加装大风量风机对夏季湿帘降温奶牛舍的防暑降温效果分析

陈昭辉，任方杰，于 桐，汤 漫，蒋瑞祥，刘继军，李树静，苏 昊

·农业生物环境与能源工程·

加装大风量风机对夏季湿帘降温奶牛舍的防暑降温效果分析

陈昭辉1，任方杰1，于 桐1，汤 漫1，蒋瑞祥1，刘继军1※，李树静2，苏 昊3

（1. 中国农业大学动物科技学院，北京 100193；2.石家庄天泉良种奶牛有限公司，石家庄 050227； 3.北京东石北美牧场科技有限公司，北京 100102）

低屋面横向通风（Low Profile Cross Ventilated，LPCV）牛舍在华北地区应用，引发高温高湿问题。为解决此问题，该研究选择石家庄某奶牛场的2 栋不同尺寸的LPCV牛舍，加装数量不同的轴流风机。结果表明：轴流风机的工作效率受牛舍跨度以及其安装位置的影响，30 m跨度牛舍运行更稳定，风速不均匀系数小于0.20；在74 m跨度牛舍，南侧湿帘端的风机工作效率更高。舍内环境与奶牛生理指标评价表明：30 m跨度舍加装轴流风机后，过帘风速为2.17±0.20 m/s，提升45.6%，舍内卧栏处风速为1.95±0.85 m/s、提升10.8%，进风量增加418 339.09 m3/h，舍内平均温度为27.7±1.9 ℃，相对湿度下降9.2%、平均值为（75.9±6.6）%。74 m跨度舍过帘风速为1.96±0.20 m/s，卧栏处平均风速为1.62±0.91 m/s，进风量为1 008 568.80 m3/h，平均温度为27.7±1.8 ℃，舍内平均相对湿度为（74.6±5.8）%；二栋牛舍内平均温度、相对湿度、奶牛呼吸频率与皮肤温度在加装轴流风机后无显著性差异（>0.05）。综上，加装轴流风机可以显著改善舍内环境，并创造有利于奶牛生存的环境。

温度；通风；风机；低屋面横向通风；奶牛舍；热环境；热应激；优化

0 引 言

低屋面横向通风（Low Profile Cross Ventilated，LPCV）牛舍具有节约占地面积，缩短挤奶厅与牛舍间的距离的特点。Lobeck等的研究表明，只有当舍内奶牛饲养密度大于7.4 m2/头时，有害气体浓度才会超过限定值[1]。华北地区属于暖温带大陆季风气候区，每年7－8月份以闷热少雨天气为主，相对湿度在52%～82%[2]。舍外相对湿度大，影响湿帘冷风机等焓降温效果，在舍外温度36.2 ℃，相对湿度55%的条件下，LPCV牛舍舍内温度降低7.7 ℃，相对湿度近于饱和[3]。高湿环境会使奶牛热应激反应加剧[4]。持续热应激导致奶牛死亡率的上升、乳品质下降以及产奶量下降[5]。

LPCV牛舍本身还存在着两侧风速高、中部风速低的问题，这与舍内障碍物导致气流动量损失以及气流方向的偏移有关。如饲喂挡墙以及奶牛本身都会对气流的前进方向产生影响，使其发生向上的偏移，容易导致卧栏处风速低、环境不适宜，导致卧栏利用效率低。Zhou等的研究表明，在舍内奶牛躺卧处加装导流板可以显著提高奶牛躺卧区域风速并降低ETIC（Equivalent Temperature Index for Cattle）值[6]；CFD模拟结果表明加装导流板可以使温度与气流场的分布均匀性显著提高[7]。但是，加装导流板后LPCV牛舍的通风阻力呈增加趋势[8]，不利于风速与风量的提升，并会降低负压风机的效率，因此不能完全解决舍内气流分布不均以及风速低的问题。

低压大流量轴流风机具有风量大、气流稳定、耗能低的优点，被广泛应用于农业生产之中。目前关于轴流风机性能改良的研究较多而关于其在生产中的应用方式与效果的研究较少。如丁涛等的研究发现，加装一定长度的导流罩可以有效抑制叶顶泄漏涡的发展，增大风机风量[9]，盛晓茜等的研究发现，加装导流板可以增加风机流场的均匀度，减小风机出口处的风压[10]。若要将轴流风机应用于LPCV牛舍内部，则需解决2个问题。首先，轴流风机最佳工作静压范围较窄，当偏离额定工况时风机工作效率下降[11]。在实际生产中，采用改变转速或改变投入运行的风机数量的方式保证轴流风机的工作效率与流量[12]。其次，LPCV牛舍内环境情况较为复杂，一方面有负压通风所形成的舍内横向气流，一方面舍内设施的存在会对气流的运动方向造成影响，使气流的动量损失。因此，如若在舍内加装轴流风机，必须根据舍内横向的气流运动规律，确定安装位置与安装角度。

为改善夏季中国华北地区的LPCV牛舍舍内高温高湿的环境状况，并且解决牛舍环境均匀度差的问题，在牛舍内增设低压大流量轴流风机，比较增加设备前后同一牛舍内环境与奶牛生理状况的变化，评价轴流风机用于大跨度LPCV牛舍时，舍内的风速分布均匀度以及对奶牛的影响，为改良LPCV牛舍并促进其在华北地区的实际应用提供解决方案。

1 材料与方法

1.1 试验牛舍的选择与基本情况

选择河北省石家庄市天泉良种奶牛有限公司的2栋东西走向、砌体结构、彩钢板双坡屋顶、湿帘-风机横向通风模式、尺寸不同的LPCV牛舍。1号舍建筑尺寸为75.0 m×30.0 m×4.2 m，4列卧栏、5列走道。2号舍建筑尺寸为60.0 m×74.0 m×4.2 m，9列卧栏、11列走道。2栋舍的饲养管理制度相同，均采用TMR（Total Mixed Rations）饲喂。5:00、12:00、18:00和24:00集中挤奶。清粪方式均为刮粪板清粪，每日清粪5～6次。

1号舍内每2 列卧栏中间有通长导流板，下沿距离地面2.2 m。舍北墙有上下2排负压风机，共25台。南墙有尺寸为68.0 m×2.5 m×0.15 m的湿帘，湿帘距地1.1 m，设计过帘风速为2.5 m/s。2号舍内，湿帘端第1列卧栏上方有通长导流板，其余每2列卧栏中间有通长导流板，下沿距离地面2.2 m。舍北墙有上下2 排负压风机，共40 台。南墙安装有尺寸为53.0 m×2.7 m×0.15 m的湿帘。湿帘距地0.8 m，设计过帘风速为2.5 m/s。2栋舍北墙的负压风机型号均为Munters EM50。

1.2 舍内轴流风机选型、安装及牛舍通风量的计算

根据LPCV牛舍空气流场模拟结果[13]，与预试验实测结果，在1号舍第1、2列卧栏上方导流板的背风侧，加装12 台赛科龙风机。在2号舍的第2、3列与第6、7列卧栏上方导流板的背风侧，各加装9 台赛科龙风机，共18台。轴流风机安装在舍内，布置如图1所示。本试验中的轴流风机采用皮带传动的驱动方式，扇叶直径1 830 mm，额定功率2 237.1 W，最大风量8 600 0 m³/h，风机装备6块导流板，用于定向气流。

LPCV牛舍通风量应根据换气率确定。根据CFD模拟结果与实测结果，推荐夏季换气率为60 s[14-16]。夏季理论推荐通风量的计算式为式（1）。由于本试验中牛舍的风机端泌乳通道总保持敞开，实际排风量无法准确计算，故实际通风量按照湿帘端进风量计算，进风量的计算式如式（2）。

0=3 600/air（1）

=进=3 600p·p（2）

式中0为夏季推荐通风量，m3/h；为牛舍体积，m3；air为牛舍换气率，s；为实际通风量，m3/h；进为通过湿帘的进风量，m3/h；p为湿帘面积，m2；p为过帘风速，m/s。

注：表示轴流风机，●表示牛舍内环境指标测点。

Note:represents axial flow fan, ●represents measuring points of environmental indicators in cowshed.

图1 牛舍内环境指标测点平面布置

Fig.1 Plan arrangement of measuring points in cowshed

1.3 试验周期与试验分组

试验周期分别为2017-07-12至2017-07-20，2019-07-17至2019-07-28。2017年夏季试验期间，1号舍舍内饲养128 头荷斯坦奶牛，未在舍内加装轴流风机，用NAFF1（No AxialFlowFan 1）表示。2019年夏季试验期间，1号舍内饲养144 头荷斯坦奶牛，已加装轴流风机，用AFF1（AxialFlowFan 1）表示；2号舍内饲养220 头荷斯坦奶牛，已加装轴流风机，用AFF2（AxialFlowFan 2）表示。本试验为探究加装轴流风机前后对LPCV牛舍内环境的影响，将处理组NAFF1与AFF1的卧栏处风速及相关环境指标进行比较分析；为探究轴流风机应用于大跨度牛舍时对舍内环境均匀度的影响，单独对处理组AFF2内不同卧栏处的风速及相关环境指标进行比较分析。

1.4 试验方法

1.4.1 LPCV舍环境指标测定

测定指标包括温度、相对湿度、氨气浓度、二氧化碳浓度、舍内风速、湿帘端过帘风速。使用手持温湿度计（型号TES-625，精度±0.3 ℃，±2% RH）在1.2 m高度处手持测定温度、相对湿度，舍内CO2浓度测定采用CO2检测仪（型号TES-1370，精度为±50 mg/L）， NH3测定采用NH3检测仪（SZ-JSA8-NH3，精度为≤±3%）。风速的测定采用热敏式风速仪（型号 MODEL6004，精度为±0.1 m/s），舍内风速测点的高度为1.2 m，环境指标的测定时间均为每日3 次（8:00、14:00、20:00）。舍内测点布置如图1所示。

1.4.2 温湿度指数与奶牛等温指数

温湿度指数（Temperature Humidity Index, THI），是综合温度与相对湿度评价热环境的指标，式（3）为THI指数的计算式[17-19]。本试验利用THI指数分析评价不同时间牛舍内的热环境状况。分析加装轴流风机前后舍内THI指数的变化趋势，以及加装轴流风机的不同尺寸的牛舍内THI指数的变化趋势。

THI=(1.8a+32)−(0.55−0.0055RH)×(1.8a−26)（3）

式中a为室内温度，℃；RH为室内相对湿度，%。

奶牛等温指数（Equivalent Temperature Index for Cattle，ETIC）是综合考虑温度、相对湿度、风速与太阳辐射对奶牛影响的热环境指标[18]。其中太阳辐射对于家畜的影响主要分为太阳直接辐射、散射辐射与地面的反射[19]，本试验中，LPCV牛舍运行过程中保持全封闭的状态，每日仅在正常的饲养管理安排下，东西两侧的卷帘才部分打开，太阳直接辐射、散射辐射量可忽略不计。此外，仅在户外散养状态下地面作为辐射源加以考虑[20]。太阳辐射对于舍内奶牛的影响主要体现在围护结构外表面吸收太阳辐射热量，经传热作用后间接影响舍内空气温度[12]。故不考虑太阳辐射量直接对奶牛的影响。式（5）为ETIC指数的计算式。利用ETIC指数评价奶牛卧栏上的热环境状况。分析比较加装轴流风机前后同一卧栏上ETIC值的差异，以及同一牛舍内不同卧栏间ETIC值的差异。

ETIC=a+rh+u+rad（4）

ETIC=a−0.003 8a(100−RH)−0.117 30.707(39.2−a)+

0.000 186a·sr （5）

式中rh为相对湿度等效空气温度，℃；u为室内风速等效空气温度，℃；rad为太阳辐射等效空气温度，℃；为风速，m/s；sr为太阳辐射量，W/m2。

1.4.3 生理指标指标测定

试验期间，每日1 号舍随机选取20头牛，2号舍选取30头牛测定体温和呼吸频率。

1.4.4 轴流风机工作效率测定

由于射流出口温度与室内空气温度的差值极小，阿基米德数||＜0.001，故忽略射流弯曲，射流方向为设计的风机送风方向（与水平地面呈30°夹角）。选取风机射流方向上距出口断面3.0 m (A)、4.5 m (B)、6.0 m (C)共3个风速测定平面，测定高度分别为2.0、1.3、0.5 m；每个测定平面内取3个测点，分别为A1～A3、B1～B3、C1～C3，其中A2、B2、C2为射流轴心速度测点，同一平面内测点间隔均为1.0 m。对测定平面的平均风速以及各个平面的射流轴心风速进行统计分析，将实测风速与标准测试条件下（无外接因素干扰，压头接近于无压），风机运行产生的风速进行比较，评价风机的运行情况。轴流风机的测点分布如图2所示。1 号舍共选取4 部互不相邻的轴流风机；2号舍每列选取5 部互不相邻的轴流风机，共10部进行试验测定。测定时间为每日8:00、14:00、20:00。

为评价沿风机射流轴向方向上的气流场均匀性，参照民用建筑的气流分布性能的评价标准，引入气体不均匀系数h[21]，h越小，气流分布越均匀，即流场均匀性越好。

式中v为第个测点的气流速度，m/s；为测点数；v为与风机轴心距离为的平面上的平均气流速度，m/s。

1.4.5 统计与分析方法

采用 SPSS Statistics 17.0和Excel软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 轴流风机工作效率评价

对2栋舍共3排轴流风机的射流轴心风速进行单因素方差分析与多重比较，所得结果如图3a所示。1号舍与2 号舍的2排风机在平面A处，轴心风速分别为2.11、2.55、2.23 m/s；平面B处，轴心风速分别为2.00、2.04、1.83 m/s；平面C处，轴心风速分别为1.66、1.83、1.46 m/s；平面A至平面C，轴心风速分别衰减21.3%、28.2%、34.5%。3个测定平面均表现出2号舍第2、3列卧栏处轴心风速最高的规律，其中平面A、平面C处的方差分析结果表现出显著性差异（＜0.05）。在标准测试条件下，平面A与平面C的平面平均风速分别为3.67和3.45 m/s，对比标准测试条件下的测试结果可知，在本试验条件下，射流核心区域衰减较快，在距牛舍地面2.0 m高度处射流已经进入主体段，射流扩散作用强，对周围空气的引流作用强。

对2栋舍共3 排轴流风机的平面平均风速进行单因素方差分析与多重比较，所得结果如图3b所示。1号舍与2 号舍的2排风机在平面A处，平面平均风速分别为1.66、1.46、1.21 m/s；平面B处，平面平均风速分别为1.61、1.17、1.03 m/s；平面C处，平面平均风速分别为1.24、1.00、0.91 m/s；平面A至平面C，平面风速分别衰减25.3%、31.5%、24.8%。本试验条件下，1号舍内轴流风机的射流断面平均风速相当于标准测试条件下，距出口断面30 m处的平面平均风速，即1.72 m/s。对于平面平均风速的分析结果表明，各平面内，1号舍内轴流风机的平均风速均显著高于其他2排机风速（＜0.05）；2号舍第6、7列卧栏处平面平均风速最低，并在平面A处显著低于第2、3列卧栏处风机风速（＜0.05）。

为评价沿风机射流轴向方向上的气流场均匀性，对距风机轴心不同水平距离的3个截面（−1.0、0、1.0 m）内的风速不均匀系数进行单因素方差分析与多重比较，所得结果如图3c所示。1号舍与2 号舍的2排风机在−1.0 m截面处，不均匀系数分别为0.13、0.25、0.11，在0截面处，不均匀系数分别为0.20、0.33、0.17，在1.0 m截面处，不均匀系数分别为0.17、0.19、0.11。各平面均表现出2 号舍第2、3列卧栏处射流不均匀系数最高的规律，其中在−1.0 m、0截面处2 号舍第2、3列卧栏处射流不均匀系数显著高于其他2排风机（＜0.05）。此外，3排风机均表现出轴心区域（0 截面）不均匀系数最大，而两侧较小的规律。

2号舍6、7列卧栏处风机的不均匀系数较低，因为其射流风速一直处于相对最低的状态。2号舍6、7列卧栏处风机的各平面的轴心风速与平面风速均最低，这说明轴流风机的安装位置会影响其工作效率。轴流风机具有流量大、压力低的特点，其最高效率点出现在压头接近无压自由排出的状态，当其安装在舍中部时，由于压降的升高会导致风机射流的出流速度降低[21]，而湍流动能的增大，则会导致流体的动量损失增大[22]。

2.2 LPCV牛舍环境评价

将2017-07-12至2017-07-20，2019-07-17至2019-07-28的舍外温度与相对湿度进行分析比较。2017年试验期间，舍外平均温度为（31.1±3.25）℃，2019年为（33.3±4.15）℃，两者没有显著性差异（＞0.05）。2017年试验期间，舍外平均相对湿度为（60.57±12.1）%，2019年为（56.7±16.9）%，两者没有显著性差异（＞0.05）。在此条件下，对LPCV牛舍内环境指标进行分析评价。

2.2.1 舍内风速分布与通风量

统计试验期间奶牛卧栏上风速。比较1号舍相同卧栏处，加装轴流风机前与加装后的风速差异，结果列于表1。处理组NAFF1、AFF1的卧栏处日平均风速分别为（1.76±0.70）和（1.95±0.85）m/s。1号舍内从湿帘端至风机端，卧栏上风速呈升高的规律。加装轴流风机后，1号舍的4 列卧栏上的风速均有提高，其中8:00、20:00时，处理组AFF1的3、4列卧栏处风速显著高于处理组NAFF1（＜0.05），卧栏处风速提升10.8%。

表1 1 号舍奶牛卧栏处风速

注：表中NAFF1表示未加装轴流风机的1号舍，AFF1表示加装轴流风机的1 号舍；表中数据为平均值±标准差。不同小写字母表示处理组间数据差异显著（＜0.05），下同。

Note: In the table, NAFF1 represents cowshed 1 without axial fan, AFF1 represents cowshed 1 with axial fan; Data in the table are mean ± standard deviation. Different lowercase indicates significant difference between treatments at 0.05 level, the same as below.

统计试验期间奶牛卧栏上风速。比较2号舍各卧栏处风速的差异并进行单因素方差分析与多重比较。结果列于表2。2号舍的卧栏处日平均风速为（1.62±0.91）m/s。2号舍从湿帘端至风机端，卧栏上风速呈先上升后下降再上升的波浪形分布规律。加装了轴流风机的第2、3列与6、7列卧栏处风速均相对上升，即第2、3列卧栏处风速大于第1、4、5列处风速，第6、7列卧栏处风速大于第4、5列处风速。其中，各时刻第2、3列卧栏处风速均显著高于第1列卧栏处风速（＜0.05）；第6、7卧栏处风速高于第4、5列卧栏处风速，20:00时呈现显著性差异（＜0.05）；第4、5列卧栏处风速较2、3列卧栏处风速下降，且8:00、20:00时呈显著性差异（＜0.05）。此外，由于第8、9列卧栏靠近负压风机，使得其风速相较于第6、7列卧栏处风速上升，且8:00、20:00时表现为显著性上升（＜0.05），这与1号舍内呈现的规律相同。

表2 加装风机2 号舍奶牛卧栏处风速

注：表中AFF2表示加装轴流风机的2号舍；同一列中，不同小写字母表示处理组间数据差异显著（＜0.05），下同。

Note: In the table, AFF2 represents cowshed 2 with axial fan, the same as below; In the same column, different lowercase letters indicates significant difference between the treatments at 0.05 level, the same below.

通风量的计算结果如表3所示。2栋舍的过帘风速均未达到设计过帘风速2.5 m/s。处理组AFF2与AFF1的过帘风速均显著大于处理组NAFF1（＜0.05）。处理组NAFF1与AFF1的进风量均大于推荐通风量的最大值，加装轴流风机后，1号舍舍内进风量提升418 339.09 m3/h。2号舍进风量为1 008 568.80 m3/h，大于推荐通风量的最低值，但小于最大值。2号舍进风量偏小与2号舍设计不当有关。2号舍面积与所需通风量大于1号舍，但湿帘面积小于1号舍。过小的湿帘面积限制了2号舍的进风量。1号舍在加装轴流风机前，进风量远大于推荐通风量的最大值，但舍内空气流速仍然较低，这是因为在高通风量的情况下，LPCV牛舍的通风阻力呈增加趋势，每当气流通过导流板，通风阻力就会增大[8]，通风阻力增大导致了流体的能量损失，即导致流速的降低。1号舍在加装轴流风机后，舍内卧栏处风速提升，湿帘端过帘风速显著提升45.6%（＜0.05），进风量增加。这说明加装轴流风机，在提升了舍内空气流速的同时，牛舍的通风换气量也显著提升,而通风换气量的提升得益于轴流风机运转形成的紊动淹没射流对周围空气的扰动与引流作用，这还有利于增大湿帘的降温效率[23]。

表3 通风量

2.2.2 舍内平均空气温度与平均相对湿度

对各时段，处理组NAFF1、AFF1、AFF2的舍内空气温度、空气相对湿度进行单因素方差分析与多重比较。所得结果列于表4。处理组NAFF1、AFF1、AFF2的舍内日平均温度分为（27.4±2.1）、（27.7±1.9）、（27.7±1.8）℃。各时刻舍内平均温度均表现为处理组AFF2＞AFF1＞NAFF1的规律，处理组NAFF1与处理组AFF1的舍内平均温度均没有显著性差异，8:00时处理组AFF2的舍内平均温度显著高于处理组NAFF1、AFF1（＜0.05）。处理组NAFF1、AFF1、AFF2的舍内日平均相对湿度分别为（83.6±6.0）%、（75.9±6.6）%、（74.6±5.8）%。1号舍加装轴流风机后，平均相对湿度下降9.2%。舍内平均相对湿度均表现为处理组NAFF1＞AFF1＞AFF2的规律，处理组NAFF1舍内平均相对湿度均显著高于处理组AFF1、AFF2（＜0.05）。仅8:00时处理组AFF1的舍内平均相对湿度显著高于处理组AFF2（＜0.05），14:00与20:00时2组的平均相对湿度基本相同。

表4 舍内温度与相对湿度

2.2.3 THI指标评价

1号舍内THI指数横向分布情况如图4所示。NAFF1组8:00、14:00、20:00的平均THI分别为76.45±1.62、81.86±2.60、79.13±3.28，日平均THI为79.21±3.60。AFF1组8:00、14:00、20:00的平均THI分别为76.66±2.82、80.85±1.68、78.03±2.45，日平均THI为78.70±2.43。8:00时刻，舍内各测点的THI指数呈处理组AFF1＞NAFF1的规律，但未呈现显著性差异（＞0.05）。14:00时刻，除测点A处，处理组AFF1的THI指数略高于处理组NAFF1，其余各点均呈现处理组NAFF1＞AFF1的规律，且未呈现显著性差异（＞0.05）。20:00时刻，舍内各测点的THI指数呈处理组NAFF1＞AFF1的规律，同样未呈现显著性差异（＞0.05）。NAFF1组从湿帘端（测点A）至风机端（测点F）THI指数有明显上升的趋势，8:00、14:00、20:00的增加量分别为1.31、1.57、0.82。AFF1组从湿帘端（测点A）至风机端（测点F）THI指数有明显下降的趋势，8:00、14:00、20:00的减少量分别为0.87、0.80、0.98。

2号舍内THI指数横向分布情况如图5所示。8:00、14:00、20:00的平均THI分别为77.92±1.66、80.61±1.93、77.04±2.43，日平均THI为78.47±2.47。14:00时各测点的THI指数显著高于8:00与20:00（＜0.05）。2号舍内THI指数分布从湿帘端（测点A）至风机端（测点F）呈明显下降的趋势，8:00、14:00、20:00的减少量分别为0.72、1.76、1.71。2号舍内THI值横向分布表现为卧栏测点处（B、C、E、G、I）均波动下降，饲喂走道测点处（A、D、F、H、J）均波动上升。

当72≤THI＜79时，奶牛处于轻度热应激，当79＜THI≤88时，奶牛处于中度热应激，当88＜THI≤99时，奶牛处于重度热应激[24]。本试验中，各测点的平均THI最大值为82.39±3.28，LPCV牛舍中没有出现导致奶牛严重热应激的极端情况。处理组NAFF1的舍内THI值沿气流方向，平均每米长度上升0.05，这与邓书辉等的CFD模拟结果，舍内THI值沿气流方向平均每米长度增加0.03相似[25]。处理组AFF1、AFF2的舍内THI值沿气流方向，平均每米长度下降0.03、0.02。加装轴流风机使得舍内THI值沿气流方向的变化趋势改变，改善环境作用效果非常明显。

2.2.4 ETIC指标评价

分析比较1 号舍在装备轴流风机前后，相同卧栏处ETIC值的大小，判断加装轴流风机对于舍内环境的影响。所得结果列于表5。处理组NAFF1、AFF1卧栏处日平均ETIC值分别为24.64±2.09、22.71±1.55 ℃。加装轴流风机后，1号舍各列卧栏的ETIC指数均降低。其中8:00、14:00时第1、2列卧栏处ETIC值极显著低于加装前（<0.01）；14:00时第3、4列卧栏处ETIC值极显著低于加装前（<0.01），20:00时显著低于加装前（<0.05）。

表5 1 号舍奶牛卧栏处ETIC指标

注：不同大写字母表示处理间数据差异极显著（<0.01），下同。

Note: Different uppercase indicate significant and remarkable difference between treatments (<0.01), the same as below.

ETIC值与THI值呈正相关关系（2=0.993 2），当18 ℃≤ETIC＜20 ℃时，奶牛处于轻度热应激，当20 ℃≤ETIC＜25 ℃时，奶牛处于中度热应激，当25 ℃≤ETIC＜31 ℃时，奶牛处于重度热应激[26]。处理组NAFF1除8:00时卧栏上ETIC小于25 ℃，其余各时刻ETIC均大于25 ℃，说明奶牛已经处于重度热应激的环境下，而加装轴流风机后，处理组AFF1的4 列卧栏处ETIC值均显著降低（＜0.05）且均小于25 ℃。这说明加装轴流风机对于改善奶牛躺卧区域环境状况效果显著。本试验中对于奶牛皮肤温度的统计分析也呈现了相同的结果。这与Wang等试验中的结论，ETIC指数可以用来解释79%的皮肤温度变化的原因相符[18]。

将2号舍内每列卧栏处ETIC值的大小进行单因素方差分析与多重比较，判断不同栏位间的环境差异。所得结果列于表6。处理组AFF2卧栏处日平均ETIC值为22.03±1.39 ℃。14:00时，第8、9列卧栏处ETIC值显著低于第1列与第4、5列测点处的值（＜0.05）。各时刻饲喂走道两侧卧栏处ETIC值均没有显著性差异，两侧卧栏处ETIC值的差值的最大值分别为0.63、0.82、0.63 ℃。此外，不同时刻的ETIC值在2 号舍内的变化趋势整体相似，均呈现先降低再升高后降低的趋势，并且各时刻在加装了轴流风机的第2、3列与第6、7列卧栏处ETIC值均表现出了下降趋势，而第4、5列卧栏处ETIC值均大于第2、3、6、7、8、9列处的值。

表6 2 号舍奶牛卧栏处ETIC指标

2.2.5 有害气体浓度评价

对各时段，处理组NAFF1、AFF1、AFF2的有害气体浓度进行单因素方差分析与多重比较。所得结果列于表7。试验期间，各时刻的NH3质量浓度分析结果呈相同趋势，均为处理组AFF2的NH3质量浓度极显著高于处理组NAFF1与AFF1（＜0.01）。各时刻的CO2质量分析结果也呈相同趋势，处理组NAFF1、AFF1与AFF2两两之间均呈现极显著差异（＜0.01）。并且各时刻均表现为，处理组NAFF1的CO2质量浓度最高，处理组AFF1的CO2质量浓度最低。试验中3种处理组的CO2与NH3的质量浓度均远低于国家标准规定的最高限度，舍内空气质量良好[27]。

表7 NH3与CO2的质量浓度

2.3 奶牛生理指标分析

对各时段，处理组NAFF1、AFF1、AFF2的奶牛皮肤温度与呼吸频率，进行单因素方差分析与多重比较。所得结果列于表8。呼吸频率的比较分析结果，由高到底依次为处理组NAFF1、AFF1、AFF2，但各时刻的呼吸频率均未表现显著性差异（＞0.05）。各时刻处理组NAFF1的奶牛皮肤温度极显著高于处理组AFF1与AFF2（＜0.01）。

表8 奶牛皮肤温度与呼吸频率

3 讨 论

3.1 风速分析

对于轴流风机工作性能的讨论主要关注其实际工作效率情况。1号舍内轴流风机在各平面处平均风速最高，并且其射流衰减速度与不均匀系数远低于2号舍第2、3列卧栏处风机，这说明轴流风机在小尺寸的LPCV牛舍内工作效率更稳定，效果更显著。2栋舍内3排风机的射流不均匀系数均表现为轴心区域最大，而两侧较小的规律，这与丁涛等的试验结果相同[28]。而3个处理组中，处理组AFF2的卧栏处日平均风速最低，仅为1.62 m/s，也说明了2号舍由于跨度更大饲养奶牛头数更多，而有着比1号舍更大的通风阻力。所以，轴流风机的工作效率受牛舍跨度以及其安装位置的影响,在大跨度LPCV牛舍，安装位置靠近湿帘端的风机工作效率更高。

1号舍、2号舍均表现出靠近风机端的卧栏处风速高于湿帘端，并且在加装轴流风机后，风机端卧栏处风速提升更加显著。FLUENT软件模拟结果同样显示出了靠近风机端卧栏处风速高于湿帘端的结果[29]，与本试验一致。2 号舍内卧栏处风速分布表现出两端大，中间小的规律。在第4、5列卧栏处即第2 列饲喂走道的背风侧，风速降至最低。这一方面是因为畜舍中部存在较强的紊流导致风速下降；另一方是因为来风侧的空气在遇到饲喂挡墙后发生向上的偏转，高风速区域的上移导致测定高度处风速较低。邓书辉等的试验中表现出了相同的结果，即牛舍横断面上气流的高速区域呈波浪形分布，饲喂走道来风侧的风速总是更高[4]。所以，加装轴流风机后并没有显著改善LPCV牛舍存在的风速分布不均的问题。研究表明，风速分布不均与舍内饲喂挡墙与挡风板的同时设置有关，分别设置则不会造成影响[30]。对此类LPCV牛舍进行改造，可以改变导流板的安装角度。当导流板与通风垂直断面的夹角增大时，牛舍换气率与空气不均匀系数均降低，而风速则表现为先增大后减小[4]，吕洁等的研究表明，当导流板与通风垂直断面的夹角为60°时，牛舍中气流分布最均匀[31]，但若要获得最高的风速，则应适当减小导流板与垂直断面的夹角。

3.2 舍内环境分析

舍内空气温度与相对湿度的分析结果表明，处理组NAFF1表现为非常严重的高温高湿环境状况，舍内各时刻最高平均相对湿度达到92.5%。这说明利用横向湿帘通风系统进行等焓降温，已经达到了极限。即当湿度过大时，仅利用湿帘冷风机系统已经无法继续改善舍内热环境状况。研究表明，相对湿度为50%～70%的环境下奶牛感到舒适[32]，而处理组NAFF的舍内日平均相对湿度已达到83.6%。在张瑞华等的研究中，在上海地区利用湿帘冷风机降温，降温幅度达到3.01 ℃时，舍内日平均空气相对湿度已达到88.17%[33]。在陈昭辉等的研究中，安装吊顶改善湿帘降温牛舍内环境后，舍内日平均空气相对湿度仍达到了81.7%[34]。而本试验中，处理组AFF1、AFF2舍内日平均空气相对湿度仅为75.9%、74.6%。本试验中较低的舍内空气相对湿度得益于牛舍通风量与换气次数的提升，加装轴流风机后1号舍换气次数提升至6.75次/min，2号舍提升至4.99 次/min。高空气流通量带走了舍内的水蒸气，使得舍内空气相对湿度下降。因此，加装轴流风机后显著降低舍内相对湿度（<0.05），有效改善了舍内热环境，避免奶牛长期处于高温高湿的环境中。

加装轴流风机使得舍内THI值沿气流方向的变化趋势改变，此外，本试验中的3个不同处理组，日平均THI值呈处理组NAFF1>AFF1>AFF2的规律，这同样说明加装轴流风机后，改善了舍内热环境的高湿高热状况，减缓了奶牛热应激。然而，加装轴流风机后并没有显著改善LPCV牛舍内风速分布不均的问题，饲喂走道两侧的ETIC值并没表现显著性差异，且差值小于1 ℃。这说明加装轴流风机可以在改善舍内热应激环境的同时，并不会导致舍内环境分布不均匀，而对奶牛造成影响。

本试验中3种处理组舍内的有害气体浓度均远低于自然通风的牛舍。跟据Harner等的研究表明，LPCV牛舍的有害气体排放以含N气体为主[36]，与本试验结果相符。陈昭辉等的研究表明，负压通风牛舍内NH3质量浓度与相对湿度呈显著正相关关系[36]，本试验中处理组NAFF1的舍内NH3质量浓度高于处理组AFF1，但并没有显著性差异。然而，本试验中，各时刻处理组AFF2的NH3浓度均极显著大于处理组NAFF1与AFF1（<0.01）。这表明含N类有害气体浓度的多少主要与LPCV牛舍的面积大小以及饲养奶牛的数量有关，而LPCV牛舍容易积累N类有害气体的问题，没有通过加装轴流风机得到改善。CO2的浓度分析结果表明，加装轴流风机后可以极显著降低舍内CO2的含量（<0.01），但随着牛舍面积的增大与饲养奶牛数量的增多，CO2浓度仍呈增大趋势，在本试验中表现为各时刻的CO2浓度处理组AFF2＞处理组AFF1。

3.3 奶牛生理指标分析

荷斯坦奶牛的呼吸频率随温度的升高而升高，在空气温度21～27 ℃时，急剧上升[37]。只有当THI>80时，高产奶牛的呼吸频率变化存在显著性差异[32]。本试验中，3个处理组各时刻呼吸频率没有显著性差异（>0.05），一方面因为THI值并没有显著性差异，一方面因为舍内空气温度没有显著性差异。但14:00时各处理组的奶牛呼吸频率均显著高于8:00、20:00（<0.05），这与平均温度在一天之中的变化规律相符。因此在舍内加装轴流风机并。不会导致奶牛呼吸频率的显著改变。

空气温度并不是影响奶牛皮肤温度的唯一因素，风速对皮肤温度的高低有着显著性影响[38]，而在热应激情况下，相对湿度则会对皮温会造成更大的影响[4]。所以，即使各时刻3 个处理组的舍内温度差异并不大，但相对湿度的显著性差异使得各时刻奶牛皮温都表现处极显著差异（<0.01）。

4 结 论

1）对于风机评价的结果表明，轴流风机的工作效率受牛舍跨度以及其安装位置的影响，1号舍内轴流风机轴心风速衰减最少，为21.3%，风速不均匀系数小于0.20；2号舍内，靠湿帘端的风机轴心风速与平面平均风速更高，但不均匀系数更大，射流场均匀性差。

2）1号舍加装轴流风机后，过帘风速提升45.6%；舍内卧栏处风速提升10.8%，进风量增加418 339.09 m3/h。2号舍湿帘端过帘风速为1.96±0.20 m/s，卧栏处平均风速为1.62±0.91 m/s，进风量为1 008 568.80 m3/h，满足夏季通风需求。

3）1号舍加装轴流风机后，平均相对湿度下降9.2%、为（75.9±6.6）%。2号舍内平均相对湿度为（74.6±5.8）%。加装轴流风机使得牛舍内THI值沿气流方向的变化趋势改变，改善舍内环境作用显著。

4）处理组NAFF1、AFF1、AFF2卧栏处日平均ETIC值分别为（24.64±2.09）、（22.71±1.55）、（22.03±1.39）℃，热应激环境状况改善明显。加装轴流风机后，奶牛呼吸频率降低、皮肤温度显著降低，加装轴流风机有利于创造适宜奶牛生存的环境。

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Analysis of ventilation and cooling effects of installing axial fans in wet curtain cooling dairy cattle barn

Chen Zhaohui1, Ren Fangjie1, Yu Tong1, Tang Man1, Jiang Ruixiang1, Liu Jijun1※,Li Shujing2, Su Hao3

(1. C,,100193,; 2.,050227,; 3.,100102,)

High temperature and humidity often occur in summer, since one type of dairy cattle barn, the low profile cross ventilated (LPCV) was introduced into North China. This study aims to evaluate the effect of axial flow fan applied in various sizes of LPCV dairy cattle barns, thereby improving the living environment of cattle. A field pre-test was carried out to verify the experimental simulation of air flow field. Low-pressure axial flow fans with large flow were installed at the leeward side of deflectors in two LPCV dairy cattle barns with different sizes. One axial flow fan was equipped with 6 deflectors, the blade diameter of 1 830 mm, the rated power of 2 237.1 W, and the maximum air volume of 86 000 m3/h. The results showed that the working efficiency of axial flow fans depended mainly on the installation position and the span of the cowshed. In the cowshed with a small span, the nonuniformity coefficient of wind speed was less than 0.20. In the cowshed with a large span, the higher working efficiency was achieved in the fans that were installed near the end of the wet curtain, although the nonuniform coefficient was larger with relatively low uniformity of jet field. In cowshed 1, the wind speed of the fan jet decreased by 25.3%, from plane A (3.0 m away from the pole) to plane C (6.0 m away from the pole). In cowshed 2, the wind speed of the fan jet at row 2 to 3 and row 6 to 7 decreased by 31.5% and 24.8%, respectively. An evaluation was obtained on the environmental conditions and physiological indexes of dairy cows after the installation of axial flow fans. In cowshed 1, the wind speed through the wet curtain was (2.17±0.20) m/s, increasing by 45.6%, while the wind speed at the stalls was (1.95±0.85) m/s, increasing by 10.8%, where the intake rate of air increased by 418 339.09 m3/h. In the cowshed, the average temperature was (27.7±1.9)℃, and the average relative humidity was (75.9 ± 6.6)%, decreasing by 9.2%CO2. The average respiratory rate and skin temperature of cows decreased significantly (<0.05). In cowshed 2, the wind speed through the wet curtain was (1.96 ± 0.20) m/s, while the average wind speed at the horizontal fence was (1.62±0.91) m/s, and the air intake rate was 1 008 568.80 m3/h, meeting the needs of ventilation and cooling in summer. In the cowshed, the average temperature was (27.7±1.8)℃, and the average relative humidity was (74.6±5.8)%. There was no significant difference in the average temperature, the average relative humidity, the respiratory rate, and skin temperature of dairy cows in cowshed 1 with axial flow fan (>0.05). Furthermore, the daily average equivalent temperature index for cattle (ETIC) values for the group no axial flow fan 1 (NAFF1), axial flow fan 1 (AFF1), and axial flow fan 2 (AFF2) were 24.64±2.09 ℃, 22.71±1.55 ℃ and 22.03±1.39 ℃, respectively. The temperature-humidity index (THI) value in the barns showed a downward trend from the end of the wet curtain to the fan end, after the installation of axial flow fans. The THI value in the treatment group of AFF1 and AFF2 decreased by 0.03 and 0.02 per meter along the airflow direction, opposite to that before installing the fan. The installation of an axial flow fan can significantly improve the barn environment for the better living of dairy cows.

temperature; ventilation; fan; low profile cross ventilated; dairy cattle barn; thermal environment; heat stress; optimization

陈昭辉，任方杰，于桐，等. 加装大风量风机对夏季湿帘降温奶牛舍的防暑降温效果分析[J]. 农业工程学报，2021，37(5)：198-208.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.023 http://www.tcsae.org

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2020-09-14

2021-01-23

政府间国际科技创新合作重点专项 SQ2019YFE011773；国家肉牛牦牛产业技术体系（CARS-37）

陈昭辉，副教授，研究方向为畜牧环境工程。Email：chenzhaohui@cau.edu.cn

刘继军，教授，研究方向为于畜牧环境工程。Email：liujijun@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.023

S823.9+1; S817.3

A

1002-6819(2021)-05-0198-11