Ở các nước nhiệt đới (như Việt Nam) và cận nhiệt đới, môi trường nhiệt độ và độ ẩm quá cao hoặc quá thấp là thách thức đối với quá trình chăn nuôi gia súc, gia cầm. Sự thay đổi về tiểu khí hậu chuồng nuôi có thể gây thiệt hại về kinh tế cho người chăn nuôi. Do đó, kiểm soát tiểu khí hậu chuồng nuôi là yếu tố quan trọng giúp nâng cao năng suất chăn nuôi.

Ngày nay, mô phỏng CFD đã và đang được sử dụng trong quá trình tính toán thiết kế hệ thống thông gió để kiểm soát tiểu khí hậu chuồng trại chăn nuôi (nguồn). Bài viết này sẽ tập trung vào ứng dụng của mô phỏng CFD để đánh giá hiệu quả thông gió trong chuồng gà công nghiệp.

 

Ảnh hưởng của điều kiện môi trường đến chăn nuôi

Mỗi loài động vật đều có một khoảng nhiệt độ tối ưu để đảm bảo quá trình sống diễn ra thoải mái (ví dụ đối với gà là 16 – 25 ºC). Khi nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp sẽ gây ra hiện tượng stress nhiệt cho vật nuôi. Stress nhiệt làm giảm sức đề kháng của vật nuôi, giảm khả năng sinh sản, khả năng cho thịt và lượng sữa, giảm tỷ lệ thụ thai, tăng khả năng sảy thai, làm chết vật nuôi, v.v., gây thiệt hại về kinh tế cho người chăn nuôi (nguồn).

Stress nhiệt là trạng thái nhiệt độ môi trường chênh lệch lớn so với nhiệt độ trung hòa của cơ thể vật nuôi, gây xáo trộn sinh lý trong cơ thể của chúng. Về mặt ngoại cảnh, stress nhiệt bị ảnh hưởng đồng thời bởi các yếu tố chính là nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, và tốc độ gió. Các yếu tố này là ba thành phần cơ bản của tiểu khí hậu chuồng nuôi. Do đó kiểm soát tiểu khí hậu chuồng nuôi là yếu tố quan trọng để chống stress nhiệt cho vật nuôi. Ngoài ra, việc kiểm soát tiểu khí hậu chuồng nuôi còn góp phần làm giảm nguy cơ phát sinh dịch bệnh, loại bỏ mùi và khí độc phát sinh trong chuồng nuôi.

 

Ứng dụng CFD vào thiết kế hệ thống thông gió chuồng trại

Giải pháp kỹ thuật giúp kiểm soát tiểu khí hậu chuồng nuôi là sử dụng hệ thống thông gió với áp suất âm (sử dụng quạt hút) và hệ thống làm mát bay hơi đoạn nhiệt (sử dụng tấm làm mát- cooling pad ). Ngoài ra còn có các hệ thống phụ trợ như lọc bụi, mùi, và giải nhiệt. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để đánh giá hoạt động của hệ thống thông gió chuồng trại nhằm xác định mức độ phù hợp của tiểu khí hậu chuồng nuôi. Các phương pháp tính toán thường được sử dụng là:

  • Phương pháp fuzzy logic.
  • Phương pháp khai thác dữ liệu (data mining).
  • Phương pháp thống kê địa lý (geostatistic).
  • Phương pháp mô phỏng CFD (Computational Fluid Dynamics).

Phương pháp mô phỏng CFD đã và đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Ngày nay, mô phỏng CFD cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình thiết kế hệ thống thông gió cho chuồng nuôi. Những lợi ích mà mô phỏng CFD đem lại bao gồm:

  • Phân tích dòng khí (nhiệt độ, độ ẩm, và tốc độ gió) bên trong chuồng nuôi cho từng loại vật nuôi.
  • Kiểm nghiệm các phương án thiết kế chuồng và lắp đặt quạt hút.
  • Đánh giá các thay đổi của tiểu khí hậu chuồng nuôi khi môi trường bên ngoài thay đổi theo mùa.
  • Tối ưu hóa hệ thống thông gió cho chuồng nuôi.
  • v.v.

Mô phỏng CFD đánh giá hiệu quả thông gió trong chuồng gà công nghiệp

Để chứng minh mô phỏng CFD có thể đem lại những lợi ích vượt trội như đã đề cập ở trên, hãy cùng xem xét bài toán mô phỏng cho một chuồng gà công nghiệp (nguồn). Chuồng gà công nghiệp (dài 40m, rộng 9,2m, và cao 2,5m) đã được đưa vào sử dụng gồm có 4 hàng lồng gà, mỗi hàng có 4 tầng, 3 quạt hút tạo áp suất âm và 12 tấm làm mát (xem hình bên dưới). Bài toán mô phỏng được chia làm 2 trường hợp: (1) Chỉ 1 quạt hút trung tâm hoạt động, (2) Cả 3 quạt hút hoạt động đồng thời. Các điều kiện mô phỏng như sau:

  • Nhiệt độ bên ngoài và ban đầu bên trong chuồng gà là 30 ºC.
  • Độ ẩm bên ngoài và ban đầu bên trong chuồng gà là 60%.
  • Cửa hướng gió đặt nghiêng (cố định) góc 30º so với phương thẳng đứng.
  • Tất cả các cửa sổ đều đóng kín.
  • Tường bao cách nhiệt tốt (không có ảnh hưởng của bức xạ mặt trời).
  • Nhiệt và ẩm thải ra từ gà lấy từ thực nghiệm dựa trên số liệu thống kê (nguồn).
  • Trở lực của mỗi lồng gà lấy từ mô phỏng CFD cho lồng gà (nguồn).

 

Hình ảnh thực tế và hình học 3D của chuồng gà công nghiệp

Hình ảnh thực tế và hình học 3D của chuồng gà công nghiệp (nguồn)

 

Đối với chăn nuôi gà, khoảng nhiệt độ tối ưu cho chuồng trại trong khoảng 16-25 ºC, tối ưu nhất là 24 ºC (theo tiêu chuẩn ASABE). Kết quả mô phỏng CFD chuồng gà công nghiệp cho thấy nhiệt độ cao hơn 26 ºC ở gần phía cuối chuồng (gần quạt hút) trong cả 2 trường hợp. Phân bố nhiệt độ bên trong chuồng trong trường hợp 1 và 2 là khoảng 20-28 ºC và 20-26 ºC. Như vậy, trường hợp 2 cho kết quả phân bố nhiệt tốt hơn (gần với tiêu chuẩn ASABE) so với trường hợp 1. Tuy nhiên cả hai trường hợp đều cho kết quả phân bố nhiệt độ trong chuồng là không đồng đều (chênh lệch nhiệt độ từ 5-10 ºC).

 

Phân bố nhiệt độ bên trong chuồng gà

Phân bố nhiệt độ bên trong chuồng gà trong 2 trường hợp

 

Theo tiêu chuẩn ASABE, độ ẩm cao hơn 60% có ảnh hưởng xấu đến quá trình sinh trưởng của gà. Kết quả mô phỏng CFD cho thấy độ ẩm trong chuồng là khá cao (> 75%) trong cả 2 trường hợp. Mức độ chênh lệch độ ẩm khoảng 30% và phân bố ẩm không đồng đều. Điều này đã được xác nhận thông qua các đo đạc thực tế.

 

Phân bố độ ẩm bên trong chuồng gà

Phân bố độ ẩm bên trong chuồng gà trong 2 trường hợp

 

Ngoài hai yếu tố nhiệt độ và độ ẩm, các yếu tố khác như tốc độ gió, phân bố bụi, mùi, khí độc, v.v. cũng có thể được phân tích thông qua các mô phỏng CFD. Nhìn chung với thiết kế hiện tại thì tiểu khí hậu bên trong chuồng không đảm bảo tối ưu cho gà sinh trưởng. Việc sử dụng cả 3 quạt hút không những không đảm bảo được tiểu khí hậu tối ưu trong chuồng nuôi mà còn làm tăng chi phí vật tư, lắp đặt và chi phí năng lượng khi vận hành. Bằng cách thay đổi vị trí của các tấm làm mát, độ mở của các tấm hướng gió, và vị trí lắp đặt quạt hút, tiểu khí hậu chuồng nuôi có thể được tối ưu hóa mà chỉ cần sử dụng 1 quạt  hút (tham khảo tại đây). Các phương án thiết kế đó hoàn toàn được thử nghiệm ngay từ khâu thiết kế bằng mô phỏng CFD.

 

Kết luận

Mô phỏng CFD là một phương pháp hiệu quả và có độ tin cậy cao để dự đoán các yếu tố của dòng khí (nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, nồng độ bụi, mùi, và khí độc, v.v) trong các điều kiện hoạt động khác nhau (quạt hút, hệ thống làm mát, v.v.) và theo thời tiết, theo các mùa trong năm, v.v. Từ đó mô phỏng CFD sẽ giúp tối ưu hóa hệ thống thông gió cho chuồng nuôi để kiểm soát tiểu khí hậu bên trong chuồng nuôi ở trạng thái tốt nhất cho từng loại vật nuôi.

Mục lục

    Đăng ký theo dõi CFDWAYS Blog!

    Something went wrong. Please check your entries and try again.
    0 Bình luận
    Inline Feedbacks
    View all comments