不同節(jié)能改造方式豬舍的供暖能耗和經(jīng)濟(jì)性比較

王美芝，薛曉柳，劉繼軍，易 路，陳昭輝，吳中紅

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不同節(jié)能改造方式豬舍的供暖能耗和經(jīng)濟(jì)性比較

王美芝1,2，薛曉柳1，劉繼軍1,2，易 路1，陳昭輝1,2，吳中紅1,2※

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，北京 100193； 2. 動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

為降低豬舍冬季供暖能耗，以12頭母豬的分娩豬舍常見(jiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，理論與試驗(yàn)相結(jié)合分析了不同節(jié)能改造方式的供暖能耗和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。結(jié)果表明：未保溫豬舍、外墻保溫豬舍、外墻天棚保溫門窗進(jìn)風(fēng)豬舍和外墻天棚保溫天棚進(jìn)風(fēng)豬舍1個(gè)供暖季總能耗分別為118.2、45.2、35.3和0.2 kW·h/m2。4種豬舍不需要供暖的時(shí)長(zhǎng)占供暖期總時(shí)長(zhǎng)的比例分別為10%、28%、33%和96%。外墻保溫豬舍與未保溫豬舍相比、外墻天棚保溫門窗進(jìn)風(fēng)豬舍與外墻保溫豬舍相比、外墻天棚保溫天棚進(jìn)風(fēng)豬舍與外墻天棚保溫門窗進(jìn)風(fēng)豬舍相比、外墻天棚保溫天棚進(jìn)風(fēng)豬舍與外墻保溫豬舍相比，節(jié)約的單位能耗的改造成本分別為1.2、40.4、0.2和9.0 Yuan/(kW·h)。以節(jié)約單位能耗所需投資最小目標(biāo)選擇豬舍節(jié)能改造方式，以墻體保溫節(jié)能改造最好；以豬舍總能耗最低為目標(biāo)，則豬舍墻體和天棚均需節(jié)能改造并進(jìn)行天棚預(yù)熱新風(fēng)通風(fēng)。

保溫；設(shè)施；通風(fēng)；圍護(hù)結(jié)構(gòu)；豬舍；節(jié)能改造；供暖能耗；成本

0 引 言

在全球建筑節(jié)能及節(jié)能改造研究方面，歐盟制定了到2030年能源利用效率較目前標(biāo)準(zhǔn)提高至少27%以上的節(jié)能目標(biāo)[1]。歐盟約75%的建筑物不節(jié)能，建筑物每年節(jié)能改造大約0.4%～1.2%。既有建筑節(jié)能改造將降低歐盟總能耗5%～6%[2]。雖然瑞典電能和建筑物供暖能源主要來(lái)源于清潔能源和核能源，建筑物CO2排放量?jī)H占全國(guó)排放量的15%[3]，其仍針對(duì)既有居住建筑進(jìn)行了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能改造和熱回收通風(fēng)改造措施對(duì)節(jié)能的影響研究[4]。奧地利研究人員對(duì)建筑物的高效節(jié)能方法進(jìn)行了研究，認(rèn)為國(guó)家政策應(yīng)傾向于對(duì)高耗能建筑進(jìn)行節(jié)能改造而不是進(jìn)行供暖補(bǔ)貼，并且節(jié)能改造應(yīng)朝向近零能耗改造[5]。奧地利、捷克、丹麥、葡萄牙、西班牙和瑞典研究人員對(duì)最經(jīng)濟(jì)和最節(jié)能的既有建筑物改造方法進(jìn)行了研究[6]。芬蘭研究人員研究了磚砌建筑物不同的節(jié)能改造方式對(duì)節(jié)能效益和改造成本的影響[7]和寒冷地區(qū)教育建筑最經(jīng)濟(jì)的節(jié)能改造措施[8]。葡萄牙研究人員認(rèn)為將既有建筑物改造為近零能耗建筑經(jīng)濟(jì)有效的措施是成本最佳的能效水平[9]。法國(guó)研究了降低房屋能耗改造方案的選擇方法[10]。丹麥建筑物供暖能耗通過(guò)供暖系統(tǒng)效率改進(jìn)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的改進(jìn)平均可以節(jié)能50%[11]。在中國(guó)人類居住建筑節(jié)能方面，中國(guó)制定了《既有居住建筑節(jié)能改造指南》[12]和《既有居住建筑節(jié)能改造技術(shù)規(guī)程》[13]。城鎮(zhèn)新建建筑執(zhí)行節(jié)能強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)比例基本達(dá)到100%，節(jié)能建筑占城鎮(zhèn)民用建筑面積比重超過(guò)40%。北京、天津、河北、山東、新疆等地開(kāi)始在城鎮(zhèn)新建居住建筑中實(shí)施節(jié)能75%強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，其目標(biāo)為：到2020年，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)及重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域農(nóng)村建筑采用節(jié)能措施比例超過(guò)10%[14]。

在國(guó)內(nèi)外豬場(chǎng)建筑節(jié)能方面，近幾年新建的大規(guī)模豬場(chǎng)多采用節(jié)能豬舍，在冬季豬舍通風(fēng)的組織上也有一定的節(jié)能模式，比如利用熱回收通風(fēng)設(shè)備[15]和對(duì)豬舍配設(shè)附加陽(yáng)光間和地道通風(fēng)[16]。而大多數(shù)規(guī)模較小的既有豬場(chǎng)多采用保溫性能較差的磚墻結(jié)構(gòu)，并且豬舍內(nèi)未設(shè)保溫天棚，冬季通風(fēng)采用門窗縫隙自然通風(fēng)。這類豬舍在僅做外墻保溫和屋頂保溫的情況下，具有提高豬舍舍內(nèi)溫度的作用[17]。在豬舍保溫節(jié)能構(gòu)造要求中，美國(guó)MWPS對(duì)豬舍的保溫性能指標(biāo)提出了要求[18]。保溫天棚滲透通風(fēng)系統(tǒng)在加拿大寒冷地區(qū)的畜舍得以應(yīng)用[19]，在丹麥豬舍也采用了天棚滲透通風(fēng)系統(tǒng)[20]。但是該天棚的多孔材料多為木質(zhì)，不符合中國(guó)防火規(guī)范要求[21]。同世界上其他國(guó)家一樣，中國(guó)的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)一般針對(duì)新建建筑物，而既有建筑一般需要通過(guò)節(jié)能改造達(dá)到節(jié)能目標(biāo)[11]?！毒┙蚣郊爸苓叺貐^(qū)2017年大氣污染防治工作方案》將北京市、天津市等“2+26”城市列為冬季清潔取暖首批實(shí)施范圍，這些地區(qū)豬場(chǎng)也需禁煤供暖，煤改電或者煤改氣都將帶來(lái)冬季供暖運(yùn)行費(fèi)用的提高。為減少供暖運(yùn)行費(fèi)用，降低豬舍供暖能耗是前提。豬舍供暖能耗在舍內(nèi)溫度一定、舍外氣象因素和供暖時(shí)間確定、豬舍內(nèi)豬只顯熱散熱量一定的情況下，降低供暖能耗一方面需要從提高建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能進(jìn)而降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量，另一方面需要降低通風(fēng)能耗。中國(guó)和其他國(guó)家民用建筑物中高能耗既有建筑所占比例均較大，中國(guó)北方既有豬場(chǎng)高能耗豬舍建筑面積同樣占較大比例，無(wú)論從降低能耗還是改善空氣質(zhì)量需要，北方地區(qū)需要供暖的豬舍均需進(jìn)行節(jié)能改造并尋找經(jīng)濟(jì)可行、節(jié)能顯著的方案。

本文通過(guò)對(duì)北京市既有規(guī)模化豬場(chǎng)常見(jiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的豬舍進(jìn)行不同節(jié)能改造，分析其能耗和投資回收期，為北方供暖地區(qū)既有供暖豬舍改造方案提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)豬舍基本情況

選擇北京房山區(qū)某豬場(chǎng)（300頭基礎(chǔ)母豬規(guī)模）的分娩豬舍作為試驗(yàn)豬舍，豬舍南北朝向，長(zhǎng)、寬分別為15.48 m和7.56 m（墻體內(nèi)邊線尺寸），屋頂為雙坡屋頂，屋頂材料為100 mm厚彩鋼夾芯板。南墻有4個(gè)窗戶（1.3 m高×1.5 m寬），北墻有4個(gè)窗戶（1.2 m高×1.0 m寬），窗戶材料為單層塑鋼窗，其中1個(gè)窗戶位置安裝1臺(tái)風(fēng)機(jī)（安裝尺寸同窗戶，冬季風(fēng)機(jī)外側(cè)百葉封閉，內(nèi)側(cè)用90 mm厚擠塑板封閉），無(wú)天棚。墻體材料為240 mm厚磚墻。冬季，單層塑鋼窗外側(cè)封閉一層塑料膜。豬舍內(nèi)2列產(chǎn)欄3列走道，每列6個(gè)欄，共12個(gè)產(chǎn)欄。人工飼喂、人工清糞。檐口高度為2.38 m，屋脊最高處高度為3.64 m。西側(cè)墻體有1個(gè)1.06 m寬×1.95 m高的單層木門。豬舍建筑面積為128.32 m2。

1.2 試驗(yàn)豬舍耗熱量計(jì)算

1.2.1 總耗熱量計(jì)算

豬舍總耗熱量指標(biāo)的計(jì)算公式[22]為

式中q為豬舍總耗熱量指標(biāo)，W/m2；0為豬舍建筑面積，m2；HT為單位時(shí)間通過(guò)建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫差傳熱量，W；Q為單位時(shí)間通風(fēng)耗熱量，W；IH為折合到單位建筑面積上單位時(shí)間建筑物內(nèi)部得熱量，在此主要計(jì)算畜體散熱量（IH為畜體總顯熱散熱量，W，IH=IH×0），W；TY為單位時(shí)間通過(guò)建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)透明部分的太陽(yáng)輻射得熱量，W；Q為豬舍總耗熱量，W，即H=H×0，則

Q=HT?QTY+Q?IH（2）

1.2.2 豬舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量

豬舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量計(jì)算公式[22]為

式中為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的修正系數(shù)；K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；F為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱面積，m2；δ為溫差修正系數(shù)，本文全部取值為1[22]；t為冬季供暖室內(nèi)計(jì)算溫度，℃（為減少供暖能耗，分娩豬舍室內(nèi)溫度取18 ℃[23]）；t為冬季供暖舍外計(jì)算溫度，供暖期平均舍外計(jì)算溫度取值為0.1 ℃[24]。計(jì)算時(shí)各種圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)取值如表1[17,22]。對(duì)于有天棚的坡屋頂，當(dāng)用天棚面積計(jì)算其傳熱量時(shí)，屋面和天棚的綜合傳熱系數(shù)按照公式（4）計(jì)算[24]。

式中1，2分別為天棚屋面的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；為屋面與天棚間的夾角，(°)；在豬舍耗熱量的計(jì)算中，單層塑鋼窗外側(cè)封閉1層塑料膜之后的傳熱系數(shù)按照塑料膜為6.0 W/(m2·K)和單層塑鋼窗傳熱系數(shù)為4.7 W/(m2·K)[17]，并利用《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50176-2016中建筑熱工基本計(jì)算方法計(jì)算后為2.6 W/(m2·K)，見(jiàn)表1。

表1 分娩豬舍未保溫改造時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

注：d1，d2分別為周邊地帶和非周邊地帶。周邊地帶：距離外墻內(nèi)表面2 m以內(nèi)的地面；非周邊地帶：地面的其他部分。

Note: d1, d2 are ground within 2 m distance of inner surface of the exterior walls and the other ground except the former, respectively.

1.2.3 豬舍太陽(yáng)輻射得熱量計(jì)算

豬舍太陽(yáng)輻射得熱量計(jì)算公式[22]為

式中TYi為建筑物外窗透明部分供暖期太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，W/m2，北京市供暖期平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度南向和北向分別為120.0和33.0 W/m2，計(jì)算供暖期逐時(shí)太陽(yáng)輻射得熱量時(shí)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度取典型氣象年逐時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度值[25]；為外窗綜合遮陽(yáng)系數(shù)，取0.69[26]。ci為外窗面積，本文中南向和北向外窗面積分別為7.81和4.68 m2。

1.2.4 豬舍通風(fēng)耗熱量計(jì)算

豬舍冬季通風(fēng)耗熱量計(jì)算公式[22]為

Q=×××(t?t) （6）

式中C為空氣的定壓比熱容，取值0.28 W·h/(kg·K)[22]；為由通風(fēng)進(jìn)入舍內(nèi)的冷空氣量，即為豬頭數(shù)與每頭冬季通風(fēng)量之積，m3/h；ρ為供暖舍外計(jì)算溫度下的空氣密度，kg/m3，其計(jì)算公式[27]為

式中為大氣壓，kPa，北京市冬季大氣壓為102.2 kPa[24]；t為舍外溫度，℃，對(duì)于門窗進(jìn)風(fēng)的舍外溫度，取值為舍外溫度；對(duì)于天棚預(yù)熱新風(fēng)通風(fēng)時(shí)的舍外溫度，其取值為天棚新風(fēng)進(jìn)入舍內(nèi)處的溫度，該溫度需要實(shí)際監(jiān)測(cè)。

1.2.5 豬舍環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測(cè)方法

為獲得豬舍在天棚預(yù)熱新風(fēng)時(shí)新風(fēng)進(jìn)豬舍的溫度及豬舍內(nèi)二氧化碳濃度，在豬舍內(nèi)南側(cè)和北側(cè)分別布置2個(gè)溫濕度和二氧化碳濃度測(cè)點(diǎn)，舍內(nèi)共4個(gè)測(cè)點(diǎn)，舍外布置1個(gè)溫濕度測(cè)點(diǎn)，天棚新風(fēng)進(jìn)入舍內(nèi)位置設(shè)置1個(gè)溫濕度測(cè)點(diǎn)，溫濕度測(cè)試采用型號(hào)均為Apresys 179A—TH的溫濕度自動(dòng)記錄儀(精度為士0.2 ℃)，二氧化碳濃度使用二氧化碳自動(dòng)記錄儀（天建華儀，EZY-1S型，測(cè)量范圍0～5 000 ppm，精度為±75 ppm），溫濕度和二氧化碳濃度均24 h自動(dòng)記錄，每0.5 h記錄1次，豬舍內(nèi)溫濕度和二氧化碳濃度測(cè)定高度為母豬豬背高度，遠(yuǎn)離仔豬保溫箱，舍外溫濕度計(jì)測(cè)點(diǎn)高度采用中國(guó)氣象站的測(cè)定高度（1.5 m），避免陽(yáng)光直射。豬舍內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)分娩豬舍環(huán)境測(cè)點(diǎn)布置圖

在試驗(yàn)開(kāi)始前，對(duì)試驗(yàn)所用溫濕度計(jì)和二氧化碳測(cè)試儀均進(jìn)行了校正。舍內(nèi)溫濕度和二氧化碳濃度均取舍內(nèi)4個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值。豬舍內(nèi)12頭分娩母豬（長(zhǎng)白、大白各半，2～3胎次），仔豬斷奶時(shí)對(duì)母豬稱質(zhì)量，平均每頭母豬體質(zhì)量238 kg。試驗(yàn)時(shí)間為2018-01-13 09:00—2018-01-15 08:00。通過(guò)軟件SPSS 21分析舍內(nèi)溫度、舍外溫度和天棚新風(fēng)進(jìn)入舍內(nèi)位置處溫度的相關(guān)關(guān)系，利用相關(guān)關(guān)系求出在舍外溫度為0.1 ℃和逐時(shí)溫度[25]下天棚新風(fēng)進(jìn)入舍內(nèi)位置的溫度，以此溫度作為通風(fēng)耗熱量公式（6）中的t取值。

1.2.6 母豬顯熱散熱量計(jì)算

分娩母豬包括仔豬總產(chǎn)熱量，見(jiàn)式（8）[28]。

式中tot為總產(chǎn)熱量，W；為豬體質(zhì)量，kg；1為泌乳量，取值為6 kg/d[28]。

母豬顯熱產(chǎn)熱量見(jiàn)式（9）[28]。

式中為顯熱產(chǎn)熱量，W。

本試驗(yàn)中母豬體質(zhì)量=238 kg，t=18 ℃，則每窩母豬和仔豬顯熱產(chǎn)熱量為375 W/頭母豬（包括仔豬），12頭母豬顯熱產(chǎn)熱量共4 500 W。

1.2.7 分娩母豬冬季通風(fēng)量的選取

本文中，在試驗(yàn)時(shí)間為2018-01-13 9:00—2018-01-15 8:00，豬舍冬季通風(fēng)量設(shè)定為600 m3/h，單位通風(fēng)量合0.21 m3/(h·kg)，試驗(yàn)條件下，豬舍內(nèi)二氧化碳濃度范圍1 616～2 414 ppm，舍內(nèi)相對(duì)濕度范圍57%～67%，二氧化碳是豬舍通風(fēng)量評(píng)價(jià)中的標(biāo)志性氣體[29]，關(guān)于分娩豬舍舍內(nèi)二氧化碳濃度值，美國(guó)專家建議為節(jié)約能耗而又不影響舍內(nèi)空氣質(zhì)量，舍內(nèi)二氧化碳濃度值應(yīng)低于3 000 ppm[30]。豬舍內(nèi)相對(duì)濕度舒適范圍為60%～70%[23]，因此，冬季試驗(yàn)豬舍通風(fēng)量可以滿足通風(fēng)要求，在公式（6）中的冬季通風(fēng)量選定600 m3/h。

1.3 豬舍節(jié)能改造方案

未進(jìn)行保溫改造的豬舍稱為“未保溫豬舍”（T1）。豬舍保溫改造方案分為3步：第1步為僅做外墻保溫（2015年冬季前完成改造），在原有240 mm磚墻外做90 mm厚擠塑板外保溫，保溫改造后的墻體傳熱系數(shù)小于0.35 W/(m2·K)。為安全起見(jiàn)，保溫改造后的墻體傳熱系數(shù)確定為0.35 W/(m2·K)[22]，冬季通風(fēng)為門窗縫隙自然通風(fēng)，試驗(yàn)豬舍命名為“外墻保溫豬舍”（T2）。

第2步為在外墻保溫改造的基礎(chǔ)上，再增加保溫天棚（2017年冬季前完成改造），因空間所限，天棚材料為75 mm厚巖棉夾芯板（A級(jí)防火材料），天棚距地面高2.25 m。天棚與原有100 mm厚彩鋼夾芯板屋頂綜合后的傳熱系數(shù)為0.285 W/(m2·K)，仍大于美國(guó)MWPS中保溫天棚的傳熱系數(shù)0.23 W/(m2·K)[18]。屋頂傳熱面積由雙坡屋頂面積134.47 m2變更為天棚面積128.32 m2，冬季通風(fēng)方式為門窗縫隙自然通風(fēng)，試驗(yàn)豬舍命名為“外墻天棚保溫門窗進(jìn)風(fēng)豬舍”（T3）。

第3步改造（2017年冬季前完成改造）為在墻體外保溫改造和增加保溫天棚的基礎(chǔ)上，在北側(cè)墻體上距離東墻9.48 m處安裝1個(gè)直徑為0.28 m的軸流風(fēng)機(jī)（可變風(fēng)量，功率為40 W，風(fēng)機(jī)風(fēng)量范圍0～1 100 m3/h，風(fēng)機(jī)向舍外排風(fēng)（負(fù)壓通風(fēng)），為減少對(duì)墻體的破壞，將風(fēng)機(jī)安裝在窗戶位置。在天棚距東墻1.5 m處設(shè)置天棚進(jìn)風(fēng)口（0.28 m×0.28 m），見(jiàn)圖1。試驗(yàn)豬舍命名為“外墻天棚保溫天棚進(jìn)風(fēng)豬舍”（T4）。其中，風(fēng)機(jī)風(fēng)量的參考指標(biāo)按照中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)0.3 m3/(h·kg)[23]和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)34.1 m3/（h·頭）[18]，考慮一定的安全系數(shù)，并同時(shí)為開(kāi)展分娩母豬冬季最小通風(fēng)量試驗(yàn)設(shè)計(jì)（因冬季通風(fēng)量影響供暖能耗，并且中國(guó)和美國(guó)冬季通風(fēng)量數(shù)據(jù)相差較大），手動(dòng)調(diào)整風(fēng)機(jī)風(fēng)量，將豬舍冬季最大通風(fēng)量設(shè)計(jì)為1 100 m3/h，可調(diào)風(fēng)量，本文中冬季通風(fēng)量選取600 m3/h。為防止進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速過(guò)小造成密度較大的冷風(fēng)下沉影響豬的熱舒適性，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速需要控制在3.0～6.1 m/s[18]，天棚進(jìn)風(fēng)口大小按照進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速3.4 m/s設(shè)計(jì)，在通風(fēng)量為1 100 m3/h時(shí)風(fēng)口大小應(yīng)為0.09 m2，天棚進(jìn)風(fēng)口實(shí)際完工面積為0.078 m2。山墻進(jìn)風(fēng)口的尺寸因文獻(xiàn)[18]參考指標(biāo)中用到春秋季通風(fēng)量，中國(guó)與美國(guó)通風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)相差太大，不容易參考，暫時(shí)在豬舍的西側(cè)山墻上設(shè)置一個(gè)進(jìn)風(fēng)口（尺寸0.43 m×0.43 m，安裝防鳥(niǎo)網(wǎng)，北方空氣污染嚴(yán)重地區(qū)還需在不使用天棚進(jìn)風(fēng)的季節(jié)將山墻進(jìn)風(fēng)口關(guān)閉，以防天棚積灰，本試驗(yàn)安裝可開(kāi)閉百葉窗）。本試驗(yàn)中山墻進(jìn)風(fēng)口面積/天棚進(jìn)風(fēng)口面積為2.4。

1.4 豬舍供暖能耗的逐時(shí)計(jì)算及各計(jì)算參數(shù)

豬舍供暖能耗的逐時(shí)計(jì)算按照北京市供暖季11月15日－3月15日的典型氣象年逐時(shí)溫度[25]和公式（1）～公式（9），利用軟件excel計(jì)算得出供暖季每時(shí)刻豬舍的能耗。其中，在不同舍外溫度時(shí)，在舍內(nèi)溫度設(shè)定為18 ℃，豬顯熱產(chǎn)熱量為4 500 W，豬舍建筑面積為128.32 m2，豬舍冬季通風(fēng)量為600 m3/h時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量、通風(fēng)耗熱量均隨不同的舍外溫度變化而變化。豬舍逐時(shí)能耗計(jì)算過(guò)程中各參數(shù)取值見(jiàn)表2。

表2 不同節(jié)能改造方式分娩豬舍能耗計(jì)算用各參數(shù)取值

2 結(jié)果與分析

2.1 天棚預(yù)熱新風(fēng)、新風(fēng)進(jìn)入舍內(nèi)位置處的溫度

在試驗(yàn)時(shí)間為2018-01-13 09:00—2018-01-15 8:00，豬舍冬季通風(fēng)量設(shè)定為600 m3/h時(shí)，試驗(yàn)監(jiān)測(cè)得到舍外溫度、舍內(nèi)溫度和天棚進(jìn)風(fēng)口溫度，對(duì)該試驗(yàn)期間舍外溫度、舍內(nèi)溫度和天棚進(jìn)風(fēng)口處溫度的數(shù)據(jù)用SPSS 21統(tǒng)計(jì)得出天棚預(yù)熱新風(fēng)、新風(fēng)進(jìn)入舍內(nèi)位置處的溫度與舍內(nèi)溫度t和舍外溫度t的相關(guān)關(guān)系，見(jiàn)公式（10）。

=0.812t+0.235t?1.453，2=0.901，=95，<0.01 （10）

由此可得，當(dāng)舍外溫度為0.1 ℃，舍內(nèi)溫度為18 ℃時(shí)，天棚預(yù)熱新風(fēng)、新風(fēng)進(jìn)入舍內(nèi)位置處的溫度=13.2 ℃，以此溫度代入公式（6）計(jì)算供暖季平均舍外溫度為0.1 ℃時(shí)天棚預(yù)熱新風(fēng)狀態(tài)下豬舍通風(fēng)耗熱量。同理，可以計(jì)算出北京市典型氣象年逐時(shí)溫度下逐時(shí)通風(fēng)能耗和逐時(shí)總能耗。

2.2 不同節(jié)能改造方式豬舍耗熱量、供暖季能耗和改造成本

2.2.1 不同節(jié)能改造方式不同部位豬舍耗熱量

利用公式（1）～公式（9）、表1和表2計(jì)算得出不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)和通風(fēng)方式下供暖期各部分耗熱量、得熱量和總耗熱量，計(jì)算舍外溫度為0.1 ℃[24]。

表3 不同節(jié)能改造方式不同部位供暖季耗熱量

由表3可知，試驗(yàn)分娩豬舍在圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫節(jié)能改造前后，豬顯熱量和太陽(yáng)輻射得熱量均不變，只進(jìn)行外墻保溫改造，豬舍總耗熱量由39.6 W/m2下降為12.1 W/m2。在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行天棚保溫改造，豬舍總耗熱量下降為7.9 W/m2，天棚保溫改造引起豬舍耗熱量下降幅度較外墻保溫改造下降幅度低，主要原因?yàn)榧扔胸i舍屋頂原有材料傳熱系數(shù)為0.47 W/(m2·K)，天棚保溫改造后由天棚面積計(jì)算的傳熱系數(shù)為0.285 W/(m2·K)，傳熱面積由原有屋頂面積134.47 m2下降為128.32 m2，東墻和西墻傳熱面積分別由24.86和22.92 m2下降為19.66和14.96 m2（天棚標(biāo)高以上的山墻面積不計(jì)算），屋頂傳熱系數(shù)下降幅度有限。而墻體保溫改造前后傳熱系數(shù)分別為2.33和0.35 W/(m2·K)，傳熱系數(shù)下降幅度較大，從而引起豬舍耗熱量下降幅度較大。在外墻和天棚均進(jìn)行保溫改造后，冬季通風(fēng)模式由門窗進(jìn)風(fēng)改為由天棚進(jìn)風(fēng)后，新風(fēng)進(jìn)入豬舍內(nèi)進(jìn)行冬季通風(fēng)耗熱量計(jì)算時(shí)的舍外溫度升高為新風(fēng)進(jìn)入天棚位置的溫度，較大程度降低了通風(fēng)耗熱量，即由30.6 W/m2降低為7.8 W/m2。因此，判斷豬舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同部位節(jié)能改造效果顯著程度，可以先從圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)值及可能下降的幅度著手，然后，通過(guò)調(diào)控通風(fēng)進(jìn)風(fēng)溫度或者控制冬季通風(fēng)量降低豬舍通風(fēng)耗熱量。

2.2.2 不同節(jié)能改造方式豬舍供暖季能耗和改造成本

計(jì)算豬舍逐時(shí)能耗，逐時(shí)能耗中存在負(fù)數(shù)，能耗為負(fù)數(shù)時(shí)實(shí)際情況下只能是在豬舍內(nèi)溫度不變時(shí)提高通風(fēng)量或者在通風(fēng)量不變時(shí)任由豬舍內(nèi)溫度升高，在合計(jì)豬舍供暖季總能耗時(shí)負(fù)數(shù)能耗不能計(jì)算在總能耗之內(nèi)（豬舍無(wú)儲(chǔ)能構(gòu)造時(shí)），在此，令逐時(shí)能耗中負(fù)數(shù)值為0（按照舍內(nèi)溫度控制供暖），最后合計(jì)得到改造前豬舍、只做墻體保溫改造、在墻體保溫改造基礎(chǔ)上增加保溫天棚（門窗進(jìn)風(fēng)）和在墻體保溫改造基礎(chǔ)上增加保溫天棚（天棚進(jìn)風(fēng)）4種情況的豬舍供暖季總能耗。供暖季共2 904 h，天棚進(jìn)風(fēng)需要40 W功率風(fēng)機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，供暖季風(fēng)機(jī)共耗能116 kW·h，天棚進(jìn)風(fēng)較門窗進(jìn)風(fēng)減少能耗35.1 kW·h/m2，單位建筑面積風(fēng)機(jī)能耗為0.9 kW·h/m2，相當(dāng)于外墻天棚保溫后天棚進(jìn)風(fēng)豬舍實(shí)際總能耗為1.1 kW·h/m2。豬舍墻體改造面積合計(jì)110.24 m2，墻體保溫改造投資約為100元/m2墻體面積，豬舍建筑面積為128.32 m2，單位建筑面積墻體改造成本約為85.9元/m2。單位建筑面積保溫天棚改造成本約為400元/m2。冬季通風(fēng)風(fēng)機(jī)成本約為700元，折合單位建筑面積成本為5.5元/m2。假設(shè)節(jié)約的能耗由電直接提供，單位能源價(jià)格為0.60元/（kW·h），則各步驟節(jié)能改造能耗、改造成本、節(jié)約的單位能耗改造成本及投資回收期見(jiàn)表4。

表4 不同節(jié)能改造方式供暖季分娩豬舍能耗和改造成本

由表4可知，外墻保溫豬舍較未保溫豬舍可節(jié)能73.0 kW·h/m2；外墻天棚保溫門窗進(jìn)風(fēng)豬舍（T3）較外墻保溫豬舍僅節(jié)能9.9 kW·h/m2；外墻天棚保溫天棚進(jìn)風(fēng)豬舍（T4）較外墻天棚保溫門窗進(jìn)風(fēng)豬舍（T3）可節(jié)能35.1 kW·h/m2。外墻保溫豬舍（T2）與未保溫豬舍（T1）相比、外墻天棚保溫門窗進(jìn)風(fēng)豬舍（T3）與外墻保溫豬舍（T2）相比、外墻天棚保溫天棚進(jìn)風(fēng)豬舍（T4）與外墻天棚保溫門窗進(jìn)風(fēng)豬舍（T3）相比、外墻天棚保溫天棚進(jìn)風(fēng)豬舍（T4）與外墻保溫豬舍（T2）相比，節(jié)約的單位能耗的改造成本分別為1.2、40.4、0.2和9.0 Yuan/(kW·h)。從未保溫到外墻保溫、從外墻保溫到外墻天棚保溫門窗進(jìn)風(fēng)、從外墻保溫到外墻天棚保溫天棚進(jìn)風(fēng)，3個(gè)改造步驟的投資回收期分別為2.0、67.3和15.0 a。外墻天棚保溫門窗進(jìn)風(fēng)（T3）與外墻天棚保溫天棚進(jìn)風(fēng)（T4）相比，后者僅需增加0.2 Yuan/(kW·h)和0.3 a的投資回收期就可獲得35.1 kW·h/m2的節(jié)能收益。因此，若以節(jié)約的單位能耗所需投資最小為目標(biāo)選擇豬舍節(jié)能改造方式，外墻保溫節(jié)能改造最好。但是，若以豬舍總能耗最低目標(biāo)選擇，豬舍外墻和天棚均需要保溫改造并進(jìn)行天棚預(yù)熱新風(fēng)機(jī)械通風(fēng)。節(jié)能改造有不同的深度，改造深度越深，成本越高，節(jié)能量越多，具體改造深度主要由可投入的成本及其他因素確定[31]。試驗(yàn)分娩豬舍在外墻保溫改造后，如果冬季通風(fēng)方式不由門窗直接進(jìn)風(fēng)改造為天棚預(yù)熱新風(fēng)方式，在現(xiàn)有屋頂材料（傳熱系數(shù)為0.47 W/(m2·K)）情況下，只進(jìn)行天棚保溫改造經(jīng)濟(jì)意義不大。

歐洲養(yǎng)豬能耗方面，用于通風(fēng)和局部供暖方面每年的電能為34～37 kW·h/m2，照明為1～5 kW·h/m2[32]，假設(shè)本試驗(yàn)建筑面積128.32 m2豬舍內(nèi)12頭母豬每個(gè)仔豬保溫箱的保溫?zé)艄β识緸?00 W（每批使用21 d），其他季節(jié)為150 W（平均每批使用2 d），仔豬21 d斷奶，1個(gè)冬季4批分娩母豬，則仔豬局部供暖1個(gè)冬季的能耗約為37.7 kW·h/m2，其他季節(jié)局部供暖飼養(yǎng)批次數(shù)為6.4批，則其他季節(jié)局部供暖能耗約為4.3 kW·h/m2，冬季局部供暖能耗的節(jié)能措施主要為：根據(jù)仔豬隨著日齡的增加溫度需求降低，對(duì)仔豬局部溫度調(diào)控可降低能耗21.7%[33]。該種豬舍一般春秋季自然通風(fēng)、夏季機(jī)械通風(fēng)，假設(shè)夏季120 d每天24 h通風(fēng)，夏季風(fēng)機(jī)功率0.4 kW，則夏季通風(fēng)能耗為9.0 kW·h/m2。該種豬舍自然采光，不計(jì)照明能耗。因此，該種豬舍環(huán)境控制中每年通風(fēng)和局部供暖總能耗約為43.7 kW·h/m2，高于歐洲通風(fēng)和局部供暖方面每年的電能，可能是由于不同地區(qū)舍外溫度不同導(dǎo)致仔豬局部供暖能耗差異。第3步節(jié)能改造后豬舍整舍供暖能耗為0.2 kW·h/m2。豬舍整舍供暖的能耗每個(gè)國(guó)家的舍外氣候不同，供暖能耗也不同，暫時(shí)未見(jiàn)關(guān)于豬舍整舍供暖能耗的報(bào)道，僅有前文中MWPS關(guān)于豬舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫節(jié)能的要求。

2.3 不同節(jié)能改造方式豬舍不需供暖時(shí)間

利用北京市供暖季11月15日至3月15日典型氣象年逐時(shí)溫度計(jì)算了4種節(jié)能改造豬舍逐時(shí)耗熱量，北京市供暖季最低溫度?14.2 ℃，最高溫度18.9 ℃，溫度最低值出現(xiàn)在1月份。表1列出了在舍外溫度為?14.2 ℃時(shí)4種節(jié)能改造豬舍的耗熱量。當(dāng)計(jì)算所得的逐時(shí)耗熱量≤0時(shí)，該時(shí)刻（以小時(shí)計(jì)）不需要供暖，統(tǒng)計(jì)了4種節(jié)能改造豬舍不需要供暖的時(shí)長(zhǎng)，見(jiàn)表5。

表5 不同節(jié)能改造方式豬舍供暖季不需供暖時(shí)長(zhǎng)

由表5可知，在溫度最低時(shí)刻（?14.2 ℃），未保溫豬舍、外墻保溫豬舍、外墻天棚保溫門窗進(jìn)風(fēng)豬舍和外墻天棚保溫天棚進(jìn)風(fēng)豬舍的耗熱量分別為108.7、59.2、51.7和7.2 W/m2。4種豬舍不需供暖的時(shí)長(zhǎng)分別為284、811、952和2 785 h，4種豬舍不需要供暖時(shí)長(zhǎng)占供暖期總時(shí)長(zhǎng)（2 904 h）的比例分別為10%、28%、33%和96%。結(jié)合不需要供暖的時(shí)長(zhǎng)占供暖總時(shí)長(zhǎng)比例和豬舍單位建筑面積能耗（表4）數(shù)據(jù)，在試驗(yàn)條件通風(fēng)量和豬體質(zhì)量情況下，分娩豬舍進(jìn)行了墻體外保溫改造、天棚保溫改造和天棚進(jìn)風(fēng)改造后已成為近零能耗建筑。

3 結(jié) 論

1）當(dāng)舍外、舍內(nèi)溫度分別為0.1 ℃和18 ℃，冬季通風(fēng)量為600 m3/h時(shí)，天棚預(yù)熱新風(fēng)、新風(fēng)進(jìn)入舍內(nèi)位置處的溫度為13.2 ℃。

2）未保溫豬舍、外墻保溫豬舍、外墻天棚保溫門窗進(jìn)風(fēng)豬舍和外墻天棚保溫天棚進(jìn)風(fēng)豬舍整個(gè)供暖季總能耗（整舍供暖）分別為118.2、45.2、35.3和0.2 kW·h/m2。外墻保溫豬舍與未保溫豬舍相比、外墻天棚保溫門窗進(jìn)風(fēng)豬舍與外墻保溫豬舍相比、外墻天棚保溫天棚進(jìn)風(fēng)豬舍與外墻天棚保溫門窗進(jìn)風(fēng)豬舍相比、外墻天棚保溫天棚進(jìn)風(fēng)豬舍與外墻保溫豬舍相比，節(jié)約的單位能耗的改造成本分別為1.2、40.4、0.2和9.0元/(kW·h)。

3）未保溫豬舍、外墻保溫豬舍、外墻天棚保溫門窗進(jìn)風(fēng)豬舍和外墻天棚保溫天棚進(jìn)風(fēng)豬舍不需要供暖的時(shí)長(zhǎng)分別為284、811、952和2 785 h，4種豬舍不需要供暖的時(shí)長(zhǎng)占供暖期總時(shí)長(zhǎng)的比例分別為10%、28%、33%和96%。

4）以節(jié)約的單位能耗所需投資最小目標(biāo)選擇豬舍節(jié)能改造方式，墻體保溫節(jié)能改造最好。但是，以豬舍總能耗最低為目標(biāo)，豬舍墻體和天棚均需要保溫改造并進(jìn)行天棚預(yù)熱新風(fēng)機(jī)械通風(fēng)。

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Comparison of heating energy consumption and economy of pig house with different energy saving renovation measures

Wang Meizhi1,2, Xue Xiaoliu1, Liu Jijun1,2, Yi Lu1, Chen Zhaohui1,2, Wu Zhonghong1,2※

(1.100193;2.100193,)

It is forbidden to use coal to heat pig house in “2+26” cities in Northern China at present, and the cost of alternative energy sources like electricity and gas used to heat pig house will increase. The aim of this paper is to evaluate and analyze the effect of different pig house envelope insulation renovation measures and ventilation modes in winter on energy consumption of space heating and cost. This paper covers theoretical and experimental methods. A natural ventilated and natural lighted farrowing house with 12 farrowing sows was selected to be an experimental pig house and the wall was made of bricks with the thickness of 240 mm and had no ceiling. In this experiment, the weight of sow was 238 kg, ventilation rate of the farrowing house was set to be 600 m3/h, and indoor temperature was set to be 18 ℃. The CO2concentration indoors was less than 2 414 ppm when the ventilation rate was 600 m3/h, and it was thought the ventilation rate was enough in heating periods to save ventilation energy. The renovation measures were divided into 4 types or stages: uninsulated (the original farrowing house), wall insulated (Step 1, renovated in 2015), wall and ceiling insulated with ventilation inlet on the windows and doors (Step 2, renovated in 2017), wall and ceiling insulated with ventilation inlet on the ceiling (Step 3, renovated in 2017). Temperatures at the inlet on the ceiling, outdoors and indoors were measured and analyzed. Energy consumption of space heating and cost of different renovation types were calculated and compared. The results indicated that temperature at the inlet on the ceiling was 13.2 ℃ when the temperature outdoors was 0.1 ℃ and the temperature indoors was 18 ℃. Which part of the envelopes of the farrowing house used to be renovated would be more effective in energy saving depended on the values of heat transfer coefficients, air temperature at the inlet of ventilation, ventilation rate, and so on. Energy consumption in environmental control of farrowing house was divided into spacing heating and ventilation and localized heating in Beijing, China. Energy consumption of space heating in winter for uninsulated, wall insulated, wall and ceiling insulated with ventilation inlet on the windows and doors and wall and ceiling insulated with ventilation inlet on the ceiling was 118.2, 45.2, 35.3 and 0.2 kW·h/m2, respectively. Renovation cost of unit energy saving for Step 1, Step 2 and Step 3 was 1.2, 40.4 and 9.0 Yuan/(kW·h), respectively. Payback period of Step 1, Step 2 and Step 3 was 2.0, 67.3 and 15.0 a, respectively. For space heating of uninsulated, wall insulated, wall and ceiling insulated with ventilation inlet on the windows and doors, wall and ceiling insulated with ventilation inlet on the ceiling of the farrowing house, the time with no need for heating in winter was 284, 811, 952 and 2 785 h, respectively, the percentage of the time with no need for heating in 2 904 h was 10%, 28%, 33% and 96%, respectively. Ventilation and localized heating of farrowing house was calculated to be 43.7 kW·h/m2in the whole year for the 4 types of energy efficiency renovation farrowing houses. Wall insulation was the best renovation measure on basis of least renovation cost of saving unit energy consumption, whereas wall and ceiling insulated with ventilation inlet on the ceiling was the best renovation measure on basis of least total energy consumption.

insulation; facilities; ventilation; envelope; farrowing house; energy efficiency renovation; energy consumption; cost

王美芝，薛曉柳，劉繼軍，易 路，陳昭輝，吳中紅. 不同節(jié)能改造方式豬舍的供暖能耗和經(jīng)濟(jì)性比較[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(13)：218－224. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.026 http://www.tcsae.org

Wang Meizhi, Xue Xiaoliu, Liu Jijun, Yi Lu, Chen Zhaohui, Wu Zhonghong. Comparison of heating energy consumption and economy of pig house with different energy saving renovation measures[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(13): 218－224. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.026 http://www.tcsae.org

2018-04-13

2018-06-01

生豬產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系北京市創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：BAIC02-2018；重點(diǎn)專項(xiàng)：畜禽重大疫病防控與高效安全養(yǎng)殖綜合技術(shù)研發(fā)-畜禽養(yǎng)殖智能裝備與信息化技術(shù)研發(fā)，項(xiàng)目編號(hào)：2018YFD0500700

王美芝，女，副教授，博士，主要從事畜牧工程與畜牧環(huán)境研究。Email：meizhiwang@cau.edu.cn

吳中紅，女，副教授，博士，主要從事畜禽環(huán)境工程、環(huán)境對(duì)家畜生殖發(fā)育的影響方面的研究。Email：wuzhh@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.026

S210.41

A

1002-6819(2018)-13-0218-07