牛用恒温饮水装置研究进展及应用建议

杨晓宇

（乌鲁木齐经济技术开发区（头屯河区）农业农村局，新疆 乌鲁木齐 830011）

0 引言

得益于广阔的草场和超长的日照时间，新疆维吾尔自治区是我国重要的畜牧区之一，2020 年新疆维吾尔自治区奶牛存栏总量115.6 万头，占全国奶牛养殖总量的11.01%。虽然得天独厚的自然环境为新疆维吾尔自治区畜牧业发展提供了先天优势，但受制于集约化水平、管理经验和技术应用等原因，新疆维吾尔自治区畜牧业发展质量、效益与其他省份相比还有较大差距。

新疆维吾尔自治区气候干旱，春秋冬3 季寒冷，昼夜温差大，实际生产过程中，养殖场和养殖户往往更注重饲料供应和环境管理，而忽视了牲畜的饮水管理。水是机体重要的物质之一，对于维持正常的生理机能活动、营养物质代谢和产奶等生产性能都具有重要作用[1]。供给充足、温度适合和清洁的饮水往往是提高牲畜生长性能最经济、最简便的手段之一。为了解决牲畜饮用温水问题，一些养殖户采用了恒温加热饮水装置，目前饮水装置的加热方式主要有电加热、太阳能加热、沼气加热及其他加热方式，本文介绍了这些饮水装置的应用现状及特点，对西北地区不同规模养牛场恒温加热饮水方式提出建议。

1 牲畜饮水管理

牲畜饮水量取决于牲畜的品种、年龄、生产力等自身因素，温度、相对湿度等环境因素，以及饲料中的含水量等饲养管理因素。以奶牛为例，奶牛的每日需水来自饮水、饲料中的水和自身有机营养代谢水，其中饮水约占83%[2]。虽然寒冷季节奶牛饮水量比夏季高温季节低20%～50%，但是由于冬季缺乏青绿多汁饲料，牲畜管理者更应注意供应充足的饮水。研究显示，犊牛每日需水量10～15 kg，青年奶牛每日需水量30 kg，泌乳期奶牛每日需水量50～100 kg，而高产奶牛每日饮水量达到90～110 kg 才能维持较好的泌乳性能[3]。为了保证奶牛饮水的次数，最好能在牛舍和运动场内设置饮水装置，为奶牛全天供水；如不能满足条件，至少要在每次喂料前后和挤奶前后让奶牛充分饮水。

寒冷环境下，要注意奶牛饮水温度。对于最佳饮水温度，不同的牛场试验得出的结果不同。陈昭辉等[4]发现，冬季饮用14～18 °C 的水可显著提高肉牛饮水量，其中最利于提高肉牛生长性能的水温是16～18 °C。陈佳琦等[5]研究发现，肉牛更喜爱饮用10 °C 的水。刁小南等[6]研究表明，肉牛饮用20 °C 的温水，比饮用4 °C的冷水时日均增加的体质量显著提高。汪志铮[2]认为秋冬季奶牛饮水的适宜温度：犊牛35～38 °C，成年奶牛12～14 °C，产奶妊娠牛15～16 °C。虽然最适宜的饮水温度未达成共识，但普遍认为寒冷季节时饮水温度在10 °C 以上才能保证牛的生理性能，将体质量增加量和产奶量维持在较好水平。如果饮水温度较低，会造成奶牛饮水量不足、食欲下降、产奶减少、生理机能紊乱，饮用冰水还易造成牲畜消化系统疾病和母畜流产，应严格禁止。但在实际生产过程中，家庭农场或小规模养殖场通常使用水桶、饮水槽或料槽，直接向牲畜提供饮水，规模养殖场由于环境温度过低导致水管结冰、冻裂等情况也时有发生，导致牲畜饮用冰碴水。

2 恒温加热饮水装置研究进展

目前，寒冷地区规模化养殖场普遍备有冬季水槽保温或加热饮水装置，顾宪红等[7]调研了京郊62 家存栏量在100 头以上的规模化奶牛场，其中寒冷季节备有饮水加热装置的牛场有51 家，占82.3%。按照热源的不同，牛用饮水装置加热方式主要有直接电加热、太阳能加热、沼气加热、空气源热泵和地热源热泵等，规模化养殖场以直接电加热槽应用最广泛[8]。

2.1 电加热饮水装置

电加热饮水装置能够将电能转换为热能，以电加热饮水槽应用最为广泛。电加热饮水槽主要由槽体、支腿、电加热控制系统和水位控制系统组成，槽体分为不锈钢和高强度塑料两种材质，还可通过设置可翻转式槽体、可拆分式槽体、增加保温材料等方式，增加饮水槽的清洗、安装便捷性，以及防冻保温性能。这种设备技术简单、前期投入低，在各种不同规模的牛场接受度较高。王波等[9]设计了一种电加热饮水槽，将温控技术和保温材料相结合，控制冬季奶牛饮水温度在5～15 °C，同时采用24 V 低电压、电加热棒护板、架设穿线管等保护措施避免了电牛现象。值得注意的是，由于功率较低，电加热饮水槽加热功能仅能用于维持外界供水水温不降低而非再次加热，因此外界供水温度需要达到10 °C 以上才能维持较好的性能。为了测定电热水槽在寒冷地区规模化养殖场的实际使用效果，刘云飞等[10]连续测定寒冷环境下牛舍内电加热槽内的水温，发现平均温度低于10 °C，一方面是因为电加热槽功率低、加热速度慢，在奶牛集中饮水的时段不能将外界的低温地下水快速加热到最适宜饮用的温度，另一方面也与牛舍环境温度低、敞开式饮水槽表面蒸发散热过快有关。

翟志强等[11]针对规模化畜牧场羊和犊牛饮水要求，设计了恒温饮水桶，当加热到设定温度38.5 °C 时，温度波动可控制在±0.5 °C 范围内，饮水桶上设置的多个防滴漏吸吮器，可以模仿幼龄牲畜所需的人工诱导饲喂，减少进食应激，该装置温度稳定性好，可以满足羊和犊牛恒温饮水的要求。长江大学[12]设计了一种即温式牛用智能控温饮水装置，通过设置数据处理控制中心、控制水流控制器、入水温度传感器、出水温度传感器和功率调节器等控制部件的参数，保证在不同水压、水流、水温的情况下都能得到预设的恒温饮水，即热式加热方法比传统热水器省电30%以上，不需要设置储水箱和保温胆，体积小、容易安装，有效降低养殖成本。西安科技大学[13]设计了一种利用电气控制技术的感应出水式牲畜自动饮水装置，主要部件包括水箱、饮水控制器、进水管、出水管和U 型电加热器等。当饮水管上设置的热释电红外探测器感应到牲畜来到饮水装置前时，饮水控制盒内的控制电路打开，供牲畜饮水，整个过程中，超声波测距模块和温度探测器对水位和温度进行实时监测。该设备使用操作方便、能够恒温供水且无须人工补水。

直接电加热槽加热时间较长，不能满足奶牛快速、大量饮用温水，在实际应用中最高温度达不到寒冷季节饮用水最佳温度等需求，但是由于安装成本低、结构简单、几乎不需要保养和维护、控制方便等优势，电加热槽在各种规模养殖场的使用中获得了较好的反馈，能够保证牛在严寒天气至少喝不到冰碴水，尤其适合中小规模养殖场用最低成本保证牛的健康和产奶量。

2.2 太阳能加热饮水装置

太阳能热水器应用广泛、技术成熟，可供选择的产品种类丰富，非常适合在光照时间长、用水量大的地区应用，但是目前在畜牧场的应用推广还较少。太阳能加热饮水装置通过太阳能集热器对地下水进行光热转换后储存在储水箱，然后放入水槽供牛饮用。李欣等[14]设计了奶牛场太阳能热水工程，比较了采用太阳能热水工程、电热水槽和普通水槽3 种方式所提供的水温、奶牛饮水量和产奶量，并对太阳能热水工程和电加热槽所实现的生产性能和经济效益进行了分析，结果表明太阳能热水工程可以满足泌乳牛舍大量、集中供应热水的需求，可用于寒冷地区规模化养殖场。郝薇等[15]在甘肃省张掖地区进行试验，比较了太阳能恒温饮水系统和电加热饮水系统在寒冷地区牛舍中的应用效果，证明二者对肉牛提供的饮水水温无显著性差异，可以在原有全电加热系统的基础上改造设计一种新型太阳能恒温饮水系统，既能保证恒温饮水需求，同时减少设备投资成本，最大程度节省耗电量，提高经济效益。

太阳能热水系统设备投入成本比电加热装置高，受天气影响较大，但是具有转化效率高、绿色环保、安全等优点。可以将电加热系统和太阳能加热系统进行改进或结合，在日照充足、多雪寒冷的地区使用。

2.3 沼气加热饮水装置

随着近年来国家对畜禽粪污无害化处理和资源化利用的重视程度越来越高，沼气工程的先进工艺、技术和设施研发快速发展[16]。养殖场的粪污通过沼气池或沼气罐发酵处理产生沼气，用作热能或电能供养殖场用，沼渣沼液作为有机肥料回收利用或达标排放。丁文海[17]设计了一种沼气加热饮水装置，主要由底座、蓄水箱、加热箱、饮水池、净化箱和循环泵等组成。加热箱上的供气管连接沼气发生装置，利用发酵产生的沼气燃烧对水进行加热，在循环泵的作用下，饮水池中的水不断在净化箱中过滤掉杂质，保证饮水质量，同时由液位传感器、报警器控制内部水量和添加水量，具有结构简单、便于搬动、节能、自动化程度高等特点。山东格瑞德集团有限公司[18]设计了一种奶牛养殖场饮水系统，包括沼气发生子系统、直燃机供水子系统、奶牛饮水供水子系统，沼气发生子系统的沼气输出口通过管道与直燃机供水子系统中直燃机燃烧器的进气管相连接，通过沼气燃烧供给直燃机动力，可使直燃机供水子系统产生热水，通过供水管道和回水管道与奶牛饮水供水子系统中的板式换热器连接，加热补水水罐中的冷水，再送至恒温水罐备用，恒温水罐通过电动三通合流调节阀分别与补水水罐、保温饮水槽连通。该系统可以保证奶牛一年四季喝到温度适宜的水。

我国畜禽粪便的处理还处于起步阶段，具有很大的发展空间和生态环境保护价值。将养殖场的粪便和废弃物进行无害化、资源化处理，利用沼气工程直接燃烧，或通过电能转换用于加热饮水，只是沼气综合应用的一个小方向，整个沼气系统工程需要完整的处理设备和处理工艺，才能够与养殖场的设施相匹配，因此这种模式目前只在大规模养殖场得到应用，实际使用效果也需要进一步验证。

2.4 其他加热饮水装置

赵永生[19]设计了一种奶牛饮水系统，包括储水箱、循环泵、饮水槽和板式换热器，通过管道连接构成一个自循环系统，循环泵为系统提供动能，板式换热器的热源来自供暖系统、热水锅炉或蒸汽锅炉，用于加热管道中的循环水。该系统的优点是避免直接使用电加热方式可能电到牛的危险，循环泵的使用减少了电能消耗，同时循环的活水更利于奶牛健康。禾亚（北京）生态工程技术有限公司[20]设计了一种复合能源系统奶牛饮水装置，包括饮水槽、储热水箱、空气源热泵主机、地源热泵主机、空气源循环泵、地源循环泵和取热循环泵等设备，将空气源热泵和地源热泵并联使用满足制热需求，相比于传统电加热、天然气加热等方式，制热更快、效率更高、更节能，而且使用的能源为绿色能源，在空气源热泵或地源热泵其一出现故障时，另一热源保证正常供热。对比其他方式，空气热源或地热源加热饮水装置虽然节能环保，但是初始投资较大，使用、控制和维修麻烦，实际应用很少。

3 发展趋势及应用建议

3.1 发展趋势

虽然经过近10 年的快速发展，我国养牛机械设备和工艺水平大幅度提高，生产方式逐渐向集约化、机械化方向转型，但是在牛场饮水设备方面，相关装置研究和应用较少，大部分装置还处于理论和技术研究阶段，目前除了成品化的不锈钢或高强度塑料槽体制成的电加热槽外，其他可供牛场选择的商品化恒温加热饮水设备极少。“十四五”期间，我国推进适度规模养殖模式，引导农民利用畜禽粪便等养殖废弃物实现循环利用、变废为宝，牛场恒温饮水装置研究，尤其是沼气、太阳能加热方式的饮水装置将拥有广阔的发展空间和应用前景。

3.2 应用建议

沼气加热、空气源加热等新型热源饮水装置目前应用较少，还无法对其实际使用效果和经济效益进行评价。在甘肃省等低温少雪地区，可以用太阳能恒温饮水系统替代或改造电加热饮水系统，最大限度降低成本、减少能耗。新疆维吾尔自治区等冬季严寒多雪地区，可以将电加热饮水系统和太阳能恒温饮水系统串联使用，在天气晴朗、日照充足的时间利用太阳能光板获取足量的热辐射对水进行加热，阴天或下雪天气，储热水箱中的水温达不到设定温度时，启动储热水箱中的电加热棒进行辅助补偿加热。值得注意的是，不同地区应根据当地热辐射参数的不同，适当设置太阳能集热器的数量和储热水箱容积。对于需要控制养殖成本的养殖户或小规模养殖场，可以采用低压控制、改进保温材料等技术措施，改善直接电加热装置的安全性能和保温性能，尽量改善牲畜福利，提高经济效益。

4 结束语

在北方寒冷地区的养殖生产中，为了保证牲畜的生产性能，有必要采取措施提高其饮水温度。以牛用恒温饮水装置为例，介绍了其研究进展，饮水加热方式包括电加热、太阳能加热、沼气加热及其他热源加热，目前主要以电加热饮水槽应用最为广泛，其他加热装置应用较少，或处于理论研究阶段。对于甘肃省等低温少雪地区，建议使用太阳能恒温饮水系统替代或改造电加热饮水系统；新疆维吾尔自治区等冬季严寒多雪地区，可以将电加热饮水系统和太阳能恒温饮水系统串联使用。未来，随着节能、环保理念的贯彻实施，新型能源加热饮水装置的研究将更加深入，其发展空间和应用前景也更广阔。