裝配式配種妊娠豬舍冬季保溫與能耗特征

王美芝，李斯旋，王 華，陽林芳，張校軍，游筱彤，吳中紅，劉繼軍※

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，北京 100193；2. 廣東壹號食品股份有限公司，廣州 510620）

0 引 言

隨著規(guī)?；B(yǎng)殖的發(fā)展，飼養(yǎng)和管理方式的改進(jìn)不僅提高了豬的各項(xiàng)性能，也對豬舍適宜環(huán)境提出了更高的要求，對豬舍內(nèi)溫度和氣流等主要環(huán)境參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)控制有助于改善豬只生產(chǎn)性能和福利水平。冬季由于舍內(nèi)外溫度差以及必要的新舊空氣交換，會導(dǎo)致豬舍內(nèi)的一部分熱量通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)和通風(fēng)系統(tǒng)向外散失，這些熱量的損失往往需要通過供暖進(jìn)行彌補(bǔ)。北方豬舍大多利用集中加熱進(jìn)行供暖，主要包括熱風(fēng)爐、暖氣片以及地暖等方式，針對于對溫度要求更高的仔豬，通常還需采用額外的局部供暖措施以提供適宜的溫度，避免造成冷應(yīng)激。然而，供暖不僅占據(jù)了很大一部分養(yǎng)豬業(yè)成本，同時也造成了化石燃料和電力等主要能源的消耗。

為了減少能源需求量并提高環(huán)境控制的效率，需要對影響豬舍保溫性能的主要因素圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行干預(yù)。不同地域?qū)?yīng)的氣候環(huán)境，往往對豬舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)也有不同的功能要求。北方地區(qū)冬季持續(xù)時間較長且溫度較低，大型豬場為了減少豬舍內(nèi)熱量的散失，并且加強(qiáng)對其內(nèi)部環(huán)境的控制，一般采用封閉式豬舍，甚至是在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上加裝保溫層的保溫舍，以此節(jié)約供暖季的能耗。根據(jù)節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，通常需要對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能進(jìn)行評價，主要由數(shù)值計(jì)算或試驗(yàn)方法確定。如果圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能較差，在舍內(nèi)濕度較高的情況下，水蒸氣易在其表面或內(nèi)部產(chǎn)生冷凝，進(jìn)而降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能和耐久性。為了檢測圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工缺陷和氣密性，確定熱損失部位，通過紅外熱像儀進(jìn)行檢測的方式在各類建筑均有所運(yùn)用。

目前關(guān)于豬舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫方面的研究主要是針對既有建筑，而近幾年有很大一部分大規(guī)模豬場采用了裝配式結(jié)構(gòu)，墻體和吊頂多為內(nèi)、外兩側(cè)為壓型鋼板，中間填塞保溫棉的壓型鋼板復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)。在北方地區(qū)大規(guī)模豬場供暖能耗及費(fèi)用較高的情況下，這種裝配式豬舍的保溫性能和能源消耗情況尚未見報(bào)道。本文通過對試驗(yàn)豬舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)、墻體內(nèi)表面溫度以及耗熱量理論計(jì)算與現(xiàn)場試驗(yàn)監(jiān)測相結(jié)合的方法，對規(guī)模化豬場裝配式配種妊娠豬舍冬季保溫與能耗特征進(jìn)行分析，以期為北方供暖地區(qū)豬場能源管理與節(jié)能設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)豬舍基本情況

選擇河北省承德市隆化縣某豬場的配種妊娠舍為試驗(yàn)豬舍，豬舍東西朝向，分為單元1與單元2，整棟豬舍建筑尺寸為163.12 m×43.02 m×2.4 m，各單元尺寸為81.47 m×43.02 m×2.4 m，屋頂為雙坡屋頂，屋面材料為0.4 mm厚鍍鋁鋅鋼板，豬舍裝有天棚吊頂，為雙層壓型鋼板復(fù)合保溫吊頂，地面為半漏糞地板半實(shí)體地面。豬舍外墻分為0.9 m高的下半截和在此之上的上半截墻體兩部分，下半截墻體材料為180 mm厚頁巖實(shí)心磚外貼75 mm厚擠塑聚苯板，墻體內(nèi)外由水泥砂漿抹面；上半截墻體為雙層壓型鋼板復(fù)合保溫墻體，做法為先固定內(nèi)側(cè)鋼板，鋪設(shè)兩層均為75 mm厚容重為16 kg/m3的玻璃棉，再固定外側(cè)鋼板。兩個單元由一道公共墻隔開，下半截墻體為水泥砂漿抹面180 mm厚頁巖實(shí)心磚，上半截墻體與外墻處相同。豬舍南、北墻各有8個0.9 m高×1.2 m寬的雙層玻璃塑鋼窗，四面墻上各有一扇0.9 m寬×2.1 m高的防火門。每個單元內(nèi)各設(shè)置3列配種限位欄和6列群養(yǎng)欄，配種限位欄420個，每個尺寸0.55 m×2.10 m，群養(yǎng)欄186個，每個尺寸2.5 m×4.8 m，群養(yǎng)母豬的飼養(yǎng)密度為2.5～3.0 m/頭，根據(jù)單個群養(yǎng)欄面積和飼養(yǎng)密度進(jìn)行計(jì)算，即一個群養(yǎng)欄中飼養(yǎng)4~5頭妊娠母豬。豬舍內(nèi)飼養(yǎng)的豬只類型包括后備母豬、空懷母豬和妊娠母豬，以及用于試情的公豬和作為其候補(bǔ)的小公豬。豬舍建筑面積為7 017.4 m。

豬舍內(nèi)采用自動化喂料系統(tǒng)，清糞模式為拔塞式尿泡糞結(jié)合人工清糞，通過橫向機(jī)械負(fù)壓通風(fēng)的模式進(jìn)行通風(fēng)。每個單元進(jìn)風(fēng)端有4塊濕簾和44個天棚進(jìn)風(fēng)口（共4排，每排11個）。濕簾位于東墻上，每塊尺寸為19.2 m×1.75 m，厚0.15 m，每個天棚進(jìn)風(fēng)口尺寸為0.67 m×0.51 m，均可按比例調(diào)整開啟大小，冬季僅開啟天棚進(jìn)風(fēng)口，濕簾由外側(cè)幕布遮擋，幕布與濕簾之間人工鋪設(shè)75 mm厚擠塑聚苯板；排風(fēng)端有23臺54寸定頻風(fēng)機(jī)和4臺36寸變頻風(fēng)機(jī)，均位于西墻，冬季僅使用36 寸風(fēng)機(jī)通風(fēng)，在54寸風(fēng)機(jī)內(nèi)側(cè)加裝保溫板進(jìn)行保溫。試驗(yàn)期間兩單元的風(fēng)機(jī)均24 h開啟，其中單元1開啟3個36 寸風(fēng)機(jī)，功率為最大功率的60%；單元2開啟2個36寸風(fēng)機(jī)，功率為最大功率的80%。豬舍采用天然氣直燃式熱風(fēng)供暖系統(tǒng)進(jìn)行供暖，系統(tǒng)根據(jù)舍內(nèi)溫度變化自動控制熱風(fēng)爐開關(guān)情況，程序設(shè)定為當(dāng)舍內(nèi)溫度低于17.5 ℃時啟動供暖，當(dāng)溫度上升至19.5 ℃時停止運(yùn)行。

1.2 豬舍環(huán)境測定指標(biāo)及方法

在豬舍外空曠且無太陽照射位置，按照中國氣象站的測定高度，即1.5 m處安裝2個溫濕度自記儀，記錄間隔均為30 min。在2021年1月15日—2月1日期間，于單元1內(nèi)以4列7行均勻安裝28個溫濕度計(jì)，在2月1日—2月9日以梅花形布點(diǎn)安裝5個溫濕度計(jì)，安裝高度為1.5 m，與豬舍環(huán)境控制系統(tǒng)的溫度探頭保持一致，且避免清潔消毒用水打濕及豬只啃咬，自動記錄時間及間隔與舍外溫濕度計(jì)保持一致。以梅花形布點(diǎn)在單元1內(nèi)安裝5個二氧化碳記錄儀，安裝高度為1.5 m，自動測量時間為2021年1月15日—2月8日。

溫濕度監(jiān)測采用溫濕度自記儀WSZY-1（北京天建華儀科技發(fā)展有限公司，溫度測量范圍-40～100 ℃，分辨率0.1 ℃；相對濕度測量范圍0～100%，分辨率0.1%RH），二氧化碳記錄儀型號為WEZY-1（北京天建華儀科技發(fā)展有限公司，測量范圍0～9 000 mg/m）。在試驗(yàn)開始前，對試驗(yàn)所用記錄儀進(jìn)行了校正，舍內(nèi)外溫濕度和舍內(nèi)二氧化碳濃度均取各測點(diǎn)的平均值。

因?yàn)樨i舍建筑面積偏大，而溫濕度計(jì)數(shù)量有限，且兩單元供暖系統(tǒng)控制程序設(shè)定相同，彼此僅通過一道內(nèi)墻相連，故本試驗(yàn)中試驗(yàn)豬舍舍內(nèi)溫濕度采用單元1內(nèi)的數(shù)值。

本試驗(yàn)采用斷面風(fēng)速實(shí)測法，根據(jù)斷面平均風(fēng)速和斷面面積計(jì)算得到單臺風(fēng)機(jī)通風(fēng)量。豬舍內(nèi)風(fēng)機(jī)的斷面面積為1.03 m×1.03 m，分別對單元1和單元2的通風(fēng)量進(jìn)行5 d和4 d測量，在風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時測量各個風(fēng)機(jī)的風(fēng)速，以0.34 m×0.34 m為一個區(qū)塊，每天監(jiān)測每臺風(fēng)機(jī)16個不同測點(diǎn)的風(fēng)速1 min，記錄間隔為2 s，計(jì)算平均值作為斷面風(fēng)速。使用萬向風(fēng)速風(fēng)溫記錄儀WWFWZY-1（北京天建華儀科技發(fā)展有限公司，風(fēng)速量程0.05～30 m/s，分辨率0.01 m/s）對風(fēng)速進(jìn)行測量并記錄。

1.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的確定

對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的確定，本文中采用理論計(jì)算和實(shí)際測量兩種方式分別進(jìn)行比較。

保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)修正方法以及多層勻質(zhì)材料層組成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)平壁的熱阻、總傳熱阻和傳熱系數(shù)計(jì)算方法參見文獻(xiàn)[21]。根據(jù)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)氣候子區(qū)劃分，承德市所屬的氣候子區(qū)為寒冷A區(qū)，而豬舍保溫材料均使用室外，且采用的是擠塑聚苯板和玻璃棉，故本文中保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的修正系數(shù)取值為1.10。對于有天棚的坡屋頂，當(dāng)用天棚面積計(jì)算其傳熱量時，屋面和天棚的綜合傳熱系數(shù)計(jì)算公式參考文獻(xiàn)[23]，天棚與屋面之間夾角的余弦值按建筑施工設(shè)計(jì)圖取值為10/10.05。

計(jì)算時各種圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造參數(shù)如表1，鋼板、水泥砂漿、頁巖實(shí)心磚、擠塑聚苯板和玻璃棉的導(dǎo)熱系數(shù)取值分別為58.2、0.93、0.87、0.03和0.045 W/(m·K)，PVC隔汽塑料薄膜和塑料板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.048 W/(m·K)。

表1 配種妊娠豬舍全舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造參數(shù) Table 1 Building envelope structure parameters of breeding and gestation piggery

在豬舍北面墻體上進(jìn)行傳熱系數(shù)的監(jiān)測，上半截墻體的鋼梁部位和主體部位分別隨機(jī)設(shè)置8個和10個測點(diǎn)，確保各部位的測點(diǎn)彼此之間的距離大于0.5 m，由于儀器數(shù)量有限，所以于2021年1月17日—1月23日和1月25日—1月30日在不同位置的墻體進(jìn)行了試驗(yàn)監(jiān)測，對下半截墻體部位于2021年2月1日—2月8日隨機(jī)設(shè)置了9個測點(diǎn)同時監(jiān)測，各測點(diǎn)之間距離大于0.5 m。在墻體內(nèi)側(cè)表面上布置溫度熱流計(jì)，并在外側(cè)表面對應(yīng)位置安裝表面溫度計(jì)。最后將各測點(diǎn)的內(nèi)外表面溫度及熱流值數(shù)據(jù)一一對應(yīng)，計(jì)算出墻體各部位的傳熱系數(shù)。墻體內(nèi)表面的溫度熱流計(jì)和外表面的溫度計(jì)采用無線溫度熱流記錄儀WRZYWW-2（北京天建華儀科技發(fā)展有限公司，量程-20～80 ℃，分辨率0.1 ℃；熱流密度量程(0～±199.9) W/m，分辨率0.1 W/m）和無線溫度記錄儀WZYWW-2（北京天建華儀科技發(fā)展有限公司，量程-40～60 ℃，分辨率0.1 ℃）。

各測點(diǎn)傳熱系數(shù)的計(jì)算公式為

式中為各測點(diǎn)的熱阻，m·K/W；為各測點(diǎn)內(nèi)表面溫度的第次測量值，℃；為各測點(diǎn)外表面溫度的第次測量值，℃；q為各測點(diǎn)熱流密度的第次測量值，W/m；為各測點(diǎn)傳熱系數(shù)，W/(m·K)；為內(nèi)表面換熱阻，m·K/W，取值0.11 m·K/W；為外表面換熱阻，m·K/W，取值0.04 m·K/W。計(jì)算各測點(diǎn)的平均值，即為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)。

1.4 墻體內(nèi)表面冷凝檢驗(yàn)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面溫度計(jì)算公式為

式中為圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度，℃；為舍內(nèi)溫度，℃；為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總傳熱阻，m·K/W；為舍外溫度，℃。墻體的內(nèi)表面溫度與室內(nèi)空氣溫度的溫差計(jì)算公式為

式中Δ為墻體的內(nèi)表面溫度與室內(nèi)空氣溫度的溫差，℃；為墻體的內(nèi)表面溫度，℃。

通過紅外熱像儀對豬舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部位的內(nèi)表面溫度進(jìn)行測量并采集圖像，試驗(yàn)采用紅外熱像儀FLIR E8（美國FLIR公司，測量對象溫度范圍：-20～250 ℃，分辨率0.1 ℃）。

1.5 試驗(yàn)豬舍耗熱量計(jì)算

豬舍總耗熱量指標(biāo)的計(jì)算公式為

式中為豬舍總耗熱量指標(biāo)，W/m；為折合到單位建筑面積上單位時間內(nèi)通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量，W/m；為折合到單位建筑面積上單位時間內(nèi)豬舍通風(fēng)耗熱量，W/m；為折合到單位建筑面積上單位時間內(nèi)豬舍內(nèi)部得熱量，W/m。

折合到單位建筑面積上單位時間內(nèi)通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量計(jì)算公式為

式中為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的修正系數(shù)，參照表1；為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/(m?K)；為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱面積，m；為窗外表面采暖期平均太陽輻射熱，W/m，承德市采暖期南向和北向太陽總輻射平均強(qiáng)度分別為112和35 W/m；SC為玻璃的遮陽系數(shù)，本文中取值為0.86；為窗的面積，m；為豬舍建筑面積，m。

折合到單位建筑面積上單位時間內(nèi)豬舍通風(fēng)耗熱量計(jì)算公式為

式中為空氣的定壓比熱容，取值0.28 W·h/(kg·K)；為單位時間由換氣進(jìn)入豬舍內(nèi)的冷空氣量，采用試驗(yàn)實(shí)際測量所得整個豬舍的總通風(fēng)量，m3/h；為供暖舍外計(jì)算溫度下的空氣密度（kg/m），其計(jì)算公式為

式中為大氣壓，kPa，承德市冬季大氣壓為98.05 kPa；對于從天棚處進(jìn)風(fēng)的舍外溫度，取值為舍外實(shí)測溫度，℃。

折合到單位建筑面積上單位時間內(nèi)豬舍內(nèi)部得熱量主要是豬體本身的顯熱散熱量，W/m，按照豬舍內(nèi)豬只顯熱散熱量總量/豬舍建筑面積估算。

豬舍內(nèi)各類型豬只的豬體總產(chǎn)熱量計(jì)算公式為

式中φ為豬體總產(chǎn)熱量，W；為豬體質(zhì)量，kg，本試驗(yàn)中豬體質(zhì)量，妊娠母豬為120 kg，空懷母豬為100 kg，后備母豬為70 kg，查情公豬為100 kg，小公豬為40 kg，各類豬只的頭數(shù)按豬場實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算；為妊娠天數(shù)，由于豬舍內(nèi)妊娠母豬的妊娠天數(shù)不等，且分布較廣，因此統(tǒng)一取值為妊娠期的一半，即57 d，其他類型豬只妊娠天數(shù)取值為0；為產(chǎn)肉量，妊娠母豬和空懷母豬取值為0.18 kg/d，后備母豬取值為0.62 kg/d。

豬只顯熱產(chǎn)熱量計(jì)算公式為

式中為顯熱產(chǎn)熱量，W；為當(dāng)顯熱耗散與潛熱耗散的比例與較低臨界溫度數(shù)值相同時的系數(shù)，本文中取值為-10；為無綱量因子，本文中取值為1.28×10。

1.6 數(shù)據(jù)分析方法

采用Microsoft Excel 2021軟件初步處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用SPSS 25.0軟件進(jìn)行差異顯著性分析，其中，<0.05為顯著差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 舍內(nèi)外溫濕度與舍內(nèi)二氧化碳濃度

計(jì)算舍內(nèi)和舍外全部測點(diǎn)的平均溫度和相對濕度。現(xiàn)場測試時間為2021年1月15日—2月8日，由于更換儀器并重新設(shè)置參數(shù)的原因，舍內(nèi)溫濕度在2021年2月1日8:30—20:30期間未進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見圖1。

由圖1可知，舍外平均溫度為(-9.1±6.3) ℃，室外溫差變化幅度較大，變化范圍為-21.5～6.0 ℃；平均相對濕度(55.8±14.5)%，最低相對濕度為22.3%，最高相對濕度達(dá)到79.8%。舍內(nèi)平均溫度為(18.7±0.7) ℃，最低和最高氣溫分別為16.8 ℃和20.4 ℃；平均相對濕度(65.7±4.6)%，相對濕度范圍為51.4%～76.4%。試驗(yàn)期間單元1內(nèi)二氧化碳濃度平均值為(5 939±1 011) mg/m，范圍在4 410～7 385 mg/m。

圖1 豬舍內(nèi)外溫度與相對濕度 Fig.1 Temperature and relative humidity inside and outside piggery

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，對于空懷妊娠母豬來說，舍內(nèi)溫度舒適范圍為15～20 ℃，相對濕度舒適范圍為60%～70%，試驗(yàn)期間豬舍內(nèi)溫度和相對濕度的平均值均處于舒適范圍之內(nèi)。

2.2 豬舍通風(fēng)量

對風(fēng)機(jī)通風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算，得知單元1在3臺36寸風(fēng)機(jī)以60%功率運(yùn)行情況下，合計(jì)通風(fēng)量為(15 493.3± 1 146.8) m/h，單元2在2臺36寸風(fēng)機(jī)以80%功率運(yùn)行情況下，合計(jì)通風(fēng)量為(20 209.4±541.6) m/h，整棟豬舍的總通風(fēng)量為35 702.7 m/h，以此通風(fēng)量代入公式（7）計(jì)算試驗(yàn)期間豬舍逐時通風(fēng)耗熱量。

以各類型豬只的體重結(jié)合其頭數(shù)對豬舍內(nèi)豬只總體重進(jìn)行計(jì)算，得出試驗(yàn)期間單元1和單元2的平均總質(zhì)量分別為130 586和131 371 kg，則對應(yīng)單元內(nèi)母豬通風(fēng)量分別為0.12和0.15 m/(h·kg)，均低于國家標(biāo)準(zhǔn)冬季通風(fēng)量0.30 m/(h·kg)的要求，單元1的通風(fēng)量略低于美國標(biāo)準(zhǔn)中0.14 m/(h·kg)的推薦值，單元2達(dá)到了該值。

2.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部位傳熱系數(shù)

根據(jù)豬場提供的圍護(hù)結(jié)構(gòu)材質(zhì)及做法設(shè)計(jì)，結(jié)合各種材料對應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)，對豬舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部位的傳熱系數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算，得到表2。

承德市居住建筑的外墻和屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)最高限值分別為0.35和0.25 W/(m·K)。由表2可知，上半截墻主體部位以及屋面和天棚綜合傳熱系數(shù)的理論計(jì)算值分別為0.31和0.23 W/(m·K)，均低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最高限值；下半截墻體傳熱系數(shù)的理論計(jì)算值0.38 W/(m·K)稍高于最高限值；而風(fēng)機(jī)內(nèi)保溫板的傳熱系數(shù)0.68 W/(m·K)則遠(yuǎn)大于最高限值。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)理論值 Table 2 Theoretical value of heat transfer coefficient of building envelope structure

根據(jù)實(shí)際測量各測點(diǎn)墻體內(nèi)外表面溫度及熱流密度，結(jié)合公式（1）和公式（2）分別計(jì)算出墻體各測點(diǎn)的傳熱系數(shù)，再通過算術(shù)平均法求出各個部位的傳熱系數(shù)，結(jié)果見表3。

表3 墻體不同部位傳熱系數(shù)實(shí)測值 Table 3 Measured value of heat transfer coefficient at different parts of the wall (W·m-2·K-1)

從表3可以得知，上半截墻體主體部位的平均傳熱系數(shù)為0.39 W/(m·K)，高于其理論計(jì)算值25.8%；下半截墻體部位的平均傳熱系數(shù)為0.69 W/(m·K)，高于其理論計(jì)算值81.6%。在上半截墻體中，鋼梁部位面積占整個上半截墻體的面積比為11.7%，約為39.4 m，其傳熱系數(shù)平均值為0.97 W/(m·K)。試驗(yàn)中所測量的外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體部位的傳熱系數(shù)均未達(dá)到河北省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4 墻體內(nèi)表面結(jié)露的檢驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)期間豬舍內(nèi)16.8～20.4 ℃的氣溫范圍和51.4%～76.4%相對濕度范圍，查閱焓濕圖，分別以0.5 ℃和10%為間隔，找到氣溫16.0～21.0 ℃范圍內(nèi)在50%～80%相對濕度下對應(yīng)的露點(diǎn)溫度，℃，并根據(jù)試驗(yàn)期間舍外平均溫度、實(shí)測計(jì)算所得墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部位的熱阻值以及公式（3）計(jì)算得出墻體各部位在既定舍內(nèi)溫度下的內(nèi)表面溫度，與t進(jìn)行比較，由此得到圖2。

為防結(jié)露應(yīng)保證Δ≤-，為達(dá)到基本熱舒適，應(yīng)使Δ≤3 ℃。由圖2可以看出，在試驗(yàn)期間-9.1 ℃的平均舍外溫度下，不同舍內(nèi)氣溫及相對濕度下，墻體各部位對應(yīng)內(nèi)表面溫度均大于露點(diǎn)溫度，即Δ>-，因此不會產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象。根據(jù)公式（4）計(jì)算出不同舍內(nèi)溫度與對應(yīng)上半截墻體主體和下半截墻體的內(nèi)表面溫度的溫差均小于3℃，與上半截墻體鋼梁部分內(nèi)表面溫度的溫差僅在舍內(nèi)溫度大于19.5 ℃時超過了3 ℃，其余溫度下均小于3 ℃。由于鋼梁部位面積占墻體總面積的比值較小，所以豬舍整體基本達(dá)到熱舒適的要求。

圖2 墻體內(nèi)表面溫度與露點(diǎn)溫度 Fig.2 Internal surface temperature of walls and dew point temperature

對豬舍內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)各個部位內(nèi)表面通過紅外熱像儀進(jìn)行拍照測溫，分析主要的熱量流失較多的位置。

由測溫結(jié)果可知，門、窗、風(fēng)機(jī)和濕簾與墻體的安裝連接處，上下半截墻體彼此的連接處，屋架下弦與天棚連接處以及鋼柱與天棚連接部位溫度較低，最低溫度基本低于10 ℃，部分位置的最低溫度甚至達(dá)到0以下?？赡苁怯捎谶@些部位構(gòu)造特殊，建筑施工時玻璃棉等保溫材料難以填充到，所以比主體部位的傳熱系數(shù)高，熱量流失較多。根據(jù)試驗(yàn)期間舍內(nèi)的平均溫度和相對濕度，查閱焓濕圖得到豬舍的露點(diǎn)溫度為12.2 ℃，表面溫度低于該溫度的部位會產(chǎn)生冷凝的現(xiàn)象，易導(dǎo)致該處圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能和耐久度變差，造成惡性循環(huán)。

2.5 豬舍供暖能耗

利用公式（5）～公式（10）、表1、表2和表3計(jì)算得出試驗(yàn)期間每日各部分耗熱量、得熱量和總耗熱量。由于轉(zhuǎn)豬的原因，每日豬只數(shù)量都有變化，所以每日耗熱量和得熱量計(jì)算的是從當(dāng)日8:00到次日7:30的熱量。在理論+實(shí)測圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量的計(jì)算中，關(guān)于墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，采用的是實(shí)際試驗(yàn)測量值，其余圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，均為根據(jù)設(shè)計(jì)說明得到的理論計(jì)算值，且將上半截復(fù)合保溫墻體分為主體和鋼梁兩部分，結(jié)合其對應(yīng)面積大小進(jìn)行計(jì)算。因?yàn)榈孛鎮(zhèn)鳠嵯禂?shù)根據(jù)下半截墻體保溫層熱阻的不同而有所變化，所以在計(jì)算理論+實(shí)際圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量時，根據(jù)實(shí)際測量下半截墻體的熱阻值對地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)進(jìn)行取值，d1和d2處的傳熱系數(shù)分別為0.11和0.05 W/(m·K)。由于更換舍內(nèi)溫濕度并重新設(shè)置參數(shù)的原因，未監(jiān)測到2月1日全天的舍內(nèi)溫濕度，因此該日的耗熱量數(shù)據(jù)未進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表4。

表4 豬舍不同部位耗熱量 Table 4 Heat loss of different parts of piggery

由表4可知，試驗(yàn)期間，豬舍理論總耗熱量的平均值為(10.73±9.67) W/m，理論+實(shí)測總耗熱量的平均值為(11.84±9.83) W/m，二者差異不顯著（>0.05)。試驗(yàn)豬舍通風(fēng)耗熱量平均值為(51.86±8.31) W/m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量理論平均值為(8.72±1.32) W/m，理論+實(shí)測平均值為(9.82±1.49) W/m，分別為通風(fēng)耗熱量的16.8%和18.9%。

根據(jù)實(shí)際天然氣耗量，假定供暖系統(tǒng)的熱效率為100%，按每單位能源供熱量36.0 MJ/m3計(jì)算得到每日天然氣總供熱量，再由表4得到的豬舍總耗熱量對全天總耗熱量進(jìn)行計(jì)算，得到單位所需供熱量和單位實(shí)際供熱量。統(tǒng)計(jì)時間為2021年1月15日—2月8日，天然氣耗量的統(tǒng)計(jì)是通過每日8:00左右對天然氣表上的數(shù)值進(jìn)行抄錄，減去前一日的數(shù)值，從而計(jì)算出前一日的天然氣耗量。為保持一致性，舍外每日平均氣溫的計(jì)算周期也是從當(dāng)天的8:00至次日的7:30，由此得到圖3。

從圖3可知，所需供熱量的每日平均值為(0.28±0.24) kW·h/m，實(shí)際供熱量的每日平均值為(0.39±0.17) kW·h/m，兩組數(shù)值的波動幅度較大，但是二者差異不顯著。所需供熱量和實(shí)際供熱量的最高值均在1月28日，分別為0.83和0.79 kW·h/m，最低值均在2月5日，分別為-0.16和0.09 kW·h/m。所需供熱量與實(shí)際供熱量差值絕對值的平均值為(0.14±0.09) kW·h/m。在共24 d的試驗(yàn)期間，所需供熱量大于實(shí)際供熱量的天數(shù)為6 d，且在1月15日二者的差值最大，為0.22 kW·h/m，接近于當(dāng)天實(shí)際耗熱量的一半；所需供熱量小于實(shí)際耗熱量的天數(shù)為18 d，在2月5日差值為0.26 kW·h/m，達(dá)到了實(shí)際耗熱量的2.7倍。

圖3 每日所需供熱量與實(shí)際供熱量 Fig.3 Daily required heating supply and actual heating supply

3 討 論

相較于傳統(tǒng)未保溫磚混豬舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)（墻體2.33 W/(m·K)、屋頂0.47 W/(m·K)），試驗(yàn)豬舍主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)（上半截墻體主體部位0.39 W/(m·K)、上半截墻鋼梁部位0.97 W/(m·K)、下半截墻體0.69 W/(m·K)、屋面和天棚綜合0.23 W/(m·K)）顯著降低；此外，試驗(yàn)豬舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量與通風(fēng)耗熱量的比值（理論16.8%、理論+實(shí)測18.9%）較傳統(tǒng)未保溫磚混豬舍（155.9%）也顯著降低，說明該類裝配式豬舍的保溫效果優(yōu)于傳統(tǒng)未保溫磚混豬舍。試驗(yàn)豬舍中單元1的通風(fēng)量與美國豬舍環(huán)境通風(fēng)參數(shù)相比，尚需適當(dāng)增加。

本研究之所以會出現(xiàn)墻體不同部位實(shí)測傳熱系數(shù)實(shí)際測量值低于理論計(jì)算值的情況，主要是因?yàn)樨i舍內(nèi)經(jīng)常沖洗和消毒，其相對濕度一般較人居建筑偏大，而材料含濕量的增大會導(dǎo)致其導(dǎo)熱系數(shù)值增大，上半截墻體主體部位的保溫材料玻璃棉，作為多孔材料，具有一定吸濕性，雖內(nèi)外表面附有隔汽薄膜，但可能存在縫隙或破損處；下半截墻體為磚砌體，導(dǎo)熱系數(shù)受到含濕量影響也較大，進(jìn)而導(dǎo)致墻體傳熱系數(shù)實(shí)測值較理論值升高，再者實(shí)際施工過程中玻璃棉的鋪設(shè)厚度可能與理論計(jì)算值（設(shè)計(jì)方案）存在一定偏差，也會造成實(shí)測值與理論值存在部分偏差。上半截墻體主體部位平均傳熱系數(shù)的實(shí)測值高于其理論計(jì)算值25.8%，下半截墻體平均傳熱系數(shù)的實(shí)測值高于其理論計(jì)算值81.6%，下半截墻體傳熱系數(shù)實(shí)測值與理論值之差明顯大于上半截墻體主體部位。根據(jù)紅外熱像儀進(jìn)行拍照測溫結(jié)果發(fā)現(xiàn)，上下半截墻體彼此的連接處表面溫度低于露點(diǎn)溫度，會發(fā)生冷凝現(xiàn)象，且下半截墻體未像上半截墻體一樣添加防水層，因此含濕量更高，傳熱系數(shù)變化幅度比上半截墻體大。

所需供熱量與實(shí)際供熱量差異不顯著（>0.05)，但二者數(shù)值上存在一定的差別，究其原因，首先，因?yàn)槲从邢嚓P(guān)文獻(xiàn)對濕簾的相關(guān)傳熱系數(shù)進(jìn)行研究，所以在理論計(jì)算過程中，僅僅計(jì)算了濕簾外側(cè)人工布置的擠塑保溫板的傳熱系數(shù)。其次，除墻體以外的其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，均是根據(jù)豬場提供的材質(zhì)及做法設(shè)計(jì)說明，以及對應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算的，而實(shí)際施工中可能與之有部分差別，加上豬舍內(nèi)濕度偏高，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫效果會造成影響，致使其傳熱系數(shù)比理論計(jì)算值偏高。同時，部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)相互連接的位置，由于其構(gòu)造較為特殊，保溫材料等未能充分填充到，導(dǎo)致此處存在熱量流失較大的情況。再者，由于豬舍采用天棚進(jìn)風(fēng)的方式，對由舍外進(jìn)入舍內(nèi)的冷風(fēng)有預(yù)熱的作用，因此進(jìn)風(fēng)溫度要高于舍外空氣溫度，但在本次試驗(yàn)中，計(jì)算通風(fēng)耗熱量時的進(jìn)風(fēng)溫度直接使用了舍外空氣溫度，故而會產(chǎn)生一定誤差。此外，當(dāng)?shù)氐奶鞖庖蛩匾矔a(chǎn)生些許影響，理論通風(fēng)耗熱量計(jì)算中每日采用的通風(fēng)量是固定的，但在大風(fēng)天氣由于舍外氣流的作用，也會造成豬舍的通風(fēng)量升高，實(shí)際的通風(fēng)耗熱量也會因此而變大。因以上因素的綜合影響，導(dǎo)致了所需供熱量與實(shí)際供熱量產(chǎn)生一定的差別。

裝配式豬舍相較于傳統(tǒng)豬舍保溫性能有所提升，但由于豬舍內(nèi)相對濕度較高，應(yīng)對圍護(hù)結(jié)構(gòu)做好防水措施，以減少高濕度對材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響。針對門、窗、風(fēng)機(jī)和濕簾與墻體的安裝連接處，上下半截墻體連接處，以及鋼柱與天棚連接部位等易被忽視，且易存在熱工缺陷的傳熱異常部位，應(yīng)在施工過程中加以關(guān)注，確保保溫材料覆蓋全面并使其保溫效果達(dá)標(biāo)，減少熱量流失，避免冷凝現(xiàn)象產(chǎn)生，以防影響周圍圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能和耐久性。對于風(fēng)機(jī)數(shù)量較多且尺寸較大的大型豬舍，冬季需采用保溫性能更好的風(fēng)機(jī)保溫和密封措施，以減少大面積的熱量損失，進(jìn)而減少供暖能耗。豬舍耗熱情況是受到多方面因素綜合影響的結(jié)果，為提高裝配式豬舍冬季保溫效果和減少能耗，尚需對該類豬舍影響能耗和保溫效果的上述原因開展進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

1）裝配式試驗(yàn)豬舍上半截復(fù)合保溫墻體主體部位傳熱系數(shù)的理論計(jì)算值為0.31 W/(m·K)，實(shí)測值比理論計(jì)算值高25.8%，為0.39 W/(m·K)；下半截外保溫磚墻墻體傳熱系數(shù)的理論計(jì)算值和實(shí)測值分別為0.38和0.69 W/(m·K)，實(shí)測值比理論計(jì)算值高81.6%；上半截墻體鋼梁部位傳熱系數(shù)的實(shí)測值為0.97 W/(m·K)。

2）在舍外平均溫度為-9.1 ℃時，試驗(yàn)期間舍內(nèi)溫度和相對濕度范圍內(nèi)，墻體內(nèi)表面溫度均大于露點(diǎn)溫度，未產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象。但門、窗、風(fēng)機(jī)、濕簾與墻體的連接處，上半截墻體與下半截墻體連接處，屋架下弦與天棚連接處以及鋼柱與天棚連接部位溫度較低，易產(chǎn)生冷凝情況。

3）試驗(yàn)期間，豬舍理論總耗熱量平均值為10.73 W/m，理論+實(shí)測總耗熱量平均值為11.84 W/m，其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量理論平均值和理論+實(shí)測平均值分別為8.72和9.82 W/m，分別為通風(fēng)耗熱量的16.8%和18.9%，試驗(yàn)豬舍總耗熱量主要受到通風(fēng)耗熱量影響。

4）試驗(yàn)期間，根據(jù)理論+實(shí)測總耗熱量計(jì)算得到的所需供熱量日平均值為0.28 kW·h/m，根據(jù)天然氣使用量所得的實(shí)際供熱量日平均值為0.39 kW·h/m。