基于Ecotect的不同墻體材料豬舍光熱環境和熱性能分析

袁月明，宋 陽，解晨輝，周麗娜

·農業生物環境與能源工程·

基于Ecotect的不同墻體材料豬舍光熱環境和熱性能分析

袁月明，宋 陽，解晨輝，周麗娜

（吉林農業大學工程技術學院，長春 130118）

北方地區冬季寒冷漫長，為探究北方冬季養豬的采光及保溫問題，該文基于Ecotect軟件，以吉林省內某大型豬場的典型豬舍為對象，等比例建模仿真，研究豬舍的光熱環境及豬場生產區光環境，探究豬舍內不同高度的采光系數及豬場生產區采光情況，分析4種形式不同墻體材料豬舍的保溫性能。結果表明，試驗豬舍各研究高度采光系數均高于2%，滿足綠色建筑標準；豬場生產區采光良好，在大寒日的太陽輻射量可達5.38 MJ/(m2·d)，日照充足無遮擋；通過對比4種形式不同墻體材料豬舍的逐月能耗值，計算出4種形式豬舍中黏土多孔磚豬舍、泡沫混凝土豬舍、酚醛夾芯板彩鋼豬舍和低密度聚乙烯薄膜溫室大棚豬舍的保溫性能最好，考慮成本后更推薦爐渣磚砌體豬舍、粉煤灰加氣砌塊豬舍、聚苯夾芯板彩鋼豬舍和低密度聚乙烯薄膜溫室大棚豬舍；通過將試驗實測值與軟件模擬值進行數據對比，計算得出相對誤差范圍為0.74%～8.62%，驗證了模型的可靠性。該文可以為探究北方豬舍的光熱環境提供理論依據，為建筑設計師在方案實施前提供更多優化設計方案的思路。

環境控制；光；豬舍；熱環境；墻體材料；Ecotect

0 引 言

隨著生活水平的提高，人們對豬肉的需求量及其質量的要求逐漸增大，促使現代養豬產業迅速發展。在規模化養豬生產過程中，無論是戶外養豬還是舍飼散養[1]，舍內外環境對豬的生長發育起著尤為重要的作用，好的生長環境可以提高豬群的健康水平以及豬肉的產量和質量。近年來，中國的養豬業已經逐漸向東北轉移，而中國北方地區冬季寒冷漫長，寒冷的環境使飼料轉化效率和豬群生產性能降低，與豐富的飼料資源、土地資源相比，北方特殊的氣候資源在養豬業中起著決定性的作用。在北方氣候區的冬季里，養豬生產者在進行舍內環境控制時，會面臨保溫的巨大難題。

豬舍的熱量來源來自于豬群的顯熱、太陽輻射熱和供暖設備的供熱，豬舍建筑圍護結構、外門窗及各類開口直接影響豬舍內部熱環境，其中豬舍建筑圍護結構傳熱得失熱是影響豬舍保溫性能的主要因素。良好的光環境不僅能給豬舍提供充足的太陽輻射熱，合適的光照強度還能預防某些豬體疾病，促進豬只生長，減少豬只的應激反應，提高生產性能[2-4]。

目前國內外研究畜禽舍光熱環境以利用傳感器實地測量和利用仿真軟件模擬分析為主。王美芝等[5]計算得出現有豬舍外墻構造類型中，外貼聚苯板內砌磚的復合墻體隔熱性能最好。林加勇等[6]將漏縫地板作為多孔介質簡化，模擬了空載及裝豬豬舍內的風速場和溫度場，得出兩者溫度分布結構相似。王小超等[7]模擬得出冬季熱回收換氣系統送風角度在45°時的舍內溫度分布均勻。袁月明等[8]對試驗豬舍和某豬場豬舍進行光熱環境的對比模擬，得出豬舍建筑的最佳朝向為南偏西25°。張思遠[9]針對北方地區氣候特點，設計了豬舍環境精準控制模型，實現豬舍內的環境參數的控制。彭占武等[10]研制了畜禽舍環境多因素實時監測系統，數據傳輸穩定。Daskalov等[11]開發了自然通風豬舍的微環境控制器，可控制舍內氣流、溫度和風向風速。賀城等[12]對比模擬發現公豬舍橫向通風的氣流場均勻且降溫明顯。陳重遠等[13]對妊娠豬舍的溫度場進行模擬，實測結果與模擬結果吻合度高。李頎等[14]研究了一種方便飼養員管理的豬舍小氣候環境模糊控制系統。王校帥[15]對分娩母豬舍的氣流場、溫度場和濕度場進行模擬，發現縱向濕簾通風無法滿足夏季降溫要求。Seo等[16]模擬了豬舍，在模型中考慮了維護結構和豬對環境的影響。此模型可以應用于豬舍結構和通風系統的改進，提高室內溫度均勻性。馮博[17]應用Ecotect軟件對某住宅圍護結構熱環境節能改造的不同方案進行分析，以熱舒適為前提、節能為目的分析不同方案最優的改造方法。

國內外研究可以看出利用傳感器實地測量工作量大，速度慢，設備笨重且只能對已建成的建筑物進行分析，具有局限性。相比之下，利用計算機模擬軟件分析時，可以打破局限，預先模擬，在設計階段就可做出改進；應用Ecotect軟件研究分析時，邊界條件方便設置，操作過程相對簡單且結果可視化能力較強[18-22]，雖以民用建筑分析為主，但在畜禽舍的分析應用中前景廣闊。

為探究東北地區豬舍的保溫問題，本文利用Ecotect軟件，在走訪豬場后，以試驗豬舍和某豬場大棚豬舍及其場區為原型，等比例建模進行模擬分析，研究豬舍及場區的光環境、不同形式不同墻體材料豬舍的建筑保溫能耗。為后者研究豬舍的環境條件提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗豬舍模型及參數

經走訪調研得出，吉林省內以磚墻形式豬舍、混凝土墻形式豬舍、彩鋼墻形式豬舍和溫室大棚形式豬舍4種形式豬舍為主。模擬磚墻、混凝土墻、彩鋼墻形式豬舍以吉林農業大學試驗豬舍為基準，模擬溫室大棚形式豬舍以某豬場大棚豬舍為基準，模擬豬場場區以某豬場場區為基準。

試驗豬舍長48 m，寬9 m，高2.7 m，屋頂傾角為30°，主體承重結構采用鋼結構，彩鋼屋頂采用0.5 mm藍色壓型鋼板+ 150 mm玻璃絲棉保溫層+ 2 mm SBS（苯乙烯類熱塑性彈性體）改性瀝青卷材隔氣層+0.5 mm白色壓型鋼板配合而成，玻璃是由雙中空鋁合金構成。墻體構成為20 mm水泥砂漿+290 mm中間墻板+20 mm水泥砂漿。某豬場溫室大棚棚面為聚乙烯薄膜，兩側墻體均為20 mm水泥砂漿+290 mm灰砂磚+20 mm水泥砂漿。

利用Ecotect建立1∶1豬舍模型如圖1所示，試驗豬舍各構件計算參數如表1所示，溫室大棚豬舍各構件計算參數如表2所示。

a. 試驗豬舍Ecotect模型a. Ecotect model of test piggeryb. 溫室大棚形式豬舍Ecotect模型b. Ecotect model of greenhouse for piggeryc. 研究豬場Ecotect模型c. Ecotect model of pig farm in this study

表1 試驗豬舍各構件計算參數表

表2 溫室大棚豬舍各構件計算參數表

Ecotect作為民用建筑軟件，通過設定建筑內人的狀態、建筑結構參數以及環境參數，能夠對建筑進行光環境分析、能耗分析、日照和遮擋分析等。本試驗研究對象為仔豬，在分析豬舍的建筑能耗時，需要在軟件中選擇人的狀態來模擬仔豬，模擬時可以確定用裸露并久坐的人來模擬仔豬。但該狀態下人與仔豬的單位顯熱量不同，根據熱平衡原理，需要根據人與豬的顯熱功率關系進行數量換算。軟件中默認裸露并久坐的人的顯熱功率為70 W，即252 kJ/h；9.0 kg的仔豬的顯熱功率為100.24 kJ/h[23]。通過如下公式（1）、（2）、（3），模擬豬舍中的300頭仔豬在軟件中可換算為119個選定狀態的人。

式中Q為豬的總熱發散量，kJ；Q為人的總熱發散量，kJ；P為每頭豬每小時的熱發散量，kJ/h；N為豬的頭數；為時間，h；P為每個人每小時的熱發散量，kJ/h；N為人數。

1.2 光環境分析方法

《綠色建筑評價標準》（GB50378—2014）標準規定，建筑室內采光系數大于2%的面積，要占到總面積的75%以上[24]。運用Ecotect軟件，根據吉林省長春市地區氣候條件，提取直射/散射太陽輻射、全年溫度/濕度變化、全年風速變化等氣象條件。在最佳建筑朝向傾角，最佳屋頂傾角的基礎上[8]，探究舍內地面及距離地面0.5、0.8 m的采光系數。

國標（GB50180—1993）規定：“建筑間距，應以滿足日照要求為基礎，綜合考慮采光、通風、消防、防震、管線埋設、避免視線干擾等要求確定[25]。”建筑布置以滿足日照要求作為確定建筑間距的主要依據，運用Ecotect軟件分析場區日照間距、日照時間以及建筑物遮擋情況。

1.3 熱環境分析方法

運用Ecotect軟件結合豬舍建筑形式，分析豬舍的能耗情況，其中，軟件區域設置參數為：人的穿衣指數為0，室內濕度為60%，風速為0.1 m/s，室內溫度為24 ℃。豬舍中放入相同質量相等數量的豬，在不改變墻體內外材質，僅改變中間材料的情況下，分析4形式豬舍不同材料的能耗情況。

材料常見的有灰砂磚砌體、混凝土空心磚、爐渣磚砌體和黏土多孔磚。混凝土墻材料常見的有粉煤灰加氣砌塊、砂加氣制品、泡沫混凝土。彩鋼墻中間夾芯板常見的有聚苯夾芯板、巖棉夾芯板和酚醛夾芯板。大棚豬舍構成材料常見的有低密度聚乙烯薄膜、中密度聚乙烯薄膜和高密度聚乙烯薄膜。

2 結果與討論

2.1 豬舍光環境分析

陽光所產生的熱效應可以提高室內溫度，具有取暖和干燥的作用。適當延長光照時間或提高光照強度，可提高仔豬免疫力，促進食欲，提高仔豬成活率與質量增長速度。本試驗模擬了豬舍地面及距離地面0.5、0.8 m高度的自然采光情況，分別對應豬舍潮濕地面、豬只臥倒及站立高度的位置，采光模擬云圖如圖2所示。

由圖可得豬舍地面采光系數分布范圍為32%～72%，平均值為49.77%；豬舍0.5 m高度采光系數分布在1.2%～41.2%之間，平均值為18.20%，最低值為1.2%，其分布在豬舍中間值班室區域，而飼養區域內采光系數均高于2%；在0.8 m高度，豬舍采光系數分布范圍為2.4%～42.4%，平均值為18.52%。

豬舍各研究高度飼養區域自然采光系數均高于2%，采光情況極好，滿足《綠色建筑評價標準》[24]。豬舍內良好的光環境能一定程度地緩解豬舍的潮濕問題；且陽光中的紫外線具有很強的殺菌能力，可以幫助豬只預防某些皮膚疾病，也能一定程度控制疫情的產生和傳播。

a. 地面 a.Groundb. 0.5 mc. 0.8 m

2.2 豬場生產區光環境分析

陽光照射能引起人類和動植物的各種光生物學反應，促進生物機體新陳代謝，陽光中所含的紫外線能預防與防治一些疾病，因此，豬場生產區適宜的日照有重要的衛生意義。另外，陽光中含有大量的紅外線和可見光，冬天直射入室產生的熱效應能提高室內溫度，起到取暖與干燥作用。

豬場的建筑布局需要考慮整個場區的采光效應和遮擋情況。在滿足防疫距離和場區采光的基礎上，要以節約用地為原則，合理布局豬舍建筑。過于密集的建筑，會使單棟豬舍光照不足，因此研究場區光環境很有必要。

2.2.1 日照時間與太陽輻射量分析

國家規定測算日照時間的標準日是大寒日[24]。本文模擬了研究地區某豬場的大寒日日照時間和太陽輻射量，云圖如圖3、圖4所示。

圖3 豬場大寒日日照小時數分布云圖

圖4 豬場日太陽輻射量分布云圖

從圖3可以看出，研究豬場整個場區在大寒日的日照小時數基本達到了5 h，即使是在豬舍建筑背面處的場地其日照小時數亦具有3～5 h的水平。該豬場豬舍在大寒日的有效日照時間大于國標（GB50180—1993）[25]要求的2 h。

從圖4可見，整個場區太陽輻射量達到了5.40 MJ/(m2·d)，在豬舍建筑背面處的場地，太陽輻射量能達到3.79～4.05 MJ/(m2·d)的水平。該豬場生產區日照充足，能在一定程度上預防疫情。

2.2.2 豬舍之間遮擋與投影分析

豬場同類舍的防疫間距為10～15 m，不同類舍防疫間距為15～20 m[1]。該豬場建筑間距為16 m，滿足防疫要求，間距選擇合理。通過對豬舍在太陽軌跡圖上的位置進行分析，可以判斷它們陽光遮擋的情況和在場地參照點上產生的陰影。

建筑師需要規劃建筑和街道，從而高效地利用太陽光。豬舍要利用太陽光，前提是陽光要進入豬舍。在稠密地區，有必要對豬舍的密度與高度進行考察，以確保每棟豬舍都有一定時間的日照。如圖5可看出豬舍生產區豬舍與豬舍之間并沒有遮擋問題。

2.3 熱環境分析

建筑能耗是維持建筑功能和建筑物在運行過程中所消耗的能量，室內的能耗是評價建筑節能設計質量的指標，能為建筑采暖、空調系統等設計提供參考依據[26]。Ecotect軟件可以分析建筑整體和各個區域的逐月供暖空調能耗與全年供暖/制冷的最大負荷。在東北地區主要側重冬季供暖，供暖期為10月20日—4月10日之間，本文模擬的豬舍建筑能耗是指豬舍在供暖期內維持室內預計溫度需要補充的熱量。圍護結構傳熱直接影響豬舍的保溫性能，以下對4種形式不同墻體材料豬舍的能耗進行分析。

圖5 研究豬場豬舍投影情況

2.3.1 磚墻形式豬舍能耗模擬分析

磚墻形式4種墻體材料豬舍供暖期能耗情況，如表3所示。磚墻形式4種墻體材料豬舍供暖期分別需要補充11 350、19 185、8 956、8 204 kWh熱量。B豬舍供暖期需要補充的熱量最多，A、C、D豬舍供暖期需要補充的熱量比B豬舍分別少40.80%、53.32%、57.24%。D豬舍供暖期需要補充的熱量最少。主要原因是D豬舍墻體的傳熱系數小，說明D豬舍即黏土多孔磚豬舍在冬季能較好的保存室內熱量。此外，墻體材料的選擇還應綜合考慮抗壓、吸濕、經濟性、施工便捷性等因素，可酌情調整墻體材料的優先級。因此，由于成本造價低，C豬舍即爐渣磚砌體豬舍也可作為選擇。

表3 不同墻體材料豬舍供暖期能耗情況

2.3.2 混凝土墻形式豬舍能耗模擬分析

混凝土墻形式3種墻體材料豬舍供暖期能耗情況見表 3。混凝土形式3種墻體材料豬舍供暖期分別需要補充5 643、4 940、4 082 kWh熱量，E豬舍供暖期需要補充熱量最多，F豬舍比E豬舍供暖期需要補充熱量少12.46%；G豬舍比E豬舍供暖期需要補充熱量少27.66%。由于G豬舍墻體的傳熱系數最小，所以所需熱量最少，保溫性能相較于同墻體形式其他2種墻體材料豬舍更好。考慮成本后，也可選擇E豬舍即粉煤灰加氣砌塊豬舍。

2.3.3 彩鋼墻形式豬舍能耗模擬分析

彩鋼墻形式3種墻體材料豬舍供暖期能耗情況，如表3所示。H、I、J豬舍供暖期分別需要補充15 919、40 930、10 943 kWh熱量，I豬舍供暖期需要補充熱量最多，H豬舍比I豬舍供暖期需要補充熱量少61.11%；J豬舍比I豬舍供暖期需要補充熱量少73.26%，J豬舍供暖期需要補充的熱量最少。由于J豬舍即酚醛夾芯板彩鋼豬舍的墻體傳熱系數小，因此在冬季的保溫性能好。根據市場成本，H豬舍即聚苯夾芯板彩鋼豬舍也是很好的選擇。

2.3.4 溫室大棚形式豬舍能耗模擬分析

區域設置參數不變，分別對溫室大棚形式3種棚面材料豬舍進行分析。大棚形式3種棚面材料豬舍供暖期能耗情況，如表3所示。

從表中可以看出溫室大棚形式3種棚面材料豬舍供暖期分別需要補充48 721、50 725、53 066 kWh熱量，M豬舍供暖期需要補充熱量最多，K豬舍比M豬舍供暖期需要補充熱量少8.19%；L豬舍比M豬舍供暖期需要補充熱量少4.41%，K豬舍即低密度聚乙烯薄膜豬舍供暖期需要補充的熱量最少。說明其棚面材料傳熱系數最小，因而在冬季能較好的保存室內熱量，并且成本較另外2種棚面材料也更少。

2.3.5 試驗驗證

試驗驗證時，在豬舍中分隔出長11 m，寬9 m，高2.7 m的溫度自控間，內置相應匹數的空調來模擬空載豬舍，如圖6所示。選擇12月份作為試驗驗證時間段，12月1日至12月31日為測試時間，期間在每天中午12點進行數據記錄，所用的設備為ZJXED電力監測儀（額定電壓220 V，額定頻率50 Hz，最大電流16 A），因為試驗間中有空調作為加熱裝置，所以空調耗電量與空調能效比的乘積，即為計算機模擬的豬舍供暖期需要補充的熱量值。將實際測得的補充熱量值與計算機的模擬結果進行對比，以此來驗證Ecotect模擬豬舍建筑熱環境的可行性和可靠性。

圖6 溫度自控豬舍及模型

試驗間空調的制熱量為4 450 W，制熱功率為1 330 W，制熱能效比為3.35，12月份實測能耗值與模擬能耗值的對比如表4所示。

表4 試驗豬舍12月份能耗對比

通過模擬值與實測值的對比分析得出，日能耗相對誤差范圍為0.74%～8.62%；12月份空調消耗了1 019 kW·h的電量，給豬舍補充的熱量值為3 413.65 kW·h，而計算機模擬得出12月份需要補充3 497 kW·h的熱量，可計算出相對誤差為2.44%，說明本次模擬所得到的結果是可靠的。軟件的能耗模擬值和實測值具有良好的一致性，一方面驗證了軟件中設置參數的正確合理性，另一方面說明Ecotect軟件應用在豬舍建筑中具有可行性。

3 結 論

根據吉林省長春市地區氣候條件，借助Ecotect模擬分析軟件，對實際豬舍的光熱環境及豬場生產區的光環境進行了模擬分析，得出以下結論：

1）試驗豬舍內地面及距離地面0.5、0.8 m處高度的采光系數均高于2%，滿足綠色建筑標準。

2）豬場生產區在大寒日的太陽輻射量可達5.38 MJ/(m2·d)，場區日照充足；豬場建筑間距滿足防疫標準，且無遮擋問題。

3）4種形式不同墻體豬舍在供暖期的能耗情況分析結果表明：黏土多孔磚豬舍、泡沫混凝土豬舍、酚醛夾芯板彩鋼豬舍在其對比豬舍中保溫性能最好，考慮成本之后建議使用爐渣磚砌體豬舍、粉煤灰加氣砌塊豬舍和聚苯夾芯板彩鋼豬舍；溫室大棚豬舍棚面材料推薦使用低密度聚乙烯薄膜。

4）試驗驗證的空載豬舍12月份日能耗模擬值與實測值的相對誤差范圍為0.74%～8.62%；12月份總能耗值相對誤差為2.44%，結果可靠。

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Analysis of light environment and thermal performance of piggery with different wall materials based on Ecotect

Yuan Yueming, Song Yang, Xie Chenhui, Zhou Lina

(,,130118,)

In recent years, China's pig industry has gradually shifted to the northeast. Compared with the rich feed resources and land resources in Northeast China, the cold environment reduces the feed conversion efficiency and the production performance of pigs. In the winter of northern China, pig producers often face a huge problem of heat preservation when they control the environment of piggery. The aim of this study is to explore the heat preservation of piggeries in Northeast China. According to the investigation, there were four types of piggeries in Jilin Province, which were brick wall piggery, concrete wall piggery, color steel wall piggery and greenhouse piggery. The simulated piggerieswith brick wall, concrete wall and color steel wall were based on the experimental piggery of Jilin Agricultural University, the simulated piggery with greenhouse was based on a piggery in a pig farm, and the simulated pig farm area was based on a pig farm area.Based on Ecotect software, this paper took a typical piggery in a large pig farm in Jilin Province as an object, and studied the light and heat environment of piggery, and the light environment of pig farm production area. The daylight factor of different heights in the piggery and the lighting situation in the production area of the pig farm were studied. The thermal insulation performances of 4 kinds of piggeries with different walls were analyzed. The results were as follows: The daylight factor of each research height of the experimental piggery was higher than 2%, which met the green building standard. The production area of the pig farm had good daylight, and the solar radiation in Great Cold Day could reach 5.38 MJ/(m2·d), and the sunshine was sufficient. The building spacing of the pig farm met the epidemic prevention standard, and there was no shelter problem. By comparing the monthly energy consumption values of 4 kinds of piggeries with different building materials, the best insulation performance of piggeries was as follow: Clay porous brick piggery, foam concrete pig piggery, color steel piggery with phenolic sandwich board, low density polyethylene film greenhouse piggery. After considering the cost, it was recommended to use cinder brick masonry piggery, fly ash aerated block piggery, polyphenylene sandwich board color steel piggery and low density polyethylene film greenhouse piggery. The daily energy consumption of empty piggery in December was tested and verified. The relative error range was 0.74%-8.62% after data comparison, which verified the reliability of the model. The simulation values of energy consumption were in good agreement with the measured values. On the one hand, it verified the correctness and rationality of setting parameters in the software. On the other hand, it showed that Ecotect software was feasible in piggery building.This paper can provide theoretical basis for exploring the light and heat environment of the northern piggery, and provide more ideas for architects to optimize the design before the implementation of the plan.

environmental control; light; piggery; thermal environment; wall materials; Ecotect

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.024

TU264+.3

A

1002-6819(2019)-24-0199-07

袁月明，宋 陽，解晨輝，周麗娜. 基于Ecotect的不同墻體材料豬舍光熱環境和熱性能分析[J]. 農業工程學報，2019，35(24)：199－205. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.024 http://www.tcsae.org

Yuan Yueming, Song Yang, Xie Chenhui, Zhou Lina. Analysis of light environment and thermal performance of piggery with different wall materials based on Ecotect[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(24): 199－205. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.024 http://www.tcsae.org

2019-06-12

2019-11-28

廣東省重點領域研發計劃：畜禽精準健康養殖關鍵技術研究與示范（2019B020215002-5）；北方氣候區豬場環境控制技術集成與規范（2017016）

袁月明，教授，博士，主要從事設施農業過程控制與環境工程研究。Email：yym_jlu@163.com

中國農業工程學會會員：袁月明（E041200322S）