冬季北方哺乳母猪舍建筑与暖通设计

王晨光，陈昭辉，王美芝，孙亚男，刘继军

(1.中国农业大学 动物科技学院，北京 100193；2.动物营养国家重点实验室，北京 100193)

猪的生长受外界环境因素的影响巨大，因此，猪舍环境的控制和管理水平直接决定了猪的生产力高低[1]。新生仔猪维持正常体温的能力弱于带毛或褐色脂肪组织的哺乳动物[2]，出生后体温降低较快，这容易导致仔猪饿死或被母猪压死(占仔猪死亡率的50%～80%)[3]，所以在哺乳母猪舍增设供暖设备并提高外围护结构的保温性能对于改善畜舍温度具有重要意义。本研究室根据河北省丰宁坝下地区的冬季环境设计一座万头猪场，现针对哺乳母猪舍，拟通过围护结构热工参数，系统热负荷，畜舍通风量的理论计算来确定其建筑与暖通设计的方案。

1 围护结构构造方案

河北省丰宁猪场规模为年出栏一万头，仔猪哺乳期为28 d，拟建一栋哺乳母猪舍，分成6个单元。哺乳母猪舍东南朝向，有窗式猪舍，长度60 m，跨度27 m，屋檐和铝合金板吊顶高2.6 m；双坡屋面，坡度1/10，材料选用120 mm金属面EPS夹芯板；内外墙体分别为“二四墙”和“三七墙”；两侧车间各装有9扇1.5 m×1.5 m双层玻璃塑钢推拉窗；大门采用4 m×2.2 m实木推拉门。畜舍结构如图1、2、3。舍内每单元长度27.00 m，跨度8.00 m，3个单元为一组，共分两组，中间设6 m宽走廊，用于管理及预热进入舍内空气；前部设饲料间和洗猪间。

1.1 围护结构传热系数K

K=1/[Xn+∑(δ/λ)+1/XW]

(1)

式中：Xn、Xw为围护结构内、外表面换热系数，冬季墙体分别取8.7和23W/(m2·K)[4]；δ为材料厚度(m)；λ为材料导热系数，W/(m·K)。

KD=1/[F2/(K1×F1)+1/K2]

(2)

式中：KD为屋顶、吊顶的总传热系数，W/(m2·K)；F1、F2为坡屋顶、吊顶的面积(m2)；K1、K2为坡屋顶、吊顶的传热系数，W/(m2·K)。

1.2 围护结构保温性能分析

根据《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》可知丰宁属于严寒(C)区，其围护结构热工性能参数限值[5]如表1。对比表1中数值，发现内墙、外窗和屋面的传热系数符合设计标准，但是外墙和各单元门的传热系数与参数限值相差较大，理论上外墙需增加80 mm厚保温板才能满足需求。

哺乳母猪舍集约化养殖密度高，这导致了舍内猪体散热量很大(根据3.4计算，猪体散热量远大于墙体和大门的耗热量)，而《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》中的各项参数都是不考虑建筑内活体散热的；猪舍跨度较大，各单元并列设计，有利于提高畜舍保温性能。综合考虑以上两个因素，可以认为本方案的围护结构保温性能设计就哺乳母猪舍而言是可行的。

图1 哺乳母猪舍平面图Fig.1 The floor plan for lactation sows' house

图2 哺乳母猪舍剖面图Fig.2 The section plan for lactation sows' house

图3 哺乳母猪舍立面图Fig.3 The elevation for lactation sows' house

表1 严寒(C)区 围护结构传热系数K对比Table 1 Comparison of heat transfer coefficient for the building envelope severe cold region(C) W/(m2·K)

2 畜舍通风方案

本设计的万头猪场为试验猪场，猪舍内部环境指标要求严格，采用全机械负压通风系统可以较好的改善室内空气环境，但是其单一的通风形式不能很好的控制舍内温湿度状况，针对本地区冬季的严寒条件，在哺乳母猪舍采用全机械负压通风结合环境自动化控制系统的形式以达到通风与控温的作用。

2.1 通风走向

丰宁坝下地区，冬季室外平均温度达到-17 ℃，室外空气不能直接用于畜舍的通风调节，所以在畜舍内增设6 m宽的走廊，并在走廊安装两台6 000 W风机盘管用于预热舍内的空气；然后在每个单元靠近走廊的窗亮子上开设4个进风口(图4中A)，使预热好的新鲜空气进入每个单元，调节环境。

图4 进风口示意图Fig.4 Schematic diagram of air inlet

2.2 通风量L

L=0.35(n1·m1+n2·m2)

(3)

式中：0.35为冬季哺乳母猪与仔猪换气量参数[6]，m3/(h·kg) ；n1、n2为母猪与仔猪数量；m1、m2为母猪与仔猪体重，取180 kg和5 kg。计算结果见3.7部分。

3 低温热水供暖系统方案

低温热水地板辐射采暖系统(简称低温热水供暖系统)与其它供暖系统相比，具有高效节能、舒适卫生、热稳定性好、节省占地面积和使用寿命长等优点[7-8]。低温热水供暖系统应用到哺乳母猪舍，不仅可以对舍内进行补充供暖，更重要的是可以使仔猪活动区域地板温度维持在一定水平，利于仔猪的生长。本方案低温热水供暖系统传热管敷设方式为蛇形，地板结构层从上到下为：20 mm厚1∶2.5水泥砂浆、水泥基防水涂料、60 mm厚C15豆石混凝土填充层、18号镀锌低碳钢丝网与20 mm安固PB管固定、0.2 mm厚真空镀铝聚酯薄膜面层、40 mm厚聚苯乙烯泡沫板保温层、水泥基防水涂料、20 mm厚1∶3水泥砂浆找平、60 mm厚C15混凝土垫层、素土夯实。

图5 传热管敷设图Fig. 5 Layout of heat transfer tube

3.1 围护结构基本耗热量

Q1=αFK(tn-tw)

(4)

式中：α为温度修正系数[4]；F为围护结构的面积(m2)；K为围护结构的传热系数，W/(m2·K)；tn为采暖室内计算温度，分娩哺乳舍取22 ℃；tw为采暖室外计算温度，丰宁县取-17 ℃[4]。

3.2 冷风渗透耗热量

Q2=[0.28cpρwnL(tn-tf)]/3600

(5)

式中：cp为空气的定压比热容，1 000 J/(kg·℃)；ρwn为冷风的空气密度(kg/m3)；tf为进风口冷空气温度(℃)；L为猪舍冬季通风量(m3/h)。

3.3 水汽蓄热量

Q3=(V×d×ΔRH×cp×Δt)/T

(6)

式中：V为畜舍体积(m3)；d为一定温度下饱和水汽密度(kg/m3)；ΔRH为相对湿度差(%)；cp为水的定压比热，4 180 J/(kg·℃)；Δt为水汽与自来水温度的差值(℃)；T为畜舍换气时间(s)。

3.4 猪自身散热量

Q4=n1×m1×q1+n2×m2×q2

(7)

式中：n1、n2为母猪与仔猪数量，每栏8头仔猪；m1、m2为母猪与仔猪体重，取180 kg和5 kg；q1、q2为母猪与仔猪的散热量(W/kg)[9]。

3.5 系统总热负荷

QA=0.95(Q1+Q2+Q3-Q4)

(8)

式中：0.95为严寒地区取常规对流式供暖方式计算供暖热负荷的 95%[10]。

3.6 地板温度

td=tn+9(q1/100)0.909

式中：tn为室内温度(℃)；q1为单位地板面积有效散热量(W/m2)。

3.7 暖通参数理论计算值

依据以上方案和公式计算得出：畜舍冬季通风量(L)2002 m3/h，围护结构传热量(Q1)7629.89 W，冷风渗透耗热量(Q2)5383.12 W，水汽蓄热量(Q3)154.15 W，猪自身散热量(Q4)7633.60 W，系统总热负荷(QA)5256.88 W，走廊温度-4.35 ℃。

本方案只讨论哺乳母猪舍两侧带窗的单元在有猪情况下的供暖热负荷(只要两侧单元符合供暖需求，中间两单元也一定满足需求)。

4 供暖与通风调节

从3.7计算结果中可知每单元热负荷为5256.88 W，进一步推算得单位地板面积所需有效散热量(q1)为51.06 W/m2，按照《低温热水地板辐射供暖应用技术规程》[10]的要求，本设计所求地板散热量(q1)可在表3中找出相应结果，用以确定平均水温、室温和供暖管间距的设计标准。分娩哺乳舍室温定为22 ℃，当平均水温为35 ℃，供热管间距为300 mm时，地板散热量为53 W/m2，大于计算值51.06 W/m2，因此可以认为在通风量L为2002 m3/h，围护结构符合上述设计标准时，低温热水系统采用平均水温35 ℃(进回水温差10 ℃)[10]，布管间距300 mm的设计形式，能保证室内温度维持在22 ℃，此时根据3.6计算得地板温度 为27.05 ℃。

表3 不同条件下地板有效散热量Table 3 The floor effective heat dissipation under different conditions W/m2

上述分析是按室外计算温度为-17 ℃进行的，但根据中国天气网的数据显示丰宁坝下地区1月份日平均温度浮动于-3.0 ℃～ -17.5 ℃之间，白天的温度明显高于室外计算温度，所以需要加大通风量来调节室温。用日平均温度最大值-3 ℃代替室外计算温度-17 ℃，低温热水供暖系统保持平均水温35 ℃(进回水温差10 ℃)，布管间距300 mm不变，重新进行分析，得到新的通风量L为4 315 m3/h，此时室内温度可以维持在22 ℃。

本方案最终采用35 ℃平均水温，进回水温差10 ℃，300 mm布管间距来设计低温热水供暖系统(在实际建造中，由于施工、材料质量等条件限值，不一定达到本文所分析的围护结构隔热性能要求，使得低温热水供暖系统实际运行的供水温度能达到40～60 ℃，所以供回水平均温度可根据建成后实际状况进行调节)；温湿度自动控制系统白天通风量设置为4 000 m3/h，夜间通风量设置为2 000 m3/h，这样就可以有效的保证室内通风与控温的平衡。

5 结 论

本研究设计的哺乳母猪舍围护结构中低温热水供暖系统采用35 ℃平均水温，进回水温差10 ℃，300 mm布管间距来设计，不仅能对哺乳母猪舍补充供暖，维持室内温度在22 ℃以上；更重要的是使仔猪活动区域地板温度达到了27.05 ℃，这能很好的保护新生仔猪的生长。

围护结构构造和低温热水供暖系统采用本文设计方案的前提下，环境自动化控制系统的通风量，白天设置为4 000 m3/h，夜间设置为2 000 m3/h，可以满足冬季猪舍通风量要求并保证室内温度维持在22 ℃以上。

参考文献：

[1] Ruth Mossad. Numerical modeling of air temperature and velocity in a forced ventilation piggery[J].Journal of Thermal Science, 2000, 9(3):211-216.

[2] Berthon D, Herpin P, Le Dividich J L. Shivering thermogenesis in the neonatal pig[J].J Therm Biol,1994,19:413-418.

[3] Marchant J N ,Broom D M, Corning S. The influence of sow behavior on piglet mortality due to crushing in an open farrowing system[J].Anim Sci,2001,72:19-28.

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50736-2012民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].北京: 中国建筑工业出版社,2012.

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ26-2010 严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2010.

[6] 赵书广.中国养猪大成[M].北京:中国农业出版社,2001:763-764.

[7] 于 健,李运龙.低温热水地板辐射采暖系统的设计与施工[J].制冷,2008,27(1),73-76.

[8] 张兰双.低温热水地板辐射采暖系统传热分析计算[D].黑龙江大庆:大庆石油学院,2006.

[9] Tami M Brown-Brandt, John A Nienaber, Hongwei Xin,et al.A literature review of swine heat production [J].Transactions of the ASAE, 2004, 47(1):259-270.

[10] 北京市建设委员会，北京市规划委员会.DBJ/T01-49-2000低温热水地板辐射供暖应用技术规程[S]. 北京:北京市建筑设计研究院,2000.