階梯籠雛雞舍熱水散熱風機進風角度CFD模擬與效果測試分析

董耀宗，潘云霞，關正軍

（西南大學工程技術學院，重慶 400715）

雛雞由于體溫調節(jié)機制未發(fā)育完善，對環(huán)境溫度尤為敏感[1]。長期處于不適溫度下，雛雞生長緩慢，易出現(xiàn)行為和生理障礙，對新事物有更強的恐懼反應[2-3]。因此，雞舍內適宜溫度對雛雞健康至關重要[4]。研究表明，雞舍內進風口進風角度對夏秋季舍內溫度有顯著影響。江曉明等發(fā)現(xiàn)在春季和秋季適度增大密閉階梯式雞舍進風角度，會提高氣流均勻性和養(yǎng)殖區(qū)降溫效果[5]；李文良等認為增大側窗風門開啟角度可提高夏季密閉平養(yǎng)式雞舍氣流分布均勻性[6]。但對于密閉階梯式籠養(yǎng)育雛雞舍，尚未見冬季供暖進風口進風角度對舍內溫度和氣流方面影響研究。同時，動物生長情況和健康狀況平是決定養(yǎng)殖收益重要因素[7]，目前國內外對禽舍通風環(huán)控系統(tǒng)研究中，大多針對禽舍環(huán)境影響[8-9]，進風角度對禽類個體生長發(fā)育、健康狀況等影響關注較少。

在北方集約化育雛雞舍中，集體供暖的熱水散熱風機系統(tǒng)可綜合調控雞舍供暖和通風換氣而應用廣泛[10]。但實際生產(chǎn)中，熱水散熱風機百葉窗開啟角度多憑經(jīng)驗確定，供暖進風角度對舍內供暖效果影響研究較少?；谟嬎懔黧w力學（Computational fluid dynamics，CFD）的數(shù)值模擬可直觀反映禽舍內溫度和氣流空間分布變化[11]，成為研究禽舍環(huán)境有效方法[12-13]。Kic等對夏季和冬季肉雞舍內通風作CFD模擬，發(fā)現(xiàn)模擬溫度分布與實測值擬合良好[14]。Zajicek等利用CFD優(yōu)化肉雞舍通風設計，認為采用CFD模擬技術優(yōu)化現(xiàn)有禽舍氣流和溫度分布可行[15]。為此，本研究利用CFD技術研究熱水散熱風機供暖進風角度對階梯式育雛雞舍溫度和氣流影響，確定滿足雛雞生長要求適宜進風角度，并通過實測值驗證，在此基礎上，研究供暖進風角度優(yōu)化前后對雛雞生長性能、行為、精神和健康狀況影響，為育雛雞舍高效環(huán)控和雛雞健康養(yǎng)殖提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于河南省溫縣誠鑫禽業(yè)階梯式籠養(yǎng)育雛蛋雞場（34°55′8′′N，112°57′56′′E）開展，舍內飼養(yǎng)20 000只2～3周齡海蘭褐蛋雛雞，平均質量約200 g·只-1，雞舍主體結構參數(shù)及設備尺寸見表1。

表1 雞舍主體結構參數(shù)及設備尺寸Table 1 Parameters of main structure and equipment size of chicken house

雞舍縱向為東西方向排列，山墻采用240 mm厚燒結磚，屋面及縱墻采用80 mm厚彩鋼聚苯乙烯夾芯板。雞籠為3列4層階梯式，首個雞籠距前端山墻3.3 m，最底層雞籠距糞道高0.6 m。雞舍內設置4條過道，每條過道寬1.3 m。熱水散熱風機沿雞舍縱向交錯布置，兩側各7臺（功率180 W，散熱量2.4×104kcal，青島久恒調溫科技有限公司），雞舍內外通過側窗交換氣流（見圖1b）。

1.2 試驗方法

由于熱水散熱風機布置點較低，氣流在雞舍下層波動較大，上部氣流較平穩(wěn)，為便于測量記錄，減小試驗誤差，在3列雞籠最底層布設36個風速測點，在距過道地面高度0.2 m和1.6 m兩個水平面內沿過道縱向與橫向均布40個溫度測點（見圖1a），溫度和風速分別采用溫度記錄儀和熱線式風速儀測定，每個測點測定3次，每次間隔15 s，取平均值。實地測量7 d，選擇每日12:00～14:00測量，此時氣溫較穩(wěn)定，且雛雞采食完成，走動少，相對安靜。測量時提前開啟熱水散熱風機供暖系統(tǒng)，關閉舍門運行15 min，至舍內空氣穩(wěn)定后開始測量溫度及風速。

圖1 育雛雞舍三維示意圖Fig.1 Three-dimensional schematic diagram of brooding chicken house

以45°供暖進風角度條件下1周齡海蘭褐蛋雛雞為試驗組（AO），37.5°供暖進風角度條件下1周齡海蘭褐蛋雛雞為對照組。兩組雛雞為同批次引進，由沈陽華美畜禽有限公司提供，飼養(yǎng)在結構、尺寸及設備等相同育雛雞舍中，相關免疫程序按照沈陽華美畜禽有限公司育雛雞免疫規(guī)范實行，日常飼養(yǎng)程序相同，定期開展衛(wèi)生清理和消毒。兩組各選取8個區(qū)域，共48籠480只初始體重及健康狀況無差異雛雞開展試驗，持續(xù)4個飼養(yǎng)周，分別通過生長性能、行為、精神和健康狀況4個方面研究雛雞生長情況，每個飼養(yǎng)周雛雞生長性能采用飼料消耗量、增重量及料肉比（Feed conversion ratio，F(xiàn)CR）評價，行為以雛雞攝食和飲水行為發(fā)生次數(shù)評價[16]，精神狀況以新奇物測試試驗（Novel object test，NOT）評價，具體測試方法與文獻[17]一致；健康狀況以精神委頓（垂頭縮頸、翅翼下垂）和糊肛雛雞只數(shù)評價。數(shù)據(jù)記錄使用Excel 2019，顯著性檢驗使用SPSS 24.0，0.01＜P＜0.05表示差異性顯著，P＜0.01表示差異性極顯著。

2 CFD建模與仿真

為模擬空氣流經(jīng)雞籠時壓力損失與氣流速度間關系，將雞籠簡化為多孔介質，模型如式（1）：

式中，ΔPi為i方向單位長度壓力損失項（kg·m-2·s-2）；μ為空氣動力粘度（kg·m-1·s-1）；D為粘性阻力系數(shù)；C為慣性阻力系數(shù)；vj為第j個方向氣流速度（m·s-1）；ρ為空氣密度（kg·m-3）；|v|為氣流速度（m·s-1）。

由于腿部、雞冠和尾部體積小，對氣流阻力影響小，故將其忽略，建立雞體簡化模型如圖2所示。按照1∶1比例對雞籠建模，利用虛擬風洞試驗模擬計算各向阻力系數(shù)[18-19]。由于雞只分布影響阻力系數(shù)，考慮雞爭斗性及對食物傾向性，將雛雞按照5只靠近食槽，5只隨機方式分布。根據(jù)Fluent結果擬合三軸方向上不同風速與單位長度靜壓降間方程，并結合式（1）求得在ρ為1.173 kg·m-3時三軸方向上阻力特性曲線方程為：ΔPx=167322.3v+0.371v2、ΔPy=145698.4v+0.637v2和ΔPz=129677.3v+0.736v2。多孔介質雞籠區(qū)域熱產(chǎn)生速率（Heat generation rate）由雛雞顯熱量決定。雛雞顯熱計算公式見式（2）和（3）[20]。

圖2 雛雞簡圖Fig.2 Simplification of brooding chicken

式中，Φ為顯熱產(chǎn)量（W）；W為雛雞體重（kg）；Ta為環(huán)境溫度（℃）；ka為空氣熱導率（W·m-1·k-1）；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)（W·m-1·K-4）；Gγ為格拉斯霍夫數(shù)，無量綱；α為空氣體積熱膨脹系數(shù)（k-1）；g為重力加速度（m·s-2）；ρ為空氣密度（kg·m-3）；μ為空氣動力粘度（kg·m-1·s-1）。

經(jīng)計算單位千克雛雞顯熱產(chǎn)量為11.25 W，20 000只平均質量200 g雛雞總顯熱產(chǎn)量為45 000 W，多孔介質雞籠區(qū)域體積為236.7 m2，熱產(chǎn)生速率為190.1 W·m-3。

對模型作簡化處理：①忽略通過窗戶進入舍內太陽輻射及房屋上部輕鋼結構、料槽和自動喂料機等設備對氣流影響；②將熱水散熱風機簡化為0.36 m2矩形面，并假設進風口氣流速度和方向保持不變；③舍內氣體在流動過程中不可壓縮。在笛卡爾坐標系中按照與實測雞舍1∶1建立雞舍全尺寸模型，X方向取值范圍0～12 m，Y方向取值范圍0～62 m，Z方向取值范圍-0.4～4.2 m。熱水散熱風機進風口設為速度入口（Velocity inlet），側窗出風口設為壓力出口（Pressure outlet），屋頂和四周圍護及地面均設為無滑移壁面（Wall），熱力學邊界設置為溫度邊界條件。此外，在屋頂、四周圍護和地面長度方向上選取10個等分點測定溫度，14臺熱水散熱風機進風口測定溫度和風速，取平均值為最終值。邊界條件參數(shù)值均由實測所得，模擬參數(shù)具體設置如表2所示。

表2 模擬參數(shù)Table 2 Parameters of simulation

模型以結構化網(wǎng)格離散，參考Kü?üktopcu等提出的建筑體積與網(wǎng)格數(shù)目關系[21]，經(jīng)網(wǎng)格無關性驗證后確定網(wǎng)格數(shù)量為1 066 020個。選用精度較高的重整化群RNGk-ε湍流模型[22-23]，空氣設置為不可壓縮理想氣體?？刂品匠滩捎没谟邢摅w積的離散方法，壓力-速度耦合選用SⅠMPLE算法，動量和湍流動能選用二階迎風格式。監(jiān)測垂直于進風口某一豎直面及某一高度水平面溫度和風速面加權平均值，直至溫度和風速監(jiān)測曲線平穩(wěn)，認為模擬收斂，停止計算。

3 結果與分析

3.1 不同供暖進風角度對雞舍氣流分布影響

圖3為熱水散熱風機不同供暖進風角度下雞籠內氣流速度分布云圖。由圖3可知，當供暖進風角度由30°增至60°時，第1、2和3列雞籠Z1區(qū)域內平均風速分別由0.14、0.11和0.19 m·s-1逐漸增至0.28、0.27和0.29 m·s-1，而3列雞籠Z2區(qū)域內平均風速波動范圍較小，為0.03～0.09 m·s-1，說明雞舍垂直方向上雞籠內氣流分層明顯，一方面是由于熱水散熱風機布置于雞舍兩側過道，位置較低，高速氣流射入糞道后上升進入雞籠底層，上升氣流受雞群阻礙導致上層風速降低；另一方面，由于冬季側窗導流板開啟角度較小，垂直面上升氣流于屋頂處形成射流后向側窗運動[6]，導致雞舍上層氣流運動減緩。因此，供暖進風角度對位于雞舍下部雞籠區(qū)域Z1（Z＜0.55 m）內氣流速度影響較大，而對位于雞舍上部雞籠區(qū)域Z2（Z＞0.55 m）內氣流速度影響較小。雞籠底層氣流速度增加有利于加快雞舍升溫速率，可及時清除雞舍糞道內有害氣體，保證雞只健康。此外，隨供暖進風角度增加，第1列和第3列雞籠Z2區(qū)域內氣流速度差異較??；但當進風角度為30°和37.5°時，第2列雞籠Z2區(qū)域內氣流速度明顯小于其他兩列，因氣流在雞舍上層匯流后向側窗運動；當進風角度增至45°和60°時，由于第1、3列雞籠底層部分氣流在第2列雞籠下層匯流并上升，3列雞籠Z2區(qū)域內氣流速度趨于一致。由此可見，增大供暖進風角度有利于提高3列雞籠間氣流均勻性。因此，從雞舍內氣流分布看，45°和60°為適宜供暖進風角度。

圖3 不同進風角度下雞籠內氣流速度云圖（Z1＜0.55 m；Z2＞0.55 m）Fig.3 Distribution of air speed for different air inlet angles at coops(Z1＜0.55 m;Z2＞0.55 m)

3.2 不同供暖進風角度對雞舍溫度分布影響

圖4 顯示熱水散熱風機不同供暖進風角度對雞籠不同高度Plane1、Plane2和Plane3溫度分布影響。由圖4可知，雞籠3個高度平面Plane1、Plane2和Plane3溫度均隨供暖進風角度增大而增加，且由于熱氣流向上運動并匯聚，在3個雞籠高度平面中，Plane1溫度最低，Plane3溫度最高。當供暖進風角度由30°到45°時，3個高度平面溫度差異逐漸減小，最大平均溫差由0.83℃降至0.65℃，但當進風角度為60°時，最大平均溫差增至0.91℃。因此，供暖進風角度過小或過大，均導致雞籠不同高度平面溫度分布不均。當供暖進風角度為45°時，雞籠沿高度方向溫度分布更均勻。

圖4 不同進風角度下Plane1、Plane2和Plane3溫度云圖Fig.4 Distribution of temperature contour at plane1,Plane2 and Plane3 for different air inlet angles

表3顯示，雞舍內3列雞籠平均溫度均隨供暖進風角度增大而略增加。對于不同供暖進風角度，受雞舍上層高溫氣流向側窗運動影響，第1列和第3列雞籠平均溫度均略高于第2列。當供暖進風角度由30°增至45°時，3列雞籠間平均溫差由0.47℃降至0.36℃，當進風角度增至60°時，3列雞籠間平均溫差增至0.61℃。由此可見，當供暖進風角度為45°時，3列雞籠間溫度分布更均勻，滿足雛雞生長要求。

表3 不同進風角度對各列雞籠平均溫度的影響Table 3 Effects of different air inlet angles on average temperature of different coops (℃)

3.3 模型驗證

將45°進風角度下氣流速度和溫度模擬值與實測值作對比，結果見圖5，氣流速度和溫度均方根誤差分別為0.08 m·s-1和0.49℃，平均相對誤差分別為15.9%和1.5%，說明數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測吻合度較好，可基于此模型對比供暖進風角度優(yōu)化前后雛雞生長情況。

圖5 模擬值與實測值結果對比Fig.5 Comparison of measured and simulated values at each measurement points

3.4 供暖進風角度對雛雞生長性能影響

表4反映雛雞在不同飼養(yǎng)周時生長狀況。由表4可知，隨雛雞飼養(yǎng)周增加，試驗組和對照組雛雞飼料消耗量和增重量均增加，且試驗組雛雞增重量均高于對照組。在第3個飼養(yǎng)周，兩組雛雞平均增重量差異極顯著（P＜0.01），試驗組較對照增加7.1 g，經(jīng)4個飼養(yǎng)周，試驗組雛雞最終體重較對照組增加5.3%。料肉比反映雛雞增加單位體重所消耗飼料量，該值越低，說明雛雞飼養(yǎng)時飼料量少但體重增加較多。在雛雞飼養(yǎng)過程中，料肉比隨雛雞生長呈增大趨勢，這與張雅嵐[24]等研究結果一致。試驗組料肉比低于對照組（見表4），4個飼養(yǎng)周結束時，試驗組料肉比較對照降低3.9%，說明試驗組雞籠溫度較對照組更適宜雛雞生長。研究表明，當雞舍溫度低于適宜溫度時，雛雞將部分從飼料中攝取的能量用于維持體溫[1]。在養(yǎng)禽業(yè)中，飼料成本占生產(chǎn)總成本60%～70%，通過優(yōu)化供暖進風角度，可降低雛雞料肉比，對降低養(yǎng)雞場生產(chǎn)成本具有重要價值。

表4 不同飼養(yǎng)周試驗組和對照組雛雞生長性能（**P＜0.01）Table 4 Growth performance of brooding chicken kept on two different groups of different feeding weeks(**P＜0.01)

3.5 供暖進風角度對雛雞攝食和飲水行為影響

圖6顯示8個選區(qū)不同飼養(yǎng)周雛雞0.5 h狀況。隨雛雞飼養(yǎng)周增加，兩組處理出現(xiàn)攝食行為雛雞只數(shù)增加，出現(xiàn)飲水行為雛雞只數(shù)變化小。在4個飼養(yǎng)周內，試驗組和對照組雛雞攝食和飲水行為均無明顯差異，表明調整供暖進風角度對雛雞攝食和飲水行為影響較小。

圖6 不同飼養(yǎng)周雛雞攝食和飲水行為Fig.6 Eating and water-drinking behavior of brooding chicken in different feeding weeks

3.6 供暖進風角度對雛雞精神狀況影響

NOT試驗是通過一個未知物體，觀察雛雞反應評價家禽精神狀況。圖7a顯示，隨雛雞只飼養(yǎng)增加，8個選區(qū)新物體周圍雛雞只數(shù)逐漸增加。一方面雛雞逐漸發(fā)育完全，對新物體恐懼反應減弱，另一方面雛雞體重隨日齡增長而增加，活動量相對減少，導致新物體周圍雛雞數(shù)量增多[17]。在第1飼養(yǎng)周，試驗組和對照組雛雞在新物體周圍數(shù)量分別僅有24和20只，明顯少于其他飼養(yǎng)周，這與Adler等研究結果一致[17]。在第2飼養(yǎng)周，8個選區(qū)試驗組雛雞在新物體周圍數(shù)量為51只，對照組僅40只，兩組雛雞在新物體周圍數(shù)量差異顯著（P＜0.05，見圖7b），證明試驗組雛雞較對照組對新物體恐懼更小，精神狀態(tài)更好。在第3和第4飼養(yǎng)周，兩組雛雞在新物體周圍數(shù)量差異不顯著（P＞0.05）。由此可見，調整供暖進風角度至45°有利于減輕3周齡內雛雞對新物體恐懼反應，改善雛雞精神狀態(tài)。

圖7 不同飼養(yǎng)周雛雞NOT結果Fig.7 NOT results in different feeding weeks of brooding chickens

3.7 供暖進風角度對雛雞健康狀況影響

圖8 反映雛雞在不同飼養(yǎng)周健康狀況。隨飼養(yǎng)周增加，兩處理組出現(xiàn)精神委頓癥狀雛雞只數(shù)逐漸減少。由圖8a可知，第1周和第2周試驗組出現(xiàn)精神委頓癥狀雛雞只數(shù)顯著少于對照組（P＜0.05），第3周和第4周兩組雛雞無明顯差異。精神委頓是雛雞感染流感病毒和繼發(fā)病后常見癥狀，而溫度是影響流感病毒傳播重要因素之一，溫度低時感染風險更高[25]。此外雛雞對溫度要求較高且抵抗力較差，平均溫度較高試驗組減少雛雞感染病毒幾率。試驗組和對照組雛雞僅第1周和第2周出現(xiàn)糞便糊肛現(xiàn)象（見圖8b），且數(shù)量較少，兩組間無明顯差異。由此可見，調整供暖進風角度至45°可改善雛雞精神委頓狀況。

圖8 健康福利水平測試結果Fig.8 Results of health welfare level

4 結論

a.供暖進風角度為45°時，模擬值與實測值吻合度良好，風速和溫度測點均方根誤差RMSE分別為0.08 m·s-1和0.49℃，平均相對誤差分別為15.9%和1.5%，模型有效。

b.供暖進風角度為45°和60°時，氣流均勻性較好，供暖進風角度為45°時，雞舍內溫度分布更均勻。

c.經(jīng)4個飼養(yǎng)周，試驗組（45°）雛雞生長性能、精神和健康狀況均較對照組（37.5°）提高，體重較對照組增加5.3%，平均料肉比較對照組降低3.9%，但攝食和飲水行為無差異。