1. Zastosowanie kompaktowych biofiltrów do oczyszczania

1. Zastosowanie kompaktowych biofiltrów do oczyszczania powietrza z
budynków inwentarskich.
dr hab. Jacek Walczak Instytut Zootechniki PIB Kraków Balice
Cel i metodyka badań
Negatywne środowiskowe oddziaływanie produkcji trzody sprowadza się do czterech zakresów.
Pierwszy z nich to nadmierna depozycja w środowisku glebowym i wodnym pierwiastków
biogennych, prowadząca do przenawożenia, eutrofizacji, a następnie skażenia tych środowisk.
Głównym czynnikiem są tu nawozy naturalne, w postaci obornika i gnojowicy. Trzy kolejne zakresy
powiązane są z emisją związków, znanych w zootechnice pod nazwą szkodliwych domieszek
gazowych. Są to, tlenki azotu i metan oraz amoniak i tzw. odory. Dwa pierwsze, wyemitowane do
troposfery wraz z wentylowanym powietrzem, współdziałają w potęgowaniu efektu cieplarnianego i
powstawaniu dziury ozonowej. Emisja amoniaku oddziałuje na ogólne zanieczyszczenie powietrza,
powstawanie kwaśnych deszczy, eutrofizację wód oraz uciążliwość odorową. W tym ostatnim zakresie
współdziała również ok 210 innych związków zaliczanych do LZO. Bezpośrednio z gazami
powiązana jest również emisja pyłów, których działanie ma bardzo szeroki zakres od zdrowia ludzi i
zwierząt, po chemiczno-fizyczne oddziaływania z różnymi domieszkami powietrza. Zanim badania
potwierdziły szkodliwe oddziaływanie wspomnianych gazów na środowisko naturalne, od dawna
znanym był ich negatywny wpływ na same zwierzęta gospodarskie. Długotrwałe przebywanie w
przekraczającym normy stężeniu tych domieszek powoduje szereg konsekwencji zdrowotnych i
produkcyjnych.
Dyskutowane od dłuższego czasu kwestie wprowadzenia ustawy odorowej, a ostatnio także
przygotowania do przyjęcia dyrektywy NEC sprawiają, że konieczność redukcji emisji gazów z
budynków inwentarskich, staje się realną potrzebą w produkcji zwierzęcej . Istnieje wiele metod
redukcji emisji gazowych z budynków inwentarskich, począwszy od żywienia zwierząt, przez systemy
ich utrzymania po filtracje i obróbkę powietrza wentylowanego z pomieszczeń. Stosowane
dotychczas głównie w badaniach naukowych biofiltry, miały charakter dość znacznych wymiarów płyt
pokrytych materiałem organicznym lub budowli z podobnym wypełnieniem. Celem zrealizowanych
badań było opracowanie i wdrożenie konstrukcji kompaktowego biofiltra obsługującego pojedynczy
kanał wentylacyjny, co ułatwiłoby obsługę i zwiększyło skuteczność urządzenia.
Badania
przeprowadzono na 150 tucznikach krzyżówek pbz x wbp x duroc, 30 krowach mlecznych rasy cb z
70% dolewem krwi hf oraz 650 kurczętach brojlerach linii Cobb. Zwierzęta żywione były zgodnie z
normami i przyjętym na fermie schematem z automatów, przy stałym dostępie do wody. Okres
utrzymania każdorazowo obejmował 105 dni. W doświadczeniu wykorzystano ściołowe systemy
utrzymania. Każda grupa zajmowała oddzielną komorę klimatyczną o optymalnym, standaryzowanym
zgodnie z normami zootechnicznymi mikroklimacie. W każdym powtórzeniu ustalono różnice w
składzie i stężeniu gazów emitowanych z badanego gatunku oraz wpływ zastosowania różnego
rodzaju materiałów biologicznych na skład, stężenie oraz redukcję odorów. Jako złoża filtracyjne
wykorzystano: torf, korę, słomę i trociny. Grupę kontrolną stanowiły komory bez biofiltracji
powietrza.
Badano stężenia następujących odorów w kanałach nawiewnych i wywiewnych oraz na wylocie
biofiltra:
•amoniaku,
•siarkowodoru,
•kwasów organicznych: octowego, propionowego, meta butylowego, Izo butylowego, meta
walerianowego, izo walerianowego, meta kapronowego, izo kapronowego, heptanowego,
octanu amonu,
•alkoholi,
estrów, aldehydów i ketonów: maranolu, butanolu, formaldehydu, acetonu,
acetyloaldehydu, eteru etylowometylowego,
•fenoli: fenolu, 4-etylofenolu, 4-metylofenolu, p-krezolu, 2-amino acetylofenonu,
•amin: metyloaminy, dimetyloaminy, dietyloaminy, indolu, 3-metyloindolu (skatol)
•merkaptanów: metanotiolu, etanotiolu, tioeteru dimetylowego, tioeteru dietylowego,
Pomiar stężeń poszczególnych domieszek gazowych, przeprowadzono chromatografem gazowym
Voyager firmy Photovac.
Wszystkie zadania badawcze przeprowadzono przy wykorzystaniu komór klimatycznych, opartych o
doświadczenia z tzw. "climatic-respiration chamber". Ich konstrukcja oraz wykonanie, pozwalają na
uzyskanie całkowitej szczelności pomieszczeń. Dopływ i usuwanie powietrza odbywa się poprzez
komputerowo sterowany, podciśnieniowo-nadciśnieniowy system wentylacji. Przez komorę
przepuszczana jest ustalona objętość powietrza, wtłaczanego mechanicznie przez wlot wentylacyjny i
usuwanego także mechanicznie przez przewód wentylacyjny wyciągowy. Monitoringowi poddane są
zarówno skład powietrza wlotowego jak i wylotowego. Przepływ regulowany jest elektronicznym
sterownikiem. Objętość przepływającego powietrza oblicza się z mierzonej jego prędkości ruchu,
czasu jego trwania oraz znanego przekroju kanału pomiarowego (wywiewnego), przy wykorzystaniu
stosowanego w fizyce równania, opisującego tzw. "prawo przepływu".
Integralną część doświadczenia stanowiły oryginalne konstrukcje biofiltrów. Oparto je o metalowy
prostopadłościenny szkielet, obudowany blachą. W środku bryły na 1/3 wysokości umieszczono
metalowy kosz wypełniony złożem filtrującym. Zużyte powietrze z budynku doprowadzane było do
biofiltra mechanicznie, wentylatorem tłoczącym, a następnie zasysane przez złoże wentylatorem
wyciągowym i wyprowadzane na zewnątrz. W stosunku do innych konstrukcji, rozwiązanie
doświadczalne miało budowę kolumnową i dodatkowy wentylator wyciągowy. Wprowadzone
modyfikacje pozwalały na sterowanie wielkością przepływu powietrza oraz łatwą i częstą wymianę
złoża filtrującego. Samo złoże o wymiarach 0,9x0,9x0,9 zmieniane było systematycznie co tydzień w
przypadku krów, co dwa tygodnie w przypadku tuczników oraz co trzy tygodnie w utrzymaniu
brojlerów. Częstotliwości te ustalono eksperymentalnie.
Sposób działania biofiltracji opiera się na procesach fizykochemicznych zachodzących przy
współudziale mikroflory zasiedlającej złoże filtrujące. Domieszki gazowe zawarte w wentylowanym
z budynku powietrzu w trakcie przepuszczania przez filtr, ulegają, adsorpcji, rozpuszczeniu i
związaniu przez sam materiał filtrujący, zraszany wodą oraz film mikrobiologiczny powlekający
naturalny materiał filtrujący. Następnie osadzone związki mogą być wykorzystywane w procesach
metabolicznych mikroflory.
Po okresie wysycenia materiału filtrującego i namnożenia się
mikroorganizmów, dokonuje się wymiany wkładu filtrującego. Zużyty materiał może być następnie
wykorzystany, jako nawóz naturalny.
Wyniki przeprowadzonych doświadczeń i ich uogólnienie
Analizując efektywność redukcji emisji gazowych na drodze biofiltracji w utrzymaniu tuczników,
stwierdzić można dużą skuteczność tej metody, zależną jednak od rodzaju złoża filtrującego.
Największą redukcję emisji uzyskano w przypadku złoża torfowego. Różnica ta była wysoko istotna
statystycznie w stosunku do wszystkich grup chemicznych odorów. Największą przydatność tego
materiału potwierdzono statystycznie także wobec innych rodzajów złóż. Stosunkowo niewiele
mniejszą skuteczność wykazywała również rozdrobniona kora drzew iglastych. Najmniejszą
efektywnością filtracji cechowała się natomiast słoma w postaci sieczki. Na uwagę zasługuje przeszło
60% redukcja emisji amoniaku i siarkowodoru w złożach torfowych.
Prawie identyczne zależności potwierdzono w przypadku utrzymania bydła mlecznego (tab. 4).
Ponownie torf okazał się być najbardziej efektywnym materiałem filtrującym. Za wyjątkiem
siarkowodoru, alkoholi, merkaptanów, fenoli i estrów, gdzie różnice były nisko istotne, pozostałe
emisje ograniczono wysoko istotnie. Zróżnicowanie to dotyczyło tak grupy bez filtracji, jak i
pozostałych materiałów filtrujących.
W przypadku utrzymania drobiu stwierdzono dwie dodatkowe grupy chemiczne odorantów, jakimi
były węglowodory oraz halogenoalkany. Generalnie poziom emisji gazowych był tu stukrotnie
mniejszy niż to miało miejsce w przypadku bydła. Jednak i tym razem torf potwierdził najwyższą
skuteczność wobec innych materiałów oraz braku filtracji Były to różnice istotne statystycznie. Także
słoma okazała się być najmniej skutecznym złożem. Potwierdzono to z prawdopodobieństwem P ≥
0,05.
Wnioski
Na podstawie uzyskanych wyników postawić można następujące wnioski:
1. Biofiltracja zanieczyszczonego odorami powietrza z budynków inwentarskich jest wysoce
skuteczną metodą ograniczenia skażeń środowiskowych z tej działalności.
2. W przeprowadzonych badaniach najlepszymi właściwościami filtracyjnymi cechowały się torf
i rozdrobniona kora. Słoma lub trociny zastosowane jako złoża biofiltrów wykazują istotnie
mniejsze zdolności wiązania zanieczyszczeń gazowych.
3. Zakres biofiltracji nie wykazuje istotnego powiązania z charakterem chemicznym
emitowanych związków, co sugerować może znaczący wpływ właściwości fizycznych
materiałów złóż na skuteczność zachodzących procesów redukcji zanieczyszczeń
Tabela 1.
Wielkość emisji głównych grup odorantów z utrzymania tuczników (kg/szt./rok).
Grupa
Bez filtracji
Kora
Torf
Słoma
Trociny
Grupa
2,31aA
1,52bB
1,35cB
1,95d
1,83e
0,084 aA
0,038 bB
0,023 cB
0,067 d
0,049 e
siarki 0,043 aA
0,025 bB
0,017 bB
0,033d
0,03d
związków
- amoniak
- siarkowodór
- dwutlenek
- aldehydy
2,102* aA 0,934* bB 0,782* cB 0,172* d 0,142* e
- alkohole
0,72* aA
- ketony
1,401* aA 0,612* bB 0,53* bB
- kwasy org.
0,586* aA 0,210* bB 0,178* cB 0,397* d 0,278* e
- merkaptany
5,606 * aA 2,242* bB 1,972* bB 4,223* d 3,736* e
- fenole
20,53* aA 10,23* bB 8,23* cB
17,64* d 13,23* e
- aminy
7, 24* aA
5,67* d
- estry
0,694* aA 0,310* bB 0,289* cB 0,5128* d 0,402* e
0,47* bB
3,98* bB
0,35* cB
3,12* bB
0,61* d
0,50* e
1,102* d 0,867* e
4,36* e
* -x10-2 kg; ab - różnice istotne przy P≥0.05; AB - różnice istotne przy P≥0.01
Fot. 1. Widok zewnętrznej części
instalacji biofiltra
Foto. 2. Wnętrze komory mikroklimatycznej
2. Maty grzewcze dla zwierząt gospodarskich
dr hab. Jacek Walczak Instytut Zootechniki PIB Kraków Balice
Cel i metodyka badań
Postęp hodowlany w produkcji zwierzęcej, konieczność ciągłego obniżania kosztów
jednostkowych, przy jednoczesnych wymaganiach zwiększania produkcyjności, ale również
komfortu i dobrostanu zwierząt, zmuszają hodowców do sięgania po coraz nowsze,
technicznie zaawansowane rozwiązania w zakresie wyposażenia budynków inwentarskich.
Jednym z nich są legowiskowe maty grzewcze dla bydła świń i drobiu. Ogrzewania miejsc
przeznaczonych do leżenia i odpoczynku zwierząt, pozwala na radykalne obniżenie kosztów
ogrzewania całości budynku. W przypadku pomieszczeń nie ogrzewanych, maty grzewcze
umożliwiają uzyskanie temperatury optymalnej z punktu widzenia samego zwierzęcia w
miejscu, w którym spędza ono najwięcej czasu doby. W efekcie stosowania mat możliwe jest
obniżenie zużycia paszy, wzrost produkcyjności, ograniczenie zachorowalności i upadków
oraz poprawa dobrostanu zwierząt.
Celem badań było opracowanie i wdrożenie mat grzewczych dla świń, krów i drobiu, umożliwiających
ogrzewanie miejsc legowiskowych zwierząt dla poprawy ich dobrostanu i produkcyjności. Maty
wykonano z gumy, posiadającej atestowaną odporność na agresywne czynniki środowiska,
występujące w pomieszczeniach inwentarskich oraz odpowiednią szorstkość i wytrzymałość na
rozerwanie. Wewnątrz maty zatopiono elementy grzewcze zasilane płynnym medium grzewczym.
Dobór elementu grzewczego zależy od posiadanego przez hodowcę źródła ciepła. Zmieniający w
zależności od temperatury wierzchniej warstwy, barwny obszar wskaźnikowy, umożliwia łatwą
identyfikację termiki maty i jej szybkie dostosowanie do istniejących potrzeb Konstrukcja mat
pozwala na wykorzystanie do ich zasilania fotoogniw lub kolektorów solarnych. Konstrukcja
wierzchniej warstwy mat zapewnia jej dużą wytrzymałość i łatwość czyszczenia, także przy użyciu
środków dezynfekcyjnych. Rodzaj i wymiar mat dostosowano do stadardowych warunków chowu, a
więc stanowisk legowiskowych dla krów, kojców porodowych dla loch, kojców tuczarni oraz kurników
ściołowych i brojlernii. Konstrukcja mat umożliwia również ich dopasowanie do nietypowych
wymiarów, poprzez bezpieczne docięcie, nie naruszające elementów grzewczych. Maty posiadały
obliczoną maksymalną moc grzewczą oraz płynną regulację temperatury do poziomu maksimum
temperaturowego każdego z gatunków, poprzez odpowiednie sterowniki, umiejscowione poza
zasięgiem zwierząt. W materiałach konstrukcyjnych założono 30% udział odpadów gumowych. Ich
udział ograniczał się do warstwy nośnej, natomiast warstwę wierzchnią wykonywano z
pełnowartościowego tworzywa. Sposób mocowania mat do podłoża betonowego sprecyzowano, jako
kotwy M12 x1,75x800 a do podług rusztowych przy pomocy śrub o identycznych wymiarach. W obu
przypadkach, mocowania zaopatrzono w podkładki usztywniające materiał maty w sąsiedztwie łba
oraz dodatkową podkładkę i nakrętkę dla mocowań w rusztach. Położenie otworów mocujących
określono w odległości 60 mm od każdego z naroży maty w półprofilach wykonywanych
mechanicznie w trakcie montażu. W ramach badań wydzielono i zasiedlono łącznie 70 stanowisk
legowiskowych w obiektach inwentarskich: po 10 szt. odpowiednio dla prosiąt warchlaków oraz
tuczników; po 20 szt. odpowiednio dla krów mlecznych oraz drobiu (nioski i brojlery). Badania
realizowano przez okres 2 miesięcy w trzech powtórzeniach.
Wyniki przeprowadzonych doświadczeń i ich uogólnienie
Zrealizowane w Instytucie Zootechniki PIB, długotrwałe testy na zwierzętach, potwierdziły ich wysoką
efektywność w poprawie produkcyjności zwierząt, zdrowotności oraz dobrostanu. Dla bydła
potwierdzono dłuższy czas leżenia krów mlecznych na stanowiskach wyposażonych w maty oraz
wyższą mleczność tych zwierząt. Wykorzystanie mat skutkowało również podwyższeniem średniej
zawartości tłuszczu w mleku oraz niższym poziomem komórek somatycznych. Wykorzystanie mat w
utrzymaniu świń skutkowało potwierdzonymi statystycznie wyższymi przyrostami, niższym zużyciem
paszy oraz ograniczeniem upadków. Identyczne efekty uzyskano w odchowie kurcząt brojlerów. W
przypadku kur niosek wykorzystanie mat powodowało zwiększenie poziomu nieśności oraz niższe
zużycie paszy. U zwierząt doświadczalnych obserwowano również niższy poziom agresji, a badania
hormonów stresu długofalowego, potwierdziły wyższy poziom ich dobrostanu.
Foto. 1. Grzałka wodna do maty
dla krów i tuczników.
Foto. 2. Mata grzewcza dla bydła
Na wyższą produkcyjność zwierząt wpłynęły wyższy komfort termiczny, przejawiający się wyższymi
temperaturami skóry zwierząt, czego najlepszym przykładem mogą być wyniki uzyskane dla prosiąt
ssących. Wyższe temperatury stref odpoczynku (legowisk) wpłynęły także na niższe poziomy
hormonów stresu zwierząt (tab. 9-10), a przez to na ograniczenie zapotrzebowania bytowego
energii. W ten sposób pobierana pasza mogła być lepiej wykorzystana dla potrzeb produkcyjnych.
Zgromadzone wyniki badań nie wykazały istotnego zróżnicowania między samymi matami. Przy
założonych identycznych parametrach technicznych, rodzaj użytego materiału oraz sposób zasilania
mat, nie miał istotnego wpływu tak na produkcyjność, jak i zachowanie i fizjologię zwierząt.
Tabela 1.
Średnie wyniki produkcyjne tuczników.
Rodzaj maty/ rodzaj zasilania
Wyszczególnienie
Bez maty
Gumowa
elektryczne
Gumowa
wodne
PUR
elektryczne
PUR
Wodne
Przyrosty dzienne
masy ciała [kg/szt.]
0,778a
0,891 b
0,918 b
0,878 b
0,108b
Dzienne zużycie
paszy [kg/szt.]
2,868a
2,487b
2,372b
2,446b
2,485b
Upadki i
brakowania [%]
1,3a
0,8b
0,7b
0,9b
0,7b
ab - różnice statystycznie istotne przy P ≤ 0,05;AB – różnice statystycznie istotne przy P ≤ 0,01;
Tabela 2.
Wyniki produkcyjne kur nieśnych
Rodzaj maty/ rodzaj zasilania
Wyszczególnienie
Bez
maty
Gumowa
elektryczne
Gumowa
wodne
PUR
elektryczne
Nieśność (%)
50,1a
57,1b
56,2b
54,5b
Wodne
53,4b
Padnięcia (%)
0
0
0
0
0
Masa jaja w 38. tyg. (g)
60,8a
61,3b
61,6b
61,1b
63,0b
Zużycie paszy/ptaka/dzień
(g)
Wykorzystanie paszy na 1
jajo (g)
115,5a
108,1b
107,7b
108,2b
108,4b
211,2a
192,4b
201,9b
202,3b
203,9b
4,06a
3,72b
3,74b
3,86b
3,65b
Wykorzystanie paszy na 1 kg
jaj (g)
PUR
ab - różnice statystycznie istotne przy P ≤ 0,05;AB – różnice statystycznie istotne przy P ≤ 0,01;
Tabela 3.
Wyniki produkcyjne kurcząt brojlerów
Wyszczególnienie
Rodzaj maty/ rodzaj zasilania
Bez maty
Masa ciała (g)
Gumowa
elektryczne
Gumowa
wodne
PUR
elektryczne
PUR
Wodne
2024,64
2527,10
2315,30
2530,21
2024,64
Wykorzystanie paszy
(kg/kg m.c.)
2,16
1,69
1,770
1,61
1,56
Padnięcia (%)
3,33
1,76
1,63
1,77
1,69
ab - różnice statystycznie istotne przy P ≤ 0,05;AB – różnice statystycznie istotne przy P ≤ 0,01;
Średnie wartości temperatura skóry oraz poziom tyroksyny we krwi prosiąt .
Wyszczególnienie
Tabela 4.
Rodzaj maty/ rodzaj zasilania
Bez maty
Gumowa
elektryczne
Gumowa
wodne
PUR
elektryczne
PUR
Wodne
- 4 dzień
28,7a
32,1b
33,4b
33,2b
32,5b
- 14 dzień
31,8a
33,8b
33,7b
33,3b
33,5b
Poziom tyroksyny [ng/ml]
41,1a
31,9b
32,9b
31,8b
33,3 b
ab - różnice statystycznie istotne przy P ≤ 0,05;AB – różnice statystycznie istotne przy P ≤ 0,01;
Tabela 5.
Poziom wybranych hormonów stresu w plazmie krwi krów.
Rodzaj maty/ rodzaj zasilania
Rodzaj hormonów
Bez maty
ACTH (pg/ml)
Kortyzol (nmol/l)
CK (pg/ml)
Gumowa
elektryczne
13,48 A
19,7 b
89,4 a
Gumowa
wodne
5,82B
12,9b
72,51 b
PUR
elektryczne
6,13B
12,38b
69,27 b
5,67B
11,9b
71,43b
PUR
Wodne
5,13 B
13,2 b
68,2 b
ab - różnice statystycznie istotne przy P ≤ 0,05;AB – różnice statystycznie istotne przy P ≤ 0,01;
Tabela 6.
Średni poziom kortykosteronu w plazmie kur i kurcząt brojlerów
Wyszczególnienie
Rodzaj maty/ rodzaj zasilania
Bez
maty
Gumowa
elektryczne
Gumowa
wodne
PUR
elektryczne
PUR
Kury
24,5a
20,3b
19,9b
20,4b
20,7b
Kurczęta
18,6a
12,4b
13,2b
12,9b
12,6b
Wodne
ab - różnice statystycznie istotne przy P ≤ 0,05;AB – różnice statystycznie istotne przy P ≤ 0,01;
Foto. 3 i 4. Termogram wodnej maty gumowej dla tuczników.
Foto. 5 i 6. Termogramy mat zasilanych wodą dla niosek wykonanych z PUR (widoczny obraz ptaków)
i gumy.
3. Wykorzystanie OZE w produkcji zwierzęcej
dr hab. Jacek Walczak Instytut Zootechniki PIB Kraków Balice
Współczesna energetyka cieplna oparta jest nadal na paliwach kopalnych. Tam gdzie w jednej chwili
uwalniane są tysiące kW energii, materiały te jeszcze długo pozostaną niezastąpione. Jeśli idzie o
mniejsze moce i obiekty, to alternatywne źródła energii coraz szerszym frontem podbijają rynek. I nie
tylko one. Coraz bardziej dostępne stają się specjalistyczne wymienniki i pompy ciepła, rekuperatory
i inne urządzenia odzyskujące energię traconą do tej pory w ściekach, czy wentylowanym powietrzu.
Wspomniana problematyka, poza nielicznymi wyjątkami, nie znajduje szerszego zainteresowania
wśród hodowców, a przecież intensywny chów zwierząt, przy znaczących skali i koncentracji
produkcji, jak każda przemysłowa działalność winien rozwijać energooszczędne metody produkcji.
Stąd celem naukowym podejmowanych badań, było określenie możliwości zastosowania
alternatywnych źródeł energii wraz z ustaleniem ich efektywności w fermowym chowie trzody
chlewnej. Celem naukowym podejmowanych badań, było określenie możliwości zastosowania
alternatywnych źródeł energii wraz z ustaleniem ich efektywności w fermowym chowie trzody
chlewnej. Dla osiągnięcia założonego celu wykonano audyt zużycia energii elektrycznej fermy oraz
praktycznie określono produktywności odnawialnych źródeł energii (OZE) dla ogrzewania,
oświetlenia i wentylacji budynków inwentarskich.
Doświadczenie przeprowadzono na 12 900 warchlakach i tucznikach mieszańcach czterorasowych
oraz 300 lochach rasy pbz. Zwierzęta utrzymywano łącznie w 12 grupach zajmujących ogrzewane i
wentylowane mechanicznie pomieszczenia w systemie ściołowym (tuczniki) i bezściołowym (lochy
luźne –prośne, lochy karmiące, warchlaki). W doświadczeniu wykorzystano generator wiatrowy o
mocy 2,5 kW, słoneczne kolektory próżniowe o mocy 45 kW oraz fotoogniwa o mocy elektrycznej
8,80 kW.
Wymienione źródła energii zostały użyte do zasilania następujących odbiorników:
ogrzewania podłogowego w porodówce, zasilania wentylatorów systemu wentylacji wyciągowej,
oświetlenia pomieszczenia tuczarni.
W doświadczeniu wykorzystano następujące źródła energii odnawialnej:
1. Generator wiatrowy o mocy 2,5 kW, napięciu 24 V usytuowany na wysokości 30 m od
poziomu gruntu, na obrzeżu fermy od strony przeważającego kierunku wiatru. Zakres pracy
generatora obejmował przedział prędkości ruchu powietrza od 2,5 do 25 m/s. Generator
sterowany był elektronicznie poprzez komputerowy sterownik umożliwiający zmianę
kierunku pracy łopat, a także ich zatrzymanie przy zbyt silnym wietrze. Instalacja wyposażona
była w licznik energii, konwerter i falownik zmieniające prąd stały w prąd zmienny o napięciu
znamionowym 230 V i natężeniu 16A. System wyposażony był w 25 akumulatorów żelowych
równoważących nadmiar i niedobór mocy wynikający z prędkości wiatru poruszającego
generator.
2. Słoneczne kolektory próżniowe o mocy 45 kW o powierzchni czynnej 5,0 m2 wyposażony w
wymiennik ciepła o pojemności 300 l, rezerwowy zbiornik akumulacyjny o pojemności 300 l,
układ pompowy, grzałkę rezerwową o mocy 2 kW, licznik energii cieplnej, sterownik
trójdrożny ograniczający temperaturę roboczą cieczy do 450C.
3. Fotoogniwa o mocy elektrycznej 8,80 kW i napięciu 16V. Instalacja wyposażona była w licznik
energii, konwerter i falownik zmieniające prąd stały w prąd zmienny o napięciu
znamionowym 230 V i natężeniu 16A. System wyposażony był w 10 akumulatorów żelowych
równoważących nadmiar i niedobór mocy wynikający z nasłonecznienia.
Wymienione źródła energii zostały użyte do zasilania następujących odbiorników:
1. Ogrzewanie podłogowe w porodówce – obejmujące 10 mat podłogowych o mocy 300 W,
sterowanych zaworami termostatycznymi i zabezpieczonych przed przegrzaniem układem
trójdrożnym.
2. Wentylator systemu wentylacji wyciągowej, o średnicy 0,8 m, napędzany silnikiem
asynchronicznym o mocy 500 W, zainstalowany w warchlakarni.
3. Oświetlenie
pomieszczenia tuczarni, wyposażone w 6 odbiorników luminescencyjnych
(świetlówki) o łącznej mocy 240 W.
W trakcie prowadzonych badań zrealizowano trzy zadania.
Zadanie 1
Zastosowanie odnawialnych źródeł energii do zasilania instalacji ogrzewania podłogowego
porodówki.
Zadanie obejmowało badania pomiarowe ilości energii cieplnej jaka może być dostarczona do
systemu ogrzewania podłogowego w porodówce, zasilającego maty grzewcze dla prosiąt z
odnawialnych źródeł. Jednocześnie zastosowano wszystkie dostępne rodzaje energii. Maty o
powierzchni 1,5 m2 i mocy 300 W zasilane były bądź ciepłą wodą o temperaturze do 45 0C z kolektora
lub prądem z fotoogniwa lub generatora podłączonym do grzałki zatopionej w macie. Grupę
kontrolną stanowiły kojce ogrzewane z elektrycznych promienników podczerwieni o mocy 300 W
zawieszone 80 cm nad podłogą. Całość doświadczenia zrealizowano w pomieszczeniu ogrzewanym
nagrzewnicą,
sterowaną
termicznie
przez
system
wentylacji
podciśnieniowej.
Łącznie
doświadczeniem objęto 22 kojce porodowe i 198 mioty. Zadanie 2
Wykorzystanie fotoogniw i generatora wiatrowego do zasilania wentylacji pomieszczeń.
Badania objęły możliwość zasilania energią elektryczną powstałą w ogniwach fotogalwanicznych i
generatorze wentylatorów w pomieszczeniach dla warchlaków. Do każdego ze źródeł podłączono
poprzez licznik energii, identyczne wentylatory o mocy 500 kW i średnicy 0,8 m zamocowane w
wentylacyjnych kanałach wywiewnych i sterowane przez centralny sterownik. Pomiarom poddano
ilości pobranej energii i efektywność zasilanych urządzeń. Jako układ kontrolny posłużył wentylator
zasilany energią pobraną z sieci elektrycznej.
Zadanie 3
Wykorzystanie fotoogniw i generatora wiatrowego do zasilania oświetlenia pomieszczeń.
Badania objęły możliwość zasilania energią elektryczną powstałą w ogniwach fotogalwanicznych i
generatorze oświetlenia pomieszczeń dla tuczników. Do każdego ze źródeł podłączono poprzez licznik
energii, identyczne sektory tuczu, każdy wyposażony w oświetlenie o mocy 240 kW w postaci 6 lamp
świetlówek zamocowanych identycznie pod sufitem. Pomiarom poddano ilości pobranej energii i
efektywność zasilanych odbiorników. Jako układ kontrolny posłużyło oświetlenie zasilane energią
pobraną z sieci elektrycznej.
Wyniki przeprowadzonych doświadczeń i ich uogólnienie
Jednym z najbardziej newralgicznych miejsc zużycia energii jest ogrzewanie pomieszczeń. W tabeli 1
zawarto wyniki zastosowania energii słonecznej oraz wiatrowej do dogrzewania prosiąt w porodówce.
W celu lepszej prezentacji wyników mają one formę procentowego pokrycia zapotrzebowania w
różnych miesiącach roku przez użyte w doświadczeniu instalacje, różniące się mocą. Niestety z
przyczyn technicznych, nie było możliwe ujednolicenie tego parametru. Nie wyklucza to natomiast
dokonania w razie potrzeby odpowiednich przeliczeń. Z tabeli wynika średnio czterokrotne
przewymiarowanie mocy generatora wiatrowego. Oznacza to, że dla potrzeb pokrycia
zapotrzebowania energii dla mat podłogowych wystarczyłby generator o mocy 0,5 kW. Co ważne,
pokryłby on zapotrzebowanie w pełnym przedziale czasowym, bez ryzyka dogrzewania z innych
źródeł. Stwierdzenie to, jest niestety uprawnione tylko dla opisanej lokalizacji fermy i wysokości
masztu turbiny. W gorszych warunkach wietrzności, generator wiatrowy może okazać się kompletnie
nieskuteczny. Nieco inaczej przedstawia się możliwość wykorzystania energii z solarnych kolektorów
próżniowych. Wprawdzie w miesiącach letnich dają one prawie dwukrotnie więcej energii, lecz zimą
pokrycie może spadać zaledwie do kilku procent zapotrzebowania. W przypadku fotoogniw średnie
pokrycie zapotrzebowania wynosi 58,9%, jednak w praktyce oznacza to wahania od 91,3% w
miesiącu czerwcu do 7,8 % w grudniu. W obu przypadkach możliwe jest pokrycie całości
zapotrzebowania, lecz wiązałoby się to z prawie 10 krotnym zwiększeniem powierzchni czynnej
kolektorów i ogniw. Opłacalność takiego posunięcia stoi pod znakiem zapytania w kontekście
znaczącego nadmiaru mocy latem i konieczności jej okresowego zagospodarowania, choćby do
suszenia ziarna.
Jak wskazują dane zawarte w tabeli 2, zróżnicowanie pokrycia zapotrzebowania na energię, podobnie
jak rodzaj dogrzewania, nie miały wpływu na uzyskiwane wyniki produkcyjne. Deficyt mocy został
bowiem pokryty z klasycznej energii elektrycznej, przez układ automatycznego sterowania.
Uzyskiwane wyniki nie należą generalnie do najlepszych, zwłaszcza jeśli idzie o liczbę prosiąt żywo
urodzonych. W całości danych widoczne jest sezonowe zróżnicowanie, wynikające z wahań
parametrów mikroklimatycznych w pomieszczeniu.
Pod względem możliwości zasilania elementów wentylacji pomieszczeń, ponownie najlepsza okazała
się być energia wiatrowa (tab. 3). Moc posiadanego generatora wystarczyłaby do zasilenia średni 15
takich jak użyty, wentylatorów wyciągowych. Jednak praktycznie naddatek mocy w okresie letnim
pokryłby jedynie zapotrzebowanie trzech takich silników. Wiąże się to ze znacznym poborem mocy
przy zwiększonej wymianie powietrza w czasie upałów. Fotoogniwa pokrywały zapotrzebowanie
średnio w 122%, jednak w okresie od listopada do stycznia zaznaczył się blisko 50% deficyt mocy,
związany ze spadkiem nasłonecznienia. Także w okresie największego obciążenia wentylatorów w
czasie letnich upałów deficyt wynosił od 11 do 35%.
Zapotrzebowanie energii na oświetlenie pomieszczeń należy do najmniejszych pod względem
wielkości pozycji wykonanego audytu energetycznego fermy. Stąd energia pozyska z generatora
wiatrowego mogłaby bez problemów zasilić średnio 23 takie instalacje (tab. 4). Dla fotoogniw średnie
pokrycie wynosi 320%, jednak w okresie od listopada do lutego, waha się ono od 35,5% do 96,1%.
Ponownie dało tu o sobie znać niskie nasłonecznienie w tych miesiącach, przy jednoczesnym
wydłużonym czasie używania oświetlenia w budynku. Przy oświetleniu żarowym różnice te byłyby z
pewnością jeszcze większe. Niemniej wydaje się, że zastosowanie fotoogniw do zasilania oświetlenia
jest najprostszym i najmniej zawodnym rozwiązaniem.
Wnioski
Na podstawie uzyskanych wyników badań postawić można następujące wnioski:
1. Największą efektywnością i uniwersalnością zastosowania w produkcji energii dla potrzeb
ferm świń posiada generator wiatrowy. Jego zastosowanie uzależnione jest jednak silnie od
lokalnych warunków topograficznych i pogodowych.
2. Solarne kolektory próżniowe w pełni efektywnie mogą znaleźć zastosowanie dla dogrzewania
pomieszczeń inwentarskich lub wspomagania w tym względzie istniejących systemów co.
3. Dla energii słonecznej stwierdza się zbyt małą dostępną moc czynną kolektorów i ogniw w
okresie zimy, uzależnioną od małego nasłonecznienia.
4. Największe nadzieje wiązać należy w przyszłości z zastosowanie fotoogniw. Już na obecnym
etapie mogą one jednak efektywnie wspomagać konwencjonalne źródła energii nawet w
zakresie kilkudziesięciu procent zapotrzebowania mocy czynnej urządzeń.
Tabela 1.
Bilans energii niezbędnej do zasilania systemu ogrzewania podłogowego porodówki.
Miesiąc
Zapotrzebowanie
(kWh)
Pokrycie
Generator
Kolektor
Fotoogniwo
(%)
(%)
(%)
I
412,3
410,3
3,23
10,4
II
372,4
453,5
26,2
22,5
III
412,3
405,2
54,5
41,7
IV
399,0
410,5
178,9
52,6
V
412,3
380,8
173,1
77,6
VI
399,0
373,6
191,7
91,3
VII
412,3
344,9
185,5
89,0
VIII
412,3
368,9
156,4
89,0
IX
399,0
434,5
95,4
74,4
X
412,3
430,0
36,0
45,8
XI
399,0
431,5
4,9
14,2
XII
412,3
424,2
1,8
7,8
Średnio
405,6
92,3
58,9
Wszystkie różnice wysoko istotne statystycznie
Tabela 2.
Bilans energii niezbędnej do zasilania systemu wentylacji .
Miesiąc
Zapotrzebowanie
(kWh)/wentylator
Pokrycie
Generator
Fotoogniwo
(%)
(%)
I
72,3
2340
59,5
II
68,4
2460
122,8
III
72,3
2310
237,9
IV
119,0
1376
176,5
V
180,3
870
177,5
VI
199,4
750
182,7
VII
412,3
350
89,0
VIII
462,3
380
64,2
IX
379,0
450
78,4
X
112,3
1580
168,2
XI
89,8
1920
62,8
XII
70,5
2480
45,9
Średnio
1570
122,1
Wszystkie różnice wysoko istotne statystycznie
Tabela 3.
Bilans energii niezbędnej do zasilania systemu oświetlenia tuczarni.
Miesiąc
Zapotrzebowanie
(kWh)/pomieszczenie
Pokrycie
Generator
Fotoogniwo
(%)
(%)
I
86,1
1965
49,9
II
87,4
1932
96,1
III
82,3
2030
208,9
IV
69,0
2374
304,3
V
59,3
2646
539,6
VI
54,0
2761
675,0
VII
57,3
2481
640,4
VIII
58,3
2608
509,4
IX
64,1
2705
463,3
X
72,8
2435
259,6
XI
82,0
2100
69,1
XII
91,3
1915
35,5
2329
320,9
Średnio
Wszystkie różnice wysoko istotne statystycznie
Fot. 1. Kolektory solarne
Fot. 2. Montaż generatora wiatrowego.