電暈放電對肉雞舍氣體環境指標的影響

謝瑞潔，孫小兵，王 瑛，段鵬軍，劉振宇

(1.山西農業大學信息科學與工程學院，山西 晉中030801； 2.山西農業大學農業工程學院，山西 晉中030801)

0 引言

近年來，肉雞養殖業規模逐漸擴大，多為舍內養殖，由于環境密閉，通風和保溫等問題導致肉雞免疫力降低[1]。舍內環境中溫度、濕度、粉塵都會對肉雞生長發育產生嚴重影響。溫度超過肉雞生長發育最適溫度(23 ℃左右)時，會抑制其生長發育[2]。溫度超高時，會出現熱應激現象，甚至導致肉雞中暑，出現死亡現象[3-4]。濕度較低時，會導致舍內粉塵微粒大幅產生，易引發支氣管炎、肺炎等呼吸道疾病[5]。粉塵粒徑過大時，會殘留在肉雞呼吸道前部，使肉雞感染呼吸道疾病而死亡[6]。

目前，電暈放電已運用在有機廢水處理、空中顆粒處理、放電殺菌處理等空氣凈化方面[7]。研究表明，電暈放電技術有放電穩定、消耗低、時效性高等優點，針對較低濃度的有害氣體，該技術具有很好的去除效果[8]。

1 試驗設計

1.1試驗選址

試驗場址選取山西省晉中市太谷區石像村肉雞養殖場(圖1和圖2)，此養殖場配置有高壓空間電場，符合試驗環境要求。肉雞養殖場為東西走向。南北墻兩邊設置自然通風小窗，東邊墻上裝有臺風扇，風速5 m/s，均勻分布在東邊墻，在西側墻上均勻裝4個濕簾，中間設置1個門，方便進出。試驗肉雞舍跨度13.2 m，長30.0 m，高5.2 m。肉雞舍內分布有3列雞籠，每列長28.0 m，寬2.0 m，高2.0 m，雞籠分別到南北墻體距離為1.0 m。兩列雞籠中間隔1.0 m，雞籠距離東西墻體為1.5 m。試驗中，肉雞舍中約有8 000只白羽肉雞。

圖1 晉中市太谷區石像村肉雞養殖場Fig.1 A broiler farm in Shixiang Village，Taigu District，Jinzhong City

圖2 肉雞養殖場空間結構Fig.2 Spatial structure of broiler farm

1.2試驗方法

在配有高壓空間電場的雞舍隨機布置27個監測點，27個點隨機布置在3列雞籠的第2層，監測點位置如圖3所示。利用基于物元分析的聚類分析法對肉雞舍環境監測點進行布點優化，選取9個最佳監測點。為研究電暈放電對不同高度環境因子的影響，在其中一列雞籠的第1層和第3層按照同樣的位置布置傳感器。使用以STM32為控制核心的環境監測系統采集數據，對比2周、4周、6周不同雞齡周期在電暈放電前后肉雞舍內溫度、濕度、粉塵變化情況，得出電暈放電對肉雞舍環境因素的作用效果。

圖3 27個監測點位置Fig.3 27 monitoring sites

2 肉雞舍環境監測布點優化

2.1聚類分析

聚類分析是將待分類的數據按照相近程度來進行分類，相近的分為一類，不相近的分為其他幾類，使用聚類不僅在思路上很簡單，其分類結果也清晰明了。

2.2物元分析

物元分析是通過找出樣本間的規律來處理不相容問題的一種工具，要把事物的質、特征及數量關系等作為研究對象，研究事物基本元素的可拓性，其中包括關聯性[9]。

2.3環境采集點優化布點的計算過程

采用基于物元分析的聚類分析法對肉雞舍監測點進行優化。關鍵步驟：計算出采集數據中合適溫濕度所對應的范圍，包括期望點、最佳點及最劣點；分別構建兩個矩陣，第1個是關于期望點和最劣點，第2個是關于期望點和最佳點；計算結果并分析出其中的關聯度，將計算出的數據作為分類的標準，在數據監測點進行分組的過程中，按照聚類分析的原則完成；根據實際環境來選取最佳監測點布置傳感器[10]。

2.3.1物元分析步驟

選取舍內27個采集點的溫濕度數據，以肉雞生長最適溫濕度作為參照。將最接近肉雞生長溫濕度數據參照點為最優點，與溫濕度數據參照點相差最大點為最劣點，最終選擇的點為期望點，分別記為A(最優點)、B(最劣點)、C(期望點)。

期望點C分別與最優點A和最劣點B建立成兩個標準的物元矩陣，同時將每一個數據采集點都看成是一個事物，則所有的采集值構成一個物元矩陣[11]。由此可建立所有數據采集點分別對兩個物元矩陣的關聯函數

(1)

(2)

各監測點關聯度為

(3)

(4)

各環境因子歸一化權值的計算

(5)

式中Xij——i監測點j環境因子的監測值，其中i=1，2……m；j=1，2……n

Wj——j環境因子權重值

2.3.2系統聚類步驟

系統聚類步驟是先從數據中找出這些數據之間相似程度的統計量，然后以統計量作為分類依據，把相似程度大的變量分為一類[12]。本試驗將物元分析關聯度作為樣本間的相關關系，構成如下矩陣

(6)

2.3.3肉雞舍監測點優化實例

對試驗肉雞舍內的27個采集點環境因子進行分析，將2020年10月19日10∶00—16∶00的數據進行聚類，肉雞舍內27個點溫濕度的原始數據如表1所示。

表1 肉雞舍內27個采集點溫濕度數據

表1采集到的肉雞舍內27個點的溫濕度數據對應的最優點為20 ℃與62%、最劣點為25 ℃與49%、期望點為22.5 ℃與55.6%。

用式(5)計算肉雞舍內溫濕度的歸一化權值Wj，選擇肉雞成長過程中最適合的溫濕度值，作為溫濕度標準值Sj，通過計算，得出肉雞舍溫濕度的歸一化權值，如表2所示。肉雞舍內27個監測點的物元分析關聯度數值如表3所示。

表2 肉雞舍溫濕度歸一化權值

表3 27個監測點物元分析關聯度數值

將表3所得的肉雞舍內各采集點對應的溫濕度關聯函數值進行標準化處理。經標準化處理后的數據，作為聚類分析的初始變量。利用數學分析軟件SPSS中的系統聚類方法，得到肉雞舍內各采集點的相似性矩陣及所對應的聚類樹狀圖，如圖4所示。

圖4 27個監測點聚類樹狀圖Fig.4 Cluster tree diagram of 27 monitoring points

此次對肉雞舍內27個采集點的溫濕度數值進行聚類分析中，每一個點都為有效值，沒有發現數據遺漏的現象，說明此次聚類分析可行。對聚類樹狀圖4進行分析，如果將27個監測點分為3類，則監測點分為(1、2、4)、(3、5、6、7、8、10、11、12、13、14、15、16、20、21、24)、(9、17、18、19、22、23、25、26、27)3類；如果將27個監測點分為5類，則監測點分為(1、2、4)、(5、7、8、11、12、13、14、20、21、24)、(3、6、10、15、16)、(22、26)、(9、17、18、19、23、25、27)5類。考慮監測點在肉雞舍內的分布情況，最終將監測點分為3類，并最終選擇9、17、18、19、22、23、25、26、27這9個點為肉雞舍內優化后的監測點。

2.4優化結果分析驗證

對優化后得到的監測點驗證其可行性，選擇2020年10月20日的肉雞舍溫濕度數據，取每個時刻原來27點采集到數據的平均值與優化后9點的平均值進行比較，其對比結果如圖5～6所示。

對比顯示，優化后的溫濕度平均值與原來封閉式肉雞舍內溫濕度平均值大體一致，溫度最高相差0.6 ℃，誤差率2.7%，濕度最高相差1%，誤差率1.8%，總體吻合度較好，此優化結果可行。

圖5 優化監測點與原來27點濕度平均監測值對比Fig.5 Comparison of average humidity monitoring values between optimized monitoring points and original 27 points

圖6 優化監測點與原來27點溫度平均監測值對比Fig.6 Comparison of average temperature monitoring values between optimized monitoring points and original 27 points

3 電暈放電對肉雞舍環境的影響

3.1試驗條件

試驗養殖場布置有高壓空間電場，導線交叉分布，電壓10 kV。監測點與電場電暈放電絕緣子的高度分別為1.2、1.8和2.4 m。同一水平面的各個監測點距雞舍邊緣分別為6.45、3.25和21.65 m，每0.5 h測量一次。選取肉雞第2周(育雛期)、第4周(生長期)、第6周(育肥期)肉雞舍電暈放電前后9個監測點環境指標的變化值。

3.2電暈放電對肉雞舍環境溫度的影響

取肉雞舍電暈放電前后溫度變化的9個監測點，求平均值，其數據標準偏差均<1，表明試驗數據穩定，溫度平均值可靠。不同雞齡段電暈放電前后肉雞舍環境溫度變化情況如表4所示。隨著監測點垂直距離增高，經電暈放電后發現肉雞3個周期溫度變化為0.3～0.8 ℃，其變化率為1.2%～2.6%，數據標準偏差均<0.7，溫度平均值也相對穩定。

3.3電暈放電對肉雞舍環境濕度的影響

取肉雞舍電暈放電前后濕度變化的9個監測點，求平均值，其數據標準偏差均<1，表明試驗數據穩定，濕度平均值可靠。不同雞齡段電暈放電前后肉雞舍環境濕度變化情況如表5所示。監測點距電暈放電1.2、1.8和2.4 m處平均相對濕度變化趨勢基本一致，肉雞舍內平均相對濕度減少5.00%～9.00%，其變化率為9.03%～12.81%，數據標準偏差均<0.70，相對濕度平均值數據穩定、可靠。

表4 不同雞齡段電暈放電前后肉雞舍環境溫度變化情況

表5 不同雞齡段電暈放電前后對肉雞舍環境濕度變化情況

3.4電暈放電對肉雞舍環境粉塵的影響

取肉雞舍電暈放電前后粉塵(PM2.5和PM10)變化的9個監測點，求平均值，其數據標準偏差均<2，表明試驗數據穩定，粉塵平均值可靠。不同雞齡段電暈放電前后肉雞舍環境粉塵變化情況如表6～7所示。

表6 不同雞齡段電暈放電前后肉雞舍環境PM2.5變化情況

表7 不同雞齡段電暈放電前后對肉雞舍環境PM10變化情況

從表6～7可以看出，隨著雞齡的逐漸增加，雞舍內的粉塵PM2.5和PM10大幅度增多。監測點距電暈放電1.2、1.8和2.4 m處粉塵PM2.5變化趨勢基本一致，肉雞舍內粉塵PM2.5平均濃度減少33.66～98.33 μg/m3，其變化率為34.56%～57.39%，數據標準偏差均<1.6；肉雞舍內粉塵PM10平均濃度減少34.00～54.34 μg/m3，其變化率為29.39%～36.79%，數據標準偏差均<1.7。粉塵濃度(PM2.5與PM10)平均值數據穩定、可靠。

經以上數據分析，在不同高度電暈放電對溫度無顯著影響；對降低肉雞舍環境相對濕度有一定作用；對肉雞舍環境中的粉塵(主要是PM2.5和PM10)有非常明顯的清除作用，尤其是在第4周到第6周，肉雞舍內粉塵明顯增多，電暈放電清除效果也最為明顯。具體對比如圖7所示。

圖7 電暈放電對3種因子的影響Fig.7 Effects of corona discharge on three factors

4 結論

本文對多監測布點進行優化，通過優化得出最佳點的布置，在電暈放電前后，記錄環境因素的變化。試驗表明：電暈放電對肉雞舍環境中濕度有一定影響，對粉塵有明顯的清除作用，尤其是在第4周到第6周粉塵大幅度增加，電暈放電清除效果也最為明顯，雞舍可合理利用高壓空間電場改善環境，提高雞只成活率。