禽舍降温系统研究综述

陈刚毅，丁力行，黄燕华，周广，陈振龙

（1. 仲恺农业工程学院机电工程学院，广州，510225；2. 岭南现代农业科学与技术广东省实验室）

0 引言

家禽具有繁殖力强、生长迅速、饲料转化率高、适应密集饲养等特点，能在较短的生产周期内以较低的成本生产出营养丰富的蛋、肉产品，是人类理想的动物蛋白食品来源［1］。目前我国家禽饲养规模大幅提升，据国家统计局公布数据2020年全国家禽出笼155.7亿只，禽肉产量2361万吨，禽蛋产量3468万吨；2019年我国蛋禽规模化养殖比高达78.1 %、肉禽规模化养殖比高达82.5 %。同时由于家禽业进入门槛低、投入少、周期短，许多农户选择养殖家禽作为主要营收手段，特别是部分贫困地区，将家禽养殖作为产业扶贫、农业发展的主导产业，为促进农民增收、打赢脱贫攻坚、发展县域经济发挥了重要作用［2］。

家禽养殖效益受多种因素影响，其中禽舍热环境会影响家禽成活率和生长发育［3］。 文献［4］指出当禽舍环境温度过高，会引起家禽热应激，具体表现为家禽体内热量散失困难、采食量下降、呼吸急促、精神萎靡，甚至会死亡。为了保证家禽健康生长，减少热应激反应带来的危害，目前主要措施是在禽舍内安装针对家禽舒适性的降温系统。

禽舍降温系统主要有两种：接触式热湿交换系统和表面式热湿交换系统。本文将围绕这两种降温系统展开综述，为今后禽舍选择降温系统提供参考。

1 接触式热湿交换系统

接触式热湿交换系统的运行方式是，与空气进行热湿交换的介质直接与空气接触。通常是使被处理的空气流过热湿交换介质表面、通过含有热湿交换介质的填料层或将热湿交换介质喷洒到空气中，形成具有各种分散度液滴的空间，使液滴与流过的空气直接接触。

当空气与介质直接接触时，可能仅发生显热交换，也可能既有显热交换又有湿交换，这取决于介质温度。假设空气状态点为A点，且与空气接触的介质足够多，接触时间足够久，那么随着介质温度不同，点A的状态可以达到图1五种空气状态，表1列举了这五种空气状态变化的过程特点。

图1 空气与介质直接接触时的状态变化过程

表1 空气与介质直接接触时各种过程的特点

接触式热湿交换系统有以下型式：

1.1 湿帘—风机降温系统

湿帘—风机降温系统主要由湿帘、水循环系统、负压风机以及控制装置组成。通常会在禽舍一端的墙壁或两侧墙壁设置进风口并安装湿帘，禽舍的另一侧安装负压风机。当湿帘—风机降温系统运作时，负压风机会让禽舍室内处于负压状态，此时室外空气会穿过安装了湿帘的进风口，并与湿帘的水接触，由于室外空气的水蒸气未达到饱和状态，湿帘的水会吸收室外空气的热量蒸发，这相当于对室外空气进行等焓降温处理。接着，温度降低的室外空气进入室内与环境换热，最后通过负压风机排出室外。其系统示意图如图2所示。

图2 湿帘—风机降温系统示意图

湿帘—风机降温系统是畜禽舍中使用最广泛的蒸发降温系统［5］。王美芝等［6］在北京地区对比了湿帘—风机系统和单纯风机系统的降温效果，结果表明湿帘—风机系统可以将舍内温度高于30.0 ℃的小时数占比从20.2 %降低为5.0 %。王阳等［7］探究西北地区纵墙湿帘山墙排风系统和传统纵向通风系统对蛋鸡舍内热环境的改善状况，结果表明安装纵墙湿帘山墙排风与传统纵向通风系统蛋鸡舍内温度最大波动幅度分别为2.7、10.3 ℃，但前者的经济投入成本是后者的1.6倍。Mohamed Saied Ghoname［8］对比了湿帘水流量分别为4.76、5.56、6.35L·(min·m2)-1时对蛋鸡舍热环境影响，结果显示4.76L·(min·m2)-1的水流量冷却效率最高。

影响湿帘—风机系统降温效果的主要因素是室外空气温、湿度和湿帘自身结构［9］。Chaoyuan Wang［10］用湿帘冷却效率公式评估湿帘系统的适用性，计算公式（2.1）如下：

其中：η——湿帘冷却效率（%）；

Tdb— —降温前空气干球温度（℃）；

Twb— —降温前空气湿球温度（℃）；

Ti— —降温后空气干球温度（℃）。

式中，Tdb-Twb为 室外空气的干、湿球温度差，是理论上湿帘系统所能提供的降温幅度最大值，而Tdb-Ti是 室外空气经过湿帘放热实际达到的降温幅度，η是蒸发降温实际效果与理论效果之比，其数值不大于1，室外空气越干燥，干、湿球温差越大，湿帘的降温效果越好。

湿帘—风机降温系统具有设备简单、造价便宜、能均匀地缓解舍内热环境的优点，但该系统要求禽舍构造为密闭式，气密性好，同时需要当地气候干燥、湿球温度低，才能有较高的降温效率，适合于如我国西北等干旱炎热的地区使用。

1.2 湿帘冷风机系统

湿帘冷风机系统主要由湿帘、水循环系统、轴流风机、风管、送风口、机壳以及控制装置组成。系统运作时，风机启动，机壳腔内产生负压，迫使室外未饱和空气流经湿帘与水分换热，降温后的空气以正压送风方式送入室内进行降温，该系统适用于开式、半开式的畜禽舍［11］。其系统示意图如图3所示。

图3 湿帘冷风机系统示意图

吴中红［12］分别使用湿帘冷风机系统模式与自然通风模式对比两者对畜禽舍环境的降温效果，在舍外日平均最高气温39.9 ℃，平均温度31.5 ℃、湿度85.6 %时，使用湿帘冷风机系统的试验舍和使用自然通风的对照舍日平均温度、日平均最高温度分别为27.7、29.6和30.2、32.5 ℃，湿度分别为87.5 %和82.5 %，结果表明湿帘冷风机系统的局部降温和风冷效果更好，可有效改善舍内热环境。Jonas Perin［13］发现使用传统的温控系统与湿帘冷风机—风管送风系统时猪的自愿饲量分别为每天4.8±0.2 kg、5.8±0.2 kg；减重百分比分别为5.3±0.9 %、2.2±0.9 %，结果证明生活在湿帘冷风机—风管送风系统下猪的生理状态优于传统温控系统下的状态。

湿帘冷风机系统能应用在敞开式的禽舍中，对建筑密闭性要求不高，而且可以通过设计风管、送风口的位置、工艺尺寸等因素，达到为畜禽精准送风的目的，降低舍内温度不均匀性。由于降温效果取决于空气湿球温度，因此该系统适用于环境干燥的地区，同时还要保证该地区有充足的水源供应，能满足系统运作。

1.3 喷雾降温系统

喷雾降温系统主要由水箱、水泵、过滤器、喷头和自动控制装置组成［14］，利用水泵将水箱里的水以一定速度从喷头喷射，由于水与喷头孔壁产生摩擦，致使水被挤拉成一条很细的丝，遇到空气阻力很快断裂成微小的环形水滴，形成的细雾滴，雾滴弥漫整个室内与空气混合，从而实现除尘、降温的目的［15］。其系统示意图如图4所示。

图4 喷雾降温系统示意图

国内外学者已对喷雾降温系统的应用展开相关研究［16-18］。娄中凯［19］通过建立数学模型研究雾蒸发冷却对室内环境调控的效果，结果显示空气温降和湿增程度随喷雾系数的增大而增加，喷雾系数每增加0.3 ‰，则温降大约增加1 k，相对湿度增加5 %左右；喷雾系数相同时，换气次数对空温降和湿增的影响较小，主要对温、湿度分布的均匀性产生影响。付胜勇等［20］研究了自动化喷雾对封闭式鸽舍的降温效果，结果显示，自动化喷雾降温处理可使舍内最高温度降低3 ℃，相对湿度增加10 %，极显著提高新生乳鸽14日龄体重，表明封闭式鸽舍应用自动化喷雾能显著改善鸽舍空气质量，提高种鸽生产性能。Yongguang Hu等［21］设计了由喷风机和喷雾系统组成的喷雾冷却系统，从现场试验结果表明，当初始环境温度为310.05 K-310.95 K时，喷雾冷却风扇的最大温度降为9.1 K，冷却距离约为36.0 m，温度降幅随着与风扇的距离增加而降低。

喷雾降温系统是直接把水雾喷洒到舍内与空气换热，具有降温速率快的特点，还能减少空气中悬浮的颗粒等污染物，净化空气。喷雾系统的使用有几点要求：1）产生的雾滴最好能在落在地面前完全蒸发，避免地面湿滑，滋生细菌；2）雾滴尽可能小，这样单位体积的表面积越大，越有利于增加与空气的接触面积，强化换热；3）喷雾系统使用的水源水质要好，杂质少，减少喷嘴堵塞可能性，降低系统维护成本。

2 表面式热湿交换系统

表面式热湿交换系统的运行方式是，与空气进行热湿交换的介质不与空气接触，二者之间的热湿交换是通过分隔壁面进行。假设空气与分隔壁面充分接触，接触时间足够长，那么空气的温度将达到分隔壁面的温度。根据分隔壁面温度不同，可以获得图5三种空气处理过程，表2列举这三种过程。当分隔壁面温度高于空气温度，壁面的空气将发生等湿加热过程；当分隔壁面温度低于空气温度，而高于空气露点温度，壁面的空气将发生等湿冷却过程；当分隔壁面温度低于空气露点温度，壁面的空气将发生减湿冷却过程。

图5 空气与介质间接接触时的状态变化过程

表2 空气与介质间接接触时各种过程的特点

表面式热湿交换系统根据冷量来源有以下型式：

2.1 地下水降温系统

地下水降温系统主要由水泵、热交换器、风机组成，工作原理是利用水泵把浅层地下水经管道抽吸到热交换器中，同时风机将禽舍室内热空气吸入热交换器，低温的浅层地下水通过管道壁和翅片吸收热空气的热量后经回水管道流进回流井；被吸去热量的热空气温度降低，由风机吹入室内，从而实现禽舍热环境降温的目的［22］。其系统示意图如图6所示。

图6 地下水降温系统示意图

提博宇等［23］研究地下水空调系统在开放式繁殖母兔舍的降温效果，实验数据显示使用地下水空调系统降温的试验舍兔笼内平均气温较不开地下水空调系统的对照舍低2.5～3.3 ℃，相对湿度高8%，结果表明在开放式兔舍中采用水空调系统进行局部降温，有助于缓解夏季妊娠或哺乳母兔的热应激。谢雨晴等［24］对比了地下水降温系统、湿帘—风机系统和民用制冷空调机组的运行成本，结果表明水空调降温、湿帘－风机降温、民用制冷空调降温的单位面积运行电费分别为0.017元、0.039元、0.157元，水空调降温的单位面积运行电费低于湿帘－风机降温和民用制冷空调降温。Hafiz M. U. Raza等［25］分别研究了空气直接接触水面的直接降温系统，和空气与水通过通道壁面传热的间接降温系统对家禽舍热环境的降温效果，结果表明，直接降温系统和间接降温系统最大温度梯度分别为9 ℃、6.5 ℃。

地下水降温系统运行成本低，系统设备运作简单，但初期建设成本高，需要挖掘出水井和回水井，土地使用面积大，同时该系统需要在地下水资源丰富的地理环境才能使用。

2.2 人工冷源降温系统

人工冷源降温系统主要由压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器组成，通过工质依次在压缩机压缩成高温高压气体，接着在冷凝器冷凝成高压液体，然后经过节流装置等焓降压成为低温低压液体后，流过蒸发器蒸发吸收环境热量，最后被吸入压缩机，完成一个工作循环。其系统示意图如图7所示。

图7 人工冷源降温系统示意图

贾静等［26］通过分析有窗密闭空调降温舍、有窗密闭舍和开放舍三种形式兔舍夏季舍内的温湿度指数和兔舍生产效益，来研究我国高温高湿地区兔舍制冷空调的降温效果和运行效益，结果表明：密闭空调舍、有窗密闭舍和开放舍的温湿度指数分别为28.2±1.4、31.9±1.5、31.8±1.4，即密闭空调舍的温湿度指数均显著低于密闭舍和开放舍，密闭空调舍的热环境适宜程度最高；经济分析是对比5～7月密闭空调舍和只开启风机的兔舍生产效益，计算结果为密闭空调舍每出栏一只商品兔收入23.90元，而开放舍每繁殖一只母兔没有收入，反而需要支出54.27元，说明夏季使用空调降温系统保证母兔正常繁殖，能够产生良好的经济效益，在管理水平较高的兔场，具有经济可行性。

人工冷源降温系统克服了对环境气候因素的依赖性，对热环境的调控能力强，适用范围广，系统运作稳定，但运行成本高，目前该系统尚未在农业领域内广发使用。

3 总结

本文针对家禽在高温环境下容易产生热应激反应，导致家禽生长性能下降，甚至死亡的问题，分别从接触式热湿交换系统、表面式热湿交换系统的工作原理和形式对目前禽舍已有的降温系统展开综述。经过上述讨论分析，得到以下结论，以期能够为今后禽舍降温系统的设计提供参考。

一、目前禽舍降温系统大多采用接触式热湿交换系统，主要型式有湿帘—风机降温系统、湿帘冷风机系统、喷雾降温系统。该类型的系统具有温、湿度调节能力，其降温效果受到室外空气温、湿度制约，适合在高温低湿地区使用。

二、湿帘—风机降温系统的冷却效果主要取决于室外空气温、湿度和湿帘自身结构，同时该型式对禽舍的密闭性有较高要求；湿帘冷风机系统用风机把室外空气引进湿帘降温，再送入舍内，适合在开式、半开式禽舍使用；喷雾降温系统适用范围广，降温效果显著，并具有降低空气粉尘浓度的功能，但该系统对喷雾水源的水质有较高要求。

三、表面式热湿交换系统大多是冷水与空气通过金属壁面进行换热，换热效果取决于冷水温度、流速、表面式换热器工艺等因素，主要型式有地下水降温系统和人工冷源降温系统。该类型的系统不会引起环境散湿量增加，当被处理的空气干球温度和水温不变时，空气湿球温度愈高，表面式热湿交换系统的冷却减湿能力愈大。

四、地下水降温系统建设成本高，但日常运作成本低，设备安装维护方便，该系统需要在有丰富地下水资源的地区使用；人工冷源降温系统对温度控制的精度高，同时还具有空气除湿、净化等功能，拥有对室内空气质量控制强的优点，但该系统存在运行成本高昂、设备复杂等缺点，在畜禽舍内应用较少。