冬季不同建筑類型羊舍外圍護結構保溫隔熱性能的評價

趙娟娟，車大璐，趙壽培，王 媛，郝贊艮，張偉濤，高玉紅*

(1.河北農業(yè)大學 動物科技學院，河北 保定 071001；2.衡水志豪畜牧科技有限公司，河北 衡水 053400；3.康地飼料添加劑(天津)有限公司，天津300270；4.河北省畜牧總站，河北 石家莊 050035)

羊舍的建筑結構影響羊群的生產和繁殖性能，尤其是羊舍的外圍護結構直接影響其保溫隔熱性能，并與舍內的溫熱環(huán)境密切相關[1]，合理的外圍護結構可減少夏季外界熱量的傳入和冬季舍內熱量的散失。一般情況下，羊具較強的耐寒性，但長期處于低溫環(huán)境的羊群也會引起機體熱量的大量散失，導致機體產熱量增加，進而引起日糧能量的利用率降低[2]。近年來隨著高效健康的羊產業(yè)發(fā)展趨勢，舍飼半舍飼的飼養(yǎng)模式已經逐步成熟，這無疑對羊舍外圍護結構的保溫隔熱性能提出了更嚴格的要求，但目前相關研究很少。魯煜建等[3]通過增加牛舍圍護結構的熱阻以減少舍飼牛的冷應激；趙婉瑩等[4]通過改進牛舍的建筑材料以提高圍護結構熱阻值。已有研究認為，墻體和屋頂選擇不同的建筑材料、不同的厚度，其保溫隔熱效果不同。牛舍屋頂采用傳熱系數(shù)為1.0 W/(m2·K)和6.3 W/(m2·K)的材料時，舍內外溫度差相差1～1.8 ℃。當舍外溫度為-20 ℃時，墻壁厚度分別為 24、37 和 50 cm 的牛舍內最低溫度分別為-6.97、-2.03 和 5.57 ℃[5]。本試驗通過對冬季4種建筑類型羊舍的外圍護結構熱阻、表面溫度和舍內溫度進行檢測及相關性分析，為羊舍建筑設計提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗羊舍選擇

本試驗于2019年12月份于河北省衡水市武邑縣某規(guī)模化羊場進行，選擇該場4棟不同建筑類型的羊舍，對羊舍的外圍護結構表面溫度和舍內的溫濕度進行同期檢測。飼養(yǎng)品種均為雜交小尾寒羊。羊舍的建筑特點和飼養(yǎng)情況如表1所示。

表1 羊舍建筑特點

1.2 溫濕度檢測

1.2.1 外圍護結構內表面溫度測定 采用紅外測溫儀(FLUKE F568-2)對所選4棟羊舍的外圍護內表面(屋頂兩坡、墻體4個側面和地面料道兩側)溫度進行測定，檢測時間為每天的早(7:00-8:00)、午(12:00-13:00)和晚(16:00-17:00)，選擇3個晴天連續(xù)測量，間隔15 d，檢測周期為2個月。對外圍護結構的內、外墻體表面溫度檢測時，測點選擇每棟舍內長軸方向的3個截面，每個截面均勻設置16個點(A1，A2，A3，B1，……E，F(xiàn))，兩側山墻各布置8個點(G1……G8，H1……H8)，舍外各側墻體的測點與舍內重合，測點分布如圖1所示。

圖1 紅外測溫儀測量點分布圖

1.2.2 舍內環(huán)境溫濕度測定 各羊舍中央分別懸掛3個溫濕度記錄儀(KTH-350-I，法國)，懸掛高度(探頭距地面的垂直距離)1.5 m，記錄羊舍內外溫度和相對濕度每天24 h的連續(xù)變化，每間隔 0.5 h記錄一次數(shù)據(jù)。連續(xù)2個月，檢測結束后導出數(shù)據(jù)，繪制溫度和相對濕度的晝夜連續(xù)曲線圖。

1.3 外圍護結構保溫隔熱性能參數(shù)測定

1.3.1 墻體與屋頂總熱阻 根據(jù)文獻[6]中規(guī)定的多層勻質材料總熱阻的公式，計算羊舍的墻體和屋頂總熱阻：

(1)

式中:R0為總熱阻；Rn、R和Rw分別為墻體與屋頂內表面、中間及外表面的變換熱阻，單位為(m2·K)/W；an為墻體與屋頂內表面的換熱系數(shù)，冬季取8.7 W/(m2·K)；aw為墻體與屋頂外表面的換熱系數(shù)，冬季取23.3 W/(m2·K)；δ1、δ2和δ3分別為材料厚度；λ1、λ2和λ3分別為材料的導熱系數(shù)，燒結磚的導熱系數(shù)為0.58 W/(m·K)，水泥砂漿的導熱系數(shù)0.93 W/(m·K)，聚苯乙烯彩鋼夾芯板的導熱系數(shù)為0.035 W/(m·K)，彩鋼板的導熱系數(shù)為58.2 W/(m·K)，采光板的導熱系數(shù)為0.52 W/(m·K)。

1.3.2 墻體與屋頂?shù)臒岫栊?按文獻[6]所示多層勻質材料的熱惰性公式，計算墻體和屋頂?shù)臒岫栊裕?/p>

D=R×S

(2)

D=D1+D2+D3+……+Dn

(3)

式中:D為墻體與屋頂?shù)臒岫栊灾笜?；R為各材料層的熱阻；S為材料層的蓄熱系數(shù)，其中燒結磚的蓄熱系數(shù)為7.92 W/(m2·K)，水泥砂漿的蓄熱系數(shù)為11.37 W/(m2·K)，聚苯乙烯彩鋼夾芯板的蓄熱系數(shù)為0.37 W/(m2·K)，彩鋼板的蓄熱系數(shù)為126 W/(m2·K)，采光板的蓄熱系數(shù)為9.25 W/(m2·K)；D1，D2，D3……Dn為各層材料的熱惰性指標。

1.3.3 墻體與屋頂?shù)牡拖逕嶙柚?根據(jù)《民用建筑熱工設計規(guī)范GB 50176-2016》[6]中低限熱阻的公式，計算墻體和屋頂?shù)牡拖逕嶙鑋7-8]，計算公式如下：

(4)

(5)

式中:Rmin·w和Rmin·r分別為墻體和屋頂?shù)牡拖逕嶙瑁籺i為冬季舍內計算溫度，單位為℃，舍內計算溫度ti=10 ℃。te為舍外計算溫度，單位為℃，冬季舍外計算溫度te可根據(jù)圍護結構的熱惰性指標D值的不同進行取值(見表2)。Δt為舍內計算溫度與外圍護結構內表面溫度的允許溫差，墻體和屋頂?shù)脑试S溫差分別為Δtw=ti-td=3.37 ℃，Δtr=0.8×(ti-td)=2.70 ℃[9]，其中td為露點計算溫度，根據(jù)溫濕度可推算出td=6.63 ℃;Ri為圍護結構內表面換熱阻，取0.115(m2·K)/W；Re為圍護結構外表面換熱阻，取0.043(m2·K)/W。

表2 冬季舍外計算溫度

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 SPSS 19.0對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析和Duncan氏法多重比較。以P<0.05為差異顯著，數(shù)據(jù)均以平均值±標準誤來表示。

2 結果與分析

2.1 不同建筑類型羊舍外圍護結構保溫隔熱性能參數(shù)的比較

由表3可見，有窗密閉舍1墻體和屋頂?shù)臒岫栊跃哂谄渌?棟舍。一般而言，熱惰性越大，圍護結構的熱穩(wěn)定性越好。根據(jù)畜舍的保溫要求，畜舍外圍護結構的總熱阻R0>低限熱阻Rmin。各舍墻體的總熱阻均高于冬季低限熱阻，符合保溫設計要求；除了單彩鋼屋頂(舍4)，其他3種舍屋頂?shù)目偀嶙韪哂诙镜拖逕嶙?，基本符合設計要求。

表3 不同建筑結構羊舍保溫隔熱性能參數(shù)的比較

2.2 不同建筑類型羊舍環(huán)境溫濕度的晝夜連續(xù)變化

從圖2可以看出，不同建筑類型羊舍的溫度變化存在一定差異。與舍外溫度比較，4棟舍的晝夜溫差遠低于舍外，舍外的溫度變化較大，其日溫差高達20.78 ℃。4棟舍中，有窗密閉舍1的晝夜溫度變化較小，其范圍為4.70～7.42 ℃(平均6.03 ℃)，且每天24 h各時刻溫度均高于其他3棟舍，日均溫分別比其他舍高4.35 ℃(舍2)、4.39 ℃(舍3)和6.34 ℃(舍4)。半開放舍4溫度的日變化最大，為-3.70～5.27 ℃，且舍4溫度處于零下的時間每天長達約15 h。

圖2 不同建筑類型羊舍環(huán)境溫度的變化曲線

從圖3可以看出，不同建筑類型羊舍的相對濕度變化也存在一定差異。與舍外比較，4棟羊舍的濕度晝夜?jié)癫钭兓^小，為55.76%～85.35%，遠低于舍外的晝夜?jié)癫?61.57%)。4棟舍中，有窗舍1的濕度最高，平均為81.95%，其他3棟舍的平均濕度分別為74.69%(舍2)、75.43%(舍3)和72.52%(舍4)。

圖3 不同建筑類型羊舍環(huán)境濕度的變化曲線

2.3 不同建筑類型羊舍外圍護結構的內表面溫度變化

由表4可見，有窗舍1屋頂內表面溫度最高，而單彩鋼舍4屋頂溫度最低，尤其是早、晚兩個時段，舍1屋頂溫度顯著高于其他3棟舍(P<0.01)，而舍4屋頂溫度顯著低于其他3舍(P<0.01)。從地面和墻體內表面溫度看，不同舍間的均溫差異均達顯著水平(P<0.05)，其中舍1溫度最高，舍4溫度最低。舍1地面和墻體的溫度顯著高于其他3棟舍(P<0.01)，舍2和舍3地面和墻體內表面均溫無顯著差異(P>0.05)，且舍1各時間段墻體內表面溫度顯著高于其他3舍(P<0.05)。

表4 不同建筑類型羊舍不同時間段的外圍護結構內表面溫度

2.4 舍內環(huán)境溫度與外圍護內表面溫度之間的相關性

羊舍的舍溫與外圍護各結構內表面溫度之間的相關性如表5所示。3個時間段中，中午所有舍的舍溫與各圍護結構(屋頂、墻體和地面)內表面溫度間均表現(xiàn)出顯著相關性(P<0.05)(舍2屋頂和地面除外)；4棟舍中，有窗舍1和單彩鋼舍4的舍溫與各圍護結構溫度之間均表現(xiàn)出顯著相關性(P<0.05)(舍1的晚上屋頂、早上地面以及舍4的早晚屋頂除外)。

表5 舍內環(huán)境溫度與外圍護結構內表面溫度間的相關性

3 討 論

羊舍的建筑類型對舍內溫熱環(huán)境起著重要作用[10]。一般情況下，舍內的環(huán)境溫度隨外界溫度的變化而變化，但舍溫的高低也與外圍護結構保溫隔熱性能密切相關。本研究中羊舍的外圍護結構內表面溫度與舍溫表現(xiàn)出顯著的相關性，最高可達0.952(半開放舍屋頂)，尤其是中午，幾乎所有舍的舍溫與屋頂、墻體和地面均表現(xiàn)出較強的相關性。另外，屋頂材料與舍的密閉性直接影響圍護結構內表面溫度和舍溫，本文中有窗密閉舍和單彩鋼半開放舍的各圍護結構內表面溫度與舍溫顯著相關。

已有報道認為，綿羊的最適溫度為-3～23 ℃，等熱區(qū)為21～25 ℃[11]。本研究中有窗密閉舍、花磚墻舍、卷簾舍和半開放舍的日均溫分別為6.03 ℃、1.68 ℃、1.63 ℃和-0.32 ℃，但部分羊舍早晚溫度過低，需要加強外圍護結構的保溫性能。一般情況下，冬季不設保溫設施的舍內熱量來源于家畜的產熱和舍外的傳入熱，而舍內的熱量散失主要通過外圍護結構和通風[3，12]，所以外圍護的建筑材料和結構在畜舍建筑設計中非常重要。已有研究表明，墻體在冬季所散失的熱量是畜舍總散熱量的35%～40%[13]。本研究中，4棟舍的墻體(磚+水泥砂漿)總熱阻均高于冬季低限熱阻，基本符合保溫設計要求，且有窗密閉舍的墻體厚度(240 mm磚墻+30 mm水泥層)大于其他舍(240 mm磚墻+20 mm水泥層)，使總熱阻值提高了0.011(m2·K)/W，從而提高了有窗密閉舍的保溫性能。從所測4種類型羊舍的環(huán)境溫度和內表面均溫發(fā)現(xiàn)，所有羊舍外圍護結構的內表面溫度均于早晨最低，隨著環(huán)境溫度的增加，外圍護結構的內表面溫度和舍內溫度也隨之增加。除了建筑類型，外圍護結構材料也對內外表面溫度有很大影響，尤其是屋頂[14]。一般情況下，屋頂往往選用導熱系數(shù)小的材料，以緩解夏季外界熱量的傳入和冬季舍內熱量的散失。本研究中，有窗密閉舍、花磚墻舍和卷簾舍屋頂均采用聚苯乙烯夾芯復合彩鋼板，半開放舍屋頂采用單彩鋼板，而聚苯乙烯夾芯復合彩鋼板的蓄熱能力高于單彩鋼板，導致單彩鋼屋頂?shù)目偀嶙璧陀诘拖逕嶙瑁溥_不到保溫設計要求。因此，單彩鋼屋頂舍早、午、晚的屋頂溫度均低于其他3棟舍(復合彩鋼板屋頂)，這與鄧利軍等[15]研究一致，說明采用聚苯乙烯彩鋼夾芯板作為保溫材料時，其保溫隔熱效果更好些，同時也說明屋頂?shù)谋夭牧蠈τ谘蛏岬谋仄鹬e極的作用。花磚舍和卷簾舍與有窗密閉舍的屋頂、墻體的總熱阻大致相同，但由于花磚舍和卷簾舍的密閉性較差，通風量大于有窗密閉舍，因此羊舍內的熱量通過窗戶、門散失比較高。洪小華等[16]研究認為，棚舍易遭受風、雪等外界環(huán)境因素的影響，從而不能形成穩(wěn)定的小氣候，導致舍內的溫度難以控制。在外圍護結構中地面失熱最少，但是羊只直接接觸地面，因此地面也發(fā)揮著不可忽視的作用。本研究中，有窗密閉舍地面設有保溫板，溫度顯著高于其他3棟舍。由于有窗密閉舍的密封性較好，再加上舍內通風不良，從而導致舍內濕度增加，每天約16.5 h濕度超過80%，已超出國標(NY/T 388-1999)，而其他3棟舍濕度相對較低。寒冷季節(jié)舍內濕度較高會加快動物體熱量的散失，造成機體能量的損失，同時有助于細菌的繁殖[17]。因此，有窗密閉舍可適當打開門窗，既可去除大量濕氣，又可達到一定的通風效果。

4 結 論

羊舍外圍護結構的內表面溫度直接影響舍內的環(huán)境溫度，外圍護結構的內表面溫度與外圍護結構熱阻密切相關，復合彩鋼板屋頂?shù)难蛏釅w和屋頂總熱阻高于冬季低限熱阻，符合保溫設計要求，但單彩鋼舍的屋頂熱阻則達不到保溫要求。復合彩鋼板有窗密閉舍的屋頂、墻體和地面溫度最高，日均溫最高，而單彩鋼半開放舍各圍護結構的內表面溫度和日均溫均最低。