畜禽养殖舍能耗分析及建模方法浅析

杨 礼，杜龙环，郑炜超，朱洪强，余春林，邱莫寒，杨朝武通信作者

(1.四川大恒家禽育种有限公司，四川 成都 610066；2.四川大学，四川 成都 610065；3.中国农业大学，北京 1000833；4.成都晟兴牧业机械有限公司，四川 成都 610000；5.四川省畜牧科学研究院动物遗传育种四川省重点实验室，四川 成都 610066)

0 引言

随着畜牧业向规模化、集约化、机械化、智能化方向发展，温度、湿度、气流速度等舍内环境因子根据饲养品种及阶段实现了有效控制，满足了畜禽生长最佳需求，促进了生产性能的提高，而对舍内环境调控的能耗在不断增加。依据Costantino等对欧洲规模化畜禽养殖的研究，环境调控所消耗电能在肉鸡、蛋鸡、奶牛、生猪饲养中分别占全部电能消耗的75.5%、58.9%、27.4%和50.2%[1]。据联合国研究报告，到2050年全球人口将达91.5亿，与2017年相比增加22%，动物蛋白质消耗量增加几乎将翻倍[2-3]。粮农组织估计与2010年相比，到2050年家禽消费量将增长230%，而同期其他畜产品消费量将增长40%～80%[4]。加之智能化养殖手段及仪器设备的不断应用，可预见未来规模化养殖能耗将会进一步增加。因此，全面掌握畜禽养殖舍能量消耗及搭建预测模型对养殖场设计和使用有重要参考价值。基于此本研究介绍了一种基于ISO13790标准搭建能耗预测模型的方法。

1 基本参数

模型依据生产需要，以1 h为步长模拟舍内外热量动态平衡。舍内热源包括畜禽自身产热、加热器、舍内外导热及其他机器运转热量。舍内降温多采用通风(湿帘降温)手段。在不同养殖阶段畜禽产热与体重有关，相应的最佳生长环境温度也有所不同。因此，模型以鸡日龄体重及散热量为基础数据，其他参数包括每小时大气环境参数和太阳辐射强度等。

2 计算流程

模型基于步长为1 h的舍外及舍内环境差异决定相关设备的开关状态，包括风机、加热、照明、湿帘、废物清理、投料等，最终自动预测环境调控的能量消耗，如图1所示。

图1 计算流程示意图

3 动态热平衡模型

ISO13790提供了一种动态热平衡计算模型，工作原理基于被分析建筑物的热行为与电阻电容(R-C)模型之间的相似性(见图2)。φH/C，load是每个步长舍内需要的制热量或制冷量； θair为舍内温度；θsupply为进入舍内的空气温度，未使用湿帘时，θsupply等于室外温度θe；θs为舍内表面温度；θm为畜禽舍模型电容质点温度；Hve为热传递系数；Htr，w为舍内玻璃元素热传递系数；Htr，op为舍内不透明物热传递系数；为更准确计算畜禽舍热质量，Htr，op进一步细分为舍内外不透明物体的热传导Htr，em及基于养殖舍面积和表面热传递系数His计算出的Htr，is；Cm是畜禽舍热容量;φint是畜禽舍内部产热量；φsol是太阳辐热量。

图2 动态热平衡模型

基于必要模型输入参数，每一步的舍内温度可根据下面步骤计算得到(其中φm，tot是该步长内总产热量)，至此，该步长结束时畜禽舍内空气温度θair可以被预测出来。相关详细计算步骤及示例可以参见ISO13790 Annex C。

θt={θt-1×[Cm/3 600-0.5×(Htr，3+Htr，em]+φm，tot}/{Cm/3 600+0.5×(Htr，3+Htr，em)}；

θm=(θm，t+θm，t-1)/2；

θs={Htr，ms×θm+φst+Htr，fen×θe+Htr，1×[θsup+(φia+φH/C，load)/Hve]}/(Htr，ms+Htr，fen+Htr，1)；

θair=Htr，is×θs+Hve×θsup+φia+φH/C，load)/(Htr，is+Hve)。

4 结论与展望

随着现代化畜牧业发展，养殖能耗成为行业发展中需要关注的话题，在考虑可预期水土资源消耗及温室气体排放问题时，更应意识到将有更多的能源用于畜牧业生产，畜禽养殖舍能耗建模与评估对生产具有重要指导意义。目前国内外在畜禽舍能耗模型的研究较少，国外在早期多使用建筑能耗模拟软件进行研究，如DOE-2、ENERGPLU、TNSYS、DeST等，但这些软件都是针对民用、商用、公共建筑而开发，没有针对农用建筑开发特定的模块、功能。畜禽舍与民用、公共建筑遵循相同的传热传质原理，但要正确处理动物产热及通风模型[6]。而由于这些软件具有局限性，国外更多是进行自主开发能耗模型，本文所介绍的基于ISO13790标准简化小时模型即是其中一种，可通过实验手段验证和改进，对畜禽养殖能耗问题进一步深入研究，实现养殖能耗控制在满足饲养、环控合理水平的同时，为农业工程从业人员和养殖者提供养殖能耗绩效参考。