计算和孵化机

付亚楠 译自，2018，№ 1：28～32夏俊花 审 张 涛 制图

除了进行充分的翻蛋外，孵化期的首要任务是控制种蛋的内部温度。因为这个温度将会决定鸡蛋胚胎发育的速度以及胚胎对营养物质的需求和供给的平衡，因此准确且均衡地控制孵化温度是必需的。第二要务是要恰当地控制孵化机的机箱在孵化期的相对湿度(Relative Humidity，RH)。种蛋在孵化过程中需要失去一定数量的水分以产生气室，而RH是种蛋水分流失的动力。在冷却能力有限的老式孵化机中，要产生更多的冷却效应必须要让水分蒸发。随着水分蒸发的进行，孵化机机箱中的RH会发生改变，因此RH对温度控制也很重要。最后但并非最不重要的是，种蛋胚胎发育需要O2，并且会产生CO2，所以孵化机需要进行空气交换以满足这一要求。

在孵化过程的三个组成要素(温度控制、RH调节和O2与CO2平衡)中，孵化机机箱内的通风起着重要的作用。虽然我们非常清楚孵化机机箱内需要有合适的温度、RH和气体交换率，并要进行正确的控制，但是我们不了解孵化机在不同孵化阶段的正确通风速率，并且这经常会成为人们争论的话题。我们想通过本文将一些指标和回归方程式组合起来，这有助于阐明在我们考虑孵化过程的通风量时需要考虑的不同方面。出于实用的目的，我们将重点讨论孵化机的通风速率等，但是相同类型的回归方程式也可以用于出雏机。在我们的方程式中，我们将使用一个标准的虚拟孵化机，该孵化机可以一次入孵100 00枚平均重量为65 g、受精率为100%的种鸡蛋(图1)。该孵化机可以采用巷道式或箱体式孵化方式，具体取决于我们讨论的主题。

1 基于机箱中CO2水平的通风

让我们从计算O2和CO2交换所需的通风量开始。为此，我们将重点关注CO2的产生和控制，因为这是决定通风需求的因素，重要程度远超过对O2的控制。如果我们将孵化机机箱中的CO2控制在正确的水平上，O2将很可能不会成为限制因素。

在种蛋胚胎的生长过程中，种蛋内的营养物质需要被转变为机体的组织，这一过程需要O2的参与，并会产生CO2，而且它们的需要量和生成量或多或少呈固定比率[呼吸指数(Respiration Quotient，RQ)或RQ值]。O2的摄入量和CO2的产生量与种蛋胚胎的产热量呈线性关系。这意味着，我们如果知道种蛋胚胎(或按我们的例子是100 000个种蛋胚胎)的产热量，就可以利用Brouwer(1965)公式计算出单位时间内CO2的产生量：产热量(kJ/h)＝ 5.0×CO2产生量 (L/h)＋ 16.2×耗氧量(L/h)。在正常孵化情况下，RQ＝0.67，氧气的消耗量为CO2/0.67。研究发现，一个种蛋胚胎在18 d的孵化期中大约可产生0.15 W的热量，或一台孵化100 000枚种蛋的孵化机在18 d的孵化过程中可产生15 kW的热量。种蛋胚胎每产生1 kW的热量，其每小时就能够产生117 L的CO2。因此，孵化至第18天时，100 000个种蛋胚胎每小时大约产生 1 750 L CO2。

如果我们知道CO2的生成量以及孵化机机箱内所允许的CO2水平，那么我们就可以计算出让孵化机机箱中的CO2达到这一水平时所需的通风速率。如果我们希望CO2的最大浓度为4 000 μL/L，且送入的空气含500 μL/L的CO2，那么种蛋的胚胎就可以增加4 000 uL/L-500 uL/L＝3 500 μL/L的CO2。μL/L表示百万分之一，因此每1 000 000份空气可以增加3 500份的CO2，或者每1 000份空气增加3.5份的CO2。每立方米的空气是1 000 L，所以每1 000份空气增加3.5份CO2也即是每立方米的空气含3.5 L CO2。孵化机将产生1 750 L CO2，因此如果种蛋的胚胎要在通过孵化机的每立方米空气中添加3.5 L CO2，那么孵化100 000枚受精种蛋的孵化机在胚胎发育到18 d时的通风速率必须达到1 750 L/3.5 L＝500 m³空气。

如果我们想要让孵化机机箱内空气中的CO2浓度保持在较低的水平上，或进入孵化机机箱中的空气含有较高水平的CO2，那么我们显然需要让孵化机有更大的通风量。如果我们想把孵化机机箱内空气中的CO2含量降低到3 000 μL/L，并且引入的空气含有1 000 μL/L(因为吸入的空气并不是完全新鲜)的CO2，那么种蛋的胚胎可以增加3 000 μL/L-1 000 μL/L＝2 000 μL/L的CO2或在每立方米空气中增加2 L的CO2。由于鸡蛋在孵化过程中每小时仍会产生1 750 L CO2，那么我们应该使孵化机的通风量为1 750 L/2 L＝875 m³。在经过半个孵化期即孵化到第9天时，种蛋胚胎的个体还比较小，因此它们的产热量和CO2生成量也非常小。在孵化期的第9天，种蛋的胚胎产生大约0.022 W的热量，此时每台孵化机产生2.2 kW的热量而不是第18天时的15 kW热量。在这一阶段，种蛋的胚胎每小时约产生260 L CO2。如果我们仍然需要使孵化机机箱内空气中的CO2含量为4 000 μL/L，并且吸入的空气仍含有500 μL/L的CO2，那么种蛋胚胎仍然可以让每立方米的空气增加3.5 L CO2；但是，由于种蛋的胚胎现在每小时仅产生260 L CO2，因此孵化机的通风速率大约需要调整到每小时260 L/3.5 L≈75 m³空气。

在巷道式孵化机中，我们需要根据种蛋胚胎的平均大小来进行通风，因为新的入孵种蛋会连续不断地放入孵化机机箱中，同时发育成熟的胚胎会被移出孵化机。如果孵化机中的产热量为每个18 d孵化期的平均值，那么孵化机的平均产热量将约为5.4 kW，并且每台孵化机每小时的CO2生成量为630 L。要达到4 000 μL/L的CO2含量，这意味着我们必须让孵化机每小时的通风量达到630 L/3.5 L＝180 m³。由于我们并不是每天都向孵化机中放置新的入孵种蛋，而是每隔3 d～4 d的时间放入的，因此孵化机的平均产热峰值就会略高些，但理论上180 m³的通风量足以达到4 000 μL/L的CO2含量。我们经常在巷道式孵化机中看到更大的通风量，这是因为它们的冷却能力通常很有限，这也是CO2水平通常较低的原因。箱体式孵化机本身也是按巷道式孵化机的孵化模式操作的，因为孵化机中存在许多处于不同发育阶段的受精种蛋。这意味着在计算孵化机的通风速率时，我们可以使用所有孵化机的平均产热量和CO2生成量。

2 基于RH水平的通风

入孵种蛋产生的水分需要被去除。如果我们知道入孵种蛋水分的产量以及进出孵化机的空气的水分含量，那么我们就可以计算出需要多少空气来去除水分。在采用较低的通风速率时，孵化机机箱内的RH会升高；在采用较大的通风速率时，加湿器将能够弥补孵化机机箱内低RH的不足。

如果一台孵化机的机箱放置了100 000枚重量平均为65 g的种鸡蛋，那么孵化机中入孵种蛋的总重量是6 500 kg。入孵种蛋在18 d的孵化期中应损失12%的重量，这完全是由于水分流失所致。这些入孵种蛋在18 d内损失了780 kg的水，或每小时失去780 L/18 d/24 h＝1.8 L或1 800 g的水。每升水蒸发损失的热量为2 260 kJ，所以蒸发1.8 L的水需要4.1 MJ的能量。入孵种蛋的比热为3.4 kJ/kg/℃，所以将6 500 kg的入孵种蛋冷却1 ℃需要22.1 MJ的能量。因此，因蒸发水分通过蛋重损失所导致的热量损失会使入孵种蛋的平均温度下降4.1/22.1＝0.18 ℃。相比之下，如果将相同数量的水分仅喷洒到10%的入孵种蛋上，这会使这些种蛋的温度局部额外下降1.8 ℃，而其余90%的入孵种蛋则完全没有受到影响。

空气中的水分含量可以在莫里尔图中看出，或者使用互联网提供的众多应用程序和程序中查看。如果进入孵化机机箱的空气温度为24 ℃、RH为60%，那么在水平面上每立方米空气将含有13 g的水分。如果孵化机的孵化箱内空气温度为37.5 ℃、RH为55%，那么机箱内每立方米的空气将会含有24.7 g的水分。这意味着通过孵化机的每立方米空气将会带来24.7 g-13 g＝11.7 g的水分。如果孵化机每小时需要移除1 800 g的水分，那么我们需要对孵化机设置的通风量为1 800 g/11.7 g＝154 m³空气。

在孵化期的后半程，移除CO2所需要的通风速率要高于将RH维持在所需水平上的通风速率。结果，孵化机对更多的潮湿空气进行了交换，并且开始启用加湿设备。如果基于CO水平的通风速率为500 m³/h，那么孵化机需要喷洒多少水分？进入孵化机的空气含13 g/m的水分，排出孵化机的空气含有24.7 g/m³的水分，导致每立方米的空气损失11.7 g的水分当通风速率为500 m³/h时，交换的空气每小时可除去500 m³/h×11.7 g/m³＝5 580 g水分。而入孵种蛋每小时可产生1 800 g水，所以孵化机每小时需要喷水5 580 g - 1 800

＝4 050 g，以将RH维持在55%。实现这一目标本身不是问题，但是水的蒸发会消耗能量。由于这种能量主要由靠近喷雾器的入孵种蛋提供，因此这会造成孵化机机箱内的温度分布不均匀。

如果我们不想在孵化机内喷水，那么当孵化机的通风速率提高到150 m³/h～160 m³/以上(位于我们确定的湿度和温度水平上时，我们就必须接受孵化机机箱内空气RH的下降。如果不额外喷水，孵化机机箱内空气的RH就会下降。当孵化机的通风速率达到500 m³/h，入孵种蛋每小时产生1 800 g水时每立方米空气将会获得1 800 g/500 m³/h ＝3.6 g水分。如果进入孵化机机箱的空气每立方米含有13 g水分，那么孵化机机箱内的空气将会含有13 g＋3.6 g＝16.6 g的水分。温度为37.5 ℃且含水量为16.6 g的空气将会使RH达到37%。这一数值并不完全正确，因为较低的RH会增加入孵种蛋的水分损失量，并且与入孵种蛋产生1 800 g/h水分不同，它们将会损失更多的水分，因此孵化机机箱内空气的RH不会下降太剧烈，但会保持在40%～50%之间。这表明当我们根据机箱中空气的CO2水平进行通风且不希望启动喷雾器时，我们必须接受孵化期后期孵化机机箱内空气的RH相当低。

3 基于温度的通风

特别是在孵化期的第二阶段，我们需要排去入孵种蛋胚胎发育产生的热量以避免种蛋过热，这要求孵化机具备足够的冷却能力。冷却可以通过三种不同的途径实现：在孵化机中预置冷却盘管、蒸发水分和通过交换空气(通风)来散热。

如果通风是孵化机唯一的冷却方式，我们可以根据进出孵化机的空气所含的能量值来计算所需的通风速率。就像空气中的水分含量(g/m³)一样，空气中的能量含量也可以在莫里尔图中查到。温度为24 ℃、RH为60%的孵化机机箱空气含有约45 kJ/m³的能量。在空气温度为37.5 ℃、RH为55%的条件下运行的孵化机中，其机箱中空气的能量含量约为85 kJ/m³，因此通过孵化机的空气每立方米将会吸收40 kJ的能量。

如果通风是唯一的冷却方式，在18 d的孵化期中，我们需要通过空气交换除去15 kW的热量。1 W等于1 J/s，因此15 kW的热量就等于15 000 W×3 600 h＝54 000 kJ/h。因为每立方米的空气会吸收40 kJ的能量，因此如果我们想通过通风来去除胚胎产生的热量，那么我们需要让一台孵化100 000枚种蛋的孵化机达到54 000/40＝1 350 m³空气的通风量。

一台巷道式孵化机大约需要移除5.4 kW的热量，正如在根据孵化机机箱内空气中的CO2水平设置通风速率的那一节所讲述的一样，5.4 kW的热量指的是5 400 W×3 600 h＝19 440 kJ/h。由于每立方米的通风量增加了40 kJ的能量，这就需要每小时交换19 440/40＝486 m³的空气。这种计算方法对进入孵化机机箱的空气条件相当敏感。如果进入孵化机机箱的空气不是温度为24 ℃、RH为60%的空气，而是温度为27 ℃、RH为60%的空气，那么其能量含量将是53 kJ/m³，并且该空气吸收的能量将是85 kJ/m³-53 kJ/m³＝32 kJ/m³而不是40 kJ/m3。对于箱体式孵化机，其18 d孵化期的通风量应提高到每小时54 000/32＝1 688 m³的空气，这约增加了25%。

但是，大多数现代化孵化机都配备了除热用的冷却盘管。如果我们出于降低机箱内空气中的CO2含量的目的对孵化机进行通风，那么我们需要将孵化机的通风速度设置为500 m³/h。这个通风量会带走500×40 kJ＝20 000 kJ的热量。但是，我们需要移除54 000 kJ的热量，因此冷却盘管每小时应该能够带走54 000 - 20 000＝34 000 kJ的热量。

如果我们知道通过冷却盘管的水流量以及该冷却盘管的进入水和排出水的温差，我们就可以估算出该冷却系统的制冷效率。水的比热能力为4.184 kJ/L/℃。这意味着1 L水需要4.184 kJ的热量才能使其温度升高1 ℃。也就是说，如果冷却盘管的进入水和排出水的温差为10 ℃，并且我们每小时需要去除34 000 kJ热量，那么我们每小时需要的冷却水流量为34 000 kJ/4 184 kJ/10 ℃＝813 L。

如果冷却盘管的进入水和排出水的温差只有5 ℃，那么很显然我们需要让进入冷却盘管的水量加倍(34 000 kJ/4 184 kJ/5 ℃＝1 625 L/h)。如果我们不希望孵化机的通风量超过降低机箱内空气中CO2含量所需的量，但是我们没有给孵化机配备冷却盘管，那么我们需要通过蒸发水分来排出热量，同样排出的热量为34 000 kJ/h。每克水蒸发需要排放2.25 kJ的热量，因此我们每小时需要蒸发34 000 kJ/2.25 kJ＝15.1 L的水。当我们利用500 m³/h的通风量排放这一数量的水时，那么每立方米的空气将会获得15 100 g/500 m³/h＝ 30.2 g的水。当进入孵化机的空气温度为24 ℃、RH为60%时，那么每立方米的空气会含有13 g的水分。再加上入孵种蛋产生的水分(1 800 g/h即1 800 g/500 m³＝3.6 g/m³)以及喷雾的水(30.2 g/m³)，孵化机机箱内空气中的总含水量为13 g/m³＋3.6 g/m³＋30.2 g/m³＝46.8 g/m³，这一含水量超过100%的RH，显然在我们需要依靠蒸发水分进行冷却时，我们就必须加大通风量以获得可接受的RH水平，或者我们必须接受我们需要启用冷却盘管来将入孵种蛋的温度保持在可接受状态下。

4 小结

孵化期的通风是一个复杂的问题。然而，通过运用针对这一情况的系统方法和对物理机制的基本理解，我们可以让这个复杂的问题简单化。这会将其从一个黑盒子变成一个可以用计算器进行分析的系统。该复杂的因素在于如果我们改变了一个参数，它会影响方程式中的其他部分。如果我们要改变孵化机机箱中的CO2水平，我们会改变孵化机的通风水平，但改变了通风就会影响RH和喷雾器的功能，结果这将会改变孵化机机箱中的温度分布。因此，重要的是要考虑不同参数之间的相互作用，以充分理解此系统的逻辑。