豬舍內風速對豬只散熱及有效環境溫度的影響研究

樊士冉 張志勇 任學明 于 奇 蔣福濤 李淑泉

（1新希望六和股份有限公司/農業農村部飼料及畜禽產品質量安全控制重點實驗室，四川成都 610023；2德州市現代生豬養殖技術創新中心，山東德州 253000；3山東省豬禽健康養殖與疾病診斷技術工程實驗室，山東青島 266000；4山東省陽谷縣畜牧局，山東聊城 252300）

豬舍的溫熱環境是影響豬只健康的基本要素，適宜的溫熱環境對改善動物福利水平與生產成績至關重要[1]。豬舍的溫熱環境十分復雜，主要由舍內溫度、濕度和通風3個因素相互作用形成[2]。舍內溫度是最重要、也是最容易測得的溫熱環境因子。豬只的有效環境溫度，通常又被稱為“體感溫度”。然而豬只實際的“體感溫度”并不是單純的舍內環境所處的溫度，轉換成同等溫度，會受到氣溫、風速與相對濕度的綜合影響。參照人的“體感溫度”研究，羅伯特·史特德曼（Robert G.Steadman） 在 《A universal scale of apparent temperature》中將人的“體感溫度”的計算方式概括如下[3]：

其中AT為體感溫度（℃）、T為氣溫（℃）、e為水汽壓（hPa）、V為風速（m/s）、RH為相對濕度（%）。

由式（1）、（2）可看出，相對濕度越小、風速越大時，能得出較低的“體感溫度”。然而由于豬只形體尺寸、散熱方式等與人類相比存在較大差異，對于豬只的“體感溫度”需要有進一步的研究。本文主要研究風速對于豬只散熱情況及有效環境溫度的影響。

1 豬只散熱方式簡介

豬只對外的散熱符合熱量傳遞的基本規律[4]，主要通過以下4種方式進行散熱。

1.1 傳導散熱

傳導的散熱方式是由于豬與另外的表面物理接觸形成的。由于豬只的核心溫度與所接觸物體（主要是地板）存在溫度差，熱量由豬只內部組織傳遞至地板。影響導熱速率的主要因素有豬只核心溫度與地板的溫度差、豬只與地板之間的接觸面積等。

1.2 對流散熱

對流散熱是指在氣體或液體中進行熱量傳遞的方式。對流散熱可分自然對流散熱和強迫對流散熱2種方式。自然對流散熱往往自然發生，是由于溫度不均勻而引起的。強迫對流散熱是由于外界的影響對流動氣體攪拌而形成的。豬只的對流散熱的溫度差體現在豬只體表溫度與周圍空氣之間。影響豬只對流散熱的主要因素有：豬只體表與空氣的溫度差、豬舍內空氣的速度及豬只與流體的接觸面積。

1.3 輻射散熱

自然界中各個物體都不停地向空間發出熱輻射，同時又不斷地吸收其他物體發出的熱輻射。發出熱輻射與吸收熱輻射過程的綜合結果就造成了以輻射方式進行的物體間的熱量傳遞。熱輻射進行能量交換不需要介質，在豬只輻射范圍內的表面溫度與豬只體表溫度不一致的情況下即會產生熱輻射。比如豬舍圍墻的溫度低于豬只體表溫度，則豬只通過熱輻射與圍墻進行相應的熱交換。

1.4 蒸發散熱

蒸發散熱的熱傳遞屬于相變熱的一種，是由水（液相）變為氣相（蒸汽）而吸收熱量的過程。由于豬只的汗腺系統不發達，對于豬只的蒸發散熱主要伴隨著呼吸進行。同樣，目前采用的噴淋降溫，是一種輔助人工蒸發降溫的方式[5]。影響蒸發散熱速率的主要因素有豬舍內空氣的溫度、相對濕度、豬的呼吸量等。當豬舍周圍空氣與環境表面溫度接近豬體溫度時，蒸發散熱就成為最主要的散熱方式[6]。

豬只對外散熱的示意圖如圖1所示。

圖1 豬只的散熱方式示意圖

2 風速對豬只散熱影響的計算

提高豬舍內的風速對豬只散熱最主要的意義體現在對流散熱方面。對流散熱的計算可以參照“牛頓冷卻定律”，“牛頓冷卻定律”是溫度高于周圍環境的物體向周圍媒質傳遞熱量逐漸冷卻時所遵循的規律。“牛頓冷卻定律”指出，流體與固體壁面之間對流傳熱的熱流與它們的溫度差成正比[7]。其散熱符合公式：

其中：

Q對流：經對流的散熱量，單位為W；

其中對流傳熱系數指的是流體與固體表面之間的換熱能力。如物體表面與附近空氣溫差1℃，單位時間（1 s）單位面積上通過對流與附近空氣交換的熱量。

對流傳熱系數參照Holman在《Heat transfer》一書中的公式[8]。

其中：

kf：空氣的熱導率，單位W/m·℃；

D：等效的球體的直徑，單位為m；

ρf：空氣的密度，單位為kg/m3；

μf：空氣動力粘度，單位為 kg/（m·s）。

根據以上可知，如果空氣溫度低于豬只的核心溫度，在豬只體表附近快速流動的空氣由于熱對流交換會形成“風冷效應”。如取空氣溫度20℃的情況下，相應的參數 kf=0.0257 W/m·℃、ρf=1.21 kg/m3、μf=1.83×10-5kg/（m·s），取豬只等效的球體直徑為0.47 m，則在0.2 m/s的風速下，對流傳熱系數h1=3.8 W/（m2·℃）；當風速增加為2 m/s時，對流傳熱系數h2=15.2 W/（m2·℃）。對于100 kg體重的豬只，近似長度L=1.2 m，直徑D=0.47 m，豬只體表溫度T皮=37℃，則在風速0.2 m/s的條件下，豬只經對流的散熱量為36.6 W；當風速提高至2 m/s時，豬只經對流的散熱量提升至146 W。

綜合以上數據可知，隨著風速的增加，對流傳熱系數增加，這意味著對流傳熱速度增加。然而與此同時，對流傳熱系數的增加程度小于風速增加的程度，這意味著如果風速加倍，并不會導致對流傳熱系數的加倍，甚至在風速增加到一定程度，對流傳熱系數會逐漸趨于穩定。

3 風速對豬只有效環境溫度影響的計算

上文內容研究了風速對豬只散熱的影響，通常情況下隨著風速的增加，豬只的散熱量增大。與此同時，豬只感受到的實際溫度隨著風速的增大而更加涼爽，即豬只有效環境溫度隨著風速的增大而降低。

根據Bjerg等[9,10]的研究，需要開發一個有效評估環境溫度的計算公式，公式需充分考慮濕度、風速等因素對畜禽有效環境的影響。

其中：

c：常數，與動物種類、尺寸、密度等因素有關；

d：溫度常數，代表風速增加有效溫度不再降低的溫度，單位為℃；

tdb：干球溫度，單位為℃；

ν：風速，單位為m/s；

e：常數，代表風力強度；

其中：

twb為濕球溫度，單位為℃。

對于c、d、e的取值問題，部分學者進行了相應的研究。Bjerg等[9,10]對Mount[11,12]的研究進行分析，針對3.4～5.8 kg、20～25 kg及60～70 kg等3個體重段的豬只，分析五個環境溫度（35℃、30℃、25℃、20℃和15℃）下，不同風速（0.08 m/s、0.35 m/s、0.60 m/s和1.00 m/s）對豬只散熱的影響。得出在c=-1.0、d=42℃及e=0.66時豬只的散熱情況與公式有很好的符合性。Bottcher等[13]開發了風冷效應的計算表，展示了不同風速下的“風冷效應”數值，但是作者并沒有說明數據的來源，根據Bottcher的數據c=-0.37、d=44℃、e=1.5有最佳的符合性。根據Hoff教授在《The Environment in Swine Housing》中的研究數據[5]，假定c=-1、d=42℃的情況下，對于20 kg、50 kg、100 kg的豬，e值分別取0.14、0.12、0.10，有效環境溫度與環境溫度有極好的相關性。根據Bjerg等[10]的研究，通過皮膚溫度的建模，確定空氣速度對緩解炎熱環境中豬只熱應激的潛在影響，結果表明24℃和空氣速度0.2 m/s的有效溫度與27℃和空氣速度0.6 m/s的組合以及30℃和空氣速度1.9 m/s的組合相同。根據作者開發的模型，e取值范圍在0.23～0.29之間。

本文取c=-1.0、d=42℃及e=0.66進行說明，不同環境溫度下的風速導致的“風冷效應”，見圖2。可以發現，隨著風速的增大，“風冷效應”導致的溫度降低值增大，即隨著風速的增大，豬只會感到更加涼爽。同時也可以發現，隨著環境溫度的升高，“風冷效應”的作用變弱。

圖2 風速對有效環境溫度的影響數值

4 總結

豬舍的溫熱環境受溫度、濕度、氣流的綜合影響，其中氣流速度對于豬只的散熱方式有十分重要的影響。本文通過介紹豬只的散熱方式，計算了對流傳熱方式對風速的影響，同時還計算了風速對豬只有效環境溫度的影響。以上分析計算對于豬舍的通風設計有非常重要的指導意義，且對養殖過程中環控系統的控制有非常重要的作用。