Ανάπτυξη και αξιολόγηση υβριδικού ηλιακού συστήματος θέρμανσης αίθουσας τοκετών χοιροστασίων

Abstract

The aim of this research project was to develop a new method of heating of pig houses and more specifically the swine nurseries with the use of Solar Heating Systems. In the proposed method a Test Shell with Solar Mass Wall, is used to service the heating needs of nursing sows while for the nurslings was created a special flooring (pad) with embodied heated pipes, throw a system of solar collectors and heating storage tank. The structural elements of this system are a solar mass wall, a specially designed heated flooring (shelter), a solar absorber, a solar collector, a heating storage tank and a heating supply tank. These elements are combined together using appropriate fluid circuits and digital controllers. The system provides a suitable environment for the nursling’ shelter as well as to the nursing sow through the solar mass wall. The system is composed of two main circuits. The first one includes the solar units and the storage (heating) tank (Circuit A) and the second one contains the supply (after-heating) tank and the pad (Circuit B). The first days are the most critical in a piglet’s life. Up to 80% of piglet losses occur in the first 3 days of life and the majority of deaths are attributed to crushing. To reduce piglet losses by crushing by the sow the nest area must be warm. However, because of economic and hygienic disadvantages, straw is becoming less and the modern practice is to use either electric or gas infrared heaters, or underground heaters with solid plates. In the first 10 days of life, the young piglets require temperatures of at least 32-36 OC in the nest. Infrared heaters with IR-emitter have the highest temperature on the surface directly under the centre of the radiator, and outwards from the centre the temperature drops. An underground heater (warm water heat source) has a homogeneous surface temperature, therefore every piglet of the litter gets the same temperature in the nest area. The flooring in farrowing pens must satisfy a wide variety of criteria. The floor must be durable and easily to clean. The aim of this investigation was to test a new heating system for young piglets and to compare it with the conventional electric heating lamps and the warm water bed. This system incorporates all the benefits of the floor heating systems. In addition the controlled distribution of the solar energy, not only reduces the consumption of the electric energy to the 20-25% of the consumption of the conventional system with infrared lamps, but also provides the specific thermal environment for the weaned piglets as well as to the nursing sown. Using a control system, the fluid temperature is kept close to the desired optimal temperature, in contrast with the conventional halogen and incandescent infrared lamps where the heating is regulated by the distance between the lamp and the piglets. Furthermore, the optimal temperature is regulated to decrease one degree centigrade per day and this means that the electric consumption is decreased as well.

Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η χρήση των ηλιακών συστημάτων για την κάλυψη των αναγκών θέρμανσης χοιροτροφικών μονάδων. Ειδικότερα εξετάστηκε η συνδυασμένη χρήση δύο ηλιακών συστημάτων - ενός τοίχου μάζας και ενός συστήματος ηλιακών συλλεκτών και αποθήκευσης του θερμού νερού, για τη θέρμανση ενός κελιού τοκετού σε χοιροστάσιο. Στην πειραματική διάταξη χρησιμοποιήθηκε ένα ενεργειακό Test Shell, ενώ όλες οι μετρήσεις έγιναν χωρίς την παρουσία ζώων. Η θέρμανση των χοιροστασίων και ειδικότερα των αιθουσών τοκετού παρουσιάζει την ιδιομορφία της δημιουργίας μικροκλίματος του χώρου ανάπαυσης των νεογνών σε ότι αφορά τη θέρμανση. Οι χοίροι είναι ομοιόθερμα ζώα και προσπαθούν να διατηρήσουν τη θερμοκρασία του σώματός τους σταθερή στους 39. H optimum θερμοκρασία που απαιτείται για τα νεογνά είναι 35 - 36 και ελαττώνεται κατά 1C, κάθε μέρα μέχρι και τους 25. Αντίθετα η χοιρομητέρα που παραμένει στο ίδιο κελί τοκετού απαιτεί θερμοκρασία περιβάλλοντος 16 - 20. Στην πειραματική διάταξη χρησιμοποιείται ένα ενεργειακό Test Shell με Τοίχο Μάζας προκειμένου να καλυφθούν οι θερμικές ανάγκες των χοιρομητέρων ενώ για τα νεογνά δημιουργήθηκε ειδικό σχαρωτό δάπεδο με ενσωματωμένους σωλήνες. Τα νεογέννητα χοιρίδια καταφεύγουν στο θερμαινόμενο δάπεδο (καταφύγιο) για να αναπαυθούν. Το νερό, ως μέσο μεταφοράς θερμότητας, ανακυκλοφορεί σε συνδυασμένο κύκλωμα βεβιασμένης κυκλοφορίας, αποτελούμενο από το σχαρωτό δάπεδο, έναν επίπεδο ηλιακό συλλέκτη, ένα αυτοσχέδιο σωληνωτό ηλιακό απορροφητή που έχει τοποθετηθεί στο διάκενο του Τοίχου Μάζας και μία δεξαμενή αποθήκευσης του θερμαντικού μέσου. Τα μετεωρολογικά δεδομένα της περιοχής οδήγησαν στην διαστασιολόγηση και την επιλογή των υλικών των συλλεκτών και του θερμαινόμενου σχαρωτού δαπέδου καθώς και την επιλογή της χωρητικότητας της δεξαμενής αποθήκευσης. Η χρονική διάρκεια των μετρήσεων ήταν 13 συνεχόμενοι μήνες. Σε όλες τις περιόδους μελετήθηκε η ενεργειακή συνεισφορά από κοινού αλλά και χωριστά τόσο του τοίχου μάζας όσο και των ηλιακών συστημάτων του επίπεδου ηλιακού συλλέκτη και του αυτοσχέδιου σωληνωτού ηλιακού απορροφητή. Η κατανάλωση της συμπληρωματικής ηλεκτρικής ενέργειας για την παραγωγή θερμού νερού μετρήθηκε από αναλυτή ηλεκτρικής ενέργειας. Μπροστά από τον τοίχο μάζας και τον αυτοσχέδιο συλλέκτη και σε γωνία 90 τοποθετήθηκε - για να αξιολογηθεί η συνεισφορά του (κέρδος)- ανακλαστήρας λευκού χρώματος που εναλλάσσονταν με έναν αλουμινίου. Οι υπολογισμοί για τη θερμική συνεισφορά του συστήματος έγιναν με το Visual DOE, το οποίο είναι ένα πρόγραμμα θερμικής προσομοίωσης, που επιτρέπει σε μελετητές, να υπολογίσουν αναλυτικά, θερμικά φορτία θέρμανσης - ψύξης, τις θερμοκρασίες των υπό μελέτη χώρων και την κατανάλωση ενέργειας (ρεύμα, υγρά - αέρια καύσιμα), σε διάφορες εναλλακτικές προτάσεις σχεδιασμού και λειτουργίας ενός κτιρίου. Κατά τη φάση λειτουργίας του συστήματος, από τα αποτελέσματα που επεξεργαστήκαμε, προκύπτουν τα ακόλουθα: Η κατανάλωση (συμπληρωματικής) ηλεκτρικής ενέργειας με το προτεινόμενο σύστημα είναι πολύ μικρότερη συγκρινόμενη με τους ηλεκτρικούς αναθρεπτήρες των 250W, και μειώνεται περισσότερο ανάλογα με την ηλικία των ζώων, λόγω κατανάλωσης του ρεύματος. Η ενδοδαπέδια θέρμανση πλεονεκτεί της συμβατικής με λάμπα υπέρυθρης ακτινοβολίας επειδή παρουσιάζει μικρότερες διακυμάνσεις καθώς επηρεάζεται λιγότερο από τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος Η προτεινόμενη ορθογωνική διάταξη του δαπέδου αναμένεται να προσφέρει πιο άνετο καταφύγιο για τα χοιρίδια, λόγω του σχήματος, σε σχέση με το κυκλικό γύρω από την λάμπα, όπως ορίζεται νοητά από τις ισόθερμες, για την δημιουργία «ζώνης άνεσης» Η ρύθμιση της θερμοκρασίας του δαπέδου με το προτεινόμενο σύστημα είναι εύκολη και ακριβής σε αντίθεση με τους συμβατικούς τρόπους όπου η ρύθμιση γίνεται κατ’ εκτίμηση και εξαρτάται από την απόσταση της λάμπας από το δάπεδο και τη θερμοκρασία του χώρου Η κατανάλωση ενέργειας με το προτεινόμενο σύστημα είναι μικρότερη από αυτή με τους ηλεκτρικούς αναθρεπτήρες (20 - 25%) και μπορεί να μειωθεί περίπου 10% περισσότερο με τη χρήση ανακλαστήρων. Επιπλέον, κάθε μείωση της θερμοκρασίας, ανάλογα με την ηλικία των χοιριδίων προϋποθέτει και μείωση της κατανάλωσης της ηλεκτρικής ενέργειας, γεγονός που δε συμβαίνει με τις λάμπες που έχουν σταθερή κατανάλωση.