The Information Predictive Model of Creating Temperature and Humidity Conditions in Cow Barns

Full Text

Введение

Глобальные изменения климата Земли оказывают существенное влияние на сельскохозяйственное производство, формируют новые требования и условия для содержания домашних животных и птицы. Это относится и к молочному животноводству. Особенность содержания домашних животных и крупного рогатого скота заключается в том, что они находятся в ограниченных человеком условиях и в меньшей степени обладают возможностями к естественной адаптации. Реализация их генетического потенциала напрямую зависит от человека [1].

Создание благоприятных условий содержания молочного скота, обеспечение соответствующих параметров микроклимата в животноводческих помещениях является необходимым условием для обеспечения высокой продуктивности коров [2].

В настоящее время крупный рогатый скот Ленинградской области имеет высокий генетический потенциал молочной продуктивности, уровень реализации которого зависит от технологии содержания и обслуживания животных. Обеспечение комфортного состояния воздушной среды в коровнике по своему значению стоит на втором месте после кормления. Однако, по нашим наблюдениям, на многих молочных фермах и комплексах обеспечению параметров микроклимата не уделяется должного внимания. Одним из основных параметров является температурно-влажностный режим в коровнике. Его несоблюдение влечет за собой значительные потери продуктивности, особенно в зимний и летний периоды.

Микроклимат коровника формирует ряд факторов. Внутренние – животные выделяют продукты своей жизнедеятельности (тепло, пары воды, углекислый газ, аммиак, сероводород). Внешние – обусловленные зональными природно-климатическими условиями. Взаимовлияние этих факторов –  сложный процесс, находящийся  в постоянном движении [3].

Современные информационные технологии позволяют эффективно управлять системами обеспечения микроклимата. Зная текущее состояние параметров и закономерности формирования микроклимата, можно управлять этим процессом, не допуская стрессовых ситуаций для животных. В связи с этим исследование закономерностей формирования микроклимата, методов математического моделирования с разработкой цифровых систем управления – актуальная задача.

Цель исследования – разработать  информационно-прогнозную модель температурно-влажностного режима коровника, используя результаты экспериментальных исследований.

Обзор литературы

Зарубежные и отечественные ученые уделяют пристальное внимение вопросам влияния условий содержания на продуктивность крупного рогатого скота, обеспечения требуемых параметров микроклимата в животноводческих помещениях. Для управления автоматизированными системами создания микроклимата разрабатываются математические модели и компьютерные программы, учитывающие прогноз воздействия ряда факторов на процесс формирования воздушной среды в коровнике.

В первую очередь к нормируемым параметрам относятся температура и относительная влажность воздуха в коровнике [4]. Отклонения вызывают пониженное потребление сухого вещества, нарушение метаболизма, проблемы развития плода у стельных коров [5; 6]. 

Тепловой стресс, вызванный понижением или повышением температуры, оказывает существенное влияние на коров, снижает их продуктивность. Так, в период лактации это снижение может достигать 25–40 % [7].

Даже незначительные колебания температур воздуха внутри коровника сказываются на изменении продуктивности животных на 5–10 % [8].

В методических рекомендациях Министерства сельского хозяйства указано, что в стойлах, боксах, комбибоксах расчетная температура воздуха должна составлять 10 ± 2 ºС при относительной влажности 40–75 % [4].

В молочном скотоводстве для оценки наличия стрессового состояния животных под влиянием температуры и влажности воздуха применяется температурно-влажностный индекс (THI) [9–12].

Принято считать, что тепловой стресс у коров наступает при THI >74, а при THI >84 возникает критическое состояние животного с серьезными последствиями для его здоровья. Исследования показали, что удой начинает снижаться  при  значениях индекса THI = 65, а при THI от 65 до 73 потери молока достигали 2,2 кг в сутки [4; 13].

Разрабатываются и другие тепловые индексы для молочного скота. Например, эквивалентный температурный индекс (ETIC), в котором учитываются во взаимодействии температура, относительная влажность и скорость движения воздуха, солнечная радиация [14]. 

Существенное влияние на формирование микроклимата, наряду с внешними климатическими факторами, оказывают объемно-планировочные и конструктивные решения зданий и технология содержания и обслуживания животных¹ [15].

Длина, ширина, высота коровника составляют десятки метров, что может влиять на микроклимат в  различных зонах помещения. Наиболее неблагоприятным является микроклимат в центре коровника [16].

Для эффективного управления микроклиматом на молочных фермах необходимо моделирование и создание автоматизированных систем для информирования о состоянии процессов. Однако ощущается большой недостаток теоретических и экспериментальных исследований, позволяющих разрабатывать модели, приемлемые для практического использования [17; 18].

Необходимо специализированное программное обеспечение, учитывающее зональные климатические условия, продуктивные и физиологические особенности местного молочного скота, технологии его содержания и обслуживания [19].

Материалы и методы

Исходными данными для разработки модели стали результаты исследований температурно-влажностных режимов воздуха в четырехрядном коровнике на 200 дойных коров с привязным, подстилочным содержанием, трехразовым доением на установке типа «Молокопровод», мобильной раздачей кормов, стационарной системой уборки навоза. Система вентиляции естественная с притоком через боковые окна и вытяжкой через вентиляционно-световой конек в центре коровника. Строение расположено в Волосовском районе Ленинградской области.

Основными контролируемыми параметрами микроклимата являются температура и относительная влажность воздуха, для чего используются специальные измерительные системы, расположенные непосредственно в коровнике [20–23]. Характерной особенностью этих систем является то, что они имеют один измерительный модуль, который устанавливается стационарно в одной точке. Такая система не позволяет одновременно в режиме реального времени измерять параметры микроклимата по всему помещению, имеющему существенную разницу измеряемых величин в различных его точках.

Разработанная нами система измерения параметров микроклимата коровника предусматривает регистрацию температуры и относительной влажности воздуха одновременно по всему помещению. Система имеет 9 точек установки комплектов датчиков, распределенных по длине и ширине коровника на высоте 2,5 м над стойлами животных (рис. 1) [24] . Система работает круглосуточно в режиме реального времени с интервалом опроса датчиков 10 минут [4].

 

Рис. 1. Схема системы измерения параметров микроклимата  коровника: 1 – датчики температуры и влажности воздуха;
2 – устройство регистрации и архивации данных; 3 – блок электропитания системы; 4 – компьютер специалиста

Fig. 1. Diagram of the measuring system for the indoor climate variables in a cow barn: 1 – temperature and humidity sensors; 2 – data recording and storing device; 3 – power supply unit; 4 – specialist’s PC

 

Система для измерения параметров микроклимата имеет блочную структуру и состоит из девяти блоков датчиков, трех блоков регистрации-архивации и общего блока питания [24]. Датчики равномерно распределены по площади фермы, что обеспечивает регистрацию параметров в различных точках помещения в зависимости от объемно-планировочного решения, технологии содержания и обслуживания животных. Блок состоит из датчика температуры и влажности АМ2320 [25]. Датчики позволяют измерять температуру в диапазоне от –40 до +80 °С с максимальной погрешностью ±0,5 °С и разрешением шкалы 0,1 °С, относительную влажность 0–99,9 % ‒ с максимальной погрешностью ±3 % и разрешением шкалы 0,1 %. Блок регистратора-архиватора представляет собой устройство, созданное из электронных компонентов с микроконтроллером Atmel 328, и работает в соответствии с программой [24].

Данные из регистратора-архиватора  раз в 2 недели заносятся в компьютер, обрабатываются в программе Excel и оформляются в  графическом и табличном форматах для дальнейшего анализа².

Данные о текущих и прогнозных климатических условиях (температуре и относительной влажности окружающего воздуха, скорости и направлении ветра, атмосферном давлении, количестве выпавших осадков и др.) получены с региональной государственной метеостанции с интервалом в 3 часа.

Результаты исследования

Все модели формирования микроклимата животноводческого помещения можно разделить на три вида. Во-первых, модели, использующие физические принципы термо-, гидро- и газодинамики. Они состоят из сложных дифференциальных уравнений с использованием различных коэффициентов, учитывающих особенности конкретного объекта [25]. Во-вторых, модели, построенные на результатах измерений. Они учитывают условия содержания и способность живых организмов адаптироваться к этим условиям, поддерживая свою жизнедеятельность и полезные человеку продуктивные свойства. В-третьих, на практике часто встречаются модели, построенные на теоретических зависимостях и результатах измерений, так называемые «гибридные модели» [25].

Животноводческие фермы – это сложные биотехнические, динамические системы, поэтому в нашей модели использованы принципы построения гибридных моделей. Функциональная схема модели температурно-влажностного режима коровника представлена на рисунке 2.

 

 

 

Рис. 2. Функциональная схема модели температурно-влажностного режима коровника:
Tk – температура коровника; Wk – влажность коровника; Tm – температура наружного воздуха;
Wm – влажность наружного воздуха; 1 – база знаний; 2 – блок анализа текущих значений
параметров микроклимата; 3 – блок анализа расчетных параметров микроклимата; 4 – компьютер специалиста

Fig. 2. Functional diagram of the temperature and humidity model of a cow barn: Tk – cow barn
temperature; Wk – cow barn humidity; Tm – outdoor temperature; Wm – outdoor humidity;
1 – knowledge base; 2 – block for analyzing the current indoor climate variables; 3 – block for analyzing
the estimated indoor climate variables; 4 – specialist’s PC

 

 

Исходными данными модели являются значения текущих параметров  микроклимата, поступающие в режиме реального времени с соответствующих датчиков, установленных в коровнике. Количество датчиков может быть различным, но минимальное количество датчиков температуры воздуха не менее 7, датчиков относительной влажности воздуха не менее 3 в зависимости от объемно-планировочного решения помещения для содержания животных. К исходным данным относятся текущие погодные условия и прогноз на 10 суток.

База знаний 1 содержит нормативно-справочную информацию для выполнения технологических процессов, архив данных за предшествующие периоды. В блоке анализа 2 выполняются операции сравнения текущих информативных значений параметров микроклимата. В блоке анализа 3 выполняются операции сравнения расчетных значений параметров микроклимата на соответствие установленным нормативам. Результат анализа транслируется на компьютер специалиста 4 для принятия управленческих решений и архивируется в базе знаний 1.

В качестве примера на рисунках 3 и 4 в графической форме представлены результаты суточного мониторинга температуры и относительной влажности воздуха в коровнике с учетом внешних погодных условий с временным интервалом 3 часа [4]. Значения параметров микроклимата в коровнике рассчитываются как среднее с 9 точек измерения. Данные о состоянии параметров микроклимата в коровнике и метеоусловиях в режиме реального времени отражаются на мониторах и информационных панелях персонала и специалистов.

 

 

Рис. 3. Температурный режим в коровнике за текущие сутки:
1 – средняя температура воздуха в коровнике в течение суток, °С;
2 – средняя температура наружного воздуха в течение суток, °C

Fig. 3. Cow barn temperature for the current day:

1 – average air temperature in the cow barn during the day, °С;

2 – average outdoor air temperature during the day, °С

 

 

 

 

Рис. 4. Влажностный режим в коровнике за текущие сутки:
1 – средняя относительная влажность воздуха в коровнике в течение суток, %;
2 – средняя относительная влажность наружного воздуха в течение суток, %

Fig. 4. Barn air humidity for the current day:

1 – average relative air humidity in the cow barn during the day, %;

2 – average relative humidity of the outdoor air during the day, %

 

 

На рисунке 5 представлены экспериментальные зависимости температуры воздуха внутри коровника от температуры наружного воздуха для конкретной фермы по результатам мониторинга в течение года. График предоставляет возможность определить верхние и нижние границы температуры воздуха в коровнике при изменении температуры наружного воздуха.

 

 

 

Рис. 5. Зависимость температуры воздуха внутри коровника от температуры наружного воздуха

Fig. 5. Dependence of the air temperature in a cow barn on the outdoor air temperature

 

 

В холодный (зимний) период года особое значение имеет определение нижней границы, чтобы не допустить переохлаждения животных, замерзания систем поения и уборки навоза. В теплый (летний) период верхней границей  является вероятность наступления перегрева животных в отдельных неблагоприятных зонах коровника.

В результате исследований получены корреляционные модели формирования температурного режима коровника (1)–(3) в зависимости от температуры наружного воздуха.

 

$T_{\text{В.СР.}}=\mathrm{0,0073}\cdot T_{\text{Н.СР.}}^2+\mathrm{0,3727}\cdot T_{\text{Н.СР.}}+\mathrm{12,47}$

при  R² = 0,951,               (1)

$T_{\text{В,СР.}}^{\text{min}}=\mathrm{0,0093}\cdot T_{\text{Н.СР.}}^2+\mathrm{0,4054}\cdot T_{\text{Н.СР.}}+\mathrm{8,0103}$

при R² = 0,940,                (2)

$T_{\text{В.СР.}}^{\text{max}}=\mathrm{0,0071}\cdot T_{\text{Н.СР.}}^2+\mathrm{0,4151}\cdot T_{\text{Н.СР.}}+\mathrm{14,69}$

при  R² = 0,905,               (3)

 

где T_в.ср. – средняя температура воздуха в коровнике, °С; $T_{\text{В.СР.}}^{\text{max}}$  – средняя минимальная температура воздуха в коровнике, °С; $T_{\text{В.СР.}}^{\text{max}}$  – средняя максимальная температура воздуха в коровнике, °С; T_н.ср. – средняя температура наружного воздуха, °С.

В соответствии с моделями (1)‒(3) рассчитаны значения температуры на следующие сутки с учетом прогноза внешних погодных условий. На рисунке 6 результаты этих расчетов представлены в графической форме.

 

 

 

Рис. 6. Расчетные значения температуры воздуха в коровнике на следующие сутки:
1 – ожидаемая средняя температура в коровнике, °С; 2 – ожидаемая максимальная температура
в коровнике, °С; 3 – ожидаемая средняя температура наружного воздуха, °C

Fig. 6. Estimated values of air temperature in the cow barn for the next day: 1 – expected average air
temperature in the cow barn, °С; 2 – expected maximal air temperature in the cow barn, °С;
3 – expected maximal outdoor air temperature, °С

 

 

Из графика (рис. 6) видно, что с 9 до 18 часов ожидается неблагоприятный микроклимат в коровнике и необходимо предусмотреть мероприятия по снижению температуры, организации активного воздухообмена в помещении.

Использование постоянного мониторинга функционирования фермы позволяет формировать модели и управлять микроклиматом коровника с учетом прогноза погоды на ближайшие сутки, изменяющихся внешних условий, технологии содержания и обслуживания животных.
Расчет ожидаемых параметров микроклимата фермы на следующие сутки, с учетом прогноза температуры наружного воздуха, позволит учесть вероятность возникновения критических ситуаций как в зимнее (низкие температуры), так и в летнее (высокие температуры) время.

В молочном скотоводстве для оценки совокупного влияния температуры и влажности воздуха, оценки стрессового состояния животного применяется индекс температуры и влажности THI и рассчитывается по зависимости (4) [4; 10]:

$\text{THI}=t_{ab}+\mathrm{0,36}{t}_{dp}+\mathrm{41,2}$ , (4)

где t_ab – температура по сухому термометру, ºС; t_dp – точка росы, ºС.

Нижний порог наступления стрессового состояния для молочного скота наблюдается при THI >74; при 74 ≤ THI < 79 – стрессовое состояние;  79 ≤ THI < 84 – опасное стрессовое состояние; THI >84 – критическая ситуация, требующая немедленного принятия мер [26]. 

В результате исследований получена корреляционная модель (5) зависимости THI от температуры и относительной влажности воздуха в исследуемом коровнике:

$\text{THI}=\mathrm{34,4809}+\mathrm{1,25867}\cdot T+\mathrm{0,0706107}\cdot W+\mathrm{0,00105114}\cdot T\cdot W$

при R² = 0,999,                (5)

где T – температура воздуха в коровнике в пределах от 10 до 30 °C; W – относительная влажность воздуха в коровнике в пределах от 50 до 100 %.

В соответствии с зависимостью (5) и температурным прогнозом (рис. 6) произведен расчет индекса THI на следующие сутки для исследуемого коровника. Результаты расчетов представлены в виде графической  модели на рисунке 7. Расчеты выполнены для диапазона относительной влажности воздуха в коровнике 60–90 % [4].

 

 

 

Рис. 7. Расчетные значения температурно-влажностного индекса на следующие сутки:
1 – значения THI в коровнике при средней температуре и относительной влажности воздуха 60 %;
2 – значения THI в коровнике при средней температуре и относительной влажности воздуха
90 %; 3 – значения THI в коровнике при максимальной температуре и относительной влажности
воздуха 60 %; 4 – значения THI в коровнике при максимальной температуре и относительной
влажности воздуха 90 %; 5 – значения THI вне коровника

Fig. 7. Calculated values of the temperature and humidity index for the next day: 1 – THI in the
cow barn under the average air temperature and relative humidity of 60%; 2 – THI in the cow barn
under the average air temperature and relative humidity of 90%; 3 – THI in the cow barn under the
maximal air temperature and relative humidity of 60%; 4 – THI in the cow barn under the maximal air
temperature and relative humidity of 90%; 5 – THI outside the cow barn

 

 

Анализ графика (рис. 7) свидетельствует о том, что неблагоприятный для животных температурно-влажностный режим THI >75 в отдельных зонах коровника при высокой относительной влажности воздуха может присутствовать до 18 часов в сутки. В дневное время при THI >80 температурно-влажностный режим в коровнике может стать критическим и сопровождаться резким снижением молочной продуктивности коров.

Снизить влияние теплового стресса можно организацией повышенного воздухообмена коровника или выгулом скота на площадках, оборудованных солнцезащитными навесами, при поении животных водой.

Обсуждение и заключение

Разработана система для круглосуточного измерения параметров микроклимата, состоящая из девяти блоков датчиков, трех блоков регистрации-архивации и общего блока питания [24]. Интервал записи данных в регистратор-архиватор составляет 10 минут с дальнейшей аналитической обработкой в программе Excel.

С использованием системы измерения параметров микроклимата проведены экспериментальные исследования температурно-влажностных режимов в коровнике на 200 голов [4]. В результате исследований получены корреляционные модели формирования температурного режима коровника и расчета THI в зависимости от температуры и относительной влажности воздуха коровника и наружного воздуха.

Разработана информационно-прогнозная модель формирования температурно-влажностных режимов внутри коровника в зависимости от внешних погодных условий. Модель позволяет при постоянно обновляемой базе данных в режиме реального времени контролировать состояние температурно-влажностного режима коровника, формировать прогноз состояния параметров микроклимата на ближайшие несколько суток. Это поможет заблаговременно принимать управленческие решения при критических ситуациях, связанных с перегревом или переохлаждением животных.

 

 

¹           Mylostyvyi R., Sejian V., Hoffmann G. Problems Related to Ensuring the Cow Comfort in Uninsulated Cowsheds during the Hot Season // Proceedings of the 1^st International Scientific and Practical Conference AWCGCC, 21–22 April 2020, Dnipro. Dnipro, 2020. Pp. 75–77. URL: https://www.researchgate.net/publication/341114318_PROBLEMS_RELATED_TO_ENSURING_THE_COW_COMFORT_IN_UNINSULATED_COWSHEDS_DURING_THE_HOT_SEASON#fullTextFileContent (дата обращения: 01.03.2021).

²           Валге А. М. Использование систем Excel и Mathcad при проведении исследований по механизации сельскохозяйственного производства (Методическое пособие). СПб: ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии, 2013. 200 с.

 

About the authors

Valeryij F. Vtoryi

Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production – Branch of Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: vvtoryj@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-0026-6979
ResearcherId: Z-1809-2019

Senior Researcher, Institute for Engineering and Environmental Problems in
Agricultural Production,D.Sc. (Engineering)

Russian Federation, 3 Filtrovskoye Shosse, Saint Petersburg 196625

Sergei V. Vtoryi

Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production – Branch of Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Author for correspondence.
Email: 2vt_1981@list.ru
ORCID iD: 0000-0002-7169-1625
ResearcherId: Z-1812-2019

Senior Researcher, Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production, Cand.Sc. (Engineering)

Russian Federation, 3 Filtrovskoye Shosse, Saint Petersburg 196625

Vladislav V. Gordeev

Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production – Branch of Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: vladgordeev@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6181-396X
ResearcherId: Y-9104-2019

Head of the Research Departament for Technologies and Technical Means
in Animal Husbandry, Cand.Sc. (Engineering)

Russian Federation, 3 Filtrovskoye Shosse, Saint Petersburg 196625

References

Supplementary files