ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МИКРОКЛИМАТА КОРОВНИКА ПЕРЕНОСНЫМ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ КОМПЛЕКСОМ

University of Natural Resources and Applied Life Sciences. 2011: 337-338

11. Kalyuga V.V., Bazykin V.I. Osnovy tekhnologicheskogo rascheta maloi svinofermy s besstressovym sposobom soderzhaniya svinei i opredelenie ee gabaritov [Basics of technological calculation of a small pig farm with a stress-free method of pig housing and determining farm dimensions]. Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2012. No. 27: 293-300

12. Komlatskii G.V. Industrializatsiya i intensifikatsiya otrasli svinovodstva na yuge Rossii [Industrialisation and intensification of the pig industry in the south of Russia]. Avtoreferat dissertatsii na soiskanie uchenoi stepeni doktora sel'skokhozyaistvennykh nauk [Author's Abstract of Doctoral Thesis]. Cherkessk: StGAU. 2014: 48

13. Kalyuga V., Trifanov A., Bazykin V. Justification of choice of stress-free pig housing method on small-scale farms at designing stage. Engineering for Rural Development. Proc. 18th Int. Sci. Conf. May, 22-24, 2019. Jelgava, Latvia: LLU. 2019: 349-354 (In English) DOI: 10.22616/ERDev2019.18.N164.

14. Kalyuga V.V., Trifanov A.V., Bazykin V.I. Obosnovanie pyatifaznogo besstressovogo sposoba soderzhaniya svinei na malykh fermakh na stadii proektirovaniya [Justification of the five-phase stress-free method of fattening pigs on small farms]. Svinovodstvo. 2018. No. 8: 17-20

15. Bazykin V.I., Kalyuga V.V., Trifanov A.V. Kriterii otsenki i vybora proektno-tekhnologicheskikh reshenii svinovodcheskikh predpriyatii [Assessment and selection criteria of design and technological solutions for pig farms]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2016. No. 90: 132-139

16. Kalyuga V.V., Bazykin V.I., Trifanov A.V. Metodika vybora besstressovogo sposoba soderzhaniya svinei na stadii kontseptual'nogo proektirovaniya malykh svinoferm [Methodology to select the stress-free method of pig housing at the conceptual designing stage of small-scale pig farms]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2018. No. 95: 208-216 (In Russian) DOI: 10.24411/0131-52262018-10049.

УДК 631.22

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МИКРОКЛИМАТА КОРОВНИКА ПЕРЕНОСНЫМ

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ КОМПЛЕКСОМ

B.Ф. Вторый, д-р техн. наук, Р.М. Ильин

C.В. Вторый, канд. техн. наук,

Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия

В свете текущих вызовов глобального потепления и роста продуктивности коров проблема теплового стресса животных становится одной из важнейших в животноводстве. Для оценки работы систем вентиляции, выявления проблемных зон в коровниках и снижения

риска возникновения теплового стресса у коров необходим мониторинг состояния воздушной среды. В связи с этим целью исследования была оценка параметров микроклимата в животноводческих помещениях в летний период с помощью переносного измерительного комплекса ПИК-4. Исследование было проведено на двух фермах в Ленинградской области с беспривязным способом содержания животных в коровниках с системой естественной вентиляции, то есть притоком воздуха через светоаэрационный конек, окна и ворота. В каждом исследуемом помещении содержалось по четыре технологические группы дойных коров разного периода лактации. Исследования показали, что переносной измерительный комплекс ПИК-4 позволил проводить измерения четырех основных параметров микроклимата - температуру и относительную влажность воздуха, концентрацию парниковых газов СО2 и NH3 в целях оценки микроклимата в помещении на его соответствие зоотехническим требованиям. В летний период при температурах наружного воздуха выше + 28 °С и относительной влажности воздуха до 60% тепературно -влажностный индекс THI был равен 76-81, что свидетельствовало о тепловом стрессе для животных и снижало их продуктивность. В этих условиях применение дополнительной вентиляции с созданием водяного тумана уменьшало тепловую нагрузку на животных, но было недостаточно для обеспечения необходимых комфортных условий для животных и обслуживающего персонала.

Ключевые слова: коровник, микроклимат, тепловой стресс, температурно-влажностный индекс.

Для цитирования: Вторый В.Ф., Вторый С.В., Ильин Р.М. Исследование параметров микроклимата коровника переносным измерительным комплексом // АгроЭкоИнженерия. 2021. № 3 (108). С.154-164

STUDY OF THE BARN INSIDE CLIMATE PARAMETERS WITH A PORTABLE

MEASURING COMPLEX

V.F. Vtoryi, DSc (Engineering), R.M. Ilyn

S.V. Vtoryi, Cand. Sc. (Engineering),

Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia

In light of the current challenges of global warming and cow productivity growth, heat stress in animals is becoming a crucial problem in animal husbandry. The monitoring of the inside air environment is required to estimate the ventilation performance, identify the bottlenecks in the barns and reduce the risk of heat stress in cows. In this regard, the study aimed to assess the microclimate parameters in the livestock houses in summer using a PIK-4 portable measuring complex. The study was conducted on two farms in the Leningrad Region in the cow barns with a loose housing system and a natural ventilation system - with the air inflow through a light aeration ridge, windows and gates. Four technological groups of dairy cows of different lactation periods were housed in each cow barn. According to the study results, the PIK-4 portable measuring complex allowed measuring four main parameters of the inside climate - air temperature and relative humidity and the concentration of greenhouse gases - carbon dioxide and ammonia to

155

assess its compliance with zootechnical requirements. In summer, under the outdoor temperatures above + 28 °C and relative air humidity up to 60%, the temperature-humidity index (THI) was 7681, which indicated the heat stress for animals and reduced their productivity. Under these conditions, the use of additional ventilation and generation of water mist reduced the heat load on the animals but was not enough to provide the necessary comfortable conditions for the animals and service personnel.

Key words: cow barn, inside climate, heat stress, temperature and humidity index

For citation: Vtoryi V.F., Vtoryi S.V., Ilyn R.M. Study of the barn inside climate parameters with a portable measuring complex. AgroEkoInzheneriya. 2021. No. 3

Введение

В свете актуальной проблемы глобального потепления и роста продуктивности коров, проблема теплового стресса в настоящее время становится одной из важнейших в животноводстве. Воздействие высоких температур на состояние коров исследовано рядом авторов в разных странах мира [1-5]. Колебания температуры воздуха в коровнике в диапазоне от +5 °С до +20,0 °С при относительной влажности от 40% до 80% считаются термонейтральными значениями, такие параметры воздушной среды не оказывают отрицательного влияния на общее состояние коров. Однако с ростом этих значений, они вызывают физиологические или поведенческие изменения у животных, представляющие собой реакцию на тепловой стресс. Необходимо отметить что, высокопродуктивные коровы в большей степени подвержены тепловому стрессу [6]. Тепловой стресс является фактором, вызывающим снижение потребления кормов животными, одновременно увеличивая потребление воды, что значительно сказывается на их продуктивности [7].

Так же существует проблема с обеспечением оптимального микроклимата в современных коровниках, из-за больших габаритов. Предусмотренные в них системы естественной вентиляции через аэрационный конек, окна и ворота, способны обеспечить оптимальные параметры микроклимата

коровника только в узком диапазоне наружных температур. Проблемы с функциональностью таких систем возникают зимой при температурах ниже -15 °С, и летом, когда наружный воздух прогревается выше +30 °С. Устранение этих проблем предполагает использование

дополнительных систем вентиляции, которые требуют значительных финансовых и энергозатрат [8].

К контролируемым параметрам в животноводческом помещении относится не только температура и относительная влажность, но и газовый состав воздуха, а именно концентрации углекислого газа и аммиака. Отмечается что, увеличение концентрации аммиака на 1 мг/м и на 2% влаги в воздухе коровника, влечет за собой снижение продуктивности коровы на 1,7%

[9].

Для оценки работы систем вентиляции и выявления проблемных зон в коровниках и снижения риска возникновения теплового стресса у коров необходим мониторинг состояния воздушной среды. В связи с этим, целью исследований является оценка параметров микроклимата в

животноводческих помещениях в летний период с помощью переносного измерительного комплекса ПИК-4.

Материалы и методы

Проведены исследования параметров микроклимата коровника на двух фермах

Ленинградской области с беспривязным способом содержания. В коровниках естественная система вентиляции, приток воздуха через светоаэрационный конек, окна и ворота. В каждом исследуемом помещении содержится по 4 технологические группы дойных коров разного периода лактации.

Мониторинг проводился с помощью переносного измерительного комплекса

4

ПИК-4, показанного на рисунке 1. Он представляет собой цилиндрический блок, в котором конструктивно совмещены четыре датчика (температуры и влажности 1, концентрации углекислого газа 2 и аммиака 3) с регистрирующим устройством 4 (ОВЕН - МСД 200).

Рис. 1. Переносной измерительный комплекс ПИК-4

Используемые типы датчиков: относительной погрешностью не более 25%

- датчик ДВТ-02 температуры и [9].

влажности - с пределами измерений от - 40 до Все регистрируемые данные

+50 °С и от 0 до 100%, с относительными записываются в файл, с интервалом времени

погрешностями ± 1,0 °С и ± 3%; 10 секунд, на съемный носитель в формате

- датчик ЕЕ85 концентрации углекислого *.х1б.

газа - с пределами измерений от 0 до 5000 Измерения проводились на двух уровнях

ррт, с относительной погрешностью ± (50 (рисунки 2 и 3): первое - 30 см от пола, что

ррт + 3% от измеренного значения); соответствует нахождению животного в

- датчик Астра-Д концентрации аммиака положении лежа, и второе 1,5 метра от пола,

о

- с пределами измерений от 0 до 60 мг/м , с животное стоит.

1

3

2

Рис. 2. Замер на уровне 30 см Рис. 3. Замер на уровне 1,5 метра

Измерения параметров воздушной среды (температуры, влажности воздуха, концентрации углекислого газа и аммиака) проведены в соответствии со схемами (рисунок 4): коровник №1 - в 2х точках на

улице и 13 точках по длине и ширине коровника; коровник №2 - в 2х точках на улице и 17 точках по длине и ширине коровника.

14 Север

18 Север

1 2 3

5 6 13 7

9 10 11

15 Юг Коровник №1

1 2 3 4

5 6 7 8

17

9 10 11 12

13 14 15 16

19 Юг Коровник №2

Рис. 4. Схема измерений в коровниках №1 и 2 с указанными точками

4

8

В дополнение к естественной системе вентиляции через светоаэрационный конек, окна и ворота, в коровниках установлены вентиляторы (рисунок 5). Так же в коровнике

№2 установлена система охлаждения воздуха туманом (рисунок 6). Во время проведения замеров все ворота и окна были открыты, вентиляторы работали.

Обработка результатов исследований производится известными методами математической статистики с определением средних значений исследуемых величин за установленные временные периоды в программе MS Excel.

Состояние микроклимата в

помещениях и комфортность животных определяем расчетом температурно-влажностного индекса (THI) по уравнению [8].

THI = 1,8 х Т -

+ 32,

где T - температура воздуха, °C, HR -относительная влажность, %.

Значения THI: 68-71 начало теплового стресса; 72-79 легкий тепловой стресс; 80-89 сильный тепловой стресс; 90 и более -жесткий тепловой стресс [1]. Результаты и обсуждение

Значительное влияние на

формирование микроклимата коровника оказывают внешние погодные условия.

В период проведения исследований в районе коровника №1:

- 13 июля 2021 года температура воздуха составляла +30,7 °С при относительной влажности 43%, концентрация С02 - 433 ррт, КН3 - 0,1 мг/м3;

- 15 июля 2021 года температура воздуха составляла +36,7 °С при относительной влажности 36%, концентрация С02 - 470 ррт, КН3 - 0,1 мг/м3.

При мониторинге параметров микроклимата в коровнике №1 в соответствии со схемой (рисунок 4) зафиксированы значения, представленные в таблице 1.

Анализ полученных результатов измерений показал, что температура воздуха в коровнике была на 2-3 °С ниже температуры наружного воздуха при разнице относительной влажности воздуха около 5%. Расчетами температурно-влажностного индекса (ТН1 = 76-80) установлено, что животные находятся в состоянии теплового стресса и вероятно имеется снижение суточных удоев. Концентрации СО2 в

наружном и внутреннем воздухе отличались составляла не более 22% от предельно не значительно. Концентрация КН3 в допустимой. коровнике была существенно выше, но

Таблица 1

Средние значения параметров микроклимата в коровнике №1 13 июля 15 июля

Т -

Т 29,3 29,2 29,4 29,4

HR 47,8 48,1 44,8 48

NH3 2,5 2,5 0,8 2,5

CO2 542 532 583 507

THI 77 77 77 77

Т 29,4 29,4 30,2 29,8 29,3

HR 47,3 46 46,1 45,1 47,8

NH3 1,4 2,5 4,4 2,6 3,1

CO2 564 759 746 757 552

THI 77 77 79 77 77

Т 29,8 31,3 28,9 28,7

HR 47 41,3 44,8 45,8

NH3 2,6 1,1 0,3 0,4

CO2 501 468 507 429

THI 78 78 76 76

32 33,2 31,7 33

46 41,7 42,3 42

2,7 3 0,13 1,4

658 554 610 566

80 81 79 81

31 30,8 32,7 30,9 31,3

50,1 50,3 42,8 49,8 49,5

5,5 3 2,7 4,16 2,6

814 791 654 761 622

80 79 80 79 80

31,9 32,1 32,2 32,4

42,4 41,9 44,9 43,5

1,1 0,76 2,9 1,4

557 587 628 665

79 80 80 80

3

температура, °С; НК - относительная влажность, %; МН3 - концентрация аммиака, мг/м ; С02 - концентрация углекислого газа, ррт; ТН1 - индекс теплового стресса коров.

В период проведения исследований в районе коровника №2:

- 13 июля 2021 года температура воздуха составляла +33,7 °С при относительной влажности 36%, концентрация С02 - 621 ррт, КН3 - 0,1 мг/м3;

- 15 июля 2021 года температура воздуха составляла +29,8 °С при относительной влажности 38%, концентрация СО2 - 715 ррт, № - 0,1 мг/м3.

При мониторинге параметров микроклимата в коровнике №2 в соответствии со схемой (рисунок 4) зафиксированы значения, представленные в таблице 2.

Анализ полученных результатов измерений показал, что температура воздуха в коровнике была на 4-6 °С ниже температуры наружного воздуха при разнице относительной влажности воздуха 15-22%. Расчеты температурно-влажностного индекса

(ТН1 = 76-81) показали, что животные находятся в состоянии теплового стресса и вероятно имеется снижение суточных удоев. Разница концентрации СО2 в наружном и внутреннем воздухе составляла от 100 до 520

ррт . Концентрация в коровнике была значительно выше наружной и максимальное значение ее составило 42% от предельно допустимой.

Таблица 2

Средние значения параметров микроклимата в коровнике №2 13 июля 15 июля

Т 27,7 28 29,3 31,1

HR 63,3 55,3 54,3 46,8

NH3 8,5 5,5 5,6 1,9

CO2 1099 926 1142 925

THI 77 76 78 79

Т 27,7 27,9 28,6 28,7

HR 58,6 57,2 55,7 55,8

NH3 6,7 4,9 5,1 5,3

CO2 879 1007 1062 1145

THI 76 76 29,6 77 77

Т 54,2

HR 6,1

NH3 1100

CO2 78

THI

Т 30,6 28,9 28,2 27,9

HR 46,1 51 52,7 52,3

NH3 2,7 4,1 3 3,2

CO2 791 1027 908 898

THI 78 77 76 76

Т 29,1 28,8 28,9 28,7

HR 48 48,6 50,6 48,5

NH3 3,6 4,4 3,5 1,3

30,3 52,7 4,3 703 79 29,5 60,9 8,4 1105 79 31,1 53,5 5,5 808 80 30,1 57,7 7,4 1005 80

29,3 54,6 5 1000 78 29.4 62.5 7,9 1264 79 31,2 29,9 58,3 6,5 1068 79 29,9 59,1 4,5 1119 80

58,6 6,5 1238 81

30,5 56 5,2 1072 80 30,8 61,3 7,4 1186 81 29,8 59,7 5,4 1197 80 29.3 61.4 7,4 1147 79

30,3 48,9 2 30,9 53,3 6,2 30 61,5 7 29,5 62,1 7,1

CÜ2 832 822 847 783

THI 77 76 77 76

936 817 1248 1146

81 80 80 79

Необходимо отметить, что в летний период в коровниках не обеспечиваются комфортные условия содержания

лактирующих коров. В соответствии с индексом ТН1 условия содержания животных в этот период на фермах не обеспечивают получение максимальных удоев.

Принимаемых организационно-

технологических решений (дополнительная механическая вентиляция помещений, создание водяного тумана) на фермах недостаточно для создания комфортных условий животным и обслуживающему персоналу.

Выводы

Исследования показали, использование переносного измерительного комплекса ПИК-4 позволяет производить измерения четырех основных параметров (температуру и

относительную влажность воздуха,

концентрацию парниковых газов СО2 и КН3) в целях контроля микроклимата в животноводческих помещениях и его соответствия зоотехническим требованиям.

В летний период при высоких температурах наружного воздуха выше +28 °С и относительной влажности воздуха до 60% тепературно-влажностный индекс ТН1 = 7681, что свидетельствует о тепловом стрессе для животного, снижает их продуктивность. В этих условиях применение дополнительной вентиляции с созданием водяного тумана снижает тепловую нагрузку на животных, но не достаточно для обеспечения необходимых комфортных условий для животных и обслуживающего персонала. Требуются дополнительные организационно-

технологические мероприятия.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Mylostyvyi R., Vysokos M., Timoshenko V., Muzyka A. et al. Features of the formation and monitoring of the microclimate in non-insulated barns: unresolved issues. Theoretical and Applied Veterinary Medicine. 2020. No. 8

2. Levit H., Pinto S., Amon T., et al. Dynamic cooling strategy based on individual animal response mitigated heat stress in dairy cows. Animal. 2021. No. 15(2): 100093. DOI: 10.1016/j.animal.2020.100093.

3. Komlosi K.K., Ribacs A. Study on the influence of heat stress on lactating Hungarian Simmental cows. Research Journal of Agricultural Science. 2020. No. 52 (2). pp. 63-73. [Электронный ресурс]: URL: https://rjas.ro/download/paper version.paper file.

a52a5200192c9e0a.392e2d3431204b6f6d6c6f736 920726576697365642e706466.pdf (дата

обращения 10.09.2021)

4. Nejad J.G., Lohakare J.D., West J.W., Kim W. et al. Effects of water restriction following feeding on nutrient digestibilities, milk yield and composition and blood hormones in lactating Holstein cows under heat stress conditions. Italian Journal of Animal Science. 2015. No. 14(3). pp. 479-483. D0I:10.4081/ijas.2015.3952

5. Вторый В.Ф., Вторый С.В., Гордеев В.В. Информационно-прогнозная модель температурно-влажностного режима коровника. Инженерные технологии и системы. 2021. Т. 31, № 2. С. 241-256. DOI: 10.15507/2658-4123.031.202102.241-256

6. Herbut P., Hoffmann G., Angrecka S., Godyn D. et al. The effects of heat stress on the behaviour of dairy cows - a review. Annals of Animal Science. 2020. No. 21(2), pp. 385-402. DOI: 10.2478/aoas-2020-0116

7. Le Riche E., Vander Zaag A., Burtt S., Lapen D., Gordon R. Water use and conservation on a free-stall dairy farm. Water. 2017. No. 9(12), p. 977. D0I:10.3390/w9120977

8. Mylostyvyi R., Izhboldina O. Climate assessment in modern sustainable cattle barns using temperature-humidity index. In: New stages

of development of modern science in Ukraine and EU countries: monograph. Riga, Latvia: Baltija Publishing, 2019. pp. 124-144. DOI: 10.30525/978-9934-588-15-0-134.

9. Ильин Р.М., Вторый С.В. Распределение аммиака в коровниках с естественно системой вентиляции // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2020. № 2 (103). С. 91-98. DOI: 10.24411/0131-52262020-10245

1. Mylostyvyi R., Vysokos M., Timoshenko V., Muzyka A. et al. Features of the formation and monitoring of the microclimate in non-insulated barns: unresolved issues. Theoretical and Applied Veterinary Medicine. 2020. No. 8

2. Levit H., Pinto S., Amon T., et al. Dynamic cooling strategy based on individual animal response mitigated heat stress in dairy cows. Animal. 2021. No. 15(2): 100093. DOI: 10.1016/j.animal.2020.100093.

3. Komlosi K.K., Ribacs A. Study on the influence of heat stress on lactating Hungarian Simmental cows. Research Journal of Agricultural Science. 2020. No. 52

4. Nejad J.G., Lohakare J.D., West J.W., Kim W. et al. Effects of water restriction following feeding on nutrient digestibilities, milk yield and composition and blood hormones in lactating Holstein cows under heat stress conditions. Italian Journal of Animal Science. 2015. No. 14(3): 479-483. DOI:10.4081/ijas.2015.3952

5. Vtoryi V F., Vtoryi S.V., Gordeev V.V. Informatsionno-prognoznaya model'

temperaturno-vlazhnostnogo rezhima korovnika [The information predictive model of creating temperature and humidity conditions in cow barns]. Inzhenernye tekhnologii i sistemy. 2021. Vol. 31, No. 2: 241-256. DOI: 10.15507/26584123.031.202102.241-256

6. Herbut P., Hoffmann G., Angrecka S., Godyn D. et al. The effects of heat stress on the behaviour of dairy cows - a review. Annals of Animal Science. 2020. No. 21(2): 385-402. DOI: 10.2478/aoas-2020-0116

7. Le Riche E., Vander Zaag A., Burtt S., Lapen D., Gordon R. Water use and conservation on a free-stall dairy farm. Water. 2017. No. 9(12): 977. DOI:10.3390/w9120977

8. Mylostyvyi R., Izhboldina O. Climate assessment in modern sustainable cattle barns using temperature-humidity index. In: New stages of development of modern science in Ukraine and EU countries: monograph. Riga, Latvia: Baltija Publishing, 2019:124-144. DOI: 10.30525/978-9934-588-15-0-134

9. Ilin R.M., Vtoryi S.V. Raspredelenie ammiaka v korovnikakh s estestvenno sistemoi ventilyatsii [Ammonia distribution pattern in cow barns with a natural ventilation system]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2020. No. 2 (103): 91-98 (In Russian) DOI: 10.24411/01315226-2020-10245