夏季南方妊娠猪舍垂直通风设计及测试分析

胡孝艳,解 天,李修松,李保明,崔维浩,杨卫平,杨玉鹏

(1. 青岛大牧人机械股份有限公司,山东 青岛 266000;2.即墨区北安街道办事处,山东 青岛 266000; 3. 江西农业大学工学院,江西 南昌 330045; 4. 中国农业大学水利与土木工程学院 北京市畜禽健康养殖环境工程技术研究中心,北京 100083)

猪舍环境、猪只品种、饲料和疫病共同构成了制约生猪养殖发展过程中的四大主要因素,其中环境因素占到20%～30%[1-2]。适宜的通风模式是调控舍内环境的重要措施之一。Pohl等[3]研究发现,进风窗和地沟风机位置对猪只活动区域的空气流速大小和均匀性均有显著影响。李鲲鹏等[4]发现,夏季采用湿帘-风机的纵向通风猪舍前后温差较大。吴中红等[5]发现,湿帘冷风机-纤维风管通风系统的局部降温和风冷效果好,可以应用于空间大、密闭性差的猪舍。李修松等[6]研究湿帘降温系统发现,湿帘与地道结合的优化设计,能在提高降温效率的同时节省能耗。目前,关于猪舍通风领域的研究主要集中于水平通风及其优化,而对于垂直通风鲜有系统、全面的研究,大多局限于计算流体力学Computational Fluid Dynamics(CFD)[7-8]模拟,而对于其设计过程中的理论计算、设备配置和气流组织等方面的研究较少。基于上述背景,本文采用理论计算的方法对广西地区某妊娠猪舍进行了垂直通风模式设计,并采用现场实测的方法验证该设计模型的准确性及该通风模式的运行效果,为进一步了解垂直通风妊娠猪舍夏季舍内环境分布规律,为舍内环境调控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 垂直通风猪舍设计

1.1.1 垂直通风气流组织设计 本设计将风机全部放置于粪池底部,以此确保当风机工作时,整个粪池区域形成一个负压气室,使得室外新鲜空气通过湿帘进入顶部阁楼,经吊顶通风窗进入猪舍内,由漏缝地板流入底部粪池空间,最后由风机排出,从而形成自上而下的气流组织模式。气流轨迹如图1所示。

图1 妊娠舍气流组织示意图Fig. 1 Schematic diagram of airflow structure in gestation piggery

1.1.2 夏季猪舍通风量确定及风机选型 试验猪舍位于广西壮族自治区陆川县,东经110°4′,北纬21°53′～22°3′,年平均温度21.7 ℃,最热季为7～8月,日最高平均气温34 ℃,属典型亚热带季风气候。猪舍总通风量按公式(1)进行计算[5]。

L需=ln

(1)

式中L需为舍内母猪需求的总通风量,m3/h;l 为每头妊娠母猪需求通风量,m3/h,取600 m3/h[9];n 为母猪的头数,头。

风机通风量与猪舍负压之间存在一定的负相关关系,即负压越大,通风量越低,故配置风机时最重要的是确定舍内负压。本文通过CFD技术对所设计的通风系统进行模拟,确定舍内负压,最终选用青岛某品牌的玻璃钢拢风筒风机,其风机性能参数见表1。

表1 风机参数表Table 1 Parameters of fans

1.1.3 吊顶通风窗风量计算 空气从孔口或管嘴以一定的速度流出后,气流在空间的运动过程,称为空气淹没射流,简称射流,按照孔口形状不同可分为圆形、矩形和缝隙射流[10]。因吊顶通风窗出风口形状为矩形(500 mm×650 mm),同时猪舍空间相比射流断面大很多,且吊顶通风窗长宽比小于10,气流流动不受任何固体壁面的限制,故该流动为矩形自由射流[10],如图2所示。由图可知起始段的风速保持不变,主体段风速沿射程方向逐渐减小,气流扩散面积逐渐增加。主体段与起始段的轴心风速计算公式[10]如下所示:

(2)

(3)

式中vx为射程x处的射流轴心速度,m/s;vo为射流出口速度,m/s;x为射流断面至极点间的距离,m;α为送风口紊流系数;d0为送风口直径或水力直径,m。A为送风口面积,m2;L为湿周,m。

查阅文献得知,妊娠猪夏季风速推荐值为1.0 m/s[9]。本试验猪舍长75 m,宽24 m,吊顶高度2.4 m,妊娠猪只躺卧高度约为0.5 m,故吊顶通风窗出风口距离猪只躺卧高度平均射程约为1.9 m。对于矩形出口的自由射流,紊流系数取0.1进行计算[10]。

图2 射流结构Fig. 2 The structure of jet

1.2 环境及生理指标测定

1.2.1 猪舍环境及猪只生理指标测试 试验妊娠舍猪群品种为加系母猪,采用液态饲喂限位饲养,每天饲喂2次,排污方式采用半漏缝-刮粪机工艺,刮粪频率2次/d。猪舍环境测试内容包括舍内外温度、舍内风速、氨气和二氧化碳浓度,其中使用Testo 605i温度记录仪(温度量程 0～50 ℃,分辨率0.1 ℃)自动采集舍内外温度,时间间隔为15 min;使用Testo410-2型智能风速仪(量程0～10 m/s,分辨率0.01 m/s)测量舍内风速,每间隔1 s采样1次,取每采样10次的平均值作为该点最终风速值;使用TES-1370检测仪(0～5 398 mg/m3,分辨率1 mg/m3)采集二氧化碳,采集间隔为15 min;使用SZ-JSA8-NH3检测仪(0～5 398 mg/m3,分辨率1 mg/m3)采集舍内氨气,采集间隔为15 min。舍内测点布置为距离漏粪地板0.5 m(猪只呼吸高度H 0.5 m)和1.5 m(人员呼吸高度H 1.5 m)高度,每平面内测点分布如图3所示。猪只生理指标测试内容包括呼吸频率和体表温度,测试对象为舍内各测试点正下方猪只,其中使用红外热像仪(FLIR E40,量程-20 ～ +120 ℃,精度±0.2 ℃)测量猪只体表温度,呼吸频率测定采用人工秒表连续1 min计数测腹起伏次数[11]。为使采集数据更具代表性,测试时间为2017年8月22-8月28日。

1.2.2 不均匀系数 不均匀系数[12]是衡量所研究参数分布是否均匀的重要指标,计算公式如下,其值越小说明猪舍内环境参数分布越均匀越稳定。本文采用不均匀系数来评估舍内环境因素的分布状况。

(4)

(5)

(6)

图3 测点布置图Fig.3 Schematic diagram of temperature sensors locations

1.2.3 温湿度指数(THI) 温湿度指数(temperature humidity index, THI)是综合温度、湿度的热环境评价指标。THI≤74表示环境水平适宜,猪只处于舒适状态,THI处于75～78区间内表明猪只处于轻度热应激状态,79～83区间为中度热应激,THI≥84为重度热应激[13-14]。计算公式如下:

THI=(1.8T+32)-[0.55×(RH÷100)]×[(1.8T+32 )-58]

(7)

式中:T为干球温度,℃;RH为相对湿度,%。

1.3 数据统计分析

采用EXCEL2013和SPSS26.0 数据分析软件对数据进行整理和分析,应用SPSS26.0 软件对风速进行单因素方差分析,多重比较采用LSD 法。结果以“平均值±标准差”表示,P<0.05为差异显著,P<0.01为差异极显著。

2 结果与分析

2.1 垂直通风参数

该垂直通风猪舍内饲养妊娠母猪1 060头,根据公式(1)计算得出该猪舍夏季总通风量636 000 m3/h。通过CFD模拟仿真得知,舍内外压差约为34.5 Pa,因此在配置风机时选择-37 Pa下通风量进行计算。在配置风机时不仅要满足夏季最大通风量,还需满足冬季最小通风量,根据表1,配置6台36'变频玻璃钢拢风筒风机和12台55'玻璃钢拢风筒风机。吊顶通风窗洞口大小为650 mm×500 mm,单边洞口尺寸为650 mm×250 mm,根据公式(2)和(3)算出射流出口速度V0=2.93 m/s,吊顶通风窗通风量为3 432 m3/h,故夏季需要吊顶通风数量为138个,6排平均分布,23个/排。

2.2 舍内环境

2.2.1 夏季舍内温度变化与分布 测试期间舍外温湿度变化曲线如图4所示。现场测试期间舍外日平均温度在27.8 ℃,最高气温在8 月22 日14:00为39.3 ℃,最低气温在8 月26 日7:21 为23.7 ℃;平均相对湿度76.0%,最高相对湿度在8 月26 日5:50 达到97.3%,最低相对湿度出现在8月22 日14:06为46.9%。其中8月23-25日舍外为阴雨天气,舍外温度较低。为便于研究夏季猪舍的热环境参数,选取舍外天气晴朗、太阳辐射强烈、所有设备均正常连续运行的时段(2017年8月22日5:00至次日5:00)进行温度数据分析。对测试期间舍内0.5 m水平高度温度测试结果进行统计分析,结果如图5所示,舍内总体温度控制在25.4～31.9 ℃之间。在11:00-17:00受舍外较高温度影响,舍内温度上升至30 ℃以上,出现高温现象,随后温度降低。从各行3个温度测点的波动情况来看,同行温度测点在同一时刻温度相差不大,各测点温度变化趋势相同,其中舍内第1行、第2行、第3行温度测点在中午最热时刻前后最大温差维持在1.0 ℃左右,其余时刻温差维持在0.5 ℃左右。因此可知,该试验猪舍在垂直通风方式下,舍内各区域温度变化趋势一致,在同一时刻舍内各区域基本无温差,整舍温度相对均匀。

图4 夏季舍外温湿度变化曲线Fig. 4 Outdoor temperature and humidity variation curve in summer

图5 猪舍各测点温度变化曲线Fig. 5 Temperature variation curves of each measuring point in piggery

2.2.2 夏季舍内风速分布 在舍内风机全开工情况下,对舍内各测点风速进行采集,0.5 m、1.5 m水平高度各行测点风速统计结果如图6所示。猪活动区域风速在0.7 m/s左右,稍小于设计值1.0 m/s。人呼吸区域风速在1.0 m/s左右,风速满足要求,表现较好。表2表示在0.5 m猪只躺卧区域高度上,舍内长度、宽度位置对风速的影响。可以看出猪舍长度、宽度位置对风速均无显著影响(P>0.05),表明舍内在猪活动区域的风速分布均匀。

同时对舍内0.5 m、1.5 m高度风速不均匀系数进行比较,如表3所示,表明不均匀系数值均比较小,最大值为0.2。谢丽娜[15]在评估奶牛卧床上方不同高度风速均匀性时,风速均匀性最理想的风管不均匀系数范围为0.18～0.34[15],该试验最大不均匀系数在此范围内,表明该试验猪舍夏季在垂直通风方式下,舍内风速分布均匀。

2.2.3 夏季舍内有害气体浓度分布 由图7和图8可见,舍内NH3和CO2浓度均远低于《规模猪场环境参数及环境管理(GB/T 17824.3-2008)》中妊娠母猪舍CO2、NH3含量(CO2不宜超过1 500 mg/m3,NH3含量不宜超过25 mg/m3)[9]的标准。舍内CO2和NH3浓度呈现相同的分布状态,即1.5 m高度测点浓度均低于0.5 m高度,主要原因是垂直通风模式气流组织流向为自上而下,所以,人呼吸区域NH3、CO2质量浓度均低于猪呼吸区域浓度。

舍内CO2和NH3不均匀系数如表4所示,不均匀系数最大值为0.32,在不均匀系数参考值范围0.18～0.34[15]内,表明该试验猪舍夏季在垂直通风方式下,CO2和NH3分布均匀。

2.2.4 夏季舍内THI和猪只生理指标 从图9舍内各测点平均THI变化曲线可以看出,测试期间24 h内舍内各测点平均THI指标范围在68～76。其中在测试期间11:00-17:00舍内平均THI主要在74～76之间,处于轻度热应激状态,其余时间段舍内平均THI均在74以下,处于无热应激状态,说明在测试期间舍内温热环境基本满足猪只生长要求,猪只感觉舒适。

从表5可以看出,在测试期间最热时刻各测点THI值范围在74～80,除了1-3测点所在区域THI表现为重度热应激状态,其余各测点在最热时刻均表现为轻度热应激状态。最热时刻各测点猪只的体表温度范围在32.0～33.8 ℃,呼吸频率范围在26～33次/min,猪只生理指标表现较好,基本满足其对应的舒适体表温度32～35 ℃,正常呼吸频率20～30次/min[16]的生理要求,说明即使在测试期间最炎热时刻,猪群也基本无热应激现象。

图6 猪舍各测点风速变化图Fig. 6 The variation of wind speed of each measuring point

表2 舍内0.5 m水平高度测点位置对风速的影响Table 2 The effect of measuring points on wind speed at the 0.5 m horizontal height

表3 舍内各行风速不均匀系数表Table 3 The nonuniform coefficient of wind speed in different lines inside the piggery

图7 猪舍各测点CO2浓度变化图Fig. 7 The variation of CO2 concentration of each measuring point

3 讨 论

通过对现场实测数据分析可知,本文所设计的垂直通风模式能为猪只提供相对适宜的生长环境,相较于水平通风,垂直通风因自上而下的气流路径,使得该通风模式具有提高舍内温度、风速整体分布均匀性,降低有害气体浓度的优势。其中猪背区域测试风速为0.7 m/s左右,稍小于1 m/s的设计风速,其原因可能为猪只躺卧漏粪地板上减少了通风面积,使得舍内负压增大,进而导致风机风量减小。研究表明,风速与温度呈现较强的关联性[6]。当气流运动轨迹未出现涡流时,气流速度高的区域温度相对较低,因此可知试验猪舍部分时段出现高温和热应激的原因是由风速低于理论设计值导致,故在设计垂直通风模式猪舍时风机应选择相对较大负压下的通风量进行计算。此外,同一行内的风速测点均呈现2号测点略大于1和3号测点但差异不显著的特点,其原因可能为吊顶区域与猪舍内存在静压差,二者静压差越大,吊顶小窗出风口风速则越大。通过观察图3可知,1和3号测点由于靠近湿帘进舍外空气进入吊顶后,风速相较于2号测点大,进而使得1和3号测点动压相对2号测点动压大而静压小,最终造成2号测点风速相较于1和3测点风速略大的现象。舍内CO2和NH3浓度呈现2号测点均略低于1和3号测点的原因可能是自上而下的气流组织模式中,风速越大,舍内有害气体越容易排出舍外。故可以通过在靠近湿帘端的吊顶小窗进风口风口,增加适当高度挡板,拦截部分风量,提高该区域吊顶小窗出口风速,以进一步提高猪舍风速、有害气体分布的均匀性。尽管猪舍THI指数在轻度热应激范围,但综合体表温度及呼吸频率等生理指标,猪群基本无热应激现象,主要原因可能是在垂直通风模式下的猪舍,猪背区域的风速降低了猪群热应激程度。

图8 猪舍各测点NH3浓度变化图Fig. 8 The variation of NH3 concentration of each measuring point

表4 舍内各行CO2、NH3不均匀系数表Table 4 Nonuniform coefficient of CO2 and NH3 in different lines inside the piggery

图9 舍内各测点平均THI变化曲线Fig. 9 Curve of THI of measuring points inside the piggery

表5 舍内各测点最热时刻THI及对应体表温度、呼吸频率Table 5 THI and body surface temperature and respiration rate at different measuring points at the hottest hour

4 结 论

(1)通过现场实测方法对试验猪舍夏季热环境质量状况进行测试分析,结果表明,采用垂直通风方式的猪舍,夏季舍内温度总体控制在25.4～31.9 ℃,在最炎热时段舍内各行温差在1.0 ℃左右,其余时段各区域温差在0.5 ℃以内,风速在0.7 m/s左右,舍内THI指标维持在68～76,但综合猪只皮温及呼吸频率等生理参数,猪群基本无热应激现象;舍内CO2和NH3质量浓度均远小于国家标准规定的妊娠舍空气污染物浓度极限水平,同时各环境参数分布相对均匀。故该通风模式能为猪只提供更为舒适的环境。

(2)因猪只躺卧在漏粪地板上减少了通风面积,使舍内负压增大,进而导致风机风量减小,故配置垂直通风模式猪舍风机时需适当增大负压参考级别。