冷风机－风管在南方肉牛舍应用效果研究＊

张 政，牛 欢，颜培实

（南京农业大学动物科技学院，江苏南京210095）

如何缓解夏季高温的影响，早在上世纪40年代Seath等［1］就报道通过吹风加强水分蒸发可以缓解家畜的热应激，提供遮阴［2］、吹风［3］或者是先通过浸湿家畜皮肤然后提供强制吹风［4］亦可以作为防暑技术。向畜舍空气中喷洒小直径的水珠促进蒸发有利于降低环境温度，但仅在封闭的玻璃房子内应用［5］，随后才推广到畜禽舍内［6］，直到1992年才在奶牛舍中安装使用［7］。间歇喷淋吹风畜牧场最常用的降温方法。但由于家畜皮肤一直处于湿润状态，增大了周围环境湿度，限制了皮肤蒸发能力，降低降温效果［8］。而且由于湿度过大导致畜舍气味增加，蹄病和沙门氏菌病发病率升高，生产成本增加［9－10］。

置换通风在保温隔热性能较好的民用建筑上应用较多［11－13］。Nielsen等［14］通过计算流体力学模拟和实际测量证明在实验室（4.2m×3.6m×2.5m）内，纤维风管装在屋顶上沿墙分布，在很大区域内能够形成置换通风气流组织。Chakroun等［15］研究表明，置换通风冷却吊顶系统采用个性化蒸发式冷却器以较高的送风温度实现了与低温送风相近的舒适水平。这些研究表明通过大风量送风可以使降温幅度有限的冷风机达到置换通风的降温效果。本试验旨在研究冷风机－风管系统，采取上置置换通风布置和合理的开口模式进行畜舍降温，为该将降温系统推广使用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点和畜舍

本试验于2013年8月进行，试验分为预试验和正式试验两部分。试验地点为国家肉牛体系高安试验站，位于江西省宜春市（28.25°N，115.22°E）。该地区6－9月份平均相对湿度约为50%，温湿指数（THI）≥74约占72%，7、8月份10∶00－18∶00时间段平均气温37℃，最高气温40℃，全月THI皆在78以上［16］。随机选择两个相同畜舍，东西走向，长56m，跨度9.3m，檐高3.4m，南北墙高2.7 m。畜舍内南北各14个（4m×3.6m×1.4m）牛栏，牛栏后面各有一个铁门（宽1.2m，高1.9m）。试验组采用冷风机－布风管降温装置，对照组每个牛栏正上方安装一台吊扇，直径1.2m，距离地面3 m。为了避免舍外气流对舍内造成影响，试验组南北墙上方安装帆布遮盖，顶部流出15cm开口，对照组南北墙以及四周的门均处于开放状态。

1.2 冷风机－风管降温原理和送风设计

置换通风是将外界新鲜空气经过冷风机降温之后变成冷空气以低速直接送入畜舍内。风速不宜过高，避免对畜舍主导气流产生影响。冷空气由密度较大而下沉，沿地面向四周扩散，与畜舍内热源自由对流，形成热气流以烟雨形式向上流动，从而卷吸周围空气从上部出舍外。室内主导气流是依靠热源产生的上升浮力来驱动房间的气流流动，这样在室内形成下低上高的温度梯度以达到局部降温的节能目的，同时形成有害气体浓度梯度和湿度梯度，提高通风换气效率［17］。置换通风的设计需满足下列条件：房间高度不小于2.7m；室内风速不超过0.5m／s；污染源与热源共存时，冷负荷小于120W／m2，空调区内不宜有其他气流组织［18－19］。

图1为畜舍平面图。图中A为冷分机，安装在畜舍外四个角，距地面2.1m；B为纤维风管，安装在畜舍内沿墙分布，距地面2.1m。图2是冷风机和纤维风管实物图。图3是畜舍立面示意图。纤维风管出风口开口倾斜朝下，第一排孔与竖直方向夹角10°。纤维风管上有两种规格20排交叉排列出风孔，分别是大孔（big hole）和小孔（small hole）。其中大孔直径4mm，间距16mm，孔排距14mm。小孔直径2mm，间距10mm，孔排距9mm。

图1 冷风机－风管系统平面内布置及各测点平面示意图Fig.1 Plan arrangement of cooling fan－duct system and sketch of environmental parameter measuring points注：A－冷风机；B－纤维风管；C－风管内所测风速位置，间隔5m；D－环境温度，相对湿度，温室指数，风速测定位置，距墙1m，水平高度分别为0.5m1.0m1.5m；E－气体测定位置，距食槽0.5m，水平高度0.5m1.0m；F－饲喂走道；G食槽。Notes：A－cooling fan；B－fabric air dispersion；C－measuring points of wind speed in the duct every 5m；D－measuring points of ambient temperature，relative humidity，temperature－humidy index，and wind speed，1mfrom the back wall and 0.5m，1.0m，1.5min the height respectively；E－measuring point of Carbon dioxide，Carbon monxide，Dinitrogen oxide and Ammonia 0.5m from trough and 0.5m，1.0min the height respectively；F－feeding aisle；G－trough

图2 冷风机－风管系统实物图Fig.2 The photo of cooling fan－duct

1.3 试验设计

试验分为预试验3d和正式试验7d。每栋舍内各饲养80头西门塔尔肉牛，从中分别选取12月龄（体重约500kg）成年公牛（steer，S）和5－6月龄（体重约200kg）犊牛（calf，C）各10头，饲养方式均为拴养。每天09∶00～19∶00打开冷风机－风管降温系统对畜舍进行降温，此时关闭畜舍所有门窗，只留有南北墙上方15cm开口，试验结束即打开门窗。对照组打开吊扇，门和窗一直处于开放状态。

图3 畜舍立面示意图Fig.3 Facade view of beef cattle barn

1.4 测定指标及方法

试验期间每天10∶00、14∶00和18∶00分别测量环境指标和生理指标。图1为畜舍平面图。C表示从风管开口到风管尾端每隔5m的测量点，该处用于测量风管内风速以及布风管大、小孔出风口风速。同时在4个纤维风管下方间隔5m，距离后墙1m，分别测量0.5m、1.0m和1.5m三个垂直高度风速。D表示距离后墙1m，水平高度分别为0.5m、1.0m和1.5m，东西方向间隔8m测量点，是环境温度（ambient temperature，AT℃）、相对湿度（relative humidity，RH）、温湿指数（temperaturehumidity index，THI）和风速（wind speed，WS，m／s）测量位置。E表示距离食槽（trough）0.5m，水平高度分别0.5m和1.0m，东西走向间隔8m测量点，是氨气（Ammonia，NH3，ppm）、二氧化碳（Carbon dioxide，CO2，ppm）、一氧化碳（Carbon monxide，CO，ppm）和一氧化二氮（Dinitrogen oxide，N2O，ppm）测量位置。

1.4.1 环境指标 试验采用机械通风干湿表（DHM2A型，天津气象海洋仪器厂），置于所选取位置3min后读取其干球温度（dry ball temperature，Td）和湿球温度（wet ball temperature，Tw），干球温度即畜舍内环境温度。温湿指THI＝0.72×（Td＋Tw）＋40.6计算得到。同时通过干湿温度计上的对照表查出相对湿度。风速由热球式电风速仪（QDF－2B型，天津气象海洋仪器厂）在每个位置测得10个数然后取其平均值。气体测量采用红外光声谱气体检测仪（INNOVA1412），连续测定4次取其平均值。

1.4.2 生理指标 （1）呼吸速率（respiration rate，RR）连续观察10s内胸廓起伏次数，测量三次取其平均值，然后换算成每分钟呼吸次数（次／min breath per minute，bpm）。（2）直肠温度（rectal temperature，RT）将兽用温度计插入直肠10cm处，5min后读取示数，每次使用前都用酒精擦干消毒。（3）皮温（surface temperature，Ts）使用红外线热像仪（infrared camera，Fluke TiR1）分别拍摄家畜不同位点的皮肤温度。采用smartview 3.1软件算出其各个部位皮温［平均皮温（℃）＝0.25× T躯干上部＋0.25×T躯干下部＋0.32×T四肢上部＋0.12× T四肢下部＋0.02×T垂皮＋0.04×T耳部，式中：T为该部位皮肤温度；系数为所占全身皮肤面积的百分数］。躯干上部和躯干下部各测前后左右4点；四肢上部测前肢肘部外侧2点、后肢股部和胫部外侧各2点；四肢下部测管部外侧4点；垂皮（牛脖子下部）测下部左右2点；耳测右耳上部1点。同部位2点以上取平均数。

1.5 饲养管理

试验期间肉牛饲粮配方为：玉米为72%、酒糟为13%、麦麸为8%、小苏打为2%、食盐为1%、预混料（中农盛达）为4%。每天05∶30和16∶30喂料，自由饮水。

1.6 数据处理

数据采用Excel 2010进行初步整理，使用SPSS 20.0进行数据分析，结果以“平均数±标准误（Mean±SE）”表示。

2 结果与分析

2.1 试验畜舍环境指标对比

2.1.1 试验畜舍风速分布 风管管道内以及其大、小孔出口风速如图4所示。在管道内入口处，风速高达9.18m／s，到达风管尾端，风速衰减为1.82m／s。大小孔风速亦分别由5m处的4.65、4.16m／s衰减至尾端的0.73、0.58m／s。管道内和大、小孔风速均随着距离增大而显著下降（P＜0.01），管道内风速显著大于大、小孔风速（P＜0.01）。大孔风速大于小孔风速，两者之间差异不显著。

新鲜空气经过冷风机冷却变成冷空气进入纤维风管向前流动。冷空气在前行过程中会透过大小孔向舍内下沉。分别在距地面0.5m、1.0m和1.5m三个水平方向测量舍内风速（如图5）。在水平距离进风口5m处位置，三个水平高度风速分别为0.28 0.35 0.24m／s，随着距离增加三者风速均显著增大。由图中可以看出，处于10～20m之间风速显著大于5m和25m处风速（P＜0.01）。在5m和25m位置处，其风速分别是WS1m＞WS0.5m＞WS1.5m。在10～20m位置处，其风速分别是WS1.5m＞WS1m＞WS0.5m。在10m和15m位置处三者之间均差异极显著（P＜0.01）。

图4 风管内及大、小孔出风口风速Fig.4 Wind speed in the duct，and big and small outlet

图5 试验畜舍内风速分布Fig.5 Wind speed distribution in the treatment barn

2.1.2 试验组、对照组和畜舍外的环境指标对比试验期间的环境温度、相对湿度、温湿指数和风速，其结果如表1所示。从中可以看出，试验组环境温度均显著低于对照组（分别低于对照组1.53、2.84和2.39℃），而相对湿度和风速均显著高于对照组（分别高于对照组15.56%、21.23%和21.69%）。对照组和畜舍外相比较，只有在14∶00，环境温度差异极显著（P＜0.01），相对湿度差异显著（P＜0.01）。整个试验期间，温湿指数只有在14∶00是三者之间才差异显著（P＜0.01）。

表1 试验组、对照组和畜舍外的环境指标Table 1 Environment measurement of the treatment，control and outdoor

将试验期间14∶00温度分为高温：大于35℃；中温：小于35℃、大于34℃；低温小于34℃三个层次，其结果如表2所示。与畜舍外相比，在不同温度条件下，试验组分别降低5.93℃、4.71℃和2.11℃，对照组分别降低0.44℃、0.92℃和0.16℃。而对照组只在温度相对较低（34～35℃）时降低环境温度1℃左右。

两组气体测量结果如表3所示。CO2和NH3分别高于对照组14.44%和14.31%。两组结果相比较，试验组各项气体显著高于对照组各项气体（P＜0.01）。由于试验畜舍四周门窗在试验期间均处于封闭状态，而对照组采用了传统吊扇通风，而且畜舍四周门窗全部打开，与外界流通性较好，畜舍空气质量优于试验组。

表2 不同温度下试验组、对照组和畜舍外对比Table 2 Comparison of treatment，control and outdoor at different levels of ambient temperature

表3 试验组与对照组中平均气体（ppm）Table 3 Average density of different kinds of gas in treatment and control（ppm）

2.2 试验家畜生理指标对比

14∶00和18∶00，试验组成年公牛呼吸速率显著低于对照组（P＜0.01），分别降低了8.77和14.33次／min，如表4。犊牛只在18∶00差异显著（P＜0.01），试验组比对照组降低了10.45次／min。不论是在试验组还是对照组，犊牛呼吸速率显著低于成年牛公牛（P＜0.01）。从全天来看，试验组呼吸速率在14∶00低于10∶00和18∶00，而对照组则分别是RR10∶00＜RR14∶00＜RR18∶00。

在14∶00，试验组成年公牛直肠温度显著低于对照组0.74℃（P＜0.01），如表5。在18∶00，试验组成年公牛和犊牛均显著低于对照组（P＜0.01），分别为0.51℃和0.45℃。在试验组14∶00和18∶00以及对照组18∶00，犊牛体温显著高于成年公牛（P＜0.01）。其他条件下，犊牛体温高于成年公牛，差异不显著。

试验期间家畜皮温如表6所示。在10∶00，试验组犊牛皮温与对照组相比较差异不显著（P＝0.053）。除此之外，在每天三个时间，不论是犊牛还是成年公牛，试验组均显著低于对照组（P＜0.01）。犊牛不论对照组还是试验组，犊牛皮温均高于成年公牛。

表4 试验组和对照组的呼吸速率比较（次／min）Table 4 Comparison of the RR between treatment and control（bpm）

表5 试验组和对照组的直肠温度比较Table 5 Comparison of the RT between treatment and control

3 讨 论

3.1 冷风机－风管对畜舍环境指标的影响

置换通风不仅通风效率高而且又节能环保，因此在民用建筑上应用比较广泛［11－12，14］。上置置换通风降温模式不但可以提高送风量和风速，可以承担更大的冷负荷，具有较高的通风换气效率［20］，还可以有效的避免了家畜破坏和粪尿污染。送风口要求射流在上区横向扩散能力小，进入下区卷吸能力适当增大，速度衰减快，并且送达地面时能满足置换通风要求［20］。送风口距离墙越近，送风射流卷吸受限，越容易形成与置换通风类似的效果［20］。如果送风口较高，会导致冷空气下沉过程中与畜舍内热气流交换增加，到达工作区后送风温度相对较高，因此需要送风口适当低一些。同时又要防止家畜破坏以及粪尿污染。综合考虑本实验设计风管沿墙布置，风管下沿距地面高度2.1m，最低出风口与竖直方向夹角10°。

表6 试验组和对照组的皮温比较Table 6 Comparion of the TS between treatment and control

舍外新鲜空气经过冷风机变成冷空气，沿着纤维风管先前传送，其风管内和大小孔出口风速随着距离增大而衰减，如图4。在前行过程中，一部分冷空气透过风管上大小孔，沿射流方向风速衰减。本实验采用开设两种孔径风管（直径分别是2mm和4mm）在相同开口面积和送风量情况下，开设两种孔径风管和一种孔径模（直径4mm），模拟显示前者舍内上涡流较小，较多的冷空气流到舍内下方，气流分布均匀，而后者涡流较大，冷空气流到舍内底部的较少［21］。图5为畜舍内风速分布，10～20m风速显著高于两端风速，这也验证了开设两种孔径有利于风速沿着射流方向向两边流动，然后形成回流从屋檐开口处流出舍外。从这个角度讲，10～20m可以适当增加饲养密度，而两端要适当降低饲养密度。

冷风机－风管可以显著降低畜舍环境温度，尤其随着舍外环境温度升高，这种降温效果更加优于传统吊扇降温。温湿指数与对照组差异不显著。由于该系统运行要求密闭性较高，相对湿度和其他气体含量显著对照组。但是相对湿度处肉牛可以接受范围50%～85%。试验组内CO2和NH3都满足中华人民共和国行业标准NY／T388～1999对牛舍空气质量的要求，CO2不应超过1 500mg／m3，NH3不超过20mg／m3。结合风速分布，冷风机－风管系统从整体上实现置换通风。新鲜冷空气经过风管流向牛活动区域，然后向四周扩散，实现气体热交换，然后经过屋檐出风口排出舍外。这样在满足牛的舒适度和空气质量的要求下，可以减少空调区的送风量，降低系统输配能耗，降低畜舍环境温度，提高降温效果。

3.2 冷风机－风管对家畜生理指标的影响

当外界环境温度大于27℃或者THI＞74时，家畜将面临热应激［22］。甚至有研究表明当外界环境温度超多20℃时，家畜的呼吸频率就开始增加［23］。表2中平均环境温度均高于27℃，THI亦超过74，这说明试验过程中家畜处于热应激状态。牛的正常呼吸速率为20～28次／min［24］。本实验中不论对照组还是试验组均高于家畜正常呼吸速率。试验组呼吸频率处于50～60次／min，处于轻度热应激；而对照组高于60次／min，处于中等程度热应激［25］。14∶00和18∶00试验组呼吸速率极显著低于对照组8.77和14.33次／min，说明冷风机－风管降温系统可以很大程度上降低家畜的呼吸速率。

呼吸速率和直肠温度是衡量热应激的直观指标［26］。呼吸速率升高早于直肠温度升高，当呼吸代偿仍不够有效维持正常体温时，直肠温度才会升高［26］。这也说明呼吸速率是热调节的一种模式，而直肠温度是维持热平衡的结果［27］。肉牛作为恒温哺乳动物，具有较强的体温调节能力，但在夏季高温的影响，肉牛的直肠温度会有所上升［28］。不论14∶00还是18∶00，试验组直肠温度均显著低于对照组。对照组在18∶00平均温度为39.21℃，处于热应激状态［29］。不论试验组还是对照组，处于环境温度相对较低的18∶00呼吸速率高于环境温度相对较高的14∶00。这可能是由于有14∶00到18∶00虽然环境温度降低，但是家畜依然从周围高温环境中持续获得热量，这与J.B.Gaughan等［30］的研究一致－呼吸速率滞后于环境温度变化。因此在实际生产中，虽然这段时间环境温度降低，依然不能忽视这段时间热应激对家畜影响。

家畜皮肤与环境直接接触，皮肤温度对环境温湿度变化最敏感。有研究表明，平均皮肤温度生理阈值为35℃，THI每上升1个单位，平均皮肤温度升高0.17℃［31］。在本实验中，试验组平均皮温分别维持在35.56和35.32℃，分别低于对照1.66和1.79℃，差异极显著（P＜0.01）。冷风机－风管系统很大显著降低畜舍的环境温度，进而降低家畜的平均皮温。

在整个试验过程中，不论是对照组还是试验组，犊牛的体温高于成年公牛，而呼吸速率低于成年公牛，皮温与其相接近。推测可能是犊牛较成年公牛更耐热。因此在夏季高温，建议畜牧场要侧重加强成年家畜的防暑工作。

4 结 论

将冷风机安装在畜舍外，纤维风管装在舍内沿墙布置，在风管上开设两种孔径，能够将新鲜冷空气送到家畜活动区域，同时带走畜舍内热量，显著降低其环境温度，改善空气质量。冷风机－风管降温系统能够显著降低家畜呼吸速率、直肠温度和皮温，极大缓解家畜的热应激，在南方肉牛舍降温方面，具有很大的推广价值。

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