Системы вентиляции современных помещений для содержания крупного рогатого скота

Г.М. Позин, д.т.н.
СПГУТД, Санкт-Петербург,
Н. П. Козлова к.т.н, Н. В. Максимов к.т.н, А.Н. Самсонов к.т.н.
ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии, Санкт-Петербург


В современных помещениях для содержания крупного рогатого скота (КРС) влияние микроклимата на здоровье и продуктивность животных значительно возрастает. Это связано с высокой концентрацией поголовья, интенсивным использованием животных, содержанием животных в помещениях без выгулов в условиях почти полной ограниченности движений.

Цель систем обеспечения микроклимата (СОМ) создать среду обитания животных, обеспечивающую максимальный технологический эффект при минимальных энергозатратах. Немаловажной является задача создания приемлемых условий работы для обслуживающего персонала животноводческих помещений и условий эксплуатации технологического оборудования, установленного в помещении. Возрастает внимание и к проблеме загрязнения окружающей среды вентиляционными выбросами, содержащими газообразные продукты жизнедеятельности животных, многие из которых являются токсичными или дурнопахнущими. Все ключевые вопросы создания современных СОМ как одного из объектов в цепи производства животноводческой продукции [1] определяются комплексом исходных данных.Требования к СОМ, технологические схемы обработки воздуха, выбор оборудования и режимов его работы определяются видом животных, объемно-планировочными решениями здания и технологией содержания. Проводимые СЗНИИМЭСХ многочисленные обследования показали, что состояние среды обитания животных в большинстве животноводческих помещений неудовлетворительно. Одной из причин низкой эффективности многих решений по системам обеспечения микроклимата является необоснованность исходных данных по требованиям ко всем элементам системы. Опыт показывает, что создать среду обитания, которая одновременно обеспечивала максимальную продуктивность и здоровье животных, нормальные условия работы персонала, технологического оборудования и здания, отвечала санитарным, экологическим и экономическим требованиям практически невозможно; речь может идти только о создании наилучшего варианта для имеющегося комплекса исходных данных.
Расчетные параметры микроклимата определяются видом, возрастом, массой и продуктивностью животных.

Распространено довольно устойчивое мнение о том, что плохой микроклимат не влияет на технологические показатели КРС и с этим можно было бы не спорить, когда речь идет о коровниках с низкими надоями (если не учитывать сохранение здоровья обслуживающего персонала, ограждающих конструкций и технологического оборудования). В современных помещениях с высокопродуктивными животными задача создания оптимальной среды обитания в коровниках становится более актуальной. В настоящее время расчетные параметры микроклимата кровников определяют «Нормы технологического проектирования предприятий крупного рогатого скота» НТП 1-99 [2], которые для каждой группы животных для холодного и переходного периода года регламентируют расчетные значения температуры, относительной влажности воздуха, подвижности воздуха, содержания углекислого газа, аммиака и сероводорода в воздушной среде. В отдельных точках помещения допускается снижение фактических значений температуры не более, чем на 2°С. Нормы допускают в самый холодный период года в течение 5 суток подряд, но не более 240 часов за сезон снижение температуры на 5 градусов ниже расчетной при соблюдении условий не выпадения конденсата на стенах. В теплый период года допускается превышение внутренней температуры внутреннего воздуха на 5 градусов выше расчетной. Нормы определяют также значения удельных выделений вредностей различными группами животных. Действующие Нормы, разработанные в 80-е годы, имеют ряд недостатков, требуют пересмотра в связи с появлением новых технологий, а также новых зарубежных данных как по требованиям к среде, так и по уточненным данным о тепловлаговыделениях животных [3]. Иногда буквальное следование НТП1-99 приводит к созданию заведомо неработоспособных систем. В большинстве коровников, построенных до 1990 года по типовым проектам, были смонтированы приточно-вытяжные системы вентиляции с подогревом приточного воздуха. В большинстве помещений эти системы не работали, иногда вообще ни разу не включались, главным образом из-за низкой надежности оборудования и высоких энергозатрат. Вместе с тем, расчеты показывают, что например для условий Архангельской области допущение снизить расчетную температуру в коровнике до 5,5°C и повысить относительную влажность до 85 % (по Нормам НТП 1-99 соответственно 10°С и 75%) позволяет снизить мощность дополнительного нагрева на 30%,а годовые энергозатраты снизить втрое. Имеющийся опыт строительства и эксплуатации показывает допустимость содержания коров в более широком по сравнению с Нормами НТП 1-99 диапазоне изменения параметров микроклимата и, следовательно, возможность более гибкого подхода к выбору расчетных параметров внутреннего воздуха. Такая практика основана на данных о довольно широкой термонейтральной зоне у КРС. Следует отметить, что точных данных о том, на сколько снизятся надои и на сколько увеличится расход кормов при отклонении параметров от оптимальных значений нет. В этой связи представляют интерес данные о пределах номинальных температур воздушной среды по стандартам США (ASHRAE, ASAE [4]), которые для различных групп животных различной продуктивности приводят значения:

— нижней критической температуры (нижний предел термонейтральной зоны), более низкая температура окружающей среды приводит к гипотермии, увеличиваются влаговыделения, уменьшается потребление пищи (для дойных коров -27°С, для откормочного молодняка КРС -35°С);
— верхней критической температуры, температура, выше которой снижается скорость метаболизма (для дойных коров 22°С, для откормочного молодняка 27°С);
— диапазона температур с номинальными условиями содержания животных — потери в эффективности в этом диапазоне незначительны (для дойных коров 5..20°С, для откормочного молодняка КРС -15…25°С);
— диапазона температур оптимальной технологии — соответствует максимуму привесов, эффективности, репродукции и др. (для дойных коров 5..15°С, для откормочного молодняка КРС -8…15°С).

Эти данные могут использоваться как ориентировочные при определении степени снижения затрат на микроклимат при отклонении расчетных параметров от оптимальных.

Уровень теплозащиты зданий и тип помещения по температуре внутреннего воздуха в холодный период года. 

Холодные коровники имеют внутреннюю температуру такую же, как и наружную. Их основная функция защитить животных от холодных ветров, дождя и снега, они обычно не изолированы и имеют естественную нерегулируемую вентиляцию. При правильном кормлении в вентилируемом холодном коровнике молочные коровы чувствуют удовлетворительно. Неутепленные коровники с широкими проемами в качестве приточных устройств сейчас строятся за рубежом и внедряются в России; площадь сечения приточных отверстий в таких коровниках регулируется при помощи штор. Отметим, что в нашей стране имеется опыт использования такой технологии в доперестроечные годы, были разработаны типовые проекты с холодным содержанием животных. Отказ от утепления зданий и отопления приводит к повышенному расходу кормов, необходимости применения дополнительного обогрева поилок и мер по предотвращения травматизма животных на обледенелых полах. В западных технических руководствах по такой технологии содержания животных подчеркивается, что для минимизации потерь при морозной погоде необходим правильный выбор технологического оборудования (особенно водопровода и системы навозоудаления) и хорошая эксплуатация; это подтверждается имеющимся, не всегда положительным отечественным опытом эксплуатации холодных коровников.

Коровники с улучшенным микроклиматом в холодный период года имеют внутреннюю температуру воздуха выше, чем наружную, обычно выше 0°С. Эти коровники обычно имеют естественную вентиляцию. Обеспечение положительной внутренней температуры в экстремально холодных условиях достигается за счет теплоизоляции здания и закрытия приточных и вытяжных вентиляционных отверстий. Коровники с улучшенным микроклиматом имеют меньше проблем с замерзанием навоза, чем холодные коровники.

В теплых помещениях (это в основном это помещения для содержания телят, доильные залы) зимой поддерживают температуру внутреннего воздуха выше 4..5°С за счет утепления здания, механической вентиляции с подогревом приточного воздуха, автоматического управления вентиляционными системами.

Современные здания для содержания КРС характеризуются увеличением общего объема за счет увеличения высоты зданий до 10м, применением новых строительных материалов. Изменилась технология содержания животных, широко применяется беспривязное содержание, имеются решения с безвыгульным содержанием животных. Технология содержания животных определят количество животных в группе и в помещении, а также количество и возраст животных в начале и конце технологического цикла, продолжительность технологического цикла. Эти характеристики влияют на характер тепловлажностной нагрузки (постоянной или переменной), что в свою очередь определяет требования к производительности отопительно-вентиляционного оборудования и способам его регулирования. В зданиях для выращивания молодняка и откорма тепловлаговыделенияв помещении растут по мере роста животных, что требует усложнения СОМ. Распространенная ошибка, когда тепловлажностная нагрузка помещения не соответствует расчетным условиям, приводит к тому, что в определенном диапазоне наружных температур отопительно - вентиляционное оборудование, выбранное по этим исходным данным, в принципе не может обеспечить требуемые температуру и влажность воздуха. Выход из данного положения — обеспечение строго определенного заполнения помещения, либо оснащение СОМ устройствами регулирования тепло и воздухо производительности. В большинстве современных помещений для содержания КРС предусматривается непрерывный режим содержания. С точки зрения санитарного состояния здания предпочтительны технологии по принципу «все занято»— «все пусто», что дает возможность провести полную дезинфекцию помещения.
Вид кормов — сухой или влажный влияет на запыленность помещения, что должно учитываться в решениях по режимам работы вентиляции и иногда воздухораспределению. Мобильный способ раздачи кормов приводит к открыванию ворот и дополнительному охлаждению здания, а также загрязнению воздуха выхлопными газами мобильных средств. В зданиях с низкой расчетной температурой наружного воздуха предусматриваются тамбуры, воздушные тепловые завесы. Существенное влияние на влажность, содержание аммиака и запахи оказывает способ удаления навоза. В период уборки наблюдается интенсивное выделения вредностей, увеличение смоченных и загрязненных поверхностей приводит к дополнительному выделению.. Обобщенных данных по количественной оценке различных технологических решений практически нет. Вместе с тем, в ходе проектирования за счет технологии могут быть максимально снижены выделения вредностей. Поэтому при рассмотрении вариантов решений по технологии уборки навоза предпочтения должны быть отданы варианту с меньшей площадью зон выделения вредностей.

Для создания среды обитания животных очень существенен вид полов и подстилочный или без подстилочный способ содержания. Подстилка утепляет зону содержания животных, улучшает общее санитарное здания за счет впитывания влаги и неприятных запахов. При содержании КРС на глубокой подстилке Нормы снижают требования к температуре внутреннего воздуха. Тип полов и подстилки определяет решения по средствам местного обогрева в помещениях для содержания молодняка. Отметим некоторые распространенные решения по технологии и планировке помещений, отрицательно влияющие на микроклимат. При реконструкции часто для увеличения полезной площади отказываются от тамбуров; в результате чего происходит охлаждение торцовой части помещения за счет врывания холодного воздуха через ворота, как правило, неплотно закрывающихся. Когда принимается решение о применении светоаэрационных фонарей, необходимо учитывать, что светоаэрационные фонари увеличивают площадь остекления и открытых проемов и одновременно делают здание более холодным.

Размещение мест отдыха животных непосредственно у стен может привести к переохлаждению животных. В системах обеспечения микроклимата применяется широкая номенклатура как общепромышленного, так и специализированного сельскохозяйственного назначения отопительно-вентиляционного оборудования.

В настоящее время для СОМ животноводческих помещений на территории России производятся осевые вентиляторы комплектов Климат — 45, Климат — 47.Номенклатура специализированного оборудования для СОМ, производимая за рубежом, включает практически все элементы подсистем подачи свежего воздуха, удаления загрязненного воздуха, воздухораспределения и местного обогрева как механических, так и систем естественной вентиляции. В традиционных механических системах вентиляции, применяемых ранее в типовых проектах СОМ животноводческих помещений, используются следующие элементы: приточный агрегат, приточный вентилятор, вытяжной вентилятор, теплообменник, воздуховоды, электродвигатели, регуляторы скорости, теплоутилизаторы, система управления, датчики, регулирующие органы, исполнительные механизмы. В разной комплектации все эти элементы выпускаются западными фирмами. Данных об эксплуатационных показателях, эффективности
их работы в климатических условиях России недостаточно. Тенденции развития зарубежных технических средств для микроклимата: совершенствование конструкции элементов систем, появление на рынке систем очистки уходящего воздуха, развитие систем управления, выпуск одного типа оборудования многими фирмами.

Системы подогрева и системы вентиляции в животноводческих помещениях как правило разделены. Имеется широкая номенклатура приточных и вытяжных устройств для установки в стенах или на крыше. Различают вентиляционные системы с избыточным давлением (приток механический, вытяжка через клапаны естественной вентиляции); системы с отрицательным давлением (приток — механический, вытяжка— через устройства естественной вентиляции) и системы равного давления (с вентиляторами на притоке и вытяжке). В таких системах обогрев помещения решается по-разному; применяются водяные системы отопления, автономные нагревательные установки с жидким или газообразным топливом, различные системы местного обогрева. Говоря об использовании зарубежного оборудования, необходимости производства нового оборудования, следует обратить внимание на режимы работы оборудования и применяемых технических решений в холодное время года, поскольку многие страны с развитым животноводством имеют более теплый климат с кратковременным периодом, когда необходим дополни тельный нагрев и защита животных от переохлаждения. Практически все современные коровники для содержания взрослого стада имеют естественную систему вентиляции. Механическая система вентиляции как, правило, предусматривается в доильных залах и в зданиях для молодняка; отопление применяется только в помещениях для содержания молодняка КРС. В системах естественной вентиляции для подачи свежего воздуха используются окна, фрамуги, приточные устройства в ограждающих конструкциях; для удаления загрязненного воздуха — шахты, щель в коньке перекрытия, световентиляционный фонари.

Одной из проблем помещений с естественной вентиляцией, актуальных для российских условий, является подача свежего воздуха в холодный период года. Известны решения (на уровне экспериментальных исследований и патентования), направленные на увеличение температуры приточного воздуха без применения внешних источников тепла. Одним из возможных способов является применение приточных устройств, обеспечивающих частичную утилизацию и осушку внутреннего воздуха, разрабатываемыхв СЗНИИМЭСХ [5,6]. В СЗНИИМЭСХ принятие решений при разработке систем обеспечения микроклимата животноводческого помещения проводится с помощью программы оптимизации режимов работы отопительно-вентиляционных систем, позволяющей определить минимально-необходимые расходы тепла и воздуха для поддержания заданных параметров внутреннего воздуха при изменении параметров наружного воздуха[7]. В качестве примера в таблице приведены результаты расчета режимов работы СОМ неотапливаемого коровника, позволяющий определить диапазон изменения воздухообмена и требования к регулированию площади приточных и вытяжных устройств для холодного и теплого периода года для климатических условий Ленинградской области.

Расчеты показывают, что в утепленных коровниках с естественной вентиляцией без применения обогрева или специальных средств (утилизация теплоты животных, осушка воздуха) оптимальные параметры внутреннего воздуха без обогрева можно обеспечить только при температуре наружного воздуха выше — 70С. Для поддержания в данном помещении хотя бы положительных температурвнутреннего воздуха при наружной температуре ниже -23ОС необходимо снизить воздухообмен ниже минимально необходимого из расчета удаления углекислого газа, либо увеличить плотность содержания животных; относительная влажность при этом составит около 100%. Этот режим для ряда районов, где вероятностная продолжительность стояния такой температуры небольшая (например, в Ленинградской области около 30 часов в году), можно рассматривать как экстремальный. Если в помещении требуется создать оптимальные значения температуры внутреннего воздуха в помещении КРС при самых низких температурах наружного воздуха, должен предусматриваться дополнительный подогрев, хотя бы в варианте передвижного теплогенератора.

Одним из недостатков систем естественной вентиляции является сложность регулирования воздухообмена, который зависит от перепада внутренней и наружной температуры, скорости и направления ветра, площади открытия приточных и вытяжных систем. Для поддержания в коровнике параметров микроклимата в приемлемых пределах количество подаваемого в помещение воздуха должно изменяться в течение года (для климатических условий Ленинградской области в 6 раз). Как правило, в реконструируемых коровниках не предусматриваются средства регулирования площади сечения вентиляционных отверстий при изменении температуры наружного воздуха. В результате в холодный период года воздухообмены зачастую завышены, из-за чего происходит переохлаждение помещений. Так, наши замеры параметров микроклимата в реконструируемом широкогабаритном коровнике на 350 голов показали, что при температуре наружного воздуха в диапазоне -16… —2оС, температура воздуха в коровнике, в зоне нахождения животных находилась в пределах от 5 до -7°С, относительная влажность достигала 100%. Содержание углекислого газа в помещении находилось в пределах 0,05%, что как известно является признаком завышенного воздухообмена. На ограждающих конструкциях отмечено выпадение конденсата и наледи. Отрицательные значения температуры при высокой влажности и сквозняках являются фактором снижения продуктивности животных, повышенного риска заболеваемости. Вынужденное закрытие приточных и вытяжных устройств в холодный период для повышения температуры внутреннего воздуха приводит к повышению влажности и загазованности, что также отрицательно влияет на состояние животных.

Следует отметить, что за рубежом вентиляционное оборудование выпускается с вариантами ручного или автоматического регулирования воздухообмена; в том числе распространенные у нас светоаэрационные фонари имеют опции как с автоматическим регулированием площади вытяжных устройств, так и с ручным управлением. Один из утепленных коровников Ленинградской области, построенной при участии фирмы Waporeis [8], оборудован системой регулируемых приточных и вытяжных устройств (притокосуществляется через регулируемые экраны в боковых стенах, вытяжка через регулируемый конек; управление степенью открытия приточных и вытяжных устройств производится вручную по группам через систему рычагов при помощи мощных электромеханических приводов). Серьезные проблемы создания нормальных условий в теплый период возникают в новых коровниках с круглогодичным безвыгульным содержанием животных. Раньше этой проблемы не было, т.к. летом коровы находились на пастбище. В теплый период года естественная система вентиляции, с коньковой щелью в том числе, не в состоянии обеспечить необходимый объем подачи воздуха при высоких (выше 10°С) значениях наружной температуры. Без применения специальных мер в широкогабаритном низком коровнике, особенно в центральной его части, трудно избежать застойных зон и соответственно создать комфортные условия.

В соответствии с Нормами технологического проектирования [2] в коровниках для привязного и беспривязного содержания и зданиях для молодняка в холодный период года допустимая скорость движения воздуха в помещении - 0,5 м/с, а в теплый период это значение повышено до1м/с; в родильных отделениях соответственно 0,3 и 0,5м/с. Эти требования должны использоваться при принятии технических решений по летней системе обеспечения микроклимата помещений для содержания КРС. Большая часть зарубежных исследований по микроклимату коровников посвящена проблеме снятия тепловых стрессов; используются системы испарительного охлаждения, различные способы повышения подвижности воздуха в зоне нахождения животных. Эффект работ по реконструкции систем обеспечения микроклимата в коровниках может быть достигнут только при условии комплексного, системного подхода на всех этапах создания и дальнейшей эксплуатации системы.