太陽能恒溫飲水系統代替電加熱飲水系統的應用效果研究

郝 薇，賈 爽，孫 妍，劉繼軍*，朱躍明

（1.中國農業大學動物科學技術學院，北京 100193；2.動物營養學國家重點試驗室，北京 100193；3.國家肉牛牦牛產業技術體系張掖綜合試驗站，甘肅張掖 734000）

在北方冬季肉牛生產中，低溫環境飲水是重要的研究課題之一。在不同溫度條件下肉牛最佳飲水量不同，冬季每采食1 kg 飼料需要飲水3.5 kg[1]。反芻動物瘤胃內容物正常平均溫度為38～41℃[2-3]。研究表明，奶牛飲用20℃的溫水可使干物質采食量提高 6.47%，同時增加產奶量[4-5]；肉牛飲用溫水可提高日增重及生長速度，緩解冷應激[6]。刁小南等[7]研究表明，冬季每頭肉牛飲用20℃溫水的日增重較飲用4℃冷水提高0.22 kg/d。龐超[8]研究發現肉牛偏愛飲用14～18℃的溫水[9]。陳昭輝等[10]研究發現肉牛飲用17℃的溫水增重效果及經濟效益更好。

牛只飲水的加熱方式有很多種，目前常見的形式有燃氣加熱、直接電加熱、空氣源熱泵和太陽能加熱。太陽能熱水器是將太陽光能轉化為熱能的加熱裝置，利用其較高的轉化效率達到節能的目的，國內最常用的是真空管式[11]。除了清潔可再生外，太陽能還有污染少、效率高等優勢，應用前景廣泛。在實際生產中，為肉牛提供適宜溫度的飲水十分必要，但目前對肉牛飲水加熱系統的研究較少。本試驗探究2 種太陽能加熱和電加熱恒溫飲水系統的應用效果和經濟效益，為寒區牛舍運用太陽能加熱恒溫飲水系統提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗舍樣式和材料 本試驗分2 期進行，一期試驗時間為2019 年1 月16 日—2 月16 日，二期試驗時間為2019 年12 月12 日—2020 年2 月6 日。其中，一期試驗太陽能恒溫飲水系統是在全電加熱系統基礎上改造而成，二期試驗太陽能恒溫飲水系統購于北京源創易能新能源科技有限公司。二期試驗分為2 個階段：第一階段為2019 年12 月19 日—12 月23 日，保證試驗舍循環水箱及儲熱水箱內水量總計為5 000 L，對照舍水箱內水量為2 000 L，即試驗舍水箱內總水量為對照舍水箱總水量的2.5 倍；第二階段為2019 年12 月24 日—12 月29 日，保證循環水箱及儲熱水箱內水量為容積的一半，總計2 500 L，對照舍水箱內水量為2 000 L，即試驗舍水箱內總水量為對照舍的1.25 倍。試驗地點位于甘肅省張掖市甘州區的國家肉牛產業技術體系張掖綜合試驗站（100.66°E，38.83°N），該地區年平均氣溫為6.38℃，較為干燥且寒冷，日均太陽輻射量為15.1075 MJ/m2，處于太陽能資源最豐富帶[12]。

2 期試驗均選擇2 棟樣式、尺寸、結構相同的有窗牛舍（圖1），其中試驗舍采用太陽能加熱恒溫飲水裝置，對照舍采用電加熱恒溫飲水裝置。試驗牛舍均為雙坡式鋼架結構，東西朝向，長144 m、跨度13 m、檐高3.9 m，舍中間為4.6 m 寬的飼喂通道，兩側為臥床。南北縱墻上各有8 扇2.0 m×1.4 m 的門通向運動場；東西兩端墻各設3 扇門：中間1 扇正對飼喂走道的雙扇推拉門4.6 m×3.5 m，兩邊對清糞走道的推拉門2.3 m×3.5 m。牛舍采用自然通風，冬季主要通過屋檐下的通氣縫進行通風換氣。

圖1 牛舍布局（A）及縱剖面圖（B）

1.2 試驗牛的選取及飼養管理 在一期試驗，試驗舍和對照舍內分別飼養230 頭和226 頭平均體重約為550 kg的西門塔爾生長育肥牛。二期試驗中，試驗舍和對照舍均飼養200 頭平均體重約為270 kg 的西門塔爾育肥牛。試驗用牛均為拴系飼養，平均采食寬度均為1.2 m/頭。試驗期間每天08:00、16:00 飼喂全混合日糧，兩舍內飼料成分和飼喂量保持一致。兩舍每天進行人工清糞，每周進行2 次鏟車清糞。在兩舍內分別隨機選取24 頭生長狀況相近的健康牛作為樣本，所有牛只每天均使用恒溫飲水杯自由飲水。

1.3 電加熱恒溫飲水系統裝置 對照舍采用電加熱飲水系統在冬季為牛只提供恒溫飲水，此裝置由加熱水箱、循環進出水管、溫度控制器和飲水杯組成（圖2）。加熱水箱是容積為2 000 L 的圓柱形金屬保溫水桶，通過溫度控制器設定水箱加熱溫度，由水箱內2 個9 kW 的加熱棒進行加熱，水箱內浮球閥控制水箱水位。通過循環進出水管將水送至飲水杯內，每個飲水杯內都有浮球閥可控制水位，以及時為牛只補充飲水。為減少熱量損失，避免上凍，水管為雙層結構外部包有保溫材料。飲水杯高度為200 mm，內有保溫夾層，不僅方便牛只飲用，還有利于保證杯內水溫，減少熱量散失。每棟舍內均勻安裝120 個飲水杯，每2 頭牛共用1 個飲水杯。

圖2 電加熱飲水系統原理圖

1.4 太陽能恒溫飲水系統裝置與運行原理

1.4.1 一期試驗太陽能設備 一期試驗舍太陽能加熱器由貯熱水箱、支架、全玻璃真空集熱管、連接導管等組成，如圖3。貯熱水箱為儲水量1 000 L 的圓柱形保溫水桶。140 根長1.5 m、外徑47 mm 的全玻璃真空太陽能集熱管排成規則陣列，朝向南方，并與聯管、尾架和反射器等組裝，與貯熱水箱連接，安裝于牛舍屋頂上方。在安裝太陽能熱水器時，為獲得冬季最大熱輻射，太陽能集熱器傾角應比當地緯度大10～15°[13]，張掖地區緯度為38.93°，該太陽能熱水器安裝角度為45°，基本滿足要求。一期試驗太陽能加熱系統與舍內電加熱系統相連接，但二者之間未安裝循環水泵，每日白天經過太陽能加熱后，下午將舍內電加熱裝置關閉，飼養員手動將太陽能加熱的熱水放至舍內電加熱儲水箱與其中原有溫水混合，再由循環系統將水流入飲水碗中供牛只飲用，之后將太陽能貯熱水箱充滿冷水，再次利用太陽能加熱。當遇陰天太陽能加熱效果不好時，舍內采用電加熱方式供牛只恒溫飲水。

圖3 一期試驗太陽能恒溫飲水系統原理圖

1.4.2 試驗二期太陽能設備 二期試驗舍的太陽能恒溫飲水系統由太陽能集熱器、水箱、水泵、防凍電伴熱帶、控制系統和飲水杯等組成，如圖4 所示。太陽能集熱器選用北京源創易能新能源科技有限公司生產的47×7 陽能集熱60 型全玻璃管集熱器共6 套，每套集熱面積6.2 m2，總集熱面積達37.2 m2。每套集熱器由60支集熱真空管組成，集熱真空管密集式排列。舍內采用雙水箱模式，儲熱水箱容積5 000 L，內膽厚0.6 mm、水箱外皮厚0.5 mm，可達到飲用水標準。水箱保溫聚氨酯厚50 mm，可保證水箱水溫一晝夜降溫小于3℃。儲熱水箱為舍內原有電加熱飲水系統所用水箱，與對照舍一致。控制系統可控制溫度、水位及時間，優先利用太陽能，減少其他輔助能源的消耗。

圖4 二期試驗太陽能恒溫飲水系統原理圖

二期試驗太陽能恒溫飲水系統運行參數如下：根據預試驗將兩試驗階段試驗舍集熱器設定溫度調整為50℃，循環水箱設定下限溫度為40℃，上限溫度為45℃，儲熱水箱下限溫度為40℃，上限溫度為45℃；對照舍電加熱系統設定加熱溫度為60℃。

1）溫差循環：當集熱器末端的溫度T1 與循環水箱溫度T2 的溫差T1－T2 ≥5℃（可設定）時，太陽能循環水泵P1 啟動，將循環水箱內較低溫度的水打入集熱器，而將集熱器內高于水箱溫度的熱水頂入循環水箱，當溫差T1－T2 ≤3℃（可設定）時，太陽能循環水泵P1 停止，如此不斷循環，從而使循環水箱中的水溫不斷升高。

2）水箱循環：當儲熱水箱T3 ≤40℃（可設定）時，太陽能循環泵P2 啟動，當儲熱水箱T3 ≥45℃（可設定）時，循環水泵P2 停止。

3）供水循環：當回水溫度T5 ≤12℃（可設定）時，電磁閥M1 打開，太陽能循環泵P3 啟動，當回水溫度T5 ≥20℃（可設定）時，電磁閥M1 關閉，循環水泵P3 停止。

4）防凍循環：當室外太陽能循環管路水溫T4 ≤5℃（可設定）時，太陽能循環泵P1 啟動，當循環管路水溫T4 ≥8℃（可設定）時，循環水泵P1 停止。當管路水溫T4 ≤1℃（可設定）時，啟動設于室外循環管路的電伴熱帶，當管路溫度T4 ≥8℃時，電伴熱帶自動停止。

5）系統補水：浮球閥自動補水。

6）輔助加熱：陰雨天或陽光不足時，使用循環水箱內電加熱。

1.5 主要儀器 手持溫度儀（Testo635，精度±0.3℃），由德圖儀器國際貿易有限公司生產；手持二氧化碳測定儀（GASTiger2 000-CO2，精度≤±3%）為深圳市萬安迪科技有限公司生產；手持氨氣測定儀（GT-903-NH3，精度≤±3%）為深圳市科爾諾電子科技有限公司生產；溫濕度自動記錄儀（Apresys 179-TH，精度為±0.2℃，±1.8% RH）為艾普瑞上海精密光電有限公司生產。

1.6 測定方法

1.6.1 水溫和耗電量的測定 一期試驗在牛舍兩側分別均勻選取12 個飲水杯，每天08:00、14:00 和20:00 使用手持溫度儀進行測定，15 min 測定1 次，測量4 次。每天08:00 和20:00 對兩牛舍內電表進行讀數，計算兩牛舍每日耗電量。二期試驗水溫測定分為2 個階段，測定方法與一期試驗相同。

1.6.2 生長性能測定 各期試驗開始和試驗結束時，于相同條件下對兩牛舍內各24 頭樣本牛進行稱重，計算兩舍內牛只日增重，剔除異常值后各舍的數據可作為本舍肉牛生長的平均水平。

1.6.3 環境測定 二期試驗進行環境測定，在牛舍內選取6 個剖面，該剖面將牛舍平均分割為7 部分，在每個剖面設置3 個測定點，分別位于牛只站立的位置和飼喂走道的中心，每天08:00、14:00 和20:00 在每個測定點距地面高約1.4 m 處利用手持二氧化碳測定儀和手持氨氣測定儀測定該位置的二氧化碳濃度和氨氣濃度。在第2、5 個剖面上距牛只站立的地面2 m 處懸掛溫濕度自動記錄儀測定舍內全天的溫度和相對濕度，測定間隔為5 min。舍外放置溫濕度自動記錄儀用來測定舍外溫濕度，測定間隔為5 min，在舍外溫濕度自動記錄儀外附遮蔽物防止太陽輻射的影響。各儀器測定點布置如圖5。

圖5 測定點布置圖

1.7 統計分析 采用SPSS 20.0 數據分析軟件進行數據分析，結果以平均值± 標準差表示。P＜0.01 為有極顯著差異，0.01＜P＜0.05 為有顯著差異，P＞0.05 為差異不顯著。

1.8 新型太陽能恒溫飲水系統設計 將兩期試驗結果對比得出，當太陽能的儲熱罐容量過大時，其維持溫度需要的用電量便隨之增加。從公司購買太陽能恒溫飲水系統其儲熱水箱容積為5 000 L，但在一期試驗以及后續的計算中認為2 000 L 已經保證肉牛正常的飲水需求，因此可以減少用來維持的耗電量。在太陽能恒溫飲水系統的投資成本方面，我們認為在電加熱系統基礎上改造的太陽能恒溫飲水系統比從公司購買的整套系統要節省近30 000 元，且試驗結果分析兩者的飲水溫度無顯著性差異，可為肉牛養殖提供參考。因此在兩期試驗基礎上設計一種新型太陽能恒溫飲水系統，即保證恒溫飲水需求，同時減少投資和最大程度節省耗電量。具體設計為：利用原有電加熱恒溫飲水裝置配套小容量2 000 L儲熱水箱和太陽能自動控制恒溫飲水裝置，經計算分析可滿足一棟200 頭均重300～500 kg 的育肥肉牛飲水需求。

2 結果

2.1 水溫 試驗期間各時刻試驗舍和對照舍內水溫情況見表1。一期試驗，試驗舍和對照舍飲水杯內日平均溫度分別為12.0℃和11.8℃（P＞0.05）。在08:00、14:00和20:00 時，試驗舍和對照舍飲水杯內平均水溫差異均不顯著。

表1 試驗期間試驗舍與對照舍飲水杯內水溫 ℃

二期試驗第一階段，試驗舍與對照舍飲水杯內水溫在08:00 時無顯著差異，而在14:00 和20:00 時差異極顯著和顯著。第二階段試驗舍與對照舍飲水杯內水溫在08:00 時差異顯著，而在14:00 和20:00 時差異極顯著。兩階段飲水杯內日平均水溫均沒有顯著差異。

2.2 增重 由表2 可知，一期試驗中，試驗舍與對照舍牛只初體重和平均日增重均無顯著差異。二期試驗中，試驗舍樣本牛初體重為272.53 kg，對照舍樣本牛初體重為271.66 kg（P＞0.05），試驗期間試驗舍和對照舍樣本牛平均日增重分別為1.10、1.14 kg/（頭·d）（P＞0.05）。

表2 試驗期間各舍肉牛增重

2.3 耗電量 甘肅省農業用電各時段峰谷電價見表3。據此對2 個牛舍的耗電情況進行統計發現，一期試驗試驗舍與對照舍內日平均耗電量分別為185.56、239.71 kW·h（P＜0.01），試驗舍的恒溫飲水系統比對照舍每日節省運行費用23.83 元。

表3 甘肅省農業用電各時段峰谷電價

二期試驗第一階段試驗舍與對照舍內日平均耗電量分別為365.80、404.40 kW·h（P＞0.05），第一階段試驗舍的恒溫飲水系統比對照舍每日節省運行費用17.91元。第二階段試驗舍與對照舍內日平均耗電量分別為331.17、409.67 kW·h（P＜0.05），第二階段試驗舍的恒溫飲水系統比對照舍每日節省運行費用37.02 元。第二階段試驗舍每日耗電量比第一階段減少34.63 kW·h（P＜0.01）。

2.4 環境分析

2.4.1 溫濕度指標 在二期試驗中，試驗期間各時刻試驗舍、對照舍及舍外溫濕度情況如下表4。整個試驗期間舍外日平均溫度為-5.5℃，最低溫度出現在05:00，為-17.5℃。試驗舍日平均溫度為1.0℃，對照舍日平均溫度為1.0 ℃（P＞0.05）。舍外日平均相對濕度為48.70%，最高相對濕度為87.43%，出現在09:20。試驗舍日平均相對濕度為66.94%，對照舍日平均相對濕度為67.53%（P＞0.05）。各時刻對照舍與試驗舍溫度、相對濕度均沒有顯著差異。試驗第一和第二階段試驗舍內日平均溫度、日平均相對濕度均沒有顯著差異。

表4 二期試驗舍內外溫濕度

2.4.2 有害氣體 如5 所示，試驗期間試驗舍CO2 日平均濃度為1 863.7 mg/m3，對照舍為1 877.4 mg/m3（P＞0.05）；試驗舍NH3日平均濃度為0.7 mg/m3，對照舍為0.6 mg/m3（P＞0.05）。在CIGR 畜禽舍碳酸濃度最大限度以內[14]，滿足肉牛生長需求。

2.5 新型太陽能恒溫飲水系統設計 根據兩期試驗的結果，設計一種新型太陽能恒溫飲水裝置，通過減少太陽能集熱器光板的數量、減少水箱容量，除去循環水箱等降低設備的一次性投入和耗電量。

查閱文獻得知，一頭350～500 kg 的育肥肉牛日均飼喂量10～15 kg 飼料[15]，因此一棟200 頭育肥肉牛日均最大需供應約9 000 L 飲用水[16]。甘肅地下水溫約14℃[17]，地下水經運輸其初始水溫約10℃[8]，設計太陽能恒溫飲水的加熱上限溫度為30℃，儲熱水箱容積為2 000 L，則和冷水混合后可提供8 000 L、15℃飲用溫水，在上午太陽光照不足時采用輔助采用輔助電加熱方式。張掖地區冬季各月份日均太陽輻射11 月9.97 MJ/m2，12 月8.09 MJ/ m2，1 月8.75 MJ/ m2，2 月11.53 MJ/ m2，冬季日均的太陽輻射量為9.585 MJ/ m2[18]，則根據下列公式計算：

表5 二期試驗舍內外有害氣體情況 mg/m3

式中，AC為直接換熱系統太陽能集熱器的總面積，單位為m2；QW為日均加熱水量，2 000 L；c 為水的定壓比熱容，單位為KJ/(kg·℃)，取4.2；ρ 為水的密度，單位為g/cm3，取1；tend為水箱內水的終止設計溫度，單位為℃，取30；tL為水的初始溫度，單位為℃，取14；f 對于該太陽能系統，為太陽能保證率，最新的國家標準建議取0.3～0.8，取0.6；JT 為太陽能集熱器采光面的年均日太陽輻射量，單位為KJ/m2，取9 585；ηcd為太陽能集熱器年均效率，取0.6；ηL為管路及水箱熱損失，取0.1。

因此，建議安裝47×1500×60 型全玻璃管集熱器3 套，每套集熱器集熱面積為6.2 m2，總集熱面積18.6 m2，基本可滿足肉牛飲水需求。

另外，龐超[8]研究發現牛在夜間飲水量極少，因此設計夜間23:00—05:00 加熱上限溫度為20℃，減少因維持水溫而產生的熱損失，節約用電。

3 討論

3.1 太陽能恒溫飲水系統運行效果分析 一期試驗中，試驗舍與對照舍飲水杯平均水溫分別為11.99、11.78℃，經測定太陽能熱水器貯熱水箱最高溫度可達40～45℃，一般情況下可達到35℃左右。龐超[8]研究發現，飲水溫度為16～18℃時牛只的增重效果最佳，為1.69 kg/（d·頭）。本次研究中兩舍內水溫分別為11.99℃和11.78℃，無顯著差異，溫度相對較低于推薦溫度。針對這種情況，殷威強等[19]認為，冬季太陽能的供熱能效較夏季低，為解決冬季太陽能加熱效率低于理想值，可采取將太陽能熱水與燃氣熱水串聯的方式，其能源效率高、加熱速度快、使用費用低，并且效果優于電輔熱加熱器，可用于改進一期試驗設備。試驗舍內，牛只增重有高于對照舍的趨勢，分析可能是由于每日下午太陽能貯熱水箱和電加熱水箱中溫水混合后，水溫高于對照舍水溫1.7℃，促進牛只的瘤胃消化代謝導致。

二期試驗期間對照舍電加熱系統設定溫度為60℃，水箱內溫度基本維持在30～35℃，可使飲水杯內平均水溫達到20℃；對照舍由于電加熱水溫高，故熱水經熱水箱至飲水杯損失大量熱，耗能效率比降低，因此可以采用末端加熱的方式。王波等[20]對電加熱飲水槽優化設計，發現將溫控技術與保溫材料結合，采用低電壓24 V 代替220 V 的常用電壓，可保持飲水溫度在10℃以上同時避免高壓對牛的損害，節約能耗約20%。但戚江濤等[21]在極寒冷地區驗證電熱水槽的使用效果，結果顯示水槽內平均水溫為7.2℃，不能滿足肉牛冬季合適的飲水溫度。因此在電加熱水槽的功率等參數設定還需要進一步探究。試驗舍太陽能加熱飲水系統設定儲熱水箱下限溫度為40℃，上限溫度為45℃，實際儲熱水箱內溫度能達到40℃，可使飲水杯內平均水溫達到22℃。試驗舍太陽能加熱系統水箱的設定溫度低于對照舍電加熱系統水箱的設定溫度，但在2 個試驗階段兩舍飲水杯內的日平均水溫、飲水高峰時段水溫均無顯著差異，說明減少儲水箱容量減少維持溫度的熱量，可提高水杯溫度。

本試驗新設計的太陽能恒溫飲水系統在原有電加熱飲水系統的基礎上進行改造，將上限溫度設置為30℃上，經計算與冷水混合后可提供8 000 L 溫度達18℃的飲水，改善了一期試驗水溫過低和二期試驗一次性投資成本過高的缺點，適用于200 頭均重350～500 kg 肉牛育肥舍使用。

3.2 恒溫飲水系統經濟可行性分析 一期試驗期間2棟牛舍牛只飼料飼喂量保持一致，因此飼料影響可不予考慮。太陽能熱水器設備是在全電加熱飲水系統基礎上改造的，購置安裝費用為11 000 元，理論使用年限10 年。試驗期間試驗舍和對照舍日平均耗電量分別為185.56、239.71 kW·h，將當地峰谷電價加權平均得到平均電價為0.44 元/kW·h，因此試驗舍的恒溫飲水系統比對照舍每天節省運行費用23.83 元，若每年冬季恒溫飲水系統工作4 個月，則太陽能恒溫飲水系統每年節省23.83 元/d×120 d=2 859.12 元，3 年10 個月即可收回太陽能加熱器的成本費用。

二期試驗中，設備購置及安裝費用為50 000 元，電加熱系統設備購置和安裝費用為20 000 元，理論使用年限均為20 年，試驗期間第一階段試驗舍與對照舍日平均耗電量分別為365.80、404.40 kW·h，第二階段的日平均耗電量分別為331.17、409.67 kW·h。根據張掖地區的峰谷時段電價計算可得第一階段試驗舍的太陽能恒溫飲水系統可比對照舍的電加熱飲水系統每日節省運行費用17.91 元，第二階段每日節省運行費用37.02元。按照每年冬季運行4 個月計算，以第一階段的水箱水量運行一年可節省 2149.20 元，需23 年零1 個月可收回太陽能加熱系統的投資成本；以第二階段的水箱水量運行1 年可節省4 442.40 元，需11 年零1 個月可收回太陽能加熱系統的投資成本。

新型太陽能恒溫飲水系統將儲熱水池容量減小至2 000 L，同時除去3 套全玻璃管集熱器和循環水箱的情況下可以較二期試驗節約設備成本約30 000 元。

4 結論

本試驗結果顯示，太陽能恒溫飲水系統和電加熱飲水系統對肉牛提供的飲水溫度無顯著性差異，在甘肅張掖地區用太陽能恒溫飲水系統代替全電加熱飲水系統是可行的，太陽能恒溫飲水系統水箱總水量為5 000 L 和2 500 L 時日均可節省耗電38.60 kW·h 和78.50 kW·h，每個冬季分別節省2 149.20 元和4 442.40 元。根據不同地區的熱輻射參數在太陽能恒溫飲水系統中適當減少集熱器數量和儲熱水罐容積可以節約設備成本。