Механіко-технологічні основи процесів забезпечення забезпечення мікроклімату свинарських приміщень

Abstract

Яропуд В. М. Механіко-технологічні основи процесів забезпечення забезпечення мікроклімату свинарських приміщень. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. Вінницький національний аграрний університет (м. Вінниця), Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя (м. Тернопіль), Міністерство освіти і науки України, 2025. Загальне поголів’я свиней в Україні склало 5608,8 тис. голів (без урахування тимчасово окупованих територій), з яких 49 % утримуються в приватному секторі, а 51 % – у сільськогосподарських підприємствах. 32 % поголів’я зосереджено на підприємствах з кількістю свиней більше 6 тис. голів. Найбільш перспективною технологією утримання свиней в світі та Україні є західна система з утриманням на щілинній підлозі, з безвигульною системою, трифазовим вирощуванням і примусовим мікрокліматом. Відхилення параметрів мікроклімату погіршує здоров’я свиней і знижує рентабельність господарств. Перспективними є ресурсо- та енергозберігаючі системи, але їх оптимальні параметри недостатньо висвітлені в літературі. Тому розробка мехатронних систем з адаптивною вентиляцією та енергозберігаючими засобами є актуальною проблемою. Мета дослідження: підвищення ефективності функціонування техніко-технологічного забезпечення мікроклімату свинарських приміщень шляхом обґрунтування концепції та параметрів адаптивних мехатронних систем енергозберігаючих технічних засобів. Для досягнення поставленої мети сформульовано наукову гіпотезу, згідно з якою застосування мехатронних систем для забезпечення мікроклімату свинарських приміщень із адаптивною системою видалення забрудненого і нагнітання чистого повітря та енергозберігаючими теплообмінниками побічно- випарного типу й вертикальними ґрунтовими теплообмінниками із раціонально-обґрунтованими параметрами дозволить підвищити ефективність існуючих технологій утримання свиней. Задачі дослідження: 1. Провести аналіз сучасних систем забезпечення мікроклімату свинарських приміщень та на основі виробничих умов визначити ефективність цих систем з використанням експериментально-чисельних методів досліджень. 2. Розробити конструктивно-технологічну схему адаптивної мехатронної системи енергозберігаючих технічних засобів для забезпечення мікроклімату свинарських приміщень. 3. Виконати аналітичні дослідження автоматичної системи видалення забрудненого повітря в свинарнику та розробити методику й алгоритм її функціонування. 4. Встановити емпіричні залежності процесу функціонування системи видалення забрудненого повітря з свинарських приміщень та обґрунтувати її раціональні конструктивно-режимні параметри. 5. Виконати аналітичні дослідження автоматичної системи нагнітання чистого повітря в свинарнику і розробити методику та алгоритм її розрахунку. 6. Встановити емпіричні залежності процесу функціонування системи нагнітання чистого повітря і обґрунтувати її раціональні конструктивно- режимні параметри. 7. Провести аналітичні дослідження повітряного теплообмінника побічно- випарного типу і обґрунтувати його раціональні конструктивні параметри. 8. Виконати чисельне моделювання та експериментальні дослідження процесу тепломасообміну в теплообміннику побічно-випарного типу та отримати характерні закономірності його функціонування. 9. Виконати аналітичні дослідження вертикальних ґрунтових теплообмінників і обґрунтувати їх раціональні конструктивні-технологічні параметри. 10. Виконати чисельне моделювання та експериментальні дослідження процесу тепломасообміну у вертикальних ґрунтових теплообмінниках та отримати характерні закономірності його функціонування. 11. Розробити методику інженерного розрахунку мехатронної системи забезпечення мікроклімату свинарських приміщень і визначити техніко- економічну ефективність застосування результатів досліджень. Об’єкт дослідження: технологічний процес забезпечення нормативного мікроклімату свинарських приміщень. Предмет дослідження: закономірності та умови забезпечення нормативного мікроклімату свинарських приміщень адаптивними мехатронними системами енергозберігаючих технічних засобів. В основу теоретичних досліджень покладено методи чисельного моделювання з використанням основних положень теорій класичної механіки, газодинаміки, ймовірностей, моделей багатофазової взаємодії та Лагранжевої багатофазовості. Експериментальні дослідження проводились з використанням математичного методу планування експерименту, методів натурних спостережень та експертних оцінок. Обробка та аналіз результатів експериментальних досліджень здійснювались з використанням теорії ймовірності та кореляційно-регресійного аналізу. Моделювання та обробка результатів досліджень виконувались з використанням програмних пакетів Simcenter Star-CCM+ (ліцензія надана ДДАЕУ на основі договору про співпрацю), Wolfram Cloud (вільний доступ) та табличного редактора Microsoft Excel (ліцензія ВНАУ). На основі системного підходу розроблено алгоритм функціонування мехатронної системи забезпечення нормативного мікроклімату свинарських приміщень, що дозволяє керувати напрямками руху, швидкістю, температурою, вологістю та забрудненістю повітряного потоку в зоні перебування тварин в залежності від температури та вологості повітря зовнішнього середовища у зимовий, літній та міжсезонні періоди року. Встановлено залежності і розроблено алгоритм функціонування автоматичної системи видалення забрудненого повітря свинарника, який дозволяє розраховувати площі отворів, що утворюють витяжні заслінки, в залежності від ступеня забруднення повітря і рівномірності розподілу його швидкості по площі приміщення. Отримано залежності ефективності теплообмінника побічно-випарного типу (температура вихідного первинного повітряного потоку, коефіцієнт теплової ефективності і питомої холодопродуктивності) від геометричної форми його каналів, конструктивних (відношення ширини початкової частини до загальної ширини теплообмінника і діаметрів отворів переходу з вологих до робочих каналів) і режимних (температури, вологості і швидкості первинного повітря на впуску) параметрів. Набули подальшого розвитку залежності ефективності видалення забруднень (СО2, NH3, H2S) і виведення тепла від періоду року (літній, зимовий, міжсезоння) для різних систем вентиляції свинарських приміщень через підлогові, стельові та стінові канали. Набув подальшого розвитку фізико-математичний апарат розрахунку конструктивних параметрів систем нагнітання чистого і видалення забрудненого повітря для забезпечення його рівномірності за швидкістю і температурою. Набули залежності зміни втрат тиску, споживаної потужності, зміни температури повітряного потоку й ефективної теплової потужності U-подібного та концентричного ґрунтових теплообмінників від їх конструктивних (довжина, діаметр) і режимних (швидкість нагнітання і температури вхідного повітря) параметрів. Набув подальшого розвитку фізико-математичний апарат процесу тепломасообміну в теплообміннику побічно-випарного типу, що включає диференційні рівняння енергетичного балансу з урахуванням явного та прихованого теплообміну на поверхні стінки вологого та сухого каналів. Наукову новизну одержаних результатів покладено в основу технічних рішень, які захищені патентами України на винахід (№ 127795) і корисну модель (№ 148970 та № 156824). Підприємство ТОВ «Агромаш-Калина» отримало конструкторську та технічну документацію для виготовлення дослідних зразків мехатронної системи забезпечення мікроклімату свинарських приміщень і проведення дослідно-виробничих випробувань. На свиновідгодівельній фермі ПСП «Агрофірма Нападівська» проведено науково-дослідні роботи, результатом яких стали рекомендації щодо налагодження системи мікроклімату та монтажу U-подібного ґрунтового теплообмінника, що дозволило зменшити витрати електроенергії на 17,5 %. У свинарнику ФГ «Літагор» надано методичні рекомендації підвищили ефективність видалення забруднень на 16–18 %. На підприємстві ТОВ «Субекон» встановлення повітряного теплообмінника побічно-випарного типу знизило температуру у приміщенні до нормованих зоотехнічних вимог. Також результати досліджень використовуються у навчально-методичному процесі Вінницького національного аграрного університету при викладанні навчальних дисциплін «Машини та обладнання для тваринництва», «Машини та обладнання і їх використання в тваринництві» здобувачам першого (бакалаврського) рівня вищої освіти за освітньо- професійними програмами «Галузеве машинобудування» та «Агроінженерія». Аналіз сучасних систем забезпечення мікроклімату в свинарських приміщеннях дозволив встановити, що найбільш поширеною на сьогодні є система вентиляції від’ємного тиску. Однак така система має недоліки, пов’язані із забезпеченням локального мікроклімату в зоні перебування тварин. Перспективним напрямком у створенні та підтримані мікроклімату в свинарських приміщеннях є застосування ресурсо- та енергозберігаючих систем охолодження і нагрівання, які базуються на автоматизованих та адаптивних системах керування. Найбільш енергетично ефективними є утилізатори теплоти витяжного повітря з рекуперативним теплообмінником, системи непрямого випарного охолодження на основі термодинамічного циклу Майсоценка (М-цикл) і ґрунтові теплообмінники. За результатами досліджень виробничих умов встановлено, що для свинарського приміщення із системою вентиляції підлогового каналу забезпечується більше свіжого повітря в зоні перебування тварин, ніж стельовою системою вентиляції і системою вентиляції через стінові канали. Запропоновано конструктивно-технологічну схему мехатронної системи забезпечення мікроклімату тваринницьких приміщень. За рахунок встановлення заслінок із сервоприводами є можливість змінювати напрямки руху повітряного потоку для забезпечення функціонування системи у зимовий, літній та міжсезонні періоди року. Додаткове забезпечення витяжними заслінками із сервоприводами у вентиляційній системі видалення забрудненого повітря дозволяє контролювати рух повітря, яке необхідно утилізувати за параметрами його якості. Додаткове облаштування нагнітальними заслінками із сервоприводами у системі нагнітання чистого повітря дозволяє забезпечувати локальний мікроклімат у кожному станку, де утримуються тварини. Встановлення вертикального ґрунтового теплообмінника дозволяє раціонально використовувати теплову енергію ґрунту, як джерела альтернативної енергії. Використання теплообмінника побічно-випарного типу дозволяє не тільки охолоджувати повітря, а й регулювати його вологість. За результатами аналітичних досліджень автоматичної системи видалення забрудненого повітря свинарника розроблено методику розрахунку, на основі якої реалізовано алгоритм, що дозволяє розраховувати площі отворів, які утворюють витяжні заслінки із сервоприводами у патрубках для видалення повітря. Враховуючи конструктивно-технологічні параметри системи видалення забрудненого повітря і розподіл концентрації газів (вуглекислого газу, аміаку і сірководню) над станками, отримано залежність для визначення розподілу швидкостей у патрубках для видалення повітря і діаграму розподілу площі отворів, що утворюють витяжні заслінки із сервоприводами у патрубках для видалення повітря. За результатами аналітичних досліджень втрат тиску системи видалення забрудненого повітря свинарника отримано залежності зміни втрат тиску і потужності, що необхідна для прокачування повітря від ефективного діаметра центрального повітропроводу, витрат повітря у системі, довжини між патрубками і їх кількості. За результатами експериментальних досліджень системи видалення забрудненого повітря встановлено залежності вихідної швидкості потоку повітря, витрат повітря, коефіцієнта зниження швидкості потоку повітря, споживаної вентилятором потужності і умовної площі отвору від вхідної швидкості, кута повороту заслінки і діаметра повітропроводу. Проведено апробацію алгоритму роботи керування заслінками системи видалення забрудненого повітря в залежності від співвідношення концентрацій газів. Визначено залежністьспоживаної вентилятором потужності системи видалення забрудненого повітря, від довжини повітропроводу між модулями і витрат повітря. Встановлено, що співвідношення концентрації газів суттєво не впливає на споживану потужність вентилятора. За результатами аналітичних досліджень параметрів щілини патрубка для нагнітання повітря з умови рівномірного розподілу повітря отримано апроксимоване рівняння для визначення ширини щілини в залежності від висоти патрубка для різних ефективних його діаметрів. Встановлено, що для забезпечення умови рівномірності розподілу чистого повітря системою нагнітання при відкритті усіх нагнітальних заслінок центральний повітропровід повинен мати клиноподібну форму довжиною з постійною висотою, з початковою шириною і кінцевою. За результатами теоретичних досліджень отримано рівняння, яке описує залежність бокового кута клина центрального повітропроводу системи нагнітання чистого повітря і його ширини від відстані між суміжними перерізами, ширини центрального повітропроводу на його початку та кількості патрубків для нагнітання. За результатами аналітичних досліджень втрат тиску системи нагнітання чистого повітря свинарника отримано залежності зміни втрат тиску і потужності, що необхідна для прокачування повітря через неї, від ширини центрального повітропроводу, витрат повітря через систему, довжини між патрубками системи і їх кількості. За результатами експериментальних досліджень системи нагнітання чистого повітря встановлено, що коефіцієнт варіації швидкості повітря є нижчим для нагнітального патрубка з щілиною змінної ширини (0,01–0,02), що підтверджує вірність теоретичного розрахунку. За результатами обробки експериментальних даних отримана залежність споживаної потужності системи нагнітання чистого повітря від витрат повітря. За результатами аналітичних досліджень втрат тиску повітряного теплообмінника побічно-випарного типу отримано залежності втрат тиску і потужності від середньої швидкості повітря в каналах, кількості каналів, їх форми (квадрат, рівносторонній трикутник, коло) та площі поперечного перерізу. Встановлено, що найбільш ефективну форму каналів (за умови еквівалентних площ в аспекті втрат тиску) мають канали з поперечним перерізом у формі кола (втрати менші на 23 %). За результатами чисельного моделювання повітряного теплообмінника побічно-випарного типу в програмному пакеті Simcenter Star-CCM+ визначено розподіл температурного поля, векторного поля швидкостей і абсолютної вологості повітря в каналах різної форми (квадрат, рівносторонній трикутник, коло). Розрахований коефіцієнт температурної ефективності теплообмінника із каналами квадратної форми є найвищим на відміну від трикутної і круглої форм. Для забезпечення рівномірного розподілу температури і швидкості потоку повітря на виході з вологих каналів, згідно умови рівності теплових потоків, отримано зміну діаметрів отворів в пластинах теплообмінника. При цьому температура повітряного потоку у вологих каналах майже вирівнюється, різниця складає 1,3 °С проти 1,9 °С при однакових отворах діаметром 6 мм. За результатами чисельного моделювання і експериментальних досліджень процесу тепломасообміну в теплообміннику побічно-випарного типу отримано залежності температури вихідного первинного повітряного потоку, коефіцієнта теплової ефективності і питомої холодопродуктивності від температури первинного повітря на впуску, його абсолютної вологості, витрат потоку і відношення ширини початкової частини до загальної ширини теплообмінника. За результатами аналітичних досліджень втрат тиску у вертикальних ґрунтових теплообмінниках для двох запропонованих схем (концентричний і U-подібний) встановлено, що потужність U-подібного теплообмінника вища на 0,9–1,7 %. Втрати тиску для обох варіантів ґрунтових вертикальних теплообмінників є майже однаковими. Отримано залежність зміни потужності U-подібного ґрунтового вертикального теплообмінника від його довжини, діаметра і подачі потоку повітря. За результатами чисельного моделювання процесу нагрівання потоку повітря в концентричному і U-подібному вертикальних ґрунтових теплообмінниках отримано розподіл температурного поля у літній і зимовий періоди року. Температура повітряного потоку, що переміщується вздовж труб загальною довжиною 32 м в літній (зимовий) період року зменшується (збільшується) на 7,2 °С (8,1 °С) для концентричного теплообмінника і на 8,5 °С (9,3 °С) для U-подібного теплообмінника. Найнижча (найвища) температура для літнього (зимового) періоду року спостерігається для шляху повітряного потоку 26,75–28,50 м. Встановлено, що теплоізоляція повітропроводу на глибину не менше 3,25 м забезпечить збереження найменшої температури повітряного потоку до виходу з теплообмінника. За результатами чисельного моделювання та експериментальних досліджень отримано рівняння регресії другого порядку, що описують залежності зміни температури повітряного потоку і ефективної теплової потужності ґрунтових теплообмінників від температури вхідного повітря і витрат повітря для кожного варіанту теплообмінників. Враховуючи умову максимізації ефективної теплової потужності ґрунтових теплообмінників визначено раціональні значення витрат повітря для концентричного теплообмінника і для U-подібного теплообмінника. U-подібний вертикальний ґрунтовий теплообмінник на 17–24 % ефективніший, ніж концентричний. Для розробленої адаптивної мехатронної системи забезпечення мікроклімату свинарських приміщень на основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень розроблено алгоритм її функціонування та створено повну чисельну модель свинарника на 16 станків у програмному пакеті Simcenter Star-CCM+. Виконано симуляцію функціонування мехатронної системи впродовж календарного року. Результати симуляції дозволили отримати динаміку температури на кожному етапі проходження повітряного потоку через розроблену систему забезпечення мікроклімату у свинарнику. Встановлено, що температура потоку повітря після проходження через ґрунтовий теплообмінник і теплообмінник побічно-випарного типу наближається до значень зоотехнічних вимог. Процес охолодження повітря до заданої температури (22 °С) відбувається без застосування додаткових систем кондиціонування. Нагрівання повітря до температури 18 °С потребує додаткового використання нагрівальних елементів. Отримано динаміку споживаної потужності системи забезпечення мікроклімату. Річні витрати енергії для розробленої системи забезпечення мікроклімату складають 17528 кВт·год, що в порівнянні із класичною системою (вентиляція із підлоговим каналом і теплообмінником опалювання та кондиціонування споживає 24559 кВт·год) на 28,6 % менше. Економічний розрахунок проведено на базі приміщення для утримання поросят на дорощуванні, в якому розміщено 128 станків (по 25 поросят). Економічна оцінка впровадження розробленої мехатронної системи забезпечення мікроклімату в порівнянні із класичною забезпечує річний економічний ефект у 263798 грн, що становить 82,43 грн/місце. Строк окупності додаткових капіталовкладень становить 1,82 року.

Yaropud V. M. Mechanical and technological bases of the processes of ensuring the microclimate of piggery premises. – Qualifying scientific work on manuscript rights. Dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences in the specialty 05.05.11 – machines and equipment for agricultural production mechanization. Vinnytsia National Agrarian University (Vinnytsia), Ternopil Ivan Puluj National Technical University (Ternopil), Ministry of Education and Science of Ukraine, 2025. The total pig population in Ukraine amounted to 5,608.8 thousand heads (excluding the temporarily occupied territories), of which 49% are kept in the private sector and 51% in agricultural enterprises. 32% of the livestock is concentrated in enterprises with more than 6,000 pigs. The most promising pig housing technology both globally and in Ukraine is the Western system, which involves slatted floors, a zero-grazing system, three-phase rearing, and a forced microclimate. Deviations from optimal microclimate parameters negatively affect the health of pigs and reduce the profitability of farms. Resource- and energy-saving systems are considered promising, yet their optimal parameters are insufficiently covered in the literature. Therefore, the development of mechatronic systems with adaptive ventilation and energy-saving solutions is a relevant issue. Research objective: to improve the efficiency of the technical and technological support for the microclimate control in piggery premises facilities by substantiating the concept and parameters of adaptive mechatronic systems with energy-saving technical solutions. To achieve the stated objective, a scientific hypothesis was formulated, according to which the use of mechatronic systems for microclimate control in piggery premises with an adaptive system for removing polluted air and supplying clean air, as well as energy-efficient indirect evaporative heat exchangers and vertical ground heat exchangers with rationally substantiated parameters will improve the efficiency of existing piggery premises technologies. Research objectives: 1. To analyze modern systems for microclimate control in piggery premises facilities and, based on production conditions, determine their effectiveness using experimental and numerical research methods. 2. To develop a design and technological scheme of an adaptive mechatronic system with energy-saving technical components for ensuring the microclimate in piggery premises. 3. To conduct analytical research on the automatic system for removing polluted air from piggery premises and to develop a methodology and algorithm for its operation. 4. To establish empirical dependencies of the polluted air removal system’s functioning process in piggery premises and to substantiate its rational design and operational parameters. 5. To conduct analytical research on the automatic clean air supply system in piggery premises and to develop a methodology and calculation algorithm. 6. To establish empirical dependencies of the clean air supply system’s functioning process and to justify its rational design and operational parameters. 7. To carry out analytical research on the indirect evaporative air heat exchanger and to justify its optimal design parameters. 8. To perform numerical modeling and experimental studies of the heat and mass transfer processes in the indirect evaporative heat exchanger and to identify the characteristic regularities of its operation. 9. To conduct analytical research on vertical ground heat exchangers and to substantiate their rational design and technological parameters. 10. To perform numerical modeling and experimental studies of the heat and mass transfer processes in vertical ground heat exchangers and to determine the characteristic regularities of their functioning. 11. To develop an engineering calculation methodology for the mechatronic microclimate control system in piggery premises and to assess the technical and economic efficiency of applying the research results. Object of the research: the technological process of ensuring the standard- compliant microclimate in piggery premises facilities. Subject of the research: the patterns and conditions for maintaining a normative microclimate in piggery premises through adaptive mechatronic systems with energy-saving technical solutions. Theoretical research was based on numerical modeling methods using the fundamental principles of classical mechanics, gas dynamics, probability theory, multiphase interaction models, and Lagrangian multiphase flow analysis. Experimental studies were conducted using the mathematical method of experimental design, field observations, and expert evaluation methods. Processing and analysis of experimental results were performed using probability theory and correlation- regression analysis. Modeling and data processing were carried out using the software packages Simcenter Star-CCM+ (licensed to the State Dnipro Agrarian and Economic University under a cooperation agreement), Wolfram Cloud (open access), and Microsoft Excel (licensed to Vinnytsia National Agrarian University). Based on a systems approach, an algorithm for the operation of a mechatronic system for maintaining a normative microclimate in piggery premises facilities was developed. This algorithm enables control over the direction of airflow, its velocity, temperature, humidity, and contamination level within the animal zone, depending on the ambient air temperature and humidity during winter, summer, and transitional seasons. The dependencies were established and an algorithm was developed for the operation of the automatic polluted air removal system, which allows calculating the area of the openings forming the exhaust dampers based on the degree of air pollution and the uniformity of airflow velocity distribution across the facility space. The performance dependencies of the indirect evaporative heat exchanger were determined, including the outlet temperature of the primary air stream, the thermal efficiency coefficient, and the specific cooling capacity. These parameters were found to depend on the geometric shape of the exchanger’s channels, design parameters (such as the ratio of the initial section width to the total exchanger width and the diameters of the transition openings from wet to working channels), and operating conditions (such as inlet air temperature, humidity, and velocity). The dependencies of pollutant removal efficiency (CO₂, NH₃, H₂S) and heat extraction on the season (summer, winter, transitional) for various ventilation systems in piggery premises using floor, ceiling, and wall channels have been further developed. The physical and mathematical framework for calculating the design parameters of systems for supplying clean air and removing polluted air ensuring uniformity in airflow velocity and temperature has been improved. The dependencies of pressure loss, power consumption, air temperature variation, and effective thermal output in U-shaped and concentric ground heat exchangers on their design (length, diameter) and operating (air supply velocity and inlet temperature) parameters have been established. The physical and mathematical model of heat and mass transfer in the indirect evaporative heat exchanger has been further developed, incorporating differential equations of energy balance that account for both sensible and latent heat exchange at the wall surfaces of wet and dry channels. The scientific novelty of the obtained results has been used as the basis for technical solutions protected by patents of Ukraine for invention (№ 127795) and utility model (№ 148970 та № 156824). The company Agromash-Kalyna LLC received design and technical documentation for the production of prototype mechatronic systems for microclimate control in piggery premises facilities and for conducting pilot-industrial testing. At the pig fattening farm of Napadivska Agrofirm PE, research and development work was carried out, resulting in recommendations for the adjustment of the microclimate control system and installation of a U-shaped ground heat exchanger, which led to a 17.5% reduction in electricity consumption. At the piggery premises facility of Litahor Farm, methodological guidelines were provided, improving pollutant removal efficiency by 16–18%. At Subekon LLC, the installation of an indirect evaporative air heat exchanger reduced the indoor temperature to meet standardized zootechnical requirements. The research results are also being integrated into the educational process at Vinnytsia national agrarian university in the teaching of academic disciplines such as «Machinery and equipment for animal husbandry» and «Machinery and equipment and their use in animal husbandry» for first-level (bachelor’s) students of the educational and professional programs «Industrial machinery engineering» and «Agroengineering». An analysis of current microclimate control systems in piggery premises revealed that the most widely used solution is negative pressure ventilation. However, this system has drawbacks in maintaining local microclimate conditions within the animal zone. A promising direction for the creation and maintenance of optimal microclimates in pig facilities is the use of resource- and energy-saving cooling and heating systems based on automated and adaptive control technologies. The most energy-efficient solutions include exhaust air heat recovery units with recuperative heat exchangers, indirect evaporative cooling systems based on the Maisotsenko thermodynamic cycle (M-cycle), and ground heat exchangers. Research on production conditions has shown that floor-duct ventilation systems provide a higher supply of fresh air to the animal zone compared to ceiling- based and wall-duct ventilation systems. A design and technological scheme of a mechatronic system for maintaining the microclimate in livestock facilities has been proposed. The installation of dampers with servomotors enables adjustment of airflow directions to ensure system operation during winter, summer, and transitional seasons. The integration of exhaust dampers with servomotors in the polluted air removal system allows control over the movement of air requiring disposal based on its quality parameters. Additionally, the installation of supply dampers with servomotors in the clean air delivery system makes it possible to create a localized microclimate in each pen where animals are premises. The implementation of a vertical ground heat exchanger allows for the rational use of soil thermal energy as a source of alternative energy. The use of an indirect evaporative heat exchanger enables not only air cooling but also humidity regulation. Based on analytical studies of the automatic polluted air removal system in piggery premises, a calculation method was developed, which served as the basis for an algorithm that allows for the determination of opening areas formed by exhaust dampers with servomotors in the air outlet ducts. Considering the design and technological parameters of the polluted air removal system and the gas concentration distribution (carbon dioxide, ammonia, and hydrogen sulfide) above the pens, a dependency was obtained for determining the airflow velocity distribution in the outlet ducts, along with a diagram of the damper opening areas in the respective outlet ducts. As a result of analytical research on pressure losses in the polluted air removal system, dependencies were established showing how pressure losses and the required power for air pumping vary depending on the effective diameter of the central air duct, airflow rates in the system, the length between outlet ducts, and their number. Based on the results of experimental studies of the polluted air removal system, dependencies were established for the outlet air velocity, airflow rate, airflow velocity reduction coefficient, fan power consumption, and equivalent opening area as functions of the inlet air velocity, damper rotation angle, and air duct diameter. The control algorithm for the damper operation in the polluted air removal system was tested, depending on the ratio of gas concentrations. It was determined that the fan power consumption in the polluted air removal system depends on the length of the air duct between modules and the airflow rate, while the gas concentration ratio has no significant effect on fan power consumption. Analytical research on the parameters of the outlet slit for clean air supply led to the derivation of an approximated equation for determining the slit width as a function of duct height for different effective diameters. It was found that, in order to ensure uniform distribution of clean air by the supply system when all dampers are open, the central air duct must have a wedge-shaped profile with constant height, an initial width, and a final width. Theoretical studies yielded an equation describing the relationship between the side angle of the wedge in the central air duct of the clean air supply system and its initial width, based on the distance between adjacent sections, the width of the duct at its inlet, and the number of outlet branches. As a result of analytical research on pressure losses in the clean air supply system of the pig premises, dependencies were obtained showing how pressure loss and the power required for air pumping vary depending on the width of the central air duct, the airflow rate through the system, the distance between outlet branches, and their number. Based on the results of experimental studies of the clean air supply system, it was established that the air velocity variation coefficient is lower for a supply duct with a variable-width slit (0.01–0.02), confirming the validity of the theoretical calculation. Data processing of the experimental results yielded a dependency of the system’s power consumption on the airflow rate. Analytical studies of pressure losses in the indirect evaporative air heat exchanger revealed dependencies of pressure losses and power consumption on the average air velocity in the channels, the number of channels, their cross-sectional shape (square, equilateral triangle, circle), and the cross-sectional area. It was found that circular channels are the most efficient in terms of pressure loss (with losses 23% lower compared to other shapes with equivalent cross- sectional areas). Numerical modeling of the indirect evaporative air heat exchanger in Simcenter Star-CCM⁺ revealed the distribution of temperature fields, velocity vector fields, and absolute humidity in channels of various shapes (square, equilateral triangle, circle). The temperature efficiency coefficient of the heat exchanger with square-shaped channels was found to be the highest, compared to those with triangular and circular shapes. To ensure uniform temperature and velocity distribution of the airflow at the outlet of the wet channels (under the condition of equal heat fluxes), the diameters of the orifices in the exchanger plates were varied. As a result, temperature uniformity in the wet channels was significantly improved: the temperature difference decreased to 1.3 °C compared to 1.9 °C for uniformly sized orifices of 6 mm in diameter. Based on the results of numerical modeling and experimental studies of the heat and mass transfer process in the indirect evaporative heat exchanger, dependencies were obtained for the outlet temperature of the primary air stream, the thermal efficiency coefficient, and the specific cooling capacity, depending on the inlet air temperature, absolute humidity, airflow rate, and the ratio of the initial section width to the total width of the heat exchanger. Based on analytical studies of pressure losses in vertical ground heat exchangers for two proposed configurations (concentric and U-shaped), it was established that the thermal power of the U-shaped heat exchanger is 0.9–1.7% higher. Pressure losses for both types of vertical ground heat exchangers were found to be nearly identical. A dependency was obtained showing how the power output of the U-shaped vertical ground heat exchanger varies with its length, diameter, and airflow rate. Numerical modeling of the airflow heating process in both concentric and U-shaped vertical ground heat exchangers provided temperature field distributions for summer and winter periods. The temperature of the airflow traveling along pipes with a total length of 32 meters changed by –7.2 °C in summer and +8.1 °C in winter for the concentric exchanger, and by –8.5 °C in summer and +9.3 °C in winter for the U-shaped exchanger. The lowest (in summer) and highest (in winter) air temperatures were observed along the 26.75–28.50 m section of the air path. It was determined that thermal insulation of the air duct to a depth of no less than 3.25 meters is required to maintain the lowest air temperature before it exits the heat exchanger. Based on numerical modeling and experimental investigations, second-order regression equations were derived to describe the relationships between air temperature variation, effective thermal output, inlet air temperature, and airflow rate for each heat exchanger configuration. Considering the condition of maximizing thermal performance, rational airflow rates were determined for both the concentric and U-shaped heat exchangers. The U-shaped vertical ground heat exchanger was found to be 17–24% more efficient than the concentric design. For the developed adaptive mechatronic system for microclimate control in piggery premises, based on theoretical and experimental studies, an operational algorithm was created and a full numerical model of a pigsty with 16 pens was constructed using the Simcenter Star-CCM+ software package. A year-round simulation of the system’s operation was performed. The simulation results provided the temperature dynamics at each stage of airflow passage through the microclimate control system inside the pigsty. It was found that the air temperature after passing through the ground heat exchanger and the indirect evaporative heat exchanger approaches the values required by zootechnical standards. Air cooling to the target temperature of 22 °C occurs without the use of additional air conditioning systems. However, heating the air to 18 °C requires the use of supplementary heating elements. The dynamic power consumption of the microclimate control system was obtained. The annual energy consumption of the developed system is 17,528 kWh, which is 28.6% lower compared to a conventional system (which includes floor-duct ventilation and a heating and cooling heat exchanger, consuming 24,559 kWh). The economic analysis was conducted based on a piglet rearing facility with 128 pens (25 piglets per pen). The economic efficiency of implementing the developed mechatronic microclimate control system, compared to the conventional system, provides an annual savings of 263,798 UAH, which corresponds to 82.43 UAH per piglet place. The payback period for the additional capital investment is 1.82 years.