不同气候区猪舍最大通风量确定及湿帘降温系统应用效果

齐 飞，施正香,2，黄金军，李 浩,2

不同气候区猪舍最大通风量确定及湿帘降温系统应用效果

齐 飞1，施正香1,2，黄金军1，李 浩1,2※

（1. 中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083；2. 北京市畜禽健康养殖环境工程技术研究中心，北京 100083）

热应激会对猪产生不利影响，为探究猪舍适宜的夏季通风条件和合理的降温需求，该研究利用环境气象资料，结合能质平衡方程，对围护结构传热及通风散热占比进行了分析，构建了保育及育肥舍夏季最大通风量的计算公式，对五大气候区的典型城市：长春、北京、南宁、武汉、贵阳的保育及育肥舍夏季最大通风量取值进行了规范，并对这些城市的110 m×15 m的模型猪舍的热湿环境进行了分析。结果表明，5个地区使用湿帘的时长：南宁>武汉>北京>贵阳>长春；使用湿帘后舍内温度仍高于27 ℃的时长：南宁>武汉>北京>贵阳>长春；使用湿帘后的平均降温幅度：北京>长春>武汉>南宁>贵阳；使用湿帘后平均相对湿度增量：北京>长春>武汉>南宁>贵阳；使用湿帘后舍内温度降至27 ℃以下时间占比：长春>北京>贵阳>武汉>南宁。通过分析以上数据，该研究对五大气候区湿帘降温系统的购置及使用提出了建议，同时该研究为不同气候区商品猪舍的夏季小气候估算及湿帘降温系统运行使用效果评估提供了参考。

温度；通风；环境；猪舍；通风设计；降温策略

0 引 言

热应激会对猪的健康产生负面影响[1]。猪对热应激很敏感，因为其自身热调节存在问题[2]，猪的汗腺不发达，主要依靠皮肤和呼吸道蒸发散热。热应激主要是由于环境温度较高引起，但高温下的高湿同样会加剧热应激的影响[3-4]。多项研究表明，热应激导致母猪产仔率降低[5-6]，加速第一胎妊娠母猪的脂质和蛋白质的分解代谢[7]，产生季节性不孕症[8-9]，影响猪的肠上皮及胆固醇代谢[10]，导致消化能力和吸收能力受损[11]，降低脂肪含量[12]。同时，温度和湿度、氨气（NH3）、二氧化碳（CO2）、硫化氢（H2S）的气体浓度等多种环境因素之间存在相关性[13]，严重危害猪只健康[14]。

为缓解夏季热应激，猪舍适宜的通风降温十分重要。通风系统可以为猪提供最佳的生活环境[15]。夏季通风的主要目的是缓解高温引起的热应激，因此夏季通风量往往成为最大通风量的设计基础。Commission Internationale du Genie Rural（CIGR）手册指出，可基于舍内最高温度30 ℃，计算保育及育肥舍夏季最大通风量[16]。但由于该模型实际计算较为困难，在生产中使用较少。同时，造价低廉、性能良好的湿帘降温系统被广泛应用于畜禽舍降温中[17-18]。使用湿帘降温系统改变进风温度能够有效改善较高舍外温度下的通风降温效率，高速的风经过湿帘，湿帘上的水分蒸发吸热，从而降低进气口温度，提高进气温度与舍内温差，增大通风降温效率。在炎热干燥的环境，湿帘的蒸发效率可达80%[19]。但由于其降温原理是直接蒸发吸热，一方面会增加环境中的湿度，另一方面在本身湿度较高的环境中，湿帘系统的降温效果也会大大降低[20-21]。

中国幅员辽阔，气候类型多样，自南至北由南热带过度到北温带，年平均气温由24 ℃逐渐下降到-6 ℃，南北相差30 ℃；年平均相对湿度多在40%～80%之间，各地区间的差异也较为明显[22]，根据不同的气候类型，中国可以划分为五大热工分区，区域间气候类型具有相似性。Wang等[23]应用模糊数学方法对中国家禽养殖场湿帘降温系统的适用性进行了评价，结果发现北京、济南、西安等较北城市的湿帘使用效果较好。但目前对于中国不同气候区猪舍湿帘的利用率、利用时长及效果仍然没有系统的分析。

为探究不同气候区猪舍适宜的夏季通风条件和合理的降温需求，本文利用环境气象资料，结合能质平衡方程，对围护结构传热及通风散热占比进行了分析，构建了保育及育肥舍夏季最大通风量的计算公式，并通过定义相关量，从湿帘使用时长、使用湿帘后舍内温度满足猪舍温度要求的时长、使用湿帘后舍内温度平均下降幅度、使用湿帘后舍内相对湿度平均增量等角度对比了湿帘在五大气候区的典型城市：长春、北京、南宁、武汉、贵阳的使用效果差异性，为5个地区商品猪舍的小气候估算及湿帘降温系统在不同气候区的运行使用效果评估提供了参考。

1 材料与方法

1.1 猪舍建筑热工分区及研究城市的选择

本文引用《民用建筑热工设计规范》[24]中的热工设计分区标准（表1），将商品猪舍建筑分为五大热工分区：严寒气候区、寒冷气候区、夏热冬冷气候区、夏热冬暖气候区及温和气候区。

表1 建筑热工分区标准及建筑设计要求[24]

为研究不同气候区商品猪舍的环控参数差异，本文以每个气候区的一个典型城市为例进行研究，选取城市分别为：长春（严寒）、北京（寒冷）、武汉（夏热冬冷）、南宁（夏热冬暖）、贵阳（温和）。使用Meteonorm 7气象数据库获取以小时为节点的各地全年气象数据[25-26]。

5个城市的温度及相对湿度如图1。分析可得，5个地区的年最高温度均在35 ℃左右，由于猪群的产热效应，纯机械通风猪舍内温度始终高于舍外，因此不加装湿帘降温的通风系统在夏季不足以满足5个地区商品猪舍的通风降温需求。其中南宁地区的温度年较差最小，为34.5 ℃，在猪舍建设时要优先考虑夏季隔热防暑；长春地区的温度年较差最大，为59.7 ℃，冬季最低温度为-26.7 ℃，在猪舍建设时应充分满足冬季保温需求。南宁、武汉及贵阳年相对湿度变化相似，均高于北京及长春，因而南宁、武汉及贵阳三地在进行猪舍环控设计时应关注舍内除湿的要求。

1.2 模型猪舍的构建

本试验以某商品舍为模型猪舍，分析不同外界温度下建筑围护结构传热量与通风散热量的大小关系。模型猪舍长110 m，宽15 m，檐高3 m，脊高4.75 m，栏位共72个，长×宽为6 m×3 m，门4个，长×宽为2.1 m×1.0 m，窗56个，长×宽为1.5 m×0.9 m，其热工参数见表2。

表2 模型猪舍热工参数

保育及育肥舍的饲养密度会对每头猪对应的建筑围护结构散热量产生影响。生产中，过高的饲养密度会导致猪群相互攻击、争斗，过低的饲养密度会导致猪舍冬季单位猪的供暖负荷增大，不利于节约生产成本，浪费土地资源，造成生产收益的下降[27-28]，综合考虑以上因素及福利化生猪饲养需求，保育及育肥猪饲养工艺参数应满足表3。

表3 保育、育肥猪饲养工艺参数

模型选取的保育、育肥猪饲养密度分别0.35和0.8 m2/头（模型猪舍内饲养保育、育肥猪分别为3 702和1 620头）。

1.3 猪舍热平衡方程的构建

通风量的计算可以通过热量平衡对其进行合理的估计。猪舍热平衡方程式可写成

为便于计算，该模型规定舍内空气得热数值为正，舍内空气失热数值为负。

在春秋过度季节及炎热的夏季，猪群的显热产热为舍内唯一热源，根据显热产热与总产热关系模型[29]有

该模型基于不同环境温度对商品猪的显热产热量给予了修正，其关系模型如下

由《实用供暖空调设计手册》[30]中规定的通风散热模型，计算舍内由气体交换带来的热损失。

根据《民用建筑热工设计规范》[24]中规定的关于建筑维护结构散热模型，计算密闭式商品猪舍由舍内外温差导致的建筑维护结构传热热损失。

CIGR认为在夏季时，保育及育肥舍的热量平衡公式可进一步简化为公式（7）。

即猪群显热产热量等于通风散热量。此处忽略了建筑围护结构的散热。通过设定不同的外界温度，探究饲养25、60、100 kg猪的猪舍围护结构散热与围护结构散热所占比例，验证该公式的可靠性。

将通风散热模型式（5）与式（7）结合得到式（8），

基于热平衡方程构建VBA模型，该模型已得到了现场试验的验证。将设定的猪舍模型参数代入，分析计算不同地区保育及育肥舍的夏季最大通风量。

1.4 湿帘降温效果运算

对于密闭式商品猪舍，在夏季仅使用机械通风时，舍内温度会随着通风量的增大接近舍外温度，但始终无法低于舍外，因此在夏季高温天气，通过加装湿帘降温系统，改变进气口温度，对密闭式商品猪舍的环境调控具有重要意义。

由式（9）可知在湿帘降温效率相同的情况下，过湿帘前空气的干湿球温差越大，过帘后空气的干球温度就越低，降温效果就越好。

为评估开启湿帘后的商品猪舍热湿环境，需得到过帘后的空气温度及空气绝对含湿量或相对湿度，再将其代入建立的VBA模型中即可得到开启湿帘状况下舍内的空气温湿度。由式（9）可知，在开启湿帘后其过帘温度满足以下模型。

在忽略湿帘通风阻力的前提下，湿帘与外界空气的热交换过程可视为等晗过程，通过已知的干湿球温度与含湿量，可在焓湿图中确定出唯一一条等晗线，再通过式（10）计算出过帘后的空气温度，按照等晗线上的增量比例关系即可计算出过帘后的空气绝对含湿量，从而可计算得到湿帘使用下猪舍内的热环境情况。

表4 湿帘降温效果定义

马承伟等[33]通过测试不同风速下湿帘降温效率，发现过帘风速为1.0～1.5 m/s的时候，多数湿帘降温效率在60%～70%。考虑在实际应用中，为了保障湿帘效率，会调节过帘风速以保证80%以上的降温效率，因此以80%设置降温效率，在最大通风量的研究基础上，讨论5个地区的保育及育肥舍湿帘应用效果的不同，比较、、、、的差异性。

2 结果与分析

2.1 围护结构传热及通风散热占比

不同舍外温湿度情况下，保育及育肥舍的建筑围护结构与通风耗散热损失比例如图2所示。分析可知，在温度较低的情况下，猪舍通过建筑围护结构散热比例较大，当舍外温度为15 ℃时，建筑围护结构散热量约占总散热量的30%。随着舍外温度的升高，舍内外温差减小，通过建筑围护结构损失热量的比例逐渐减小，当舍外温度达到30 ℃时，舍内外温差为0，建筑围护结构不参与保育及育肥舍内外的热传递过程。当舍外温度高于30 ℃时，建筑围护结构热量的传递是由猪舍外部至内部，因而该部分散热为负值。

在进行不同地区商品猪舍夏季最大通风量的模拟时，5个城市最热月份正午温度均高于25 ℃，在这种情况下，猪舍内部热量通过建筑围护结构散出的比例较小，为简化计算可将建筑围护结构部分的传热量忽略，此结论与CIGR中对夏季最大通风量的研究一致，因此在实际计算中，可运用简化后的公式（7）快速计算出猪舍夏季所需满足的最大通风量。

2.2 保育及育肥舍的夏季最大通风量

针对北京、南宁及武汉三地，由于夏季舍外高温时间较长，不使用湿帘降温的通风系统无法满足舍内95%时长的降温需求。由式（8）得到通风量随可调控的舍外最高温度的变化如图4。分析可得，当通风量达到一定值时，通风量的增高对调控舍内温度无明显作用，当可调控的舍外最高温度超过29 ℃时，继续增大通风量，舍内的降温效益减小。考虑猪舍降温设备的经济性，以29 ℃为北京、南宁、武汉三地最大通风量的计算依据。

综上所述，结合式（8）与保育及育肥猪显热产热计算模型公式（3）、（4），保育及育肥舍对应的夏季通风量随猪质量变化为

2.3 不同地区湿帘使用效果分析

表5 保育及育肥猪夏季通风量取值

为方便研究不同地区湿帘降温系统的使用效果与使用时长的差异，本文以育肥舍为对象研究不同地区、、、、的差异。

表6 保育及育肥舍夏季湿帘运行效果相关参数

由于5个城市的外界热环境差异较大，因而5个城市的湿帘使用时长也存在较为明显的差异。湿帘使用时长及使用湿帘后仍高于27 ℃时长如图5a所示，5个地区使用湿帘的时长：南宁>武汉>北京>贵阳>长春。针对育肥舍，在夏季，南宁地区需使用湿帘时长为3 481 h，占全年总时长的39.7%，因此在湿帘选用上应注重湿帘的使用寿命，避免频繁更换导致猪舍后期维护成本的增加。长春与贵阳地区由于夏季温度相对较低，因而使用时长也更短。

使用湿帘后舍内温度仍高于27 ℃的时长：南宁>武汉>北京>贵阳>长春。分析可得，在长春、北京、贵阳，使用湿帘后，基本可以满足夏季降温的需求，舍内使用湿帘后仍超出27 ℃时长分别为148、212、209 h。因而以这些典型城市为代表的气候区在夏季选用合适的湿帘即可满足猪舍的降温需求。南宁及武汉地区的育肥舍在使用湿帘后仍分别有1 182、1 134 h超出育肥猪的温度高限值，分别占全年总时长13.4%、12.9%，以这两地为代表的气候区在猪舍设计建造时应考虑外加传导降温等手段，满足舍内热环境需求。

不同地区使用湿帘后舍内的温度下降量及相对湿度增量如图5b所示，使用湿帘后的平均降温幅度：北京>长春>武汉>南宁>贵阳；使用湿帘后平均相对湿度增量：北京>长春>武汉>南宁>贵阳。受舍外相对湿度影响，在同样的湿帘降温效率下，不同地区舍内温度下降幅度也是不一致的，长春及北京在使用湿帘后平均的降温幅度较南宁、武汉及贵阳更为明显，同时长春与北京使用湿帘后舍内的相对湿度增量也更大。相对湿度增量与舍内温度的下降幅度有着相同的变化趋势，在80%的降温效率下，长春及北京开启湿帘后舍内平均温降为4.0～5.0 ℃，南宁、武汉及贵阳的舍内平均温降为2.5～3.0 ℃。针对降温幅度这一指标，长春、北京等北方城市在夏季湿帘的使用效果上优于南宁、武汉等南方城市。

使用湿帘后舍内温度降至27 ℃以下时间占比如图5c所示，其中：长春>北京>贵阳>武汉>南宁。分析可知，在开启湿帘后长春、贵阳及北京的育肥舍基本可满足舍内的降温需求（>95%），南宁及武汉使用湿帘后值较小，结合其湿帘使用时长，在全年较长的时间内仅使用湿帘降温系统不能达到舍内的降温需求。

综上所述，在设计猪舍夏季降温系统时，以长春、贵阳、北京为典型城市的气候区使用湿帘系统基本可满足夏季降温需求，但以武汉、南宁为典型城市的气候区应当考虑外加传导降温等降温方式。

3 结 论

1）通过构建保育及育肥舍的热量稳态模型，结合不同夏季最大通风量下所能调控的最高舍外温度，拟合出不同地区、不同体重保育及育肥猪夏季最大通风量与保育及育肥猪体重和可调控舍外最高温度的关系模型。该模型考虑了各地的夏季舍外温度状况，使猪舍夏季通风量的计算更符合当地气候。并在此基础上得到了北京、武汉、南宁、长春、贵阳在设定的可调控舍外最高温度的基础上，不同质量猪的夏季最大通风量取值。其中北京、武汉、南宁的可调控最高舍外温度为29.0 ℃，100 kg猪的夏季通风量取值可达到275.7 m3/h，长春及贵阳的可调控最高舍外温度分别为26.9、25.7 ℃，100 kg猪的夏季通风量取值为88.9、64.1 m3/h。

2）从全年湿帘的使用时长、使用湿帘后温度的下降量、舍内相对湿度的增量等角度定量分析了湿帘在以南宁、长春、北京、武汉、贵阳为代表城市的五个气候区的使用效果，设定育肥舍饲养密度0.8 m2/头，当湿帘降温效率为80%时，在长春、北京、贵阳开启湿帘后舍内温度基本低于温度高限值，但在南宁及武汉开启湿帘后舍内温度仍有1 182、1 134 h高于限值，分别占全年总时长13.4%、12.9%，因而在以南宁及武汉为典型城市的气候区的保育及育肥舍应当配备额外的辅助降温措施。

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Determination of maximum ventilation and evaluation on the performance of the cooling system for commercial pig houses in different climate zones

Qi Fei1, Shi Zhengxiang1,2, Huang Jinjun1, Li Hao1,2※

(1.,,100083,; 2.,100083,)

Ventilation systems can move the stale air out of the building and draw the fresh air in, serving to preserve the optimum living conditions. It can be widely recognized as an effective way to relieve the strong impacts of heat stress on the health and behavior of pigs under the ventilation systems of a house in summer. The maximum ventilation of pig houses can often be assumed to design the ventilation systems. A cooling pad system with high performance has also been widely used in pig houses in China. However, the cooling performance of the pad system can be significantly reduced under a high humid environment, particularly for the diverse climate types. Furthermore, a variety of environmental factors can lead to the different performances of ventilation fans and cooling pad system under specific climatic conditions over the large geographical regions of China. A reasonable configuration of fans and cooling pad systems is very essential to the climate control for the pig houses in summer. In this study, a novel VBA model of the maximum ventilation and cooling pad operation was developed to predict the indoor environment under different climate types and operating conditions using the CIGR energy and mass balance. According to the ‘Code for Thermal Engineering Design of Civil Buildings’, the typical cities were selected as the study areas from different climate zones of China, including Changchun (severe cold), Beijing (cold), Wuhan (hot summer and cold winter), Nanning (hot summer and warm winter), and Guiyang (mild). The environmental data of five cities were collected from the weather database. A pig house in a dimension of 110 m×15 m×3 m was set up as a model case. Firstly, a systematic analysis was made to determine the ratio of heat transfer to the ventilation and heat dissipation of the envelope structure. Then, a relationship equation was established for the maximum ventilation and the heat dissipation under various ventilation rates in commercial pig houses. Five parameters were finally selected to evaluate the performance of the cooling pad system with the maximum ventilation in the study areas, including the duration of the cooling pad system, the duration at the indoor temperature above 27 ℃, the proportion of time below 27 ℃, the average decrease of temperature, and the average increase of the relative humidity, after the cooling pad system. The results showed that the building envelope presented less effect on the heat exchange in the pig houses when the outdoor temperature reached 30℃. The sensible heat production of the pigs was almost equal to the ventilation and heat dissipation. Therefore, the maximum ventilation rate was closely related to the sensible heat production of the pig herd. The operation time of the cooling pad system was longer than that in the nursery, according to the indoor prediction using the VBA model. There was a similar tendency on the duration of indoor temperature higher than 27 ℃ with the cooling pad system. The duration of the cooling pad system was ranked in the order of Nanning>Wuhan>Beijing>Guiyang>Changchun. The duration of indoor temperature higher than 27 ℃ with the cooling pad system was ranked in the order of Nanning> Wuhan> Beijing > Guiyang> Changchun. The average decrease of temperature after the cooling pad system was ranked as Beijing> Changchun> Wuhan> Nanning> Guiyang, while the average increase of relative humidity was Beijing> Changchun> Wuhan> Nanning> Guiyang. The proportion of time at the indoor temperature below 27 ℃ was Changchun> Beijing> Guiyang> Wuhan > Nanning. Therefore, the temperature of the pig house with the cooling pad system was basically lower than the high-temperature limit in Changchun, Beijing, Guiyang, but additional cooling was still necessary for Nanning and Wuhan. Different operation schemes were also recommended for the cooling pad systems in five major climate zones. The finding can provide a strong reference to predict the summer microclimate in commercial pig houses with the cooling pad systems.

temperature; ventilation; environment; pig house; ventilation design; cooling strategy

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.023

S828.9

A

1002-6819(2021)-22-0202-08

2021-07-20

2021-11-09

国家自然科学基金（32002226）

齐飞，博士生，研究方向为畜禽环建筑设计及环境控制。Email：719545682@qq.com

李浩，博士，研究方向为畜禽环境工程。Email：leehcn@hotmail.com

齐飞，施正香，黄金军，等. 不同气候区猪舍最大通风量确定及湿帘降温系统应用效果[J]. 农业工程学报，2021，37(22)：202-209. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.023 http://www.tcsae.org

Qi Fei, Shi Zhengxiang, Huang Jinjun, et al. Determination of maximum ventilation and evaluation on the performance of the cooling system for commercial pig houses in different climate zones[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(22): 202-209. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.023 http://www.tcsae.org