初冬最小風(fēng)量條件下無內(nèi)部阻礙和散熱時超長雞舍通風(fēng)特性研究

王友君 ，李元開，彭云 ，張定一 ，朱根生，姚堯，王曉亮，楊長鎖

（1-上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306；2-農(nóng)業(yè)部冷庫及制冷設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心，上海 201306；3-上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評價專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺，上海 201306；4-上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240；5-上海臨港新城建設(shè)工程管理有限公司安全與質(zhì)量管理部，上海 201306；6-上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，上海 201106；7-青島華丹牧業(yè)科技有限公司外貿(mào)部，山東青島 266133）

0 引言

雞舍空氣環(huán)境包括溫度、相對濕度、風(fēng)速度、污染物成分和濃度等參數(shù)，前面三個代表了熱舒適性，后面的代表了潔凈度。它與禽類的福利[1]、疾病[2]、生產(chǎn)能力[3]、防疫[4]、喂養(yǎng)及運行管理成本[5]、工作人員及周圍居民的健康[6]乃至全球大氣環(huán)境[7]等密切相關(guān)。近年來，隨著禽業(yè)發(fā)展，雞舍集約化程度越來越高，規(guī)模越來越大。一些科研人員發(fā)現(xiàn)雞舍的熱舒適性越來越糟糕[8-9]。還有一些研究顯示雞舍存在嚴(yán)重的空氣污染[10-11]。

通風(fēng)技術(shù)是控制雞舍空氣環(huán)境的主要手段。如此糟糕的雞舍環(huán)境必然是雞舍通風(fēng)設(shè)計不合理。過去，雞舍通風(fēng)設(shè)計一般默認(rèn)為空雞舍，即：舍內(nèi)沒有內(nèi)部阻礙（籠架和禽類等）和散熱，且各窗口均勻進(jìn)風(fēng)，舍內(nèi)氣流均勻分布。對于中小型空雞舍，這種設(shè)計理論顯然是正確的。但是，隨著雞舍長度增加，即使仍然是空雞舍，是否還符合這種假設(shè)，尚未有研究人員明確的結(jié)論。實踐證明：各種長度雞舍的實際通風(fēng)工況往往與傳統(tǒng)假設(shè)不符[12-16]。這種不符有可能是空間尺度變化的原因，也有可能是內(nèi)部阻礙或散熱的影響。因此，為了理解實際雞舍的通風(fēng)原理，應(yīng)明確空雞舍時，雞舍尺度變化是否對通風(fēng)特性產(chǎn)生影響。

雞舍通風(fēng)有兩種極限工況，一種是夏季最大風(fēng)量，一種是冬季最小風(fēng)量。最小風(fēng)量時，機械負(fù)壓排風(fēng)所形成的抽吸作用最弱，禽舍通風(fēng)特性最容易受其它影響因素干擾。為了明確空雞舍時空間尺度變大是否對其通風(fēng)特性有顯著的影響，本文采用數(shù)值模擬方法研究初冬最小風(fēng)量條件下無內(nèi)部阻礙和散熱時超長雞舍內(nèi)的氣流組織和窗口進(jìn)風(fēng)特征。

1 研究對象

本文研究對象是江蘇省某超長雞舍（圖1）。雞舍長128.00 m，寬11.00 m，墻高6.30 m，弧形屋頂高6.50 m；南北側(cè)墻和東端墻有96個1.20 m×0.31 m的通風(fēng)窗口；南北耳房各有兩個18.30 m×1.50 m的濕簾風(fēng)口；西端墻和北側(cè)墻西部共有19臺直徑1.40 m的大風(fēng)機（單機風(fēng)量50 970 m3/h）；南側(cè)墻西部、中部和北側(cè)墻東部共3臺直徑約1.00 m小風(fēng)機；舍內(nèi)共有4列長108.50 m×1.30 m×4.70 m的籠架，籠架西端有1.60 m清糞器，東端有2.70 m集蛋器。舍內(nèi)共飼養(yǎng)蛋雞約11萬只。初冬季節(jié)，室外空氣干球溫度為277.0 K，3臺小風(fēng)機同時工作，南北側(cè)墻和東部端墻上的通風(fēng)窗全部最大程度地打開（內(nèi)開60°），濕簾板關(guān)閉。

雞舍內(nèi)共設(shè)11個溫度監(jiān)測探頭，編號為1至11，單個探頭如圖1(b)所示。監(jiān)測程序每隔15 min記錄一次數(shù)據(jù)。其中，1～5在中間走道，6～8在近南側(cè)墻走道，9～11在近北側(cè)墻走道；其中，探頭1、3、5、6、8、9和11在距地面高度為1.10 m，探頭2、4、7和10距地面高為4.00 m。以西端墻地面中心點為原點，東為x軸，北為y軸，垂直向上為z軸，建立坐標(biāo)系，雞舍結(jié)構(gòu)和測點信息見文獻(xiàn)[17]。

圖1 超長雞舍的實景

2 數(shù)值模型

建立能夠盡可能真實反映圖1所示超長雞舍幾何特征的三維物理模型，并采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格把計算域劃分為206 106個微元。

對于雞舍通風(fēng)，流體屬于不可壓理想空氣。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)分別求解核心區(qū)和近壁附近的流動守恒方程[18-20]。

排風(fēng)扇風(fēng)速設(shè)為7.280 m/s，湍流強度為3.15%。室外相對壓力為0 Pa，空氣溫度為277.0 K。地面、圍墻、屋頂?shù)染鶠榇植诟叨葹?.000 15 m，粗糙常數(shù)為0.50的絕熱不光滑表面。

3 模型驗證

取2015年11月25日3:45—6:15之間的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對比，如圖2所示。實測得出11個測點的平均溫度為293.4 K，模擬得出的平均溫度為293.5 K，兩者極其接近。進(jìn)一步計算模擬與實驗數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測點1～5的相關(guān)性系數(shù)約為0.86，6～8的相關(guān)性系數(shù)約為0.89，9～10的相關(guān)性系數(shù)約為1.00，這說明模擬數(shù)據(jù)變化趨勢與實測數(shù)據(jù)的一致性很好。因此，本文所建立的數(shù)值模型可以用來研究超長雞舍的氣流組織。

圖2 模擬與實測溫度對比

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 氣流組織

模擬得出舍內(nèi)整體空氣流動特征為：排風(fēng)扇僅對其附近小范圍的空氣流速有顯著的影響，對雞舍其它區(qū)域風(fēng)速的影響較弱；舍內(nèi)空氣主要為橫向流動，側(cè)墻附近氣流上升，中心氣流下降，從而形成兩個反向渦旋，這種氣流形式有利于從窗口進(jìn)來的新鮮空氣被送至雞舍中部。進(jìn)一步分析各剖面的平均速度，見圖3。計算縱向、橫向和垂直方向上平均速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.06、0.01和0.01。結(jié)果表明：縱向上，長雞舍內(nèi)空氣流速在均勻性最差，最小風(fēng)速在耳房附近，約0.05 m/s，最大風(fēng)速出現(xiàn)在靠近風(fēng)機的橫剖面上。橫向上，因雙渦旋的影響，兩個渦旋的中心剖面速度相對較小。水平方向，同樣受雙渦旋影響，上下層風(fēng)速大于中心層風(fēng)速。雞舍整體的平均風(fēng)速約0.09 m/s，擬放置籠架的區(qū)域平均風(fēng)速約0.08 m/s，而籠架外區(qū)域的平均風(fēng)速約0.10 m/s。沒有內(nèi)部阻礙和散熱時，預(yù)測結(jié)果顯示：擬放置籠架區(qū)域與籠架外風(fēng)速也沒有顯著的差異。

圖3 各剖面平均速度

4.2 窗口風(fēng)量

為了分析各窗口的通風(fēng)狀態(tài)，圖4給出了各通風(fēng)窗的平均內(nèi)法線速度分量。計算東墻、北墻和南墻上速度分量的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.003、0.007和0.007?？梢钥闯?，當(dāng)沒有內(nèi)部阻擋和散熱時，長雞舍各墻上通風(fēng)窗口的平均內(nèi)法線速度分量均為0.4 m/s，彼此之間的差異都很小，即各窗口的進(jìn)風(fēng)量幾乎相等，約0.15 m3/s，均勻性很好。即使南北側(cè)墻上的排風(fēng)扇的位置和數(shù)量并不對稱，但南北側(cè)墻各窗口的進(jìn)風(fēng)量卻無差異。

圖4 各通風(fēng)窗口的平均內(nèi)法線速度分量

5 結(jié)論

本文研究了初冬最小風(fēng)量條件下不考慮內(nèi)部阻擋和散熱時超長雞舍（超長空雞舍）內(nèi)氣流組織和各側(cè)窗的進(jìn)風(fēng)速度，與傳統(tǒng)雞舍通風(fēng)設(shè)計的基本假設(shè)進(jìn)行對比，得出如下結(jié)論：

1）舍內(nèi)空氣流動的主要表現(xiàn)形式為南北側(cè)墻附近空氣上升中間空氣下降的兩個反向渦旋，雙渦旋充滿雞舍的整個橫截面；

2）舍內(nèi)空氣流速大小比較均勻，縱向、橫向和垂直方向上平均速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差分不超過0.06；

3）各窗口進(jìn)風(fēng)量也幾乎相等，東墻、北墻和南墻上窗口進(jìn)風(fēng)速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過0.007；

4）超長空雞舍與傳統(tǒng)通風(fēng)設(shè)計所默認(rèn)的負(fù)壓排風(fēng)時各風(fēng)口均勻進(jìn)風(fēng)的理論基本相符；空雞舍時，雞舍空間尺度變化對通風(fēng)特性沒有顯著影響；

5）由此推斷，現(xiàn)實中，超長雞舍通風(fēng)特性與傳統(tǒng)假設(shè)的差異，必然是內(nèi)阻礙或散熱的作用結(jié)果；因此為了理解內(nèi)阻礙或散熱對超長雞舍通風(fēng)的作用機理和影響程度，尚需以本文研究結(jié)果作為參考，進(jìn)一步分析有籠架、禽類及附屬設(shè)備等內(nèi)部阻擋，有動物散熱、照明及電動設(shè)備散熱時，雞舍內(nèi)空氣流動特性和窗口進(jìn)風(fēng)特征會發(fā)生什么樣的變化，從而建立更符合實際的雞舍通風(fēng)設(shè)計理論。