夏季南方妊娠豬舍垂直通風(fēng)設(shè)計(jì)及測試分析

胡孝艷,解 天,李修松,李保明,崔維浩,楊衛(wèi)平,楊玉鵬

(1. 青島大牧人機(jī)械股份有限公司,山東 青島 266000;2.即墨區(qū)北安街道辦事處,山東 青島 266000; 3. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,江西 南昌 330045; 4. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院 北京市畜禽健康養(yǎng)殖環(huán)境工程技術(shù)研究中心,北京 100083)

豬舍環(huán)境、豬只品種、飼料和疫病共同構(gòu)成了制約生豬養(yǎng)殖發(fā)展過程中的四大主要因素,其中環(huán)境因素占到20%～30%[1-2]。適宜的通風(fēng)模式是調(diào)控舍內(nèi)環(huán)境的重要措施之一。Pohl等[3]研究發(fā)現(xiàn),進(jìn)風(fēng)窗和地溝風(fēng)機(jī)位置對(duì)豬只活動(dòng)區(qū)域的空氣流速大小和均勻性均有顯著影響。李鯤鵬等[4]發(fā)現(xiàn),夏季采用濕簾-風(fēng)機(jī)的縱向通風(fēng)豬舍前后溫差較大。吳中紅等[5]發(fā)現(xiàn),濕簾冷風(fēng)機(jī)-纖維風(fēng)管通風(fēng)系統(tǒng)的局部降溫和風(fēng)冷效果好,可以應(yīng)用于空間大、密閉性差的豬舍。李修松等[6]研究濕簾降溫系統(tǒng)發(fā)現(xiàn),濕簾與地道結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計(jì),能在提高降溫效率的同時(shí)節(jié)省能耗。目前,關(guān)于豬舍通風(fēng)領(lǐng)域的研究主要集中于水平通風(fēng)及其優(yōu)化,而對(duì)于垂直通風(fēng)鮮有系統(tǒng)、全面的研究,大多局限于計(jì)算流體力學(xué)Computational Fluid Dynamics(CFD)[7-8]模擬,而對(duì)于其設(shè)計(jì)過程中的理論計(jì)算、設(shè)備配置和氣流組織等方面的研究較少?；谏鲜霰尘?本文采用理論計(jì)算的方法對(duì)廣西地區(qū)某妊娠豬舍進(jìn)行了垂直通風(fēng)模式設(shè)計(jì),并采用現(xiàn)場實(shí)測的方法驗(yàn)證該設(shè)計(jì)模型的準(zhǔn)確性及該通風(fēng)模式的運(yùn)行效果,為進(jìn)一步了解垂直通風(fēng)妊娠豬舍夏季舍內(nèi)環(huán)境分布規(guī)律,為舍內(nèi)環(huán)境調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 垂直通風(fēng)豬舍設(shè)計(jì)

1.1.1 垂直通風(fēng)氣流組織設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)將風(fēng)機(jī)全部放置于糞池底部,以此確保當(dāng)風(fēng)機(jī)工作時(shí),整個(gè)糞池區(qū)域形成一個(gè)負(fù)壓氣室,使得室外新鮮空氣通過濕簾進(jìn)入頂部閣樓,經(jīng)吊頂通風(fēng)窗進(jìn)入豬舍內(nèi),由漏縫地板流入底部糞池空間,最后由風(fēng)機(jī)排出,從而形成自上而下的氣流組織模式。氣流軌跡如圖1所示。

圖1 妊娠舍氣流組織示意圖Fig. 1 Schematic diagram of airflow structure in gestation piggery

1.1.2 夏季豬舍通風(fēng)量確定及風(fēng)機(jī)選型 試驗(yàn)豬舍位于廣西壯族自治區(qū)陸川縣,東經(jīng)110°4′,北緯21°53′～22°3′,年平均溫度21.7 ℃,最熱季為7～8月,日最高平均氣溫34 ℃,屬典型亞熱帶季風(fēng)氣候。豬舍總通風(fēng)量按公式(1)進(jìn)行計(jì)算[5]。

L需=ln

(1)

式中L需為舍內(nèi)母豬需求的總通風(fēng)量,m3/h;l 為每頭妊娠母豬需求通風(fēng)量,m3/h,取600 m3/h[9];n 為母豬的頭數(shù),頭。

風(fēng)機(jī)通風(fēng)量與豬舍負(fù)壓之間存在一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系,即負(fù)壓越大,通風(fēng)量越低,故配置風(fēng)機(jī)時(shí)最重要的是確定舍內(nèi)負(fù)壓。本文通過CFD技術(shù)對(duì)所設(shè)計(jì)的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬,確定舍內(nèi)負(fù)壓,最終選用青島某品牌的玻璃鋼攏風(fēng)筒風(fēng)機(jī),其風(fēng)機(jī)性能參數(shù)見表1。

表1 風(fēng)機(jī)參數(shù)表Table 1 Parameters of fans

1.1.3 吊頂通風(fēng)窗風(fēng)量計(jì)算 空氣從孔口或管嘴以一定的速度流出后,氣流在空間的運(yùn)動(dòng)過程,稱為空氣淹沒射流,簡稱射流,按照孔口形狀不同可分為圓形、矩形和縫隙射流[10]。因吊頂通風(fēng)窗出風(fēng)口形狀為矩形(500 mm×650 mm),同時(shí)豬舍空間相比射流斷面大很多,且吊頂通風(fēng)窗長寬比小于10,氣流流動(dòng)不受任何固體壁面的限制,故該流動(dòng)為矩形自由射流[10],如圖2所示。由圖可知起始段的風(fēng)速保持不變,主體段風(fēng)速沿射程方向逐漸減小,氣流擴(kuò)散面積逐漸增加。主體段與起始段的軸心風(fēng)速計(jì)算公式[10]如下所示:

(2)

(3)

式中vx為射程x處的射流軸心速度,m/s;vo為射流出口速度,m/s;x為射流斷面至極點(diǎn)間的距離,m;α為送風(fēng)口紊流系數(shù);d0為送風(fēng)口直徑或水力直徑,m。A為送風(fēng)口面積,m2;L為濕周,m。

查閱文獻(xiàn)得知,妊娠豬夏季風(fēng)速推薦值為1.0 m/s[9]。本試驗(yàn)豬舍長75 m,寬24 m,吊頂高度2.4 m,妊娠豬只躺臥高度約為0.5 m,故吊頂通風(fēng)窗出風(fēng)口距離豬只躺臥高度平均射程約為1.9 m。對(duì)于矩形出口的自由射流,紊流系數(shù)取0.1進(jìn)行計(jì)算[10]。

圖2 射流結(jié)構(gòu)Fig. 2 The structure of jet

1.2 環(huán)境及生理指標(biāo)測定

1.2.1 豬舍環(huán)境及豬只生理指標(biāo)測試 試驗(yàn)妊娠舍豬群品種為加系母豬,采用液態(tài)飼喂限位飼養(yǎng),每天飼喂2次,排污方式采用半漏縫-刮糞機(jī)工藝,刮糞頻率2次/d。豬舍環(huán)境測試內(nèi)容包括舍內(nèi)外溫度、舍內(nèi)風(fēng)速、氨氣和二氧化碳濃度,其中使用Testo 605i溫度記錄儀(溫度量程 0～50 ℃,分辨率0.1 ℃)自動(dòng)采集舍內(nèi)外溫度,時(shí)間間隔為15 min;使用Testo410-2型智能風(fēng)速儀(量程0～10 m/s,分辨率0.01 m/s)測量舍內(nèi)風(fēng)速,每間隔1 s采樣1次,取每采樣10次的平均值作為該點(diǎn)最終風(fēng)速值;使用TES-1370檢測儀(0～5 398 mg/m3,分辨率1 mg/m3)采集二氧化碳,采集間隔為15 min;使用SZ-JSA8-NH3檢測儀(0～5 398 mg/m3,分辨率1 mg/m3)采集舍內(nèi)氨氣,采集間隔為15 min。舍內(nèi)測點(diǎn)布置為距離漏糞地板0.5 m(豬只呼吸高度H 0.5 m)和1.5 m(人員呼吸高度H 1.5 m)高度,每平面內(nèi)測點(diǎn)分布如圖3所示。豬只生理指標(biāo)測試內(nèi)容包括呼吸頻率和體表溫度,測試對(duì)象為舍內(nèi)各測試點(diǎn)正下方豬只,其中使用紅外熱像儀(FLIR E40,量程-20 ～ +120 ℃,精度±0.2 ℃)測量豬只體表溫度,呼吸頻率測定采用人工秒表連續(xù)1 min計(jì)數(shù)測腹起伏次數(shù)[11]。為使采集數(shù)據(jù)更具代表性,測試時(shí)間為2017年8月22-8月28日。

1.2.2 不均勻系數(shù) 不均勻系數(shù)[12]是衡量所研究參數(shù)分布是否均勻的重要指標(biāo),計(jì)算公式如下,其值越小說明豬舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)分布越均勻越穩(wěn)定。本文采用不均勻系數(shù)來評(píng)估舍內(nèi)環(huán)境因素的分布狀況。

(4)

(5)

(6)

圖3 測點(diǎn)布置圖Fig.3 Schematic diagram of temperature sensors locations

1.2.3 溫濕度指數(shù)(THI) 溫濕度指數(shù)(temperature humidity index, THI)是綜合溫度、濕度的熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)。THI≤74表示環(huán)境水平適宜,豬只處于舒適狀態(tài),THI處于75～78區(qū)間內(nèi)表明豬只處于輕度熱應(yīng)激狀態(tài),79～83區(qū)間為中度熱應(yīng)激,THI≥84為重度熱應(yīng)激[13-14]。計(jì)算公式如下:

THI=(1.8T+32)-[0.55×(RH÷100)]×[(1.8T+32 )-58]

(7)

式中:T為干球溫度,℃;RH為相對(duì)濕度,%。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用EXCEL2013和SPSS26.0 數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析,應(yīng)用SPSS26.0 軟件對(duì)風(fēng)速進(jìn)行單因素方差分析,多重比較采用LSD 法。結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示,P<0.05為差異顯著,P<0.01為差異極顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 垂直通風(fēng)參數(shù)

該垂直通風(fēng)豬舍內(nèi)飼養(yǎng)妊娠母豬1 060頭,根據(jù)公式(1)計(jì)算得出該豬舍夏季總通風(fēng)量636 000 m3/h。通過CFD模擬仿真得知,舍內(nèi)外壓差約為34.5 Pa,因此在配置風(fēng)機(jī)時(shí)選擇-37 Pa下通風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算。在配置風(fēng)機(jī)時(shí)不僅要滿足夏季最大通風(fēng)量,還需滿足冬季最小通風(fēng)量,根據(jù)表1,配置6臺(tái)36'變頻玻璃鋼攏風(fēng)筒風(fēng)機(jī)和12臺(tái)55'玻璃鋼攏風(fēng)筒風(fēng)機(jī)。吊頂通風(fēng)窗洞口大小為650 mm×500 mm,單邊洞口尺寸為650 mm×250 mm,根據(jù)公式(2)和(3)算出射流出口速度V0=2.93 m/s,吊頂通風(fēng)窗通風(fēng)量為3 432 m3/h,故夏季需要吊頂通風(fēng)數(shù)量為138個(gè),6排平均分布,23個(gè)/排。

2.2 舍內(nèi)環(huán)境

2.2.1 夏季舍內(nèi)溫度變化與分布 測試期間舍外溫濕度變化曲線如圖4所示?，F(xiàn)場測試期間舍外日平均溫度在27.8 ℃,最高氣溫在8 月22 日14:00為39.3 ℃,最低氣溫在8 月26 日7:21 為23.7 ℃;平均相對(duì)濕度76.0%,最高相對(duì)濕度在8 月26 日5:50 達(dá)到97.3%,最低相對(duì)濕度出現(xiàn)在8月22 日14:06為46.9%。其中8月23-25日舍外為陰雨天氣,舍外溫度較低。為便于研究夏季豬舍的熱環(huán)境參數(shù),選取舍外天氣晴朗、太陽輻射強(qiáng)烈、所有設(shè)備均正常連續(xù)運(yùn)行的時(shí)段(2017年8月22日5:00至次日5:00)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)分析。對(duì)測試期間舍內(nèi)0.5 m水平高度溫度測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如圖5所示,舍內(nèi)總體溫度控制在25.4～31.9 ℃之間。在11:00-17:00受舍外較高溫度影響,舍內(nèi)溫度上升至30 ℃以上,出現(xiàn)高溫現(xiàn)象,隨后溫度降低。從各行3個(gè)溫度測點(diǎn)的波動(dòng)情況來看,同行溫度測點(diǎn)在同一時(shí)刻溫度相差不大,各測點(diǎn)溫度變化趨勢相同,其中舍內(nèi)第1行、第2行、第3行溫度測點(diǎn)在中午最熱時(shí)刻前后最大溫差維持在1.0 ℃左右,其余時(shí)刻溫差維持在0.5 ℃左右。因此可知,該試驗(yàn)豬舍在垂直通風(fēng)方式下,舍內(nèi)各區(qū)域溫度變化趨勢一致,在同一時(shí)刻舍內(nèi)各區(qū)域基本無溫差,整舍溫度相對(duì)均勻。

圖4 夏季舍外溫濕度變化曲線Fig. 4 Outdoor temperature and humidity variation curve in summer

圖5 豬舍各測點(diǎn)溫度變化曲線Fig. 5 Temperature variation curves of each measuring point in piggery

2.2.2 夏季舍內(nèi)風(fēng)速分布 在舍內(nèi)風(fēng)機(jī)全開工情況下,對(duì)舍內(nèi)各測點(diǎn)風(fēng)速進(jìn)行采集,0.5 m、1.5 m水平高度各行測點(diǎn)風(fēng)速統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示。豬活動(dòng)區(qū)域風(fēng)速在0.7 m/s左右,稍小于設(shè)計(jì)值1.0 m/s。人呼吸區(qū)域風(fēng)速在1.0 m/s左右,風(fēng)速滿足要求,表現(xiàn)較好。表2表示在0.5 m豬只躺臥區(qū)域高度上,舍內(nèi)長度、寬度位置對(duì)風(fēng)速的影響?？梢钥闯鲐i舍長度、寬度位置對(duì)風(fēng)速均無顯著影響(P>0.05),表明舍內(nèi)在豬活動(dòng)區(qū)域的風(fēng)速分布均勻。

同時(shí)對(duì)舍內(nèi)0.5 m、1.5 m高度風(fēng)速不均勻系數(shù)進(jìn)行比較,如表3所示,表明不均勻系數(shù)值均比較小,最大值為0.2。謝麗娜[15]在評(píng)估奶牛臥床上方不同高度風(fēng)速均勻性時(shí),風(fēng)速均勻性最理想的風(fēng)管不均勻系數(shù)范圍為0.18～0.34[15],該試驗(yàn)最大不均勻系數(shù)在此范圍內(nèi),表明該試驗(yàn)豬舍夏季在垂直通風(fēng)方式下,舍內(nèi)風(fēng)速分布均勻。

2.2.3 夏季舍內(nèi)有害氣體濃度分布 由圖7和圖8可見,舍內(nèi)NH3和CO2濃度均遠(yuǎn)低于《規(guī)模豬場環(huán)境參數(shù)及環(huán)境管理(GB/T 17824.3-2008)》中妊娠母豬舍CO2、NH3含量(CO2不宜超過1 500 mg/m3,NH3含量不宜超過25 mg/m3)[9]的標(biāo)準(zhǔn)。舍內(nèi)CO2和NH3濃度呈現(xiàn)相同的分布狀態(tài),即1.5 m高度測點(diǎn)濃度均低于0.5 m高度,主要原因是垂直通風(fēng)模式氣流組織流向?yàn)樽陨隙?所以,人呼吸區(qū)域NH3、CO2質(zhì)量濃度均低于豬呼吸區(qū)域濃度。

舍內(nèi)CO2和NH3不均勻系數(shù)如表4所示,不均勻系數(shù)最大值為0.32,在不均勻系數(shù)參考值范圍0.18～0.34[15]內(nèi),表明該試驗(yàn)豬舍夏季在垂直通風(fēng)方式下,CO2和NH3分布均勻。

2.2.4 夏季舍內(nèi)THI和豬只生理指標(biāo) 從圖9舍內(nèi)各測點(diǎn)平均THI變化曲線可以看出,測試期間24 h內(nèi)舍內(nèi)各測點(diǎn)平均THI指標(biāo)范圍在68～76。其中在測試期間11:00-17:00舍內(nèi)平均THI主要在74～76之間,處于輕度熱應(yīng)激狀態(tài),其余時(shí)間段舍內(nèi)平均THI均在74以下,處于無熱應(yīng)激狀態(tài),說明在測試期間舍內(nèi)溫?zé)岘h(huán)境基本滿足豬只生長要求,豬只感覺舒適。

從表5可以看出,在測試期間最熱時(shí)刻各測點(diǎn)THI值范圍在74～80,除了1-3測點(diǎn)所在區(qū)域THI表現(xiàn)為重度熱應(yīng)激狀態(tài),其余各測點(diǎn)在最熱時(shí)刻均表現(xiàn)為輕度熱應(yīng)激狀態(tài)。最熱時(shí)刻各測點(diǎn)豬只的體表溫度范圍在32.0～33.8 ℃,呼吸頻率范圍在26～33次/min,豬只生理指標(biāo)表現(xiàn)較好,基本滿足其對(duì)應(yīng)的舒適體表溫度32～35 ℃,正常呼吸頻率20～30次/min[16]的生理要求,說明即使在測試期間最炎熱時(shí)刻,豬群也基本無熱應(yīng)激現(xiàn)象。

圖6 豬舍各測點(diǎn)風(fēng)速變化圖Fig. 6 The variation of wind speed of each measuring point

表2 舍內(nèi)0.5 m水平高度測點(diǎn)位置對(duì)風(fēng)速的影響Table 2 The effect of measuring points on wind speed at the 0.5 m horizontal height

表3 舍內(nèi)各行風(fēng)速不均勻系數(shù)表Table 3 The nonuniform coefficient of wind speed in different lines inside the piggery

圖7 豬舍各測點(diǎn)CO2濃度變化圖Fig. 7 The variation of CO2 concentration of each measuring point

3 討 論

通過對(duì)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析可知,本文所設(shè)計(jì)的垂直通風(fēng)模式能為豬只提供相對(duì)適宜的生長環(huán)境,相較于水平通風(fēng),垂直通風(fēng)因自上而下的氣流路徑,使得該通風(fēng)模式具有提高舍內(nèi)溫度、風(fēng)速整體分布均勻性,降低有害氣體濃度的優(yōu)勢。其中豬背區(qū)域測試風(fēng)速為0.7 m/s左右,稍小于1 m/s的設(shè)計(jì)風(fēng)速,其原因可能為豬只躺臥漏糞地板上減少了通風(fēng)面積,使得舍內(nèi)負(fù)壓增大,進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)風(fēng)量減小。研究表明,風(fēng)速與溫度呈現(xiàn)較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性[6]。當(dāng)氣流運(yùn)動(dòng)軌跡未出現(xiàn)渦流時(shí),氣流速度高的區(qū)域溫度相對(duì)較低,因此可知試驗(yàn)豬舍部分時(shí)段出現(xiàn)高溫和熱應(yīng)激的原因是由風(fēng)速低于理論設(shè)計(jì)值導(dǎo)致,故在設(shè)計(jì)垂直通風(fēng)模式豬舍時(shí)風(fēng)機(jī)應(yīng)選擇相對(duì)較大負(fù)壓下的通風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算。此外,同一行內(nèi)的風(fēng)速測點(diǎn)均呈現(xiàn)2號(hào)測點(diǎn)略大于1和3號(hào)測點(diǎn)但差異不顯著的特點(diǎn),其原因可能為吊頂區(qū)域與豬舍內(nèi)存在靜壓差,二者靜壓差越大,吊頂小窗出風(fēng)口風(fēng)速則越大。通過觀察圖3可知,1和3號(hào)測點(diǎn)由于靠近濕簾進(jìn)舍外空氣進(jìn)入吊頂后,風(fēng)速相較于2號(hào)測點(diǎn)大,進(jìn)而使得1和3號(hào)測點(diǎn)動(dòng)壓相對(duì)2號(hào)測點(diǎn)動(dòng)壓大而靜壓小,最終造成2號(hào)測點(diǎn)風(fēng)速相較于1和3測點(diǎn)風(fēng)速略大的現(xiàn)象。舍內(nèi)CO2和NH3濃度呈現(xiàn)2號(hào)測點(diǎn)均略低于1和3號(hào)測點(diǎn)的原因可能是自上而下的氣流組織模式中,風(fēng)速越大,舍內(nèi)有害氣體越容易排出舍外。故可以通過在靠近濕簾端的吊頂小窗進(jìn)風(fēng)口風(fēng)口,增加適當(dāng)高度擋板,攔截部分風(fēng)量,提高該區(qū)域吊頂小窗出口風(fēng)速,以進(jìn)一步提高豬舍風(fēng)速、有害氣體分布的均勻性。盡管豬舍THI指數(shù)在輕度熱應(yīng)激范圍,但綜合體表溫度及呼吸頻率等生理指標(biāo),豬群基本無熱應(yīng)激現(xiàn)象,主要原因可能是在垂直通風(fēng)模式下的豬舍,豬背區(qū)域的風(fēng)速降低了豬群熱應(yīng)激程度。

圖8 豬舍各測點(diǎn)NH3濃度變化圖Fig. 8 The variation of NH3 concentration of each measuring point

表4 舍內(nèi)各行CO2、NH3不均勻系數(shù)表Table 4 Nonuniform coefficient of CO2 and NH3 in different lines inside the piggery

圖9 舍內(nèi)各測點(diǎn)平均THI變化曲線Fig. 9 Curve of THI of measuring points inside the piggery

表5 舍內(nèi)各測點(diǎn)最熱時(shí)刻THI及對(duì)應(yīng)體表溫度、呼吸頻率Table 5 THI and body surface temperature and respiration rate at different measuring points at the hottest hour

4 結(jié) 論

(1)通過現(xiàn)場實(shí)測方法對(duì)試驗(yàn)豬舍夏季熱環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行測試分析,結(jié)果表明,采用垂直通風(fēng)方式的豬舍,夏季舍內(nèi)溫度總體控制在25.4～31.9 ℃,在最炎熱時(shí)段舍內(nèi)各行溫差在1.0 ℃左右,其余時(shí)段各區(qū)域溫差在0.5 ℃以內(nèi),風(fēng)速在0.7 m/s左右,舍內(nèi)THI指標(biāo)維持在68～76,但綜合豬只皮溫及呼吸頻率等生理參數(shù),豬群基本無熱應(yīng)激現(xiàn)象;舍內(nèi)CO2和NH3質(zhì)量濃度均遠(yuǎn)小于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的妊娠舍空氣污染物濃度極限水平,同時(shí)各環(huán)境參數(shù)分布相對(duì)均勻。故該通風(fēng)模式能為豬只提供更為舒適的環(huán)境。

(2)因豬只躺臥在漏糞地板上減少了通風(fēng)面積,使舍內(nèi)負(fù)壓增大,進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)風(fēng)量減小,故配置垂直通風(fēng)模式豬舍風(fēng)機(jī)時(shí)需適當(dāng)增大負(fù)壓參考級(jí)別。