海口地區(qū)商品豬場生產(chǎn)工藝和環(huán)境設計方法初探

齊 飛 ，李 浩 ，2，施正香 ，2＊，韓 華

（1.中國農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，北京 100083；2.北京市畜禽健康養(yǎng)殖環(huán)境工程技術(shù)研究中心，北京 100083；3.新希望六和股份有限公司，北京 100102）

我國幅員遼闊，南北跨度5 500 km，各地氣候條件差異大，在豬場建設時，應針對不同的氣候條件進行相應的建筑和環(huán)境設計[1]。海口地區(qū)屬典型的亞熱帶氣候，年平均氣溫可達約24 ℃，平均相對濕度85%[2]。為結(jié)合當?shù)氐臍夂驐l件為商品豬生產(chǎn)提供適宜經(jīng)濟的環(huán)境調(diào)控，需要進行科學的工藝計算和工程技術(shù)選配[3]。

文章重點討論?？诘貐^(qū)商品豬場建筑和環(huán)境設計的設計方法，基于?？诘貐^(qū)氣候和地理特征，結(jié)合全進全出的工藝要求[4]，探討海口地區(qū)商品豬場在工藝設計、建筑設計和環(huán)境控制方面的設計思路。

1 ?？诘貐^(qū)環(huán)境分析

1.1 氣象條件

?？诘靥幍途暥葻釒^(qū)域，四季界限不明顯。全年日照時間長，輻射量大，年平均日照時數(shù)可達2 000 h以上，常年溫度較高，年平均氣溫可達約24℃。7月氣溫最高，極端最高氣溫可達約41℃，1月氣溫最低，極端最低氣溫約3℃；平均相對濕度85%。由氣候軟件得到的2000—2009年的全年平均溫濕度變化如圖1、圖2所示。?？诘貐^(qū)風玫瑰圖如圖3所示，以東北風和東南風為主，偶有南部的臺風。

因此，在海口地區(qū)商品豬場的建筑設計中，應注意建筑物的隔熱性能和周邊環(huán)境的選擇，避免不易控的高溫影響；由于風向影響，場區(qū)內(nèi)區(qū)域布置應從上風向到下風向依次布置生活區(qū)、輔助生產(chǎn)區(qū)、生產(chǎn)區(qū)及糞污處理區(qū)；同時考慮臺風天氣，不能在建筑物的南部布置風機，避免臺風對風機的破壞。在環(huán)控設計中，應尤其注意夏季高溫條件下的舍內(nèi)溫度控制，綜合考慮現(xiàn)有降溫方式的優(yōu)缺點，對比選擇最適宜的環(huán)控方案。

1.2 地理條件

?？谖挥谀暇?0.033°，東經(jīng)110.350°，地處海南省最北方，全市陸地面積2 305 km2，地勢平緩，海拔標高在15～100 m。全市除馬鞍嶺、舊州嶺等38個山丘較高外，絕大部分地區(qū)為海拔100 m以下的臺地和平原。交通便利、靠近水源、地勢平坦，地理環(huán)境適宜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。地形地勢情況見圖4。

2 生產(chǎn)工藝設計

2.1 商品豬場的生產(chǎn)工藝流程設計

商品豬場包括保育仔豬、育成豬和育肥豬的培養(yǎng)，生產(chǎn)工藝流程如圖5所示：從外場調(diào)入的斷奶仔豬（8 kg）在保育舍養(yǎng)至30 kg（約79日齡）后，進入育成豬舍培養(yǎng)至65 kg（約126日齡），再進入育肥豬舍培養(yǎng)至110 kg（約180日齡）后出欄。

2.2 生產(chǎn)節(jié)律的選擇——案例分析

在豬場的工藝方案設計過程中，需要結(jié)合豬場的工藝流程及場地限制，進行合適的生產(chǎn)節(jié)律的選擇。

文章以一個年出欄量約6萬頭的豬場為案例進行分析，首先比較了按周為節(jié)律和按月為節(jié)律進行生產(chǎn)的工藝方案。其中，方案一計劃每周入欄量1 200頭，按周為批次進豬，預計年出欄量6.24萬頭；方案二計劃每月入欄量5 000頭，按月為批次進豬，年出欄量6萬頭。依據(jù)兩種方案和全進全出的豬場設計原則，得出各項參數(shù)情況見表1。

由表1可得，本案例2.1節(jié)的工藝流程及出欄量要求下，方案一的年出欄量較多，同期飼養(yǎng)量（在欄量）較?。灰蛳緯r長較少，建筑需求的面積也相對小。因此經(jīng)比較選擇認為方案一在使用較小的建筑面積的情況下能夠獲得更多的年出欄量，有著更高的經(jīng)濟效益；單次出豬、進豬數(shù)量較小，便于運輸。

3 建筑設計

3.1 建筑及結(jié)構(gòu)類型設計

豬舍建筑可分為封閉式、開放式和半開放式3種。封閉式豬舍有屋頂和閉合的四面墻，屋內(nèi)環(huán)境受外界影響較小，可通過儀器、設備等進行舍內(nèi)的溫濕度和通風的調(diào)控；開放式豬舍舍內(nèi)通風和采光性較好，但難以進行舍內(nèi)的環(huán)境調(diào)控，對周邊環(huán)境也會產(chǎn)生較大的影響；半開放豬舍介于兩者之間，可以適當進行舍內(nèi)溫濕度的調(diào)控，但效果低于封閉式豬舍。我國南方地區(qū)養(yǎng)殖肥豬常采用開放式豬舍和半開放豬舍[2]，但在冬季寒冷天氣和夏季炎熱天氣下，舍內(nèi)溫度和通風均不能滿足豬體適宜溫度的需求[5]。國外熱帶地區(qū)的豬舍則較多的采用密閉式豬舍，舍內(nèi)環(huán)控和機械化程度都較高。

豬舍結(jié)構(gòu)通常包括屋頂、墻體、地面、豬欄與地下設施等。除滿足功能、強度的要求外，同樣應注意其保溫和隔熱性能，具體要求應根據(jù)不同地區(qū)的氣候條件和豬舍建筑的特點來確定[6]。有數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)封閉式豬舍的能量損失大致為墻體占50%、門窗占25%、地下室和地面占15%、屋面占10%[7]。在常用的屋頂建筑材料選擇的基礎(chǔ)上，可以通過安裝吊頂來縮小屋頂下方的空間，起到通風、保暖與隔熱的效果。墻體保溫普遍采用“保溫板+磚墻”的結(jié)構(gòu)。毛震等[8]研究了北京地區(qū)四種墻體和屋頂?shù)慕M合形式豬舍的夏季隔熱效果，發(fā)現(xiàn)370 mm厚黏土磚墻+70 mm厚擠塑板墻體、瓦屋頂上覆蓋彩鋼夾芯板屋頂豬舍隔熱效果最好。趙婉瑩等[9]發(fā)現(xiàn)使用240 mm磚墻＋外保溫（50 mm厚巖棉）＋彩鋼夾芯板屋頂＋單層彩鋼板吊頂和240 mm磚墻＋彩鋼夾芯板屋頂＋單層彩鋼板吊頂?shù)呢i舍，符合夏季豬舍隔熱的設計要求。

3.2 建筑結(jié)構(gòu)及欄位設計——案例分析

結(jié)合?？诘貐^(qū)偏熱的氣候特點及機械化生產(chǎn)和環(huán)境控制要求，本文案例中的豬舍采用全密閉式豬舍[5]。屋頂材料采用隔熱性能較好的黏土瓦、彩鋼夾芯板和石棉瓦，并安裝吊頂。墻體為240 mm墻，由黏土磚砌筑，墻外表面設保溫板，加強保溫效果[9]。豬舍檐高2.5 m左右，屋面坡度短長邊比為1∶4。地面采用漏縫地板和水泥地板結(jié)合使用的方式[10,11]，劃分睡覺和進食、排便排尿的地方。清糞方式采用干清糞[12,13]，每棟豬舍下設刮糞板清糞。

在2.2節(jié)中通過兩個方案的比較，選取了按周為批次進行生產(chǎn)的方式，針對該工藝設計，進行豬舍的欄位面積及數(shù)量計算。根據(jù)丹麥福利養(yǎng)豬的豬舍尺寸，設計豬舍欄位情況見表2，依據(jù)豬只所需欄位的數(shù)量和面積得到其中一種豬場設計的豬舍種類、數(shù)量和基本尺寸見表3。

4 環(huán)境控制設計

4.1 豬舍需求環(huán)境參數(shù)

豬舍環(huán)境參數(shù)應當維持在最適宜豬生存的范圍，此處主要考慮熱環(huán)境參數(shù)（溫度、濕度、通風量、氣流速度）的影響，表4列出了商品豬場不同類型豬舍適宜的環(huán)境參數(shù)。

4.2 豬舍夏季環(huán)境控制技術(shù)

豬屬于恒溫動物，皮下脂肪厚且汗腺極不發(fā)達，在高溫環(huán)境下，豬體內(nèi)的熱量難以散出，體溫持續(xù)處于較高水平，繼而發(fā)生熱應激，導致生長發(fā)育速率減慢、消化功能和采食量降低、免疫力下降等問題[14]。

表1 豬場工藝方案參數(shù)比較

表2 豬舍欄位設計

表3 豬舍欄位設計

為解決豬的熱應激問題，目前豬場常采用濕簾降溫系統(tǒng)和噴淋裝置（噴霧降溫、灑水降溫等），通過水分蒸發(fā)吸熱，降低豬舍的溫度[15-17]。胡偉等[18]總結(jié)了泰國和馬來西亞的豬場降溫措施，發(fā)現(xiàn)其在保育和育肥豬舍普遍采用水簾降溫，在育肥舍還會設置水池。在較熱的時間段，在仔豬活動區(qū)域灑水，輔助降溫[19]。但是在噴霧或灑水的同時必須加強通風，避免高溫高濕帶來的更惡劣的影響。當高速氣流吹過豬的身體時，水分蒸發(fā)帶走豬身上的熱量，增加其冷卻效果[20]。豬舍通風量的大小將直接影響舍內(nèi)環(huán)境溫度：通風量合適時，風將帶走豬身上的熱量，有利于豬的健康生長和發(fā)育；通風量較大時，會使豬感到不適；通風量不足時，會導致豬舍內(nèi)有害氣體和粉塵顆粒濃度過高，影響豬群的健康[21]。Wouter等[22]總結(jié)了歐洲豬場常用的通風方式，依據(jù)進出風口的不同主要有四種，分別為：門式通風、氣閥式通風、隧道式通風、天花板式通風。我國常用的通風方式依據(jù)通風方向的不同分為橫向通風和縱向通風，后者又名“隧道通風”（與前面的含義不同），常用于大豬類型的房舍（如育肥舍）。舍外熱空氣經(jīng)過濕簾蒸發(fā)降溫，然后隧道式穿過房舍，不僅能夠達到給豬群降溫的效果，還能排出室內(nèi)的有害氣體[23]。

針對?？诘貐^(qū)商品豬舍的環(huán)境調(diào)控，應重點考慮夏季隔熱和降溫的要求，不用或較少考慮冬季加溫的需求。

4.3 豬舍環(huán)控計算——案例分析

根據(jù)工藝及建筑設計，進行豬場的環(huán)控計算。該豬場豬舍通風方式采用大型豬舍常見的縱向通風[21,23]。通風量采用經(jīng)驗值法計算得到，夏季豬舍所需通風量需求見表5。

冬季通風及保溫需求的計算以保育仔豬舍為例，計算豬舍需補充熱量的過程如下[24]。

畜禽舍內(nèi)顯熱量的來源包括：畜禽產(chǎn)生的顯熱量Qs；由照明、電機、設備散發(fā)的熱量Qm；采暖散熱器或熱輻射器的補充熱量Qh。

于是，畜禽舍內(nèi)熱量平衡方程式可寫成：

n：畜禽舍內(nèi)畜禽的頭數(shù)。n=1 200

qs為每頭畜禽單位時間的顯熱散熱量，查表可得qs=159.31

K：維護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)0.23，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)0.3，墻體傳熱系數(shù)2.08。

A：維護結(jié)構(gòu)的面積，m2；墻 體201.25m2，地 面493.5 m2，屋面508.69 m2。

ti：舍 內(nèi) 計 算 溫 度，℃；ti=20℃。

t0：舍 外 空 氣 溫 度，℃；t0=5℃。

a：圍護結(jié)構(gòu)溫差修正系數(shù)。a=1.00。

L：冬季通風量，保育豬冬季通風量需滿足5 m3/(h/頭)，得L=1.67 m3/s。

ρa：空氣密度，通風量按進風量計算時取ρa=353/（t0+273），按排風量計算時取ρa=353/（ti+273），kg/m3；ρa=1.20

cp：空氣的定壓比熱容，取cp=1 030J/（kg·℃）。

由式（1）～（4）可得：

其他豬舍熱量計算方式同上，最終確定需補充熱量見表6。

當冬季室外溫度為5℃時，保育仔豬舍和育肥豬舍在維持冬季通風量的情況下，舍內(nèi)溫度能夠維持在20℃以上，而育成豬舍難以維持相應溫度，考慮在豬舍內(nèi)添加供暖設備。

表4 豬舍熱環(huán)境參數(shù)

5 結(jié)論

文章針對?？诘貐^(qū)特有的氣候和地理環(huán)境特點，探討了?？诘貐^(qū)商品豬場在工藝設計、建筑設計和環(huán)境控制設計方面的設計思路，并結(jié)合實際情況分析了生產(chǎn)節(jié)律的選擇，通過實際計算說明了?？诘貐^(qū)環(huán)控方案的設計。

在案例分析中，結(jié)合設定的年出欄量和工藝流程，就按月和按周為節(jié)律的兩種工藝方案進行了比較，認為按周為節(jié)律的生產(chǎn)方式在較小的建筑面積的情況下能夠獲得更多的年出欄量，同時單次出豬、進豬數(shù)量較小，便于運輸。根據(jù)確定的工藝方案和生產(chǎn)規(guī)模，計算了存欄量2.8萬頭商品豬場的豬舍建筑設計、欄位的尺寸和面積。并根據(jù)經(jīng)驗值法和質(zhì)能平衡分別計算了不同類型豬舍的通風量和冬季舍內(nèi)需補充熱量，認為除育成豬舍外均無需進行冬季加溫。

在實際的豬場方案設計中，一方面要考慮地形和周邊設施的影響，另一方面也要結(jié)合生產(chǎn)需求和資金進行設計。該案例可以為?？诘貐^(qū)商品豬場的標準化建設提供參考。

表5 豬舍夏季通風量需求

表6 不同豬舍通風空氣的顯熱損失Qv和需排除余熱量Qh