后備母豬舍夏季環(huán)境調(diào)控影響因子變化規(guī)律試驗與分析*

黃志滔，曹永峰，夏晶晶,3，吳凡，曾志雄，呂恩利

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州市，510642；2.廣州迦恩科技有限公司，廣州市，510555；3.廣東機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州市，510515)

0 引言

豬舍內(nèi)環(huán)境是影響母豬健康和生產(chǎn)性能的重要因素[1-3]，為保證母豬的生長生產(chǎn)，需要維持較為適宜的溫濕度環(huán)境。研究表明，豬舍溫度過高，會顯著降低豬的生產(chǎn)性能，降低豬體抵抗力，嚴重時造成豬只死亡[4-6]。當豬舍內(nèi)的相對濕度低于40%時，會嚴重影響豬體健康，顯著提高呼吸道疾病和皮膚疾病的發(fā)病幾率[7-8]；當豬舍內(nèi)的相對濕度超過90%時，會對豬只抵抗力產(chǎn)生顯著影響，降低生產(chǎn)性能。因此，對豬舍內(nèi)溫度和相對濕度進行準確、有效的調(diào)控是非常有必要的。

國內(nèi)外學(xué)者針對豬舍環(huán)境控制進行了大量的研究，Kae等[9]基于WSN進行模擬試驗和現(xiàn)場試驗，在動物聚集條件下進行監(jiān)測，利用廉價、低功耗的傳感器節(jié)點收集數(shù)據(jù)。Liu等[10]設(shè)計了大型豬舍的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，在不同季節(jié)或不同風(fēng)速條件下，將豬舍溫度控制在30 ℃以下，空氣濕度控制在65%以上。馮江等[11]研究了基于自適應(yīng)模糊PID控制算法的母豬舍溫濕度控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了更精準的溫濕度環(huán)境控制。于明珠等設(shè)計了基于PLC的仔豬舍溫度自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對仔豬舍小環(huán)境溫度的實時采集與控制。Ni等[12]搭建了豬舍計算機在線控制系統(tǒng)，采用了高水平質(zhì)量保證和質(zhì)量控制的新技術(shù)，用于豬舍空氣質(zhì)量實時監(jiān)測。

上述研究實現(xiàn)了對豬舍環(huán)境的監(jiān)測和控制，但未涉及豬舍實際通風(fēng)情況的研究，缺乏豬舍內(nèi)溫度、相對濕度調(diào)控的依據(jù)。

本研究在后備豬舍內(nèi)布置傳感器，通過改變開啟風(fēng)機數(shù)量、風(fēng)機組合和濕簾等措施，測試后備母豬舍內(nèi)的溫度、相對濕度和氨氣的分布情況，獲取在通風(fēng)過程中，后備豬舍內(nèi)的溫度、相對濕度分布及變化規(guī)律[13-15]，為后備豬舍通風(fēng)模式設(shè)計和環(huán)境控制測量優(yōu)化提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 試驗豬舍

母豬群的更新頻率和更新質(zhì)量直接到關(guān)系豬場的經(jīng)濟效益，后備母豬承擔(dān)這整個豬場母豬更新?lián)Q代和保障穩(wěn)定生產(chǎn)的雙重責(zé)任。本研究選取的后備母豬舍布置有限位欄和大欄結(jié)構(gòu)，具有典型性和代表性。后備母豬舍位于云南省保山市隆陽區(qū)芒寬彝族傣族鄉(xiāng)，北緯25°19′30″，東經(jīng)98°51′20″，海拔高度1 125 m。該后備母豬舍屬于美式通風(fēng)結(jié)構(gòu)建筑，配備降溫濕簾、屋頂小窗及側(cè)墻負壓風(fēng)機等環(huán)控設(shè)施。后備母豬舍采用負壓通風(fēng)模式，通風(fēng)系統(tǒng)利用北墻的風(fēng)機進行抽風(fēng)，舍外的新鮮空氣流經(jīng)南墻的濕簾，通過風(fēng)門進入豬舍內(nèi)，從地溝的進風(fēng)管道進入豬頭區(qū)域，最后經(jīng)中央排風(fēng)口排出，豬舍內(nèi)部如圖1所示。

圖1 后備舍內(nèi)部Fig.1 Interior of reserve pigsty

測試的后備母豬舍為南北走向，整體尺寸長 48 m、寬54 m、高為屋檐3.5 m、屋頂5.5 m，舍內(nèi)空間完全密閉。豬舍單元設(shè)置成8列，每列84個欄位，每個豬欄長2.2 m，寬0.6 m，欄位頭尾均有過道，共有欄位672個。后備母豬舍屋頂由56組板搭建，其中6組為透光板，透光率10.71%，頂部厚度為8 cm，材料為上下鐵皮中間夾層。后備豬舍北面墻上安裝有風(fēng)機38臺，其中上排22個風(fēng)機，直徑均為1.3 m，風(fēng)量為49 130 m3/h；下排16個風(fēng)機為地溝風(fēng)機，直徑均為0.78 m，風(fēng)量為21 182 m3/h，外墻風(fēng)機分布如圖2所示。后備豬舍南面墻上裝有風(fēng)門，可調(diào)節(jié)開度大小，墻外裝有紙質(zhì)濕簾，厚度均為0.18 m，后備母豬舍局部三維模型如圖3所示。

圖2 外墻風(fēng)機分布Fig.2 Fan distribution on external wall

圖3 后備舍局部三維圖Fig.3 3D diagram of reserve pigsty1.地溝風(fēng)機 2.過道 3.母豬定位欄 4.活動區(qū) 5.風(fēng)門 6.門 7.濕簾 8.風(fēng)機

1.2 環(huán)境監(jiān)測設(shè)備

后備母豬舍內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)測量采用PR-3003-WS-X型溫濕度記錄儀。該記錄儀自帶高精度溫濕度傳感器可進行精準的溫濕度測量，溫度測量范圍為-20 ℃～60 ℃(測量精度為±0.2 ℃)，相對濕度測量范圍為0%RH～95%RH(測量精度為±2%RH)。記錄儀內(nèi)置存儲功能，可記錄26萬條溫濕度數(shù)據(jù)，最多可擴展208萬條數(shù)據(jù)。溫濕度記錄記錄儀技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 PR-3003-WS-X溫濕度記錄儀技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of PR-3003-WS-X temperature and humidity recorder

后備母豬舍內(nèi)的氨氣濃度數(shù)據(jù)測量采用智能環(huán)境監(jiān)測儀，它攜帶高精度氨氣傳感器可進行精準的氨氣濃度測量。該智能環(huán)境監(jiān)測儀可設(shè)置數(shù)據(jù)采集間隔時間，并將采集數(shù)據(jù)上傳至云端，供用戶查看，環(huán)境監(jiān)測儀技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 智能環(huán)境監(jiān)測儀技術(shù)參數(shù)Tab.2 Technical parameters of Intelligent environment monitor

1.3 環(huán)境參考指標

引入溫濕度指數(shù)[16-17](Temperature-humidity Index，THI)對舍內(nèi)的熱環(huán)境狀況進行分析。本試驗采用的THI計算方法已被許多研究人員應(yīng)用于畜禽養(yǎng)殖濕熱環(huán)境的分析當中，具體如式(1)所示。

THI=(1.8T+32)-(0.55-0.005 5RH)×

(1.8T-26)

(1)

式中：T——溫度，℃；

RH——相對濕度，%。

為評價豬舍內(nèi)的溫濕度場的分布狀況，引入不均勻系數(shù)[18](不均勻系數(shù)數(shù)值越小，分布越均勻)，采用每個測點的平均數(shù)值。不均勻系數(shù)S采用式(2)表示。

(2)

式中：ti——第i個測點的平均溫度，℃；

tn——所有測點的平均溫度，℃;

n——測點數(shù)量。

1.4 試驗方法

現(xiàn)場試驗時間在2020年8月份進行，當日后備豬舍外氣溫為18 ℃～32 ℃，相對濕度為52%～89%，風(fēng)速為0～3 m/s，為西南地區(qū)夏季典型氣候水平。利用溫濕度記錄儀、氨氣變送器進行數(shù)據(jù)采集，間隔1 min采集一次數(shù)據(jù)。試驗開始前，提前進入豬舍內(nèi)進行調(diào)查，并記錄豬舍的豬只類型和數(shù)量、建筑尺寸、通風(fēng)方式、環(huán)控設(shè)備、環(huán)控原理等。根據(jù)勘察結(jié)果繪制后備豬舍平面布局圖并進行試驗區(qū)域劃分，為記錄儀的合理布置提供參考。選取舍內(nèi)外28臺傳感器采集到的 7 021 條有效環(huán)境信息數(shù)據(jù)作為原始試驗數(shù)據(jù)，其中包括溫度、相對濕度、氨氣、數(shù)據(jù)包上傳時間等信息。試驗完成后，對試驗數(shù)據(jù)進行輸出和整理，對原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，剔除異常數(shù)據(jù)包，繪制相關(guān)圖像并進行統(tǒng)計學(xué)分析[19-25]。

豬舍單元設(shè)置成8列，每列84個欄位，欄位頭尾均有過道，共有欄位672個，測試時存欄母豬625頭。根據(jù)中國《GB/T 17824.3—2008 規(guī)模化豬場環(huán)境參數(shù)及環(huán)境管理》對通風(fēng)量參數(shù)的推薦值，豬舍通風(fēng)量和風(fēng)速應(yīng)在適宜范圍內(nèi)，通過計算得出后備母豬舍的最小通風(fēng)量，選用了1～3臺風(fēng)機進行試驗。

在集約化豬舍養(yǎng)殖環(huán)境調(diào)控過程中，由于豬舍內(nèi)外環(huán)境溫差、太陽輻射、豬只體表散熱及呼吸產(chǎn)熱等因素影響，將會進行熱交換，共同作用下使得舍內(nèi)溫度升高[26-34]。試驗開始，為使豬舍與外界環(huán)境基本達到熱平衡，先關(guān)閉后備豬舍環(huán)控及通風(fēng)系統(tǒng)，使豬舍處于自然通風(fēng)狀態(tài)。10 min之后打開風(fēng)機并開啟濕簾，運行1 h后關(guān)閉風(fēng)機，結(jié)束試驗，導(dǎo)出試驗數(shù)據(jù)進行分析。

圖4為后備母豬舍風(fēng)機及濕簾位置圖，舍內(nèi)風(fēng)機位于北墻，其中1～3為試驗風(fēng)機，4為濕簾，位于南墻的舍外位置，作為舍內(nèi)主要進風(fēng)口。在試驗中，當開啟一臺風(fēng)機時，所開啟風(fēng)機為2號風(fēng)機，當開啟兩臺風(fēng)機時，所開啟風(fēng)機為1、3號風(fēng)機，當開啟三臺風(fēng)機時，所開啟風(fēng)機為1～3號風(fēng)機。

圖4 后備舍風(fēng)機及濕簾位置圖Fig.4 Location drawing of backup fan and wet curtain

2 傳感器的布置

試驗后備母豬舍內(nèi)部空間適中，豬只頭尾均有過道，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，結(jié)合豬舍內(nèi)豬只分布及通風(fēng)特點，選取豬頭處的過道作為溫度和相對濕度的主要監(jiān)測點，以豬舍中央的一條過道作為氨氣濃度的主要監(jiān)測點，并選取舍外濕簾區(qū)域作為試驗對照組[26-28]，采用全局布置方式，對傳感器進行合理布置劃分，以研究試驗后備舍內(nèi)溫度、相對濕度及氨氣數(shù)據(jù)的分布特性。根據(jù)《規(guī)模豬場環(huán)境參數(shù)及環(huán)境管理(GB/T 17824.3—2008)》的各項指標要求，明確豬舍內(nèi)溫濕度測量的適宜高度，1～8號、13～25號溫濕度傳感器均放置于靠近豬頭處的過道，離地高度0.7 m處，這個高度與豬頭高度相當，測量所得數(shù)據(jù)更能準確反映出后備母豬舍內(nèi)的溫濕度狀況；9～12號氨氣傳感器放置在豬舍中部走廊區(qū)域，離地高度1.2 m處，由于氨氣濃度比空氣小，這個高度有利于舍內(nèi)氨氣濃度的測量；26～28號傳感器放置于舍外濕簾旁，離地高度0.7 m處，采集到的數(shù)據(jù)取均值作為舍外環(huán)境參數(shù)。試驗結(jié)束后導(dǎo)出各項數(shù)據(jù)進行分析，后備舍傳感器布置方式如圖5所示，圖中9～13號傳感器為氨氣變送器，其余傳感器為溫濕度記錄儀。

圖5 后備舍傳感器布置示意圖Fig.5 Layout of sensors in reserve pigsty

3 試驗結(jié)果與分析

每組試驗開始時，關(guān)閉后備豬舍環(huán)控及通風(fēng)系統(tǒng)10 min，后備豬舍處于自然通風(fēng)狀態(tài)，溫度逐漸上升。打開不同數(shù)量的風(fēng)機并開啟濕簾，運行1 h后關(guān)閉風(fēng)機，結(jié)束試驗。試驗完成后，導(dǎo)出試驗數(shù)據(jù)，對試驗后備母豬舍采集到的各組數(shù)據(jù)進行對比分析。

3.1 風(fēng)機開啟數(shù)量對環(huán)境的影響

3.1.1 風(fēng)機開啟數(shù)量對環(huán)境溫濕度的影響

通過控制風(fēng)機的開啟數(shù)量，測量后備豬舍內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，利用Matlab軟件繪制環(huán)境參數(shù)變化曲線圖(圖6)。

從環(huán)境參數(shù)變化曲線圖上看，溫度變化趨勢基本一致，隨著開啟風(fēng)機的數(shù)量增多，后備舍內(nèi)溫度下降幅度越大，后備豬舍內(nèi)的環(huán)境參數(shù)如表3所示，溫度下降幅度最大為2.66 ℃，下降幅度最小為1.08 ℃。當開啟3臺風(fēng)機時，舍外溫度為30.85 ℃，后備舍內(nèi)最高溫度為30.19 ℃，最低溫度為27.53 ℃，最大溫差達2.66 ℃，在相同的試驗時間內(nèi)，后備舍內(nèi)溫度的下降幅度較大，在夏季舍外溫度較高的情況下，能較快降低舍內(nèi)的溫度。

表3 后備豬舍環(huán)境參數(shù)測量和結(jié)果Tab.3 Measurement and results of environmental parameters in reserve pigsty

后備舍內(nèi)相對濕度變化趨勢基本一致，隨著開啟風(fēng)機的數(shù)量增多，后備舍內(nèi)相對濕度上升幅度越大，相對濕度上升幅度最大為9.76%，上升幅度最小為5.22%。當開啟2臺風(fēng)機時，舍外濕度為48.68%，后備舍內(nèi)最高相對濕度達到68.06%，最低相對濕度為58.30%，最大相對濕度差達9.76%，在相同的試驗時間內(nèi)，后備舍內(nèi)相對濕度的上升幅度較大，夏季氣溫較高，在舍外相對濕度較低的情況下，能較快增加舍內(nèi)的相對濕度。

從氨氣變化曲線可以看出，開啟風(fēng)機對降低后備舍內(nèi)氨氣濃度有明顯效果。根據(jù)《規(guī)模豬場環(huán)境參數(shù)及環(huán)境管理》(GB/T 17 824.3—2008)的各項指標要求，母豬舍內(nèi)氨氣質(zhì)量濃度的指標值為25 mg/m3。

(a)溫度變化曲線

在不同的風(fēng)機開啟數(shù)量下，后備母豬舍內(nèi)的氨氣濃度變化趨勢基本一致，但氨氣質(zhì)量濃度均低于5 mg/m3，遠低于母豬舍內(nèi)氨氣質(zhì)量濃度的指標值(25 mg/m3)，表明夏季豬舍內(nèi)氨氣濃度較低，不同的風(fēng)機開啟數(shù)量對舍內(nèi)的氨氣濃度影響較小。

3.1.2 環(huán)境溫濕度沿通風(fēng)方向的變化

圖7反映在不同的風(fēng)機開啟數(shù)量下，環(huán)境溫濕度沿通風(fēng)方向的變化情況。在不同的風(fēng)機開啟數(shù)量下，舍內(nèi)沿通風(fēng)方向的溫度分布基本一致，隨著通風(fēng)方向距離增大，后備舍內(nèi)平均溫度逐漸增大。后備母豬舍內(nèi)環(huán)境溫濕度沿通風(fēng)方向的變化如表4所示，當開啟3臺風(fēng)機時，舍外溫度為30.85 ℃，經(jīng)過通風(fēng)方向3 m處平均溫度降低3.15 ℃，經(jīng)過通風(fēng)方向17 m處平均溫度降低2.49 ℃，經(jīng)過通風(fēng)方向31 m處平均溫度降低2.09 ℃，經(jīng)過通風(fēng)方向45 m處平均溫度降低1.81 ℃，在濕簾的作用下，靠近進風(fēng)口的舍內(nèi)區(qū)域降溫效果較好，由于水汽蒸發(fā)的影響，沿著通風(fēng)方向的降溫效果逐漸減弱。從溫度變化圖可以看出，開啟的風(fēng)機數(shù)量越多，舍內(nèi)溫度在通風(fēng)方向上的分布越趨向均勻。

表4 后備豬舍溫濕度沿通風(fēng)方向的測量和結(jié)果Tab.4 Measurement and results of temperature and humidity along ventilation direction in reserve pigsty

(a)溫度

在不同的風(fēng)機開啟數(shù)量下，舍內(nèi)沿通風(fēng)方向的相對濕度變化趨向基本一致，隨著通風(fēng)方向距離增大，后備舍內(nèi)平均相對濕度逐漸減小。當開啟3臺風(fēng)機時，舍外相對濕度為53.09%，經(jīng)過通風(fēng)方向3 m處平均相對濕度上升20.09%，經(jīng)過通風(fēng)方向17 m處平均相對濕度上升18.86%，經(jīng)過通風(fēng)方向31 m處平均相對濕度上升17.06%，經(jīng)過通風(fēng)方向45 m處平均相對濕度上升17.43%，舍外新風(fēng)經(jīng)過濕簾進入舍內(nèi)，顯著提高舍內(nèi)的相對濕度。從相對濕度變化圖可以看出，開啟的風(fēng)機數(shù)量越多，舍內(nèi)相對濕度在通風(fēng)方向上的分布越趨向均勻。

3.2 濕簾對環(huán)境溫濕度的影響

為了研究開啟濕簾對環(huán)境溫濕度的影響，對采集到的平均數(shù)據(jù)進行比較分析，濕簾對環(huán)境溫濕度的影響如圖8所示。舍外溫度最高為32.83 ℃，溫度最低為28.7 ℃，經(jīng)過濕簾降溫后，后備舍內(nèi)溫度最高值為28.8 ℃，溫度最低值為25.9 ℃。同一時刻，經(jīng)過濕簾后的最大降溫4.27 ℃，降溫幅度為13.27%；最小降溫2.3 ℃，降溫幅度為7.96%，由于夏季氣溫較高，舍外新風(fēng)經(jīng)過濕簾后，將大量水汽帶到舍內(nèi)，降溫效果較為明顯。

(a)溫度

舍外相對濕度最高為59.07%，相對濕度最低為48.8%，經(jīng)過濕簾過，后備舍內(nèi)的相對濕度最高值為77.65%，相對濕度最低值為66.45%。同一時刻，濕簾前后的相對濕度最大差值為24.17%，濕簾加濕幅度為48.6%；相對濕度最小差值為15.17%，濕簾加濕幅度為29.38%，濕簾對后備母豬舍內(nèi)的加濕效果明顯。

3.3 風(fēng)機位置對環(huán)境均勻性的影響

根據(jù)GB/T 17824.3—2008規(guī)模豬場環(huán)境參數(shù)及環(huán)境管理，通風(fēng)量和風(fēng)速應(yīng)在適應(yīng)豬只生活的適宜范圍。若通風(fēng)量和風(fēng)速遠大于適宜范圍，會影響豬只健康。通過改變風(fēng)機組合(每個組合的風(fēng)機開啟數(shù)量均為兩臺)，測試后備母豬舍內(nèi)的溫濕度變化規(guī)律，通過式(1)可得，在不同風(fēng)機組合的情況下，后備豬舍舍內(nèi)THI指數(shù)的變化規(guī)律如圖9所示。從圖中可以看出，不同的風(fēng)機組合，后備舍內(nèi)THI指數(shù)的變化趨勢基本一致，開啟左右兩側(cè)風(fēng)機時，THI指數(shù)下降幅度較開啟左中和右中側(cè)風(fēng)機大。當開啟左右兩側(cè)風(fēng)機時，后備舍內(nèi)平均THI指數(shù)為79.5，最高THI指數(shù)為80.87，屬于嚴重?zé)釕?yīng)激，最低THI指數(shù)為77.75，屬于中等熱應(yīng)激，下降幅度為3.86%。在相同的試驗時間內(nèi)，開啟左右兩側(cè)的風(fēng)機能有效的降低后備舍內(nèi)溫濕度指數(shù)，有效緩解舍內(nèi)豬只的熱應(yīng)激。

圖9 后備豬舍內(nèi)部THI指數(shù)變化曲線Fig.9 THI index change curve in reserve pigsty

通過式(2)可得，在不同風(fēng)機組合的情況下，后備豬舍舍內(nèi)的溫度場、相對濕度場不均勻系數(shù)如表5所示。后備豬舍內(nèi)的溫度場不均勻系數(shù)為0.42，相對濕度場不均勻系數(shù)為0.5，顯然，開啟左右兩側(cè)風(fēng)機時，舍內(nèi)溫度、相對濕度分布較為均勻。

表5 后備舍內(nèi)部不均勻系數(shù)Tab.5 Internalnonuniformity coefficient in reserve pigsty

4 結(jié)論

本研究以典型的西南地區(qū)夏季氣候為背景，對云南省某規(guī)模化豬場后備母豬舍進行溫濕度調(diào)控試驗，通過在豬舍內(nèi)布置傳感器，獲取在通風(fēng)過程中，豬舍內(nèi)的溫度和相對濕度的分布及變化情況，得出以下結(jié)論。

1)隨著開啟風(fēng)機的數(shù)量增多，后備舍內(nèi)溫度下降幅度越大，相對濕度上升幅度越大。溫度下降幅度最大為2.66 ℃，下降幅度最小為1.08 ℃，相對濕度上升幅度最大為9.76%，上升幅度最小為5.22%，后備母豬舍內(nèi)的氨氣質(zhì)量濃度均遠低于指標值(25 mg/m3)，表明夏季豬舍內(nèi)氨氣濃度較低；開啟的風(fēng)機數(shù)量越多，舍內(nèi)溫度、相對濕度在通風(fēng)方向上的分布越均勻。

2)開啟濕簾對后備豬舍內(nèi)降溫加濕有明顯效果，在同一時刻，經(jīng)過濕簾后的最大降溫幅度為4.27 ℃，最小降溫幅度為2.3 ℃；經(jīng)過濕簾后的相對濕度最大差值為24.17%，相對濕度最小差值為15.17%。

3)開啟左右兩側(cè)風(fēng)機時，舍內(nèi)溫濕度分布較開啟左中或右中側(cè)風(fēng)機均勻，后備豬舍內(nèi)平均THI指數(shù)為79.5，THI指數(shù)下降幅度為3.86%，能有效緩解舍內(nèi)豬只的熱應(yīng)激；后備豬舍內(nèi)的溫度場不均勻系數(shù)為0.42，相對濕度場不均勻系數(shù)為0.5，舍內(nèi)溫度、相對濕度分布較為均勻。