电晕放电对肉鸡舍气体环境指标的影响

谢瑞洁，孙小兵，王 瑛，段鹏军，刘振宇

(1.山西农业大学信息科学与工程学院，山西 晋中030801； 2.山西农业大学农业工程学院，山西 晋中030801)

0 引言

近年来，肉鸡养殖业规模逐渐扩大，多为舍内养殖，由于环境密闭，通风和保温等问题导致肉鸡免疫力降低[1]。舍内环境中温度、湿度、粉尘都会对肉鸡生长发育产生严重影响。温度超过肉鸡生长发育最适温度(23 ℃左右)时，会抑制其生长发育[2]。温度超高时，会出现热应激现象，甚至导致肉鸡中暑，出现死亡现象[3-4]。湿度较低时，会导致舍内粉尘微粒大幅产生，易引发支气管炎、肺炎等呼吸道疾病[5]。粉尘粒径过大时，会残留在肉鸡呼吸道前部，使肉鸡感染呼吸道疾病而死亡[6]。

目前，电晕放电已运用在有机废水处理、空中颗粒处理、放电杀菌处理等空气净化方面[7]。研究表明，电晕放电技术有放电稳定、消耗低、时效性高等优点，针对较低浓度的有害气体，该技术具有很好的去除效果[8]。

1 试验设计

1.1试验选址

试验场址选取山西省晋中市太谷区石像村肉鸡养殖场(图1和图2)，此养殖场配置有高压空间电场，符合试验环境要求。肉鸡养殖场为东西走向。南北墙两边设置自然通风小窗，东边墙上装有台风扇，风速5 m/s，均匀分布在东边墙，在西侧墙上均匀装4个湿帘，中间设置1个门，方便进出。试验肉鸡舍跨度13.2 m，长30.0 m，高5.2 m。肉鸡舍内分布有3列鸡笼，每列长28.0 m，宽2.0 m，高2.0 m，鸡笼分别到南北墙体距离为1.0 m。两列鸡笼中间隔1.0 m，鸡笼距离东西墙体为1.5 m。试验中，肉鸡舍中约有8 000只白羽肉鸡。

图1 晋中市太谷区石像村肉鸡养殖场Fig.1 A broiler farm in Shixiang Village，Taigu District，Jinzhong City

图2 肉鸡养殖场空间结构Fig.2 Spatial structure of broiler farm

1.2试验方法

在配有高压空间电场的鸡舍随机布置27个监测点，27个点随机布置在3列鸡笼的第2层，监测点位置如图3所示。利用基于物元分析的聚类分析法对肉鸡舍环境监测点进行布点优化，选取9个最佳监测点。为研究电晕放电对不同高度环境因子的影响，在其中一列鸡笼的第1层和第3层按照同样的位置布置传感器。使用以STM32为控制核心的环境监测系统采集数据，对比2周、4周、6周不同鸡龄周期在电晕放电前后肉鸡舍内温度、湿度、粉尘变化情况，得出电晕放电对肉鸡舍环境因素的作用效果。

图3 27个监测点位置Fig.3 27 monitoring sites

2 肉鸡舍环境监测布点优化

2.1聚类分析

聚类分析是将待分类的数据按照相近程度来进行分类，相近的分为一类，不相近的分为其他几类，使用聚类不仅在思路上很简单，其分类结果也清晰明了。

2.2物元分析

物元分析是通过找出样本间的规律来处理不相容问题的一种工具，要把事物的质、特征及数量关系等作为研究对象，研究事物基本元素的可拓性，其中包括关联性[9]。

2.3环境采集点优化布点的计算过程

采用基于物元分析的聚类分析法对肉鸡舍监测点进行优化。关键步骤：计算出采集数据中合适温湿度所对应的范围，包括期望点、最佳点及最劣点；分别构建两个矩阵，第1个是关于期望点和最劣点，第2个是关于期望点和最佳点；计算结果并分析出其中的关联度，将计算出的数据作为分类的标准，在数据监测点进行分组的过程中，按照聚类分析的原则完成；根据实际环境来选取最佳监测点布置传感器[10]。

2.3.1物元分析步骤

选取舍内27个采集点的温湿度数据，以肉鸡生长最适温湿度作为参照。将最接近肉鸡生长温湿度数据参照点为最优点，与温湿度数据参照点相差最大点为最劣点，最终选择的点为期望点，分别记为A(最优点)、B(最劣点)、C(期望点)。

期望点C分别与最优点A和最劣点B建立成两个标准的物元矩阵，同时将每一个数据采集点都看成是一个事物，则所有的采集值构成一个物元矩阵[11]。由此可建立所有数据采集点分别对两个物元矩阵的关联函数

(1)

(2)

各监测点关联度为

(3)

(4)

各环境因子归一化权值的计算

(5)

式中Xij——i监测点j环境因子的监测值，其中i=1，2……m；j=1，2……n

Wj——j环境因子权重值

2.3.2系统聚类步骤

系统聚类步骤是先从数据中找出这些数据之间相似程度的统计量，然后以统计量作为分类依据，把相似程度大的变量分为一类[12]。本试验将物元分析关联度作为样本间的相关关系，构成如下矩阵

(6)

2.3.3肉鸡舍监测点优化实例

对试验肉鸡舍内的27个采集点环境因子进行分析，将2020年10月19日10∶00—16∶00的数据进行聚类，肉鸡舍内27个点温湿度的原始数据如表1所示。

表1 肉鸡舍内27个采集点温湿度数据

表1采集到的肉鸡舍内27个点的温湿度数据对应的最优点为20 ℃与62%、最劣点为25 ℃与49%、期望点为22.5 ℃与55.6%。

用式(5)计算肉鸡舍内温湿度的归一化权值Wj，选择肉鸡成长过程中最适合的温湿度值，作为温湿度标准值Sj，通过计算，得出肉鸡舍温湿度的归一化权值，如表2所示。肉鸡舍内27个监测点的物元分析关联度数值如表3所示。

表2 肉鸡舍温湿度归一化权值

表3 27个监测点物元分析关联度数值

将表3所得的肉鸡舍内各采集点对应的温湿度关联函数值进行标准化处理。经标准化处理后的数据，作为聚类分析的初始变量。利用数学分析软件SPSS中的系统聚类方法，得到肉鸡舍内各采集点的相似性矩阵及所对应的聚类树状图，如图4所示。

图4 27个监测点聚类树状图Fig.4 Cluster tree diagram of 27 monitoring points

此次对肉鸡舍内27个采集点的温湿度数值进行聚类分析中，每一个点都为有效值，没有发现数据遗漏的现象，说明此次聚类分析可行。对聚类树状图4进行分析，如果将27个监测点分为3类，则监测点分为(1、2、4)、(3、5、6、7、8、10、11、12、13、14、15、16、20、21、24)、(9、17、18、19、22、23、25、26、27)3类；如果将27个监测点分为5类，则监测点分为(1、2、4)、(5、7、8、11、12、13、14、20、21、24)、(3、6、10、15、16)、(22、26)、(9、17、18、19、23、25、27)5类。考虑监测点在肉鸡舍内的分布情况，最终将监测点分为3类，并最终选择9、17、18、19、22、23、25、26、27这9个点为肉鸡舍内优化后的监测点。

2.4优化结果分析验证

对优化后得到的监测点验证其可行性，选择2020年10月20日的肉鸡舍温湿度数据，取每个时刻原来27点采集到数据的平均值与优化后9点的平均值进行比较，其对比结果如图5～6所示。

对比显示，优化后的温湿度平均值与原来封闭式肉鸡舍内温湿度平均值大体一致，温度最高相差0.6 ℃，误差率2.7%，湿度最高相差1%，误差率1.8%，总体吻合度较好，此优化结果可行。

图5 优化监测点与原来27点湿度平均监测值对比Fig.5 Comparison of average humidity monitoring values between optimized monitoring points and original 27 points

图6 优化监测点与原来27点温度平均监测值对比Fig.6 Comparison of average temperature monitoring values between optimized monitoring points and original 27 points

3 电晕放电对肉鸡舍环境的影响

3.1试验条件

试验养殖场布置有高压空间电场，导线交叉分布，电压10 kV。监测点与电场电晕放电绝缘子的高度分别为1.2、1.8和2.4 m。同一水平面的各个监测点距鸡舍边缘分别为6.45、3.25和21.65 m，每0.5 h测量一次。选取肉鸡第2周(育雏期)、第4周(生长期)、第6周(育肥期)肉鸡舍电晕放电前后9个监测点环境指标的变化值。

3.2电晕放电对肉鸡舍环境温度的影响

取肉鸡舍电晕放电前后温度变化的9个监测点，求平均值，其数据标准偏差均<1，表明试验数据稳定，温度平均值可靠。不同鸡龄段电晕放电前后肉鸡舍环境温度变化情况如表4所示。随着监测点垂直距离增高，经电晕放电后发现肉鸡3个周期温度变化为0.3～0.8 ℃，其变化率为1.2%～2.6%，数据标准偏差均<0.7，温度平均值也相对稳定。

3.3电晕放电对肉鸡舍环境湿度的影响

取肉鸡舍电晕放电前后湿度变化的9个监测点，求平均值，其数据标准偏差均<1，表明试验数据稳定，湿度平均值可靠。不同鸡龄段电晕放电前后肉鸡舍环境湿度变化情况如表5所示。监测点距电晕放电1.2、1.8和2.4 m处平均相对湿度变化趋势基本一致，肉鸡舍内平均相对湿度减少5.00%～9.00%，其变化率为9.03%～12.81%，数据标准偏差均<0.70，相对湿度平均值数据稳定、可靠。

表4 不同鸡龄段电晕放电前后肉鸡舍环境温度变化情况

表5 不同鸡龄段电晕放电前后对肉鸡舍环境湿度变化情况

3.4电晕放电对肉鸡舍环境粉尘的影响

取肉鸡舍电晕放电前后粉尘(PM2.5和PM10)变化的9个监测点，求平均值，其数据标准偏差均<2，表明试验数据稳定，粉尘平均值可靠。不同鸡龄段电晕放电前后肉鸡舍环境粉尘变化情况如表6～7所示。

表6 不同鸡龄段电晕放电前后肉鸡舍环境PM2.5变化情况

表7 不同鸡龄段电晕放电前后对肉鸡舍环境PM10变化情况

从表6～7可以看出，随着鸡龄的逐渐增加，鸡舍内的粉尘PM2.5和PM10大幅度增多。监测点距电晕放电1.2、1.8和2.4 m处粉尘PM2.5变化趋势基本一致，肉鸡舍内粉尘PM2.5平均浓度减少33.66～98.33 μg/m3，其变化率为34.56%～57.39%，数据标准偏差均<1.6；肉鸡舍内粉尘PM10平均浓度减少34.00～54.34 μg/m3，其变化率为29.39%～36.79%，数据标准偏差均<1.7。粉尘浓度(PM2.5与PM10)平均值数据稳定、可靠。

经以上数据分析，在不同高度电晕放电对温度无显著影响；对降低肉鸡舍环境相对湿度有一定作用；对肉鸡舍环境中的粉尘(主要是PM2.5和PM10)有非常明显的清除作用，尤其是在第4周到第6周，肉鸡舍内粉尘明显增多，电晕放电清除效果也最为明显。具体对比如图7所示。

图7 电晕放电对3种因子的影响Fig.7 Effects of corona discharge on three factors

4 结论

本文对多监测布点进行优化，通过优化得出最佳点的布置，在电晕放电前后，记录环境因素的变化。试验表明：电晕放电对肉鸡舍环境中湿度有一定影响，对粉尘有明显的清除作用，尤其是在第4周到第6周粉尘大幅度增加，电晕放电清除效果也最为明显，鸡舍可合理利用高压空间电场改善环境，提高鸡只成活率。