不同節(jié)能改造方式豬舍的供暖能耗和經(jīng)濟性比較

王美芝，薛曉柳，劉繼軍，易 路，陳昭輝，吳中紅

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不同節(jié)能改造方式豬舍的供暖能耗和經(jīng)濟性比較

王美芝1,2，薛曉柳1，劉繼軍1,2，易 路1，陳昭輝1,2，吳中紅1,2※

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學動物科技學院，北京 100193； 2. 動物營養(yǎng)學國家重點實驗室，北京 100193）

為降低豬舍冬季供暖能耗，以12頭母豬的分娩豬舍常見圍護結構為基礎，理論與試驗相結合分析了不同節(jié)能改造方式的供暖能耗和經(jīng)濟指標。結果表明：未保溫豬舍、外墻保溫豬舍、外墻天棚保溫門窗進風豬舍和外墻天棚保溫天棚進風豬舍1個供暖季總能耗分別為118.2、45.2、35.3和0.2 kW·h/m2。4種豬舍不需要供暖的時長占供暖期總時長的比例分別為10%、28%、33%和96%。外墻保溫豬舍與未保溫豬舍相比、外墻天棚保溫門窗進風豬舍與外墻保溫豬舍相比、外墻天棚保溫天棚進風豬舍與外墻天棚保溫門窗進風豬舍相比、外墻天棚保溫天棚進風豬舍與外墻保溫豬舍相比，節(jié)約的單位能耗的改造成本分別為1.2、40.4、0.2和9.0 Yuan/(kW·h)。以節(jié)約單位能耗所需投資最小目標選擇豬舍節(jié)能改造方式，以墻體保溫節(jié)能改造最好；以豬舍總能耗最低為目標，則豬舍墻體和天棚均需節(jié)能改造并進行天棚預熱新風通風。

保溫；設施；通風；圍護結構；豬舍；節(jié)能改造；供暖能耗；成本

0 引 言

在全球建筑節(jié)能及節(jié)能改造研究方面，歐盟制定了到2030年能源利用效率較目前標準提高至少27%以上的節(jié)能目標[1]。歐盟約75%的建筑物不節(jié)能，建筑物每年節(jié)能改造大約0.4%～1.2%。既有建筑節(jié)能改造將降低歐盟總能耗5%～6%[2]。雖然瑞典電能和建筑物供暖能源主要來源于清潔能源和核能源，建筑物CO2排放量僅占全國排放量的15%[3]，其仍針對既有居住建筑進行了圍護結構的節(jié)能改造和熱回收通風改造措施對節(jié)能的影響研究[4]。奧地利研究人員對建筑物的高效節(jié)能方法進行了研究，認為國家政策應傾向于對高耗能建筑進行節(jié)能改造而不是進行供暖補貼，并且節(jié)能改造應朝向近零能耗改造[5]。奧地利、捷克、丹麥、葡萄牙、西班牙和瑞典研究人員對最經(jīng)濟和最節(jié)能的既有建筑物改造方法進行了研究[6]。芬蘭研究人員研究了磚砌建筑物不同的節(jié)能改造方式對節(jié)能效益和改造成本的影響[7]和寒冷地區(qū)教育建筑最經(jīng)濟的節(jié)能改造措施[8]。葡萄牙研究人員認為將既有建筑物改造為近零能耗建筑經(jīng)濟有效的措施是成本最佳的能效水平[9]。法國研究了降低房屋能耗改造方案的選擇方法[10]。丹麥建筑物供暖能耗通過供暖系統(tǒng)效率改進和圍護結構保溫性能的改進平均可以節(jié)能50%[11]。在中國人類居住建筑節(jié)能方面，中國制定了《既有居住建筑節(jié)能改造指南》[12]和《既有居住建筑節(jié)能改造技術規(guī)程》[13]。城鎮(zhèn)新建建筑執(zhí)行節(jié)能強制性標準比例基本達到100%，節(jié)能建筑占城鎮(zhèn)民用建筑面積比重超過40%。北京、天津、河北、山東、新疆等地開始在城鎮(zhèn)新建居住建筑中實施節(jié)能75%強制性標準，其目標為：到2020年，經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)及重點發(fā)展區(qū)域農(nóng)村建筑采用節(jié)能措施比例超過10%[14]。

在國內外豬場建筑節(jié)能方面，近幾年新建的大規(guī)模豬場多采用節(jié)能豬舍，在冬季豬舍通風的組織上也有一定的節(jié)能模式，比如利用熱回收通風設備[15]和對豬舍配設附加陽光間和地道通風[16]。而大多數(shù)規(guī)模較小的既有豬場多采用保溫性能較差的磚墻結構，并且豬舍內未設保溫天棚，冬季通風采用門窗縫隙自然通風。這類豬舍在僅做外墻保溫和屋頂保溫的情況下，具有提高豬舍舍內溫度的作用[17]。在豬舍保溫節(jié)能構造要求中，美國MWPS對豬舍的保溫性能指標提出了要求[18]。保溫天棚滲透通風系統(tǒng)在加拿大寒冷地區(qū)的畜舍得以應用[19]，在丹麥豬舍也采用了天棚滲透通風系統(tǒng)[20]。但是該天棚的多孔材料多為木質，不符合中國防火規(guī)范要求[21]。同世界上其他國家一樣，中國的建筑節(jié)能標準一般針對新建建筑物，而既有建筑一般需要通過節(jié)能改造達到節(jié)能目標[11]。《京津冀及周邊地區(qū)2017年大氣污染防治工作方案》將北京市、天津市等“2+26”城市列為冬季清潔取暖首批實施范圍，這些地區(qū)豬場也需禁煤供暖，煤改電或者煤改氣都將帶來冬季供暖運行費用的提高。為減少供暖運行費用，降低豬舍供暖能耗是前提。豬舍供暖能耗在舍內溫度一定、舍外氣象因素和供暖時間確定、豬舍內豬只顯熱散熱量一定的情況下，降低供暖能耗一方面需要從提高建筑物圍護結構的保溫性能進而降低圍護結構耗熱量，另一方面需要降低通風能耗。中國和其他國家民用建筑物中高能耗既有建筑所占比例均較大，中國北方既有豬場高能耗豬舍建筑面積同樣占較大比例，無論從降低能耗還是改善空氣質量需要，北方地區(qū)需要供暖的豬舍均需進行節(jié)能改造并尋找經(jīng)濟可行、節(jié)能顯著的方案。

本文通過對北京市既有規(guī)模化豬場常見圍護結構的豬舍進行不同節(jié)能改造，分析其能耗和投資回收期，為北方供暖地區(qū)既有供暖豬舍改造方案提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗豬舍基本情況

選擇北京房山區(qū)某豬場（300頭基礎母豬規(guī)模）的分娩豬舍作為試驗豬舍，豬舍南北朝向，長、寬分別為15.48 m和7.56 m（墻體內邊線尺寸），屋頂為雙坡屋頂，屋頂材料為100 mm厚彩鋼夾芯板。南墻有4個窗戶（1.3 m高×1.5 m寬），北墻有4個窗戶（1.2 m高×1.0 m寬），窗戶材料為單層塑鋼窗，其中1個窗戶位置安裝1臺風機（安裝尺寸同窗戶，冬季風機外側百葉封閉，內側用90 mm厚擠塑板封閉），無天棚。墻體材料為240 mm厚磚墻。冬季，單層塑鋼窗外側封閉一層塑料膜。豬舍內2列產(chǎn)欄3列走道，每列6個欄，共12個產(chǎn)欄。人工飼喂、人工清糞。檐口高度為2.38 m，屋脊最高處高度為3.64 m。西側墻體有1個1.06 m寬×1.95 m高的單層木門。豬舍建筑面積為128.32 m2。

1.2 試驗豬舍耗熱量計算

1.2.1 總耗熱量計算

豬舍總耗熱量指標的計算公式[22]為

式中q為豬舍總耗熱量指標，W/m2；0為豬舍建筑面積，m2；HT為單位時間通過建筑外圍護結構的溫差傳熱量，W；Q為單位時間通風耗熱量，W；IH為折合到單位建筑面積上單位時間建筑物內部得熱量，在此主要計算畜體散熱量（IH為畜體總顯熱散熱量，W，IH=IH×0），W；TY為單位時間通過建筑外圍護結構透明部分的太陽輻射得熱量，W；Q為豬舍總耗熱量，W，即H=H×0，則

Q=HT?QTY+Q?IH（2）

1.2.2 豬舍圍護結構耗熱量

豬舍圍護結構耗熱量計算公式[22]為

式中為圍護結構傳熱系數(shù)的修正系數(shù)；K為圍護結構的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；F為圍護結構的傳熱面積，m2；δ為溫差修正系數(shù)，本文全部取值為1[22]；t為冬季供暖室內計算溫度，℃（為減少供暖能耗，分娩豬舍室內溫度取18 ℃[23]）；t為冬季供暖舍外計算溫度，供暖期平均舍外計算溫度取值為0.1 ℃[24]。計算時各種圍護結構參數(shù)取值如表1[17,22]。對于有天棚的坡屋頂，當用天棚面積計算其傳熱量時，屋面和天棚的綜合傳熱系數(shù)按照公式（4）計算[24]。

式中1，2分別為天棚屋面的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；為屋面與天棚間的夾角，(°)；在豬舍耗熱量的計算中，單層塑鋼窗外側封閉1層塑料膜之后的傳熱系數(shù)按照塑料膜為6.0 W/(m2·K)和單層塑鋼窗傳熱系數(shù)為4.7 W/(m2·K)[17]，并利用《民用建筑熱工設計規(guī)范》GB50176-2016中建筑熱工基本計算方法計算后為2.6 W/(m2·K)，見表1。

表1 分娩豬舍未保溫改造時圍護結構熱工參數(shù)

注：d1，d2分別為周邊地帶和非周邊地帶。周邊地帶：距離外墻內表面2 m以內的地面；非周邊地帶：地面的其他部分。

Note: d1, d2 are ground within 2 m distance of inner surface of the exterior walls and the other ground except the former, respectively.

1.2.3 豬舍太陽輻射得熱量計算

豬舍太陽輻射得熱量計算公式[22]為

式中TYi為建筑物外窗透明部分供暖期太陽輻射強度，W/m2，北京市供暖期平均太陽輻射強度南向和北向分別為120.0和33.0 W/m2，計算供暖期逐時太陽輻射得熱量時，太陽輻射強度取典型氣象年逐時太陽輻射強度值[25]；為外窗綜合遮陽系數(shù)，取0.69[26]。ci為外窗面積，本文中南向和北向外窗面積分別為7.81和4.68 m2。

1.2.4 豬舍通風耗熱量計算

豬舍冬季通風耗熱量計算公式[22]為

Q=×××(t?t) （6）

式中C為空氣的定壓比熱容，取值0.28 W·h/(kg·K)[22]；為由通風進入舍內的冷空氣量，即為豬頭數(shù)與每頭冬季通風量之積，m3/h；ρ為供暖舍外計算溫度下的空氣密度，kg/m3，其計算公式[27]為

式中為大氣壓，kPa，北京市冬季大氣壓為102.2 kPa[24]；t為舍外溫度，℃，對于門窗進風的舍外溫度，取值為舍外溫度；對于天棚預熱新風通風時的舍外溫度，其取值為天棚新風進入舍內處的溫度，該溫度需要實際監(jiān)測。

1.2.5 豬舍環(huán)境指標監(jiān)測方法

為獲得豬舍在天棚預熱新風時新風進豬舍的溫度及豬舍內二氧化碳濃度，在豬舍內南側和北側分別布置2個溫濕度和二氧化碳濃度測點，舍內共4個測點，舍外布置1個溫濕度測點，天棚新風進入舍內位置設置1個溫濕度測點，溫濕度測試采用型號均為Apresys 179A—TH的溫濕度自動記錄儀(精度為士0.2 ℃)，二氧化碳濃度使用二氧化碳自動記錄儀（天建華儀，EZY-1S型，測量范圍0～5 000 ppm，精度為±75 ppm），溫濕度和二氧化碳濃度均24 h自動記錄，每0.5 h記錄1次，豬舍內溫濕度和二氧化碳濃度測定高度為母豬豬背高度，遠離仔豬保溫箱，舍外溫濕度計測點高度采用中國氣象站的測定高度（1.5 m），避免陽光直射。豬舍內測點布置見圖1。

圖1 試驗分娩豬舍環(huán)境測點布置圖

在試驗開始前，對試驗所用溫濕度計和二氧化碳測試儀均進行了校正。舍內溫濕度和二氧化碳濃度均取舍內4個測點的平均值。豬舍內12頭分娩母豬（長白、大白各半，2～3胎次），仔豬斷奶時對母豬稱質量，平均每頭母豬體質量238 kg。試驗時間為2018-01-13 09:00—2018-01-15 08:00。通過軟件SPSS 21分析舍內溫度、舍外溫度和天棚新風進入舍內位置處溫度的相關關系，利用相關關系求出在舍外溫度為0.1 ℃和逐時溫度[25]下天棚新風進入舍內位置的溫度，以此溫度作為通風耗熱量公式（6）中的t取值。

1.2.6 母豬顯熱散熱量計算

分娩母豬包括仔豬總產(chǎn)熱量，見式（8）[28]。

式中tot為總產(chǎn)熱量，W；為豬體質量，kg；1為泌乳量，取值為6 kg/d[28]。

母豬顯熱產(chǎn)熱量見式（9）[28]。

式中為顯熱產(chǎn)熱量，W。

本試驗中母豬體質量=238 kg，t=18 ℃，則每窩母豬和仔豬顯熱產(chǎn)熱量為375 W/頭母豬（包括仔豬），12頭母豬顯熱產(chǎn)熱量共4 500 W。

1.2.7 分娩母豬冬季通風量的選取

本文中，在試驗時間為2018-01-13 9:00—2018-01-15 8:00，豬舍冬季通風量設定為600 m3/h，單位通風量合0.21 m3/(h·kg)，試驗條件下，豬舍內二氧化碳濃度范圍1 616～2 414 ppm，舍內相對濕度范圍57%～67%，二氧化碳是豬舍通風量評價中的標志性氣體[29]，關于分娩豬舍舍內二氧化碳濃度值，美國專家建議為節(jié)約能耗而又不影響舍內空氣質量，舍內二氧化碳濃度值應低于3 000 ppm[30]。豬舍內相對濕度舒適范圍為60%～70%[23]，因此，冬季試驗豬舍通風量可以滿足通風要求，在公式（6）中的冬季通風量選定600 m3/h。

1.3 豬舍節(jié)能改造方案

未進行保溫改造的豬舍稱為“未保溫豬舍”（T1）。豬舍保溫改造方案分為3步：第1步為僅做外墻保溫（2015年冬季前完成改造），在原有240 mm磚墻外做90 mm厚擠塑板外保溫，保溫改造后的墻體傳熱系數(shù)小于0.35 W/(m2·K)。為安全起見，保溫改造后的墻體傳熱系數(shù)確定為0.35 W/(m2·K)[22]，冬季通風為門窗縫隙自然通風，試驗豬舍命名為“外墻保溫豬舍”（T2）。

第2步為在外墻保溫改造的基礎上，再增加保溫天棚（2017年冬季前完成改造），因空間所限，天棚材料為75 mm厚巖棉夾芯板（A級防火材料），天棚距地面高2.25 m。天棚與原有100 mm厚彩鋼夾芯板屋頂綜合后的傳熱系數(shù)為0.285 W/(m2·K)，仍大于美國MWPS中保溫天棚的傳熱系數(shù)0.23 W/(m2·K)[18]。屋頂傳熱面積由雙坡屋頂面積134.47 m2變更為天棚面積128.32 m2，冬季通風方式為門窗縫隙自然通風，試驗豬舍命名為“外墻天棚保溫門窗進風豬舍”（T3）。

第3步改造（2017年冬季前完成改造）為在墻體外保溫改造和增加保溫天棚的基礎上，在北側墻體上距離東墻9.48 m處安裝1個直徑為0.28 m的軸流風機（可變風量，功率為40 W，風機風量范圍0～1 100 m3/h，風機向舍外排風（負壓通風），為減少對墻體的破壞，將風機安裝在窗戶位置。在天棚距東墻1.5 m處設置天棚進風口（0.28 m×0.28 m），見圖1。試驗豬舍命名為“外墻天棚保溫天棚進風豬舍”（T4）。其中，風機風量的參考指標按照中國標準0.3 m3/(h·kg)[23]和美國標準34.1 m3/（h·頭）[18]，考慮一定的安全系數(shù)，并同時為開展分娩母豬冬季最小通風量試驗設計（因冬季通風量影響供暖能耗，并且中國和美國冬季通風量數(shù)據(jù)相差較大），手動調整風機風量，將豬舍冬季最大通風量設計為1 100 m3/h，可調風量，本文中冬季通風量選取600 m3/h。為防止進風口風速過小造成密度較大的冷風下沉影響豬的熱舒適性，進風口風速需要控制在3.0～6.1 m/s[18]，天棚進風口大小按照進風口風速3.4 m/s設計，在通風量為1 100 m3/h時風口大小應為0.09 m2，天棚進風口實際完工面積為0.078 m2。山墻進風口的尺寸因文獻[18]參考指標中用到春秋季通風量，中國與美國通風量標準相差太大，不容易參考，暫時在豬舍的西側山墻上設置一個進風口（尺寸0.43 m×0.43 m，安裝防鳥網(wǎng)，北方空氣污染嚴重地區(qū)還需在不使用天棚進風的季節(jié)將山墻進風口關閉，以防天棚積灰，本試驗安裝可開閉百葉窗）。本試驗中山墻進風口面積/天棚進風口面積為2.4。

1.4 豬舍供暖能耗的逐時計算及各計算參數(shù)

豬舍供暖能耗的逐時計算按照北京市供暖季11月15日－3月15日的典型氣象年逐時溫度[25]和公式（1）～公式（9），利用軟件excel計算得出供暖季每時刻豬舍的能耗。其中，在不同舍外溫度時，在舍內溫度設定為18 ℃，豬顯熱產(chǎn)熱量為4 500 W，豬舍建筑面積為128.32 m2，豬舍冬季通風量為600 m3/h時，圍護結構耗熱量、通風耗熱量均隨不同的舍外溫度變化而變化。豬舍逐時能耗計算過程中各參數(shù)取值見表2。

表2 不同節(jié)能改造方式分娩豬舍能耗計算用各參數(shù)取值

2 結果與分析

2.1 天棚預熱新風、新風進入舍內位置處的溫度

在試驗時間為2018-01-13 09:00—2018-01-15 8:00，豬舍冬季通風量設定為600 m3/h時，試驗監(jiān)測得到舍外溫度、舍內溫度和天棚進風口溫度，對該試驗期間舍外溫度、舍內溫度和天棚進風口處溫度的數(shù)據(jù)用SPSS 21統(tǒng)計得出天棚預熱新風、新風進入舍內位置處的溫度與舍內溫度t和舍外溫度t的相關關系，見公式（10）。

=0.812t+0.235t?1.453，2=0.901，=95，<0.01 （10）

由此可得，當舍外溫度為0.1 ℃，舍內溫度為18 ℃時，天棚預熱新風、新風進入舍內位置處的溫度=13.2 ℃，以此溫度代入公式（6）計算供暖季平均舍外溫度為0.1 ℃時天棚預熱新風狀態(tài)下豬舍通風耗熱量。同理，可以計算出北京市典型氣象年逐時溫度下逐時通風能耗和逐時總能耗。

2.2 不同節(jié)能改造方式豬舍耗熱量、供暖季能耗和改造成本

2.2.1 不同節(jié)能改造方式不同部位豬舍耗熱量

利用公式（1）～公式（9）、表1和表2計算得出不同圍護結構和通風方式下供暖期各部分耗熱量、得熱量和總耗熱量，計算舍外溫度為0.1 ℃[24]。

表3 不同節(jié)能改造方式不同部位供暖季耗熱量

由表3可知，試驗分娩豬舍在圍護結構保溫節(jié)能改造前后，豬顯熱量和太陽輻射得熱量均不變，只進行外墻保溫改造，豬舍總耗熱量由39.6 W/m2下降為12.1 W/m2。在此基礎上再進行天棚保溫改造，豬舍總耗熱量下降為7.9 W/m2，天棚保溫改造引起豬舍耗熱量下降幅度較外墻保溫改造下降幅度低，主要原因為既有豬舍屋頂原有材料傳熱系數(shù)為0.47 W/(m2·K)，天棚保溫改造后由天棚面積計算的傳熱系數(shù)為0.285 W/(m2·K)，傳熱面積由原有屋頂面積134.47 m2下降為128.32 m2，東墻和西墻傳熱面積分別由24.86和22.92 m2下降為19.66和14.96 m2（天棚標高以上的山墻面積不計算），屋頂傳熱系數(shù)下降幅度有限。而墻體保溫改造前后傳熱系數(shù)分別為2.33和0.35 W/(m2·K)，傳熱系數(shù)下降幅度較大，從而引起豬舍耗熱量下降幅度較大。在外墻和天棚均進行保溫改造后，冬季通風模式由門窗進風改為由天棚進風后，新風進入豬舍內進行冬季通風耗熱量計算時的舍外溫度升高為新風進入天棚位置的溫度，較大程度降低了通風耗熱量，即由30.6 W/m2降低為7.8 W/m2。因此，判斷豬舍圍護結構不同部位節(jié)能改造效果顯著程度，可以先從圍護結構傳熱系數(shù)現(xiàn)值及可能下降的幅度著手，然后，通過調控通風進風溫度或者控制冬季通風量降低豬舍通風耗熱量。

2.2.2 不同節(jié)能改造方式豬舍供暖季能耗和改造成本

計算豬舍逐時能耗，逐時能耗中存在負數(shù)，能耗為負數(shù)時實際情況下只能是在豬舍內溫度不變時提高通風量或者在通風量不變時任由豬舍內溫度升高，在合計豬舍供暖季總能耗時負數(shù)能耗不能計算在總能耗之內（豬舍無儲能構造時），在此，令逐時能耗中負數(shù)值為0（按照舍內溫度控制供暖），最后合計得到改造前豬舍、只做墻體保溫改造、在墻體保溫改造基礎上增加保溫天棚（門窗進風）和在墻體保溫改造基礎上增加保溫天棚（天棚進風）4種情況的豬舍供暖季總能耗。供暖季共2 904 h，天棚進風需要40 W功率風機連續(xù)運轉，供暖季風機共耗能116 kW·h，天棚進風較門窗進風減少能耗35.1 kW·h/m2，單位建筑面積風機能耗為0.9 kW·h/m2，相當于外墻天棚保溫后天棚進風豬舍實際總能耗為1.1 kW·h/m2。豬舍墻體改造面積合計110.24 m2，墻體保溫改造投資約為100元/m2墻體面積，豬舍建筑面積為128.32 m2，單位建筑面積墻體改造成本約為85.9元/m2。單位建筑面積保溫天棚改造成本約為400元/m2。冬季通風風機成本約為700元，折合單位建筑面積成本為5.5元/m2。假設節(jié)約的能耗由電直接提供，單位能源價格為0.60元/（kW·h），則各步驟節(jié)能改造能耗、改造成本、節(jié)約的單位能耗改造成本及投資回收期見表4。

表4 不同節(jié)能改造方式供暖季分娩豬舍能耗和改造成本

由表4可知，外墻保溫豬舍較未保溫豬舍可節(jié)能73.0 kW·h/m2；外墻天棚保溫門窗進風豬舍（T3）較外墻保溫豬舍僅節(jié)能9.9 kW·h/m2；外墻天棚保溫天棚進風豬舍（T4）較外墻天棚保溫門窗進風豬舍（T3）可節(jié)能35.1 kW·h/m2。外墻保溫豬舍（T2）與未保溫豬舍（T1）相比、外墻天棚保溫門窗進風豬舍（T3）與外墻保溫豬舍（T2）相比、外墻天棚保溫天棚進風豬舍（T4）與外墻天棚保溫門窗進風豬舍（T3）相比、外墻天棚保溫天棚進風豬舍（T4）與外墻保溫豬舍（T2）相比，節(jié)約的單位能耗的改造成本分別為1.2、40.4、0.2和9.0 Yuan/(kW·h)。從未保溫到外墻保溫、從外墻保溫到外墻天棚保溫門窗進風、從外墻保溫到外墻天棚保溫天棚進風，3個改造步驟的投資回收期分別為2.0、67.3和15.0 a。外墻天棚保溫門窗進風（T3）與外墻天棚保溫天棚進風（T4）相比，后者僅需增加0.2 Yuan/(kW·h)和0.3 a的投資回收期就可獲得35.1 kW·h/m2的節(jié)能收益。因此，若以節(jié)約的單位能耗所需投資最小為目標選擇豬舍節(jié)能改造方式，外墻保溫節(jié)能改造最好。但是，若以豬舍總能耗最低目標選擇，豬舍外墻和天棚均需要保溫改造并進行天棚預熱新風機械通風。節(jié)能改造有不同的深度，改造深度越深，成本越高，節(jié)能量越多，具體改造深度主要由可投入的成本及其他因素確定[31]。試驗分娩豬舍在外墻保溫改造后，如果冬季通風方式不由門窗直接進風改造為天棚預熱新風方式，在現(xiàn)有屋頂材料（傳熱系數(shù)為0.47 W/(m2·K)）情況下，只進行天棚保溫改造經(jīng)濟意義不大。

歐洲養(yǎng)豬能耗方面，用于通風和局部供暖方面每年的電能為34～37 kW·h/m2，照明為1～5 kW·h/m2[32]，假設本試驗建筑面積128.32 m2豬舍內12頭母豬每個仔豬保溫箱的保溫燈功率冬季為200 W（每批使用21 d），其他季節(jié)為150 W（平均每批使用2 d），仔豬21 d斷奶，1個冬季4批分娩母豬，則仔豬局部供暖1個冬季的能耗約為37.7 kW·h/m2，其他季節(jié)局部供暖飼養(yǎng)批次數(shù)為6.4批，則其他季節(jié)局部供暖能耗約為4.3 kW·h/m2，冬季局部供暖能耗的節(jié)能措施主要為：根據(jù)仔豬隨著日齡的增加溫度需求降低，對仔豬局部溫度調控可降低能耗21.7%[33]。該種豬舍一般春秋季自然通風、夏季機械通風，假設夏季120 d每天24 h通風，夏季風機功率0.4 kW，則夏季通風能耗為9.0 kW·h/m2。該種豬舍自然采光，不計照明能耗。因此，該種豬舍環(huán)境控制中每年通風和局部供暖總能耗約為43.7 kW·h/m2，高于歐洲通風和局部供暖方面每年的電能，可能是由于不同地區(qū)舍外溫度不同導致仔豬局部供暖能耗差異。第3步節(jié)能改造后豬舍整舍供暖能耗為0.2 kW·h/m2。豬舍整舍供暖的能耗每個國家的舍外氣候不同，供暖能耗也不同，暫時未見關于豬舍整舍供暖能耗的報道，僅有前文中MWPS關于豬舍圍護結構保溫節(jié)能的要求。

2.3 不同節(jié)能改造方式豬舍不需供暖時間

利用北京市供暖季11月15日至3月15日典型氣象年逐時溫度計算了4種節(jié)能改造豬舍逐時耗熱量，北京市供暖季最低溫度?14.2 ℃，最高溫度18.9 ℃，溫度最低值出現(xiàn)在1月份。表1列出了在舍外溫度為?14.2 ℃時4種節(jié)能改造豬舍的耗熱量。當計算所得的逐時耗熱量≤0時，該時刻（以小時計）不需要供暖，統(tǒng)計了4種節(jié)能改造豬舍不需要供暖的時長，見表5。

表5 不同節(jié)能改造方式豬舍供暖季不需供暖時長

由表5可知，在溫度最低時刻（?14.2 ℃），未保溫豬舍、外墻保溫豬舍、外墻天棚保溫門窗進風豬舍和外墻天棚保溫天棚進風豬舍的耗熱量分別為108.7、59.2、51.7和7.2 W/m2。4種豬舍不需供暖的時長分別為284、811、952和2 785 h，4種豬舍不需要供暖時長占供暖期總時長（2 904 h）的比例分別為10%、28%、33%和96%。結合不需要供暖的時長占供暖總時長比例和豬舍單位建筑面積能耗（表4）數(shù)據(jù)，在試驗條件通風量和豬體質量情況下，分娩豬舍進行了墻體外保溫改造、天棚保溫改造和天棚進風改造后已成為近零能耗建筑。

3 結 論

1）當舍外、舍內溫度分別為0.1 ℃和18 ℃，冬季通風量為600 m3/h時，天棚預熱新風、新風進入舍內位置處的溫度為13.2 ℃。

2）未保溫豬舍、外墻保溫豬舍、外墻天棚保溫門窗進風豬舍和外墻天棚保溫天棚進風豬舍整個供暖季總能耗（整舍供暖）分別為118.2、45.2、35.3和0.2 kW·h/m2。外墻保溫豬舍與未保溫豬舍相比、外墻天棚保溫門窗進風豬舍與外墻保溫豬舍相比、外墻天棚保溫天棚進風豬舍與外墻天棚保溫門窗進風豬舍相比、外墻天棚保溫天棚進風豬舍與外墻保溫豬舍相比，節(jié)約的單位能耗的改造成本分別為1.2、40.4、0.2和9.0元/(kW·h)。

3）未保溫豬舍、外墻保溫豬舍、外墻天棚保溫門窗進風豬舍和外墻天棚保溫天棚進風豬舍不需要供暖的時長分別為284、811、952和2 785 h，4種豬舍不需要供暖的時長占供暖期總時長的比例分別為10%、28%、33%和96%。

4）以節(jié)約的單位能耗所需投資最小目標選擇豬舍節(jié)能改造方式，墻體保溫節(jié)能改造最好。但是，以豬舍總能耗最低為目標，豬舍墻體和天棚均需要保溫改造并進行天棚預熱新風機械通風。

[1] European Commission. 2030 climate & energy framework [EB/OL]. (2014-10-28) [2018-04-25] https://ec.europa.eu/clima/ policies/strategies/2030_en.

[2] European Commission. Buildings - European Commission n.d [EB/OL]. (2015-05-13) [2018-04-05] https://ec.europa.eu/energy/ en/topics/energy-efficiency/ buildings

[3] Toller S, Wadeskog A, Finnveden G, et al. Energy use and environmental impacts of the swedish building and real estate management sector[J]. Journal of Industrial Ecology, 2011, 15(3): 394－404.

[4] Ramírez-Villegas R, Eriksson O, Olofsson T. Assessment of renovation measures for a dwelling area-Impacts on energy efficiency and building certification[J]. Building and Environment, 2016, 97: 26－33.

[5] Toleikyte A, Kranzl L, Müller A. Cost curves of energy efficiency investments in buildings – Methodologies and a case study of Lithuania[J]. Energy Policy, 2018, 115: 148－157.

[6] Almeida M, Ferreira M. Cost effective energy and carbon emissions optimization in building renovation (Annex 56) [J]. Energy and Buildings, 2017, 152: 718－738.

[7] Niemel? T, Kosonen R, Jokisalo J. Cost-effectiveness of energy performance renovation measures in Finnish brick apartment buildings[J]. Energy and Buildings, 2017, 137: 60－75.

[8] Niemel? T, Kosonen R, Jokisalo J. Cost-optimal energy performance renovation measures of educational buildings in cold climate[J]. Applied Energy, 2016, 183: 1005－1020.

[9] Ferreira M, Almeida M, Rodrigues A. Cost-optimal energy efficiency levels are the first step in achieving cost effective renovation in residential buildings with a nearly-zero energy target[J]. Energy and Buildings, 2016, 133: 724－737.

[10] Taillandier F, Mora L, Breysse D. Decision support to choose renovation actions in order to reduce house energy consumption-An applied approach[J]. Building and Environment, 2016, 109: 121－134.

[11] Jradi M, Veje C T, J?rgensen B N. A dynamic energy performance-driven approach for assessment of buildings energy renovation—Danish case studies[J]. Energy and Buildings, 2018, 158: 62－76.

[12] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.既有居住建筑節(jié)能改造指南[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[13] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.既有居住建筑節(jié)能改造技術規(guī)程：JGJ T129-2012[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013-02-01.

[14] 建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃[EB/OL]. http://www.china-nengyuan.com/news/105737.html, 2017-03-01.

[15] 李琴，劉鵬，劉中英，等. 畜舍熱交換芯體-風機熱回收通風系統(tǒng)的熱回收效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(8)：176－182.

Li Qin, Liu Peng, Liu Zhongying, et al. Heat recovery effect of heat recovery ventilation system with heat exchanger-fan for livestock house [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(8): 176－182. (in Chinese with English abstract)

[16] 袁月明，孫麗麗，潘世強，等. 太陽能豬舍地道通風方式對舍內熱環(huán)境的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2014，30(16)：213－220.

Yuan Yueming, Sun Lili, Pan Shiqiang, et al. Impact of tunnel ventilation on thermal environment in solar heated swine housing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(16): 213－220. (in Chinese with English abstract)

[17] 王美芝，劉繼軍，田見暉，等. 北京市豬舍節(jié)能改造的節(jié)能及保溫效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2014，30(5)：148－154.

Wang Meizhi, Liu Jijun, Tian Jianhui, et al. Energy saving and insulation effect of renovation for existing swine houses in Beijing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(5): 148－154. (in Chinese with English abstract)

[18] Jedele D G, Curtis J Q, Jones D D, et al. Midwest Plan Service[M]// Structures and Environment Handbook, Eleventh Edition. 1987.

[19] Turnbull J E, Montgomery G F. Insulation in farm building[Z]. Publication 1601/E. Agriculture Canada. 1983.

[20] Zong C, Li H, Zhang G Q. Ammonia and greenhouse gas emissions from fattening pig house with two types of partial pit ventilation systems[J]. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2015, 208: 94－105.

[21] 中華人民共和國公安部.建筑設計防火規(guī)范：GB 50016－2014[S]. 北京：中國計劃出版社，2014-08-27.

[22] 北京市質量技術監(jiān)督局，北京市規(guī)劃委員會. 居住建筑節(jié)能設計標準：DB11/891-2012[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014-06-14.

[23] 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. 豬場環(huán)境參數(shù)與環(huán)境管理：GB/T17824.3-2008[S]. 北京：中國標準出版社，2008-07-31.

[24] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部，中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局. 民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范：GB50736-2012[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012-01-21.

[25] 中國氣象局信息中心氣象資料室，清華大學建筑技術科學系.中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[26] 杜大勇，宋連杰，李瑩，等. 天津常用建筑外窗遮陽系數(shù)的計算[J]. 天津建設科技，2012，2：3－4.

[27] 袁廣宇. 大學物理上冊[M]. 合肥：中國科技大學出版社，2018.

[28] Bartali E H, Jongebreur A, Moffitt D. The International Commission of Agricultural Engineering. CIGR Handbook of Agricultural Engineering, Volume II, Animal Production & Aquacultural Engineering. Part I Livestock Housing and Environment[M]. St Joseph MI: The American Society of Agricultural Engineers, 1999: 43－44.

[29] Blanes V, Pedersen S. Ventilation flow in pig houses measured and calculated by carbon dioxide, moisture, and heat balance equations[J]. Biosystems Engineering. 2005, 92(4): 483－493.

[30] Harmon J D, Xin H W. Health Hazards in Swine Confinement Housing: How Bad Is Bad? [EB/OL].http://lib.dr.iastate.edu/abe_eng_animalproduction_pubs/.1995.

[31] Avelin A, Dahlquist E, Wallin F. Effect of different renovation actions, their investment cost and future potential[J]. Singapore. Energy Procedia, 2017, 143: 73－79.

[32] Costantino A, Fabrizio E, Biglia A, et al. Energy use for climate control of animal houses: The state of the art in Europe[J]. Energy Procedia, 2016, 101: 184－191.

[33] 劉芳，吳中紅，王美芝，等. 仔豬保溫箱溫度調控設備應用效果研究[J]. 黑龍江畜牧獸醫(yī)，2009(1)：27－29.

Comparison of heating energy consumption and economy of pig house with different energy saving renovation measures

Wang Meizhi1,2, Xue Xiaoliu1, Liu Jijun1,2, Yi Lu1, Chen Zhaohui1,2, Wu Zhonghong1,2※

(1.100193;2.100193,)

It is forbidden to use coal to heat pig house in “2+26” cities in Northern China at present, and the cost of alternative energy sources like electricity and gas used to heat pig house will increase. The aim of this paper is to evaluate and analyze the effect of different pig house envelope insulation renovation measures and ventilation modes in winter on energy consumption of space heating and cost. This paper covers theoretical and experimental methods. A natural ventilated and natural lighted farrowing house with 12 farrowing sows was selected to be an experimental pig house and the wall was made of bricks with the thickness of 240 mm and had no ceiling. In this experiment, the weight of sow was 238 kg, ventilation rate of the farrowing house was set to be 600 m3/h, and indoor temperature was set to be 18 ℃. The CO2concentration indoors was less than 2 414 ppm when the ventilation rate was 600 m3/h, and it was thought the ventilation rate was enough in heating periods to save ventilation energy. The renovation measures were divided into 4 types or stages: uninsulated (the original farrowing house), wall insulated (Step 1, renovated in 2015), wall and ceiling insulated with ventilation inlet on the windows and doors (Step 2, renovated in 2017), wall and ceiling insulated with ventilation inlet on the ceiling (Step 3, renovated in 2017). Temperatures at the inlet on the ceiling, outdoors and indoors were measured and analyzed. Energy consumption of space heating and cost of different renovation types were calculated and compared. The results indicated that temperature at the inlet on the ceiling was 13.2 ℃ when the temperature outdoors was 0.1 ℃ and the temperature indoors was 18 ℃. Which part of the envelopes of the farrowing house used to be renovated would be more effective in energy saving depended on the values of heat transfer coefficients, air temperature at the inlet of ventilation, ventilation rate, and so on. Energy consumption in environmental control of farrowing house was divided into spacing heating and ventilation and localized heating in Beijing, China. Energy consumption of space heating in winter for uninsulated, wall insulated, wall and ceiling insulated with ventilation inlet on the windows and doors and wall and ceiling insulated with ventilation inlet on the ceiling was 118.2, 45.2, 35.3 and 0.2 kW·h/m2, respectively. Renovation cost of unit energy saving for Step 1, Step 2 and Step 3 was 1.2, 40.4 and 9.0 Yuan/(kW·h), respectively. Payback period of Step 1, Step 2 and Step 3 was 2.0, 67.3 and 15.0 a, respectively. For space heating of uninsulated, wall insulated, wall and ceiling insulated with ventilation inlet on the windows and doors, wall and ceiling insulated with ventilation inlet on the ceiling of the farrowing house, the time with no need for heating in winter was 284, 811, 952 and 2 785 h, respectively, the percentage of the time with no need for heating in 2 904 h was 10%, 28%, 33% and 96%, respectively. Ventilation and localized heating of farrowing house was calculated to be 43.7 kW·h/m2in the whole year for the 4 types of energy efficiency renovation farrowing houses. Wall insulation was the best renovation measure on basis of least renovation cost of saving unit energy consumption, whereas wall and ceiling insulated with ventilation inlet on the ceiling was the best renovation measure on basis of least total energy consumption.

insulation; facilities; ventilation; envelope; farrowing house; energy efficiency renovation; energy consumption; cost

王美芝，薛曉柳，劉繼軍，易 路，陳昭輝，吳中紅. 不同節(jié)能改造方式豬舍的供暖能耗和經(jīng)濟性比較[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34(13)：218－224. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.026 http://www.tcsae.org

Wang Meizhi, Xue Xiaoliu, Liu Jijun, Yi Lu, Chen Zhaohui, Wu Zhonghong. Comparison of heating energy consumption and economy of pig house with different energy saving renovation measures[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(13): 218－224. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.026 http://www.tcsae.org

2018-04-13

2018-06-01

生豬產(chǎn)業(yè)技術體系北京市創(chuàng)新團隊項目，項目編號：BAIC02-2018；重點專項：畜禽重大疫病防控與高效安全養(yǎng)殖綜合技術研發(fā)-畜禽養(yǎng)殖智能裝備與信息化技術研發(fā)，項目編號：2018YFD0500700

王美芝，女，副教授，博士，主要從事畜牧工程與畜牧環(huán)境研究。Email：meizhiwang@cau.edu.cn

吳中紅，女，副教授，博士，主要從事畜禽環(huán)境工程、環(huán)境對家畜生殖發(fā)育的影響方面的研究。Email：wuzhh@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.026

S210.41

A

1002-6819(2018)-13-0218-07