东北寒区奶牛舍屋顶烟囱风机应用效果研究

王启超，曹哲，施正香

（中国农业大学农业部设施农业工程重点实验室/北京市畜禽健康养殖环境工程技术研究中心，北京 100083）

东北寒区奶牛舍屋顶烟囱风机应用效果研究

王启超，曹哲，施正香

（中国农业大学农业部设施农业工程重点实验室/北京市畜禽健康养殖环境工程技术研究中心，北京 100083）

针对东北寒区自然通风奶牛舍普遍使用的屋顶烟囱通风冬季结冰堵塞严重，导致舍内湿度过大、有害气体难以排出等问题，本文选用屋顶烟囱风机对黑龙江某典型成乳牛舍的通风系统进行了改造，并对冬季最冷时段的应用效果进行了试验研究。结果表明，牛舍采用屋顶烟囱风机后，舍内空气质量明显好于对照舍，CO2、NH3平均浓度较改造前分别降低51%和63%；舍内相对湿度最低可降至89%，温度可维持在5℃以上。风机不同运行工况虽然对舍内空气质量有一定影响，但差异不大，综合考虑延长设备使用寿命、节电等因素，推荐实行每日定时开启和关闭的风机管理模式；使用屋顶烟囱风机配合独立进风口可使舍内获得更优的环境质量，舍内的雾气现象和异味明显减轻，即使舍外温度低于-30℃，屋顶烟囱风机也不存在结冰堵塞现象。

寒区；奶牛舍；冬季通风；屋顶烟囱风机；空气质量

良好的通风系统是保证牛舍空气质量、维持牛舍干燥的关键。奶牛舍冬季通风可排除舍内多余的水气、有害气体、粉尘和病原微生物，为奶牛提供必要的新鲜空气[1,2]，通风不良对奶牛的健康和生产性能发挥会产生严重的不良影响[3,4]。我国北方地区奶牛舍，冬季一般都采用紧闭门窗以减少热量损失，舍内环境调控主要采用屋顶通风方式。屋顶通风主要包括通风屋脊、直排烟囱、无动力风帽等。调研发现，不同形式的屋顶通风设备在寒区冬季大都存在着结冰堵塞现象，有些牛场采用自制风帽或对现有的对通风帽进行了改进，虽避免了结冰，但通风效果达不到设计要求。国外牛场（如与我国哈尔滨同纬度的加拿大安大略省）牛舍所采用的保温隔热材料制作的无动力通风烟囱，因价格昂贵，在国内一直未能得以推广应用。

屋顶烟囱风机在密闭性较好的猪鸡舍应用十分普遍，对改善舍内环境起到了很好的作用[5～7]。屋顶烟囱风机在肉牛舍的相关研究表明，负压通风的烟囱风机环境调控模式可在牛舍应用，而且效果较好[8,9]。烟囱风机启动时，会在舍内形成负压，新鲜空气可通过进风窗、吊顶通风板等进风口进入舍内，污浊空气则通过烟囱排到舍外，通过控制风机的开启时间和次数来满足舍内通风量和换气次数的要求。这种通风方式既可获得足够的通风量且在舍内形成均匀气流，风速一般不超过0.3m/s，对畜禽健康较为有利。由于牛舍的密闭性不如猪鸡舍，且牛舍的空间远大于猪鸡舍，我国奶牛场冬季通风还未曾见采用此类通风设备。为探讨屋顶烟囱风机是否适于我国寒区奶牛舍冬季应用，作者广泛调研了国内外相关厂家的设备性能参数，综合考虑设备材料、性价比等，选取了国内青岛某公司的24,,屋顶烟囱风机，在黑龙江某牛场进行了现场改造和应用效果试验研究。

1 材料与方法

1．1 试验牛舍概况

试验牛舍长96m，宽27m，屋脊高6m，屋檐高3.5m，坐北朝南。围护结构采用夹芯板材料，南北侧墙各设14扇窗，北侧墙有2扇门，中间连接挤奶厅通道（室内通道），南侧墙设有3扇门，山墙各有1扇门。采用散栏饲养模式，共饲养泌乳牛220头，体重600～650kg。每天6∶00采用TMR车投料，投料期间保持门敞开约15～30min。人员进出随手关门，开门时间一般在2min以内。

原有牛舍舍内装有28台扰流风机，屋脊两侧各设有17个开口尺寸为0.3m×0.4m的自制风帽。春、秋季采用窗户进风-屋顶风帽排风的自然通风模式，夏季再配合颈枷、卧床上方的扰流风机来改善舍内热环境状况。冬季则保持门窗紧闭，仅依靠冷风渗透补充舍内新鲜空气，通过屋顶风帽排风。有时工作人员会打开扰流风机来帮助舍内水汽扩散，这一做法虽然可以快速排出开门时舍内外冷热空气碰撞而迅速形成的大量雾气，但舍内环境并未得到真正改善。

1．2 风机数量确定

通风量可以通过排除多余水汽、CO2或者热量来计算，在冬季，在以上三种计算方式中，通过排出多余水汽计算得到的通风量通常最大，可以满足通风换气的要求[10]。根据试验牛舍所处地区冬季舍外环境状况及牛舍参数，按照舍内温度取5℃、湿度取70%的环境要求，计算得出试验牛舍冬季排出多余水气所需的通风量为25 413.54m3/h。计算得出试验牛舍的通风阻力为2.09Pa。在不采用空气处理设备和不经过管道输送、即风机直接连通舍内外空间的大多数进排风系统中，通风阻力一般为10～30Pa，考虑到案例牛舍冬季进行封闭处理和对牛舍进行通风改造后通风口面积将有所减小，通风阻力相应变大，因此，取通风系统阻力为20Pa。对所选屋顶烟囱风机的通风性能进行检测，由测试结果可知，当通风阻力为20Pa时，所选用的屋顶烟囱风机风量可以达到8 100m3/h左右。考虑到舍内气流分布均匀、风机轮换运行可延长使用寿命以及舍内负压影响等因素，本试验确定采用4台屋顶风机。

1．3 试验工况

根据通风量以及风机设备风量计算，4台屋顶烟囱风机每小时同时运行40.4min即可满足试验牛舍的通风量设计要求，同时，考虑到牛舍门窗等位置密封不严、牛舍冬季门窗紧闭未设置独立进风口而通过门窗缝隙进气进行舍内的空气交换的状况，本试验工况设计分为：

（1）改造前，在牛舍原有通风系统下的工况；

（2）工况一，无独立进风口，风机每60min运行45min、停止15min；

（3）工况二，设置独立进风口，风机每60min运行45min、停止15min；

（4）工况三，设置独立进风口，风机每20min运行15min、停止5min；

（5）工况四，设置独立进风口，每天定时开启和关闭风机，开启时间段为：每天4∶00～8∶00、12∶00～15∶00、18∶00～22∶00，其余时间段风机不开启，运行方式为每20min运行15min、停止5min。

1．4 试验时间

2015年12月24日～2016年1月19日。

1．5 测试内容和仪器设备

1.5.1 舍内外温、湿度

室内采用TESTO 175-H1温湿度传感器（温度：量程-20℃～+55℃，精确度±0.4℃，分辨率0.1℃；相对湿度：量程0～100%RH，精确度±2%RH，分辨率0.1%RH），舍外采用Apresys 179-TH温湿度传感器（温度：量程-40～+100℃，精确度±0.3℃，分辨率0.01℃；相对湿度：量程0～100%RH，精确度±3%RH，分辨率0.01%RH）。温湿度参数采集间隔为5min。

1.5.2 CO2和NH3测定

采用TY-9800A测量仪（量程0～5000ppm，精确度±150ppm，分辨率1ppm）测定CO2。采用HD-P800测量仪测定NH3（量程0～50ppm，精确度±1.5ppm，分辨率0.1ppm）。CO2和NH3测试时间为每日的7∶00～21∶00，测试间隔为1h。

气体单位换算公式为：

mg/m3=(M/22.4)×[273/(273+T)]×(P/101325)×ppm

式中，M为气体分子量；ppm为测定的体积含量；T为温度；P为压力。

1．6 测点布置

在牛舍内东西方向和南北方向各平均取三个截面，共9个交点，温湿度测量仪器安置在交点处1.5m高度位置（相当于牛体高度），根据现场条件安装在牛舍卧床或者颈枷处，CO2和NH3测点与其相同。

1．7 数据处理

用EXCEL软件和SPSS 20.0软件进行数据的处理和分析。

2 结果与分析

2．1 改造前后舍内环境状况的比较

如表1所示，改造后试验舍环境状况明显改善。改造后，舍内温度下降5℃左右，平均温度在5℃以上；平均相对湿度下降9%左右，可降到90%以下，湿度状况明显好于改造前；CO2平均浓度下降51%，明显低于改造前；NH3平均浓度下降63%，明显低于改造前，舍内异味明显减轻。

表1 改造前后舍内环境状况比较

图1所示的是改造前原有自制通风帽存在着结冰堵塞现象，结冰位置常出现在遮雨盖和烟筒位置。在冬季，由于舍外温度过低，自然条件下奶牛舍的屋顶通风烟囱遮雨盖内表面温度过低，舍内湿空气经过时常于该位置结冰后形成冰凌，冰凌不能及时融化，越积越多，从而堵住烟囱通风口，造成舍内废气不能外排，原有的气流组织被打乱。

风机在舍外温度低于-30℃下运行时，风机口排出气流速度平均为6.69m/s，气流平均温度为6.57℃。虽然遮雨盖部分温度过低，舍内湿空气经过时会发生少量的结冰，但舍内热空气排出时经过遮雨盖位置，会将形成的少量冰凌快速融化掉，因此并没有出现堵塞现象；再者，烟囱风机使用保温隔热材料制作，风机运行时电机温度较高，对周围的空气环境有着辐射传热的作用，可保证烟筒位置的温度环境不受舍外低温环境影响。如图2所示，屋顶烟囱风机遮雨盖位置形成的少量冰凌快速融化，不会发生堵塞现象。

图2 屋顶烟囱风机防结冰效果

2．2 设置独立进风口前后舍内环境状况比较

如表2所示，设置独立进风口后试验舍环境状况好于设置独立进风口前。设置独立进风口后，舍内平均温度下降1℃左右，差异不显著；平均相对湿度下降4%，有所改善；CO2平均浓度下降10%，有所改善；NH3平均浓度下降25%，有所改善。由此可见，屋顶烟囱风机的使用需搭配合理的进风系统。

表2 设置独立进风口前后舍内环境状况比较

2．3 不同运行模式下舍内环境状况比较

如表3所示，不同运行模式下试验舍环境状况相差不明显。舍内平均温度均在5℃以上，差异不显著；平均相对湿度在风机每20min运行15min工况下最低，可降到90%以下；CO2平均浓度在风机定时开启和关闭工况下略高，比其他两种运行模式工况下高10%左右，但均在1 100mg/m3以下；NH3平均浓度在风机定时开启和关闭工况下略高，与其他两种运行模式工况下相差不到2mg/m3，均在5mg/m3以下。

风机定时开启和关闭工况下，风机关闭期间牛舍利用热压进行自然通风，不同运行模式下舍内环境状况类似，考虑到减少风机使用频率和时间来延长设备使用寿命以及节约电能等因素，风机强制通风和自然通风配合进行的运行模式更为合理。

表3 不同运行模式下舍内环境状况比较

3 讨论

3．1 不同工况下牛舍CO2状况对比

如图3所示，各工况条件下舍外的CO2浓度变化趋势一致，相差不明显，平均浓度在485mg/m3左右，最高浓度511mg/m3，最低浓度418mg/m3。使用屋顶烟囱风机后（工况一、工况二、工况三、工况四）试验舍的CO2浓度环境明显低于牛舍原有通风系统（改造前），平均浓度最低下降900mg/m3左右，变化趋势由白天低夜间高变为白天高夜间低，这是由于通风系统的改变造成的；风机定时开启和关闭（工况四）工况下，CO2浓度最高点出现在风机关闭期间，最低点出现在风机运行期间，风机开启期间整体浓度低于风机关闭期间。综上所述，屋顶烟囱风机的使用明显改善了舍内的CO2环境。

图3 不同工况下的CO2浓度变化曲线

3．2 不同工况下牛舍NH3状况对比

如图4所示，使用屋顶烟囱风机后（工况一、工况二、工况三、工况四）试验舍的NH3浓度明显低于牛舍原有通风系统（改造前），平均浓度最低下降5mg/ m3，变化趋势由白天低夜间高变为白天高夜间低，这是由于通风系统的改变造成的；风机定时开启和关闭（工况四）工况下，NH3浓度最高点出现在风机关闭期间，最低点出现在风机运行期间，风机开启期间整体浓度低于风机关闭期间。综上所述，屋顶烟囱风机的使用明显改善了舍内的NH3环境。

图4 不同工况下的NH3浓度变化曲线

3．3 屋顶烟囱风机对牛舍雾气消散的影响

冬季在喂料车或人员进入牛舍时需要打开大门，由于舍内外温差一般在30℃左右，开门瞬间会形成大量雾气，舍内能见度不到5m（图5）。在未运行屋顶烟囱风机前，雾气很难排出，据观测，关门后1h，舍内空气的能见度较低，物体轮廓不清晰（图6-a）。烟囱风机运行后，雾气排出时间一般需要10～15min，据观测，关门后1h空气能见度明显提高，可清楚地观察到物体轮廓（图6-b）。

图5 舍内开门时的雾气状况

图6 风机运行前后舍内开门后1h以后的雾气状况

4 结论

4.1 使用屋顶烟囱风机后，舍内空气环境状况明显好于原有通风系统，系统运行期间，舍内温度可维持在5℃以上，平均湿度最低为89%，CO2和NH3平均浓度最低分别为888mg/m3、3.0mg/m3。设置独立进风口有助于舍内环境的进一步改善。相同通风量下采用风机每20min运行15min的工况的效果优于每60min运行45min的工况，夜间关闭风机对牛舍全天的环境有一定影响，但差异不显著。综合考虑风机使用寿命、运行时间、能耗等因素，采用风机强制通风和自然通风配合、夜间酌情关闭风机的通风管理模式更为合理。

4.2 风机运行期间舍内雾气现象与风机不运行时相比明显减轻，烟囱风机运行期间试验牛舍在开门时因舍内外温差大形成的大量雾气排出速度明显提升，舍内能见度明显提高，舍内异味明显减轻；在冬季舍外温度低于-30℃时，屋顶烟囱风机不存在结冰堵塞现象。屋顶烟囱风机在寒区泌乳牛舍的应用效果较好。

[1] 王海彬, 王洪斌, 肖建华． 奶牛场的牛舍环境控制[J]． 黑龙江畜牧兽医, 2008,10:101-102．

[2] 朱能武, 李保明,邓昌彦． 规模化畜禽养殖环境工程技术研究进展[A]．全国畜牧工程学术研讨会[C]． 2000:17-20．

[3] Gay S W． Natural Ventilation For Freestall Dairy Barns[J]． 2013．

[4] 付高宇． 奶牛场的卫生管理[J]． 现代畜牧科技, 2015,9:22-22．

[5] Cotana F, Coccia V, et al． Energy Valorization of Poultry Manure in a Thermal Power Plant: Experimental Campaign[J]． Energy Procedia, 2013, 45(4):315-322．

[6] Guo H, Dehod W, et al． Annual odor emission rate from different types of swine production buildings[J]． Transactions of the Asabe, 2006, 49(2):517-525．

[7] Harmon J D, Hoff S J, et al． Animal Housing—Chimney Overview[J]． Iowa State University Extension & Outreach, 2014．

[8] 马娟, 郭忠羽, 赵超,等． 北纬41°地区塑膜暖棚肉牛舍的设计、环境调控及评价[J]． 畜牧与兽医, 2015,10:53-56．

[9] 张杰, 帕合尔鼎, 马娟, 等． 冬季屋顶机械负压通风方式对肉牛舍空气环境质量的影响[J]． 黑龙江畜牧兽医, 2015,13:1-5．

[10] 马承伟, 苗香雯． 农业生物环境工程[M]． 北京:中国农业出版社,2005．

Experimental Study on Exhaust Air Chimney Fans Used in Cowshed in Cold Region

WANG Qi-chao, CAO Zhe, SHI Zheng-xiang
(College of Water Resources & Civil Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083)

The Chimney ventilation system has been widely used in natural ventilation cowsheds in the China northeast cold region, but the phenomenons of ice jam in chimneys in winter are serious, which lead to high humidity and waste gas in the cowsheds is hardly to be discharged. This article used exhaust air chimneys to reconstructed the ventilation system of the cowshed in a typical cow farm in Heilongjiang province, and discussed the application efect in the coldest time in winter. The results showed that the air conditions inside the cowshed which uses the exhaust air chimneys was better than the cowshed which not. The CO2and NH3average concentration respectively could reduce 51% and 63% than that before modifcation. The average relative humidity could drop to 89%. The average temperature was above 5℃. There was few air conditions diference of diferent working conditions, in order to reduce the use frequency of fans for extending equipment life and saving power, the operational mode that open and close fans regularly every day is more reasonable. Reasonable air inlets is necessary when using the exhaust air chimneys, fog phenomenons and foul smells inside were reduced obviously. There was no ice jam in chimneys when the temperature outside was below -30℃.

Cold region; Cowshed; Ventilation in winter; Exhaust air chimney; Air conditions

TU264+.1

A

1004-4264（2017）01-0042-05

10.19305/j.cnki.11-3009/s.2017.01.012

2016-08-12

现代农业（奶牛）产业技术体系建设专项资金（CARS-37）。

王启超（1989－），男，山东烟台人，硕士研究生，主要从事健康养殖过程的环境与控制研究工作。

施正香（1964－），女，江苏启东人，教授，博士生导师，主要从事畜禽养殖工艺与环境方面的研究。