禽舍降溫系統(tǒng)研究綜述

陳剛毅，丁力行，黃燕華，周廣，陳振龍

（1. 仲愷農業(yè)工程學院機電工程學院，廣州，510225；2. 嶺南現(xiàn)代農業(yè)科學與技術廣東省實驗室）

0 引言

家禽具有繁殖力強、生長迅速、飼料轉化率高、適應密集飼養(yǎng)等特點，能在較短的生產周期內以較低的成本生產出營養(yǎng)豐富的蛋、肉產品，是人類理想的動物蛋白食品來源［1］。目前我國家禽飼養(yǎng)規(guī)模大幅提升，據國家統(tǒng)計局公布數(shù)據2020年全國家禽出籠155.7億只，禽肉產量2361萬噸，禽蛋產量3468萬噸；2019年我國蛋禽規(guī)?；B(yǎng)殖比高達78.1 %、肉禽規(guī)?；B(yǎng)殖比高達82.5 %。同時由于家禽業(yè)進入門檻低、投入少、周期短，許多農戶選擇養(yǎng)殖家禽作為主要營收手段，特別是部分貧困地區(qū)，將家禽養(yǎng)殖作為產業(yè)扶貧、農業(yè)發(fā)展的主導產業(yè)，為促進農民增收、打贏脫貧攻堅、發(fā)展縣域經濟發(fā)揮了重要作用［2］。

家禽養(yǎng)殖效益受多種因素影響，其中禽舍熱環(huán)境會影響家禽成活率和生長發(fā)育［3］。 文獻［4］指出當禽舍環(huán)境溫度過高，會引起家禽熱應激，具體表現(xiàn)為家禽體內熱量散失困難、采食量下降、呼吸急促、精神萎靡，甚至會死亡。為了保證家禽健康生長，減少熱應激反應帶來的危害，目前主要措施是在禽舍內安裝針對家禽舒適性的降溫系統(tǒng)。

禽舍降溫系統(tǒng)主要有兩種：接觸式熱濕交換系統(tǒng)和表面式熱濕交換系統(tǒng)。本文將圍繞這兩種降溫系統(tǒng)展開綜述，為今后禽舍選擇降溫系統(tǒng)提供參考。

1 接觸式熱濕交換系統(tǒng)

接觸式熱濕交換系統(tǒng)的運行方式是，與空氣進行熱濕交換的介質直接與空氣接觸。通常是使被處理的空氣流過熱濕交換介質表面、通過含有熱濕交換介質的填料層或將熱濕交換介質噴灑到空氣中，形成具有各種分散度液滴的空間，使液滴與流過的空氣直接接觸。

當空氣與介質直接接觸時，可能僅發(fā)生顯熱交換，也可能既有顯熱交換又有濕交換，這取決于介質溫度。假設空氣狀態(tài)點為A點，且與空氣接觸的介質足夠多，接觸時間足夠久，那么隨著介質溫度不同，點A的狀態(tài)可以達到圖1五種空氣狀態(tài)，表1列舉了這五種空氣狀態(tài)變化的過程特點。

圖1 空氣與介質直接接觸時的狀態(tài)變化過程

表1 空氣與介質直接接觸時各種過程的特點

接觸式熱濕交換系統(tǒng)有以下型式：

1.1 濕簾—風機降溫系統(tǒng)

濕簾—風機降溫系統(tǒng)主要由濕簾、水循環(huán)系統(tǒng)、負壓風機以及控制裝置組成。通常會在禽舍一端的墻壁或兩側墻壁設置進風口并安裝濕簾，禽舍的另一側安裝負壓風機。當濕簾—風機降溫系統(tǒng)運作時，負壓風機會讓禽舍室內處于負壓狀態(tài)，此時室外空氣會穿過安裝了濕簾的進風口，并與濕簾的水接觸，由于室外空氣的水蒸氣未達到飽和狀態(tài)，濕簾的水會吸收室外空氣的熱量蒸發(fā)，這相當于對室外空氣進行等焓降溫處理。接著，溫度降低的室外空氣進入室內與環(huán)境換熱，最后通過負壓風機排出室外。其系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 濕簾—風機降溫系統(tǒng)示意圖

濕簾—風機降溫系統(tǒng)是畜禽舍中使用最廣泛的蒸發(fā)降溫系統(tǒng)［5］。王美芝等［6］在北京地區(qū)對比了濕簾—風機系統(tǒng)和單純風機系統(tǒng)的降溫效果，結果表明濕簾—風機系統(tǒng)可以將舍內溫度高于30.0 ℃的小時數(shù)占比從20.2 %降低為5.0 %。王陽等［7］探究西北地區(qū)縱墻濕簾山墻排風系統(tǒng)和傳統(tǒng)縱向通風系統(tǒng)對蛋雞舍內熱環(huán)境的改善狀況，結果表明安裝縱墻濕簾山墻排風與傳統(tǒng)縱向通風系統(tǒng)蛋雞舍內溫度最大波動幅度分別為2.7、10.3 ℃，但前者的經濟投入成本是后者的1.6倍。Mohamed Saied Ghoname［8］對比了濕簾水流量分別為4.76、5.56、6.35L·(min·m2)-1時對蛋雞舍熱環(huán)境影響，結果顯示4.76L·(min·m2)-1的水流量冷卻效率最高。

影響濕簾—風機系統(tǒng)降溫效果的主要因素是室外空氣溫、濕度和濕簾自身結構［9］。Chaoyuan Wang［10］用濕簾冷卻效率公式評估濕簾系統(tǒng)的適用性，計算公式（2.1）如下：

其中：η——濕簾冷卻效率（%）；

Tdb— —降溫前空氣干球溫度（℃）；

Twb— —降溫前空氣濕球溫度（℃）；

Ti— —降溫后空氣干球溫度（℃）。

式中，Tdb-Twb為 室外空氣的干、濕球溫度差，是理論上濕簾系統(tǒng)所能提供的降溫幅度最大值，而Tdb-Ti是 室外空氣經過濕簾放熱實際達到的降溫幅度，η是蒸發(fā)降溫實際效果與理論效果之比，其數(shù)值不大于1，室外空氣越干燥，干、濕球溫差越大，濕簾的降溫效果越好。

濕簾—風機降溫系統(tǒng)具有設備簡單、造價便宜、能均勻地緩解舍內熱環(huán)境的優(yōu)點，但該系統(tǒng)要求禽舍構造為密閉式，氣密性好，同時需要當?shù)貧夂蚋稍?、濕球溫度低，才能有較高的降溫效率，適合于如我國西北等干旱炎熱的地區(qū)使用。

1.2 濕簾冷風機系統(tǒng)

濕簾冷風機系統(tǒng)主要由濕簾、水循環(huán)系統(tǒng)、軸流風機、風管、送風口、機殼以及控制裝置組成。系統(tǒng)運作時，風機啟動，機殼腔內產生負壓，迫使室外未飽和空氣流經濕簾與水分換熱，降溫后的空氣以正壓送風方式送入室內進行降溫，該系統(tǒng)適用于開式、半開式的畜禽舍［11］。其系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 濕簾冷風機系統(tǒng)示意圖

吳中紅［12］分別使用濕簾冷風機系統(tǒng)模式與自然通風模式對比兩者對畜禽舍環(huán)境的降溫效果，在舍外日平均最高氣溫39.9 ℃，平均溫度31.5 ℃、濕度85.6 %時，使用濕簾冷風機系統(tǒng)的試驗舍和使用自然通風的對照舍日平均溫度、日平均最高溫度分別為27.7、29.6和30.2、32.5 ℃，濕度分別為87.5 %和82.5 %，結果表明濕簾冷風機系統(tǒng)的局部降溫和風冷效果更好，可有效改善舍內熱環(huán)境。Jonas Perin［13］發(fā)現(xiàn)使用傳統(tǒng)的溫控系統(tǒng)與濕簾冷風機—風管送風系統(tǒng)時豬的自愿飼量分別為每天4.8±0.2 kg、5.8±0.2 kg；減重百分比分別為5.3±0.9 %、2.2±0.9 %，結果證明生活在濕簾冷風機—風管送風系統(tǒng)下豬的生理狀態(tài)優(yōu)于傳統(tǒng)溫控系統(tǒng)下的狀態(tài)。

濕簾冷風機系統(tǒng)能應用在敞開式的禽舍中，對建筑密閉性要求不高，而且可以通過設計風管、送風口的位置、工藝尺寸等因素，達到為畜禽精準送風的目的，降低舍內溫度不均勻性。由于降溫效果取決于空氣濕球溫度，因此該系統(tǒng)適用于環(huán)境干燥的地區(qū)，同時還要保證該地區(qū)有充足的水源供應，能滿足系統(tǒng)運作。

1.3 噴霧降溫系統(tǒng)

噴霧降溫系統(tǒng)主要由水箱、水泵、過濾器、噴頭和自動控制裝置組成［14］，利用水泵將水箱里的水以一定速度從噴頭噴射，由于水與噴頭孔壁產生摩擦，致使水被擠拉成一條很細的絲，遇到空氣阻力很快斷裂成微小的環(huán)形水滴，形成的細霧滴，霧滴彌漫整個室內與空氣混合，從而實現(xiàn)除塵、降溫的目的［15］。其系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

圖4 噴霧降溫系統(tǒng)示意圖

國內外學者已對噴霧降溫系統(tǒng)的應用展開相關研究［16-18］。婁中凱［19］通過建立數(shù)學模型研究霧蒸發(fā)冷卻對室內環(huán)境調控的效果，結果顯示空氣溫降和濕增程度隨噴霧系數(shù)的增大而增加，噴霧系數(shù)每增加0.3 ‰，則溫降大約增加1 k，相對濕度增加5 %左右；噴霧系數(shù)相同時，換氣次數(shù)對空溫降和濕增的影響較小，主要對溫、濕度分布的均勻性產生影響。付勝勇等［20］研究了自動化噴霧對封閉式鴿舍的降溫效果，結果顯示，自動化噴霧降溫處理可使舍內最高溫度降低3 ℃，相對濕度增加10 %，極顯著提高新生乳鴿14日齡體重，表明封閉式鴿舍應用自動化噴霧能顯著改善鴿舍空氣質量，提高種鴿生產性能。Yongguang Hu等［21］設計了由噴風機和噴霧系統(tǒng)組成的噴霧冷卻系統(tǒng)，從現(xiàn)場試驗結果表明，當初始環(huán)境溫度為310.05 K-310.95 K時，噴霧冷卻風扇的最大溫度降為9.1 K，冷卻距離約為36.0 m，溫度降幅隨著與風扇的距離增加而降低。

噴霧降溫系統(tǒng)是直接把水霧噴灑到舍內與空氣換熱，具有降溫速率快的特點，還能減少空氣中懸浮的顆粒等污染物，凈化空氣。噴霧系統(tǒng)的使用有幾點要求：1）產生的霧滴最好能在落在地面前完全蒸發(fā)，避免地面濕滑，滋生細菌；2）霧滴盡可能小，這樣單位體積的表面積越大，越有利于增加與空氣的接觸面積，強化換熱；3）噴霧系統(tǒng)使用的水源水質要好，雜質少，減少噴嘴堵塞可能性，降低系統(tǒng)維護成本。

2 表面式熱濕交換系統(tǒng)

表面式熱濕交換系統(tǒng)的運行方式是，與空氣進行熱濕交換的介質不與空氣接觸，二者之間的熱濕交換是通過分隔壁面進行。假設空氣與分隔壁面充分接觸，接觸時間足夠長，那么空氣的溫度將達到分隔壁面的溫度。根據分隔壁面溫度不同，可以獲得圖5三種空氣處理過程，表2列舉這三種過程。當分隔壁面溫度高于空氣溫度，壁面的空氣將發(fā)生等濕加熱過程；當分隔壁面溫度低于空氣溫度，而高于空氣露點溫度，壁面的空氣將發(fā)生等濕冷卻過程；當分隔壁面溫度低于空氣露點溫度，壁面的空氣將發(fā)生減濕冷卻過程。

圖5 空氣與介質間接接觸時的狀態(tài)變化過程

表2 空氣與介質間接接觸時各種過程的特點

表面式熱濕交換系統(tǒng)根據冷量來源有以下型式：

2.1 地下水降溫系統(tǒng)

地下水降溫系統(tǒng)主要由水泵、熱交換器、風機組成，工作原理是利用水泵把淺層地下水經管道抽吸到熱交換器中，同時風機將禽舍室內熱空氣吸入熱交換器，低溫的淺層地下水通過管道壁和翅片吸收熱空氣的熱量后經回水管道流進回流井；被吸去熱量的熱空氣溫度降低，由風機吹入室內，從而實現(xiàn)禽舍熱環(huán)境降溫的目的［22］。其系統(tǒng)示意圖如圖6所示。

圖6 地下水降溫系統(tǒng)示意圖

提博宇等［23］研究地下水空調系統(tǒng)在開放式繁殖母兔舍的降溫效果，實驗數(shù)據顯示使用地下水空調系統(tǒng)降溫的試驗舍兔籠內平均氣溫較不開地下水空調系統(tǒng)的對照舍低2.5～3.3 ℃，相對濕度高8%，結果表明在開放式兔舍中采用水空調系統(tǒng)進行局部降溫，有助于緩解夏季妊娠或哺乳母兔的熱應激。謝雨晴等［24］對比了地下水降溫系統(tǒng)、濕簾—風機系統(tǒng)和民用制冷空調機組的運行成本，結果表明水空調降溫、濕簾－風機降溫、民用制冷空調降溫的單位面積運行電費分別為0.017元、0.039元、0.157元，水空調降溫的單位面積運行電費低于濕簾－風機降溫和民用制冷空調降溫。Hafiz M. U. Raza等［25］分別研究了空氣直接接觸水面的直接降溫系統(tǒng)，和空氣與水通過通道壁面?zhèn)鳠岬拈g接降溫系統(tǒng)對家禽舍熱環(huán)境的降溫效果，結果表明，直接降溫系統(tǒng)和間接降溫系統(tǒng)最大溫度梯度分別為9 ℃、6.5 ℃。

地下水降溫系統(tǒng)運行成本低，系統(tǒng)設備運作簡單，但初期建設成本高，需要挖掘出水井和回水井，土地使用面積大，同時該系統(tǒng)需要在地下水資源豐富的地理環(huán)境才能使用。

2.2 人工冷源降溫系統(tǒng)

人工冷源降溫系統(tǒng)主要由壓縮機、冷凝器、節(jié)流裝置和蒸發(fā)器組成，通過工質依次在壓縮機壓縮成高溫高壓氣體，接著在冷凝器冷凝成高壓液體，然后經過節(jié)流裝置等焓降壓成為低溫低壓液體后，流過蒸發(fā)器蒸發(fā)吸收環(huán)境熱量，最后被吸入壓縮機，完成一個工作循環(huán)。其系統(tǒng)示意圖如圖7所示。

圖7 人工冷源降溫系統(tǒng)示意圖

賈靜等［26］通過分析有窗密閉空調降溫舍、有窗密閉舍和開放舍三種形式兔舍夏季舍內的溫濕度指數(shù)和兔舍生產效益，來研究我國高溫高濕地區(qū)兔舍制冷空調的降溫效果和運行效益，結果表明：密閉空調舍、有窗密閉舍和開放舍的溫濕度指數(shù)分別為28.2±1.4、31.9±1.5、31.8±1.4，即密閉空調舍的溫濕度指數(shù)均顯著低于密閉舍和開放舍，密閉空調舍的熱環(huán)境適宜程度最高；經濟分析是對比5～7月密閉空調舍和只開啟風機的兔舍生產效益，計算結果為密閉空調舍每出欄一只商品兔收入23.90元，而開放舍每繁殖一只母兔沒有收入，反而需要支出54.27元，說明夏季使用空調降溫系統(tǒng)保證母兔正常繁殖，能夠產生良好的經濟效益，在管理水平較高的兔場，具有經濟可行性。

人工冷源降溫系統(tǒng)克服了對環(huán)境氣候因素的依賴性，對熱環(huán)境的調控能力強，適用范圍廣，系統(tǒng)運作穩(wěn)定，但運行成本高，目前該系統(tǒng)尚未在農業(yè)領域內廣發(fā)使用。

3 總結

本文針對家禽在高溫環(huán)境下容易產生熱應激反應，導致家禽生長性能下降，甚至死亡的問題，分別從接觸式熱濕交換系統(tǒng)、表面式熱濕交換系統(tǒng)的工作原理和形式對目前禽舍已有的降溫系統(tǒng)展開綜述。經過上述討論分析，得到以下結論，以期能夠為今后禽舍降溫系統(tǒng)的設計提供參考。

一、目前禽舍降溫系統(tǒng)大多采用接觸式熱濕交換系統(tǒng)，主要型式有濕簾—風機降溫系統(tǒng)、濕簾冷風機系統(tǒng)、噴霧降溫系統(tǒng)。該類型的系統(tǒng)具有溫、濕度調節(jié)能力，其降溫效果受到室外空氣溫、濕度制約，適合在高溫低濕地區(qū)使用。

二、濕簾—風機降溫系統(tǒng)的冷卻效果主要取決于室外空氣溫、濕度和濕簾自身結構，同時該型式對禽舍的密閉性有較高要求；濕簾冷風機系統(tǒng)用風機把室外空氣引進濕簾降溫，再送入舍內，適合在開式、半開式禽舍使用；噴霧降溫系統(tǒng)適用范圍廣，降溫效果顯著，并具有降低空氣粉塵濃度的功能，但該系統(tǒng)對噴霧水源的水質有較高要求。

三、表面式熱濕交換系統(tǒng)大多是冷水與空氣通過金屬壁面進行換熱，換熱效果取決于冷水溫度、流速、表面式換熱器工藝等因素，主要型式有地下水降溫系統(tǒng)和人工冷源降溫系統(tǒng)。該類型的系統(tǒng)不會引起環(huán)境散濕量增加，當被處理的空氣干球溫度和水溫不變時，空氣濕球溫度愈高，表面式熱濕交換系統(tǒng)的冷卻減濕能力愈大。

四、地下水降溫系統(tǒng)建設成本高，但日常運作成本低，設備安裝維護方便，該系統(tǒng)需要在有豐富地下水資源的地區(qū)使用；人工冷源降溫系統(tǒng)對溫度控制的精度高，同時還具有空氣除濕、凈化等功能，擁有對室內空氣質量控制強的優(yōu)點，但該系統(tǒng)存在運行成本高昂、設備復雜等缺點，在畜禽舍內應用較少。