Zastosowanie energooszczędnego systemu ogrzewania budynku fermy drobiu

Jednym z priorytetów polityki energetycznej Unii Europejskiej jest racjonalizacja wykorzystania energii m.in. poprzez poprawę efektywności energetycznej procesów technologicznych w różnych sektorach gospodarki, w tym w rolnictwie. W swojej polityce gospodarczej Komisja Europejska udziela znaczącego wsparcia finansowego kompleksowi rolno-przemysłowemu (rys. 1). Fundusze te mogą być również przeznaczane na działania, które posłużą poprawie efektywności wykorzystania energii w sektorze rolniczym.

Udział w budżecie Unii Europejskiej środków finansowych skierowanych do sektora rolniczego, w tym na wsparcie produkcji bezpiecznej i zdrowej żywności, innowacyjnych rozwiązań w rolnictwie, wydajnego i zrównoważonego użytkowania zasobów, wyniósł w 2016 roku 40,2% [1]. W roku 2017 była to również znacząca część budżetu UE, bo ok. 37% [2]. Z kolei w Polsce udział sektora rolniczego w wytworzeniu PKB stanowił w 2016 roku 2,4% [3], przy czym na jego powstanie zużyto 5,4% krajowej energii finalnej [4].

Średni wskaźnik zużycia energii w sektorze rolnym w krajach UE kształtuje się na poziomie 2,2% [5]. Dlatego tym bardziej należy szukać możliwości zmiany tej sytuacji i zbliżenia się w zakresie energochłonności rolnictwa do poziomu europejskiego. Działania, które mogą się przyczynić do zracjonalizowania zużycia energii w sektorze rolnym, wychodzą również naprzeciw jednemu z priorytetów UE, jakim jest zrównoważenie wykorzystania zasobów, w tym i energii. W pracy [6] stwierdzono, że aby polskie rolnictwo było efektywne na tle innych krajów UE, należy między innymi ograniczyć o 61% zużycie energii.

W zakresie produkcji hodowlanej Unia Europejska przywiązuje ogromne znaczenie do bezpieczeństwa zdrowotnego produkowanej żywności oraz poprawy i utrzymania odpowiedniego stanu zwierząt [7, 8]. W polskiej ustawie o ochronie zwierząt [9] znajdują się m.in. zapisy mówiące o konieczności zapewnienia zwierzętom hodowlanym opieki i właściwych warunków bytowania, wykluczających głód i pragnienie, niewygody związane z dyskomfortem, bólem, urazami i chorobami oraz umożliwiających normalne zachowanie, bez stresu i strachu.

W przypadku hodowli drobiu należy zadbać o zapewnienie odpowiednich warunków bytowych, temperaturowo-wilgotnościowych i wymiany powietrza, oświetlenia pomieszczenia inwentarskiego, zagęszczenia ptaków w klatkach i in.

Warunki mikroklimatyczne panujące w pomieszczeniu inwentarskim (tab. 1) mają znaczący wpływ na właściwe funkcjonowanie organizmów ptaków, ich stan zdrowia, a w konsekwencji na rezultat jakościowy i rentowność produkcji.

System ogrzewania w połączeniu z systemem wentylacji powinien zapewnić odpowiedni mikroklimat w pomieszczeniach inwentarskich. W przypadku niewłaściwego działania tego układu, przy wysokiej temperaturze i niskiej wilgotności powietrza następuje wysuszenie błon śluzowych górnych dróg oddechowych ptaków, co prowadzi do zapaleń płuc.

Przy niskiej wilgotność powietrza pióra stają się bardziej łamliwe, a w pomieszczeniu zwiększa się ilość pyłów podrażniających drogi oddechowe. Suche powietrze może również przyczynić się do powstania mykoplazmozy [10].

W pomieszczeniach z niską temperaturą i wysoką wilgotnością powietrza może dochodzić do nadmiernego ochłodzenia organizmu ptaków, które zmuszone są do wzmożonej produkcji ciepła w celu wyregulowania temperatury ciała. Pióra stają się wilgotne i tracą właściwości izolacyjne. Takie warunki skutkują obniżeniem odporności, wystąpieniem chorób układu oddechowego, wzrostem zużycia paszy przy małych przyrostach masy ciała ptaków.

Regulację temperatury w kurniku zapewnia się poprzez odpowiednie dopasowanie rozwiązań projektowych i właściwe skoordynowanie działania systemów ogrzewania i wentylacji (tab. 2). W kurnikach o dużej kubaturze stosowane może być ogrzewanie:

• miejscowe lub całej kubatury budynku,

• bezpośrednie (gazowe, podłogowe, przestrzenne),

• pośrednie (gazowe, podłogowe, przestrzenne) [10].

W okresach letnich stosowane może być chłodzenie, poprzez rozpylanie wody lub np. spryskiwanie dachu [10].

Zalecana prędkość przepływu powietrza w pomieszczeniu kurnika wynosi, w zależności od rodzaju ptaków:

• kurczęta: 0,2–0,3 m/s,

• brojlery: zimą 0,1−0,3 m/s, latem do 1,0 m/s,

• kury dorosłe: zimą 0,3 m/s, latem 1,0 m/s [10].

Wskaźniki z tab. 2 należy uzyskać w przypadku występowania skrajnych temperatur powietrza zewnętrznego. Standardowo przyjmuje się, że wentylacja powinna zapewnić w większości budynków inwentarskich dostarczenie 3,6 m3 świeżego powietrza w ciągu godziny na 1 kg masy ciała ptaka.

Niedostateczna wydajność systemu wentylacyjnego może doprowadzić do wykraplania się pary wodnej na powierzchniach ścian i suficie oraz zawilgocenia ściółki. Wzrasta również w tym przypadku stężenie szkodliwych gazów (amoniaku, dwutlenku węgla, siarkowodoru) i wilgotność powietrza, co z kolei działa stresogennie i wpływa na obniżenie przyrostu masy ciała ptaków oraz może się przyczynić do zatruć ich organizmów [10].

W całkowitym bilansie energetycznym obszarów wiejskich udział ciepła kształtuje się na poziomie ok. 90% całkowitego zużycia energii. Znacząca jego część jest zużywana w hodowli zwierząt, w tym hodowli drobiu w warunkach przemysłowych. Celem danej publikacji jest zaprezentowanie systemu zaopatrzenia w ciepło budynku brojlerni i zaproponowanie nowego rozwiązania zapewniającego poprawę efektywności energetycznej tego typu obiektów.

Zadaniem nowoczesnego systemu ogrzewania i wentylacji pomieszczeń kurników jest sterowanie i utrzymanie wymaganych parametrów temperaturowych, co przyczynia się do uzyskania wysokiej wydajności produkcji drobiu przy zoptymalizowaniu zużycia energii.

Wśród nowoczesnych systemów zaopatrzenia w ciepło budynków przeznaczonych do hodowli drobiu szeroko stosowane w wielu krajach europejskich są systemy ogrzewania powietrznego zintegrowane z systemem wentylacyjnym oraz układem automatycznego sterowania tymi systemami.

System ogrzewania powietrznego kurnika (rys. 2) jest wykorzystywany zarówno do chowu ściółkowego, jak i klatkowego [11]. Jego podstawowymi elementami są wyciągowe wentylatory okienne, montowane w odpowiedniej ilości w otworach okiennych na całej długości budynku, oraz nawiewne wentylatory dachowe lub izolowane kanały, w przypadku gdy nawiew mechaniczny jest zbędny.

Powyższy system grzewczy działa zgodnie ze schematem „nawiew powietrza przez dach – wywiew przez otwory okienne”. W efekcie działania takiego systemu świeże powietrze miesza się ze wstępnie podgrzanym powietrzem pod sufitem [12, 13], co zapewnia w miarę równomierne ogrzewanie całej przestrzeni budynku.

Modułowy sposób hodowli drobiu

Działanie systemu ogrzewania powietrznego w hodowli, w klatkach modułowych polega na zapewnieniu niezbędnych warunków temperaturowych w pomieszczeniu przy utrzymywaniu intensywnej wymiany powietrza. Skutkuje to zwiększonym obciążeniem cieplnym systemu wentylacyjnego. Ponadto taki system dostarczania ciepła sprzyja rozprzestrzenianiu się infekcji w kurniku, co jest zjawiskiem niepożądanym w chowie drobiu.

Dlatego zaproponowany został nowy system ogrzewania budynku przeznaczonego do hodowli modułowej drobiu, zakładający korzystniejsze, lokalne ogrzewanie kurnika. System ten jest w stanie zapewnić niezbędne wymagania higieniczne dla zwierząt w lokalnych strefach, w których przebywają ptaki, dzięki czemu zmniejsza się zagrożenie rozprzestrzenia infekcji w przestrzeni kurnika. Ponadto system, stwarzając odpowiednie warunki temperaturowe i mikroklimat wynikający z wymagań zootechnicznych hodowli drobiu, zapewnia efektywne wykorzystanie energii w ekonomicznie opłacalnym okresie normalnej eksploatacji [14, 15, 16].

Ptaki są umieszczone w modułowej klatce od pierwszego dnia hodowli. Proces technologiczny chowu drobiu trwa 60 dni. Pod koniec cyklu produkcyjnego średnia waga żywych brojlerów kształtuje się na poziomie 1,2–1,4 kg.

Moduł jest ogrzewany za pomocą elektrycznego promiennika podczerwieni, który zapewnia ptakom niezbędne warunki temperaturowe, w szczególności w pierwszych dniach ich życia. Dodatkowo promiennik podczerwieni tworzy dynamicznie kształtowany mikroklimat, który jest dopasowywany do wymaganych parametrów w miarę wzrostu ptaków. Nad promiennikiem podczerwieni znajduje się wywiew przeznaczony do usuwania zanieczyszczonego powietrza z modułu. Przez okap usuwana jest również część ciepła konwekcyjnego z promiennika.

W przyszłości planuje się, że to użyteczne ciepło zostanie wykorzystane do ogrzania powietrza nawiewanego dzięki zastosowaniu rekuperatora w centrali wentylacji nawiewno-wywiewnej. Powietrze nawiewane przepływa przez komorę ciśnienia statycznego i dystrybutor powietrza do modułu, zapewniając w ten sposób równomierne rozdzielenie świeżego powietrza, dopływającego z prędkością dopuszczalną od 0,1 do 0,3 m/s (rys. 3).

Dzięki zastosowaniu w hodowli drobiu zaproponowanego systemu można przy większej liczbie ptaków osiągnąć większy przyrost ich masy, ponieważ podczas całego procesu technologicznego ptaki znajdują się w jednym miejscu, w korzystnych warunkach mikroklimatycznych. Promieniowanie podczerwone pozytywnie wpływa na wzrost ptaków, ponieważ zapewnia wymagane warunki zootechniczne bezpośrednio w strefie technologicznej, co jest bardzo ważne szczególnie w pierwszych dniach życia ptaków.

Z ekonomicznego punktu widzenia: dzięki zastosowaniu promienników podczerwieni oszczędność energii wynosi od 40 do 50% w porównaniu z innymi systemami grzewczymi. Zastosowanie nad promiennikiem podczerwieni okapu, jako elementu systemu wentylacji nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła, znacznie zmniejsza zużycie energii na ogrzanie powietrza nawiewanego.

Badania okapu z promiennikiem ciepła

Konstrukcja okapu z promiennikiem podczerwieni została opatentowana [17]. Poglądowy schemat konstrukcji okapu zamieszczono na rys. 4.

Po włączeniu urządzenia z powierzchni prostokątnej płytki ceramicznej promiennika podczerwieni {1} emitowany jest strumień ciepła. Równocześnie okap {2}, znajdujący się nad promiennikiem, wciąga zanieczyszczone powietrze z otoczenia ptaków i usuwa przez rurę wywiewną {3}, która jest połączona z układem wentylacji wyciągowej.

Przeprowadzono badania efektywności działania okapu wywiewnego zintegrowanego z promiennikiem podczerwieni. Ich rezultatem są m.in. wyniki w postaci wykresów prędkości względnej   powietrza wywiewanego, na podstawie których dokonano oceny strefy oddziaływania okapu i rozkładu prędkości w kilku przekrojach poprzecznych okapu (rys. 5).

     (1)

gdzie:
ν_xy – prędkość w punkcie o współrzędnych x i y, m/s;
ν₀ – prędkość przy wlocie do okapu, m/s.

Stwierdzono, że zaproponowana konstrukcja promiennika podczerwieni z okapem wyciągowym efektywniej usuwa zanieczyszczone powietrze, a w konsekwencji i ciepło, w wyniku zwiększonego zasięgu strefy ssania. Zaobserwowano dla tego przypadku bardziej równomierny rozkład izotach wzdłuż obwodu otworu ssącego.

Wyniki badań eksperymentalnych przedstawiono w sposób graficzny (rys. 6). Moc strumienia ciepła usuwanego przez okap określana jest w zależności od mocy cieplnej promiennika Q_promien [W] i strumienia wywiewanego powietrza L_okap [m³/h].

Wartość mocy strumienia ciepła usuwanego przez wyciąg Q_wywiew [W] może być określona z zależności na natężenie przepływu powietrza wywiewanego [m³/h] przy określonej mocy promiennika podczerwieni Q_promien [W].

Dla promiennika o mocy 400 W zależność na moc strumienia usuwanego ciepła przyjmuje postać:

   (2)

przy mocy grzewczej nagrzewnicy 800 W:

  (3)

a przy mocy grzewczej nagrzewnicy 1200 W:

  (4)

Największą moc strumienia ciepła usuwanego przez okap stwierdzono przy maksymalnej mocy cieplnej promiennika i maksymalnej ilości wyciąganego powietrza, co ma miejsce przy maksymalnym przekroju poprzecznym dyszy zasysającej wentylatora.

Wyniki badań eksperymentalnych można uogólnić graficznie, uzyskując aproksymowaną zależność:

  (5)

W danej zależności przyjęto następujące przedziały wartości parametrów:

• Q_wywiew [W] przy mocy 400 W ≤ Q_promien ≤ 1200 W,

• 700 m³/h ≤ L_okap ≤ 880 m³/h.

Wynika z niej, że moc cieplna promiennika Qpromien ma największy wpływ na ilość ciepła usuwanego przez okap.

Znak „plus” wskazuje na to, że im większa moc promiennika podczerwieni znajdującego się pod okapem, tym większa ilość ciepła przejmowana jest przez okap. Przy stałych wartościach strumienia powietrza wywiewanego i przy wzroście mocy cieplnej promiennika z 800 do 1200 W ilość odzyskanego ciepła praktycznie się podwaja.

Wnioski

W artykule uzasadniono możliwość zastosowania energooszczędnych technologii opartych na promieniowaniu podczerwonym do ogrzewania budynków ferm drobiowych. Potwierdzona została skuteczność modułu klatkowego do hodowli drobiu z elektrycznym promiennikiem podczerwieni zintegrowanym z systemem wentylacji mechanicznej.

W warunkach rzeczywistych zbadano i określono strefę oddziaływania okapu wyciągowego zintegrowanego z promiennikiem podczerwieni. Ustalono, że działanie okapu nie wpływa niekorzystnie na ogólny rozkład przepływu powietrza w module klatkowym, ponieważ promień strumienia zasysanego powietrza wynosi 0,16 m przy maksymalnym przepływie powietrza wywiewanego 880 m³/h.

Na podstawie przeprowadzonych badań efektywności działania okapu ustalono, że moc strumienia ciepła wywiewanego wraz z wyciąganym powietrzem wynosi ok. 30% mocy cieplnej promiennika podczerwieni.

Literatura

1. Sprawozdanie Komisji dla Parlamentu Europejskiego, Rady i Trybunału Obrachunkowego. Sprawozdanie roczne na temat zarządzania budżetem UE i jego wyników za 2016 r., Strasburg 2017.

2. Report from the Commission to the European Parliament, the Council and the Court of Auditors, 2017 Annual Management and Performance Report for the EU Budget, Brussels 2018.

3. Polska – wskaźniki makroekonomiczne, GUS, Warszawa 2018.

4. Efektywność wykorzystania energii w latach 2006–2016. Informacje sygnalne GUS, Warszawa 2018.

5. Wysokiński M., Trębska P., Gromada A., Energochłonność polskiego rolnictwa na tle innych sektorów gospodarki, Roczniki Naukowe Stowarzyszenia Ekonomistów Rolnictwa i Agrobiznesu 2017, t. XIX, zeszyt 4.

6. Baran J., Efektywność polskiego rolnictwa na tle pozostałych krajów Unii Europejskiej, „Wieś i Rolnictwo” 3(172), 2016.

7. Dyrektywa Rady 98/58/WE z dnia 20 lipca 1998 r. dotycząca ochrony zwierząt hodowlanych (Dz.Urz. L 221 z 8.08.1998).

8. Dyrektywa Rady 2007/43/WE w sprawie ustanowienia minimalnych zasad dotyczących ochrony kurcząt utrzymywanych z przeznaczeniem na produkcję mięsa (Dz.Urz. L 183 z 12.07.2007).

9. Ustawa o ochronie zwierząt z dnia 21 sierpnia 1997 r. (DzU 2017, poz. 1840; DzU 2018, poz. 650 i 663).

10. Kajdan-Zysnarska I., Warunki utrzymywania drobiu w świetle obowiązujących przepisów, Centrum Doradztwa Rolniczego w Brwinowie Oddział w Poznaniu, Poznań 2013.

11. Clausen G., Delmote C., Ventilation, good indoor air quality and rational use of energy. Urban Air, Indoor Environment & Human Exposure. European collaborative action. Report nr 23, Eur. 2003.

12. Piotrowski J., Faryniak L., The Application of Chromatography Method in the Research into Infiltration Heat Losses, Institute of Heating and Ventilating Warsaw University of Technology, Warsaw 1994, p. 111–114.

13. CEN draft standard prEN 13779, Ventilation for buildings. Perfomance requirements for ventilation and air-conditioning systems, CEN Technical committee 156, Working group 7, Draft, CEN – Brussels 2001.

14. ДБН В.1.2-11-2008. Основні вимоги до будівель і споруд. Економія енергії: Державні будівельні норми України – Київ, Мінрегіонбуд України, 2008.

15. Aerts J.M., Berckmans D.A., Virtual Chicken for Climate Control design: Static and Dynamic Simulations of Heat Losses, „Transactions of the ASAE”, 2004, Vol. 47, No. 5, p. 1765–1772.

16. Conserving energy with infrared heating, „Plant Eng.” Barrington, Ill. United States: Journal Vol. 31, No. 8, 1977, p. 155–156.

17. Желих В.М., Сподинюк Н.А., Патент України на корисну модель №32437. Нагрівальний пристрій для пташників. Заявка 12.05.2008, Опубл, 12.05.2008, Бюл. №9, 2008.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!