初冬最小风量条件下无内部阻碍和散热时超长鸡舍通风特性研究

王友君 ，李元开，彭云 ，张定一 ，朱根生，姚尧，王晓亮，杨长锁

（1-上海海洋大学食品学院，上海 201306；2-农业部冷库及制冷设备质量监督检验测试中心，上海 201306；3-上海冷链装备性能与节能评价专业技术服务平台，上海 201306；4-上海交通大学环境科学与工程学院，上海 200240；5-上海临港新城建设工程管理有限公司安全与质量管理部，上海 201306；6-上海市农业科学院畜牧兽医研究所，上海 201106；7-青岛华丹牧业科技有限公司外贸部，山东青岛 266133）

0 引言

鸡舍空气环境包括温度、相对湿度、风速度、污染物成分和浓度等参数，前面三个代表了热舒适性，后面的代表了洁净度。它与禽类的福利[1]、疾病[2]、生产能力[3]、防疫[4]、喂养及运行管理成本[5]、工作人员及周围居民的健康[6]乃至全球大气环境[7]等密切相关。近年来，随着禽业发展，鸡舍集约化程度越来越高，规模越来越大。一些科研人员发现鸡舍的热舒适性越来越糟糕[8-9]。还有一些研究显示鸡舍存在严重的空气污染[10-11]。

通风技术是控制鸡舍空气环境的主要手段。如此糟糕的鸡舍环境必然是鸡舍通风设计不合理。过去，鸡舍通风设计一般默认为空鸡舍，即：舍内没有内部阻碍（笼架和禽类等）和散热，且各窗口均匀进风，舍内气流均匀分布。对于中小型空鸡舍，这种设计理论显然是正确的。但是，随着鸡舍长度增加，即使仍然是空鸡舍，是否还符合这种假设，尚未有研究人员明确的结论。实践证明：各种长度鸡舍的实际通风工况往往与传统假设不符[12-16]。这种不符有可能是空间尺度变化的原因，也有可能是内部阻碍或散热的影响。因此，为了理解实际鸡舍的通风原理，应明确空鸡舍时，鸡舍尺度变化是否对通风特性产生影响。

鸡舍通风有两种极限工况，一种是夏季最大风量，一种是冬季最小风量。最小风量时，机械负压排风所形成的抽吸作用最弱，禽舍通风特性最容易受其它影响因素干扰。为了明确空鸡舍时空间尺度变大是否对其通风特性有显著的影响，本文采用数值模拟方法研究初冬最小风量条件下无内部阻碍和散热时超长鸡舍内的气流组织和窗口进风特征。

1 研究对象

本文研究对象是江苏省某超长鸡舍（图1）。鸡舍长128.00 m，宽11.00 m，墙高6.30 m，弧形屋顶高6.50 m；南北侧墙和东端墙有96个1.20 m×0.31 m的通风窗口；南北耳房各有两个18.30 m×1.50 m的湿帘风口；西端墙和北侧墙西部共有19台直径1.40 m的大风机（单机风量50 970 m3/h）；南侧墙西部、中部和北侧墙东部共3台直径约1.00 m小风机；舍内共有4列长108.50 m×1.30 m×4.70 m的笼架，笼架西端有1.60 m清粪器，东端有2.70 m集蛋器。舍内共饲养蛋鸡约11万只。初冬季节，室外空气干球温度为277.0 K，3台小风机同时工作，南北侧墙和东部端墙上的通风窗全部最大程度地打开（内开60°），湿帘板关闭。

鸡舍内共设11个温度监测探头，编号为1至11，单个探头如图1(b)所示。监测程序每隔15 min记录一次数据。其中，1～5在中间走道，6～8在近南侧墙走道，9～11在近北侧墙走道；其中，探头1、3、5、6、8、9和11在距地面高度为1.10 m，探头2、4、7和10距地面高为4.00 m。以西端墙地面中心点为原点，东为x轴，北为y轴，垂直向上为z轴，建立坐标系，鸡舍结构和测点信息见文献[17]。

图1 超长鸡舍的实景

2 数值模型

建立能够尽可能真实反映图1所示超长鸡舍几何特征的三维物理模型，并采用非结构网格把计算域划分为206 106个微元。

对于鸡舍通风，流体属于不可压理想空气。采用标准k-ε模型和标准壁面函数分别求解核心区和近壁附近的流动守恒方程[18-20]。

排风扇风速设为7.280 m/s，湍流强度为3.15%。室外相对压力为0 Pa，空气温度为277.0 K。地面、围墙、屋顶等均为粗糙高度为0.000 15 m，粗糙常数为0.50的绝热不光滑表面。

3 模型验证

取2015年11月25日3:45—6:15之间的温度监测数据与模拟结果进行对比，如图2所示。实测得出11个测点的平均温度为293.4 K，模拟得出的平均温度为293.5 K，两者极其接近。进一步计算模拟与实验数据的相关系数，发现监测点1～5的相关性系数约为0.86，6～8的相关性系数约为0.89，9～10的相关性系数约为1.00，这说明模拟数据变化趋势与实测数据的一致性很好。因此，本文所建立的数值模型可以用来研究超长鸡舍的气流组织。

图2 模拟与实测温度对比

4 数据分析

4.1 气流组织

模拟得出舍内整体空气流动特征为：排风扇仅对其附近小范围的空气流速有显著的影响，对鸡舍其它区域风速的影响较弱；舍内空气主要为横向流动，侧墙附近气流上升，中心气流下降，从而形成两个反向涡旋，这种气流形式有利于从窗口进来的新鲜空气被送至鸡舍中部。进一步分析各剖面的平均速度，见图3。计算纵向、横向和垂直方向上平均速度的标准偏差分别为0.06、0.01和0.01。结果表明：纵向上，长鸡舍内空气流速在均匀性最差，最小风速在耳房附近，约0.05 m/s，最大风速出现在靠近风机的横剖面上。横向上，因双涡旋的影响，两个涡旋的中心剖面速度相对较小。水平方向，同样受双涡旋影响，上下层风速大于中心层风速。鸡舍整体的平均风速约0.09 m/s，拟放置笼架的区域平均风速约0.08 m/s，而笼架外区域的平均风速约0.10 m/s。没有内部阻碍和散热时，预测结果显示：拟放置笼架区域与笼架外风速也没有显著的差异。

图3 各剖面平均速度

4.2 窗口风量

为了分析各窗口的通风状态，图4给出了各通风窗的平均内法线速度分量。计算东墙、北墙和南墙上速度分量的标准偏差分别为0.003、0.007和0.007。可以看出，当没有内部阻挡和散热时，长鸡舍各墙上通风窗口的平均内法线速度分量均为0.4 m/s，彼此之间的差异都很小，即各窗口的进风量几乎相等，约0.15 m3/s，均匀性很好。即使南北侧墙上的排风扇的位置和数量并不对称，但南北侧墙各窗口的进风量却无差异。

图4 各通风窗口的平均内法线速度分量

5 结论

本文研究了初冬最小风量条件下不考虑内部阻挡和散热时超长鸡舍（超长空鸡舍）内气流组织和各侧窗的进风速度，与传统鸡舍通风设计的基本假设进行对比，得出如下结论：

1）舍内空气流动的主要表现形式为南北侧墙附近空气上升中间空气下降的两个反向涡旋，双涡旋充满鸡舍的整个横截面；

2）舍内空气流速大小比较均匀，纵向、横向和垂直方向上平均速度的标准偏差分不超过0.06；

3）各窗口进风量也几乎相等，东墙、北墙和南墙上窗口进风速度的标准偏差不超过0.007；

4）超长空鸡舍与传统通风设计所默认的负压排风时各风口均匀进风的理论基本相符；空鸡舍时，鸡舍空间尺度变化对通风特性没有显著影响；

5）由此推断，现实中，超长鸡舍通风特性与传统假设的差异，必然是内阻碍或散热的作用结果；因此为了理解内阻碍或散热对超长鸡舍通风的作用机理和影响程度，尚需以本文研究结果作为参考，进一步分析有笼架、禽类及附属设备等内部阻挡，有动物散热、照明及电动设备散热时，鸡舍内空气流动特性和窗口进风特征会发生什么样的变化，从而建立更符合实际的鸡舍通风设计理论。