Модель температурно-влажностного режима коровника в зависимости от параметров внешней среды

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства_

УДК 631.22

DOI 10.24411/0131-5226-2018-10074

Р.М.Ильин

С.В.Вторый, канд. техн. наук;

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

При разработке современных систем управления микроклиматом основной задачей является исследование динамических характеристик температуры и относительной влажности внутри коровника, так как они тесно связаны со всеми процессами на ферме. Наиболее значительно влияют на температуру и относительную влажность внутри коровника такие природно-климатические факторы как температура, влажность наружного воздуха и сила ветра. Исследования, проведенные в коровнике с привязным содержанием животных в апреле-мае 2018 года с использованием автоматической системы мониторинга параметров микроклимата, показали, что изменения значений температуры и относительной влажности внутри помещения существенно зависят от внешних погодных условий и организации воздухообмена с внешней средой. С использованием методов статистической обработки данных построены температурно-влажностные регрессионные модели расчета температуры и относительной влажности воздуха внутри коровника в зависимости от параметров наружного воздуха. Коэффициенты детерминации моделей R2=89,77-94,87 свидетельствуют о высокой взаимосвязи исследуемых параметров.

Ключевые слова: коровник; микроклимат; мониторинг; природно-климатические условия; температура; влажность.

Для цитирования: Вторый В.Ф., Вторый C.B., Ильин P.M. Модель температурно-влажностного режима коровника в зависимости от параметров внешней среды // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. №

3 (96). C. 203-209.

MODEL OF IN-BARN TEMPERATURE AND HUMIDITY DEPENDING ON OUTSIDE

ENVIRONMENT PARAMETERS

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

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

When developing modern microclimate control systems, the main task is to study the dynamic characteristics of temperature and relative humidity in the barn, as they are closely related to all processes on the farm. Such climatic factors as temperature, ambient air humidity and wind strength have the most significant influence on the inside temperature and relative humidity. Studies conducted in the barn with tied animal housing system in April-May 2018 using an automatic monitoring system of microclimate

V.F. Vtoryi, DSc (Engineering);

R.M. Ilin

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал.

_ИАЭП. 2018. Вып. 96_

parameters, showed that variation in the inside temperature and relative humidity depends significantly on external weather conditions and arrangement of air exchange with the external environment. Using the methods of statistical data processing, the temperature and humidity regression models were developed to calculate the temperature and relative humidity of the air inside the barn, depending on the parameters of the outdoor air. The coefficients of determination of the models R2 = 89.77-94.87 indicated a high correlation between the studied parameters.

Key words: barn; inside climate; monitoring; environmental conditions; temperature; humidity.

For citation: Vtoryi V.F., Vtoryi S.V., Ilyin R.M. Model of in-barn temperature and humidity depending on outside environment parameters. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstvaprodukcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2018. 3

Введение

Создание в зоне обитания животных оптимального воздушного режима, который строго соответствует зоотехническим нормам, требует тщательного изучения характера распределения температуры и относительной влажности, по высоте и площади помещения. Исследование динамических характеристик температуры и относительной влажности внутри

помещения является основной задачей, при разработке современных систем управления микроклиматом, так как они тесно связаны со всеми процессами на ферме.

Проведенные ранее эксперименты по замеру нормируемых показателей воздушной среды выявили [1,2,3,4,5,6,7], что в разных точках коровника, температура и относительная влажность различны, в виду влияния ряда факторов, таких как недостатки систем естественной вентиляции и поения, навозоуборочного оборудования, а так же инфильтрации воздуха через ворота и окна. Как отдельный фактор стоит отметить технологию раздачи кормов, а именно выдачу кормов миксером-кормораздатчиком, для которого открываются ворота в любое время года.

Важнейшими факторами, которые наиболее значительно влияют на температуру и относительную влажность внутри коровника, являются природно-

климатические факторы, такие как температура, влажность наружного воздуха и сила ветра. Проведение исследований на конкретной ферме, в разные периоды года, позволит уточнить степень влияния параметров наружного воздуха на параметры микроклимата внутри коровника.

Материалы и методы

Целью исследований является формирование базы данных мониторинга

формирования микроклимата в коровнике в зависимости от способа содержания и природно-климатических условий.

Для решения вопроса о распределении температурно-влажностных параметров по высоте и площади в апреле-мае 2018 года, в одном из хозяйств Ленинградской области, был проведен ряд исследований. Местом проведения исследований выбран коровник на 200 голов (рисунок 1) привязного содержания, состоящее из сборных бетонных панелей толщиной 250 мм с габаритами 72*21 метр. Коровник четырех рядный с двумя кормовыми проходами. Вентиляция помещения - естественная, с притоком через окна и ворота, и вытяжкой через световой конёк. Доение производиться в молокопровод 3 раза в сутки, корма раздаются с помощью миксера-кормораздачика и дополнительно вручную с использованием тележки ТУ-300.

Рис. 1. Здание коровника на 200 голов со схемой точек замера параметров микроклимата Ф- места установки датчиков параметров микроклимата

Замер параметров температуры и относительной влажности производился в режиме реального времени по длине и ширине коровника, при помощи девяти электронных датчиков расположенных непосредственно над стойлами животных на высоте 2,5 метра (рис.1). Стационарное расположение датчиков на высоте 2,5 метра было принято из следующих соображений, датчики и блоки-регистрации располагаются в недосягаемости для животных и персонала, так же они не должны быть помехой для выполнения технологических процессов и операций. Кроме того, ранее были проведены исследования, на высоте 0,5 и 1,5 метра от уровня пола, при помощи мобильной установки для замеров параметров микроклимата [8,9,10].

Структурная схема системы регистрации параметров воздуха внутри помещения показана на рисунке 2. Система состоит из: датчиков 1 температуры и относительной влажности АМ2320 (диапазон измерения -температуры -40...80°С с погрешностью

погрешностью ±3%); блока регистратора-архиватора 2 представляющего собой устройство созданное из электронных компонентов на основе микроконтроллера Atmel 328; питание подводится кабельной линией 3 от блока 4 питания постоянного тока 12В.

Рис. 2. Структурная схема системы регистрации: 1 -Датчик (температура и влажность): 2 -регистратор-архиватор: 3 - линия питания 12В; 4 - блок питания.

Устройство работает в соответствии с программой написанной на платформе Arduino ШЕ. Полученные данные записываются в текстовом формате на micro SD карту емкостью до 8 Гб. Периодичность опроса и записи устанавливается программно, с интервалом 10 минут.

фиксировалась на высоте 2 метра над поверхностью земли, а скорость ветра на высоте 10-12 метров над земной поверхностью с периодичностью 3 часа, метеостанцией расположенной в городе

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ПАЭП. 2018. Вып. 96_'

Кингисепп, на расстоянии 26 км от фермы. Это ближайшая государственная

метеостанция, данные которой находятся в открытом доступе.

Результаты и обсуждение

По данным непрерывной регистрации, в период с 1 апреля по 31 мая 2018 года (61 день), были определены для коровника средне суточная температура Твср и относительная влажность 1¥,;ср, максимальная суточная температура Твмакс и относительная влажность Жемакс, средняя минимальная температура Твмин и относительная влажность Жвмин и их амплитуды АТ и АЖ. Графически результаты представлены на рисунках 3-6.

Рис. 3. Среднесуточная температура и амплитуда колебания в апреле 2018

Рис. 4. Среднесуточная относительная влажность и амплитуда колебания в апреле 2018

Рис. 5. Среднесуточная температура и амплитуда колебания в мае 2018

Рис. 6. Среднесуточная относительная влажность и амплитуда колебания в мае 2018

относительная влажность в коровнике, по всем 9 точкам, в апреле составили +14,4°С и 75,5%, в мае +19,9°С и 66,1%. При этом были дни в апреле, в которых температура помещения опускалась в отдельных точках ниже +4°С, в большей степени это было связано с открытием ворот для запуска миксера-раздатчика. В тоже время,

1

нср

И

среднесуточная температура относительная влажность Жнср на улице, в апреле составила +6,0°С и 78,1%, в мае +15,0°С и 61,1% соответственно. Среднесуточная скорость ветра ¥нср , за весь период исследования, находилась в диапазоне от 0,8 до 3,4 м/с.

Результатом статистической обработки полученных данных стали регрессионные модели (1-4). Причем обработка данных за апрель и май велась отдельно, так как, в первых числах мая, в связи с резким ростом среднесуточной температуры на улице, в коровнике был произведен демонтаж всех окон, что увеличило воздухообмен с внешней средой и оказало существенное влияние на формирование микроклимата в коровнике.

Апрель Ткгп=11,7665+ 0,57*Т,

- всР

нсР

1,0144*VHcp+0.0002*WHcp ,R2=89,77

нсР

нсР >J

- вср=48,8388+0,0033*Wuci+0,0119'

ТисР * WHcp,R

-93,45

Твср =9,4475+0,8478*Тнср+0,0004*Жнср2 -0,0028* Тнср*Жнср -0,0475*Гнср* Тнср , К2 94,87

Жвср = 75,4019-3,0844*Тнср+0,0418*Тнср*Жнср , Я2= 72,64

где Твср - температура воздуха внутри коровника, °С; Жвср - относительная влажность воздуха внутри коровника, %; Тнср - температура наружного воздуха , °С; безотносительная влажность наружного воздуха, %; Уиср - скорость ветра, м/с; К2 -коэффициент детерминации, %.

Критерий Стьюдента Тфакт для модели 2 и 4 находиться в диапазоне от 5,69 до 34,14 при табличном значении Ттаб=4,30 и уровне значимости Р=0,05. Коэффициент детерминации модели 2, Я2 = 93,45 показывает значительную взаимосвязь зависимой и независимой переменных, в модели 4 он значительно ниже и равен Я = 72,64 , что может говорить о дополнительно не учтенных факторах, значительно влияющих на относительную влажность внутри коровника.

Критерий Стьюдента Тфакт для моделей 1 и 3 находиться в диапазоне от 1,97 до 18,70, коэффициенты становятся значимы при значении Критерий Стьюдента Ттаб=2,13 и уровне значимости Р=0,1. Один из коэффициентов Тфакт равен 1,97, что ниже 2,13, но исключение его не целесообразно, ввиду снижения функциональной

зависимости остальных коэффициентов. Коэффициенты детерминации Я2 этих моделей равны 89,77 и 94,87, что показывает значительную взаимосвязь зависимой и независимой переменных.

Выводы

Важным технологическим процессом, существенно влияющим на состояние и продуктивность коров, а так же работоспособность персонала является обеспечение нормативных параметров воздушной среды животноводческих

помещений. На качественный состав воздуха коровника оказывает влияние множество факторов и основными являются внешние погодные условия, которые имеют значительные сезонные колебания.

Исследования, проведенные в коровнике с привязным содержанием животных в апреле-мае 2018 года с использованием автоматической системы мониторинга параметров микроклимата показали, что колебания значений температуры и относительной влажности внутри

помещения существенно зависят от внешних погодных условий и организации воздухообмена с внешней средой. В разных точках коровника (9 точек) температура воздуха в среднем была в апреле +14,4°С (в отдельные дни опускалась до +4°С, в мае +19,9°С, средняя относительная влажность воздуха в апреле 75,5%, мае 66,1%. При этом средняя температура наружного воздуха за период измерений имела значения в апреле

до +22,0°С), при относительной влажности воздуха 61-78%).

С использованием методов

статистической обработки данных построены температурно-влажностные регрессионные модели расчета температуры и относительной влажности воздуха внутри коровника в зависимости от параметров наружного воздуха. Числовое значение критерия Стьюдента Тфакт=1,97-34,14 в регрессионных моделях расчета

температуры и относительной влажности показывает функциональную зависимость переменных при уровне значимости Р=0,05-0,1. Коэффициенты детерминации моделей Я2=89,77-94,87 свидетельствуют о высокой взаимосвязи исследуемых параметров, Я2=72,64 (относительная влажность воздуха в коровнике в мае) свидетельствует о дополнительных неучтенных факторах, что

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ПАЭП. 2018. Вып. 96_|_

объясняется увеличением воздухообмена за влажности воздуха будут использованы при

счет демонтажа оконных рам. разработке общей математической модели

Полученные регрессионные модели формирования микроклимата в коровнике, расчета температуры и относительной

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Вторый В.Ф., Вторый C.B., Гордеев В.В., Ланцова Е.О. Микроклимат коровника на 200 голов в зимний период // Вестник ВНИИМЖ. 2017. №4(28). С. 99-103.

2. Вторый В.Ф., Гордеев В.В., Вторый C.B., Ланцова Е.О. Влияние погодных условий на формирование температурно-влажностного режима в коровнике // Вестник ВНИИМЖ. 2016. №3(23). С. 67-72.

3. Вторый C.B., Плаксин И.Е., Ланцова Е.О. Опытно-производственная проверка установки для мониторинга параметров микроклимата в технологическом модуле для откорма поросят // Инновации в сельском хозяйстве. 2015. №4(14). С. 218222.

4. Кудрин М.Р. Микроклимат на фермах в зависимости от сезона года / М.Р. Кудрин // Зоотехния. 2011. №9. С. 25-27.

Физиологическое состояние коров в зависимости от микроклимата помещений // Достижения науки и техники АПК. 2013. №8. С. 53-56.

животноводческих ферм и комплексов // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. 2011. №1 (46). С. 49-51.

7. Софронов В.Г., Данилова Н.И., Шамилов Н.М., Кузнецова Е.Л. Влияние микроклимата на организм и молочную продуктивность дойных коров // Фермер. Поволжье. 2016. №10 (52). С. 82-85.

8. Вторый В.Ф., Гордеев В.В., Вторый С.В., Ланцова Е.О. Оценка состояния температурно-влажностного режима в коровнике с использованием графического информационного моделирования // Вестник ВНИИМЖ. 2016. №4 (24). С. 67-72.

9. Вторый В.Ф., Вторый С.В., Ланцова Е.О. Графическая информационная модель состояния микроклимата в коровнике // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2016. №89. С. 183-189.

10. Vtoryi V.F., Vtoryi S.V., Ylyin R.M. Investigations of temperature and humidity conditions in barn in winter. Proc. 17th Int. Sc.

2018. Vol. 16: 265-269.

REFERENCES

1. Vtoryi V.F., Vtoryi S.V., Gordeev V.V., Lantsova E.O. Mikroklimat korovnika na 200 golov v zimnii period [ Microclimate in a barn for 200 head in winter]. Vestnik Vserossijskogo

nauchno-issledovatel'skogo instituta mekhanizacii zhivotnovodstva. 2017, N 4

2. Vtoryj V.F., Gordeev V.V., Vtoryj S.V., Lantsova E.O. Vliyanie pogodnykh uslovij na

formirovanie temperaturno-vlazhnostnogo rezhima v korovnike [Weather conditions influence on formation of temperature and humidity conditions in a cowshed], Vestnik Vserossijskogo nauchno-issledovatel'skogo instituta mekhanizacii zhivotnovodstva. 2016; N 3 (23): 67-72. (In Russian) 3. Vtoryi S.V., Plaksin I.E., Lantsova E.O. Opytno-proizvodstvennaya proverka ustanovki

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства_

dlya monitoringa parametrov mikroklimata v tekhnologicheskom module dlya otkorma porosyat [Pilot testing of the monitoring installation of indoor climate parameters in the technological module for piglets fattening]. Innovatsii v sel'skom khozyaistve. 2015, N 4

4. Kudrin M.R. Mikroklimat na fermakh v zavisimosti ot sezona goda [Indoor climate on the farms depending on the season]. Zootekhniya. 2011, N 9: 25-27.

5. Martynova E.N., Yastrebova E.A. Fiziologicheskoe sostoyanie korov v zavisimosti ot mikroklimata pomeshchenii [The physiological state of cows depending on the indoor climate]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2013,N 8: 53-56.

6. Panova T.V. Uluchshenie mikroklimaticheskikh uslovii zhivotnovodcheskikh ferm i kompleksov [Improving the indoor climate conditions on livestock farms and complexes]. Vestnik FGOU VPO MGAU. 2011, N 1

7. Sofronov V.G., Danilova N.I., Shamilov N.M., Kuznetsova E.L. Vliyanie mikroklimata na organizm i molochnuyu produktivnost' doinykh korov [The effect of indoor climate on

the body and milk production of dairy cows]. FERMER. Povolzh'e. 2016, N 10

8. Vtoryi V.F., Gordeev V.V., Vtoryi S.V., Lantsova E.O. Otsenka sostoyaniya temperaturno-vlazhnostnogo rezhima v korovnike s ispol'zovaniem graficheskogo informatsionnogo modelirovaniya [Assessment of temperature and humidity conditions in a barn using graphical information modeling]. Vestnik Vserossijskogo nauchno-issledovatel'skogo instituta mekhanizacii zhivotnovodstva. 2016, N 4

9. Vtoryi V.F., Vtoryi S.V., Lantsova E.O. Graficheskaya informatsionnaya model' sostoyaniya mikroklimata v korovnike [Graphical information model of the barn indoor climate].

Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2016, N 89: 183-189.

10. Vtoryi V.F., Vtoryi S.V., Ylyin R.M. Investigations of temperature and humidity conditions in barn in winter. Proc. 17th Int. Sc.

2018. Vol. 16: 265-269.

УДК 611.363631.277.01 637.11 DOI 10.24411/0131-5226-2018-10075

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ МИКРОКЛИМАТА НА ПРОДУКТИВНОСТЬ СВИНЕЙ ПРИ СОДЕРЖАНИИ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ МОДУЛЕ

И.Е. Плаксин; A.B. Трифанов, канд. техн. наук

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

Создание оптимальных показателей микроклимата является одной из важнейших задач на свиноводческих предприятиях любой производственной мощности. Именно от данных показателей