西北地區(qū)肉牛舍自然通風自動控制系統(tǒng)的研究

張若琪，安 捷，劉繼軍*，朱躍明

（1.中國農業(yè)大學動物科學技術學院，動物營養(yǎng)學國家重點實驗室，北京 100093；2.青島新良牧農業(yè)科技有限公司，山東青島 266500；3.張掖市萬禾草畜產業(yè)科技開發(fā)有限責任公司，甘肅張掖 734000）

動物的生產力有30%～40%取決于環(huán)境因素[1]，溫度、濕度、氣流和氣體環(huán)境是評價畜舍環(huán)境的重要指標。美國中西部手冊[2]和國內常用推薦值[1]對不同家畜的養(yǎng)殖提出了通風量的要求。然而在實際養(yǎng)殖中，舍內外溫差不斷變化，開放式畜舍內很難達到穩(wěn)定的通風，要實現(xiàn)穩(wěn)定的室內環(huán)境，不僅需要合適的通風設計，還應當依靠于畜舍環(huán)境自動控制系統(tǒng)。目前國內外在畜舍通風自動控制方法主要分為2 種：一是單因素變量控制，通過單一的因素（如溫度）作為調控指標，來控制舍內全年的環(huán)境；二是多因素變量綜合控制，通過計算舍內外溫度、濕度、風速綜合考慮來控制畜舍內環(huán)境。Daskalov 等[3]通過計算舍內外溫度、濕度、風速的影響理論上構建了一套綜合考慮舍內外溫濕度和風速控制模式。Shen 等[4]構建了用于自然通風系統(tǒng)的與風速、風向、進排氣口設置以及舍內外溫度相關的控制公式。牛舍一般采用自然通風，冬季北方地區(qū)牛舍通常為了保溫而密閉門窗，舍內的濕度受牛呼吸排濕和糞尿、飼料蒸發(fā)排濕影響[5]。若通風不足，會引起牛只皮膚、呼吸道感染等多種疾病,嚴重影響生產能力[6]。然而牛舍的自然通風系統(tǒng)目前尚缺乏自動控制系統(tǒng)研究，為探究肉牛舍冬季自然通風自動調控，使溫度與通風更合理，本研究根據實際牛舍養(yǎng)殖情況開發(fā)了一套自然通風自動控制系統(tǒng)，通過對安裝通風系統(tǒng)的牛舍進行環(huán)境指標和生長性能測定，分析通風控制設備的效果。

1 材料與方法

1.1 試驗場地與飼養(yǎng)管理 本試驗于2019 年1—2 月在國家肉牛產業(yè)技術體系張掖試驗站（38°49'Ν，100°41'E）進行。選取試驗牛舍2 棟，均為東西朝向，雙坡鋼屋架彩鋼板屋面的有窗式牛舍，舍內呈雙列中走道布置，牛舍尺寸為144 m×13 m×3.9 m，東西兩側縱墻各設置3扇2.0 m×1.4 m 推拉門。試驗舍為有窗式牛舍，窗臺高度1.4 m，縱墻通長設置陽光板上翻窗，高2.5 m，冬季試驗期間完全關閉；對照舍為自動卷簾牛舍，窗臺高度1.4 m，卷簾高2.5 m，冬季試驗期間卷簾完全關閉。牛舍建筑如圖1 所示。

圖1 牛舍平面圖

在設備安裝之前，先對兩舍進行了空白對照預試驗，共計 3 d，測定兩舍08:00、14:00、20:00 舍內的環(huán)境數據。如表1 所示，兩舍環(huán)境條件無顯著差異。

表1 預試驗階段兩舍的環(huán)境數據

試驗舍、對照舍分別飼養(yǎng)西門塔爾雜交公牛220 頭，分別隨機挑選分布于6 個區(qū)域內的共計24 頭牛作為試驗牛，于試驗期間測定其生長指標。兩舍飼養(yǎng)管理相同，均為拴系飼養(yǎng)，恒溫水槽飲水，每天08:00 和16:00 喂料，每3 d 進行1 次人工清糞。日糧精飼料組成如表2 所示，精粗比為33:67。

表2 精飼料原料組成 %

1.2 自然通風自動控制系統(tǒng)的研制與控制 為使試驗自然通風系統(tǒng)可以滿足牛舍通風的要求，首先需要根據牛舍的養(yǎng)殖情況，確定牛舍冬季所需最小通風量。冬季通風量需求按照中西部手冊MWPS 給出的參數計算為0.056 m3/（h·kg）[2]，肉牛體重按照500 kg 計算，舍內養(yǎng)殖240 頭牛，所需通風量總計為6 720 m3/h。

自然通風系統(tǒng)的通風部分使用通風窗實現(xiàn)，通風小窗呈上翻開啟，窗寬620 mm、高225 mm，每個小窗提供通風面積最大可達0.14 m2通風窗示意圖2 所示。為保證通風效果并且不影響正常生產管理，通風窗安裝于牛舍縱墻屋檐下方。在對照舍中，夜間卷簾拉下，門窗關閉。在試驗舍中，夜間門窗關閉，自然通風自動控制系統(tǒng)開啟，將自動控制系統(tǒng)通風窗視為排氣口，縱墻窗臺與窗戶的縫隙為進氣口，縫隙2～3 mm，進氣口面積超過排氣口面積的50% 以上，可以進行有效通風，窗臺高度1.4 m，則進排氣口高差計為2.5 m。按照熱壓通風計算所需排風口面積，公式：

圖2 通風窗模型示意圖

式中，F(xiàn) 為牛舍所需排風口面積，單位為m2；L 為牛舍所需總通風量，單位為m3/L；v 為通風口風速。當通風口風速的公式在綜合考慮熱壓和風壓時：

式中，v 為通風口風速，單位為m/s；Cd為氣體流量系數；g 為重力加速度，取9.8；H 為進排氣口垂直高差，m；Ti為舍內溫度，K；To為舍外溫度，K；k1、k2分別為進、出風口處的壓力系數；vv為舍外風速，單位為m/s。但在實際牛舍設計和改造時，利用壓力計算涉及參數過多，尤其涉及舍外風速和風向等問題，難以計算結果，通常冬季設計忽略舍外風速，只考慮熱壓的情況來計算通風口風速。

由（1）（2）帶入數值可簡化排風口面積公式

由上述公式可知，通風量一定時，排氣口面積與舍內外溫差的開方呈反比，為確保設計通風面積滿足通風需求，根據張掖氣候情況，按舍內外溫差為2℃（最小取值）、舍外溫度5℃（最大取值）計算，此時F=6.28 m2，所需風窗數量為45 扇。為保證滿足該牛舍的通風量需求，同時最大程度實現(xiàn)均勻通風，按照每開間每側設置1 扇通風小窗，共48 扇，通風面積共6.72 m2，以此計算最大可提供7250 m3/h 通風量，滿足畜舍要求。

本試驗設計自動控制系統(tǒng)擬采用溫差控制，舍內、外各設置1 個溫度探頭，以實時測定舍內外溫度。舍內探頭位于牛舍中部距地面約3 m 處，舍外探頭位于西側屋檐下距地面3 m 處，并進行遮光處理。通風窗的啟閉由電動推桿拉動實現(xiàn)，兩側縱墻中部分別設置1 組自動電動推桿，在電動推桿勻速運動的前提下，風窗開合度即為推桿所需運動時長占從閉合到完全開啟所需總時長的時間比，控制邏輯即為：

式中,K*為某時刻通風窗的開合度，單位為%；F*為某時刻牛舍所需通風面積，單位為m2；Ν 為通風窗數量；S 為單個通風窗的最大開啟面積，單位為m2；L 為牛舍所需通風量，單位為m3/h；f為某時刻與舍內溫度和舍外溫度相關的參數；t*為某時刻推桿所需運行的時間，單位為s；t 為風窗從閉合到完全開啟所需的推桿運行時間，單位為s。

1.3 測定指標及位點 測定指標分為環(huán)境測定指標和肉牛生長性能測定，環(huán)境測定指標為溫度、相對濕度、CO2濃度和ΝH3濃度。測定使用的儀器如表3 所示，測試位點如圖3 所示。

圖3 環(huán)境測定布點示意圖

表3 實驗儀器信息

肉牛生長性能測定是對試驗牛進行試驗前期和試驗結束稱量牛體重量，2 次稱重間隔30 d 以上，并計算其平均日增重量，剔除異常值后可得到兩舍肉牛的生長性能數據。

1.4 統(tǒng)計分析 在自然通風自動控制系統(tǒng)的效果中，用Excel 對正式試驗中測定的兩舍環(huán)境數據進行差異分析，判斷牛舍環(huán)境是否有顯著差異，并對兩舍肉牛生長性能進行差異分析，判斷通風系統(tǒng)對肉牛生長性能有顯著影響，數據結果表示形式為平均值± 標準差。P＜0.01 表示差異極顯著，P＜0.05 表示差異顯著，P＞0.05 表示差異不顯著。

2 結果與分析

2.1 溫濕度環(huán)境 由于牛舍管理日夜存在差別，白天時牛舍端墻兩側飼喂走道門打開，夜間關閉所有門窗，在數據處理中，將所有數據分為白天（08:00—20:00）以及夜間（20:00—次日08:00）2 種情況分別處理。由表4 可知，試驗舍與對照舍在各時段的溫濕度均出現(xiàn)極顯著差異，夜間時段試驗舍平均溫度比對照舍低1.0℃；處理舍夜間濕度為95.17%，對照舍為94.66%，兩舍相差不到1%（P＜0.01）。白天兩舍環(huán)境差異也較小，處理舍平均溫度比對照舍低1.1℃，相對濕度高1.7%（P＜0.01）。

表4 舍內外各時段平均溫濕度及含水量情況

自然通風自動控制系統(tǒng)的小窗開口面積與進風口風速的變化趨勢如圖4 所示，2019 年1 月20 日至2 月1日期間，全天各個時段的進風口平均風速，最高風速在04:00 左右，達到0.83 m/s，最低風速在16:00 左右，為0.54 m/s，通風窗開口面積與此相對應，與風速呈負相關關系，風速最大時，開口面積最小，為小窗總面積的33.37%；風速最小時，開口面積達到小窗總面積的51.45%。

圖4 全天風速和小窗開口變化情況

2.2 舍內氣體環(huán)境 如表5 所示，除20:00 外，早晨、中午的試驗舍CO2濃度均低于對照舍（P＜0.01），日平均濃度低405 mg/m3，早晨測定兩舍差異最大，試驗組舍比對照舍濃度低616 mg/m3。早晨、中午的試驗組ΝH3濃度處理舍低于對照舍（P＜0.05），但晚間測定處理舍極顯著高于對照舍（P＜0.01）。

表5 兩舍氣體環(huán)境情況 mg/m3

兩舍CO2濃度日變化曲線如圖5 所示，兩舍內CO2濃度變化趨勢相近，對照舍CO2濃度普遍高于處理舍，平均CO2濃度高701.8 mg/m3（P＜0.01）。從日變化規(guī)律來看，對照舍的CO2濃度變化幅度較大且頻繁，在02:00 左右舍內濃度降為最低，14:00 左右舍內氣體濃度最高；CO2濃度差異最大可達到1 500 mg/m3以上，也存在處理舍濃度高于對照舍的情況。

圖5 兩舍CO2 濃度日變化曲線

由于兩舍肉牛之間存在顯著的體重差異，僅用全舍的CO2含量來表示牛舍內通風情況不能完全體現(xiàn)通風效果對兩舍內牛只的影響，圖6 為全天時段兩舍單位體重肉牛產生的CO2含量。總體來看，對照舍CO2濃度依然高于處理舍，平均單位體重產生CO2濃度高0.013 mg/m3（P＜0.01），但也存在處理舍高于對照舍的情況。在09:00—20:00，對照舍和試驗舍單位體重肉牛產生的CO2含量相差較小，20:00—22:00 試驗舍明顯高于對照舍。

2.3 肉牛生長性能 如表6 所示，處理舍和對照舍牛只平均日增重分別為1.14、1.06 kg/d（P＞0.05）。

表6 試驗舍與對照舍肉牛日增重量 kg

2.4 模擬分析試驗 從以上數據中可以看出，在張掖冬季地區(qū)，自動通風裝置雖然對牛舍內環(huán)境有一定的改善作用，但是對肉牛生產沒有特別明顯的效果，主要原因是和國內一些寒冷地區(qū)相比，張掖地區(qū)氣溫相對較高。在試驗期間，全天室外氣溫平均在-11～-2℃，然而育肥牛舍內全天溫度在-5～10℃，舍內外溫差不大，白天甚至存在舍內外溫差為0℃的情況，在這種情況下，自動通風系統(tǒng)自動調控與自然通風舍通風情況差異不大。該設備的優(yōu)勢在于在舍內外溫差較大的情況下，能保證舍內通風情況穩(wěn)定，更好地改善氣體環(huán)境。在東北地區(qū)冬季氣溫比較低，牛舍內外晝夜溫差較大，且12～13 m跨度的有窗牛舍較為常見，根據本試驗結果，對該設備在東北地區(qū)進行數據模擬分析。

2.4.1 模擬地區(qū)和牛舍規(guī)模 模擬地區(qū)位于我國東北地區(qū)黑龍江省佳木斯市，因為佳木斯畜牧養(yǎng)殖比較多，并且緯度較高，冬季氣候寒冷，一月最低氣溫可以達到-30℃，平均氣溫在-26～-14℃。本試驗根據2020 年1 月13 日佳木斯的天氣情況進行模擬分析，氣溫變化如圖7 所示，全天氣溫變化在-30～-9℃。牛舍規(guī)模設置和本試驗相同，牛舍尺寸為144 m×13 m×3.9 m，試驗舍牛舍內依靠自動控制通風系統(tǒng)通風；對照舍配置4 個半徑0.2 m 的風管，總通風面積為0.502 4 m2，兩棟牛舍內分別養(yǎng)殖斷奶犢牛120 頭[7]，犢牛體重平均100 kg，要求舍內有供暖，溫度達到10℃，以保證犢牛的健康成長[8]。

圖7 佳木斯1 月13 日氣溫變化趨勢圖

2.4.2 通風量設定 冬季通風量需求按照國內常用標準[1]給出的參數計算為0.17 m3/（h·kg），斷奶犢牛的體重按照100 kg 計算，舍內養(yǎng)殖120 頭牛[19]，所需通風量總計為2 040 m3/h。

2.4.3 通風面積計算 由1.2 公式（3）可以得到排風口面積隨著舍內外溫差變化而變化的趨勢圖。其中進排氣口垂直高度差由于通風窗口的開合會發(fā)生微小的變化，如圖8 所示，變化量a 隨著開啟角度θ的變化而變化，a=0.225cosθm，遠小于進排氣口垂直高度差2.5 m，可忽略值的變化。

圖8 通風窗示意圖

2.4.4 模擬結果分析 佳木斯全天自動控制通風窗口面積變化趨勢如圖9 所示，窗口總面積最大可達到0.6 m2，最小為0.39 m2，平均窗口面積0.57 m2。

圖9 試驗舍全天通風窗口面積變化

對照舍通過風管通風，通風面積為0.502 4 m2，根據舍外風速的變化，對照舍全天通風量變化如圖10 所示，最大通風量為2 568 m3/h，出現(xiàn)在02:00，最小通風量為1 698 m3/h，出現(xiàn)在13:00 左右。從20:00 到第2 天08:00，對照舍通風量一直處于超過牛舍需要量的狀態(tài)。09:00—18:00，對照舍內通風量低于牛舍所需最小通風量，不能滿足犢牛舍對通風的需求。

圖10 對照舍和試驗舍全天通風量對比

3 討論

通過溫濕度對比結果可以看出，試驗舍的溫度較低，這是由于自動控制通風設備加強了牛舍通風換氣，也增加了舍內的熱量損失，但從數據上分析，這種熱量損失并不明顯，舍內溫度沒有達到過低水平。從濕度考慮，試驗舍加強了舍內通風，理論上應當能更高效率地將舍內水汽排出，但晝夜2 個時段試驗舍的相對濕度均高于對照舍，不符合預期結果。

從氣體環(huán)境來看，兩舍之間CO2和ΝH3含量均存在顯著差異。08:00 后測定的CO2濃度可以看做牛只夜間活動產生的存留量，此時對照舍CO2濃度發(fā)生較大變化，在22:00 至第二天08:00，對照舍CO2含量顯著高于處理舍，均說明自然通風自動控制系統(tǒng)有效地促進了舍內夜間的空氣流通，降低了夜間舍內的氣體含量。08:00—22:00 處于白天進行生產活動的時間，人員進出和牛舍大門開啟會導致對照舍通風量增大，此時兩舍內單位體重的牛產生的CO2含量相近。20:00—22:00，舍外風速較大，而對照舍在沒有自然通風自動控制系統(tǒng)的情況下舍內通風量會進一步加大。而夜間測定的顯著差異結果說明自然通風自動控制系統(tǒng)對白天的舍內通風貢獻較小。ΝH3含量早中晚3 次測定試驗舍分別為4.62、3.67、4.98 mg/m3，對照舍為5.14、4.14、3.98 mg/m3，試驗舍早、中的ΝH3濃度顯著低于對照舍，但晚間測定極顯著高于對照舍，符合預期效果。造成這一現(xiàn)象的原因可能是白天時處理舍通風量較大，導致舍內糞便釋放氨氣量上升。有研究表明，牛舍內通風量和糞便中ΝH3釋放量存在顯著的正相關關系，平均通風量每增大100 m3/h，舍內氨氣日產量增大2.4 g[9]。因此，使用氨氣含量對舍內通風進行控制和計算仍存在一定局限。試驗期間，對照舍和試驗舍全天CO2含量變化較大，理論上動物產生CO2日變化應較為穩(wěn)定，初步分析原因可能是該自動測定儀較為敏感，受牛只影響嚴重，而且考慮到白天時CO2濃度極不穩(wěn)定，認為自動記錄儀也受到了由于舍內管理造成的氣流影響。總體上，試驗舍變化相對平穩(wěn)，00:00—08:00 濃度緩慢下降，這是由于舍外溫度持續(xù)降低，舍內外溫差逐漸增加，熱壓通風小幅增強，降低舍內CO2含量；08:00 后開始飼養(yǎng)管理，開啟舍門，此時CO2濃度出現(xiàn)顯著降低；下午完成飼喂后，舍內CO2濃度持續(xù)升高，直至夜間舍內濃度趨于穩(wěn)定。

在肉牛生長性能的測定中，兩舍試驗期間溫濕度環(huán)境差異雖然顯著但差值較小，溫濕度環(huán)境相近，但兩舍肉牛日增重并沒有體現(xiàn)出顯著性差異，原因可能包括試驗時間和環(huán)境差異兩個方面：2 次測定時間相隔1 個月，在短時間試驗中可能沒有體現(xiàn)出環(huán)境差異對肉牛的影響；兩舍氣體環(huán)境差異顯著但可能不足以影響肉牛生長，這說明在一定范圍內，肉牛日增重不受周圍氣體環(huán)境的影響。本試驗中，兩舍牛體重差異較大，試驗初期兩舍試驗牛平均體重分別為439 kg 和533 kg，對照舍體重較處理舍極顯著高94 kg。在動物的生長過程中，其體重隨日齡的變化通常呈負指數分布[10]，即隨日齡增大，動物的體重變化率逐漸減小，直至最大體重后體重變化率接近于0。肉用犢牛體重不是依時間平衡增長的，6月齡犢牛的生長發(fā)育速度非常快，比6～12 月齡時期的生長發(fā)育速度快很多，但犢牛長至12 月齡后，其生長速度開始明顯減慢，以至越接近性成熟生長速度會越慢。在對肉牛增重規(guī)律的研究中發(fā)現(xiàn)，相同品種相同生長條件的肉牛在性成熟之后，體重對日齡的變化較為均勻，各階段日增重差異較小[11-12]。在國內對西門塔爾雜交牛的生長規(guī)律研究中表明，肉用西門塔爾牛從出生到20月齡體重、體尺平均值呈逐增態(tài)勢，但各階段增幅不一，體重自出生到12 月齡增幅較大，13～20 月齡增幅緩慢，在這個階段肉牛生長速度基本均勻變化，線性增長，對于出欄體重在700 kg 以上的肉牛，其在400～600 kg 的生長階段中，體重增速均勻，日增重幾乎無變化[13-15]。在這種情況下，認為試驗所用的2 種體重水平的肉牛在相同處理下增重無顯著差異。由此認為，本試驗中可忽略體重差異對生長性能的影響。

在模擬試驗當中，2 種通風方式相比，對照舍風管通風面積固定，在全天不斷變化溫度的情況下，通風窗的通風效果不能完全滿足牛舍的要求。在風速較大時，通風量可以達到2 568 m3/h，對于冬季的犢牛來說，首先，通風量過大會導致舍內熱量散失過多，出生犢牛對氣候變化比較敏感，溫度調節(jié)系統(tǒng)沒有發(fā)育完全，在冷環(huán)境中容易引起冷應激[16-17]。其次，夜晚賊風進入可能會導致犢牛風濕，引起肢蹄疾病，影響犢牛生長發(fā)育。并且，為了保證在通風量較大時犢牛舍溫度在10℃左右，需要加大舍內供暖力度，導致夜間耗能增加。在風速較小時，通風量只有1 698 m3/h，沒有滿足牛舍內最小通風量的要求，這會導致舍內空氣流動受阻，有害氣體增加，從而導致犢牛生長發(fā)育受阻，肺炎患病率增加[18]。自動控制通風系統(tǒng)通過舍內外溫差的變化隨時調整開閉角度，能保證舍內通風量實時穩(wěn)定，既不會造成舍內過多的熱量流失，也不會使通風換氣受阻。在晝夜溫差較大的地區(qū)，自動控制通風系統(tǒng)更能體現(xiàn)出優(yōu)勢。

4 結論

本試驗結果顯示，自然通風自動控制系統(tǒng)有效地提高了試驗牛舍的通風量，改善了環(huán)境狀況。與對照舍相比，試驗舍日平均溫度降低1.02℃，相對濕度提高1.11%，CO2濃度低574 mg/m3，ΝH3濃度低0.07 mg/m3，均存在極顯著差異。自然通風自動控制系統(tǒng)對肉牛增重無顯著影響，處理舍與對照舍肉牛平均日增重分別為1.14 kg和1.06 kg。模擬結果顯示，在舍內外溫差在19～40℃的寒冷地區(qū)，自然通風自動控制通風系統(tǒng)與自然通風相比有更好的通風效果。