冬季北方哺乳母豬舍建筑與暖通設(shè)計(jì)

王晨光，陳昭輝，王美芝，孫亞男，劉繼軍

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院，北京 100193；2.動(dòng)物營養(yǎng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193)

豬的生長受外界環(huán)境因素的影響巨大，因此，豬舍環(huán)境的控制和管理水平直接決定了豬的生產(chǎn)力高低[1]。新生仔豬維持正常體溫的能力弱于帶毛或褐色脂肪組織的哺乳動(dòng)物[2]，出生后體溫降低較快，這容易導(dǎo)致仔豬餓死或被母豬壓死(占仔豬死亡率的50%～80%)[3]，所以在哺乳母豬舍增設(shè)供暖設(shè)備并提高外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能對(duì)于改善畜舍溫度具有重要意義。本研究室根據(jù)河北省豐寧壩下地區(qū)的冬季環(huán)境設(shè)計(jì)一座萬頭豬場，現(xiàn)針對(duì)哺乳母豬舍，擬通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)，系統(tǒng)熱負(fù)荷，畜舍通風(fēng)量的理論計(jì)算來確定其建筑與暖通設(shè)計(jì)的方案。

1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造方案

河北省豐寧豬場規(guī)模為年出欄一萬頭，仔豬哺乳期為28 d，擬建一棟哺乳母豬舍，分成6個(gè)單元。哺乳母豬舍東南朝向，有窗式豬舍，長度60 m，跨度27 m，屋檐和鋁合金板吊頂高2.6 m；雙坡屋面，坡度1/10，材料選用120 mm金屬面EPS夾芯板；內(nèi)外墻體分別為“二四墻”和“三七墻”；兩側(cè)車間各裝有9扇1.5 m×1.5 m雙層玻璃塑鋼推拉窗；大門采用4 m×2.2 m實(shí)木推拉門。畜舍結(jié)構(gòu)如圖1、2、3。舍內(nèi)每單元長度27.00 m，跨度8.00 m，3個(gè)單元為一組，共分兩組，中間設(shè)6 m寬走廊，用于管理及預(yù)熱進(jìn)入舍內(nèi)空氣；前部設(shè)飼料間和洗豬間。

1.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)K

K=1/[Xn+∑(δ/λ)+1/XW]

(1)

式中：Xn、Xw為圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)、外表面換熱系數(shù)，冬季墻體分別取8.7和23W/(m2·K)[4]；δ為材料厚度(m)；λ為材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

KD=1/[F2/(K1×F1)+1/K2]

(2)

式中：KD為屋頂、吊頂?shù)目倐鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；F1、F2為坡屋頂、吊頂?shù)拿娣e(m2)；K1、K2為坡屋頂、吊頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)。

1.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能分析

根據(jù)《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》可知豐寧屬于嚴(yán)寒(C)區(qū)，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)限值[5]如表1。對(duì)比表1中數(shù)值，發(fā)現(xiàn)內(nèi)墻、外窗和屋面的傳熱系數(shù)符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但是外墻和各單元門的傳熱系數(shù)與參數(shù)限值相差較大，理論上外墻需增加80 mm厚保溫板才能滿足需求。

哺乳母豬舍集約化養(yǎng)殖密度高，這導(dǎo)致了舍內(nèi)豬體散熱量很大(根據(jù)3.4計(jì)算，豬體散熱量遠(yuǎn)大于墻體和大門的耗熱量)，而《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的各項(xiàng)參數(shù)都是不考慮建筑內(nèi)活體散熱的；豬舍跨度較大，各單元并列設(shè)計(jì)，有利于提高畜舍保溫性能。綜合考慮以上兩個(gè)因素，可以認(rèn)為本方案的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能設(shè)計(jì)就哺乳母豬舍而言是可行的。

圖1 哺乳母豬舍平面圖Fig.1 The floor plan for lactation sows' house

圖2 哺乳母豬舍剖面圖Fig.2 The section plan for lactation sows' house

圖3 哺乳母豬舍立面圖Fig.3 The elevation for lactation sows' house

表1 嚴(yán)寒(C)區(qū) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)K對(duì)比Table 1 Comparison of heat transfer coefficient for the building envelope severe cold region(C) W/(m2·K)

2 畜舍通風(fēng)方案

本設(shè)計(jì)的萬頭豬場為試驗(yàn)豬場，豬舍內(nèi)部環(huán)境指標(biāo)要求嚴(yán)格，采用全機(jī)械負(fù)壓通風(fēng)系統(tǒng)可以較好的改善室內(nèi)空氣環(huán)境，但是其單一的通風(fēng)形式不能很好的控制舍內(nèi)溫濕度狀況，針對(duì)本地區(qū)冬季的嚴(yán)寒條件，在哺乳母豬舍采用全機(jī)械負(fù)壓通風(fēng)結(jié)合環(huán)境自動(dòng)化控制系統(tǒng)的形式以達(dá)到通風(fēng)與控溫的作用。

2.1 通風(fēng)走向

豐寧壩下地區(qū)，冬季室外平均溫度達(dá)到-17 ℃，室外空氣不能直接用于畜舍的通風(fēng)調(diào)節(jié)，所以在畜舍內(nèi)增設(shè)6 m寬的走廊，并在走廊安裝兩臺(tái)6 000 W風(fēng)機(jī)盤管用于預(yù)熱舍內(nèi)的空氣；然后在每個(gè)單元靠近走廊的窗亮子上開設(shè)4個(gè)進(jìn)風(fēng)口(圖4中A)，使預(yù)熱好的新鮮空氣進(jìn)入每個(gè)單元，調(diào)節(jié)環(huán)境。

圖4 進(jìn)風(fēng)口示意圖Fig.4 Schematic diagram of air inlet

2.2 通風(fēng)量L

L=0.35(n1·m1+n2·m2)

(3)

式中：0.35為冬季哺乳母豬與仔豬換氣量參數(shù)[6]，m3/(h·kg) ；n1、n2為母豬與仔豬數(shù)量；m1、m2為母豬與仔豬體重，取180 kg和5 kg。計(jì)算結(jié)果見3.7部分。

3 低溫?zé)崴┡到y(tǒng)方案

低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)(簡稱低溫?zé)崴┡到y(tǒng))與其它供暖系統(tǒng)相比，具有高效節(jié)能、舒適衛(wèi)生、熱穩(wěn)定性好、節(jié)省占地面積和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)[7-8]。低溫?zé)崴┡到y(tǒng)應(yīng)用到哺乳母豬舍，不僅可以對(duì)舍內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)充供暖，更重要的是可以使仔豬活動(dòng)區(qū)域地板溫度維持在一定水平，利于仔豬的生長。本方案低溫?zé)崴┡到y(tǒng)傳熱管敷設(shè)方式為蛇形，地板結(jié)構(gòu)層從上到下為：20 mm厚1∶2.5水泥砂漿、水泥基防水涂料、60 mm厚C15豆石混凝土填充層、18號(hào)鍍鋅低碳鋼絲網(wǎng)與20 mm安固PB管固定、0.2 mm厚真空鍍鋁聚酯薄膜面層、40 mm厚聚苯乙烯泡沫板保溫層、水泥基防水涂料、20 mm厚1∶3水泥砂漿找平、60 mm厚C15混凝土墊層、素土夯實(shí)。

圖5 傳熱管敷設(shè)圖Fig. 5 Layout of heat transfer tube

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本耗熱量

Q1=αFK(tn-tw)

(4)

式中：α為溫度修正系數(shù)[4]；F為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積(m2)；K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；tn為采暖室內(nèi)計(jì)算溫度，分娩哺乳舍取22 ℃；tw為采暖室外計(jì)算溫度，豐寧縣取-17 ℃[4]。

3.2 冷風(fēng)滲透耗熱量

Q2=[0.28cpρwnL(tn-tf)]/3600

(5)

式中：cp為空氣的定壓比熱容，1 000 J/(kg·℃)；ρwn為冷風(fēng)的空氣密度(kg/m3)；tf為進(jìn)風(fēng)口冷空氣溫度(℃)；L為豬舍冬季通風(fēng)量(m3/h)。

3.3 水汽蓄熱量

Q3=(V×d×ΔRH×cp×Δt)/T

(6)

式中：V為畜舍體積(m3)；d為一定溫度下飽和水汽密度(kg/m3)；ΔRH為相對(duì)濕度差(%)；cp為水的定壓比熱，4 180 J/(kg·℃)；Δt為水汽與自來水溫度的差值(℃)；T為畜舍換氣時(shí)間(s)。

3.4 豬自身散熱量

Q4=n1×m1×q1+n2×m2×q2

(7)

式中：n1、n2為母豬與仔豬數(shù)量，每欄8頭仔豬；m1、m2為母豬與仔豬體重，取180 kg和5 kg；q1、q2為母豬與仔豬的散熱量(W/kg)[9]。

3.5 系統(tǒng)總熱負(fù)荷

QA=0.95(Q1+Q2+Q3-Q4)

(8)

式中：0.95為嚴(yán)寒地區(qū)取常規(guī)對(duì)流式供暖方式計(jì)算供暖熱負(fù)荷的 95%[10]。

3.6 地板溫度

td=tn+9(q1/100)0.909

式中：tn為室內(nèi)溫度(℃)；q1為單位地板面積有效散熱量(W/m2)。

3.7 暖通參數(shù)理論計(jì)算值

依據(jù)以上方案和公式計(jì)算得出：畜舍冬季通風(fēng)量(L)2002 m3/h，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量(Q1)7629.89 W，冷風(fēng)滲透耗熱量(Q2)5383.12 W，水汽蓄熱量(Q3)154.15 W，豬自身散熱量(Q4)7633.60 W，系統(tǒng)總熱負(fù)荷(QA)5256.88 W，走廊溫度-4.35 ℃。

本方案只討論哺乳母豬舍兩側(cè)帶窗的單元在有豬情況下的供暖熱負(fù)荷(只要兩側(cè)單元符合供暖需求，中間兩單元也一定滿足需求)。

4 供暖與通風(fēng)調(diào)節(jié)

從3.7計(jì)算結(jié)果中可知每單元熱負(fù)荷為5256.88 W，進(jìn)一步推算得單位地板面積所需有效散熱量(q1)為51.06 W/m2，按照《低溫?zé)崴匕遢椛涔┡瘧?yīng)用技術(shù)規(guī)程》[10]的要求，本設(shè)計(jì)所求地板散熱量(q1)可在表3中找出相應(yīng)結(jié)果，用以確定平均水溫、室溫和供暖管間距的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。分娩哺乳舍室溫定為22 ℃，當(dāng)平均水溫為35 ℃，供熱管間距為300 mm時(shí)，地板散熱量為53 W/m2，大于計(jì)算值51.06 W/m2，因此可以認(rèn)為在通風(fēng)量L為2002 m3/h，圍護(hù)結(jié)構(gòu)符合上述設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，低溫?zé)崴到y(tǒng)采用平均水溫35 ℃(進(jìn)回水溫差10 ℃)[10]，布管間距300 mm的設(shè)計(jì)形式，能保證室內(nèi)溫度維持在22 ℃，此時(shí)根據(jù)3.6計(jì)算得地板溫度 為27.05 ℃。

表3 不同條件下地板有效散熱量Table 3 The floor effective heat dissipation under different conditions W/m2

上述分析是按室外計(jì)算溫度為-17 ℃進(jìn)行的，但根據(jù)中國天氣網(wǎng)的數(shù)據(jù)顯示豐寧壩下地區(qū)1月份日平均溫度浮動(dòng)于-3.0 ℃～ -17.5 ℃之間，白天的溫度明顯高于室外計(jì)算溫度，所以需要加大通風(fēng)量來調(diào)節(jié)室溫。用日平均溫度最大值-3 ℃代替室外計(jì)算溫度-17 ℃，低溫?zé)崴┡到y(tǒng)保持平均水溫35 ℃(進(jìn)回水溫差10 ℃)，布管間距300 mm不變，重新進(jìn)行分析，得到新的通風(fēng)量L為4 315 m3/h，此時(shí)室內(nèi)溫度可以維持在22 ℃。

本方案最終采用35 ℃平均水溫，進(jìn)回水溫差10 ℃，300 mm布管間距來設(shè)計(jì)低溫?zé)崴┡到y(tǒng)(在實(shí)際建造中，由于施工、材料質(zhì)量等條件限值，不一定達(dá)到本文所分析的圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱性能要求，使得低溫?zé)崴┡到y(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的供水溫度能達(dá)到40～60 ℃，所以供回水平均溫度可根據(jù)建成后實(shí)際狀況進(jìn)行調(diào)節(jié))；溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)白天通風(fēng)量設(shè)置為4 000 m3/h，夜間通風(fēng)量設(shè)置為2 000 m3/h，這樣就可以有效的保證室內(nèi)通風(fēng)與控溫的平衡。

5 結(jié) 論

本研究設(shè)計(jì)的哺乳母豬舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)中低溫?zé)崴┡到y(tǒng)采用35 ℃平均水溫，進(jìn)回水溫差10 ℃，300 mm布管間距來設(shè)計(jì)，不僅能對(duì)哺乳母豬舍補(bǔ)充供暖，維持室內(nèi)溫度在22 ℃以上；更重要的是使仔豬活動(dòng)區(qū)域地板溫度達(dá)到了27.05 ℃，這能很好的保護(hù)新生仔豬的生長。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造和低溫?zé)崴┡到y(tǒng)采用本文設(shè)計(jì)方案的前提下，環(huán)境自動(dòng)化控制系統(tǒng)的通風(fēng)量，白天設(shè)置為4 000 m3/h，夜間設(shè)置為2 000 m3/h，可以滿足冬季豬舍通風(fēng)量要求并保證室內(nèi)溫度維持在22 ℃以上。

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