畜舍自然通风理论分析与通风量估算

丁露雨，鄂 雷，李奇峰，姚春霞，王朝元，余礼根，高荣华，马为红，郑文刚，于沁杨

·农业生物环境与能源工程·

畜舍自然通风理论分析与通风量估算

丁露雨1,2,3，鄂 雷1,4，李奇峰1,2,3※，姚春霞1,2,3，王朝元4，余礼根1,2,3，高荣华1,2,3，马为红1,2,3，郑文刚2,3，于沁杨1,2,3

（1. 北京农业信息技术研究中心，北京 100097；2. 北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097；3. 北京智慧农业物联网产业技术创新战略联盟，北京 100097；4. 中国农业大学 水利与土木工程学院，北京 100193）

自然通风畜舍通常为大开口建筑，由于开口处的风速和压力分布不均匀，受外界环境影响大，难以确定进风口和出风口的位置，因此，自然通风畜舍通风量的估算值存在很大的不确定度。该研究通过分析通风量关键影响因素、对比不同估算方法结果差异、归纳提高估算准确度的方法，对自然通风畜舍通风理论与通风量估算研究进展进行综述，提出了现有研究的不足和需要进一步完善的内容。自然通风量可以通过压差法、风速法和CFD数值模拟法等直接估算或通过热平衡法、水汽平衡法、CO2平衡法和示踪气体法间接估算。不同通风量测算方法之间的结果差异在10%～300%之间，估算准确度受开口流量系数、风压系数、动物产热量和产湿量、传感器布置位置等因素的影响，同时使用多种方法进行通风量测算有助于评估测算结果的准确度。CO2平衡法在实测中应用最为广泛，测算结果相对稳定，但需要规范测试布点和计算取值方法，提高舍内CO2产生量测算的准确度。水汽平衡法在实测中有一定的应用潜力，也需要提高畜舍水汽产生量的测算准确度，建立动态估算方法。自然通风量尚无准确又无争议的测算方法，现有通风量测算方法更适用于畜舍建筑通风设计，缺乏可以实时、动态调节畜舍通风量或通风口面积的测算方法，生产应用中还需要完善现有方法或建立新的测算方法用以直接、有效地指导自然通风量的调控。

通风；环境调控；通风量估算；畜舍；直接法；间接法

0 引 言

通风量估算是畜禽舍环境调控、有害气体排放量测算的基础。适宜的通风量对于舍内的空气、物质交换具有非常重要的作用，能够排除余热、缓解热应激，调节温湿度、改善空气质量，维持畜禽正常的新陈代谢以提高生产率[1-2]。相对于机械通风，自然通风更加绿色、节能，而且能够给动物提供更加安静、自然的生长环境，是牛舍、羊舍首选的通风方式。自然通风条件下，畜舍通风量估算具有一定挑战性，本文梳理了畜舍自然通风理论和通风量估算方法所取得的研究进展和存在的问题，总结了估算方法应用中提高准确度的原则，为更好指导通风量测算，推动畜舍自然通风或混合通风设计，优化环境调控策略提供依据。

1 自然通风原理

自然通风通过热压和风压驱动空气流动，流经通风口的气流是由开口两侧之间的压差引起的[3]，研究中常用伯努利方程（简化的Navier-Stokes方程）来描述自然通风过程[4]（图1）。

取流经开口处的流体为研究对象，流体在通过开口的过程中会产生能量损失。假定流体通过开口产生能量损失的起始位置和终止位置分别为断面1及断面2，能量守恒有[5]：

由式（1）可得出通风口处流动阻力的表达式：

式（1）、（2）中1、2分别为相应断面的静压，Pa；1，2分别为相应断面的平均流速，m/s；1、2分别为相应断面的动能修正系数，计算中常取为1；1-2为断面1和断面2间的平均单位水头损失，m；out是舍外空气密度，kg/m3；是重力加速度，m/s2。

若用全压P=+outv/2表示，则有：

式中P1、P2表示断面1、断面2的全压，Pa；表示以大气压力为零点的相对静压，Pa；表示某点的流速，m/s；DP表示通过开口的压力差，Pa，可由温度（密度）差和风压差引起研究中常采用动压的倍数，即1-2=ξv/2作为经验公式来估算气流通过开口处的能量损失，式中为能量损失系数。引入开口流量系数C=1/-1/2，因此，可以由开口处的压降和流量系数来确定通过开口的空气流量，即伯努利方程：

式中表示气体通过开口的体积流量，m3/s；C表示开口特性的流量系数。表示开口的几何面积，m2。值得注意的是，伯努利方程在推导时做了一些条件假设，如果实际工况不满足这些假设条件，伯努利方程将不再适用。这些假设条件为：1）仅通过开口两侧之间的压力差来驱动气流流动，即动能只可以在流经开口的路径中耗散；2）开口区域的压力和速度分布均匀；3）流经开口的流体是完全成形的湍流[6]。

1.1 热压通风

热压通风是指因温度差的存在造成空气密度差，从而产生压差，形成气流由高密度向低密度流动的现象（图2）。当不存在风压作用时，开口高度（）处由温度差引起的压力差（D）可通过等式（5）计算[7]：

式中out,0和in,0表示地面处（=0）舍外和舍内的压力，Pa；out和in是舍外和舍内空气密度，kg/m3。如果舍内空气密度不均匀、垂直高度上存在温度梯度时，舍内空气密度将随高度而变化，则：

当外界温度高于舍内温度时，顶部压力低于底部压力，存在一个压差，使得热空气从顶部流入，底部流出，与内部冷空气进行交换。反之，当舍内温度高于外界温度时，冷空气从外部进入，与舍内空气进行热交换。进出风口中心高度差越大，产生的压力差越大，通风量也越大。因此，决定热压通风量大小的主要因素有舍内外温差，天窗与侧墙开口的高度差，有效开口面积等[8-9]。

注：F1为进气口面积，m2；F2为排气口面积，m2；ΔP1为进气压力，Pa；ΔP2为排气压力，Pa；h1为中和面到进气口中心线的垂直距离，m；h2为中和面到排气口中心线的垂直距离，m。

1.2 风压通风

风压通风是由于外界气流遇到建筑物时发生绕流，在建筑物围护结构外表面的不同位置产生压力分布变化，使得空气从高压处向低压处流动[10]。围护结构外表面某点处由风引起的压力p可通过公式（7）计算[7]：

式中是外界该点高度处的风速，m/s；ref是参考高度处的静压，Pa；C是表面风压系数，无量纲。表面风压系数在围护结构外表面上变化，可通过上式的变形，利用目标风压系数位置处测得的压力进行计算。因此，当使用表面风压系数时，重要的是要知道目标高度位置的空气速度[5,7,10]。风压通风量的大小主要受室外风速风向和通风口面积影响[11]。

1.3 热压、风压联合作用

实际上，大部分自然通风一般都是热压、风压共同作用。一般来说，垂直高度大的建筑可能是热压通风占主导作用，而高度低的建筑可能是风压通风占主导作用。如果2种通风方式的流线相同，那么两者共同的作用将促进自然通风，达到比较好的效果。热压与风压的作用并不是简单的线性叠加，二者共同作用下的通风理论尚不完善[12]。Dick等[13]根据风速大小和室内外温差从理论上推导出风压通风和热压通风的计算依据公式，但却无法计算热压和风压共同作用时的通风量。美国暖通空调工程师协会（American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，ASHRAE）综合考虑风压和热压作用下的空气流量，建立了一个关于二者的均方根公式用于计算总流量[14]。

lncropera等[15]引入格拉斯霍夫数和雷诺数这2个空气动力学参数，以/2的值作为判定建筑风压通风和热压通风的依据：当2<<1时主要为风压通风；当/2>>1时主要为热压通风；当/2≈1时为热压、风压混合通风。除理论推导外，一些研究者通过试验研究进行了经验总结，认为室外风速大小决定了风压和热压对自然通风的影响程度：当室外风速高于2 m/s时，以风压通风为主，热压作用的影响可以忽略；当室外风速低于0.5 m/s时，必须考虑室内外温差引起的热压对自然通风的影响；当风速介于二者之间时，通风过程主要受风压作用的影响，同时也有一部分热压作用。对于自然通风奶牛场，侧墙开口较大导致舍内和舍外之间的温差较小，风压通风占主导地位，当风速超过1.8 m/s时，热压效应可以忽略不计[16-20]。

2 通风量测算方法

畜禽舍的通风量通常用体积流量（m3/s）、质量流量（kg/s）或换气次数（次/h）等方式表示，随着研究的发展，逐渐形成了针对畜禽舍通风量的测算方法，包括直接法和间接法两大类。直接法包括压差法、风速法和计算流体力学（CFD）数值模拟法，通过经验系数、压力差和相关环境参数估算通风量；间接法以质量平衡原理或能量平衡原理为基础，是畜舍自然通风量估算应用最广泛的方法，包括热平衡法、水汽平衡法、二氧化碳（CO2）平衡法和示踪气体法。

2.1 直接法

2.1.1 压差法

自然通风是由风压和热压引起的，因此可以通过热压原理和风压原理，利用伯努利公式进行畜禽舍的通风量估算，对于具有侧墙大开口和屋脊开口的典型自然通风畜舍，热压作用下的通风量Q和风压作用下的通风量Q可以通过式（8）~（10）计算[21]：

式中C为开口流量系数，无量纲；为侧墙开口中线距屋脊开口的高度，m；为通风口的数量；Δ为舍内外温差，K；o为舍外温度，K；12和A分别为侧墙开口总面积、屋脊开口总面积和风压作用下第个通风口的面积，m2；U为舍外参考点的风速（通常10 m高处），m/s；C为风压作用下第个通风口的表面压力系数，无量纲；C为风压作用下进风口的表面压力系数，无量纲。当风压和热压共同作用时，可以通过公式（11）近似估算总通风量[11]：

伯努利方程是在假设不可压缩的稳定流动条件下推导出的，所以在应用压差方法计算时，要满足以下假设[22-23]：1）不考虑烟囱效应；2）由于隔板引起的建筑物内部的压降忽略不计；3）内部气流完全混合；4）不考虑由风引起的双向流动；5）仅考虑平均压差引起的气流速率，忽略波动压力。

由于现实中空气流动并不是稳定流动，所以这种方法主要的缺点在于不能很好的确定进出风口的有效面积以及室内外的压差，同时依赖于开口流量系数和表面压力系数这2个经验系数，计算结果的不确定度很高[24-26]。自然通风畜舍通常为大开口建筑，开口处的风速和压力分布不均，开口流量系数不再是一个恒定值。同时风速的不断变化导致压差波动大，在低风速的条件下，通过压差计算得出的通风量结果准确度较低，一般情况下，通常采取测量点处的平均压差代表实际压差，提高通风量计算结果的可靠度[27-28]。由于进气口和出气口的流量理论上相等，可以通过进出气口的流量是否平衡来检验通风量计算结果的可靠程度[24]。

2.1.2 风速测定法

风速测定法，即体积流量积分法，利用微积分的思想，将单个开口的通风量计算简化为用垂直于通风口方向的气流速度乘以对应开口面积，通过加合各开口的通风量来计算通风量[29-31]。

基于风速测定法，Van Overbeke等[35]开发了一种自然通风畜舍开口处通风量的测量设备，使用移动的传感器连续监测的方式，在16个均匀分布测点上分别进行10 s的风速测量，进而计算通风量。将CFD与局部风速测量相结合可能是开发该设备的初衷，其目的是简化和加快通风量的估算，实现实时监测。

2.1.3 CFD数值模拟法

CFD数值模拟广泛的应用于流体流动、传热传质等问题研究，具有边界条件可控、可设置不同的配置条件、提供有效的仿真参数分析等优点，因此在畜禽舍通风研究中得到了广泛的应用。例如，Wu等[36]对比了CFD模拟法和示踪法获得的自然通风牛舍通风量，结果表明，在风速范围较大的情况下，CFD模拟法和示踪法估算的通风量差异不显著，并利用CFD模拟对示踪法测点位置的布局进行了优化。Shen等[37]利用不同开口和风速条件下CFD模拟获得的通风量，建立了自然通风牛舍的通风量调控模型。

CFD模拟以质量守恒、动量守恒和能量守恒定律作为数值计算的理论依据，通过计算机迭代计算求解物理问题[38]。它克服了现场测试测点有限的问题，输出的结果更为全面，可以生成各个参数的整体分布图，而现场试验只能得出各个分散测点的环境数据[39]。对于复杂的舍内气流分布情况，需要合理布置传感器的位置[40]，传统均匀布点的方式并不能反应全局分布状况，但通过CFD模拟的方法只需要合理建模并进行验证，便可以更为全面的了解舍内各个环境参数的变化，较为省时经济[41]。CFD数值模拟法计算的通风量基于风速法，对模型进行网格化后通过模拟计算各通风口的通风量，最后进行加合。因此，该方法不仅能获得整舍的通风量，还能获得通过各个通风口的气流流量。

CFD模拟结果的准确性受多个因素影响，具有一定用户经验依赖性。对于单一计算域来说模拟准确度一般较好，当计算域复杂且范围大时，物理模型选用何种几何表示显得更为重要。网格的划分、精度的选取、湍流模型选择、边界条件的选定等都会显著影响CFD预测精度[42]。

2.2 间接法

从20世纪70年代到90年代，不同畜种的产热、产湿模型取得了一定的研究突破，间接法大都是在动物产热、产湿或产CO2的理论基础上发展起来的[43]。其中，热平衡法和水汽平衡法被广泛用于计算畜舍环境调控所需的最大通风量和最小通风量，CO2平衡法和示踪法常在现场测试中用于实际通风量的估算。

2.2.1 热平衡法

从理论上讲，在没有其他热源的情况下，畜舍内动物产生的显热与通风、蒸发和建筑围护结构损失的显热是相等的。因此，基于热平衡原理，通风量可以通过公式（13）进行计算：

热平衡法估算通风量最大问题是只能用于静态条件下的估算。实际情况下，动物显热的产生是一个动态过程，动物瞬时产生的显热量是未知的，常用恒定的产热量来代替。同时，围护结构是牲畜建筑热损失的重要来源，热平衡法的不确定性很大程度上取决于围护结构热损失估算的准确性。在动态条件下，由于热传导的滞后使得计算的散热量不等于实际值[44]。例如，上午维护结构表面温度要低于下午维护结构的表面温度，上午的散热量更大。因此，热平衡法更适合于建筑设计，而不是量化或调控实际情况下的通风量。

2.2.2 水汽平衡法

畜舍内的水汽主要来自动物呼吸和皮肤的蒸发、饲料的水分蒸发、喷淋或饮用水的蒸发、粪尿的蒸发等，而通风是水汽的主要散失途径[45]。在已知舍内水汽产生速率和舍内外空气中水汽含量差的条件下就可以估算出畜舍的通风量[43]：

式中C是空气的比体积，m3/kg(干空气)；是动物的质量，kg；M是舍内折合单头动物的水汽产生量，g/h·kg(干空气)；W和W是舍内外空气中的含湿量，g/kg(干空气)。

该方法计算结果的不确定度主要来源于舍内水汽产生量的估算。与热量平衡法一样，舍内的水汽产生量是动态变化的，难以准确估算，因此计算出来的误差比较大。此外饲料、饮用水和粪便中的水分蒸发使热量和湿气的产生复杂化[46]，夏季喷淋等降温设施会极大地增加了舍内水汽蒸发量，上述这些因素都会导致通风量计算结果的不确定性增加。因此，水汽平衡法更多地应用在畜舍通风设计中，而且自然通风和机械通风均适用。

2.2.3二氧化碳平衡法

动物是畜舍内CO2的主要来源，在忽略舍内粪便、垫料等产生二氧化碳的条件下，畜舍通风量可通过舍内外CO2的质量平衡进行估算公式（15）。值得注意的是，当粪便、垫料产生的CO2超过总CO2产生量的5%时，如厚垫料散养模式，粪便、垫料产生的CO2不能忽略[47]。

2.2.4 示踪法

示踪法广泛应用于自然通风建筑的通风量测定，常作为检验其他方法不确定性的参考方法。示踪法在舍内人工释放示踪气体，基于示踪气体在通风过程中质量守恒的原理公式（16），通过监测示踪气体的释放速率和浓度变化计算通风量[49]。研究中使用过的示踪气体包括一氧化二氮（N2O）、一氧化碳（CO）、四氢噻吩（C4H8S）、六氟化硫（SF6）、三氟甲基五氟化硫（SF5CF3）和氪85（Kr85）等，SF6是应用最广的示踪气体，但因为其是一种温室效应较强的温室气体，在欧盟等地区已被禁用。示踪气体的选择需要满足以下要求：在空气中的浓度低且稳定存在；在释放量的范围内对人和动物无毒害；惰性气体，不易燃易爆，但能与空气很好地混合；成本低，可商业获取，低浓度下有检测设备能检测其浓度[50]。

式中为畜舍内的体积，m3；C和C()是舍外示踪气体的背景浓度和示踪气体释放时刻后的舍内浓度，mg/m3；P是示踪气体的释放率，mg/s。

根据示踪气体释放方式和测量方式的不同，该方法又分为衰减法、恒定浓度法和恒定释放量法。衰减法需要先将被测建筑密闭，然后注入示踪气体并达到一定的浓度（C,0）。假设示踪气体与舍内空气完全混合，开启通风口后监测1时刻的气体浓度（C,1），根据该时刻浓度差的变化根据公式（17）计算通风量。这种方法需要的设备最少，但不适合长期测量，而且在实际情况下，如果通风量很大，示踪气体稀释太快，很难计算通风量[42]。

恒定浓度法假设示踪气体与室内空气完全混合，且通风速率恒定，不需要通风口在一开始时关闭，但将示踪气体释放后需要使得气体达到易于测量的浓度且保持恒定，利用室内外示踪气体的浓度差和释放率计算通风量。然而，在自然通风中很难保持恒定的通风量和示踪气体浓度[42]。恒定释放量法将示踪气体以恒定的释放速率注入舍内，使得舍内的示踪气体达到易于测量的浓度，通过已知的释放速率和舍内外示踪气体浓度差值计算通风量。由于恒定浓度法和衰减法在实际应用中存在的一些问题，恒定释放量法是估算自然通风畜舍通风量最常用的技术[37]，这种方法可操作性更强，能进行连续监测，且估算准确率高。然而，恒定释放量法对于仪器精密度的要求更高，以保证示踪气体实现恒定释放，使用中需要同步监测释放流量，减小系统误差。

3 影响自然通风量的关键因素

3.1 直接法的影响因素

表面风压系数和开口流量系数是直接法计算通风量的基础，通过影响通风口布局、开口形状与面积、外界风况等因素影响通风量[49]，且多元因素间还可能存在交互效应。自然通风畜舍一般为矩形开口，开口率很大，不符合常规围护结构通风模型的要求，因此本文主要针对矩形大开口条件进行论述。定义开口率（开口面积/开口所在的墙面积）>10%时为大开口[51]。大开口情况下的气流模式更为复杂，具有以下特征[35]：1）围护结构表面风压受开口影响；2）不可忽略舍内气流动能；3）开口处可能既是进风口也是出风口，即气流为双向流动；4）不同开口间可能存在气流阻力干扰。当风压通风占主导地位时，大开口处的压差应取全压差进行计算[22-23]。

3.1.1 开口流量系数

开口流量系数（C）表示气流经过开口时由于粘滞力引起的流动收缩和摩擦作用的经验系数，是一个开口的特征系数，综合反映了流体经过开口后能量损失的情况[51]。工程上所使用的流量系数参考值通常是在无风条件下，基于伯努利方程进行实验室测试获取[52-53]。对于矩形开口，ASHRAE手册中给出的C值通常在0.6～0.65范围内[14,54]。但是，静压流量系数（即在无风条件下测得的流量系数）可能不适用于风压通风或开口处压力场和速度场都不均匀的条件[55]。已有研究证明，静压流量系数不适用于大开口情况，因为开口附近的压力场和速度场可能会改变，并且开口之间气流的相互作用很明显[56]。非静压条件下，C将不再是一个恒定值，随开口率、风向和进出风口面积比的变化而变化，与开口的雷诺数和开口的厚度也有一定关系[57-58]。在相同开口面积时，开口长宽比（/）与C值的关系可以用经验公式公式（18）进行估算[59]。

式中为开口长度，m；为开口宽度，m。

许多试验结果都表明C值与开口面积的大小有关[60-63]。对于侧墙通风口，开口面积与C值的关系没有统一定论。Heiselberg等[6]通过风洞试验和CFD模拟研究发现，对于圆形开口，C值随着开口率的增加呈现先减小后增加的趋势。Karava等[14]通过风洞试验研究了交叉通风建筑中开口面积对流量系数的影响，当开孔率从2%增加到20%时，进风口的C值将从0.74变为0.9（速度比为0.63时）或从0.6变为0.71（速度比为0.5），式中速度比是指开口处的风速与建筑物高度的参考风速之比。Yi等[51]利用风洞试验和CFD模拟对自然通风牛舍的流量系数进行了研究当双侧开口从18.6%增加至62.7%时，C值从0.67线性递增至0.94，认为开口流量系数与开口率之间存在正相关关系，这与True等[63]的研究结果一致。不同研究获得的开口面积与C值关系不同，这可能是由于研究中开口形状、外部风况的不同所致。小开口时C值随内部压力改变，而大开口时C值随无量纲的空气流速改变[18]。较大开口面积并且进气速度的加快会使得空气流动阻力降低，从而导致开口流量系数的增大，并且通风口的布局也会影响最终有效开口面积大小进而影响通风量[44,64]。值得注意的是，Yi等[51]和Karava等[14]的研究中在增加开口率到62.7%和速度比到0.63的条件下获得的C值高达0.9，远大于ASHRAE手册中的推荐值。目前关于C值与开口率的研究多通过CFD模拟获取，缺乏实测数据验证。实际上，当开口达到一定程度时，伯努利方程应用的假设条件可能不再成立，此时获取的C值是否有意义还有待进一步验证。正如Karava等[14]的研究中指出，流量系数的值应在其适用范围内使用，畜舍中使用了较大的开口，可能需要进一步研究伯努利方程的适用范围或建立新的模型。

开口流量系数还受开口位置的影响。陈帅等[44]给出了不同开口布局下通风量计算的理论推导，表明开口布局的影响是通过影响由开口有效面积和开口内外两侧的压力差。Yi等[51]的研究表明进气口的位置会同时影响外部压力和流量，从而影响开口流量系数，而出风口的位置对迎风口的流量系数没有影响，进风口的位置越高，C值越大，但出风口的位置不影响进风口的C值。Karava等[14]的研究结果则认为开口流量系数随进出口面积比的变化很大。二者研究结果的不同可能是开口率的差异造成的，但这都说明了试验中选择合适的压力测量位置至关重要。

此外，建筑表面横向气流或风的入射角度也会影响C值。在较大的开口情况下，墙壁上的摩擦力会导致开口之间的压力恒定，并且在外立面的开口周围没有气流。当表面横向气流速度平行与垂直于进风口方向的速度比（/）升高时,C值随之降低[55]。

3.1.2 表面风压系数

当风流过建筑物时，它会在建筑物的外表面上产生静压分布，表面风压系数（C）是反映风对建筑物作用力的经验系数。建筑表面的静压与气流的速度成正比，在假定没有高度变化或压力损失的情况下，表面风压系数可以根据建筑表面风压（p，Pa）、建筑高度处风速（U，m/s）和空气密度（ρ，kg/m3）计算[50]：

对于单体建筑，建筑表面的风压系数与流态相关，各立面风压系数上部高，下部低，应用中常取同一建筑表面各处风压系数的平均值为该表面的风压系数。研究表明：C值主要受建筑类型、风向、开口大小、周边气流阻挡情况和上游地貌（地面粗糙度）等因素影响，C值的变化会使得进出风口的局部通风量和气流运动状态发生改变，工程上使用的风压系数参考值大多是通过风洞实验和CFD模拟获得[65]。在侧墙开口率0～75%变化时，畜舍各表面C的平均值在−0.47～0.64之间，迎风面C值随开口率升高而减小，背风面C值随开口率的升高先增加后减小，在40%左右的开口率时C值最高[66]。地面粗糙度对C的影响与风向角有关，当风向垂直于开口时，地面粗糙度对C值的影响很小；但风向平行于开口时，粗糙度对C值影响很大。

风向角是影响风压系数最主要的因素，公式（19）计算的风压系数适用于风向垂直于建筑表面的情况，然而实际情况下固定风向很少出现，当风向不垂直于建筑迎风面时，这些风压系数将不再适用。在一定范围内迎风面的C值随风向角的增加线性递增[67-68]，风向不垂直于建筑迎风面时的风压系数（C()）可以利用ASHRAE手册中推荐的谐波三角函数进行估算[69]：

式中为从法线到迎风墙面顺时针测量的风向角，（°）；C(1)、C(2)、C(3)、C(4)分别为风向角在0°、180°、90°、270°时的风压系数，分别可取C(1)=0.6、C(2)=−0.3、C(3)=C(4)=−0.65。上述谐波三角函数仅适用于高度不超过三层的低层矩形建筑，且建筑物长宽比需小于3。对非矩形的不规则建筑，其表面风压系数很难通过简单的公式计算获得，需要通过风洞试验[70-71]。

对于多个建筑群相互排布的情况，受涡流的影响，受遮挡建筑的C值会减小，顺风方向间距比越小，下游建筑的风压差系数越小，遮挡作用越强[64,72-73]。同一表面风压系数取平均值的方法可能带来较大误差，确定表面风压系数分布规律的方法更可取。此外，畜禽舍的开口程度对C值也有一定影响。Choiniere等[67]采用1:20的牛舍模型在风洞中研究了风压通风条件下，牛舍通风口（侧壁和屋脊）不同开口大小时建筑物周围的压力分布，发现不同开口模型与开口密封模型之间的ΔC随着总开口面积的增加而变大。

3.1.3风速和风向

温差是畜禽舍热压通风的动力，但与温差相比，风速更能决定通风量大小，因为舍内外温差随风速的增加而减小，当风速足够大时，其他环境因素的影响很小，可以忽略[74]。根据公式（19）可知，风速越大畜禽舍的通风量也越高，但在相同风速下，风向与通风量具有相关性，外部风向对畜禽舍内气流模式和通风率有显著影响[75-77]。因此，畜禽舍结构设计时须考虑主风向以优化自然通风[30,78]。

外部风向的影响主要取决于气流方向与迎风口的夹角，即入射角的大小，通风量随着入射角的增大而减小，并且在0°～45°时入口风速与入射角之间呈线性关系[79]。当气流直接流向迎风面通风口时（0°），通风量达到最大，而当风向垂直于不开口的端墙（即平行于通风口，180°）时，通风量将减小一半以上，在畜禽舍两侧端墙设开口可以减小入射角对通风量的影响[21]。

目前直接法在应用中通常是基于单一平均风速和主要风向来计算通风量，忽略了外部气流的动态影响，这种动态影响会增加估算结果的不确定度[80]。Norton等[80]利用CFD模拟研究了风向在0°～90°（每10°为一个间隔）变化时对通风量的影响，发现同一风速不同风向时得到的通风率差异高达100%。Shen等[20]使用响应面方法建立了0°～90°时，外部风速、风向与通风量之间的关系模型。上述研究只针对单栋建筑且无遮挡的情况，风速和风向对通风率的影响可能取决于周边环境条件。Van Hooff等[81]研究发现，在周围没有建筑物遮挡的情况下，不同风向对通风量的影响最多可达75%，而有周围建筑物的情况下可达152%。

3.2 间接法的影响因素

畜禽产热量、产湿量、CO2产生量的估算、水汽及CO2产生量所占比例、室内外的温度差、湿度差、气体浓度差、维护结构总传热系数等都影响间接法的计算准确度。室内外的温度差、湿度差和气体浓度差取决于风向风速、传感器的精度及布置位置，而动物产生的热量、湿气和CO2等取决于动物对周围微环境条件变化的生理反应，即生理变化[82]。

3.2.1 舍内热、湿及CO2产生量

式中是每日摄入的能量中用于维持而消耗的热量所占的比例，可根据5.090.75大致估算，无量纲；1和2是动物的产奶量或产蛋量，kg/d；是怀孕天数，d。

显热与潜热之和为总产热量，畜禽的产湿量通常根据潜热产生量来估算。潜热在总热量中所占的比例受温度、湿度等环境参数的影响[83]。例如，在20～25 ℃时，不同阶段的猪潜热产量占总产热量的比例在45%～82%之间变化[84]。温度从10升高到20 ℃时，奶牛仅20%～30%的总热量来自于潜热散失，而当温度升高到接近或大于体温时，几乎所散失的热量都来自于潜热[85]。

畜禽CO2的产生量也是根据其与产热的相关关系利用式（27）～（28）进行计算：

式中HPU是单头动物在温度时的总产热单位，1 HPU表示20 ℃时1 000W的总产热量；为常数，表示正弦函数相对于1的振幅，不同动物种类的取值在0.08～0.63之间；是当前时刻的时间（24 h制）；min是一天当中动物最小活动量对应出现在午夜后的时间，不同动物种类的取值在−0.1～3.1之间。除了直接影响外，环境因素还会改变动物的活动量进而间接影响其产热、产湿和产气量。在温湿度指数较高的情况下，奶牛会增加站立时间，减少躺卧比例，但是温湿度对动物活动量的影响、活动量对其产热、产湿和产气量的影响仍然知之甚少[86-89]。

3.2.2 传感器布置位置

通过示踪法或二氧化碳平衡法测算通风量需要监测舍内气体浓度，计算舍内外浓度差。理想情况下舍内气体均匀混合，气体浓度没有空间变化，使用单个局部测量点足够。但实际上，气体浓度在舍内的分布具有空间变化，如果基于随机选择的单个测量点进行测算将导致巨大的误差[90]。例如，Bjerg等[91-92]对自然通风牛舍内5个不同位点监测的气体浓度显示，CO2浓度空间变异性很大，不同点间的差值达180～540 mg/m3。Samer等[82]试图通过使用风扇来增加气体混合均匀程度，但仍不能完全混合，导致结果出现显著偏差，尤其是在人工释放示踪气体的情况下，替代方法是假设出口处的气体浓度作为示踪气体的代表浓度。自然通风畜舍不同通风口之间的出入口位置经常变化且不容易确定，所以通常是采用舍内多点测量后取平均值的方法计算舍内气体浓度。然而，Wu等[36]的研究表明，舍内平均CO2浓度并不能代表出口处的气体浓度，采用舍内平均CO2浓度计算通风量会造成很大的误差，应将监测点布设在开口或临近开口处。为了减少风向带来的不确定性，所有开口，尤其是不同方位的开口都要有采样管，以不同开口处的最大气体浓度作为出口处的气体浓度。因此，欧洲地区推荐将气体浓度采样管道布设在屋脊开口下及侧墙开口内外屋檐高度处，取浓度较高者进行计算。值得注意的是，国内自然通风的畜舍，尤其是牛舍，常配有舍外运动场，运动场清粪不及时，会产生大量CO2，此时将监测点设在开口内外是否会有影响尚未得知，还需针对我国的特殊情况进一步摸索舍外运动场对监测布点的影响。

3.2.3 其他因素

风向和风速会影响采样点的气体浓度，进而影响通风量估算结果的准确性[93]。良好通风条件会使舍内外的气体浓度差和温度差变小，导致相对较大的误差[94]。Saha等[2]研究了风速、风向对自然通风畜舍中采样点气体浓度和通风量的影响，结果表明间接法测得的通风量随着外部风速的增加而增加，2种不同进风条件（来自2个不同方向的风）估算的通风量可能会有100%的差异或甚至更多。Wu等[36]的研究表明，大开口畜舍当风速增加时，示踪气体恒定流量法测定通风量的准确度降低。Pedersen等[43]指出，当舍内外的CO2浓度差大于126 mg/m3时估算结果较为可靠。实际上，CO2浓度差测量值的可靠性与传感器的精确度有关，一般可以按照传感器测量精度的2～3倍作为有效浓度差下限的参考值，剔除低于有效浓度差下限的数据，确保估算值的可靠性。此外，在具有舍外运动场的情况下，动物可自由出入舍内，舍内动物数量难以准确计量，也为实际应用中长期自动监测带来了一定的困难。

4 不同方法计算的通风量比较

由于外界环境动态变化、难以确定建筑的进出气口，自然通风畜舍的通风量测算没有标准的参考测量方法，不同方法各有优缺点，受采样点、产热、产湿、产气量等的影响，相同条件下测算结果的差值有时候甚至可达300%。有学者以机械通风量为参考对比了示踪法和CO2平衡法的估算误差，在应用得当的情况下，示踪法和CO2平衡法的估算误差分别在−12%～4%和−3%～8%之间，所以一般认为这2种方法测算的结果相对更为可靠[95-99]。此外，直接法中风速测定法结合CFD模拟的方式获得的结果也具有一定的代表性。直接测量法（压差法和风速法）多应用于采用机械通风的密闭式畜禽舍，由于风速计单点测量代表性问题或实际应用中风机传动带的松动、百叶窗上不能完全开启或风机扇叶附着粉尘等因素的影响，会导致通风量的测定结果有20%～25%的偏差。在具有较大开口的自然通风建筑中提供必要的气流速度数据，将局部风速测量与气流模式建模相结合，运用CFD或其他技术进行比例模型研究的方法可以改进通风量的计算准确性。

Samer等[26,82,100]对不同方法的通风量测算进行了大量的对比研究，发现各方法之间的总体差异很大（图3），推荐测算时同时使用至少3种方法，当三分之二的测量方法或四分之三的方法获得较为一致的结果时，排除离群值并以一致值作为当前的通风量估算。由图3可知，在夏季热平衡法、示踪法与CO2平衡法的估算结果相当，而在冬季水汽平衡、示踪法与CO2平衡法测算的结果有较好的一致性，且水汽平衡显示出更好的效果。

图3 几种常用的通风量估算方法测算结果对比[26,100]

表1所示为相同条件下不同方法估算值的对比结果。相比较而言，热平衡方法的估算误差最大，普遍为高估，冬季尤其是在舍内温度0 左右时估算误差最大。水汽平衡法与恒定释放量法的测试误差平均约38%，普遍为低估，且夏季的估算误差高于冬季。这可能是由于夏季喷淋降温增加了舍内水汽蒸发量，测算时忽略了喷淋降温对蒸发量的影响，进而导致结果偏低。冬季时，水汽平衡法的测算结果与示踪法、CO2平衡法具有较好的一致性，估算误差较低。相比于气体监测设备，空气湿度监测设备成本低、稳定性更好。因此，生产应用中，水汽平衡法相对于示踪法或CO2平衡法具有一定的优势，但需要修订畜舍水汽排放量及潜热估算方法，以提高该方法夏季测算精度。

表1 不同方法通风量检测结果对比

注：负值表示相较于参考方法表现为低估，正值表示高估。

Note: A negative value indicates underestimation compared to the reference method, and a positive value indicates overestimation.

综合考虑试验成本、数据的连续性和估算结果的稳定性和准确性，很多学者都认为CO2平衡法是一种经济有效的估算方法[43,59,101-102]。Edouar等[103]利用CO2和SF6两种示踪气体评估了自然通风牛舍的通风率，发现无论采样位置和用于测量CO2浓度的设备如何，CO2质量平衡法比SF6的测量值低了10%～12%。这可能是因为非色散红外传感器Non-Dispersive InfraRed（NDIR）的仪器误差而系统地高估CO2浓度或由于空气不完全混合导致SF6测量值高估。Samer等[26, 100]的研究中，CO2平衡法相比于示踪法的估算偏差平均在60%～70%左右，可能高估也可能低估，没有显著的规律，季节性的影响较小。Wang等[104]发现CO2平衡法估算的通风量较风速法偏高，较短的积分时间导致显著通风量估算值差异，CO2浓度和温度分别低于126 mg/m3和0 ℃时，CO2平衡方法无法可靠地估算畜舍的通风量。相较于示踪气体衰减法和恒定浓度法，恒定释放量法可操作性更强，应用更广泛，但在使用恒定释放量法时需要慎重考虑气体浓度采样点的位置和计算时气体浓度的取值方式。Ikeguchi等[42]发现当示踪气体测量点分布在示踪气体释放点与通风口之间时，恒定释放量法测得的通风量是衰减法测得通风量的5倍，而当测点位于示踪气体释放点附近时，得到的通风量比衰减法小40%。Wu等[36]的研究表明，在大风速范围内，CFD模拟法与衰减法获取的通风量结果一致性较好，而与恒定释放量法获取的通风量差异较大，会有50%～66%的高估，导致差异的原因是采样点浓度不具有代表性。相较于CO2平衡方法，衰减法测得结果更高，偏差在8%～25%之间，与环境温度和计算时示踪气体浓度的取值方式有关。使用衰减法时，Ikeguchi等[42]的研究认为相比于利用单个传感器测得的衰减率计算通风量后取算术平均的方式（VRave），将所有传感器获得的示踪气体浓度脉冲值合并为一条衰减曲线，然后计算通风量（VRsum）的方式更接近CO2平衡方法测得的结果，所以使用衰减法时推荐采用VRsum的取值方式估算通风量。

5 结论与展望

自然通风是畜舍广泛使用的通风模式，自然通风理论和通风量测算方法的研究对畜禽舍环境控制和优化、环境污染物排放的估算具有重要意义。国内外学者针对自然通风机理、通风量的计算以及影响通风量的影响因素等进行了广泛深入的研究，并取得了比较一致的结论。但对于大开口条件下自然通风的理解仍然局限于伯努利方程的认识，因此需要一种更好的理论来解释大开口条件下的自然通风机理。

不同的通风量测算方法在运用过程中各具优缺点，测试结果也存在较大的差异和不确定性，需要根据需求合理使用相应的计算方法，加强基础研究或建立新的方法提高通风量测算结果的准确度。对于间接法，舍内显热、潜热、CO2的产生量和测试条件是影响测算准确度的关键，现有的产热、产湿及产气理论还存在不足，缺乏不同环境条件下畜禽产生量的动态估算模型和畜禽舍水平热、湿、气产生或散失量的估算方法。环境因子，尤其是气体浓度测试位点的布置与通风量计算时的数据取用方法还需要进一步完善，形成标准化的测试流程和数据分析方法，提高测算结果的可靠程度。采用直接法时需要结合CFD模拟技术建立畜禽舍自然通风模型，所需确定的模型参数多，需通过更多的现场测量来对模型的精度进行检验。随着开口逐渐变大，开口处更易发生双向流动，并且这种流动很难在建模中处理，还需要进一步的研究。随着现代流体测量技术的不断改进，结合直接法和间接法建立畜禽舍通风模型，将CFD模拟与现场试验结合，不断修正模型参数，对单一畜禽舍乃至畜禽舍建筑群分布以及畜禽与环境之间相互作用机制进行研究，并将其应用到畜禽舍环境控制系统中，将会对改进环境控制方案，优化环境控制策略，实现畜禽养殖优质、高产具有积极的现实意义。

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Mechanism analysis and airflow rate estimation of natural ventilation in livestock buildings

Ding Luyu1,2,3, E Lei1,4, Li Qifeng1,2,3※, Yao Chunxia1,2,3, Wang Chaoyuan4, Yu Ligen1,2,3, Gao Ronghua1,2,3, Ma Weihong1,2,3, Zheng Wengang2,3, Yu Qinyang1,2,3

(1.,100097,; 2.,100097,; 3.,100097,; 4.,,100193,)

Natural ventilation is energy-saving and preferred in livestock buildings under suitable conditions, especially for cattle and sheep. The natural ventilated livestock buildings usually have large-openings which result in the non-uniform distribution of wind speed and pressure at the openings, which makes it difficult to determine the air inlet and outlet and challenging to estimate airflow rate in a natural ventilated livestock buildings. Thermal buoyancy and wind pressure are the driving forces of natural ventilation whose airflow rate can be estimated directly by differential pressure method, wind speed method and CFD method, or indirectly by heat balance, moisture balance, CO2balance and tracer gas method. This review paper investigates the published works on the theory of natural ventilation in livestock buildings and the methods of airflow rate estimation to obtain a better understanding on the state of art for the mechanisms and estimation methods of airflow rate of natural ventilation in livestock buildings. Furthermore, this paper summarizes the key factors affecting natural ventilation and the principles of improving accuracy in the application of estimation methods to guide ventilation measurements better, promote natural ventilation or mixed ventilation in livestock barns, and provide a basis for optimizing environmental control strategies for the environment as a whole. Finally, different estimation methods of airflow rate are compared and the research gaps need to be further improved are concluded in this paper. Up to now, it is short of an accurate and disputable method to measure airflow rate in natural ventilation. The differences among different estimation methods are generally between 10% and 300%, showing a very big variance. The estimation accuracy of different methods is affected by the factors such as the discharge coefficient, the pressure coefficient, the reliability of estimated heat and moisture production from animal, and the measuring position of sensors. Compared with other methods, the CO2balance method is widely used in the field measurements, and the result is relatively stable. However, it is highly needed to standardize the layout of sensors and the usage of the measured gas concentrations from different sensors to appropriately calculate concentration difference between indoor and outdoor, improving the accuracy of assessing CO2production from livestock buildings. The moisture balance method has a potential application in field measurements and practical situations because of its low cost of sensors and relatively good performance in estimation airflow rate. Nevertheless, it is necessary to further establish the estimation models on moisture production from house level and dynamic latent heat production from animals to improve the accuracy of moisture balance method. In addition, it is helpful to assess the reliability of the measured airflow rates and decrease the uncertainty in airflow rate estimation using multiple methods at the same time. Furthermore, the existing methods are more suitable for design assistance rather than regulating the airflow rate in real situation. It is necessary to improve the existing method or establish a new method to guide the regulation of natural ventilation directly and effectively in livestock buildings.

ventilation; environmental control; airflow rate estimation; livestock buildings; direct method; indirect method

丁露雨，鄂雷，李奇峰，等. 畜舍自然通风理论分析与通风量估算[J]. 农业工程学报，2020，36(15)：189-201. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.024 http://www.tcsae.org

Ding Luyu, E Lei, Li Qifeng, et al. Mechanism analysis and airflow rate estimation of natural ventilation in livestock buildings[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(15): 189-201. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.024 http://www.tcsae.org

2020-04-19

2020-06-24

北京市自然科学基金（6194037）；国家重点研发计划（2018YFD0500702-02，2018YFE0108500）；北京市优秀人才青年骨干项目

丁露雨，助理研究员，博士，主要从事畜舍环境智能监测与调控、畜禽养殖过程信息化及智能化等方面的研究。Email：dingly@nercita.org.cn

李奇峰，副研究员，博士，主要从事畜牧信息化研究。Email：liqf@nercita.org.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.024

S821.4+6

A

1002-6819(2020)-15-0189-13