肉雞舍熱能循環(huán)利用系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用研究

摘要 為有效利用肉雞舍內(nèi)多余熱能，降低肉雞養(yǎng)殖臭氣污染，設(shè)計了一款熱能循環(huán)利用系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用空氣能機理和電催化脫氨工藝設(shè)計，并于東北地區(qū)評價了該系統(tǒng)在肉雞舍的熱回收和除臭效果。試驗舍采用2套相同的熱能循環(huán)利用系統(tǒng)通風，對照舍采用常規(guī)負壓風機通風。試驗結(jié)果表明：與對照舍相比，熱能循環(huán)利用系統(tǒng)可使新風平均溫度提高2.19 ℃；NH3、CO2平均濃度分別顯著下降0.91和272 mg/m3（P<0.05），NH3去除率達55.96%；熱回收效率達64.00%。該系統(tǒng)可有效提高肉雞養(yǎng)殖舍內(nèi)溫度，降低舍內(nèi)NH3和CO2濃度；熱回收和除臭效率較高，具有良好的節(jié)能減排效果。

關(guān)鍵詞 肉雞；熱能循環(huán)利用系統(tǒng)；設(shè)計；應(yīng)用

中圖分類號 S26 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2024）17-0199-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.17.046

Design and Application of Heat Energy Recycling System in Broiler House

ZUO Ling-ling1，LI Shang-min2，LIU Hong-guang3 et al

（1. National Animal Husbandry Service，Beijing 100125;2.Jiangsu Institute of Poultry Sciences，Yangzhou，Jiangsu 225125;3. Zhucheng Zhongyu Mechanical and Electrical Equipment Co.，Ltd.，Zhucheng，Shandong 262200）

Abstract In order to effectively utilize the excess heat energy in the broiler house and solve the problem of odor pollution in broiler breeding，a heat energy recycling system was designed. The system was designed by air energy mechanism and electrocatalytic deammoniation process，and the heat recovery and deodorization effect of the system in the broiler chicken house were evaluated in Northeast China. Two sets of the same heat energy recycling system were used for ventilation in the experimental room，while negative pressure fan was used for ventilation in the control room. The results showed that the heat energy recycling system could increase the average temperature of fresh air by 2.19℃ compared with the control house. The average concentrations of NH3 and CO2 decreased significantly by 0.91 and 272 mg/m3，respectively （P<0.05），the removal rate of NH3 reached 55.96%;and the heat recovery efficiency reached 64.00%.In conclusion，the system can effectively improve the temperature in the broiler breeding house，but reduce the concentration of NH3 and CO2 in the house;it has high efficiency of heat recovery and deodorization，and also has good effect of energy saving and emission reduction.

Key words Broiler;Heat energy recycling system;Design;Application

基金項目 江蘇省重點研發(fā)計劃（現(xiàn)代農(nóng)業(yè)）項目（BE2022379）;江蘇省蘇系肉雞產(chǎn)業(yè)集群項目（SXRJ202302）;山東省科技型中小企業(yè)創(chuàng)新能力提升工程項目（2022TSGC1224）。

作者簡介 左玲玲（1974—），女，遼寧朝陽人，經(jīng)濟師，從事畜禽養(yǎng)殖和綠色低碳發(fā)展研究。通信作者，研究員，從事家禽養(yǎng)殖環(huán)境控制研究。

收稿日期 2024-04-24；修回日期 2024-05-30

氣候變化是目前全人類共同面臨的巨大挑戰(zhàn)。我國積極參與全球氣候治理，從國家層面出臺了一系列政策措施，為應(yīng)對全球氣候變化作出積極貢獻。2021年，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》［1］，要求“加快形成綠色生產(chǎn)生活方式。大力推動節(jié)能減排，全面推進清潔生產(chǎn)，加快發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，加強資源綜合利用，不斷提升綠色低碳發(fā)展水平”。 近年來，我國畜牧業(yè)不斷加快轉(zhuǎn)型升級，取得令人矚目的成績。2022年，我國肉類產(chǎn)量9 227 萬t，禽蛋產(chǎn)量3 456 萬t，牛奶產(chǎn)量3 932 萬t，有效保障了人們對優(yōu)質(zhì)畜禽產(chǎn)品的消費需求［2］。隨著國家政策要求的不斷提高，綠色低碳已成為我國畜牧業(yè)發(fā)展的方向。一方面要優(yōu)化畜禽養(yǎng)殖的能源供給方式，降低單位畜禽養(yǎng)殖的能源消耗量，特別是降低對化石能源的依賴，減少溫室氣體排放；另一方面要加強畜禽養(yǎng)殖污染治理，推進畜禽糞污資源化利用，減少畜禽養(yǎng)殖和糞污處理過程中NH3、H2S等有害氣體的直接排放，降低對大氣環(huán)境的污染。

在畜禽養(yǎng)殖上，在養(yǎng)殖前期或北方地區(qū)通常需要通過加溫設(shè)備維持穩(wěn)定的舍內(nèi)環(huán)境。為有效利用舍內(nèi)余溫，降低能源消耗，同時對舍內(nèi)廢氣進行凈化處理，我國企業(yè)設(shè)計生產(chǎn)了熱能資源循環(huán)利用設(shè)備，并在畜禽養(yǎng)殖場進行應(yīng)用。陳昭輝等［3］設(shè)計生產(chǎn)了熱回收通風系統(tǒng)并在犢牛舍進行應(yīng)用效果分析，結(jié)果表明該系統(tǒng)可以保證良好的舍內(nèi)環(huán)境和較高的能量回收效率，緩解冬季犢牛生產(chǎn)中通風與保溫的矛盾；胡陳明等［4］搭建了封閉式雞舍風能回收系統(tǒng)并進行應(yīng)用成效分析，試驗結(jié)果表明在養(yǎng)雞舍尾端進行風能回收是可行的；李琴等［5］開展了華北地區(qū)冬季密閉兔舍顯熱回收通風系統(tǒng)的應(yīng)用效果研究，提示熱回收通風系統(tǒng)可以平衡熱回收效率和通風需求的關(guān)系，滿足畜舍大通風量及節(jié)能需求。在國外市場上，荷蘭、美國等發(fā)達國家從2015年開始應(yīng)用雞舍熱能資源循環(huán)利用設(shè)備，主要采用傳統(tǒng)的濕法噴淋吸收工藝進行換熱利用，熱回收效率為40%～50%［6］；并利用傳統(tǒng)加藥工藝處理廢氣，降低NH3、CO2等排放。該研究利用先進的換熱工藝、逆流噴淋、鈦陽極除臭、空氣能熱泵及環(huán)境控制電控系統(tǒng)集成熱能資源循環(huán)利用系統(tǒng)［7］，并以該系統(tǒng)為研究對象在肉雞養(yǎng)殖場進行應(yīng)用，分析熱能資源循環(huán)利用系統(tǒng)對肉雞舍溫度、環(huán)境空氣質(zhì)量的影響以及熱回收效率，為熱能循環(huán)利用設(shè)備在畜牧業(yè)上的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 熱能循環(huán)利用系統(tǒng)設(shè)計

1.1 工藝流程

通過自動化控制系統(tǒng)控制排風機，將雞舍內(nèi)廢氣引入換熱系統(tǒng)，換熱后剩余熱量由蒸發(fā)系統(tǒng)吸收，熱量回收后的新風經(jīng)冷凝器放熱升溫后由進風風機引進雞舍內(nèi)；換熱后廢氣進入鈦陽極噴淋系統(tǒng)，利用電催化脫氨工藝［7］，經(jīng)處理達到國家排放標準后排出設(shè)備（圖1）。

1.2 設(shè)計機理

1.2.1 空氣能機理。

制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)汽化蒸發(fā)，將換熱后廢氣余熱蒸發(fā)吸收，經(jīng)過空氣壓縮機，壓縮機通過定熵壓縮過程把制冷劑里的溫度壓力提升［8］；在冷凝器內(nèi)制冷劑開始冷凝，由過熱蒸汽狀態(tài)變成飽和液態(tài)，過程中釋放熱量，預(yù)熱后的新風溫度隨之升高；制冷劑經(jīng)過節(jié)流閥，通過節(jié)流閥降壓降溫作用，廢熱進入蒸發(fā)器后發(fā)生汽化蒸發(fā)，過程依次循環(huán)，提升換熱效率（圖2）。

1.2.2 電催化脫氨工藝。

電催化與濕法脫氨過程相結(jié)合，可以有效提升吸收液對氣相氨氮的吸收效率，實現(xiàn)液相吸收氨氮與電催化去除氨氮的同步處理過程。其中，電催化法是利用電場作用，使NH3直接在陽極板上發(fā)生氧化作用，進而實現(xiàn)氨氮向氮氣的轉(zhuǎn)化。在含氯吸收液中，電催化過程可產(chǎn)生強氧化性的次氯酸，次氯酸可有效氧化水體中的氨氮，其化學反應(yīng)方程式如下：

2Cl-→ Cl2+2e-（1）

Cl2+H2O→HOCl + H++ Cl-（2）

2NH4+ + 3HOCl→N2 + 3H2O + 3Cl- + 5H+（3）

電催化電極：電極材料主要為DSA電極組，該設(shè)備采用釕鈦電極［8］，具體見圖3。

1.3 產(chǎn)品設(shè)計

1.3.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

熱能循環(huán)利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4。

1.3.2 產(chǎn)品配置。熱能循環(huán)利用系統(tǒng)的規(guī)格和主要配件參數(shù)見表1。

2 現(xiàn)場測試

2.1 肉雞飼養(yǎng)情況

2023年1月13日在黑龍江省鶴崗市某肉雞養(yǎng)殖場，選用2棟結(jié)構(gòu)尺寸相同的雞舍進行試驗。雞舍均為南北朝向，尺寸為120.0 m×16.0 m×3.5 m，墻體為24 cm厚磚墻，安裝10 cm厚保溫材料；采用3層層疊式籠養(yǎng)模式，養(yǎng)殖前期使用歐式暖風機供暖，飼養(yǎng)周期為38 d。試驗舍采用2套熱能循環(huán)利用系統(tǒng)進行機械通風，對照舍為常規(guī)風機負壓通風。2棟雞舍均飼養(yǎng)商品肉雞30 000 只，每日07：00和17：00分別進行一次喂料，雞只自由采食和飲水，常規(guī)飼養(yǎng)管理。

2.2 系統(tǒng)安裝 雞舍通風量根據(jù)肉雞存欄數(shù)量和生長日齡等因素計算［9］，按照公式（4）計算。

L=l×n×m（4）

式中：L為雞舍內(nèi)需要總通風量（m3/h）；l為肉雞需求通風量［m3/（kg·h）］，取0.9 m3/（kg·h）；n為存欄肉雞數(shù)量（只）；m為肉雞體重（kg/只）。

根據(jù)雞舍通風需求，試驗舍安裝2套熱能循環(huán)利用系統(tǒng)，分別為S1和S2，見圖5。

2.3 試驗方法

試驗期間，試驗舍和對照舍門窗全部關(guān)閉，試驗舍熱能循環(huán)利用系統(tǒng)全天開啟，對照舍采用風機負壓通風換氣。肉雞1～14日齡期間，開啟熱能循環(huán)利用系統(tǒng)的輔助加熱功能，從15日齡開始關(guān)閉。在試驗舍熱能循環(huán)利用系統(tǒng)的送風管兩側(cè)和對照舍同等位置均勻布置8個監(jiān)測點，在舍外布置1個監(jiān)測點，所有監(jiān)測點距離地面高度均為1.6 m。在所有監(jiān)測點安裝溫度、CO2、NH3傳感器，通過雞舍環(huán)境控制系統(tǒng)自動記錄數(shù)據(jù)，每3 min記錄一次數(shù)值。分別于本批次肉雞飼養(yǎng)的第1、8、15、22、29和36日齡連續(xù)24 h測定設(shè)備新風、舊風的入口和出口溫度以及CO2、NH3濃度。采用熱線式風速儀（MODE-6004）測定設(shè)備4個風口風速。試驗選取每日00：00、06：00、12：00和18：00監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。

2.4 數(shù)據(jù)分析

熱能回收效率是實際傳熱量與理論最大傳熱量的比值，是判斷熱能循環(huán)利用系統(tǒng)性能高低的主要指標，決定設(shè)備的實用性和經(jīng)濟效益。一般采用顯熱回收效

率表示，按照公式（5）計算。

η=ms（T1-T2）mp（T1-T3）（5）

式中：η為顯熱回收效率（%）；T1為新風入口溫度（℃）；T2為新風出口溫度（℃）；T3為舊風入口溫度（℃）；ms為送風量（m3/h）；mp為排風量（m3/h）。

試驗數(shù)據(jù)用Excel進行整理，采用SPSS軟件進行均值和單因素方差分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 溫度變化 從試驗舍、對照舍和舍外溫度變化情況（圖6）可以看出，試驗期間，舍外日平均溫度為-21.13 ℃，平均日最高溫度為-10.60 ℃，平均日最低溫度為-26.80 ℃；試驗舍日平均溫度為21.83～27.15 ℃，平均為24.26 ℃；對照舍日平均溫度為19.35～25.75 ℃，平均為22.07 ℃。試驗舍與對照舍、舍外溫度的最大溫差分別為5.28和50.80 ℃，試驗舍日平均溫度顯著高于對照舍2.19 ℃（P<0.05）。

3.2 有害氣體濃度分析

從試驗舍和對照舍各個時刻NH3和CO2濃度（表2）可以看出，試驗舍4個時刻的NH3、CO2濃度之間均有明顯差異，其中00：00的NH3、CO2濃度均顯著小于其他3個時刻（P<0.05）。對照舍4個時刻的NH3、CO2濃度之間也有明顯差異，其中06：00和12：00的NH3濃度顯著高于其他時刻（P<0.05），而00：00的CO2濃度顯著小于其他時刻（P<0.05）。試驗舍NH3濃度平均為3.86 mg/m3，顯著低于對照舍0.91 mg/m3；CO2濃度平均為3 088 mg/m3，顯著低于對照舍272 mg/m3。

試驗舍舊風處理前后NH3濃度變化情況見表3。由表3可知，試驗舍各個時刻的NH3經(jīng)熱能循環(huán)利用系統(tǒng)處理后，其濃度顯著下降（P<0.05），處理前、后NH3的平均濃度分別為3.86和1.70 mg/m3，去除率達55.96%。

3.3 熱回收效率分析

從熱能循環(huán)利用系統(tǒng)的熱回收效率情況（表4）可以看出，系統(tǒng)S1的送風量、排風量分別為423和642 m3/h，系統(tǒng)S2的送風量、排風量分別為378和557 m3/h，都能做到均勻送風，能夠滿足該雞舍冬季的通風需求。通過計算，該系統(tǒng)的新風入口溫度為-21.09 ℃，新風出口溫度為23.09 ℃，舊風入口溫度為25.07 ℃，舊風出口溫度為10.96 ℃，熱回收效率為64.00%。

4 討論

4.1 舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)變化分析

雞舍內(nèi)環(huán)境是影響肉雞生產(chǎn)性能的重要因素［5］，主要包括溫度、濕度、有害氣體（NH3和CO2）等指標。近年來，隨著我國肉雞養(yǎng)殖裝備的不斷發(fā)展及土地資源的短缺，立體籠養(yǎng)已成為我國肉雞養(yǎng)殖的主要模式，但這種模式難以實現(xiàn)舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)的精準控制，如果控制不當將會影響肉雞的健康水平和生產(chǎn)性能，就會影響肉雞養(yǎng)殖的經(jīng)濟效益。該試驗中，試驗舍和對照舍均能夠為肉雞養(yǎng)殖提供穩(wěn)定舒適的溫度［10］，但試驗舍溫度變化范圍更小，說明熱能循環(huán)利用系統(tǒng)能夠為肉雞提供更穩(wěn)定的環(huán)境溫度，降低了溫度波動幅度，這與孫元昊等［11］、李福偉等［12］的研究結(jié)果一致，而與陳昭輝等［3］的試驗報道相反，可能是試驗畜種及圈舍設(shè)計等不同所致。

4.2 有害氣體濃度變化分析

肉雞養(yǎng)殖過程中會產(chǎn)生大量的NH3、CO2等有害氣體，如果處理不當將會造成肉雞的應(yīng)激反應(yīng)，嚴重時影響肉雞采食和生產(chǎn)性能。孫元昊等［11］在冬季育雛舍中使用熱回收通風系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，試驗組和對照組以及各個監(jiān)測時刻間的有害氣體濃度存在顯著差異，且試驗組的有害氣體濃度顯著低于對照組，但均未超過雞舍環(huán)境質(zhì)量標準的規(guī)定限值，與該試驗研究結(jié)果一致。可能是由于目前肉雞養(yǎng)殖均采用傳動帶清理雞糞，每日及時將雞糞清理出雞舍，大幅降低了NH3產(chǎn)生量，保障了舍內(nèi)良好的空氣質(zhì)量。試驗舍舊風經(jīng)熱能循環(huán)利用系統(tǒng)處理后，NH3濃度顯著下降，去除率達55.96%。目前熱能循環(huán)利用系統(tǒng)的臭氣處理工藝大多在研究開發(fā)過程中，鮮見相關(guān)文獻報道。

4.3 熱回收效率分析

在寒冷地區(qū)畜禽養(yǎng)殖過程中，冬季通風導(dǎo)致的熱損失通常占整體熱損失的80%以上［13］。為降低能耗和經(jīng)濟損失，熱能循環(huán)利用技術(shù)逐漸成為國內(nèi)外研究人員重點關(guān)注的節(jié)能減排技術(shù)。據(jù)報道，熱能循環(huán)利用系統(tǒng)的熱回收效果與當?shù)貧夂蜿P(guān)系密切，當室內(nèi)外溫差越大時，熱回收效果越好［14］。該試驗中，在雞舍內(nèi)外溫差達到50.8 ℃的情況下，使用小風量可將新風溫度從-21.09 ℃提升至23.09 ℃，既將舊風中的部分熱量回收利用用于加熱新風，又降低了肉雞養(yǎng)殖設(shè)備能耗和舍內(nèi)有害氣體含量，改善了舍內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量，有助于提高肉雞的生產(chǎn)性能和經(jīng)濟效益［15］。

5 結(jié)論

（1）熱能循環(huán)利用系統(tǒng)可以有效改善寒冷地區(qū)肉雞養(yǎng)殖舍內(nèi)環(huán)境，可顯著提高舍內(nèi)溫度2.19 ℃；使舍內(nèi)NH3和CO2濃度明顯下降，NH3去除率達55.96%。

（2）熱能循環(huán)利用系統(tǒng)的熱回收效率達64.00%，具有良好的節(jié)能減排效果。

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