开孔方案对肉牛舍湿帘冷风机-纤维风管送风降温效果的影响

吴中红，刘 玫，张利斌，陈昭辉，刘继军，杨食堂



开孔方案对肉牛舍湿帘冷风机-纤维风管送风降温效果的影响

吴中红1,2，刘 玫1,2，张利斌1,2，陈昭辉1,2，刘继军1,2※，杨食堂3

（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； 3. 高安市裕丰农牧有限公司，高安330800）

该研究通过纤维风管4种开孔方案设置，结合湿帘冷风机，满足到达1.3 m高度时，1号、2号、3号及4号风管射流风速分别为1.5、2.3、3.1、3.9 m/s；测量牛舍的环境指标和试验牛的生理指标，比较缓解热应激效果，探索较优化的开孔方案。结果表明：测定期间，4个风管区域之间温度差异不显著（>0.05），平均比舍外低2.1 ℃（<0.05）；相对湿度均低于85%。试验牛所在3号风管区域平均风速最高，为1.32 m/s；1号风管区域最低，为0.62 m/s。二氧化碳浓度3号风管区域最低，1号风管区域最高（<0.05）。牛只呼吸频率3号风管区域最低，为42次/min，1号风管区域最高，为52次/min，肉牛呼吸频率与试验区风速显著负相关。该研究表明，湿帘冷风机-纤维风管系统可有效缓解肉牛热应激，开孔方案设置满足到达1.3 m高度时射流风速为3.1 m/s的风管效果最优。

开孔；降温；风管；湿帘冷风机；射流；肉牛舍

0 引 言

纤维风管也称纤维空气分布系统或布袋式风管，是由特殊织物制成的一种集空气传输与分布于一体的送风末端装置[1-2]，具有价格低廉、送风均匀、质量轻、安装便利、清洗维护简单等优点[3-5]。采用纤维风管送风对室内温度分布及空气流动速度有重要影响。Nielsen等[6]研究发现，与散流器相比，采用纤维风管作为送风终端时，室内温度较为舒适，由温度梯度和吹风感带来的不适感也更小；使用纤维风管作为送风终端时，送入的新风与室内气体充分混合，能有效地改善室内空气质量[7]。Fontanini等[8]为提高管道系统工作效率，比较了温室中传统风管和纤维风管的送风效果，发现纤维风管能使室内温度升高更快，且温度分布更均匀。目前纤维风管系统在国内外许多场所被使用，如超市、会展中心、工厂车间、养殖场等[9-10]。刘统帅等[9]的试验表明湿帘冷风机-纤维风管系统结合上置换通风应用到南方封闭式肉牛舍，降温效果明显，能显著缓解牛的热应激。程琼仪等[10]将湿帘冷风机-纤维风管系统结合局部射流送风，应用于开放式肉牛舍，能有效改善牛舍环境，提高肉牛夏季生产性能。

纤维空气分布系统作为送风末端装置时可以通过孔口的大小、位置及方向的设计调整送风的气流分布。纤维风管实际送风过程中，影响室内气流分布的因素分别是：速度、静压和全压、纤维织物材料的特性、风管内外温度差，其中纤维织物材料的特性包括纤维材料的厚度、孔口的形状、孔口的尺寸、孔口的布置等[11]。在送风量不变的条件下，随着送风孔数或孔径的增加，纤维风管总送风面积增大，布袋风管送风孔出风速度下降[12]；纤维风管直径越大，其内部的全压、静压越大[13]。为深入研究纤维风管应用，本试验将湿帘冷风机-纤维风管系统应用于肉牛舍，通过设计不同梯度风速，进行开孔方案设置，比较送风效果和牛的热应激生理表现，探索优化开孔方案。

1 材料与方法

1.1 冷风机-风管系统

该系统由湿帘冷风机（直接蒸发冷却空调机）、方变圆入口、纤维风管及钢绳悬挂组成，以水为冷媒。冷风机由填料、风机、水泵、供水系统、集水箱、自动水位控制器及箱体组成，水泵将循环水送至填料顶部，再经由重力作用润湿整个填料，风机运行时，室外空气经由淋水填料降温增湿进入室内。在出风口处安装一个方变圆入口，再连接纤维风管作为终端送风系统。

本次试验中，在肉牛舍两端墙南北侧分别安装一套湿帘冷风机-纤维风管系统，湿帘冷风机风量为18 000 m³/h，总输出风压190 Pa。风机装于端墙外，高出地面70 cm，湿帘水源为地下水。纤维风管直径813 mm，长度29 m。风管悬挂于牛头上方；综合考虑射流效率和防止牛顶破风管，风管距地高度为1.8 m；试验舍风管布置如图1所示。送风速度在1.4与3.0 m/s之间时，室内气流组织较好[14]；考虑牛舍半开放，易受舍外气流影响，本试验设计4条风管出风到达1.3 m高度时射流风速分别为1.5、2.3、3.1、3.9 m/s；分别简称为1号风管、2号风管、3号风管、4号风管；4个风管区域分别简称为1号区域、2号区域、3号区域、4号区域。1号风管设计风速较低，为避免孔间距太近，小孔风速叠加增大风速，故开5排孔；其他风管开3排孔。如表1所示。

表1 纤维风管开孔方式

注：4条风管开孔钟点方向均为由风管末端看向风机端。

Note: Clock direction of four air ducts openings are end-view of the duct.

1.2 试验概况

试验于2015年7－8月进行，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）。据统计该地区7－8月每日温度较高的时间段为10:00－19:00，此时间段外界平均气温约37 ℃，最高气温可达40 ℃，平均相对湿度约50%[15]。试验牛舍东西走向，舍内牛栏为双列布置，跨度9.3 m，檐高3.4 m，双坡木屋架无吊顶水泥瓦屋面，南北墙高2.7 m。牛舍长度60 m，南北侧各16个牛栏，每栏3.5 m×3.6 m×1.4 m（长×宽×高），牛舍东侧有一长4 m的走道。每个牛栏上部设一个洞口（宽3.3 m，高0.7 m，距地面3.6 m）、下部设一个铁门（高1.9 m，宽1.0 m）。牛舍四侧各安装1套冷风机-纤维风管系统，分为4个试验处理区域（如图1）。结合当地气候条件，设备开启时间为10:00－19:00，洞口、铁门均开放。

4个试验区域各饲养21头锦江黄牛杂交牛，每区域各挑选6头体尺、年龄及生理状况相似、饲养位置相同的锦江黄牛和西门塔尔杂交牛作为试验牛。试验期间，试验牛日粮精粗质量比为1:6，精料配方为：玉米69%，豆粕15%，菜粕8%，预混料4%，小苏打2%，食盐2%。每天05:00和16:00各饲喂1次，自由采食、饮水；10:00和18:00人工淸粪，其他管理措施均相同。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 风管出风口水平和垂直方向的风速变化

为验证风管是否均匀送风，从风管首端有孔处开始，沿风管轴向取10个截面对出风口风速进行测量。为测定风管出孔风速的衰减情况，从有孔处开始，沿射流方向每隔20 cm取一截面测量风速。风速测定采用热敏式风速仪（型号MODEL6004，精度为±0.1 m/s）。

1.3.2 环境指标测定

测定指标为温度、相对湿度、风速、NH3和CO2浓度。测定点指标布置如图1所示。温湿度连续测定24 h记录，每5 min记录1次，测定高度为2.2 m；其余手持测定指标测定时间均为10:00、12:00、14:00、16:00、18:00，测定高度为1.3 m（牛站立高度）和0.7 m（牛躺卧高度）。温湿度连续测定采用温湿度自动记录仪（型号Apresys179-TH，艾普瑞精密光电有限公司，精度分别为±0.3 ℃，±3%RH）；手持测定采用手持温湿度仪（型号testo 625，精度±0.5 ℃）。风速测定方法见上文。CO2浓度测定采用二氧化碳检测仪（型号TES-1370，精度为±3%），氨气测定采用氨气检测仪（SZ-JSA8-NH3，精度为≤±3%）。

1.3.3 生理指标测定

生理测定指标包括呼吸频率、皮温和直肠温度。呼吸频率测定采用人工秒表连续3 min 计数测腹起伏次数[16]。皮温测定用红外热像仪（型号Fluke Ti400，美国福禄克电子仪器仪表公司，精度±0.1℃）对试验牛的胸腹部拍照，用Smart View3.6软件分析图像；测定时间为10:00、12:00、14:00、16:00和18:00。直肠温度测定用电子体温计测量（型号MC-347，精度±0.1℃），测定时间为10:00、14:00。

1.4 数据分析

试验数据均以平均值±标准差表示，采用SPSS20.0统计软件进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 风管性能测试

图2为测定期间4条风管各截面出风口的风速大小及冷风沿射流方向风速衰减情况。

a. 水平方向

a. Horizontal direction

由2图可知，4条风管水平方向上各截面风速均在10.5 m/s以上，始末端风速相差均在1 m/s以内，均匀送风效果良好。在距地1.4 m位置，1号风管、2号风管、3号风管、4号风管射流方向平均风速分别为1.35、2.09、2.97、3.80 m/s，存在明显梯度，达到试验设计条件。

2.2 牛舍内环境指标比较

2.2.1 风速及温湿度

图3为试验期间4个降温处理区域的日平均风速。由图3可知，冷风机-纤维风管运行期间，4个区域平均风速分别为0.62、0.93、1.32、1.25 m/s，其中3号区域风速最高；且各区域之间差异显著（<0.05）。

图4为试验期间各时刻4个降温处理区域及舍外温湿度。从图4可以看出，试验牛舍所在地区夏季10:00－18:00舍外平均温度达34.8℃，采取降温措施势在必行。设备运行期间，在12:00－18:00时4个区域温度均显著低于舍外（<0.05），最大降幅为3.1 ℃，平均降幅为2.1 ℃（<0.05）；4个降温处理区域之间差异不显著（>0.05）。4个区域相对湿度较舍外分别升高11%、15%、10%和13%（<0.05），但均低于85%。以上结果表明冷风机-纤维风管系统能显著降低舍内温度，且湿度控制良好，缓解了牛舍的炎热环境。

2.2.2 二氧化碳浓度

由图5可知，试验期间4个区域二氧化碳浓度分别为1 175、1 094、1 035、1 087 mg/m3，其中2号区域与4号区域之间无显著差异（>0.05），1号区域显著高于这两区域（<0.05），3号区域显著低于这两区域（<0.05）。3号区域二氧化碳浓度最低，空气质量最好。

2.2.3 试验牛生理指标

表2为试验期间4个降温处理区域试验牛各时刻呼吸频率和直肠温度。4个区域试验牛呼吸频率分别为52、46、42、45次/min，3号区域与4号区域之间差异不显著（>0.05），且显著低于1号区域、2号区域（<0.05）；同时2号区域显著低于1号区域（<0.05）。4个区域试验牛直肠温度分别为38.54、38.52、38.50、38.48 ℃，彼此之间差异均不显著（>0.05）。

表2 测定期间肉牛舍各区域试验牛各时刻呼吸频率、皮肤温度和直肠温度

注：同行不同字母表示差异显著（<0.05）。

Note: Means with different lowercases in the same row differ significantly (<0.05).

3 讨 论

3.1 降温处理对舍内环境指标的影响

送风均匀是空气分布系统的基本要求。纤维空气分布系统的末端装置布风管由均匀分布的小孔喷射出风，空气分布均匀，送风系统简单、稳定，可实现送风均匀[17]。本试验4条风管水平方向各截面出风口风速均在10.5 m/s以上，始末端风速相差均在1 m/s以内，均匀送风效果良好。自由射流风速与离出风口距离成反比，与风口有效面积1/2次方成正比[18]。本试验中通过开孔大小不同达到风速梯度的设计，在距地1.4 m位置，1号风管、2号风管、3号风管、4号风管射流方向平均风速分别为1.35、2.09、2.97、3.80 m/s，存在明显梯度，达到试验设计条件。

炎热环境下，牛舍较为理想的风速为1.0～2.2 m/s[19]。试验期间，3号区域风速最高，达1.32 m/s；其次是4号区域风速，为1.25 m/s，均满足上述要求。1号区域风速最低，为0.62 m/s，但仍高于夏季肉牛舍内风速不应低于0.5 m/s这一推荐值[20]。这说明冷风机-纤维风管降温系统可提高舍内风速，有助于肉牛体表对流传导散热，缓解肉牛热应激；且3号风管在提高降温区域风速方面效果最好。运行降温系统后，4个区域温度降低、湿度升高，有效缓解了牛舍炎热环境。本试验4个区域内温度较舍外平均降低2.1 ℃，说明系统有良好的降温效果。4个区域内平均相对湿度较舍外高12%，但都在85%以下，处于适宜范围之内[20]。其中18:00时，舍内湿度增幅最大，这是因为此时试验牛采食饮水，导致湿度升高。这与本实验室前期夏季在开放肉牛舍使用冷风机-风管降温系统配合射流送风进行降温，试验舍内温度较舍外低2.8 ℃，相对湿度高11%的结果相似[10]。张政等[21]研究发现冷风机-风管上置换通风使密闭式试验牛舍内温度比舍外低4.3 ℃，相对湿度高22%。本试验是半开放牛舍，与外界环境热交换迅速，故本试验温度降幅和相对湿度增幅都较密闭式牛舍小，因此，半开放式牛舍的局部降温和送风效果更为重要。4个降温处理区域平均温度无显著差异，2号区域相对湿度较3号区域高5%，其余各区域之间相对湿度无显著差异。

测定期间4个区域二氧化碳浓度满足国际常用的畜禽舍空气标准，CO2浓度不应超过3 000 mg/m3。3号区域二氧化碳浓度最低，1号区域二氧化碳浓度最高。这是因为气流能有效排除畜舍内有害气体[22]，有害气体排出速率与进入舍内气流速率成正比[23]。

3.2 降温处理对试验牛生理指标的影响

呼吸频率是用来衡量动物热应激的一个常用指标。在高温高湿环境下，动物通过增加呼吸量来加速蒸发散热[24-25]，因此动物在热应激状况下呼吸频率有所升高。目前尚无权威的肉牛呼吸频率分级标准，故参考奶牛的研究数据，在正常情况下，奶牛呼吸频率为20次/min；环境温度超过25 ℃时，奶牛轻度热应激，呼吸频率为50～60次/min；中等程度热应激时，呼吸频率为80～120次/min；严重热应激情况下，可达120～160次/min[26-27]。本试验中除1号区域呼吸频率为52次/min，处于轻度热应激状态外，其余区域试验牛呼吸频率均低于50次/min。试验期间降温区域内温度高于32 ℃，但呼吸频率较低，这是因为风速增加，牛热应激下限温度随之升高。Berman[28]试验结果也表明，在一定湿度下风速从0.2 m/s增加到1.5 m/s，可使奶牛热应激下限温度升高4～10 ℃。4个试验区域风速越高，试验牛呼吸频率越低。空气流速增加时，有利于减少液滴气相边界层的浓度，使液滴边界层上水蒸气浓度差增大，蒸发速率变快[29]；王威等[30]发现，应用蒸发式加湿器，通过提高空气流速可以提高热湿交换效率，改善室内热湿环境。霍小凯等[31]报道，处于中度热应激的奶牛随着风速提高，采食量增加，乳产量、固体校正乳产量显著升高。West等[32]研究发现，通过升高风速，奶牛体表空气流速加快，机体代谢热被迅速带走，从而降低了高温对奶牛的影响，有利于奶牛维持一定的生产性能。在高温高湿条件下，风速越高，牛体周围冷热空气对流越多，牛体散热更容易，降温效果越明显。

当外界环境温度过高，仅依靠呼吸频率升高散热已经不能维持体热平衡时，直肠温度则会升高，因此直肠温度也常用来评定肉牛是否处于热应激状态。牛体正常体温范围为37.5～39.1 ℃[33]，本试验中4个区域试验牛直肠温度均处于正常范围中，表明在冷风机-风管系统降温处理下，肉牛直肠温度未受到外界高温环境影响。

4 结 论

风速由高到低分别为开孔方案设置满足到达1.3 m高度时射流风速为3.1、3.9、2.3、1.5 m/s的风管处理区域试验牛直肠温度均在正常波动范围内，除射流风速为1.5 m/s的风管处理区域试验牛呼吸频率处于轻度热应激状态外，其余区域试验牛均无热应激，且4个试验区域风速越高，试验牛呼吸频率越低。开孔方案设置满足到达1.3 m高度时射流风速为3.1 m/s的风管处理区域风速最高，风冷效果最好，二氧化碳浓度均最低，试验牛呼吸频率最低，改善牛舍环境状况和缓解肉牛热应激效果最好。

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Effect of orifice schemes on air supply and cooling performance of wet curtain fan-fiber duct in beef cattle barn

Wu Zhonghong1,2, Liu Mei1,2, Zhang Libin1,2, Chen Zhaohui1,2, Liu Jijun1,2※, Yang Shitang3

(1.100193; 2.100193,; 3.’’330800,)

Fabric air distribution system, one of the terminal equipment in air conditioning system, can achieve uniform linear air supply and affect air jet distribution through unique orifices in the duct. It is widely used in the field of agriculture. In this study,a wet curtain cooling fan-fiber duct system was used in beef cattle barn in summer and designed to meet with jet wind speed at beef standing height (1.3 m from floor) of 1.5, 2.3, 3.1, 3.9 m/s from duct 1, duct 2, duct 3 and duct 4 respectively via different orifice schemes. The study was carried out with Simmental Crossbred Cattle in a semi-open barn. Four wet curtain cooling fans with air volume of 18000 m3/h and total pressure of 190 Pa were used as the cooling source. Four fabric ducts (=0.813 m) connecting with cooling fan were mounted above the feed manager wall with a bottom height of 1.8 m from the floor. The operation time of the cooling system was from 09:00 to 19:00 based on the local environmental conditions and farm management. The zone thermal environmental parameters under the four ducts, and some physiological index of beefs were collected to evaluate the effect in alleviating heat stress and find out the best opening scheme. The results show that there were no significant differences of the average temperature and relative humidity among the four duct cooling zone (>0.05) during the measurement period; the average temperature of the barn decreased by 2.1℃ compared with the outside (<0.05); and the relative humidity in every duct cooling zone was less than 85%. The average wind speed was highest in duct 3 cooling zone (1.32 m/s) and was lowest in duct 1 cooling zone (0.62 m/s) (<0.05). Meanwhile, the average carbon dioxide concentration was lowest in duct 3 cooling zone and was highest in duct 1 cooling zone (<0.05). The beefs’ respiration rate negatively correlated with wind speed, with the lowest respiration rate in duct 3 cooling zone (42 beats/min) and highest in duct 1 cooling zone (52 beats/min). The results show that the application of a wet curtain cooling fan-fiber duct in beef cattle barn was effective in relieving cattle’s heat stress, especially duct with a designed jet wind speed of 3.1 m/s at beef standing height (1.3 m from floor) had the best effect.

orifices;cooling;ducts; wet curtain cooling fan; jet-flow; beef cattle barn

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.24.028

S823.9+2

A

1002-6819(2016)-24-0212-06

2016-04-26

2016-10-17

农业部肉牛牦牛产业技术体系（CARS-38）；公益性行业（农业）科研专项基金南方地区草食家畜舍饲小气候调控技术研究（201303145）

吴中红，女，甘肃静宁人，副教授，研究方向为畜禽环境工程、环境应激与动物生殖发育。北京 中国农业大学动物科技学院，100193。Email：wuzhh@cau.edu.cn

刘继军，男，吉林榆树人，教授，研究方向为畜牧环境工程。北京 中国农业大学动物科技学院，100193。Email：liujijun@cau.edu.cn