樓房豬舍環(huán)境精準(zhǔn)控制的優(yōu)化

摘要：樓房豬舍可充分利用土地資源，具有提高單位面積生產(chǎn)效率與減少環(huán)境污染面積等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)由于樓房豬舍中不同樓層不同豬舍的環(huán)境要求不同，導(dǎo)致不同豬舍內(nèi)環(huán)境難以精準(zhǔn)控制。為了研究樓房豬舍環(huán)境精準(zhǔn)控制方案，基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD），采用ANSYS FLUENT軟件優(yōu)化改進(jìn)樓房豬舍氣流場(chǎng)分布。設(shè)計(jì)基于標(biāo)準(zhǔn) k-ε湍流模型模擬樓房豬舍氣流場(chǎng)，在此基礎(chǔ)上調(diào)整和優(yōu)化豬舍內(nèi)通風(fēng)口位置，結(jié)果顯示，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案可使豬舍內(nèi)氣流場(chǎng)更加均勻，避免同一豬舍內(nèi)環(huán)境偏差較大。最后，基于優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案，利用PLC對(duì)樓房豬舍內(nèi)環(huán)境的精準(zhǔn)控制進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：樓房豬舍；環(huán)境精準(zhǔn)控制；PLC控制；計(jì)算流體力學(xué)

中圖分類號(hào)：S126；TP273" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2024）08-0243-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.08.040 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Optimization of multistory pig building environment precise control

HAN Qi-zheng， WANG Yi-ning， SUN Xiao-tong， HU Pei-ao， YIN Bao-quan

（Yantai Institute， China Agricultural University， Yantai" 264000， Shandong， China）

Abstract：Multistory pig building could make full use of land resources， and had the advantages of improving production efficiency per unit area and reducing environmental pollution area. However， due to the different environmental requirements of different floors in the multistory pig building， it was difficult to accurately control the environment in the multistory pig building. In order to study the precise control scheme of multistory pig building environment， ANSYS FLUENT software was used to optimize and improve the airflow field distribution of multistory pig building based on computational fluid dynamics （CFD）. Based on the standard k-ε turbulence model， the airflow field in the multistory pig building was simulated， and the ventilation position in the piggery was adjusted and optimized. The results showed that the optimized design scheme could make the airflow field in the piggery more uniform and avoid large environmental deviation in the same piggery. Finally， based on the optimized design scheme， PLC was used to design and realize the precise control of the environment in the multistory pig building.

Key words： multistory pig building； environment precise control； PLC control； computational fluid dynamics

為滿足市場(chǎng)需求，提高單位面積生豬出欄量，樓房養(yǎng)豬的模式應(yīng)運(yùn)而生，其作為一種新興的規(guī)模集約型養(yǎng)殖模式，具有占地少、便于集中管理、環(huán)境污染面積小的優(yōu)點(diǎn)，極大地提高了養(yǎng)殖效率。2019年，《自然資源部" 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部關(guān)于設(shè)施農(nóng)業(yè)用地管理有關(guān)問(wèn)題的通知》中明確允許養(yǎng)殖設(shè)施可建設(shè)多層建筑，使得高樓養(yǎng)豬模式合法化。然而，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的過(guò)程中，樓房豬舍項(xiàng)目大多采用集中通風(fēng)系統(tǒng)，不同樓層不同豬舍的風(fēng)機(jī)裝在樓房頂層，通過(guò)通風(fēng)井將不同豬舍的廢氣排到舍外。該模式存在兩個(gè)問(wèn)題：一，難以滿足不同樓層豬舍豬群的個(gè)性需求進(jìn)行環(huán)境控制的目標(biāo)；二，各層豬舍間的氣流會(huì)相互混合，極易造成豬瘟等傳染性疾病的傳播，限制了樓房養(yǎng)豬模式的進(jìn)一步推廣。為解決以上問(wèn)題，本研究利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件模擬優(yōu)化現(xiàn)有樓房豬舍通風(fēng)系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)精準(zhǔn)控制方案。

CFD是通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬數(shù)值，分析流體流動(dòng)和傳熱等物理現(xiàn)象的技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于畜舍和溫室氣流、溫度和氣體濃度分布的模擬，具有良好的實(shí)證效應(yīng)［1，2］。已有諸多研究通過(guò)CFD建立比例模型得到氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)［3］，分析實(shí)際通風(fēng)狀況下的氣流分布，能更精確地模擬流體的變化特性，從而選用舍內(nèi)最佳的通風(fēng)設(shè)計(jì)，其是一種可靠、精準(zhǔn)的新方法［4-6］。Seo等［7］利用CFD軟件模擬豬舍內(nèi)氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布，得到入口面積與豬舍內(nèi)氣流場(chǎng)均勻程度的相關(guān)性。佟國(guó)紅等［8］利用CFD軟件通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)比較了豬舍氣流的三維穩(wěn)態(tài)模擬值與實(shí)地測(cè)量值，發(fā)現(xiàn)其相對(duì)誤差在0.4%～11.4%，論證了CFD軟件在畜禽舍環(huán)境模擬結(jié)果中的可應(yīng)用性。賴國(guó)洪［9］在墊料式發(fā)酵床封閉式豬舍中基于PLC建立了集環(huán)境因子采集、控制于一體的豬舍環(huán)境自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了南方密閉式豬舍內(nèi)溫度、相對(duì)濕度、NH3濃度的自動(dòng)控制。

由上可見(jiàn)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于CFD軟件在畜禽舍中的應(yīng)用和豬舍環(huán)境控制系統(tǒng)的研究盡管成果豐富，但大多圍繞單層豬舍內(nèi)不同環(huán)境因子對(duì)豬生長(zhǎng)影響的分析，對(duì)于樓房豬舍內(nèi)的環(huán)境控制的研究相對(duì)較少。本研究采用CFD軟件模擬某實(shí)際樓房養(yǎng)殖項(xiàng)目中的育肥豬舍內(nèi)氣流的速度和溫度，優(yōu)化改進(jìn)豬舍通風(fēng)結(jié)構(gòu)，并通過(guò)PLC自動(dòng)調(diào)控豬舍風(fēng)機(jī)功率大小、頂吸蝶閥開(kāi)口角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)樓房豬舍環(huán)境的精準(zhǔn)控制。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地

本研究對(duì)青島某公司的樓房豬舍進(jìn)行模擬。該豬舍共6層，選取育肥舍為研究對(duì)象，舍長(zhǎng)33.0 m、寬20.5 m、高3.8 m、糞槽深1.0 m，分3列南北朝向，每列9個(gè)畜欄，每欄長(zhǎng)6.2 m、寬3.8 m、高0.8 m。

1.2 改進(jìn)通風(fēng)結(jié)構(gòu)

改進(jìn)現(xiàn)有豬舍結(jié)構(gòu)，改進(jìn)后每層豬舍長(zhǎng)、寬、高不變，增加了每層豬舍頂部的進(jìn)氣吊頂以及改進(jìn)了每層豬舍底部的糞槽，使糞槽增加了3列風(fēng)道。每層豬舍分為3部分，由上到下分別為高0.8 m的進(jìn)氣吊頂［10］、高2.0 m的生產(chǎn)區(qū)域、高1.0 m的糞溝。進(jìn)氣吊頂與生產(chǎn)區(qū)域相連的部分布置直徑200 mm的頂吸蝶閥，進(jìn)氣吊頂?shù)膫?cè)面均勻布設(shè)7個(gè)0.8 m2電控進(jìn)氣窗。生產(chǎn)區(qū)域中設(shè)有豬欄，豬欄鋪設(shè)漏縫地板。地板下方為糞溝，糞溝中間設(shè)置縱向風(fēng)道，風(fēng)道兩側(cè)設(shè)有多個(gè)通風(fēng)口便于氣體流通，在風(fēng)道的縱向兩端分別設(shè)有兩臺(tái)1.5 kW軸流風(fēng)機(jī)向外排氣。糞溝兩側(cè)設(shè)有7個(gè)1 m2的排氣口，排氣口外接管道直通樓房豬舍屋頂，每層豬舍排風(fēng)管道獨(dú)立設(shè)置，屋頂安放功率為1 kW的風(fēng)機(jī)排風(fēng)，滿足每層豬舍250 000 m3/h的通風(fēng)量。改進(jìn)后通風(fēng)結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

1.3 CFD模擬

1.3.1 育肥豬舍模型的建立 為降低三維模型網(wǎng)格劃分的復(fù)雜度、提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量和計(jì)算效率，在建模時(shí)進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，假設(shè)如下：①假定空氣為連續(xù)、不可壓縮和氣流環(huán)境處于穩(wěn)定狀態(tài)的理想流體［11］；②將豬舍內(nèi)豬欄簡(jiǎn)化為板型長(zhǎng)方體圍欄；③將漏縫地板視為一個(gè)整體，面積與豬舍面積相同，漏風(fēng)系數(shù)0.15，并對(duì)其進(jìn)行多孔介質(zhì)處理；④墻壁厚度不計(jì)，天花板厚度不計(jì)，每面墻壁溫度實(shí)體測(cè)量；⑤糞污、食槽、送料管道等對(duì)氣流影響較小，對(duì)其進(jìn)行忽略處理?；谝陨霞僭O(shè)，使用SoildWorks軟件構(gòu)建豬舍三維模型，如圖3所示。

1.3.2 網(wǎng)格劃分 將用SoildWorks軟件建立的試驗(yàn)豬舍模型導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件，采用Mesh對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型主要選三維六面體網(wǎng)格。先對(duì)模型全局結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格區(qū)域劃分，然后對(duì)各區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格大小、類型的設(shè)置。其中全局單元網(wǎng)格最大尺寸設(shè)置為160 mm。為提高計(jì)算精度，對(duì)進(jìn)氣窗、風(fēng)機(jī)出口部位、頂吸蝶閥和漏縫地板網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，尺寸分別設(shè)置為60、40、30、10 mm。網(wǎng)格密度的增加對(duì)計(jì)算機(jī)性能的要求更高，計(jì)算時(shí)間加長(zhǎng)。網(wǎng)格劃分完成后，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，結(jié)果顯示單元網(wǎng)格質(zhì)量大部分在0.8以上，表明網(wǎng)格質(zhì)量良好，滿足計(jì)算求解要求，如圖4所示。

1.3.3 邊界條件的設(shè)置及計(jì)算求解 鑒于模擬仿真中風(fēng)機(jī)持續(xù)穩(wěn)定的工作使得試驗(yàn)豬舍內(nèi)氣流環(huán)境處于持續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)，擬采用最符合空氣實(shí)際氣流狀況且畜禽舍仿真應(yīng)用中計(jì)算速度快、對(duì)硬件要求低的k-ε湍流模型。育肥豬舍內(nèi)的空氣屬性設(shè)置為不可壓縮的理想氣體，將進(jìn)氣窗作為邊界入口，將排氣口作為邊界出口，將漏縫地板做多孔介質(zhì)處理，漏風(fēng)系數(shù)0.15，將豬舍地板、吊頂和四周墻壁均看作絕熱光滑壁面處理。進(jìn)氣窗邊界條件（inlet）設(shè)置為壓力入口，Option選項(xiàng)選擇Total Pressure，Relative Pressure設(shè)置為0 Pa。風(fēng)機(jī)出口邊界條件（outlet）設(shè)置為速度出口，Option選項(xiàng)選擇Normal Speed，值為12.5 m/s。完成邊界條件設(shè)置后，采用CFX計(jì)算求解，在求解過(guò)程中設(shè)置最大迭代次數(shù)100步且殘差小于0.000 1。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣流場(chǎng)模擬結(jié)果

氣流場(chǎng)模擬結(jié)果如圖5所示。負(fù)壓風(fēng)機(jī)將豬舍內(nèi)熱空氣抽出，空氣由進(jìn)氣窗進(jìn)入豬舍，通過(guò)頂吸蝶閥垂直進(jìn)入生產(chǎn)區(qū)域，在頂吸蝶閥處風(fēng)速較大但整個(gè)舍內(nèi)平均風(fēng)速較小，大部分區(qū)域風(fēng)速小于2.00 m/s。通過(guò)氣流場(chǎng)截面云圖還可以看出，在此垂直通風(fēng)結(jié)構(gòu)下可使各個(gè)豬欄分布的氣流較均勻。

2.2 PLC控制

2.2.1 控制邏輯 在豬舍內(nèi)外設(shè)置環(huán)境感知設(shè)備，包括溫濕度傳感器等［12］。以感知設(shè)備傳回的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，比較傳回?cái)?shù)據(jù)和預(yù)設(shè)閾值的大小，通過(guò)PLC調(diào)節(jié)環(huán)境控制設(shè)備，調(diào)節(jié)對(duì)象包括負(fù)壓風(fēng)機(jī)的風(fēng)速、頂吸蝶閥的蝶板角度等，完成調(diào)節(jié)后再通過(guò)環(huán)境感知設(shè)備傳回的數(shù)據(jù)確認(rèn)控制效果。

2.2.2 傳感器閾值設(shè)置 PLC控制邏輯如圖6所示。圖6中，TH-N1為豬舍內(nèi)溫度的上限值，系統(tǒng)默認(rèn)值為22 ℃，當(dāng)豬舍內(nèi)溫度超過(guò)設(shè)定的上限值時(shí)，提高室內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)UV功率；TL-N1為豬舍內(nèi)溫度的下限值，系統(tǒng)默認(rèn)值為18 ℃，當(dāng)豬舍內(nèi)溫度低于設(shè)定的下限值時(shí)，可以降低室內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)UV功率；TH-S1為豬舍內(nèi)硫化氫濃度的上限值，系統(tǒng)默認(rèn)值為15 mg/m3，當(dāng)豬舍內(nèi)硫化氫濃度超過(guò)設(shè)定的上限值時(shí)，提高室內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)UV功率；TL-S1為豬舍內(nèi)硫化氫濃度的下限值，系統(tǒng)默認(rèn)值為10 mg/m3，當(dāng)豬舍內(nèi)硫化氫濃度低于設(shè)定的下限值時(shí)，可以降低室內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)UV功率；TH-S2為豬舍內(nèi)濕度的上限值，系統(tǒng)默認(rèn)值為80%，當(dāng)豬舍內(nèi)濕度超過(guò)設(shè)定的上限值時(shí)，提高室內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)UV功率；TL-S2為豬舍內(nèi)濕度的下限值，系統(tǒng)默認(rèn)值為60%，當(dāng)豬舍內(nèi)濕度低于設(shè)定的下限值時(shí)，降低室內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)UV功率；TH-N2為豬舍內(nèi)氨氣濃度的上限值，系統(tǒng)默認(rèn)值為30 mg/m3，當(dāng)出風(fēng)口氨氣濃度超過(guò)設(shè)定的上限值時(shí)，開(kāi)啟循環(huán)風(fēng)機(jī)；TL-N2為豬舍內(nèi)氨氣濃度的下限值，系統(tǒng)默認(rèn)值為20 mg/m3，當(dāng)出風(fēng)口氨氣濃度低于設(shè)定的下限值時(shí)，關(guān)閉循環(huán)風(fēng)機(jī)；ST-UV為室內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)UV的運(yùn)行狀態(tài)，HIGH為高功率運(yùn)行狀態(tài)，LOW為低功率運(yùn)行狀態(tài)；ST-XF為循環(huán)風(fēng)機(jī)XF的運(yùn)行狀態(tài)，TRUE為運(yùn)行狀態(tài)，F(xiàn)ALSE為停機(jī)狀態(tài)。

2.2.3 頂吸蝶閥的控制 經(jīng)CFD模擬結(jié)果計(jì)算可得，一個(gè)頂吸蝶閥可控的調(diào)節(jié)區(qū)域約為9.42 m2，為了使豬舍內(nèi)氣流可調(diào)節(jié)范圍較大且調(diào)節(jié)效果較好，如圖5B所示布置頂吸蝶閥，位于走廊上方的蝶閥軸線平行于走廊，位于豬欄上方的蝶閥軸線平行于豬欄，兩種蝶閥軸線相互垂直。在豬欄附近安裝溫度傳感器，每個(gè)傳感器傳回的數(shù)據(jù)供距它較近的多個(gè)蝶閥調(diào)控使用。蝶閥最有效的調(diào)控角度在0°～40°［13］，由此控制蝶閥旋轉(zhuǎn)角度為-40°～40°。

3 小結(jié)

本研究在原有豬舍基礎(chǔ)上對(duì)通風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改良，經(jīng)CFD軟件模擬可知，改良后的豬舍垂直通風(fēng)結(jié)構(gòu)氣流場(chǎng)分布均勻、空氣流速適宜；基于此模擬結(jié)果設(shè)計(jì)了PLC控制策略，通過(guò)PLC控制環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備以實(shí)現(xiàn)豬舍內(nèi)環(huán)境的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。通過(guò)本研究分析，此優(yōu)化后的通風(fēng)結(jié)構(gòu)可行，能一定程度上完成對(duì)樓房豬舍內(nèi)環(huán)境的精準(zhǔn)控制。

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基金項(xiàng)目：農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)行業(yè)管理項(xiàng)目（121821301124031209）；中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺(tái)研究院大學(xué)生URP計(jì)劃項(xiàng)目（U20203035）

作者簡(jiǎn)介：韓啟政（2001-），男，山東東營(yíng)人，在讀本科生，研究方向?yàn)樵O(shè)施農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程，（電話）18661387290（電子信箱）hanqizheng@cau.edu.cn；通信作者，尹寶全（1972-），男，副教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)信息化研究，（電子信箱）yinbaoquan@cau.edu.cn。