規(guī)?；i場(chǎng)妊娠母豬舍改進(jìn)濕簾降溫系統(tǒng)的環(huán)境特性

李修松，葉章穎，李國(guó)銘，沈 盼，朱松明，馮曉龍

·農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程·

規(guī)?；i場(chǎng)妊娠母豬舍改進(jìn)濕簾降溫系統(tǒng)的環(huán)境特性

李修松1,2，葉章穎1，李國(guó)銘3，沈 盼2，朱松明1※，馮曉龍2

（1. 浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，杭州 310058； 2. 青島大牧人機(jī)械股份有限公司，青島 266000；3. 密西西比州立大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物工程系，美國(guó) 39762）

為研究濕簾與地道結(jié)合的改進(jìn)濕簾降溫系統(tǒng)對(duì)妊娠母豬舍的環(huán)境特性，該研究采取現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法，選取河南地區(qū)某規(guī)?；肛i場(chǎng)妊娠舍為試驗(yàn)豬舍，對(duì)該豬舍夏季和冬季舍內(nèi)熱環(huán)境和空氣質(zhì)量環(huán)境進(jìn)行測(cè)試和分析，結(jié)果表明：1）改進(jìn)濕簾降溫系統(tǒng)夏季對(duì)新風(fēng)的平均降溫功率增加了?84.4 kW，提高了25%的降溫效果；冬季對(duì)新風(fēng)的平均加熱功率增加了121.6 kW且舍內(nèi)無(wú)需供暖，87%以上的節(jié)能效果發(fā)生在地下風(fēng)道前半程。2）試驗(yàn)豬舍舍內(nèi)溫濕度、風(fēng)速分布均勻，且舍內(nèi)溫度波動(dòng)低于3.7 ℃；綜合豬舍母豬體感有效溫度和呼吸頻率等應(yīng)激程度指標(biāo)，母豬冬季處于舒適狀態(tài)，夏季有輕度熱應(yīng)激狀態(tài)現(xiàn)象。3）夏季和冬季舍內(nèi)氨氣（NH3）、二氧化碳（CO2）、和粉塵（PM2.5和PM10）的質(zhì)量濃度分布均勻，且均小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的妊娠舍空氣污染物濃度極限水平。綜上所述，改進(jìn)濕簾降溫系統(tǒng)不僅降低妊娠母豬舍熱環(huán)境調(diào)控的能耗并維持舍內(nèi)空氣質(zhì)量環(huán)境良好，對(duì)建立環(huán)境友好型規(guī)?；肛i場(chǎng)具有積極意義。

環(huán)境；養(yǎng)殖；妊娠舍；地通風(fēng)統(tǒng)；熱環(huán)境；空氣質(zhì)量環(huán)境

0 引 言

規(guī)?；肛i場(chǎng)的舍內(nèi)熱環(huán)境和空氣質(zhì)量環(huán)境是影響母豬健康和生產(chǎn)性能的重要因素之一[1-4]，中國(guó)地域遼闊，大部分規(guī)?；i場(chǎng)處于典型的大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，豬舍要滿足母豬生長(zhǎng)生產(chǎn)較為適宜的熱環(huán)境和空氣質(zhì)量環(huán)境，夏季需要降溫設(shè)施，冬季需要供暖設(shè)施；目前規(guī)?；i場(chǎng)常見(jiàn)的環(huán)境調(diào)控方式夏季濕簾-風(fēng)機(jī)或噴淋降溫和冬季天然氣或燃煤供暖等，其運(yùn)行費(fèi)用和能耗均比較高[5]。隨著全球能源的日益短缺和原油價(jià)格的不斷攀升，以及相關(guān)環(huán)保法律法規(guī)對(duì)豬舍廢氣排放的嚴(yán)格限制[6-7]，減少能源消耗和利用可再生能源是新式規(guī)模化豬場(chǎng)環(huán)境調(diào)控方式的主要發(fā)展趨勢(shì)。通風(fēng)系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)是規(guī)模化豬場(chǎng)環(huán)境調(diào)控的重要組成部分之一，在眾多的豬舍通風(fēng)模式中，地道通風(fēng)系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行能耗低且兼容性好[8]等優(yōu)點(diǎn)受到越來(lái)越多的關(guān)注。

地層具有蓄熱保溫的特性，一定深度的地層能將溫度維持在15～20 ℃之間且不受季節(jié)變化影響[9]。地道通風(fēng)系統(tǒng)將新風(fēng)引入地道，利用地層的蓄熱特性對(duì)新風(fēng)降溫或者預(yù)熱，并通過(guò)正壓或負(fù)壓將處理后的新風(fēng)送入豬舍，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)豬舍環(huán)境的調(diào)控[10]。Jos等[11]在丹麥地區(qū)設(shè)計(jì)的育肥舍地道風(fēng)系統(tǒng)冬季可以將新風(fēng)溫度提高約4 ℃，豬舍氨氣（NH3）平均質(zhì)量濃度維持在1.5 mg/m3左右；Wagenberg等[12]在荷蘭地區(qū)建設(shè)的保育舍地道通風(fēng)系統(tǒng)冬季使舍內(nèi)二氧化碳（CO2）平均質(zhì)量濃度維持在 2 534 mg/m3左右，移除仔豬生活區(qū)域空氣污染物的效率CRE（Contaminant Removal Effectiveness）為1.41（CRE>1表示該區(qū)域空氣污染物濃度較低）；Rubayet等[13]在韓國(guó)地區(qū)建設(shè)的育肥舍地道風(fēng)系統(tǒng)冬季使豬舍細(xì)菌總量維持在150 CFU（Colony-Forming-Units），豬只咬尾、咬耳、爬跨等動(dòng)物行為大大改善。Hessel等[14-15]在德國(guó)地區(qū)針對(duì)分娩舍和育肥舍設(shè)計(jì)的地道通風(fēng)系統(tǒng)可以使豬舍冬季在不供暖的條件下，舍內(nèi)平均溫度穩(wěn)定地維持在21和24 ℃，夏季舍內(nèi)溫度均不超過(guò)29 ℃。上述研究表明地道通風(fēng)的方式對(duì)豬舍的環(huán)境控制有較好的促進(jìn)作用，但在中國(guó)地區(qū)妊娠母豬舍的應(yīng)用研究并不多見(jiàn)。

規(guī)模化母豬場(chǎng)妊娠母豬通常采用自動(dòng)料線定位欄飼養(yǎng)，集約化自動(dòng)化程度較高，飼養(yǎng)數(shù)量大密度也較高，生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱和氣體污染物需要及時(shí)排出。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)規(guī)模化豬場(chǎng)采用的橫向或縱向濕簾降溫系統(tǒng)很難滿足妊娠母豬對(duì)熱環(huán)境和空氣質(zhì)量環(huán)境的需求[16]。因此，本研究以采取濕簾與地道相結(jié)合的改進(jìn)濕簾降溫系統(tǒng)的妊娠母豬舍為研究對(duì)象，對(duì)該豬舍夏季和冬季舍內(nèi)環(huán)境進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)和分析，以期為設(shè)計(jì)適合中國(guó)情和氣候條件的環(huán)境友好型規(guī)?；i場(chǎng)通風(fēng)系統(tǒng)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)豬舍概況

試驗(yàn)豬場(chǎng)為河南省信陽(yáng)市某農(nóng)牧集團(tuán)的現(xiàn)代化商業(yè)核心種豬場(chǎng)，該地區(qū)夏季炎熱，冬季寒冷，屬于典型大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。該種豬場(chǎng)存欄丹系一元種豬（大白和長(zhǎng)白）2 400頭，整場(chǎng)采用母豬區(qū)和種豬育成區(qū)“兩點(diǎn)式”布局。母豬區(qū)含配種舍、妊娠舍和分娩舍各一棟。配種舍定位欄14排812個(gè)，尺寸為56 m×47 m×4 m（長(zhǎng) ×寬×高），妊娠舍定位欄24排1 344個(gè)，尺寸為98 m×47 m×4 m（長(zhǎng)×寬×高）。妊娠母豬采用定位欄結(jié)合自由活動(dòng)的福利方式飼養(yǎng)，定位欄尺寸為2.4 m×0.7 m（長(zhǎng)×寬），母豬后進(jìn)后出，兩排欄尾對(duì)尾區(qū)域鋪設(shè)漏縫地板（縫寬0.025 m），寬2.8 m，母豬在該區(qū)域可以自由活動(dòng)；頭對(duì)頭之間實(shí)體地板寬0.6 m，中間預(yù)留寬0.12 m地下風(fēng)道出風(fēng)口，出風(fēng)口處加格柵防護(hù)；采用周批次生產(chǎn)節(jié)律，人工授精，哺乳期結(jié)束的母豬通過(guò)密閉式趕豬走廊轉(zhuǎn)到配種區(qū)發(fā)情待配，4～5周進(jìn)行B超孕檢，懷孕母豬轉(zhuǎn)到妊娠區(qū)，108～110 d后轉(zhuǎn)入產(chǎn)房待產(chǎn)；采用通體食槽喂料喂水，塞盤式機(jī)械料線系統(tǒng)每天8:00和14:00給母豬定時(shí)喂料，按日齡2.2～3.0 kg/ (d·頭) 喂料；每次喂料結(jié)束后食槽注水，喂料前清空食槽。拔塞式水泡糞排污方式，每排欄糞池寬1.8 m，深1.2 m，每個(gè)糞池間隔28～30 d拔塞排空。

豬舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 m高實(shí)體磚墻外加0.05 m厚XPS保溫板，磚墻以上采用鋼結(jié)構(gòu)。舍內(nèi)吊頂高度2.4 m；實(shí)體磚墻以上的墻體、屋面和吊頂均采用鍍鋁鋅彩鋼板內(nèi)夾0.1 m厚玻璃絲綿。為保證豬舍密封良好，墻體和吊頂所有接縫處采用聚氨酯噴涂作密封處理。

1.2 改進(jìn)濕簾降溫系統(tǒng)通風(fēng)模式及設(shè)備配置

選取妊娠舍為試驗(yàn)豬舍，該豬舍改進(jìn)濕簾降溫系統(tǒng)通風(fēng)模式如圖1所示，舍外新風(fēng)經(jīng)濕簾進(jìn)入母豬位實(shí)體地板下方的地下風(fēng)道，經(jīng)母豬頭部前方的進(jìn)風(fēng)口均勻進(jìn)入舍內(nèi)，污濁廢氣經(jīng)屋頂風(fēng)機(jī)排出舍外。為滿足出風(fēng)均勻，定位欄尾對(duì)尾的每條過(guò)道上方配置直徑為0.76 m的屋頂風(fēng)機(jī)4臺(tái)（3臺(tái)定速1臺(tái)變速）（額定電壓380 V，輸入功率0.55 kW，風(fēng)量14 750 m3/h，-20 Pa，Big Herdsman），離地高度2 m，間距11 m，12條過(guò)道共配置屋頂風(fēng)機(jī)48臺(tái)；配置7.2 m ×1.8 m（長(zhǎng)×寬）濕簾12塊（型號(hào)：7090，Big Herdsman）。室內(nèi)溫度由環(huán)境控制器（BH9100，Big Herdsman）自動(dòng)調(diào)控，濕簾水泵開(kāi)啟溫度設(shè)置28 ℃。過(guò)濕簾最大風(fēng)速1.8 m/s，地下風(fēng)道入風(fēng)口最大風(fēng)速3.4 m/s，出風(fēng)口最大風(fēng)速3.2 m/s。

圖1 試驗(yàn)豬舍示意圖

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 豬舍環(huán)境指標(biāo)測(cè)試

豬舍環(huán)境測(cè)試時(shí)間選取夏季（2019年8月13—19日）和冬季（2020年1月7—13日）。任取妊娠區(qū)12排欄為環(huán)境測(cè)試區(qū)。測(cè)試的指標(biāo)為溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速，NH3、CO2和粉塵（PM2.5和PM10）的質(zhì)量濃度，各測(cè)試點(diǎn)如圖1所示。隨機(jī)選取一條地下風(fēng)道，濕簾后端放置溫濕度記錄儀（Elitech RC-4HA/C，江蘇精創(chuàng)集團(tuán)）1個(gè)，風(fēng)道中沿長(zhǎng)度方向上距離濕簾端8（前）、22（中）和36 m（后）各放置溫濕度記錄儀1個(gè)，測(cè)試風(fēng)道內(nèi)溫濕度變化；豬舍內(nèi)部前、中和后離地面1.5 m高度各放置溫濕度記錄儀1個(gè)，測(cè)試舍內(nèi)溫濕度變化；舍外同時(shí)放置2個(gè)溫濕度記錄儀記錄舍外氣候環(huán)境，安裝在距地面高1.8 m的背陰面，并用錫箔紙包裹作防輻射處理；數(shù)據(jù)采集間隔均設(shè)置為15 min。豬舍前、中和后的母豬背部高度（0.5 m）處測(cè)試風(fēng)速（AR866A，北京美特邇有限公司）、NH3、CO2（HYE 2000，臺(tái)州漢遙電子有限公司）和粉塵濃度（DT-96B，鄭州君達(dá)有限公司），每天8:00—10:00、13:00—15:00、18:00—20:00采集3次測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，每次采樣3次，取其平均值作為該測(cè)點(diǎn)采集值。數(shù)據(jù)采集過(guò)程避開(kāi)喂料時(shí)間[17]。

1.3.2 改進(jìn)濕簾降溫系統(tǒng)節(jié)能性能的評(píng)估

改進(jìn)濕簾降溫系統(tǒng)節(jié)能性能的主要原因是地道對(duì)新風(fēng)的熱交換作用，其節(jié)能評(píng)估計(jì)算公式如下

Q（1）

式中Q為改進(jìn)濕簾降溫系統(tǒng)節(jié)能功率，kW，Q值為正值，表示改系統(tǒng)對(duì)新風(fēng)預(yù)熱功率，若為負(fù)值則表示改系統(tǒng)對(duì)新風(fēng)預(yù)冷功率；v為豬舍通風(fēng)量，m3/s；c為空氣的定壓比熱容，取1.03 kJ/(kg·℃)；ρ為空氣密度，ρ=353/(t+273)，kg/m3，0為舍外平均溫度，℃；t為地道平均溫度，℃。

1.3.3 妊娠母豬熱應(yīng)激狀態(tài)評(píng)估

利用有效環(huán)境溫度（Effective Environmental Temperature，EET）和呼吸頻率對(duì)母豬應(yīng)激狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。

EET是綜合了溫度、濕度和風(fēng)速的來(lái)計(jì)算母豬體感有效溫度的指標(biāo)[18]，公式為

式中EET為母豬體感有效溫度，℃；t為豬舍舍內(nèi)溫度，℃；RH為舍內(nèi)相對(duì)濕度，%；母豬區(qū)域風(fēng)速，m/s。EET低于15 ℃時(shí)，母豬采食量開(kāi)始增加，出現(xiàn)扎堆取暖現(xiàn)象，該溫度為母豬最低臨界溫度（Lower Critical Temperature，LCT），EET高于27 ℃時(shí)，母豬蒸發(fā)降溫作用增加明顯，出現(xiàn)體溫升高、采食量減少、呼吸頻率加快現(xiàn)象，該溫度為母豬蒸發(fā)臨界溫度（Evaporative Critical Temperature，ECT），EET高于36 ℃時(shí)，母豬自身散熱能力達(dá)到極限，如果溫度進(jìn)一步升高，母豬可能會(huì)出現(xiàn)死亡現(xiàn)象，該溫度為母豬最高臨界溫度（Upper Critical Temperature，UCT）。即：EET ＜15 ℃為冷應(yīng)激，15 ℃＜EET＜27 ℃為舒適區(qū)，27 ℃≤EET＜36 ℃為熱應(yīng)激狀態(tài)[19]。

任意選取6排欄，每排隨機(jī)選取10只安靜躺臥的妊娠母豬，利用人工采集方法記錄妊娠母豬腹部1 min起伏次數(shù)即呼吸頻率，每天8:00—10:00、13:00—15:00和18:00 —20:00采集數(shù)據(jù)，每次采樣3次，取其平均值作為該測(cè)點(diǎn)采集值。母豬的呼吸頻率是反映應(yīng)激狀態(tài)的重要生理指標(biāo)之一[20]，呼吸頻率20～30次/min為妊娠母豬適宜狀態(tài)，呼吸頻率30～80次/min為妊娠母豬輕度熱應(yīng)激狀態(tài)，呼吸頻率高于80次/min為熱應(yīng)激狀態(tài)[19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 改進(jìn)濕簾降溫系統(tǒng)對(duì)舍內(nèi)熱環(huán)境的影響

如表1，夏季測(cè)試期間舍內(nèi)平均溫度（27.1±1.0）℃，平均相對(duì)濕度（87.5%±2.6%）。舍外平均溫度為（28.7±2.4）℃，平均相對(duì)濕度為（81.3%±5.4%）；新風(fēng)經(jīng)過(guò)濕簾后溫度平均降低2.3 ℃，平均相對(duì)濕度提高11個(gè)百分點(diǎn)；進(jìn)入地道后平均溫度再次降低0.9 ℃，平均濕度提高5.3個(gè)百分點(diǎn)；進(jìn)風(fēng)過(guò)程新風(fēng)溫度平均降低3.2 ℃，增加地道通風(fēng)系統(tǒng)后，空氣降溫效果平均提高25%。8月18日—19日之間為陰雨天氣，舍外平均溫度不高（26.4 ℃），相對(duì)濕度較大（平均相對(duì)濕度90%），濕簾水泵沒(méi)有開(kāi)啟，室外新風(fēng)溫度經(jīng)過(guò)濕簾后變化不大，但進(jìn)入地道后平均溫度降幅1.8 ℃，進(jìn)一步說(shuō)明改進(jìn)濕簾系統(tǒng)對(duì)高溫高濕空氣具有降溫效果。

冬季測(cè)試期間舍內(nèi)平均溫度（17.6±1.2）℃，平均相對(duì)濕度（75.9%±2.4%）。舍外平均溫度為（0.4±2.8）℃，平均相對(duì)濕度為（92.1%±4.3%）；冬季濕簾水泵停止運(yùn)行，經(jīng)過(guò)濕簾的新風(fēng)溫度約等于舍外空氣溫度，進(jìn)入地道后平均溫度升高8.0 ℃，平均濕度降低24.4個(gè)百分點(diǎn)。

豬是恒溫動(dòng)物，豬舍的溫度越穩(wěn)定越有利于豬只健康[21]，Hahn等[22]證實(shí)豬舍的溫度波動(dòng)低于5 ℃對(duì)豬只福利和健康影響不明顯。改進(jìn)濕簾降溫系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入地道熱冷空氣降溫升溫的“阻尼”特性使豬舍內(nèi)的溫度更容易保持穩(wěn)定。夏季經(jīng)濕簾降溫后的新風(fēng)溫度波動(dòng)幅度為4.3 ℃，舍內(nèi)溫度波動(dòng)幅度為3.7 ℃，改進(jìn)濕簾降溫系統(tǒng)使舍內(nèi)溫度波動(dòng)幅度減低14%；冬季舍外溫度波動(dòng)幅度為8.1 ℃，舍內(nèi)溫度波動(dòng)幅度為3 ℃，改進(jìn)濕簾降溫系統(tǒng)降使舍內(nèi)溫度波動(dòng)幅度減低64%。舍內(nèi)溫度的穩(wěn)定也降低豬舍環(huán)控設(shè)備調(diào)控強(qiáng)度，延長(zhǎng)環(huán)控設(shè)備的使用壽命。

表1 各測(cè)點(diǎn)溫濕度測(cè)定值

Wang等[23]的研究發(fā)現(xiàn)地道中風(fēng)速在1～5 m/s范圍時(shí)，風(fēng)速越低，地道對(duì)空氣溫度降低或升高的幅度越大。試驗(yàn)豬舍夏季地道中空氣的平均風(fēng)速（1.9 m/s）大于冬季地道中空氣的平均風(fēng)速（0.3 m/s），因此新風(fēng)進(jìn)入地道后夏季溫度的降低的幅度小于冬季溫度升高的幅度，Hessel等[14-15]也證實(shí)通過(guò)地道進(jìn)風(fēng)的豬舍夏季溫度舍內(nèi)波動(dòng)幅度大于冬季舍內(nèi)溫度波動(dòng)幅度。本研究母豬舍夏季舍內(nèi)平均溫度低于蒲紅州等[24]調(diào)查的僅用濕簾降溫妊娠母豬舍的平均溫度（29.4 ℃），主要原因是本研究夏季新風(fēng)進(jìn)入舍內(nèi)之前經(jīng)過(guò)濕簾和地下風(fēng)道2次熱處理。濕簾蒸發(fā)降溫時(shí)空氣的狀態(tài)變化過(guò)程為等焓加濕冷卻過(guò)程，降溫過(guò)程受空氣相對(duì)濕度大小制約，相對(duì)濕度高于70%時(shí)降溫效率較低[25]；地道降溫時(shí)空氣的狀態(tài)變化過(guò)程為近似等濕冷卻過(guò)程，降溫過(guò)程不受空氣濕度大小制約[26]，經(jīng)過(guò)濕簾降溫后的高濕空氣進(jìn)入地道后，溫度可以進(jìn)一步降低。因此，本研究母豬舍夏季的降溫效果高于僅用濕簾降溫的母豬舍。

如表2，夏季和冬季試驗(yàn)豬舍前、中、后各測(cè)點(diǎn)的溫濕度無(wú)明顯差異，各測(cè)點(diǎn)夏季風(fēng)速分布無(wú)明顯差異，冬季無(wú)風(fēng)速，說(shuō)明改進(jìn)濕簾降溫系統(tǒng)模式下豬舍溫濕度和風(fēng)速分布均勻。目前規(guī)?；i場(chǎng)普遍采用縱向通風(fēng)模式，賀城等[27]采用CFD技術(shù)對(duì)夏季縱向通風(fēng)豬舍的氣流場(chǎng)進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)豬舍各處溫度分布不均（25～30 ℃）；豬舍風(fēng)速在靠近進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口較高區(qū)域較高，其他區(qū)域較低。李鯤鵬等[28-29]分別對(duì)不同規(guī)模豬場(chǎng)的縱向通風(fēng)妊娠舍進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，均發(fā)現(xiàn)夏季豬舍前后溫差明顯，最大溫差達(dá)7 ℃。因此，改進(jìn)濕簾降溫系統(tǒng)模式妊娠舍舍內(nèi)溫濕度、風(fēng)速分布優(yōu)于縱向通風(fēng)模式妊娠舍。

妊娠母豬生長(zhǎng)適宜溫度區(qū)間為15～20 ℃，高臨界值為27 ℃，低臨界值13 ℃；相對(duì)濕度舒適范圍60% ~ 70%，高臨界值80%，低臨界值50%[30]。試驗(yàn)豬舍冬季舍內(nèi)溫度和相對(duì)濕度均在妊娠母豬的生產(chǎn)適宜區(qū)間之內(nèi)；夏季豬舍內(nèi)溫度接近妊娠母豬溫度高臨界值，相對(duì)濕度超過(guò)高臨界值，且母豬區(qū)域風(fēng)速較低，因此夏季試驗(yàn)豬舍母豬可能有熱應(yīng)激風(fēng)險(xiǎn)。

表2 舍內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)溫濕度和風(fēng)速

2.2 改進(jìn)濕簾降溫系統(tǒng)節(jié)能性能分析

改進(jìn)濕簾降溫系統(tǒng)由于地道熱交換的作用，在沒(méi)有增加額外能耗的前提下，夏季降低了新風(fēng)進(jìn)舍的溫度，冬季提高了新風(fēng)進(jìn)舍的溫度，根據(jù)公式（1），該系統(tǒng)夏季、冬季節(jié)能與新風(fēng)溫度關(guān)系如圖2所示，夏季新風(fēng)溫度越高，該系統(tǒng)的降溫功率越高，冬季新風(fēng)溫度越低，該系統(tǒng)的加熱功率越高。試驗(yàn)測(cè)試區(qū)域建筑面積為2 196 m2，夏季該系統(tǒng)對(duì)進(jìn)舍新風(fēng)平均降溫功率增加了?84.4 kW，即經(jīng)過(guò)濕簾降溫后，該系統(tǒng)對(duì)豬舍額外提供了39.0 W/m2的制冷負(fù)荷；冬季該系統(tǒng)的平均加熱功率增加了121.6 kW，即無(wú)供暖設(shè)備條件下，該系統(tǒng)為豬舍提供56.1 W/m2的采暖負(fù)荷。因此采用改進(jìn)濕簾降溫系統(tǒng)提高了的、規(guī)?；肛i舍環(huán)境調(diào)控水平也減少了制冷、供暖設(shè)備的投資和運(yùn)行費(fèi)用。

圖2 不同溫度條件下改進(jìn)濕簾降溫系統(tǒng)節(jié)能曲線

2.3 新風(fēng)溫度沿地道長(zhǎng)度方向的變化

圖3反映夏季和冬季新風(fēng)溫度沿地道長(zhǎng)方向的變化規(guī)律。夏季風(fēng)道入口處新風(fēng)平均溫度26.2 ℃，經(jīng)過(guò)地道的前端8 m處平均溫度降低0.7 ℃，經(jīng)過(guò)地道的中間22 m處平均溫度降低0.4 ℃，經(jīng)過(guò)地道的后端36 m處平均溫度降低0.1 ℃，地道前端降溫較快，地道后端降溫緩慢，前半程的降溫幅度約為總降溫幅度的92%；冬季風(fēng)道入口處新風(fēng)平均溫度0.4 ℃，經(jīng)過(guò)地道的前端8 m處平均溫度升高5.5 ℃，經(jīng)過(guò)地道的中間22 m處平均溫度升高2.2 ℃，經(jīng)過(guò)地道的后端36 m處平均溫度升高1.1 ℃，地道前端升溫較快，地道后端升溫緩慢，前半程的升溫幅度約為總升溫溫幅度的87%。Niu等[31]認(rèn)為新風(fēng)在地道的前半段與風(fēng)道的內(nèi)表面溫度溫差較大，與地道熱交換的效率較高，新風(fēng)沿長(zhǎng)度方向與地道內(nèi)表面的溫差越來(lái)越低，新風(fēng)與地道之間熱交換的效率也越來(lái)越低，所以新風(fēng)溫度隨地道長(zhǎng)度的增加變化幅度趨緩。Jakhar等[32]研究長(zhǎng)度為60 m地道在不同風(fēng)速下的預(yù)熱性能時(shí)發(fā)現(xiàn)82%～85%新風(fēng)溫度增加幅度發(fā)生在前34 m。Morshed等[33]將地道通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用在雞舍環(huán)境控制中，證實(shí)地道的前半段對(duì)新風(fēng)的降溫幅度影響顯著。因此，在條件允許的情況下，為進(jìn)一步提高該系統(tǒng)的熱效率，可以考慮雙側(cè)地道進(jìn)風(fēng)的通風(fēng)方式。

圖3 夏季和冬季空氣溫度沿風(fēng)道長(zhǎng)度的變化曲線

2.4 改進(jìn)濕簾降溫系統(tǒng)對(duì)妊娠母豬應(yīng)激的影響

測(cè)試期間試驗(yàn)豬舍母豬體感有效溫度（EET）變化規(guī)律如圖4。夏季條件下母豬平均EET為（26.4±1.2）℃，最高EET為29.4℃，最低EET為24.4℃，28%時(shí)間的EET在27和15 ℃之間，72%時(shí)間的EET高于27 ℃；冬季條件下母豬平均EET為（26.0±0.6）℃，最高EET為26.9℃，最低EET為24.8℃，所有時(shí)間的EET均在27和15 ℃之間。夏季條件下呼吸頻率早、中和晚上的平均呼吸頻率分別為（49±19）、（64±18）和（52±19）次/min。冬季呼吸頻率早、中和晚均在20 ~ 30次/min之間。因此綜合有效溫度和呼吸頻率2個(gè)指標(biāo)，該系統(tǒng)下冬季母豬處于舒適狀態(tài)，而夏季有輕微熱應(yīng)激現(xiàn)象，可能會(huì)對(duì)受胎率、分娩率、產(chǎn)活仔數(shù)等生產(chǎn)性能指標(biāo)造成不利影響[34]。

圖4 夏季和冬季妊娠舍母豬體感EET變化規(guī)律

Hoff[35]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境溫度低于豬體表溫度時(shí)，增加空氣流速可以有效的帶走豬只自身產(chǎn)生的熱量，降低豬只有效溫度和熱應(yīng)激程度。妊娠母豬體表溫度34 ℃左右，試驗(yàn)豬舍夏季舍外新風(fēng)經(jīng)地道風(fēng)將溫度降至25℃左右，但新風(fēng)從地道出風(fēng)口進(jìn)入豬舍過(guò)程中，經(jīng)過(guò)母豬活動(dòng)區(qū)域的新風(fēng)風(fēng)速較低，因此，為提高母豬熱環(huán)境的舒適度，降低妊娠母豬熱應(yīng)激的風(fēng)險(xiǎn)，下一步的研究需要考慮導(dǎo)流板等措施增加母豬活動(dòng)區(qū)域的風(fēng)速。吳中紅等[36]證實(shí)在平均溫度為27.7 ℃的妊娠舍，母豬活動(dòng)區(qū)域風(fēng)速增加到0.9 m/s時(shí)，母豬的各項(xiàng)生理和生產(chǎn)指標(biāo)均無(wú)熱應(yīng)激狀況。

2.5 改進(jìn)濕簾降溫系統(tǒng)對(duì)豬舍空氣質(zhì)量環(huán)境的影響

試驗(yàn)豬舍冬季和夏季空氣污染物平均質(zhì)量濃度如圖 5所示，冬季和夏季NH3、CO2和粉塵PM2.5及PM10平均質(zhì)量濃度分別為 (2.8±0.4) mg/m3、（1 440 ±80）mg/m3、（45.9±6.0）g/m3、（64.8±3.7）g/m3和（1.5±0.1）mg/m3、（1 030±38） mg/m3、（23.2 ±3.2）g/m3、46.2±3.3）g/m3，冬季豬舍空氣污染物濃度高于夏季，但低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《規(guī)?；i場(chǎng)環(huán)境參數(shù)及環(huán)境管理（GB/T 17824.3—2008）》規(guī)定豬舍空氣污染物濃度極限水平（NH3、CO2、和粉塵分別為20 mg/m3、1 800 mg/m3、和1 500g /m3）[30]，也低于Dong等[37]測(cè)試的傳統(tǒng)規(guī)?；焉镓i舍空氣污染物平均質(zhì)量濃度。冬季和夏季豬舍空氣污染物質(zhì)量濃度總體分布均勻，豬舍通風(fēng)無(wú)死角。這表明改進(jìn)濕簾降溫系統(tǒng)通風(fēng)模式的豬舍舍內(nèi)空氣質(zhì)量環(huán)境良好，滿足豬只健康生長(zhǎng)和飼養(yǎng)人員工作的環(huán)境要求。

圖5 夏季和冬季舍內(nèi)不同位置NH3、CO2、PM2.5及PM10濃度的分布規(guī)律

試驗(yàn)豬舍冬季平均通風(fēng)量（69.4 m3/h）低于夏季豬舍平均通風(fēng)量（433 m3/h），豬舍通風(fēng)量越大，通風(fēng)過(guò)程進(jìn)入豬舍空間的新鮮空氣越多，豬舍內(nèi)空氣污染物濃度越低，因此冬季豬舍空氣污染物濃度高于夏季豬舍空氣污染濃度。由于地道通風(fēng)對(duì)新風(fēng)的預(yù)熱作用，冬季進(jìn)入舍內(nèi)的新風(fēng)與豬舍溫差較小，試驗(yàn)豬舍冬季平均通風(fēng)量高于傳統(tǒng)妊娠母豬舍冬季平均通風(fēng)量（34 m3/h），因此試驗(yàn)豬舍冬季空氣污染物濃度較傳統(tǒng)妊娠母豬舍更低。

新風(fēng)由地道出風(fēng)口均勻進(jìn)入豬只活動(dòng)區(qū)域，能更有效的稀釋豬群活動(dòng)區(qū)域的空氣污染物濃度[38]；豬群因自身的產(chǎn)熱會(huì)產(chǎn)生向上的氣流，將屋頂風(fēng)機(jī)均布于豬群上方，會(huì)使豬舍新風(fēng)分布更均勻[39]。Jerez等[40]研究發(fā)現(xiàn)縱向通風(fēng)模式妊娠舍（64.6 m×12.2 m，長(zhǎng)×寬）NH3濃度夏季豬舍沿豬舍橫向分布明顯不均勻，冬季沿豬舍縱向分布明顯不均勻，粉塵濃度夏季沿豬舍縱向分布明顯不均勻，冬季沿豬舍橫向向分布明顯不均勻，因此試驗(yàn)豬舍氣流組織形式空氣污染物濃度分布均勻性優(yōu)于傳統(tǒng)縱向通風(fēng)模式妊娠豬舍。

3 結(jié) 論

良好的通風(fēng)系統(tǒng)能夠?yàn)槟肛i提供最佳的生長(zhǎng)生產(chǎn)環(huán)境，也能夠節(jié)省能源消耗，降低豬場(chǎng)運(yùn)營(yíng)成本。本研究以典型的中國(guó)大陸性氣候?yàn)楸尘埃瑢?duì)河南地區(qū)2400頭規(guī)?；肛i場(chǎng)妊娠舍改進(jìn)濕簾降溫系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，分別研究夏季與冬季環(huán)境下試驗(yàn)豬舍的舍內(nèi)環(huán)境特性以及母豬的應(yīng)激狀態(tài)，得出以下結(jié)論：

1）夏季改進(jìn)濕簾降溫系統(tǒng)提高了25%的降溫效果，對(duì)新風(fēng)平均降溫功率增加了-84.4 kW；冬季舍內(nèi)不供暖，對(duì)新風(fēng)的平均加熱功率為增加了121.6 kW，87%以上的節(jié)能效果發(fā)生在地下風(fēng)道前半程。

2）試驗(yàn)豬舍舍內(nèi)溫濕度、風(fēng)速分布均勻，且舍內(nèi)溫度波動(dòng)低于3.7 ℃。夏季和冬季舍內(nèi)平均溫度為（27.1±1.0）和（17.6±1.2）℃；綜合豬舍母豬體感有效溫度和呼吸頻率等應(yīng)激程度指標(biāo)，母豬冬季處于舒適狀態(tài)，夏季有輕度熱應(yīng)激現(xiàn)象。

3）冬季和夏季舍內(nèi)新風(fēng)分布均勻，空氣質(zhì)量環(huán)境良好，NH3、CO2、和粉塵PM2.5及PM10各點(diǎn)測(cè)質(zhì)量濃度分布均勻，且均小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的妊娠舍空氣污染物濃度極限水平。

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Li Xiusong1,2, Ye Zhangying1, Li Guoming3, Shen Pan2, Zhu Songming1※, Feng Xiaolong2

(1.,,310058,; 2..,.,266000,; 3.,,,39762,)

Cooling and heating facilities are highly demanding in summer and winter, respectively, particularly for most large-scale pig farms in the typical continental monsoon climate zone in China. An energy-efficient ventilation system is essential to the environmental requirements for the growth and production of sow. Currently, a pad-fan evaporative cooling system is the most common method to control environmental temperature inside the housing for the large-scale pig unit. The operation of cooling process can provide comfortable temperature of fresh air, but make a big drop in the indoor temperature between both ends of a large pig house. However, the uneven distribution of fresh air in a large house can result in the extreme need for a high energy consumption in a cooling system. In the case of current pad cooling system, it is difficult to meet the requirements of thermal environment and air quality for pregnant sows in large-scale sow farms. Fortunately, a ground channel ventilation system is widely concerned in the environmental control field of pig farms, because it can cool down in summer and simultaneously warm up in winter. In the present study, an innovative ventilation system combining cooling pad and ground channel was proposed to explore the environmental characteristics inside a swine gestation barn. This feasible system was designed to significantly improve the uniformity of air distribution, while, reduce the energy consumption, by controlling the temperature difference between the front and rear of a large pig house. A typical pregnant sow house with this innovative ventilation system was built in Henan Province, China. The specific ventilation mode was as follows: the outdoor fresh air entered the underground duct system below the solid floor of the sow through the cooling pad, then flew into the house uniformly from the air inlet in front of the head of the sow, and finally the waste gas was discharged out of the house by the roof fan. The house with the size of L×W×H 98m×47m×4m contained 1344 pregnant sows, and 24 rows of gestation stalls. Half of the area with the size of 49m×44m was selected for the environmental test. The field test was carried out to investigate the effect of new cooling system on environmental characteristics inside the pregnant sow house. The parameters related to thermal environment and air quality were measured to analyze the environment change of the pigsty in summer and winter. Temperature/relative humidity (RH) sensors, anemometers, air quality monitors, and air particle counters were used to measure the temperature/RH, air speed, NH3/CO2content, and PM2.5/PM10 distribution, respectively, during summer and winter. The effective environmental temperature was recorded, and the breathing rate were calculated, in order to evaluate sow stress status in summer and winter. The results show that during summer, the temperature of input air was reduced more than 25% with the innovative ventilation system, while, maintaining the air temperature at (27.1±1.0)oC, and the average cooling efficiency was ?84.4 kW. During winter, the air temperature was retained at (17.7±1.2)oC without extra heating, and the average heating efficiency was 121.6 kW. More than 87% of the heat exchanged at the first half (close to the air inlet) of the system. The temperature, RH, and air speed were distributed evenly, where the temperature fluctuation was less than 3.8oC. The indexes of effective environmental temperature (EET) and respiratory rate of sow were verified that the tested sows were under a comfortable environmental state of fresh air during winter, and slightly heat stress status during summer. The contents of NH3, CO2, PM2.5 and PM10 were distributed evenly in the large house, less than those recommended national standards released by Chinese governmental agencies. The innovative pad ventilation cooling system can significantly decrease energy consumption of environmental control, while maintain excellent air quality inside the swine gestation barn. This proposed cooling system can contribute to the crucial environmental-friendly and economic implications on swine production.

environment; breeding; gestation barn; underground ventilation system; thermal environment; air quality environment

李修松，葉章穎，李國(guó)銘，等. 規(guī)?；i場(chǎng)妊娠母豬舍改進(jìn)濕簾降溫系統(tǒng)的環(huán)境特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(20)：238-245.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.028 http://www.tcsae.org

Li Xiusong, Ye Zhangying, Li Guoming, et al. Environmental characteristics of a swine gestation barn with an innovative cooling pad system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(20): 238-245. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.028 http://www.tcsae.org

2020-05-12

2020-09-10

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助（2018YFD0500700）

李修松，博士生，主要從事畜禽養(yǎng)殖過(guò)程控制與環(huán)境研究。

Email：11813049@zju.edu.cn

朱松明，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)生物環(huán)境智能控制技術(shù)與裝備。Email：zhusm@zju.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.028

S831.4

A

1002-6819(2020)-20-0238-08