冬季采暖保育豬舍送排風管道組合換氣系統設計與評價

吳志東，房俊龍，巴文革，吳 爽，李海濤，蔡有杰，程渠林

冬季采暖保育豬舍送排風管道組合換氣系統設計與評價

吳志東1,2,3，房俊龍1※，巴文革1，吳 爽1，李海濤4，蔡有杰2，程渠林2

（1. 東北農業大學電氣與信息學院，哈爾濱 150030；2. 齊齊哈爾大學機電工程學院，齊齊哈爾 161006；3. 黑龍江省智能制造裝備產業化協同創新中心，齊齊哈爾 161006；4. 黑龍江省農業機械工程科學研究院齊齊哈爾農業機械化研究所，齊齊哈爾 161006）

為實現保育豬舍內局部環境通風調控，該研究設計一種垂直送排風管道組合換氣系統。采用CFD（Computational Fluid Dynamics）技術對垂直管道通風模式下舍內的空氣流場進行模擬，并以相對濕度和CO2濃度作為輸入變量建立通風模糊控制系統。模擬結果顯示保育豬所在水泥地板區域風速保持在0.1～0.2 m/s。參照模擬結果，以豬欄為通風單元對保育豬舍通風系統進行改造，舍內氣流不均勻性系數在0.1以下，表明采用該換氣系統的保育豬舍通風均勻性較好；豬舍溫度在21～25 ℃，相對濕度小于70%，NH3濃度小于5 mg/m3，CO2濃度小于1 200 mg/m3，舍內各項環境參數適宜保育豬健康生長。系統運行功耗為270～1 150 W。現場測試與分析結果表明，該垂直送排風管道組合換氣系統，可以精確控制豬舍環境，兼顧冬季豬舍通風與保溫問題。

溫度；濕度；環境調控；保育豬舍；管道通風；CFD；模糊控制；性能評價

0 引 言

通風換氣是維持豬舍內環境質量的技術手段。目前，橫向或縱向通風模式即豬舍兩側橫向或者縱向墻上安裝風機進行機械通風的模式，在豬舍通風中應用較為廣泛，但在北方寒冷冬季，上述2種通風模式均無法實現密閉豬舍局部環境調控，以及解決豬舍通風不均勻問題[1]。相比橫向或縱向通風模式，采用管道均勻開口送風，其結構簡單，同時能增大通風面積和空氣的均勻性，可避免賊風或通風死角的出現[2-3]。

CFD技術常用于模擬畜舍在機械通風條件下室內溫度和氣流的分布規律[4-5]。Hoff等[6]較早利用湍流模型模擬了豬舍內氣流和溫度場的分布。Bjerg等[7]利用CFD技術對豬舍結構改變后的舍內氣流分布進行研究，通過模擬和現場監測數據分析，發現結構的改變對舍內氣體分布影響較大。賀城等[8]采用CFD技術對豬舍氣流場和溫度場進行模擬和研究，氣流運動組織可以清晰呈現，為豬舍環境調控提供數據支撐。Mossad等[9]利用CFD技術模擬豬舍內空氣流場和溫度場，從而優化設計豬舍通風結構。以負壓通風和水泡糞的保育豬舍為研究對象，應用CFD技術對舍內空氣流場進行模擬，可以通過模擬結果掌握保育豬和工作人員呼吸帶所在高度的風速、溫度和相對濕度等數據，為通風結構優化提供基礎數據[10]。Seo等[11]對豬舍模型進行簡化，有效模擬了豬舍內的氣流和溫度，并分析送風口面積對氣流場均勻性影響較大。以上的研究多是以橫向或縱向模式為基礎進行優化，未能對通風結構進行創新與改造，所以，并未有效解決通風不均勻性問題。合理的垂直通風模式可以更好的保證通風的均勻性和穩定性，換氣效率高，便于豬舍小環境精確控制[12-13]。保育豬對生長環境的要求更為嚴格，所以，針對保育豬舍通風模式進行深入研究更具有代表性。借鑒以上研究方法，采用CFD技術對送排風管道組合通風換氣模式下保育豬舍內空氣流場進行模擬，并對模擬結果分析，驗證該通風模式的可行性，為現場改造提供參考數據。

豬只不同生長階段對環境的要求也不相同，而保育階段豬只生長較快，生長環境需要實時調控。模糊控制則作為智能調控方法，廣泛應用在豬舍環境調控系統中，為自動化、智能化養殖提供技術保障[14-15]。基于模糊控制理論建立豬舍多環境因子調控系統，能夠根據溫度、相對濕度以及各氣體濃度的變化對豬舍環境進行實時調控[16]。李立峰等[17]在Kingview開發平臺上，綜合考慮分娩母豬舍溫、濕度和NH3濃度對環境的影響，采用模糊控制技術和解耦控制技術，可以同時對通風和水暖系統進行調控。謝秋菊等[18]針對不同季節提出模糊控制策略，以溫度、相對濕度、NH3等參數為輸入變量，建立和優化豬舍通風調控系統，現場數據分析證明基于多環境因子的調控策略能夠較好的滿足豬舍環境控制需求。Ma等[19]綜合豬舍環境參數、生豬生長信息和系統控制設備的狀態，利用遺傳算法確定豬舍環境調控最優解，可以有效地對調控策略進行優化，但算法較為復雜，對調控系統硬件要求較高。

該設計為實現寒區冬季保育豬舍環境精確調控，研究針對保育豬舍的送排風垂直管道換氣系統，并選用對豬舍實際環境調控起決定性的因素作為控制變量，探究易于滿足局部小環境實時調控需求的方法，對寒地保育豬健康養殖具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗豬舍

試驗豬舍位于黑龍江省齊齊哈爾市建華區，占地面積約為15 000 m2，年出欄量可達5 000頭，具有6個保育豬舍，每間豬舍共12個圍欄，每欄面積約8.75 m2，養殖10～12頭保育豬，圍欄地面由漏糞地板和水泥地板暖炕組成，漏糞地板縫隙寬度為15 mm，距舍內水泥地面高度為0.5 m，中間過道下方為糞槽，舍內地面距棚頂3 m，取暖方式以水泥地板暖炕為主，燈暖為輔。如圖1所示，單間保育豬舍面積為170 m2，南側墻體設置4個窗戶，并配有2臺定速風機，功率均為370 W，1臺變速風機，功率為320 W；北側墻體設置1個門，2個窗戶，冬季開門和窗進行通風。

1.2 試驗豬舍數據監測及分析

2019年12月至2020年1月，對未改造前保育豬舍環境監測，利用泵吸式氣體檢測儀（型號：HD5S+，分辨率：0.1 mg/m3，誤差：±3% F.S）對舍內氣體檢測，發現濕度和CO2濃度嚴重超標，存在少量NH3，無其他氣體。原因分析：糞便由漏糞地板通過糞槽排到舍外，清糞較為及時，所以產生NH3與H2S等有害氣體較少；但為使舍內保溫，通風較少，CO2和濕氣無法排除。多點布置傳感器，采用溫濕度傳感器模塊（型號：SHT30，溫度分辨率：0.01 ℃，誤差：±0.2 ℃；濕度分辨率：0.01% RH，誤差：±0.2 ℃），監測溫度、濕度、NH3和CO2濃度，圖1中A、B、C、D、E、F為傳感器節點所在位置，高度為滲漏地板上方0.2 m（保育豬呼吸高度）處，其中，2020年1月5日部分監測數據如圖2所示。

通過圖2各曲線變化可知，近窗一側各項數值相對較低，豬舍中間區域圍欄相對其他位置圍欄各項數值較大；午間光照較強即溫度較高時間段內，CO2和NH3濃度明顯提升。比對國家標準[20]，溫度始終處于適宜范圍內，NH3濃度符合標準要求，但相對濕度和CO2濃度超標。以CO2濃度和空氣濕度作為環境調控輸入變量，提高換氣次數，可以更有效調節豬舍內環境。

2 豬舍空氣流場數值模擬及模糊控制系統

2.1 舍內空氣流場數值模擬

豬舍等比例建模如圖3所示，未通風狀態下，豬舍視為密閉環境，為了簡化模型，忽略食槽、通風管道和風機等對舍內氣流的影響，網格劃分數量為645 436個。各圍欄水泥地板正上方為送風口，距離水泥地板0.9 m，中間過道處為排風口，距離地面0.4 m，水泥地板表面溫度為33 ℃。送風管道直徑為0.3 m，送風口設置為速度入口，速度為0.5 m/s；排風管道直徑為0.3 m，排風口設置為速度出口，速度為1 m/s[21]。

利用Fluent軟件數值求解，選用收斂性較好、誤差較小的標準湍流模型，舍內氣流場流線如圖4所示。

圖4中送風口和排風口處均呈現綠色，對照圖中左側比色柱，表明此處風速最大，且最大風速可達0.9 m/s。圖4a中，除送風口和排風口處，其他區域風速在0.1～0.2 m/s范圍內，且氣流場流線密度較為均勻，表明垂直平面通風較為均勻；同時，中間過道即糞槽處氣流線密集，且風速較大，有利于糞便帶來的污濁氣體和濕氣快速排出。圖4b中，單圍欄內送風口和排風口之間氣流場流線形成循環，且圍欄交界處氣流場流線稀疏，表明單圍欄實現局部通風；同時，單圍欄內氣流場流線密度較為均勻，表明各圍欄水平平面通風均勻。氣流模擬結果說明以圍欄為單元進行送排風垂直管道的組合通風模式，通風氣流均勻，局部小環境可以實現循環通風，通風路徑短，可以提高換氣效率，避免污濁氣體交叉流動。

2.2 控制系統硬件組成

如圖5所示，控制系統硬件采用模塊化設計，由傳感器節點和控制終端組成，便于維護。考慮到相鄰圍欄之間空氣流動的影響，同時為降低成本，分別在東2和5號圍欄，西2和5號圍欄配置傳感器節點，共計配置4傳感器節點，每個節點同時控制3個圍欄通風單元啟停。各節點由傳感器集成模塊（包括：溫度、相對濕度、NH3以及CO2濃度檢測功能）和驅動模塊組成。傳感器節點與控制終端采用串口通信，實現各圍欄局部通風與進排風口處主風機聯動。控制終端采用STM32微控制器，同時配置液晶顯示、按鍵以及驅動模塊，控制各主風機。

2.3 通風模糊控制

針對保育豬舍環境受多變量因素影響、實時變化和非線性的特點，控制系統采用模糊控制方法。根據采集數據分析，試驗豬舍主要超標因素為相對濕度和CO2濃度，選取相對濕度監測值與預設值之差Δ，以及CO2濃度監測值與預設值之差Δ作為模糊輸入變量，以風機啟停模式作為輸出量，模糊控制模型如圖6所示。

根據規模豬場環境參數及環境管理國家標準，相對濕度保持在60%～70%，CO2濃度不能大于1 200 mg/m3為適宜范圍。本文以65%為最適宜濕度的預設值，基本論域為[-6%, 6%]，語言論域∈[-3, 3]；以600 mg/m3為CO2濃度預設值，基本論域為[-600, 600]，語言論域[-300, 300]，為方便系統集成，此論域倍數減小100，相對濕度語言論域保持一致。模糊集合為[負大，負中，負小，零，正小，中，正大]，即[NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB]，輸入變量量化因子K=0.5，K=0.5。

為降低能耗，實現變速、變量通風調控，根據各圍欄通風風機啟動數量，對舍外送風口和排風口風機進行變速調控，包括停機（0）、低速（0<≤2）、中速（2<≤4）、高速（4<≤6）4種模式，論域為[0, 3]，模糊集合為[停機, 低速, 中速, 高速]，即[ST, LS, MS, HS]，輸出量化因子K=1。輸入變量和輸出量隸屬函數如圖7所示。

利用MATLAB simulink建立如圖8所示通風模糊控制系統模型，其中，Fuzzy Logic Controller為雙變量輸入模糊邏輯控制器，通風啟停模式即調速等級作為輸出量，通過示波器Scop監視調控模式輸出曲線，如圖9所示。

圖9中，0、1、2、3分別代表停機、低速、中速、高速四種主風機通風調速狀態。6點前，未設置通風，處于停機狀態，主要原因是舍外溫度較低，加之保育豬活動量和排便量較少，豬舍環境一般符合要求；早晨8點時，因舍內一夜未通風，加之保育豬開始活動和排便，舍內濕度和CO2濃度升高，中速通風；上午10時開始，舍內外溫度均升高，同時保育豬活動和排便量增多，舍內相對濕度和個氣體濃度增大，系統進行高速通風。控制系統根據舍內環境變化，實現逐級切換，滿足變量、變速調控需求。

4 系統性能測試與評價

4.1 管道通風改造

圖10為通風系統改造試驗保育豬舍，新鮮空氣由舍外送風口主風機進入送風管道；舍內污濁空氣由舍外排風口主風機排出。舍內對應每個圍欄，分別設置1個舍內送風口和1個舍內排風口，共計12組，舍內送風口安裝管道風機，功率為35 W，最大風量為220 m3/h。舍外送風口主風機共2個，獨立啟動，均選用變速管道軸流風機，功率均為185 W，最大風量為1 600 m3/h。舍外排風口主風機1個，選用變速管道軸流風機，功率為360 W，最大風量為3 200 m3/h。舍內送風口加裝風帽，便于調節通風角度。

4.2 氣流均勻性

根據文獻[22]，并參照民用建筑氣流分布性能評價標準[23]，利用氣流不均勻性系數J作為保育舍內通風氣流均勻性評價指標，J越小表明舍內通風均勻性越好。

式中J表示舍內高度為平面的氣流均勻性系數，無量綱；v表示高度為平面的平均氣流速度，m/s；v表示第個監測點氣流速度，m/s；表示監測點數量。

1.主風機（舍外送風口） 2.送風管道 3.管道風機 4.舍內送風口 5.主風機（舍外排風口） 6.排風管道 7.舍內排風口

通風系統啟動，取0.4 m高度即保育豬高度為監測點高度，利用熱敏式風量計（型號：GM8911，解析度：0.01，誤差：±3%）監測，每個豬欄均勻分散監測10個點氣流速度，表1為計算后各豬欄J數值。

表1 各豬欄不均勻性系數

根據表1數據可知，6號圍欄不均勻系數較高，其原因是距離窗戶較近，舍外冷風通過縫隙進入，通過密封可以有效縮小不均系數，避免賊風；其次，1號圍欄系數較高，其原因是距離連廊門和窗戶較近，連廊內冷風通過縫隙進入舍內，通過豬欄一側固定隔風板可以縮小不均勻系數。通過進一步改造，舍內氣流不均勻系數可保持0.1以下，表明送排風管道組合換氣通風模式下的保育豬通風均勻性較好。

4.3 溫度分布

豬舍改造后，每欄投放10～12只保育豬進行養殖。通風會影響豬舍內溫度，利用紅外線熱成像儀（型號：Fluke TiS60+，分辨率：320 x 240像素，熱靈敏度：≤ 0.045 ℃）對舍內各圍欄溫度進行實測。食料槽長時間放置于豬欄內，其溫度可以視為保育豬所在區域溫度，取保育豬高度0.4 m處食料槽為參考面，圖11為部分圍欄溫度實測圖像。

通過圖11可知，以食槽為參考面，西圍欄1環境溫度為24.1 ℃，東圍欄6環境溫度為22.9 ℃，高溫顯示為保育豬體溫。豬舍其他圍欄環境實測溫度均保持在21～25 ℃之間，表明送排風管道組合通風換氣狀態下，保育豬舍環境實測溫度均在保育豬健康生長需求范圍內。

4.4 其他數據監測

通過多點布置傳感器集成模塊實時監測NH3、CO2、溫度和濕度，并利用泵吸式氣體檢測儀隨機檢測舍內各區域環境數據，各項參數均在保育豬適宜生長范圍內，相對濕度小于70%，NH3濃度小于5 mg/m3，CO2濃度小于1 200 mg/m3。

4.5 系統功耗

換氣系統運行總功率總包括由各風機運行總功率，總表示為

總=管道風機+送+排（3）

式中管道風機為各圍欄送風口管道風機運行時所用總功率，W；送為舍外送風口主風機運行所用總功率，W；排為舍外排風口主風機運行所用功率，W。

總最大值為1 150 W，即為所有風機都運行時，其功率大于未改造前通風系統運行總功率1 060 W，但送排風管道組合換氣系統是以各圍欄為單位進行通風，同時舍外送風口和排風口的主風機可變速控制，通風系統運行功耗并非固定不變。單傳感器節點控制通風即為功耗最小時，約為270 W，所以系統功耗范圍為270～1 150 W。變量、變速的通風模式可有效降低系統功耗；同時，以試驗豬舍12個圍欄為例計算通風熱損耗，則最小通風熱損耗即單圍欄局部通風時產生的熱損耗，為改造前整體豬舍通風熱損耗的1/12。

5 結 論

1）利用CFD技術對保育豬舍送排風垂直管道組合換氣狀態下的保育豬舍空氣流場進行模擬，氣流場流線和空氣流場分布均勻，風速保持在0.1～0.2 m/s，適宜保育豬生長。

2）通過豬舍現場改造與實測，溫度、濕度、CO2和NH3濃度均在保育豬適宜生長范圍內；對舍內氣流均勻性計算與分析，氣流不均勻性均可保持在0.1以下。

3）采用模糊控制方法，雙變量輸入控制，四種通風模式可以逐級切換；同時，保育豬圍欄為通風單元進行局部通風調控，保證豬舍實現局部環境精細調控，系統運行功耗控制在270～1 150 W，最小通風熱損耗為改造前整體豬舍通風熱損耗的1/12。

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Design and evaluation of combined ventilation system with air supply and exhaust ducts for a nursery heating piggery in winter

Wu Zhidong1,2,3, Fang Junlong1※, Ba Wenge1, Wu Shuang1, Li Haitao4, Cai Youjie2, Cheng Qulin2

(1.,,150030,; 2.,,161006,; 3.,161006,; 4.,161006,)

Current ventilation mode needs to be updated in a nursery piggery, due mainly to the uneven distribution of airflow derived from the great contradiction between ventilation and heat preservation under the relatively low temperature of the cold region in winter. The previous investigation on data collection found that the relative humidity and the concentration of CO2generally exceeded the standard value in a nursery piggery. Therefore, the main challenge was how to efficiently supply fresh air. In this study, computational fluid dynamics (CFD) was used to simulate the airflow field in the nursery piggery under the combined ventilation system of air supply and exhaust ducts. The diameter of the duct was 0.3 m. The wind speeds of air supply and exhaust were set at 0.5 m/s and 1 m/s, respectively. The results revealed that the circulation ventilation was formed between the air supply inlet and exhaust outlet. The wind speed was maintained between 0.1 m/s and 0.2 m/s in the cement floor area where the piglets live. An even distribution of air flow was achieved to shorten the ventilation path for the diffusion of dirty gas, while improving the ventilation efficiency. A facile control system was specifically designed to consist of each control node in a modular approach. LoRa wireless communication was used to transmit data between control nodes. At the same time, fuzzy control was applied in the control system. Relative humidity and CO2concentration were used as input variables, whereas, the speed control mode of main fans was used as an output variable. The quantization factors of input variablesKandKwere both 0.5, while, the quantization factor of output was 1. A general platform of MATLAB Simulink was selected to establish the model of the fuzzy control system. The simulation results showed that the proposed system responded quickly, while switched step by step in the four types of ventilation modes, including downtime, low, medium and high speed. A fence was applied as the ventilation unit to transform the fresh air, considering the air flow field after simulation. A field experiment was also carried out in a large-scale pig farm in Jianhua District, Qiqihar City, Heilongjiang Province of China in December 2019. It was found that the uneven coefficient of airflow was below 0.1 in the cement floor area of piglets, indicating a better uniformity of ventilation in the nursery piggery under the combined ventilation system of air supply and exhaust ducts. An infrared thermal imager and a gas detector were used to detect the environmental data of each area in the piggery. The measuring data showed that the temperature was kept between 21 ℃ and 25 ℃, the relative humidity was less than 70%, the concentration of NH3was less than 5 mg/m3, the concentration of CO2was less than 1 200 mg/m3, indicating the overall environment without other gases was suitable for the living of piglets. The combined ventilation system of air supply and exhaust ducts can be expected to realize the on-demand ventilation. Furthermore, the power consumption of the system was relatively low, ranging from 270 to 1 550 W. Consequently, the developed ventilation system can accurately control the piggery environment and efficiently alleviate the various changes between ventilation and heat preservation in winter.

temperature; humidity; environmental regulation; nursery piggery; duct ventilation; CFD; fuzzy control; performance evaluation

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.018

S817.3

A

1002-6819(2021)-10-0152-07

吳志東，房俊龍，巴文革，等. 冬季采暖保育豬舍送排風管道組合換氣系統設計與評價[J]. 農業工程學報，2021，37(10)：152-158.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.018 http://www.tcsae.org

Wu Zhidong, Fang Junlong, Ba Wenge, et al. Design and evaluation of combined ventilation system with air supply and exhaust ducts for a nursery heating piggery in winter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(10): 152-158. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.018 http://www.tcsae.org

2021-02-03

2021-05-13

黑龍江省教育廳省屬高等學校基本科研業務費科研項目（135509411，135409102）；黑龍江省教育科學“十三五”規劃2020年度重點課題（GJB1320388）；齊齊哈爾大學教育科學研究項目（GJZRYB202006）

吳志東，講師，博士，研究方向為農業環境控制和自動化設備。Email：wzd139446@163.com

房俊龍，教授，博士，研究方向為農業自動化。Email：jlfang@neau.edu.cn