基于太阳能风墙的笼养鸡舍中局部通风系统设计

李 坤，刘 磊，程磊东，许吉泽，尹宝全，南松剑

(中国农业大学烟台研究院，山东烟台 264670)

出于管理上的方便以及基于提高土地、房屋利用率和劳动生产率的要求，目前，我国蛋鸡主要采用笼养模式，肉鸡也逐渐往叠层笼养方向发展，高密度层叠式笼养逐渐成为规模化养鸡场的主流模式[1-2]。在笼养鸡生产过程中，由于饲养密度大，笼内通风不畅造成的问题主要有两方面：一是笼内高密度聚集的鸡只自身产生大量体热不能及时有效排除，导致笼内温度过高；二是粪便及饲料等分解发酵释放的热量、蒸发出的水汽及释放的氨气、硫化氢等有害气体得不到及时有效排除[3-4]。两者均不是靠整体通风能够有效解决的。温度和有害气体浓度过高，鸡只会出现各种不适，采食量下降、增重缓慢、免疫力下降，甚至出现消化道疾病或呼吸性碱中毒等现象，对生产影响显著[5]，改善高密度笼养鸡舍笼内通风问题是一项亟待解决的实际生产问题。

太阳能通风是利用太阳能强化自然通风，从而改善室内热环境的一种节能通风模式，在减少建筑能耗和保护环境上优于传统的自然通风和机械通风，在许多建筑场合已经得到有效应用[6-7]。其主要的结构形式包括太阳能通风墙、太阳能烟囱、双层玻璃幕墙、中庭通风、太阳能空气集热器等[8]。该设计采用主动式太阳能通风墙系统，与笼内末端送风管道相结合，系统由盖板、集热墙体(集热板)、储热装置、风机、管道、笼内送风末端共同组成，采用自动化控制。在笼养鸡舍中利用太阳能通风墙进行笼内局部通风，作为整舍纵向通风系统的辅助，能耗较低，既能提供新鲜空气、改善笼内环境，又能用于冬季笼内局部增温。

1 风机-太阳能系统和送风末端设计

风机太阳能系统主要由空气过滤网、轴流风机、太阳能通风墙和电磁阀组成，该系统将风机与太阳能通风墙相结合，风机安装在电磁阀3处并经通风管道向空气通道内输送经过过滤网的空气，并从电磁阀2或4进入舍内通风管道，通道1做成竖直向上的烟囱形，压减小，有利于通道内气体排出。太阳能通风墙安装在鸡舍原有墙体的外侧，蓄热材料与隔热材料用有机黏结剂黏合为一体，并用水泥砂浆黏结在原有墙体上。空气通道通过管道与舍内舍外连通，管道上的电磁阀作为开关控制管道的开通与隔绝。对该系统设计了3种运行模式。

1.1运行模式1该模式可用于鸡舍的夏季笼内辅助通风(图1)，关闭电磁阀1和2，开启风机和电磁阀3、4，舍外空气由风机抽取，从4进入舍内风管，空气不经太阳能加热，直接输送至鸡舍笼内送风末端。

1.2运行模式2由图2可见，关闭风机，关闭电磁阀2和3，开启电磁阀1和4，笼内末端的热空气进入通风管道，热空气上升后经烟囱1排出，完成笼内污浊空气的排出，改善了舍内空气质量，部分减少室内风机的排风负荷。此种方式在舍内温度大于舍外温度时，通风换气的效果更好、更明显。可用于风机关闭时鸡舍夏季的通风(考虑到冬季鸡舍需要保暖，换气不必像夏季一样勤，故一般不用于冬季通风)。

1.3运行模式3由图3可见，开启风机和电磁阀2和3，关闭电磁阀1和4，舍外空气经过滤后由风机抽取，经太阳能通风墙加热后从电磁阀通道2进入舍内风管，再输送至鸡舍各处。该模式可用于冬季鸡舍的笼内增温送风。

图1 风机-太阳能风墙系统运行模式1Fig.1 Operation mode 1 of fan solar wind wall system

图2 风机-太阳能风墙系统运行模式2Fig.2 Operation mode 2 of fan solar wind wall system

图3 风机-太阳能风墙系统运行模式3Fig.3 Operation mode 3 of fan solar wind wall system

1.4末端通风系统结构设计该部分由通风管道和通风板组成。通风板为中空板，宽度略宽于鸡笼纵深，下端均匀开布通风孔，可根据鸡舍笼架长度而分段拼接，置于每层鸡笼的上方，对于采用刮板式清粪系统的鸡舍，通风板其上也可作为承粪板用。通风板每节相连，构成一个整体，可拆卸清洗和自由组装。送风管道置于通风板的纵向一侧，有送风孔连接送风管道和送风板。将经过太阳能通风墙、臭氧发生器和空气加湿器处理的外界空气送入通风总管，然后总管的气流均匀分配给各支管，各支管与通风板侧面的通风孔相连，使气流分配给鸡笼的各层通风板，经通风板下端的通风孔吹向下层鸡笼，完成笼内送风。末端通风板系统结构示意图见图4。

图4 送风管道和鸡笼上部中空通风板系统结构示意Fig.4 The structure of air supply duct and upper ventilation system in chicken cage

2 自动控制部分设计

自动控制部分主要包括通风运行模式控制和空气净化处理系统控制2个部分。

2.1通风运行模式自动控制策略如前所述，该设计的通风运行模式主要包括3种。鸡场可以根据当地实际气候情况及舍内温度情况设定合理的温度阈值和风速阈值，来完成各模式的自动作业，见图5。

2.2空气处理系统自动控制策略该设计的空气净化处理系统主要由臭氧发生器、过滤网和加湿器组成。过滤网主要目的是过滤室外空气中的灰尘等固体杂质。

2.2.1臭氧发生器。臭氧发生器主要用于去除鸡舍内产生的氨气、硫化氢等有害气体，多余的臭氧易分解成氧气，但臭氧浓度过高也将影响鸡只的健康。因此，系统通过加入氨气、硫化氢传感器实时检测鸡舍内有害气体的浓度，当浓度超过设定阈值(系统默设为15 mg/L)后，启动臭氧发生器和风机，将产生的臭氧送至笼内。为防止臭氧浓度过高对鸡只的影响，系统采用2种措施进行处理：一是臭氧发生器采用间歇式工作；二是通过臭氧传感器实时检测鸡舍内臭氧浓度，当臭氧浓度超过阈值(系统默设为50 mg/L)后臭氧发生器停止工作。

2.2.2加湿系统。加湿系统是在鸡舍内空气较干燥时开始工作，通过通风管道将加湿后的干净空气输送到鸡舍各处。当鸡舍内的湿度传感器采集的数据低于设定阈值时(系统默设湿度为55%)，根据室外温度选择启动加湿系统和通风模式1或模式3。

2.3自动控制流程设计系统提供自动和手动2种控制模式。控制流程见图5所示。

手动控制模式下，通过手动选择启动风机还是利用太阳能通风墙模式进行通风。如果选择启动风机，系统将根据室外温度与设定阈值之间的比较自动选择启动通风模式1还是模式3；如果选择不启动风机，则采用太阳能通风墙模式(即通风模式2)进行通风。系统还设计了一键启闭所有通风模式的按钮，此时系统将关闭所有电磁阀、风机、加湿器、臭氧发生器等设备。

图5 系统自动控制流程Fig.5 Automatic control flow of the system

图5中：InT 为通过鸡舍内部温度传感器采集舍内实时温度值；InT_d为鸡舍内温度阈值，当实时值高于该阈值时表示需要启动通风设备，系统默认值为25 ℃；OutT为通过鸡舍外部温度传感器采集外部环境的实时温度值；OutT_d为鸡舍外温度阈值，当实时值低于该阈值时表示室外温度较低，系统将进入冬季模式运行，系统默认值为18 ℃；InH为通过鸡舍内部湿度传感器采集舍内实时湿度值；InH_d为鸡舍内湿度阈值，当实时值低于该阈值时表示舍内湿度较低，需要启动加湿设备，系统默认值为55%；InW为通过鸡舍内部风速传感器采集舍内实时风速值；InW_d为鸡舍内风速阈值，当低于该阈值时表示需要启动风机进行通风，系统默认值为1.6 m/s；NH3为通过鸡舍内部氨气传感器采集舍内实时氨气浓度值；NH3_d为鸡舍内氨气浓度阈值，当高于该阈值时表示需要臭氧发生器对空气进行净化，系统默认值为15 mg/L；O3为通过鸡舍内部氨气传感器采集舍内实时臭氧浓度值；O3_d为鸡舍内臭氧浓度阈值，当高于该阈值时表示舍内臭氧浓度过高，系统默认值为50 mg/L。

图5中“阈值校正”是指当用户没有输入或者输入不符合逻辑的阈值时，系统自动将该阈值恢复为系统默认值。

另外，通风模式1和通风模式3均内置2个时间继电器，一个为运行时间控制继电器Timer1，一个为停止时间控制继电器Timer2。当该模式启动后，运行时间控制继电器Timer1开始工作，锁定通风模式直至到达设定时间，然后启动停止时间控制继电器Timer2，使系统保持在停止通风状态直至设定时间。然后，系统再次根据用户选择和传感器状态进行选择运行模式。如果想中途切换工作模式或通风方式，需先按“关闭通风”按钮，然后再重新打开，使系统复位。

2.4交流接触器工作设计在该系统的实际应用过程中，风机和加湿器的运行均采用交流接触器来控制启动/停止。交流接触器的基本原理如图6所示。

图6 交流接触器的原理Fig.6 Principle of AC contactor

如图6中，虚线框内部分为交流接触器的内部结构示意图。其主触点一端接交流电源，一端接被控制的电机或设备的电源输入端，该系统中为臭氧发生器或风机的电源输入端。如图6所示，当开关K闭合时，线圈上电，衔铁被吸合，交流接触器的主触头闭合，从而接通电源使设备上电，臭氧发生器或风机投入运行。另外，主触头闭合的同时，交流接触器的辅助触头K1、K2也相应动作。其中，K1为常开触点，K2为常闭触点。K1的开关状态与设备的运行状态相同。因此，该系统中采用交流接触器的常开触点K1作为设备的运行状态输入。其中，闭合为TURE，断开为FALSE。

3 结语

该设计方案具有以下创新点及优势：①首次尝试在鸡舍中运用太阳能通风墙，既可通风，又可供暖，且利用太阳能，节能环保。②利用管道送风系统进行均匀送风，解决了局部通风不良的问题。③设计了一种风管与粪板相结合的新型通风板，多节可拆卸，便于清洗。④利用传感器实时监测鸡舍内有害气体浓度、舍内外温湿度及风速，利用可编程逻辑控制器(PLC)实现鸡舍环境的精准调控和通风模式的自动选择和启闭。

该设计充分解决了鸡舍内局部通风问题，实现了均匀送风、净化鸡舍空气、降低了氨气等有毒气体浓度的目的，将鸡舍局部环境进行优化，改善鸡舍内通风情况，为肉鸡提供健康良好的生长环境，保证肉鸡产品质量，提高生产效益。同时提高了通风系统的操作方便性与环境调控的准确性，处理作用高效，实现了集成和部分自动化控制。考虑了处理效率及制造成本，能够提高产品质量和经济效益，在肉鸡养殖生产中拥有广阔的市场应用前景。