初冬最小風量條件下無內部阻礙和散熱時超長雞舍通風特性研究

王友君 ，李元開，彭云 ，張定一 ，朱根生，姚堯，王曉亮，楊長鎖

（1-上海海洋大學食品學院，上海 201306；2-農業部冷庫及制冷設備質量監督檢驗測試中心，上海 201306；3-上海冷鏈裝備性能與節能評價專業技術服務平臺，上海 201306；4-上海交通大學環境科學與工程學院，上海 200240；5-上海臨港新城建設工程管理有限公司安全與質量管理部，上海 201306；6-上海市農業科學院畜牧獸醫研究所，上海 201106；7-青島華丹牧業科技有限公司外貿部，山東青島 266133）

0 引言

雞舍空氣環境包括溫度、相對濕度、風速度、污染物成分和濃度等參數，前面三個代表了熱舒適性，后面的代表了潔凈度。它與禽類的福利[1]、疾病[2]、生產能力[3]、防疫[4]、喂養及運行管理成本[5]、工作人員及周圍居民的健康[6]乃至全球大氣環境[7]等密切相關。近年來，隨著禽業發展，雞舍集約化程度越來越高，規模越來越大。一些科研人員發現雞舍的熱舒適性越來越糟糕[8-9]。還有一些研究顯示雞舍存在嚴重的空氣污染[10-11]。

通風技術是控制雞舍空氣環境的主要手段。如此糟糕的雞舍環境必然是雞舍通風設計不合理。過去，雞舍通風設計一般默認為空雞舍，即：舍內沒有內部阻礙（籠架和禽類等）和散熱，且各窗口均勻進風，舍內氣流均勻分布。對于中小型空雞舍，這種設計理論顯然是正確的。但是，隨著雞舍長度增加，即使仍然是空雞舍，是否還符合這種假設，尚未有研究人員明確的結論。實踐證明：各種長度雞舍的實際通風工況往往與傳統假設不符[12-16]。這種不符有可能是空間尺度變化的原因，也有可能是內部阻礙或散熱的影響。因此，為了理解實際雞舍的通風原理，應明確空雞舍時，雞舍尺度變化是否對通風特性產生影響。

雞舍通風有兩種極限工況，一種是夏季最大風量，一種是冬季最小風量。最小風量時，機械負壓排風所形成的抽吸作用最弱，禽舍通風特性最容易受其它影響因素干擾。為了明確空雞舍時空間尺度變大是否對其通風特性有顯著的影響，本文采用數值模擬方法研究初冬最小風量條件下無內部阻礙和散熱時超長雞舍內的氣流組織和窗口進風特征。

1 研究對象

本文研究對象是江蘇省某超長雞舍（圖1）。雞舍長128.00 m，寬11.00 m，墻高6.30 m，弧形屋頂高6.50 m；南北側墻和東端墻有96個1.20 m×0.31 m的通風窗口；南北耳房各有兩個18.30 m×1.50 m的濕簾風口；西端墻和北側墻西部共有19臺直徑1.40 m的大風機（單機風量50 970 m3/h）；南側墻西部、中部和北側墻東部共3臺直徑約1.00 m小風機；舍內共有4列長108.50 m×1.30 m×4.70 m的籠架，籠架西端有1.60 m清糞器，東端有2.70 m集蛋器。舍內共飼養蛋雞約11萬只。初冬季節，室外空氣干球溫度為277.0 K，3臺小風機同時工作，南北側墻和東部端墻上的通風窗全部最大程度地打開（內開60°），濕簾板關閉。

雞舍內共設11個溫度監測探頭，編號為1至11，單個探頭如圖1(b)所示。監測程序每隔15 min記錄一次數據。其中，1～5在中間走道，6～8在近南側墻走道，9～11在近北側墻走道；其中，探頭1、3、5、6、8、9和11在距地面高度為1.10 m，探頭2、4、7和10距地面高為4.00 m。以西端墻地面中心點為原點，東為x軸，北為y軸，垂直向上為z軸，建立坐標系，雞舍結構和測點信息見文獻[17]。

圖1 超長雞舍的實景

2 數值模型

建立能夠盡可能真實反映圖1所示超長雞舍幾何特征的三維物理模型，并采用非結構網格把計算域劃分為206 106個微元。

對于雞舍通風，流體屬于不可壓理想空氣。采用標準k-ε模型和標準壁面函數分別求解核心區和近壁附近的流動守恒方程[18-20]。

排風扇風速設為7.280 m/s，湍流強度為3.15%。室外相對壓力為0 Pa，空氣溫度為277.0 K。地面、圍墻、屋頂等均為粗糙高度為0.000 15 m，粗糙常數為0.50的絕熱不光滑表面。

3 模型驗證

取2015年11月25日3:45—6:15之間的溫度監測數據與模擬結果進行對比，如圖2所示。實測得出11個測點的平均溫度為293.4 K，模擬得出的平均溫度為293.5 K，兩者極其接近。進一步計算模擬與實驗數據的相關系數，發現監測點1～5的相關性系數約為0.86，6～8的相關性系數約為0.89，9～10的相關性系數約為1.00，這說明模擬數據變化趨勢與實測數據的一致性很好。因此，本文所建立的數值模型可以用來研究超長雞舍的氣流組織。

圖2 模擬與實測溫度對比

4 數據分析

4.1 氣流組織

模擬得出舍內整體空氣流動特征為：排風扇僅對其附近小范圍的空氣流速有顯著的影響，對雞舍其它區域風速的影響較弱；舍內空氣主要為橫向流動，側墻附近氣流上升，中心氣流下降，從而形成兩個反向渦旋，這種氣流形式有利于從窗口進來的新鮮空氣被送至雞舍中部。進一步分析各剖面的平均速度，見圖3。計算縱向、橫向和垂直方向上平均速度的標準偏差分別為0.06、0.01和0.01。結果表明：縱向上，長雞舍內空氣流速在均勻性最差，最小風速在耳房附近，約0.05 m/s，最大風速出現在靠近風機的橫剖面上。橫向上，因雙渦旋的影響，兩個渦旋的中心剖面速度相對較小。水平方向，同樣受雙渦旋影響，上下層風速大于中心層風速。雞舍整體的平均風速約0.09 m/s，擬放置籠架的區域平均風速約0.08 m/s，而籠架外區域的平均風速約0.10 m/s。沒有內部阻礙和散熱時，預測結果顯示：擬放置籠架區域與籠架外風速也沒有顯著的差異。

圖3 各剖面平均速度

4.2 窗口風量

為了分析各窗口的通風狀態，圖4給出了各通風窗的平均內法線速度分量。計算東墻、北墻和南墻上速度分量的標準偏差分別為0.003、0.007和0.007。可以看出，當沒有內部阻擋和散熱時，長雞舍各墻上通風窗口的平均內法線速度分量均為0.4 m/s，彼此之間的差異都很小，即各窗口的進風量幾乎相等，約0.15 m3/s，均勻性很好。即使南北側墻上的排風扇的位置和數量并不對稱，但南北側墻各窗口的進風量卻無差異。

圖4 各通風窗口的平均內法線速度分量

5 結論

本文研究了初冬最小風量條件下不考慮內部阻擋和散熱時超長雞舍（超長空雞舍）內氣流組織和各側窗的進風速度，與傳統雞舍通風設計的基本假設進行對比，得出如下結論：

1）舍內空氣流動的主要表現形式為南北側墻附近空氣上升中間空氣下降的兩個反向渦旋，雙渦旋充滿雞舍的整個橫截面；

2）舍內空氣流速大小比較均勻，縱向、橫向和垂直方向上平均速度的標準偏差分不超過0.06；

3）各窗口進風量也幾乎相等，東墻、北墻和南墻上窗口進風速度的標準偏差不超過0.007；

4）超長空雞舍與傳統通風設計所默認的負壓排風時各風口均勻進風的理論基本相符；空雞舍時，雞舍空間尺度變化對通風特性沒有顯著影響；

5）由此推斷，現實中，超長雞舍通風特性與傳統假設的差異，必然是內阻礙或散熱的作用結果；因此為了理解內阻礙或散熱對超長雞舍通風的作用機理和影響程度，尚需以本文研究結果作為參考，進一步分析有籠架、禽類及附屬設備等內部阻擋，有動物散熱、照明及電動設備散熱時，雞舍內空氣流動特性和窗口進風特征會發生什么樣的變化，從而建立更符合實際的雞舍通風設計理論。