猪舍不同围护结构夏季隔热效果研究

毛 震，吴中红，刘继军，谢雨晴，王美芝＊

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

高温高湿将会给猪的健康和生长性能带来相当严重的影响，具体表现为采食量减少、抵抗力下降、发病猪增多、淘汰率和死亡率上升［1］，体热平衡被破坏，体温升高，昏迷，发生热射病，严重时心力衰竭而死［2］。据有关资料显示：仔猪4～5周龄适宜温度是21～23℃，高于适宜温度，仔猪会发生狂燥不安，食欲减退，发育缓慢的表现［3］。猪舍环境温度对母猪的发情影响极显著，当猪舍环境温度高于23℃时，母猪发情配种成功率将减少［4］，即母猪受胎率与配种时的环境温度呈相关［5］。Annop 等［6］通过试验得出，在断奶前／交配或者产仔时，高温高湿（群内记录）对繁殖母猪每窝产仔畜数有负面影响。种公猪在高温环境下阴囊和睾丸组织的温度升高，睾丸机能减退。此外，持续高温引起的热应激使精子在附睾内的运行与成熟受到了阻碍，导致总精子数减少，畸形率增高［7－8］。Corcuera等［9］对种公猪进行热应激试验，结果试验组与对照组（控制环境温度）比较，活力和畸形率都差异显著。因此，在夏季高温季节，必须加强猪舍防暑降温工作。

在中国的寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区，建筑物应满足防热要求［10］。太阳辐射热是夏季猪舍内热量的主要来源［11］，猪舍的隔热性能主要取决于建筑材料和猪舍的建筑结构。猪舍建筑类型及围护结构是为猪只提供良好生长和繁殖环境的基础条件，猪舍建筑及围护结构类型直接影响猪舍的热环境状况［12］。由于受畜舍外围护结构和舍内家畜散热的影响，畜舍内的气温表现出受外界气温和太阳直接辐射的影响不同［13］。外围护结构的隔热是夏季防热的主要措施之一［14］，北京市属于寒冷地区，据北京市1971～2003年的气象资料，北京市极端最高气温为41.9 ℃［15］，北京市猪舍既要满足冬季保温，又要满足夏季隔热。中国大部分养猪场建筑都采用双坡式屋顶，有的猪舍设有吊顶，有的猪舍无吊顶。吊顶主要用来增加房屋屋顶的保温隔热功能［16］。北京地区猪舍常见的墙体结构主要有240 mm 厚黏土砖墙、370mm 厚黏土砖墙、彩钢夹芯板、实体砖墙外贴保温板等，其中，实体砖墙外贴聚苯板的墙体隔热性能最好。猪舍屋顶也应采用下部为蓄热性能较好的重质材料、上部采用隔热性能好的轻质材料的复合结构［17］；温室方面的研究资料也证明，聚苯板作为墙体的隔热材料、砖作为墙体的蓄热材料较为合理［18］。在建筑物外墙中应用隔热材料是最有效的节能措施之一［19］。十二五期间，北京市将对规模化猪场进行建筑设施改造［20］。改造的过程中，一部分老旧猪舍从节能减排及提高猪舍内冬季温度方面进行保温改造。猪舍建筑节能保温改造的部位主要是墙体和屋顶。王美芝等［12］对不同墙体类型在北京市夏季隔热的效果进行了理论研究，但尚无实测试验结果。各种屋顶类型在北京市夏季的隔热效果、不同围护结构组成的猪舍综合夏季隔热效果也无试验结果。为了在提高猪舍冬季保温效果的同时提高猪舍的夏季隔热效果，有必要比较研究不同墙体、屋顶结构类型的夏季隔热效果，为北京市规模化猪舍建筑改造提供参考。

目前国内学者主要研究屋顶隔热的措施，且主要在民用建筑上，对猪舍屋顶隔热材料的研究试验尚无。谢浩［21］、李成安［22］认为采用多层材料组合的屋顶，可以充分发挥各层材料的特性，在这种复合结构的内侧，如果采用适当厚度的重质材料，或使用轻质材料构成夹芯结构，可以有效地提高其热稳定性。崔玉铭等［23］通过对肉牛舍空气环境的监测和评价，得出在华北地区建造封闭式牛舍，牛舍屋顶应采用保温隔热性能较好的材料，但对采用什么材料并无研究。Kumar等［24］通过试验研究各种不同厚度隔热材料的热传导性，得出各种材料的适宜厚度，对印度以及与其有相似气候地区的设计师、建筑师和工程师建设节能高效建筑物提供依据。Orazio等［25］也通过试验探讨四种不同结构和材料的屋顶的热行为，研究地中海气候高绝缘屋顶的热性能效果。Brunner等［26］通过试验研究真空绝缘板在瑞士的运用效果。这些研究都是在民用建筑上。本研究通过猪舍外围护结构夏季隔热试验，分析所用材料的隔热效果，对缓解猪只热应激和改善猪舍环境有重要意义，为北京市猪舍建筑改造提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

选择北京市两个猪场即猪场1和猪场2为试验猪场。在猪场1和猪场2中，各选择一栋已经进行了保温改造的保育猪舍为试验猪舍、一栋未进行保温改造的保育猪舍为对照猪舍。各猪舍在夏季均不采取降温措施，仅靠开门窗自然通风降温。四栋猪舍具有不同的屋顶、吊顶、墙体构造，试验期间，各试验猪舍和对照猪舍均为空舍。通过试验，测定不同围护结构夏季的内表面温度和舍内外温度。

1.2 猪舍基本情况

1.2.1 猪场1基本情况猪舍1的一栋保育猪舍分7个单元，南北朝向。每个单元长12m，宽5.65 m；每一单元各有一扇门，门高1.92m，宽0.92m；檐口高度2.48m；窗户高0.71m，宽1.11m，窗台高0.79m，北墙4个窗户，南墙3个窗户，窗户为水平推拉单层玻璃塑钢窗；猪栏长1.80 m，宽1.75 m，高0.66m，网床床面距离地面0.38m，猪栏和网床材料均为铁质。每个单元内的猪栏分为两列中间走道式布置，头对头排列，北列为7个，南列为6个，中间走道宽1.18 m。舍内吊顶高度距离地面2.0 m。双坡屋顶，水泥地面。该猪舍进行了保温改造。取东侧的第一个单元为猪场1试验猪舍。

猪场1的另外一栋保育舍分3个单元。每个单元长12m，宽7.74m；每一单元各有一扇门，门高1.95m，宽0.97m；檐口高度2.98m；窗户高0.75 m，宽1.15m，窗台高0.75m，北墙4个窗户，南墙3个窗户，窗户为水平推拉单层玻璃塑钢窗；猪栏长2.97m，宽1.69m，网床床面距离地面0.14 m，猪栏和网床材料均为铁质。每个单元内的猪栏分为两列中间走道式布置，头对头排列，北列为7个，南列为6个，中间走道宽1.06m。舍内吊顶高度距离地面2.1m。双坡屋顶，水泥地面。该猪舍未进行保温改造。取东侧的第一个单元为猪场1对照猪舍。

1.2.2 猪场2基本情况 猪场2共有5栋建筑尺寸及围护结构相同的保育猪舍和产房，猪舍长60.0 m，宽4.5m，檐口高度2.3m。南窗和北窗的建筑尺寸分别为1.51m×1.10m 和0.62m×0.60m，南窗和北窗的数量分别为19个和20个，南门为铁门，双坡屋顶，水泥地面。窗户为塑料膜窗；每栋保育舍内有16个猪栏，网床养殖方式，网床面高度为0.46m。取1栋和3栋分别作为对照舍和试验舍。

1.2.3 试验猪舍与对照猪舍围护结构类型 两个猪场的四栋猪舍的墙体、屋顶、吊顶围护结构材料见表1。

1.3 测试指标与方法

1.3.1 舍内外温度的测定 猪舍夏季隔热的效果主要反映在猪舍围护结构内表面温度和舍内温度方面，北京市猪舍夏季一般通过开窗降温。猪舍舍内温度和围护结构内表面温度均在猪舍开窗前提下进行测定。使用温湿度自动记录仪（179－TH）测定舍内外的温度，猪场1试验舍和对照舍舍内外各布置三个，猪场2试验舍和对照舍舍内各布置五个，舍外三个，舍内温湿度自动记录仪放置高度为猪背高度，舍外温度计高度为1.5m，温湿度每小时记录一次。舍内各测点的温度平均值代表该舍的温度。舍外温度取三点的平均值。猪场1 测定时间为2013年7月20日～7月29日，猪场2测定时间为2013年7月15日～7月24日。

表1 猪舍围护结构建筑材料及构造Table 1 Construction and material of enclosure in pig house

1.3.2 墙体、屋顶内表面温度的测定 由中国建筑热环境分析专用气象数据集得出北京市夏季7月份各朝向的太阳辐射强度，水平向、东向、西向、南向和北向的总太阳辐射强度分别为147617 w／m2、72391.7w／m2、71304.1w／m2、53239w／m2和26147 w／m2。可知，北京市水平向的总太阳辐射强度最大，其次是东向，西向，南向，最后是北向，因此隔热的重点是屋顶、东墙和西墙。隔热指标的测定设定为猪舍屋顶、吊顶、东墙的内表面温度。使用手持温湿度计分别测定猪舍屋顶、吊顶、东墙的内表面温度，各围护结构内表面选定三个点进行测定，三点温度的平均值代表该围护结构内表面的温度。猪场1测定时间为2013年7月20日～7月25日和7月28日，每天08∶00～20∶00，猪场2为2013年7月12日、7月13日、7月17日、7月20日～7月22日和7月24日，每天08∶00～19∶00，每1h测定一次。

2 猪舍围护结构热工参数的计算

2.1 猪舍东墙内表面最高温度的计算

在猪舍自然通风的情况下，猪舍东墙隔热设计的要求为θi·max≤te·max。

式中：θi·max为围护结构内表面最高温度，℃。

2.2 猪舍屋顶内表面最高温度的计算

对于薄型面层（如混凝土薄板、大阶砖等）、厚型基层（如混凝土实心板、空心板等）、间层高度为20 cm 左右的通风屋顶，其内表面最高温度应按下列规定计算：

2.2.1 面层下表面温度最高值、平均值和波幅值的计算

式中各符号所代表含义见表2。

2.2.2 间层综合温度（作为基层上表面的热作用）的平均值和波幅值的计算

2.2.3 基层内表面（即下表面）最高温度的计算在求得间层综合温度后，即可按东墙内表面最高温度的方法计算基层内表面最高温度。计算中，间层综合温度最高值出现时间取φtvc·sy＝13.5h。

2.3 猪舍围护结构总衰减倍数的计算

舍外温度谐波传至围护结构内表面时的总衰减倍数的计算公式为：

式中：v0为围护结构的总衰减倍数；ΣD 为围护结构的热惰性指标，等于各层材料的热惰性指标之和；S1，S2，…Sn为围护结构由内到外各材料层的蓄热系数，W／（m2·K）；Y1，Y2，…Yn为围护结构由内到外各材料层的外表面蓄热系数，W／（m2·K），Yk、Yk－1分别为空气间层外表面和空气间层前一层材料外表面的蓄热系数，W／（m2·K）；式中其他符号意义同前。

各层材料的外表面蓄热系数应按逆热流方向由

表2 各种符号所代表含义Table 2 Nomenclature

近及远依次计算，当某层的D≥1时，则该层Y＝S，当各层材料的D＜1时，各层Yi的计算式为：

式中各符号意义同前。舍内空气到达内表面的衰减倍数vi计算式为：

2.4 猪舍围护结构延迟时间的计算

温度谐波从舍外空气传到围护结构内表面的延迟时间为：

式中：Ye为多层围护结构外表面蓄热系数，取Ye＝Yn。式中其他符号意义同前。

式中各符号意义同前。

3 结果与分析

3.1 猪舍围护结构隔热指标计算结果

猪舍东墙、屋顶内表面最高温度、总衰减倍数和延迟时间的计算结果见表3。

由表3知，猪场1和猪场2的试验舍东墙和屋顶内表面最高温度均小于对照舍东墙内表面最高温度，猪场2对照舍屋顶的内表面最高温度较高，不符合隔热设计要求。总延迟时间越长，人畜感到越舒适。畜舍的总延迟时间宜采用8～1 0h［13，27］。猪场2东墙的延迟时间较长。通过理论数据及所用材料可为其他猪场提供参考。

表3 猪舍东墙和屋顶隔热性能计算结果Table 3 Heat insulation performance of east wall and roof of piggery in summer in Beijing

3.2 不同屋顶材料内表面温度

试验期每天08∶00～20∶00从猪场1猪舍测得一周的吊顶内表面温度，在猪场2从08∶00～19∶00测得一周的屋顶内表面温度，得到四种不同类型猪舍屋顶内表面温度随时间点的逐时变化规律图（图1）。

由图1a可知，试验期间，每日08∶00～20∶00试验舍吊顶内表面温度比对照舍高，均呈低－高－低的趋势，试验舍吊顶内表面温度最高值和对照舍吊顶内表面温度最高值分别为36.2 ℃和33.6 ℃，试验舍较对照舍吊顶内表面温度最高值高2.6℃。可见，瓦屋顶下设置聚苯板吊顶的猪舍屋顶较彩钢夹芯板屋顶下设置聚苯板吊顶猪舍屋顶隔热效果好。

由图1b可见，试验期间，每日10∶00～19∶00，猪场2试验舍屋顶内表面温度比对照舍低，且对照舍屋顶内表面温度幅度变化较大，试验舍和对照舍屋顶内表面温度最高值分别为33.5 ℃和40.9 ℃，试验舍较对照舍屋顶内表面温度最高值降低7.4 ℃。

图1 猪舍不同屋顶材料内表面温度Fig.1 Internal surface temperature of different roof material in pig house

3.3 不同墙体类型的东墙内表面温度

试验期每天08∶00～20∶00从猪场1猪舍测得一周的东墙内表面温度，在猪场2从08∶00～19∶00测得一周的东墙内表面温度，得到四种猪舍墙体围护结构类型东墙内表面温度随时间点的逐时变化规律图即图2。

由图2a可以看出，试验期间08∶00～17∶00，猪场1试验舍东墙内表面温度比对照舍略高；17∶00之后对照舍略高，试验舍东墙内表面温度最高值出现在7月24日的17∶00，最高内表面温度为32.7 ℃，此时对照舍温度亦为最高温度，为32.3℃，二者相差0.4 ℃。

由图2b可见，试验期间09∶00～15∶00，猪场2试验舍东墙内表面温度略高；15∶00之后试验舍略高，对照舍东墙内表面温度最高值和试验舍东墙内表面温度最高值分别为32.7 ℃和32.1 ℃，试验舍东墙内表面温度最高值较对照舍东墙内表面温度最高值降低0.6 ℃。

图2 猪舍不同墙体材料东墙内表面温度Fig.2 Internal surface temperature of east wall with different material in pig house

3.4 不同围护结构猪舍逐时舍内温度

图3 猪舍不同围护结构逐时舍内外温度Fig.3 Hourly indoor and outdoor temperature of different enclosure structure in pig house

试验期每天24h从猪场1和猪场2的猪舍测得连续10d的舍内温度，得到猪舍舍内外温度随时刻的逐时变化规律图，见图3。由图3a知，猪场1试验舍与对照舍舍内温度随时刻的变化趋势基本一致，在舍外温度最高时，舍内温度低于舍外温度，在舍外温度最低时，舍内温度高于舍外温度，试验舍和对照舍每日舍内温度最高值出现在14∶00～17∶00，试验舍舍内温度最高值出现在7月24日的16∶00，最高值为35.2℃，该日舍外日最高温度也出现在16∶00，为40.7 ℃，舍内最高温度较舍外最高温度降低5.5℃。对照舍舍内温度最高值出现在7月24日的17∶00，最高值为32.9℃，该日舍外日最高温度出现在16∶00，为40.7℃，舍内最高温度较舍外最高温度降低7.8 ℃。

由图3b可以看出，猪场2试验舍与对照舍的曲线趋势基本上也一致，在舍外温度最高时，舍内温度低于舍外温度，在舍外温度最低时，舍内温度高于舍外温度。对照舍舍内温度最高值出现在7月24日的15∶00，为33.5 ℃，该日舍外温度最高值出现在17∶00，为45.8 ℃，舍内最高温度较舍外最高温度降低12.3 ℃。试验舍舍内温度最高值出现在7月24日的17∶00，最高值为30.7℃，该日舍外温度最高值也出现在17∶00，为45.8 ℃，舍内最高温度较舍外最高温度降低15.1 ℃。

4 讨论

由北京市围护结构夏季隔热计算温度最高值36.3 ℃［28］可知，黏土瓦屋顶＋聚苯板吊顶、黏土瓦屋顶上覆盖彩钢夹芯板猪舍屋顶隔热设计符合要求，黏土瓦屋顶不符合隔热设计要求、彩钢夹芯板＋聚苯板吊顶猪舍接近不符合隔热设计要求的临界值。黏土瓦屋顶（重质材料）和轻质保温材料复合的隔热效果较好，二者在屋顶的上、下顺序对隔热效果影响不大。

由以上猪舍不同墙体东墙内表面温度测定结果可见，24墙、24墙＋50mm 聚苯板、37墙和37墙＋70mm 挤塑板四种墙体材料中，其最高温度均未超过36.3 ℃，符合猪舍东墙夏季隔热设计要求。

猪场1的试验猪舍与对照猪舍舍内最高温度较舍外最高温度分别降低了5.5 ℃和7.8 ℃，可见猪舍围护结构具有一定的隔热效果，对照猪舍的隔热性能优于试验猪舍。猪场2试验猪舍与对照猪舍内最高温度较舍外日最高温度分别降低了15.1 ℃和12.3 ℃，试验猪舍的隔热性能优于对照猪舍。试验期间，猪场2试验舍舍内温度最高值较舍外温度最高值降低15.1℃，而对照舍舍内温度最高值较舍外温度最高值降低12.3℃。可见，对37墙、瓦屋顶猪舍进行外墙保温、屋顶增加彩钢夹芯板保温层后，保温改造舍的夏季隔热性能由此提高。24墙外保温、彩钢夹芯板屋顶＋聚苯板吊顶、5.65 m 跨度、2.48 m 檐口高和24墙、瓦屋顶＋聚苯板吊顶、7.74m 跨度、2.98m 檐口高猪舍中，前者的夏季隔热效果较后者差。

种公猪舍、空怀妊娠猪舍、哺乳母猪舍、保育猪舍、生长育肥猪舍的高温临界值分别为25 ℃、27℃、27 ℃、28 ℃和27 ℃［29］，高温将对猪生产性能产生不良影响。对北京市猪舍围护结构进行隔热设计及改造可在一定程度上提高猪舍的夏季隔热性能，但是，猪舍内夏季温度仍然高于各阶段猪的高温临界值。不同阶段猪舍若要降低高温对猪生产性能的影响，仍需采取一定的降温措施。

Pang等［30］研究得出结论运用水冷式猪床降温系统，母猪暴露在此系统的呼吸频率和皮肤温度明显低于在对照舍高温环境下，表明水冷式猪床系统能大大缓解母猪在高温高湿条件下的热压力。对猪进行淋浴和喷洒，运用蒸发垫也能有效地缓解热压力［31－32］。董红敏等［33］通过试验在分娩猪舍运用滴水降温系统可缓解母猪的热应激，同时对哺乳仔猪无影响。李保明等［34］通过试验得出结论利用地下水作为介质设计的地面降温系统具有良好的局部降温效果。Silva等［35］通过试验得出，地板降温可改善母猪的看护行为，提高产乳量，使仔猪群在哺乳期有较高的增重。湿帘－风机系统也是猪舍降温的一种有效措施［36－39］。

5 结论

本试验结果表明，瓦屋顶＋聚苯板吊顶的猪舍较彩钢夹芯板屋顶＋聚苯板吊顶猪舍的吊顶内表面温度低2.6 ℃；黏土瓦屋顶上覆盖彩钢夹芯板猪舍和黏土瓦屋顶猪舍内表面温度最高值低7.4℃。由此，黏土瓦屋顶（重质材料）和轻质保温材料复合的隔热效果较好，二者在屋顶的上、下顺序对隔热效果影响不大。

240mm 厚黏土砖墙＋50mm 聚苯板东墙、240 mm 厚黏土砖墙东墙、370mm 厚黏土砖墙＋70mm聚苯板东墙、370 mm 厚黏土砖墙东墙内表面温度最高值分别为32.7℃、32.3℃、32.1℃和32.7℃。四种墙体均符合猪舍东墙夏季隔热设计要求。

试验期间，370mm 厚黏土砖墙＋70 mm 厚挤塑板墙体、瓦屋顶上覆盖彩钢夹芯板屋顶猪舍与370mm 厚黏土砖墙、黏土瓦屋顶猪舍比较，两猪舍舍内温度最高值分别较舍外温度最高值降低15.1℃和12.3 ℃。240mm 厚黏土砖墙外保温、彩钢夹芯板屋顶＋聚苯板吊顶和240 mm 厚黏土砖墙、瓦屋顶＋聚苯板吊顶猪舍中，两者舍内温度最高值分别较舍外温度最高值降低5.5 ℃和7.8 ℃。以上，370mm 厚黏土砖墙＋70mm 厚挤塑板墙体、瓦屋顶上覆盖彩钢夹芯板屋顶猪舍隔热效果最好。四种猪舍围护结构类型中，猪舍内夏季最高温度均超出各阶段猪的高临界温度，需采取一定的降温措施。

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