多层楼房式猪舍自动化通风与臭气净化系统的设计与应用

佘德勇 ，汪 雅 ，余道伦 ，刘 瑶 ，刘 琼 ，左瑞华 ，吴中红

（1.皖西学院，安徽 六安 237012；2.安徽国农数据科技有限公司，安徽 合肥 230088；3.中国农业大学，北京 100193）

楼房养猪作为规模化养猪生产的模式之一，在国外20世纪60年代就已出现。我国的楼房养猪早期多见于福建、浙江等地[1]。随着养殖业用地的越来越紧张，楼房式猪舍因其节约土地、集约化程度高、便于经营管理等优点[2]，被越来越多的养殖企业所采用。对于日渐增多的楼房养猪项目，尚有一系列亟待解决的问题，如通风系统的设计、物料的运送、猪只的流转、粪污的收集处理、生物安全防护与环境保护等环节的标准和规范等[3]。随着行业规划设计理念与技术的创新、自动化智能化设备的不断涌现，上述问题也都在逐步地得到改进。

文章主要针对当下主流的大跨度小单元楼房式猪舍，设计了一种通风与臭气净化相结合的新型工艺。夏季采用湿帘-风机模式，保证高效率通风降温[4-5]；冬季采用侧墙通风小窗-吊顶通风窗-变频风机模式[6-7]，将变频风机转速与舍内氨气浓度相关联，当因猪只呼吸导致氨气（NH3）浓度升高时[8]，加大变频风机转速，氨气浓度下降时，降低变频风机转速，在保证通风效果的同时确保最大程度减少舍内热量损失。在出风端，增加臭气净化处理工艺，利用过滤墙与生物降解相结合的技术[9]，将猪舍排出NH3、硫化氢（H2S）和其他臭味物质通过吸收过滤，有效降低排出气体的臭味[10-11]。同时整套工艺采用基于微处理器（ARM）的单片机智能化控制系统[12]，实现对整个通风系统的精准控制，节能降耗，能够实现养殖场整体效益的提升。

1 楼房式猪舍通风工艺设计

以浙江某集团下属一存栏10 400头育肥场为例，该场采用四层楼房式猪舍、全进全出大跨度小单元设计，每层存栏2 600头，占地面积3 516 m2。每层12单元，每单元存栏217头。

每单元舍长38 m，舍宽7.4 m，吊顶高为2.4 m，粪沟宽度为2.2 m，漏缝盖板宽2.4 m，粪沟深度为0.55 m；猪舍内设置一条人行通道、两列猪栏。各栏位内采用半漏缝地板，人行通道设置实心盖板（见图1）。在猪舍出风端，设置臭气过滤墙，过滤净化舍内污风。

图1 猪舍粪沟剖面图

2 猪舍通风相关参数计算与设备配置

每单元育肥猪头数N=217头，舍长为L=38 m，舍宽为W=7.4 m，吊顶高H=2.4 m，粪沟深度D=0.55 m；育肥猪每头冬季最小换气量为Vmin=10 m³/h。

因此可得：舍内换气体积V（m³）=L×W×（H+D）；V=840.79 m³。

猪舍夏季育肥猪换气次数为n=102次/h；

夏季猪舍每小时最大通风量 VS（m³/h）=n×V； VS=85 760 m³/h；

冬季猪舍每单元每小时最小 通 风 量VW（M³/h）=Vmin×N；VW=2 170 m³/h。

据此，每单元配置1 460 mm恒速风机2台（通风量45 000 m³/h），1 060 mm恒速风机1台（通风量28 000 m³/h），850 mm变 频 风 机1台（通风量22 000 m³/h），湿帘面积12 m2[13]。

本设计中（见图2、图3），楼房猪舍每单层公共走廊外侧墙上安装降温湿帘，公共走道内侧每个单元设百叶式通风窗，猪舍另一端侧墙安装恒速风机和变频风机（见图2、图4）。风机外墙设计1.3 m的外挑板（见图2），外设计护栏，护栏高度为1.2 m，作为刮粪机电机承台并用于后期人员风机设备安装维修（见图5）。

图2 多层楼房式猪舍单元剖面图

图3 多层楼房式猪舍湿帘墙立面图

图4 多层楼房式猪舍风机墙立面图

图5 多层楼房式猪舍立面图

3 臭气处理工艺设计

养猪场臭气物质包含NH3、H2S等无机物、挥发性脂肪酸、醇类、胺类、硫醇类以及含氮杂环化合物等有机化合物[14]，其中，NH3和H2S始终是臭气的主要组成成分[15-16]，通过在猪舍风机端加装过滤水帘（过滤墙）进行过滤除臭（见图6、图7）。过滤墙由滤料、水循环装置和控制装置组成。滤料由PP塑料注塑成型的球形材料，堆积于长方体金属框中形成过滤墙（见图8）。循环水中加入一定比例的生物菌剂（枯草芽孢杆菌、乳酸杆菌等），利用水吸附臭气中的NH3，用生物降解消除臭气中的H2S、挥发性脂肪酸、醇类等，可以有效降低猪舍排出气体中的臭味[9]。由于猪舍废气中的粉尘、颗粒物含量较高，容易聚集在过滤墙的滤料（PVC小球）中，因此对于过滤墙要定期用高压水枪进行冲洗，以保证过滤系统通畅。

图6 多层楼房式猪舍夏季臭气净化工艺图

图7 多层楼房式猪舍冬季臭气净化工艺图

图8 猪舍臭气净化设施工艺图

4 智能化控制系统的应用

文章中介绍的楼房式猪舍通风与臭气净化系统，功能较为复杂，控制精细化程度要求较高，必须辅之以智能化控制系统方能实现有效运转。控制系统采用STM8s103微处理器、温度传感器、湿度传感器、NH3传感器、风速传感器、压力传感器等共同组成控制系统的感知模块。控制模块采用STM32F407ARM处理器，uC/OS-II嵌入式实时操作系统。夏秋高温季节，实时读取各传感器传送的温度、湿度数据，根据设定的条件，通过控制定速风机、降温湿帘启停，调节舍内温度。冬春低温季节，降温湿帘关闭，侧墙通风小窗打开，系统根据舍内风压大小调节吊顶通风窗开口大小，根据舍内氨气浓度智能调节变频风机转速，以便确保猪舍内氨气浓度低于限制标准[16]。除臭湿帘设定夏季、冬季两种模式，设定不同参数，根据舍内风速大小调节循环水流量，并根据水质检测结果适时更新循环水。

5 讨论

5.1 楼房式猪舍通风系统

楼房式养猪舍近年来被越来越多的养殖业主尤其是土地资源紧张的南方丘陵山区业主所接受，但是一种新的模式需要成熟完善的配套工艺来支撑。其中包含环控、喂料、清粪、猪群流转等多个环节。文章中设计的冬夏两季不同的通风模式，夏季通风降温效率高；冬季室外冷空气进入室内时，经吊顶上方预热后方能通过吊顶通风窗进入猪舍[6]，可以有效降低猪只冷应激。

5.2 臭气净化系统

臭气净化系统的应用可以有效降低猪舍排出气体中的臭味物质，改善猪场外部空气环境，满足环保要求。但是也带来了建设成本增加的问题，系统的运转也增加了猪场的运行成本，循环水的使用和对过滤墙的冲洗液增加了猪场的污水量。由于猪场臭气净化系统还属于新生事物，净化的工艺除了文章中采用的工艺外，还有喷淋水帘模式、活性炭吸附模式、光氧催化剂模式等。但总体来说都还不够成熟，无论从处理效果还是设备造价等方面都有很大的改进和提高空间。

5.3 猪舍智能化环控

猪场各环节的智能化控制已经是大势所趋。文章中采用的智能化环控系统可以通过各类传感器采集数据，控制模块根据设定的程序智能调节各终端设备的运行。在冬春低温季节，利用氨气浓度关联变频风机转速，智能调节舍内通风，既能保证舍内空气质量，又能减少热量损失，节能降耗。根据舍内风压调节吊顶通风窗开合大小，能够合理控制舍内风速，减少猪只冷应激，提高生产效益[17]；根据舍内风速智能调节臭气过滤墙的循环水流量，既能保证臭气净化效果，又能节约水电，除臭的同时降低能耗。同时智能化设备还能够实现设备运行无人值守、故障实时报警，这样既能够减少人员成本，又能够及时排查设备故障，大大降低因设备故障导致的生产事故的可能性。而且随着智能化装备的日益成熟和广泛使用，其成本也已经大幅下降，这也使得养猪业走向智能化有了前提和保障。