LPCV牛舍夏季濕簾風機系統(tǒng)運行模擬分析

呂慧潔，曹明，李景琦，丁蕊

(沈陽城市建設(shè)學院市政與環(huán)境工程系，沈陽 110167)

低屋面橫向通風（Low profile cross ventilated,LPCV）牛舍具有舍內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定、可控性強等優(yōu)點[1]，其中所應用的濕簾風機降溫系統(tǒng)相對于其他蒸發(fā)降溫方式，具有經(jīng)濟、簡便、高效、安全的優(yōu)點[2]。自2009年引入中國以來，國內(nèi)學者鄧書輝等[3]通過對LPCV牛舍現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬結(jié)果的綜合分析，發(fā)現(xiàn)室外溫度36.2℃，相對濕度55.5%條件下，通過濕簾后舍內(nèi)溫度降低7.7℃。近年來，龔建軍等[4]對應用了濕簾風機降溫系統(tǒng)的妊娠豬舍進行監(jiān)測分析，結(jié)果表明濕簾風機系統(tǒng)在夏季可明顯降低舍內(nèi)溫度，帶走舍內(nèi)有毒有害氣體，改善舍內(nèi)環(huán)境。王美芝等[5]對北京某育肥豬舍的夏季降溫設(shè)備進行研究，對比濕簾-風機和單純風機的降溫效果，測試結(jié)果表明濕簾-風機降溫效果優(yōu)于單純風機，但需要耗用一定水資源。基于濕簾風機降溫系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀，本文旨在將濕簾風機降溫系統(tǒng)應用于北緯40°黃金奶源地帶的LPCV牛舍中，調(diào)節(jié)夏季牛舍內(nèi)環(huán)境和緩解奶牛夏季熱應激現(xiàn)象，為LPCV牛舍提供可靠的夏季濕簾風機運行方案，以期通過改善奶牛的生活環(huán)境帶動提高奶牛產(chǎn)乳量。

1 材料與方法

1.1 牛舍原型

本文選用的試驗牛舍為沈陽地區(qū)某六排式低屋面橫向通風牛舍，舍內(nèi)共飼養(yǎng)荷斯坦牛500頭，牛舍頂高4.9m，檐口高4.2m，屋面坡度1:24，牛舍總長128m，寬34m。牛舍一側(cè)安裝長120m、高2.3m、厚150mm的濕簾，另一側(cè)安裝36臺1000型排風機，牛舍左視圖和俯視圖如圖1和圖2所示，單位：mm。

圖1 LPCV牛舍左視圖

圖2 LPCV牛舍俯視圖

1.2 幾何模型

1.2.1 奶牛模型

本文建立的奶牛模型是按照實際成年奶牛等比例創(chuàng)建并引入到牛舍模型中，為簡化物理模型并提高網(wǎng)格質(zhì)量，忽略奶牛的尾巴、耳朵等細小部位，奶牛身體外形長1 600mm、高1 400mm、寬800mm，牛頭尺寸為600×300×400mm，奶牛模型如圖3所示。

圖3 奶牛三維模型

1.2.2 牛舍模型

低屋面橫向通風牛舍的特點是在牛舍的縱向上（X軸方向上）空氣流場的分布是相同的，在橫向上（Y軸方向上）的流場分布是不同的。因此本文截取牛舍縱向方向上30m的空間作為研究對象。牛舍模型頂高為4.9m，兩側(cè)高度為4.2m，橫向長度為34m，縱向長度為30m；一側(cè)安裝7090型濕簾，厚150mm、高2.3m、長30m；另一側(cè)安裝1000型排風機共9臺，風口直徑1 000mm。牛舍三維模型如圖4所示。

圖4 低屋面橫向通風牛舍三維幾何模型

1.3 邊界條件設(shè)置

1.3.1 濕簾邊界

濕簾入口區(qū)域，本研究采用鄧書輝等[6]對低屋面橫向通風牛舍空氣流場CFD模擬中濕簾部分的處理方式，將濕簾區(qū)域設(shè)置為多孔介質(zhì)模型。由于本文中的牛舍采用的濕簾與鄧書輝等研究中濕簾型號相同，因此多孔介質(zhì)的黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)由Darcy定律及附加慣性損失項定義的方程和濕簾的阻力特性曲線方程來確定，公式如下：

式中：?ppad是壓力降，Pa；1/α是黏性阻力系數(shù)，1/m2；C2是慣性阻力系數(shù)，1/m；μ為空氣動力黏度，Pa·s；vpad為過簾風速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3；?m是濕簾厚度，m。通過上式計算出黏性阻力系數(shù)1/α和慣性阻力系數(shù)C2。

1.3.2 風機邊界

牛舍的風機側(cè)安裝的是排風機，在模型中以一個平面體現(xiàn)，壓力經(jīng)過這個平面出現(xiàn)躍升，壓力的躍升與風速的關(guān)系需要通過性能曲線確定。本文采用的風機與鄧書輝論文中采用的1000型風機相同，風量35 000m3/h，引用鄧書輝等[6]對1000型風機測試的性能曲線系數(shù)作為壓力躍升多項式的系數(shù)。

式中：?pfan為壓力躍升值，Pa；vfan為風速，m/s。

1.3.3 速度入口邊界

空氣域入口設(shè)置為速度入口（Velocity inlet）邊界。根據(jù)Harner等[7]的研究，空氣交換率是LPCV牛舍的重要參數(shù)，夏季LPCV牛舍的空氣交換率應為60～120s。根據(jù)張瓊[8]對低屋面橫向通風牛舍地域適用性的研究，空氣交換率為80s時，舍內(nèi)大部分區(qū)域可滿足奶牛舒適風速的要求，但奶牛密集區(qū)域無法滿足衛(wèi)生風速需求。對于奶牛密集區(qū)域，空氣交換率為60s時，舍內(nèi)環(huán)境可滿足衛(wèi)生風速要求，但大部分氣流風速超過奶牛舒適風速范圍。為保證奶牛衛(wèi)生風速的要求，本文選定舍內(nèi)空氣交換律為60s。

室外空氣通過濕簾進入舍內(nèi)，濕簾的過簾風速即為牛舍的空氣入口風速，過簾風速的計算公式如下：

式中：v為牛舍空氣入口速度，m/s；V為牛舍體積，m3；L為牛舍長度，m；H為濕簾高度，m；R為空氣交換率，s。

本課題建立的牛舍模型體積為4 321m3，牛舍長度L為30m，濕簾高度H為2m，空氣交換率為60s，將上述數(shù)值代入式（4）中，可計算得出牛舍空氣入口速度約為1.2m/s，故過簾風速為1.2m/s，滿足過簾風速1～1.75m/s的濕簾設(shè)計要求[9]。

1.3.4 其他邊界

風扇出口設(shè)置為排風扇（Exhaust fan）邊界；為減小因縱向縮短而帶來的誤差，因此縱向方向的兩個墻體均設(shè)置為對稱面（Symmetry）邊界條件；因屋頂鋪設(shè)保溫層，因此將屋頂設(shè)置為壁面（Wall）邊界條件；地面、矮墻和擋風板均設(shè)置成壁面（Wall）邊界條件，導熱邊界條件均設(shè)置為絕熱。

1.4 數(shù)值求解

本文采用Gambit2.3.6軟件繪制牛舍和奶牛模型，導入ICEM CFD 軟件進行優(yōu)化和繪制網(wǎng)格，采用Fluent 17.0軟件進行數(shù)值模擬計算。在模擬過程中，采用標準k-ε湍流模型，采用基于有限體積的離散方法，壓力-速度耦合選用SIMPLE算法，動量與湍流動能選用二階迎風格式。收斂條件設(shè)置為流動方程相對誤差為10-3，能量方程相對誤差為10-6。

2 結(jié)果與分析

2.1 設(shè)計工況條件下的模擬結(jié)果

設(shè)計工況條件下，沈陽夏季室外計算干球溫度為31.4℃，濕簾噴淋水采用常溫水20℃作為水源溫度。為滿足舍內(nèi)污染物的排放，風機系統(tǒng)全開，在此條件下舍內(nèi)熱環(huán)境進行數(shù)值模擬，得到溫度和速度分布云圖。綜合考慮成年奶牛的外形尺寸，取Z=1.2m高度截面的溫度和速度進行分析，豎直方向上對X=15m即牛舍模型縱向中間位置截面進行分析。在不滿足舍內(nèi)奶牛舒適性要求的情況下，降低濕簾噴淋水水溫。

（1）X=15m截面上溫度和速度分布云圖如圖5、6所示。

圖5 X=15m截面溫度云圖

圖6 X=15m截面速度云圖

（2）Z=1.2m截面上溫度和速度分布云圖如圖7、8所示。

圖7 Z=1.2m截面溫度云圖

圖8 Z=1.2m截面速度云圖

（3）X=15m、Z=1.2m溫度和速度曲線變化圖如圖9、10所示。

圖9 X=15m、Z=1.2m溫度變化曲線

圖10 X=15m、Z=1.2m速度變化曲線

2.2 設(shè)計工況下模擬結(jié)果分析

奶牛的舒適溫度在等熱區(qū)內(nèi)，等熱區(qū)指恒溫動物依靠物理和行為調(diào)節(jié)即可維持體溫正常的環(huán)境溫度范圍。實際情況下，在一定溫度范圍內(nèi)，奶牛的產(chǎn)熱等于散熱，這個溫度范圍稱為“舒適區(qū)”[10]。成年奶牛的全年溫度舒適區(qū)為9～21℃，夏季為24℃左右，以不超過26℃為宜。

如圖5和圖6所示，在擋風板的作用下，通過濕簾的新風導向牛體所在高度范圍內(nèi)，在舍內(nèi)低空范圍內(nèi)呈波浪形式流動，在風機的作用下，奶牛周圍的風速提高，空氣溫度降低；如圖7和圖8所示，室外高溫空氣通過濕簾后溫度明顯降低，經(jīng)濕簾調(diào)節(jié)后的空氣流經(jīng)每一排奶牛，中間喂食通道空氣風速較大?？拷鼭窈焸?cè)奶牛周圍空氣溫度低于靠近風機側(cè)的奶牛。

如圖9所示，X=15m、Z=1.2m曲線上，除靠近牛體表面區(qū)域溫度趨于37℃外，舍內(nèi)其余空氣溫度可控制在24～26℃之間，滿足奶牛的舒適性要求。Y=10～15m，空氣溫度降低至24.26～25.26℃之間；Y=-6～6m，空氣溫度降低至24.47～25.96℃之間；Y=-11～-14m，空氣溫度降低至24.62～25.8℃之間。Z=1.2m截面上舍內(nèi)平均溫度為26.95℃，平均降溫幅度為4.45℃。舍內(nèi)濕簾側(cè)過簾溫度為24.18℃，靠近風機側(cè)舍內(nèi)最高溫度為25.45℃，溫度升高1.27℃，沿水平方向上的平均溫度梯度為0.068℃/m。另外垂直方向上也存在溫差，舍內(nèi)中間位置即X=15m、Y=0所在豎直線上，Z=1.2m溫度為24.47℃，Z=2m時溫度為24.72℃，此時豎直方向上的平均溫度梯度為0.3125℃/m。

有研究表明，奶牛一天中其中有一半的時間處于躺臥狀態(tài)[11～13]，舍內(nèi)氣流不均勻?qū)τ谀膛５挠绊懽顬槊黠@，尤其表現(xiàn)在奶牛的躺臥狀態(tài)，且低風速區(qū)域的臥欄基本沒有奶牛躺臥[14]。其中，評價舍內(nèi)氣流速度場的標準是室內(nèi)空氣的均勻性，參考標準是室內(nèi)氣流的平均風速和不均勻系數(shù)，平均速度和不均勻系數(shù)的公式如下：

式中：vi表示各點的速度，m/s；vh表示平均速度，m/s；Jh表示不均勻系數(shù)；n表示測點數(shù)。其中氣流不均勻系數(shù)越小，表示舍內(nèi)空氣速度場均勻性越好。

根據(jù)公式計算可得出，舍內(nèi)X=15m、Z=1.2m曲線上舍內(nèi)平均風速為1.92m/s，氣流不均勻系數(shù)為45.2%。如圖10所示，舍內(nèi)X=15m、Z=1.2m速度變化曲線上出現(xiàn)幾個風速高速區(qū)，分別在Y=-13.57m、Y=-5～5m之間以及Y=12.41m，而該牛舍擋風板的位置分別在Y=-13m、Y=-2.5m、Y=2.5m以及Y=13m，空氣流場模擬結(jié)果和實際空氣流動相符合。

2.3 極端工況條件下的模擬結(jié)果

通過對沈陽地區(qū)夏季設(shè)計工況條件下濕簾噴淋水運行參數(shù)的研究，確定設(shè)計工況條件下濕簾噴淋水水溫20℃時，舍內(nèi)溫度可滿足舍內(nèi)奶牛舒適性要求。應用此噴淋水水溫驗證沈陽夏季極端最熱條件下，舍內(nèi)溫度是否滿足設(shè)計要求。若不滿足，降低噴淋水水溫對舍內(nèi)環(huán)境進行模擬，找到可滿足要求的噴淋水參數(shù)，其中沈陽地區(qū)夏季極端最熱室外溫度為36.1℃。

2.4 極端工況下模擬結(jié)果分析

如圖11所示，以噴淋水水溫20℃驗證沈陽地區(qū)夏季極端最熱工況條件下的舍內(nèi)環(huán)境，靠近濕簾側(cè)的舍內(nèi)空氣溫度不超過26℃，中間兩排及靠近風機側(cè)奶牛周圍空氣溫度均不滿足奶牛的舒適性要求。降低濕簾噴淋水水溫為18℃，進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，隨著濕簾噴淋水水溫的降低，舍內(nèi)降溫效果明顯優(yōu)于20℃噴淋水條件下的降溫效果。在Y=5m和Y=-13m附近位置，1.2m高度空間舍內(nèi)溫度仍然超過26℃，無法滿足設(shè)計要求；降低濕簾噴淋水水溫為16℃，1.2m高度舍內(nèi)空氣溫度可滿足奶牛的舒適性要求。Y=10～15m，空氣溫度降低至23.6～24.58℃之間；Y=-6～6m，空氣溫度降低至24.06～25.57℃之間；Y=-11～-14m，空氣溫度降低至24.57～25.81℃之間，滿足設(shè)計要求。確定極端最熱工況條件下，濕簾噴淋水水溫保持在16℃，舍內(nèi)環(huán)境可滿足奶牛舒適性要求。其中，Z=1.2m截面上靠近風機側(cè)舍內(nèi)空氣最高溫度為25.23℃，濕簾側(cè)過簾溫度為23.47℃，水平方向上溫度升高1℃，平均溫度梯度為0.052℃/m。根據(jù)不均勻系數(shù)計算公式得出，X=15m，Z=1.2m曲線上舍內(nèi)平均風速1.81m/s，氣流不均勻系數(shù)為59.86%。

圖11 不用噴淋水水溫下X=15m，Z=1.2m牛舍溫度分布曲線

3 結(jié)論

本文以沈陽地區(qū)某LPCV牛舍為研究對象，對夏季兩種工況條件下LPCV牛舍舍內(nèi)溫度和速度變化進行模擬分析，確定了兩種工況條件下的濕簾系統(tǒng)運行方案，具體結(jié)論如下：

（1）在沈陽夏季設(shè)計工況條件下，室外溫度31.4℃，風機全開，濕簾噴淋水采用常溫水，水溫20℃，舍內(nèi)溫度和速度可滿足奶牛舒適性要求。

（2）在沈陽夏季極端工況條件下，室外溫度36.1℃，風機全開，濕簾噴淋水水溫20℃和18℃，舍內(nèi)溫度和速度無法滿足奶牛舒適性要求；噴淋水水溫降低至16℃，舍內(nèi)環(huán)境滿足設(shè)計要求，其中16℃的噴淋水可將常溫水與低溫井水混合而成。

（3）濕簾噴淋水水溫與舍內(nèi)降溫效果呈負相關(guān)關(guān)系，隨著濕簾噴淋水水溫的降低，濕簾的降溫效果越好。

4 展望

自2009年，LPCV牛舍得到廣泛推廣，黑河中興牧業(yè)、貝因美安達牧場、四川西部牧場、河北華夏牧場等多家企業(yè)建立了LPCV奶牛舍。本文以沈陽地區(qū)牧場牛舍為研究對象，確定了LPCV牛舍濕簾風機系統(tǒng)的夏季運行方案。該運行方案不僅可應用于北緯40°地帶同類型LPCV牛舍內(nèi)，同樣適用于我國其他地區(qū)LPCV牛舍的通風系統(tǒng)設(shè)計。該濕簾風機模擬模型已通過實際測試驗證了其正確性，其他同類型LPCV牛舍的通風系統(tǒng)可根據(jù)當?shù)氐氖彝鈿庀髼l件和基本設(shè)計參數(shù)進行模擬分析，確定夏季設(shè)計工況和極端工況條件下的噴淋水水溫和風機運行方案。例如我國南方部分牧場，夏季室外溫度較高，可通過適當降低噴淋水水溫進行模擬分析，以保證奶牛的舒適環(huán)境，確定通風系統(tǒng)運行方案。