寒區(qū)低屋面橫向通風(fēng)牛舍建筑和環(huán)境設(shè)計初探

仲玉婷，施正香，趙婉瑩，王朝元

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，北京 100083）

東北三省是中國奶業(yè)的優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)，2016年奶牛存欄237.5萬頭，牛奶總產(chǎn)量742.0萬t[1]。由于冬季嚴(yán)寒，東北地區(qū)奶牛場設(shè)計和環(huán)境管理中，冬季舍內(nèi)低溫高濕現(xiàn)象嚴(yán)重，奶牛福利得不到保障。環(huán)境溫度低于-4℃，奶牛的產(chǎn)奶量開始下降；當(dāng)溫度降到-23℃時，產(chǎn)奶量顯著降低[1]。冷應(yīng)激還會影響奶牛生理健康，易感染多種疾病，如感冒、肺炎、結(jié)核病、副傷寒、乳房炎等。對于寒區(qū)奶牛舍來說，維持舍內(nèi)溫度同時保證空氣質(zhì)量、降低濕度需要從牛舍建筑設(shè)計、合理的環(huán)境調(diào)控措施及加強(qiáng)冬季環(huán)境管理入手。采用有窗封閉式建筑結(jié)構(gòu)形式有利于牛舍的保溫隔熱[2,3]，注重圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的選擇和牛舍密封性設(shè)計，對實現(xiàn)舍內(nèi)有效的氣流組織和保持合適的溫度非常重要[4]。近年來，低屋面橫向通風(fēng)（low profile cross ventilated, LPCV）牛舍因單棟舍的奶牛飼養(yǎng)量大、圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積小，可極大地降低冬季熱量損失而受到廣泛關(guān)注。與普通牛舍設(shè)計不同，LPCV牛舍建造對于建筑材料、保溫材料以及接縫做法都有很高的要求[5,6]。但是我國對于LPCV牛舍的研究起步相對較晚，且目前關(guān)于舍內(nèi)環(huán)境設(shè)計系統(tǒng)的理論研究相對較少。為此，本文以LPCV形式的成乳牛舍為對象，就牛舍建筑的保溫、通風(fēng)、采光等設(shè)計方法進(jìn)行討論，以便為寒區(qū)奶牛飼養(yǎng)適宜的環(huán)境條件提供參考。

1 成乳牛舍建筑保溫設(shè)計

寒區(qū)牛舍環(huán)境設(shè)計以冬季防寒為主，著重解決通風(fēng)與保溫的問題。相比于傳統(tǒng)牛舍，LPCV牛舍更有利于實現(xiàn)對舍內(nèi)環(huán)境的控制。冬季牛舍溫度控制一般不采取加溫措施，但屋頂、墻體的保溫隔熱材料的保暖系數(shù)應(yīng)為6以上，且要求接縫處密封良好[7]。

1.1 成乳牛舍建筑材料保溫設(shè)計

結(jié)合寒區(qū)的氣候特點，選取LPCV牛舍進(jìn)行環(huán)境設(shè)計，舍內(nèi)采用無運(yùn)動場體系的全舍飼散欄飼養(yǎng)模式。牛舍正南朝向，建筑尺寸長336m、寬91m，檐高4.2m，設(shè)置矮墻0.4m。根據(jù)牛群規(guī)模確定牛群結(jié)構(gòu)，成母牛約占50%，泌乳牛為2 400頭，采用12列式，每群100頭，占地面積為12.74m2/頭。墻體和屋頂均采用150mm厚彩鋼夾芯板，屋面為雙坡式（1:22），同時設(shè)置10mm厚聚碳酸酯陽光板作為采光帶。屋面底部和墻面內(nèi)刷50mm厚聚氨酯發(fā)泡，起到保溫防腐的作用。南側(cè)墻安裝充氣膜保溫墻，北側(cè)墻設(shè)風(fēng)機(jī)，進(jìn)行機(jī)械橫向通風(fēng)。飼喂通道采用3 000mm×3 600mm的上翻門，共8扇，舍內(nèi)山墻兩側(cè)設(shè)置車輛回轉(zhuǎn)道。舍內(nèi)清糞采用漏縫地板工藝，糞尿可直接落入地下淺糞坑中，保持地面的清潔干燥，對減少奶牛肢蹄病也有一定幫助，糞坑內(nèi)采用刮板清糞。

1.2 充氣膜保溫墻設(shè)計

充氣墻主要由充氣膜、充氣管、固定支撐件、充氣風(fēng)機(jī)、控制箱、防鳥網(wǎng)組成?？刂破骺筛鶕?jù)風(fēng)向與雨量的傳感器對舍外環(huán)境的感應(yīng)，通過2個1/40hp鼓風(fēng)機(jī)改變充氣膜保溫墻的開閉狀態(tài)。冬季時，為保障牛舍內(nèi)溫度，對充氣膜充氣膨脹成一面墻；夏季炎熱時為通風(fēng)不充氣，作為進(jìn)風(fēng)口進(jìn)行橫向通風(fēng)。

將舍內(nèi)劃分為6大區(qū)域，每區(qū)域中間配備一個溫度傳感器，根據(jù)奶牛生產(chǎn)最適宜溫度為10～18℃，將溫度傳感器上限設(shè)定為18℃，則當(dāng)舍內(nèi)溫度達(dá)到18℃時，開始減少充氣量；經(jīng)過一段時間后再檢測溫度，若仍維持在18℃以上，繼續(xù)減少使充氣膜下降，直至達(dá)到18℃。設(shè)定下限溫度為10℃，低于此溫度則開始對膜進(jìn)行充氣。

2 成乳牛舍通風(fēng)設(shè)計

2.1 夏季最大通風(fēng)量計算

夏季牛舍內(nèi)會產(chǎn)生多余的熱量以顯熱或潛熱的形式排出。Harner等[8]研究認(rèn)為LPCV牛舍的通風(fēng)量應(yīng)根據(jù)牛舍換氣周期來確定。夏季PLCV的換氣率應(yīng)為60～120s，通風(fēng)量按式（1）計算：

式中，L為牛舍通風(fēng)量（m3/h）；V為牛舍內(nèi)部的空氣體積（m3）；為換氣周期（s）。

若Rair取60s，則可計算得到牛舍內(nèi)的必要通風(fēng)量為8 845 200m3/h。

2.2 冬季最小通風(fēng)量計算

冬季舍內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)需排除多余的水汽以及有害氣體。從國內(nèi)LPCV牛舍實際運(yùn)行來看，冬季風(fēng)機(jī)開啟數(shù)量不到實際安裝數(shù)量的10%。為使舍內(nèi)空氣質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，要求CO2含量低于5g/kgair，NH3含量低于20ppm，且根據(jù)NH3調(diào)控單頭奶牛的通風(fēng)量較大為85m3/h[9]。所以，本文以NH3調(diào)控冬季牛舍最小通風(fēng)量，為204 000m3/h。

2.3 風(fēng)機(jī)選型配置

根據(jù)夏季最大通風(fēng)量及冬季最小通風(fēng)量進(jìn)行風(fēng)機(jī)設(shè)備選型，如表1所示。

表1 風(fēng)機(jī)選型配置

對于通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)阻力，不采用空氣處理設(shè)備和不經(jīng)過管道輸送、風(fēng)機(jī)直接連通設(shè)施內(nèi)外空間的大多數(shù)進(jìn)氣通風(fēng)與排風(fēng)系統(tǒng)中，通風(fēng)阻力一般為10～30Pa。一般估算時，可按靜壓32Pa計算確定風(fēng)機(jī)的工況。在此靜壓下，夏季最熱時打開全部風(fēng)機(jī)，總通風(fēng)量為8 943 820m3/h，換氣次數(shù)可達(dá)60次/h。冬天極冷階段時，開啟10臺9FJ10.0風(fēng)機(jī)，最小實際通風(fēng)量為224 200m3/h，主要是排出舍內(nèi)的濕氣以及有害氣體，換氣次數(shù)可達(dá)到1.5次/h。

此外，舍內(nèi)安裝擋風(fēng)板可以改善通風(fēng)，可將臥床處風(fēng)速從2～3km/h提高到6～8km/h。擋風(fēng)板安裝高度距離地面至少7英尺，板下風(fēng)速推薦值為2.2～2.7m/s，擋風(fēng)板距離地面的高度推薦值為2.1～2.4m[10]。本設(shè)計中安裝高度為2.4m，安裝角度為30°，平均風(fēng)速較大。若擋風(fēng)板的安裝角度增加，則擋風(fēng)面積增加，牛舍建設(shè)成本增加[11]。因此，從經(jīng)濟(jì)性考慮，30°是最佳安裝角度。

2.4 滿足通風(fēng)量要求的濕度控制設(shè)計

在此通風(fēng)系統(tǒng)下，舍內(nèi)空氣含濕量滿足式（2）[12]

式中，di為舍內(nèi)空氣含濕量（kg/kgair）；do為舍外空氣含濕量（kg/kgair）；pa為空氣密度（kg/m3）；W為舍內(nèi)需排出的多余水汽（kg/s）。一頭550kg的奶牛產(chǎn)生水汽量為375g/h，則整棟舍產(chǎn)生水汽量900kg/h，即0.25kg/s。

假定冬季設(shè)計條件為室外-20℃，相對濕度74%，則舍外空氣含濕量0.0005kg/kgDA。根據(jù)公式（2）可確定舍內(nèi)空氣含濕量為0.004kg/kgDA。根據(jù)焓濕圖，舍內(nèi)設(shè)計溫度5℃時，含濕量0.004kg/kgDA，相對濕度為74%，可滿足牛舍冬季相對小于85%的生產(chǎn)要求，且在奶牛生產(chǎn)濕度適宜范圍內(nèi)。

假定夏季設(shè)計條件為室外溫度27℃、相對濕度61%，則舍外空氣含濕量為0.0137kg/kgDA。根據(jù)公式（2）可確定舍內(nèi)空氣含濕量為0.0138kg/kgDA。根據(jù)焓濕圖，舍內(nèi)溫度25℃時，含濕量0.0138kg/kgDA，相對濕度為69%，可滿足牛舍夏季相對小于85%的生產(chǎn)要求，且在奶牛生產(chǎn)濕度適宜范圍內(nèi)。

3 成乳牛舍冬季低限溫度計算

根據(jù)能量守恒定律，牛舍系統(tǒng)的熱量平衡方程為式（3）[12]：

3.1 舍內(nèi)顯熱散熱量

每頭550kg的奶牛顯熱量=3339.4kJ/（h·頭），代入公式求得顯熱量為2 226 248 W。

3.2 牛舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱耗熱量

式中，K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)W/(m2·℃)；A為圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積（m2）；為冬季舍內(nèi)計算溫度（℃）；為舍外空氣溫度（℃）；a為圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫差修正系數(shù)。

當(dāng)有多層材料圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)滿足：

式中，R為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱阻[m2·℃)/W]；為圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)、外表面換熱系數(shù)，=8.7W/(m2·℃)，=23W/(m2·℃)；、為圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)、外表面?zhèn)鳠嶙瑁?0.115(m2·℃)/W，=0.04(m2·℃)/W；為圍護(hù)結(jié)構(gòu)各層厚度（m）；為圍護(hù)結(jié)構(gòu)各層材料導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m2·℃)]；為圍護(hù)結(jié)構(gòu)各層材料傳熱阻[(m2·℃)/W]。牛舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工參數(shù)及耗熱量計算如表2所示，其中，Δt表示舍內(nèi)外溫度差（℃）。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)及傳熱耗熱量

（2）朝向修正耗熱量

圍護(hù)結(jié)構(gòu)朝南，按照規(guī)范修正率宜采用-15%～ -30%，取-20%，則

（3）風(fēng)力附加耗熱量

外表面換熱系數(shù) =23W/(m2·℃)是在風(fēng)速約4m/s時的計算值，由于東北地區(qū)冬季主導(dǎo)風(fēng)向平均風(fēng)速一般在3.0～4.5m/s，若地勢比較平坦，可以不考慮風(fēng)力附加值以及垂直附加的耗散量。

（4）高度附加耗散量

根據(jù)規(guī)范，牛舍建筑高度大于4m，每高出1m，附加2%。牛舍檐高4.2m，脊高6.2m，則基于基本耗散量和其他修正耗散量的基礎(chǔ)上，還應(yīng)附加4%。

3.3 成乳牛舍通風(fēng)耗熱量

根據(jù)上文冬季最小通風(fēng)量的確定，牛舍冬季通風(fēng)量56.6m3/s，則為74026ΔtW。

考慮到冬季牛舍不采暖，最低溫度時牛體產(chǎn)熱剛好滿足通風(fēng)耗熱以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱量。由此得出：

則根據(jù)《采暖通風(fēng)與空調(diào)設(shè)計規(guī)范》[13]，若冬季室外干球溫度為-20℃，則牛舍內(nèi)的溫度可以在6.4℃以上，滿足奶牛防寒臨界溫度5℃的要求。

4 成乳牛舍采光設(shè)計

4.1 自然采光

牛舍自然采光方式包括側(cè)墻采光、屋頂采光和混合采光三種。考慮到寒區(qū)奶牛舍的封閉性，本文建議采用屋頂布置采光帶來滿足要求。此外，夏季將牛舍側(cè)墻的充氣膜打開，在增加自然通風(fēng)的同時增加側(cè)墻采光量。采光設(shè)計時一般取牛舍的窗、地面積比1:15～1:10[12]。理論上該牛舍的采光面積需要2 000～3 000m2。本設(shè)計中，牛舍南側(cè)縱墻為充氣保溫墻，面積900m2。屋面設(shè)置采光帶，每條采光帶寬1m、長30m，材料采用10mm厚聚碳酸酯陽光板，采光總面積2 460m2。夏季充氣膜保溫墻可根據(jù)溫度的高低確定打開面積；冬季充氣膜封閉，采用屋頂采光以及室內(nèi)人工補(bǔ)光，可以滿足光照需求。

4.2 人工采光

奶牛在晝夜比2:1的光周期下，產(chǎn)奶、進(jìn)食可提高6%。采用散欄飼養(yǎng)模式，人工光照的設(shè)計還與擠奶次數(shù)有關(guān)。本文的飼養(yǎng)模式為日擠奶3次，需要保證擠奶期間牛舍內(nèi)始終有光照，方便奶牛進(jìn)出奶廳。由于牛對紅光敏感，而對藍(lán)光區(qū)域覺得不明亮，所以最終選用LED藍(lán)白光控制系統(tǒng)[14]。

牛舍總面積30 030m2，每盞燈照射范圍20m2。白色LED燈安裝在牛頸枷以及每群牛分隔欄的上方，懸掛3m的高度，共9列，每隔4m安裝一個，每列80盞；藍(lán)色LED燈安裝在兩列臥床的中間，也是懸掛3m安裝，共6列，每隔4m安裝一個，每列80盞。每一排燈具分路控制，可有手動和自動（按照時間）控制，自動控制設(shè)定20:00～次日4:00關(guān)閉人工光，其余時間均打開，夜間需要光照人工開啟藍(lán)色燈。

5 總結(jié)

對于寒區(qū)牛舍來說，牛舍保溫和通風(fēng)是冬季環(huán)境設(shè)計的重點內(nèi)容。對于單棟飼養(yǎng)量為2 400頭的LPCV成乳牛舍，風(fēng)機(jī)數(shù)量可按照夏季最大通風(fēng)量及冬季最小通風(fēng)量的要求計算，夏季保持150臺9FJ14.0風(fēng)機(jī)同時運(yùn)行、換氣次數(shù)為60次/h，冬季開啟46臺9FJ10.0風(fēng)機(jī)、換氣次數(shù)為1.5次/h，能滿足舍內(nèi)環(huán)境控制目標(biāo)要求。牛舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)為彩鋼夾芯板，進(jìn)風(fēng)口采用充氣膜保溫墻，可保證冬季舍內(nèi)溫度不低于6.4℃。采光設(shè)計以自然采光和人工照明相結(jié)合，選擇窗地比1:12在屋面布置采光帶；全舍安裝1 200組LED燈，隔每4m安裝一盞，安裝高度為3m。在此環(huán)境設(shè)計下，舍內(nèi)環(huán)境可控制在奶牛生產(chǎn)適宜范圍內(nèi)。