечивают преимущества для крупного рогатого скота в плане поведения, физиологических реакций и производительности. Существует несколько способов, чтобы обеспечить затененные участки в коровниках, но недостаточно изучено влияние различных конструктивных особенностей ограждающих поверхностей, создающих затенение (например, блокирование солнечного излучения, площадь покрытия тени на животных и т.д.). Поведение животных, в сочетании с влиянием тепловой нагрузки, таких как температура тела, можно получить ценную информацию о том, когда и как охладить коров. В исследовании, мы определяли, как одна из конструктивных особенностей боковых ограждающих поверхностей коровника предназначенная для, защиты от солнечной радиации, влияет на поведенческие и физиологические реакции молочного скота в летний период.

В первом эксперименте мы сравнили поведение и температуру тела коров, когда они не имели доступа к затененным участкам в коровнике или имели свободный доступ к затененным участкам, которые блокировали для первой зоны 25% солнечного излучения, для второй зоны - 50 % и для третьей - 99% солнечного излучения. Затененные зоны с 25, 50 или 99% поглощением солнечного излучения были доступны для всех животных (рис. 3.4.8).

Шторы с затемнением 25% Шторы с затемнением 50% Шторы с затемнением 99%

Рисунок 3.4.10 - Схема эксперимента с затемненными участками

коровника.

Методика исследования поведения коров на различные системы охлаждения в помещении.

В исследовании рассматривались 42 коровы молочного направления, которые были разделены на три группы по 14 коров в каждой. В каждой группе коровы обеспечены кормовой зоной, боксовой зоной и выгульной площадкой. Коровы наблюдаются в летний период времени, регистрируются количество и качество молока, а также отслеживается их поведение (движение и время пребывания в различных областях каждой зоны коровника) при различных микроклиматических условиях (температура воздуха, относительная влажность воздуха, освещенность, скорость воздуха). Районы выгула и боксовой зоны были организованы с вентиляторами в первой зоне; вентиляторами с водоиспарительным охлаждением во второй зоне и без вентиляторов в контрольной зоне рисунок (3.4.11) [161].

У -ГУ II 1 II 1 . £ ■а а

г Ш I л ъ §

1 1 и Г" ! 1^1

ГА • 1 ^

ш —

Рисунок 3.4.11 - Исследования поведения коров на различные системы

охлаждения в коровнике В течение теплых месяцев (с июня по сентябрь) микроклиматические условия, надои, а также местоположение коров были записаны (с помощью видеокамер и фотоаппаратов, расположенными в разных зонах коровника) результаты. В жаркий период, низкие надои молока были записаны для коров, находящихся в первом и втором боксе. Результаты согласовались с поведением коров, которые находились в экспериментальном боксе, где животные провели более длительное время в зоне кормления и в боксовой зоне, и показали общее поведение аналогичное тому, что наблюдается при прохладном периоде. Некоторые коровы также лежали в мокрых грязных районах бокса или полностью находились в хорошо проветриваемом месте. Результаты этого исследования подтверждают полезность систем охлаждения для коров в жаркий период.

Исследования микроклимата внутри помещения продемонстрировали положительный эффект на продуктивность коров при регулировании

микроклиматических параметров, с применением принудительной вентиляции, принудительной вентиляции с водоиспарительным охлаждением. Существует небольшое количество опытов в которых исследуется поведение животных с целью определения предпочтения животных к микроклимату. Чтобы ответить на эти вопросы, было проведено исследование для оценки поведения молочных коров в летний период при применении различных систем вентиляции, регистрируя при этом физиологические показатели коров, надои молока и его характеристики.

Методика производственной проверки разработанного устройства

местной вентиляции

Так же проводились исследования с 42 коровами, содержащимися в экспериментальном беспривязном животноводческом помещении. Он был боксовым, частично открытым. Большая западная часть была полностью открыта для незатененной зоны, в то время как другая половина была закрыта сплошной непрозрачной стеной. Помещение содержало в общей сложности 100 коров. 42 коровы, используемые для испытания были в промежуточной фазе лактации. Среднее количество дней лактации 145 со средним удоем 34 кг / корову / день в начале исследования. Животные были разделены на три группы по 14 коров в каждой.

Выбор коров проводились на основании количества дней лактации, количества отелов и надоев молока. Эти три группы были размещены в трех боксах с различными системами обеспечения микроклимата (естественная вентиляция, принудительная вентиляция или принудительная вентиляция с водоиспарительным охлаждением). Первая группа была использована в качестве контрольной при естественной вентиляции. Вторая группа была помещена в боксе с вентиляторами, и третья группа была помещена в боксе с вентиляторами с водоиспарительным охлаждением. Боксы 2 и 3 были оснащены осевыми вентиляторами (0,735 кВт, диаметр 125 см; 37500 м3/ч максимальная скорость воздушного потока), установленных в восточной части

вдоль кормового прохода. Вентиляторы были размещены в 3 м друг от друга по обе стороны от кормового прохода и расположены так, чтобы обеспечивался поток воздуха в направлении розы ветров. Вентиляторы были установлены на высоте около 2,5 м, и наклонены вниз примерно на 10° от вертикали. Вентиляторы переменной скорости контролировались термостатом и включались при 25 °С и достигли максимального расхода при 28 °С. Исследование было начато в начале июня и было завершено в начале сентября. Водоиспарительное охлаждение использовалось с конца июня по начало августа. В ходе исследования были собраны данные: микроклиматические параметры (температура, относительная влажность и скорость воздуха) внутри и снаружи помещения. Микроклиматические параметры внутри помещения были измерены с помощью электронных датчиков, расположенных на высоте в различных областях в рамках трех боксов и подключены к регистратору данных, который записывал данные через каждые 10 мин; поведение коров, исследуемых при помощи видео- и фотофиксации, расположенными в разных зонах коровника, таких как кормовая зона, зоны отдыха и внешних загонах. Были сделаны заметки в течение четырех дней во время жаркого периода и восемь дней во время жаркого периода. Физиологические показатели (температура тела и частота дыхания) были измерены ежедневно во второй половине дня (16:30 ч); Удои и некоторые молочные характеристики, были записаны со второй половины дня доения, после физиологического измерения. Такие же образцы были собраны из послеобеденного доения (14:00 ч) и анализировалось в течение 1 ч на рН, титруемой кислотности и реологических параметров.

Удой от утреннего доения (02:30 ч) также регистрировался. Результаты о физиологических параметрах, выходе молока и молочных характеристиках были статистически проанализированы при помощи линейной модели, анализа ковариации с предварительным значением периода, как коваринат.

Значения скорости воздуха измерялась на высоте 2,5 м в 1 и 2 зоне и колебалась от 0,5 до 2,5 м/с при среднем значении 1,7 м/с. На уровне коровы,

скорость воздуха упала до среднего значения около 0,8 м/с, при высоком значении, чем 1 м / с в районе кормовой зоны и в боксе.

Рисунок 3.4.12 - Производственные исследования разработанного устройства

местной вентиляции

Рисунок 3.4.13 - Производственные исследования разработанного устройства

местной вентиляции

Рисунок 3.4.14 - Производственные исследования разработанного устройства

местной вентиляции

Рисунок 3.4.15 - Производственные исследования разработанного устройства

местной вентиляции

Выводы по главе

Представлены экспериментальные установки для комплексного исследования параметров микроклимата коровника и экспериментальная установка для исследования устройства принудительной вентиляции с водоиспарительным охлаждением.

Используемые экспериментальные установки позволяют говорить о созданном комплекте технических средств местной принудительной вентиляции коровника с водоиспарительным охлаждением для теплого периода года, управляемого с учетом клинико-физиологических показателей животных

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

В объем экспериментальных исследований вошли: