樓房式妊娠母豬舍靶向通風系統應用效果

史凌杰 鄭煒超,2,3* 李修松 魏永祥 李 浩,2,3 鄧森中 吳雪飛

(1.中國農業大學 水利與土木工程學院，北京 100083； 2.農業農村部設施農業工程重點實驗室，北京 100083； 3.北京市畜禽健康養殖環境工程技術研究中心，北京 100083； 4.浙江大學 生物系統工程與食品科學學院 杭州 310058； 5.大牧人機械(膠州)有限公司，山東 青島 266000)

樓房豬舍是一種新的豬舍建筑模式，因節地效果明顯近年來得到了廣泛應用。相比于傳統豬舍，樓房豬舍的通風管理更為復雜，但目前仍多采用平層豬舍的傳統縱向通風模式，與樓房建筑的匹配性較差。作為豬舍環境控制的重要手段，良好的通風管理可以有效調控豬舍內的溫度、相對濕度和有害氣體濃度[1-2]，進而提供適宜豬只生長繁育的環境，避免出現生理指標異常,免疫力下降和死亡率增高等問題[3-5]。

為了更好地解決樓房豬舍通風管理的問題，已有研究對樓房豬舍的通風現狀進行分析，并提出改進意見[6-8]。Yeo等[6]認為傳統縱向通風模式普遍存在豬舍內溫度分布不均的現象，主要表現為濕簾-風機兩端縱向溫差較大，同時夏季無效通風多，能耗高。Wang等[7]研究發現，樓房豬舍各樓層之間通風量存在差異，且通風量與樓層數存在負相關關系。楊彩春等[8]認為樓房豬舍應構建以樓層為單位的單元化通風系統，可以借助送風管道嘗試采用靶向通風系統。靶向通風系統是指在濕簾-風機縱向通風的基礎上，安裝覆蓋豬舍所有欄位的送風管道，采用長直管道進風，并在豬舍內每個欄位的管道處設置出風口的通風系統，具有送風精準、局部降溫、受外界因素影響小的優勢，能夠有效提升通風均勻性[9]。靶向通風系統在牛舍和豬舍中的應用證明，該系統能夠有效改善舍內溫濕度和風速分布情況，而影響靶向通風系統的關鍵因素包括管道長度、出風口位置、形狀等[10-11]。為有效提高樓房豬舍通風均勻性，解決夏季豬舍內熱環境分布不均和通風能耗高等問題，避免出現局部溫度過高和豬只熱應激現象，探究靶向通風系統在樓房豬舍的適用性，優化樓房豬舍的配套通風系統。

本研究擬以安裝有靶向通風系統的樓房式妊娠母豬舍為研究對象，在冬季和夏季對豬舍內風速、通風量、溫濕度和豬只應激狀況進行測試，研究靶向通風系統在樓房豬舍的應用效果，以期為樓房豬舍靶向通風系統的運用與改進提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗豬舍

本試驗在山東省萊州市某樓房豬場進行。選取1間位于5層(頂層)且裝有靶向通風系統的妊娠母豬舍作為試驗豬舍，分冬季(測試時間為2021年3月3日—3月19日)和夏季(測試時間為2021年7月23日—8月20日)開展測試。

試驗豬舍長為64.4 m，寬41.3 m，舍內布局為10列6走道，每舍可容納620頭妊娠母豬。試驗豬舍采用單欄定位飼養模式，每列62個欄位，單欄尺寸(長×寬×高)為2 200 mm×6 00 mm×1 100 mm。試驗豬舍采用負壓通風模式，并且配備靶向通風系統，采用送風管道進風，送風管道與豬舍前端進風走廊連接(圖1(a))，進風走廊外側安裝有濕簾用于夏季降溫。試驗豬舍每列豬欄上方布置1條送風管道，管道截面為900 mm×600 mm的矩形，底部離地高度為1.5 m，送風管道在每個欄位處設置2個出風口，出風口直徑為100 mm，從管道處向下延伸100 mm。其中正出風口中心距離欄位前端450 mm，斜出風口與水平面夾角為30°～45°，與正出風口相鄰(圖1(b))。

1.支撐架；2.送風管道；3.正出風口；4.斜出風口 1.Support frame; 2.Air conduit; 3.Front air outlet; 4.Inclined air outlet圖1 送風管道進風口(a)和出風口(b)實物圖Fig.1 Physical picture of air inlet (a) and outlet (b) of air conduit

試驗豬舍內飼養母豬品種為‘大白’，舍內實際飼養母豬545頭，同批次入舍，采用標準化生產工藝，配套機械式干清糞系統和自動飼喂飲水系統，每天喂料2次，分別在9:00—10:00和15:00—16:00進行。

1.2 試驗指標及測試方法

1.2.1通風量及風速

測量試驗豬舍通風量時，在風機端兩側各確定1個測點(圖2(a))[12-13]，對試驗豬舍風機端內外兩側靜壓差進行測試，結合風機性能曲線，計算得到試驗豬舍通風量和單位豬只通風量[14-15]。單位豬只通風量的計算公式為：

(1)

測量試驗豬舍風速時，在寬度方向選取中心區域(C)、邊緣區域(E)和其他區域(O)3種不同區域，在長度方向選取第1、31和62號欄位，共在舍內選取9個欄位(圖2(a))，每個欄位又分別取正出風口、斜出風口、送風管道內和豬只生活區域4個(圖2(b))，合計36個測點進行測試，其中取正出風口和斜出風口測量結果的平均值后，作為送風管道出風口風速測量結果。以試驗豬舍內地面為基準，正出風口、斜出風口采集高度為1.4 m，送風管道內采集高度為1.8 m，生活區域采集高度為0.8 m(圖2(b))。

氣流不均勻性系數是用于評價豬舍通風模式和風速分布情況的指標[16]，參照民用建筑氣流分布性能的評價標準[17]，引入式(2)和(3)計算試驗豬舍內氣流不均勻性系數：

(2)

(3)

1.2.2溫濕度

測量試驗豬舍溫濕度時，在寬度方向選取中心區域(C)和邊緣區域(E)2種不同區域，在長度方向選取第1、31和62號欄位，共在舍內布置6個溫濕度測點(圖2(a))，高度為0.8 m，用于采集豬只生活區域溫濕度，并將中心和邊緣區域第1、31和62號欄位平均溫濕度分別定義為測點L1、L2和L3的測量結果，用于分析試驗豬舍內水平方向溫濕度分布情況。夏季試驗中，在邊緣區域第31號欄位(E31)采集點的正上方高度為1.4和2.0 m處各設置1個測點，合計2個測點，用于采集試驗豬舍內不同高度溫濕度分布情況，并將E31處0.8、1.4和2.0 m 3個不同高度測點分別定義為H1、H2和H3，用于分析試驗豬舍內垂直方向溫濕度分布情況。

單位：m Unit: m E1、E31、E62、C1和O1均為各指標測點；其中，C、E和O表示試驗豬舍寬度方向中心、邊緣和其他區域；數字1、31和62表示試驗豬舍長度方向每列第1、31和62號欄位。圖4和表5同。 E1, E31, E62, C1 and O1 are the measurement points of each indicator; C, E and O are center area, edge area and other area in the width direction of experimental house; 1, 31 and 62 are No.1, 31 and 62 fields in each column in the length direction of experimental house. The same inFig.4 andTable 5.圖2 試驗豬舍各指標測點(a)及單個豬只欄位風速測點(b)布置示意圖Fig.2 Layout diagram of measuring points for each indicator in experimental house (a) and wind speed in single sow field (b)

1.2.3溫濕度指數

溫濕度指數(Temperature humidity index, THI)，是綜合溫度和相對濕度的熱環境評價指標。當THI為38～74時，表明動物處于舒適區；THI≤38時，動物處于冷應激狀態；THI為75～78時，動物處于輕度熱應激狀態；THI為78～83時，動物處于中度熱應激狀態；THI≥84時，動物處于高度熱應激狀態[18-19]。THI的計算公式為：

THI=(1.8T+32)-[0.55×RH]× [(1.8T+32)-58]

(4)

式中：T為干球溫度，℃；RH為相對濕度，%。

1.3 試驗儀器及工況

1.3.1試驗儀器

1)壓差測量：采用testo 510i型壓差計，精度為±(2 Pa+1.5%測量值)，測試3次取平均值。

2)風速測量：采用testo 440型熱線風速儀，精度為±(0.03 m/s+4%測量值)，對每個測試點連續監測20 s后自動計算平均值，剔除粗大誤差并重復3次再取平均值。

3)溫濕度測量：采用HOBO U23-001型溫濕度傳感器，溫度測量精度為±0.18 ℃，濕度測量精度為±2.5%，采集頻率為12 次/ h，間隔5 min，24 h連續采集。

1.3.2試驗工況

試驗豬舍采用自動環境控制器(BH8600，青島大牧人機械股份有限公司)控制風機運行，冬季舍內目標溫度閾值區間設定為18～20 ℃，夏季舍內目標溫度閾值區間設定為20～22 ℃。

試驗豬舍共配置12臺風機，包括10臺定頻風機(57玻璃鋼攏風筒風機，額定風量62 500 m3/h，青島大牧人機械股份有限公司)，用A表示；以及2臺變頻風機(36玻璃鋼攏風筒風機，額定風量22 200 m3/h，青島大牧人機械股份有限公司)，用B表示。

冬季試驗共采用2種工況，分別為W1和W2；夏季試驗中共采用3種工況，分別為S1、S2和S3。每種工況對應的運行風機配置見表1。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2016軟件進行數據處理，采用SPSS 24.0軟件進行差異性分析。壓差和風速以平均值表示，并采用氣流不均勻性系數對風速進行分析。溫度、相對濕度和溫濕度指數以“平均值±標準差”表示，差異顯著性分析采用單因素方差分析，其中差異性系數P<0.05表示差異顯著。

表1 不同工況下運行風機配置Table 1 Configuration of fans in operation under different working conditions

2 結果與分析

2.1 通風量及風速

根據測試得到的試驗豬舍風機端內外靜壓差，結合風機性能曲線(圖3)，計算得到試驗豬舍通風量和單位豬只通風量，結果見表2。

冬季測試時，試驗豬舍風速較小，送風管道出風口和生活區域各測點風速波動范圍分別為0.04～0.87 和0.02～0.19 m/s；夏季測試時，試驗豬舍風速較大，送風管道出風口和生活區域各測點風速波動范圍分別為1.36～6.26 和0.07～2.59 m/s。

圖3 風機性能曲線Fig.3 Fan performance curve

表2 不同工況下試驗豬舍內外靜壓差和單位豬只通風量Table 2 Static pressure difference inside and outside experimental house and individual ventilation rates under different working conditions

冬季和夏季測試結果均顯示，試驗豬舍送風管道內風速沿長度方向從進風端至排風端呈現遞減趨勢。送風管道出風口和生活區域各測點風速測試結果見圖4。試驗豬舍在采用靶向通風系統時，風速沿長度方向存在顯著性差異(P<0.05)，寬度方向差異不顯著(P>0.05)。

圖4 不同工況下試驗豬舍送風管道出風口和生活區域各測點風速測試結果Fig.4 Results of wind speed for each measuring point at the air conduit outlet and the living area under different working conditions in experimental house

依據各測點測量結果，采用插值法確定各欄位不同位點的風速，計算得到試驗豬舍內氣流不均勻性系數，結果見表3。試驗豬舍內氣流在寬度方向均勻性較好，氣流不均勻性系數保持在0.4以下；長度方向均勻性略差。出風口位點整體均勻性較好，冬季工況較小時，在長度方向上存在一定程度的分布不均；生活區域位點因出風口角度差異及風速擴散效應，氣流更不穩定，整體均勻性較差。

表3 不同工況下試驗豬舍內長度和寬度方向氣流不均勻性系數Table 3 Non-uniformity coefficient of airflow at length and width directions under different working conditions in experimental house

2.2 溫濕度

冬季試驗豬舍內豬只生活區域各測點的平均溫度為(19.5±0.21) ℃，波動范圍18.0～21.5 ℃；相對濕度為68%±1.4%，波動范圍59%～88%。試驗豬舍內溫度和相對濕度符合妊娠母豬生長環境要求。

夏季試驗豬舍內豬只生活區域各測點的平均溫度和相對濕度測試結果見圖5，其中平均溫度為(27.0±1.77)℃，波動范圍23.7～31.0 ℃；相對濕度為81%±7.9%，波動范圍58%～94%。夏季試驗期間，每天12:00—16:00濕簾水泵開啟，其余時段處于關閉狀態。

夏季試驗豬舍水平與垂直方向的溫濕度測試結果見表4。試驗豬舍水平方向第1、31和62號欄位處(L1、L2和L3)3個斷面內溫度全天差異不顯著(P>0.05)；L1和L2處2個斷面內相對濕度全天差異不顯著(P>0.05)，開啟濕簾水泵后，L2和L3處2個斷面內相對濕度差異顯著(P<0.05)。試驗豬舍垂直方向0.8 m高度處(H1)斷面內的溫度要低于1.4和2.0 m高度處(H2和H3)，且開啟濕簾水泵后，H1和H2處2個斷面內溫度差異顯著(P<0.05)；H1和H2處2個斷面內相對濕度全天差異顯著(P<0.05)，H2和H3處2個斷面內相對濕度全天差異不顯著(P>0.05)。

圖5 夏季試驗豬舍豬只生活區域各測點平均溫濕度日變化Fig.5 Diurnal variation of average temperature and relative humidity in summer for each measuring point in the sow field area in experimental house

表4 試驗豬舍水平與垂直方向溫濕度測試結果Table 4 Results of temperature and relative humidity at horizontal and vertical direction in experimental house

2.3 溫濕度指數

根據測試得到的試驗豬舍內溫濕度數據，計算各測點溫濕度指數(THI)平均值及冷熱應激程度比例，結果見表5。冬季測試結果表明，各測點處均處于舒適區，試驗豬舍內溫濕度指數平均值為64.1±2.4，未出現冷應激狀態；夏季試驗豬舍內溫濕度指數平均值為70.7±2.9，出現輕度和中度熱應激的比例為13.3%和0.8%，未出現高度熱應激狀態。

表5 試驗豬舍各測點溫濕度指數平均值及冷熱應激程度比例Table 5 Mean temperature-humidity index (THI) and the proportion of cold stress and heat stress for each measuring point in experimental house

3 討 論

測試期間，相同通風級別試驗豬舍內外全壓一致。根據伯努利方程(式(5))和連續性方程(式(6))可以確定，在本研究中，靜壓對應試驗豬舍內外靜壓差，與動壓成負相關關系；風量對應試驗豬舍通風量，截面積對應靶向通風系統進風口面積，風量與截面積、風速成正比關系。

(5)

A×v=Q

(6)

式中：p為靜壓；ρ為空氣密度；v為風速；1/2ρv2表示動壓；A為截面積；Q為風量。

試驗豬舍的靜壓差和風量測試結果表明，冬季靜壓差較小，且冬季靶向通風系統進風口面積大于傳統通風模式的吊頂進風或小窗進風，因此單位豬只通風量較大；夏季靜壓差較大，且夏季靶向通風系統進風口面積與冬季一致，小于傳統縱向通風模式的開放式進風口，因此單位豬只通風量較小。

Wang等[7]通過現場測試和CFD模擬發現,采用傳統縱向通風系統的樓房式妊娠母豬舍內風速沿長度方向和寬度方向均存在顯著差異。本研究在采用靶向通風系統后，試驗豬舍內風速分布情況能夠明顯改善，尤其是在寬度方向，而長度方向存在一定差異，可能的原因是送風管道過長。Moueddeb等[20]指出影響靶向通風舍內氣流分布的主要因素包括：風速，靜壓和動壓，管道壁的厚度，出風口的形狀、尺寸和布置等。李浩等[21]研究發現，在通風量不變的條件下，隨著孔數或孔徑的增加，送風管道總出風口面積增大，導致出風口風速下降。當通風級別增加時，出風口和生活區域風速逐漸增大，靠近進風端的欄位處風速和靠近排風端的欄位處風速之間差值減小，氣流不均勻性系數呈減小趨勢(表3)，試驗豬舍內氣流分布均勻性提升。因此，靶向通風系統需要進一步完善設計，以更好地實現出風口和生活區域風速沿豬舍長度方向均勻分布。在滿足豬只健康生長要求的條件下，適當增大出風口風速能夠在一定程度上改善沿豬舍長度方向氣流組織的均勻性。同理，在不改變通風級別的情況下，可以通過縮短豬舍長度，減少欄位數量和出風口數量，進而增大出風口風速，提高氣流分布均勻性。

豬舍的建筑設計和通風模式會影響豬舍內熱濕環境[22]。吳志東等[23]研究表明，冬季豬舍應用靶向通風系統可以兼顧通風與保溫的問題。本試驗結果同樣表明，冬季試驗豬舍采用靶向通風系統后，新風經過進風走廊預熱，使進風溫度較高，能夠起到較好的保溫效果，可以為豬只提供適宜生長繁育的熱環境。高云等[24]現場測試表明樓房豬舍采用傳統縱向通風模式，夏季舍內晝夜溫差會達到11.6 ℃。本試驗結果顯示，夏季外界高溫環境下，試驗豬舍內晝夜溫差僅為3.4 ℃，這一結果表明靶向通風系統可以解決豬舍內熱環境穩定性不佳的問題。龐進友[25]研究表明靶向通風系統可以有效利用風速，提高豬舍內風速和溫度分布均勻度，有效實現夏季降溫。Caputo等[9]對比發現采用靶向通風系統可以提高能源利用效率，達到局部環境精準調控的需求。上述研究與本試驗結果具有良好的一致性，說明靶向通風系統能夠有效改善豬舍內環境。同時，夏季采用靶向通風系統后，能夠精準地將新風送至豬只生活區域，讓風冷效應得以實現，進而降低豬只生活區域溫度，提升濕簾-風機系統降溫效果，解決豬舍內熱環境分布均勻性不佳的問題。

施正香等[26]提出在提供適宜環境溫度的同時，應按豬體不同部位進行局部溫度控制，滿足豬只舒適的躺臥需求。汪開英等[27]揭示了豬舍內環境與豬只行為之間的關聯。靶向通風系統在改善豬舍環境的基礎上，能夠更好地滿足豬只行為表達和生理需求[18-19]。本試驗中，通過人工觀測也發現，當試驗豬舍外部出現高溫天氣時，舍內豬只依舊能夠保持活躍度，存在躺臥、站立等不同姿態，豬只會嘗試用頭部、鼻部感知風速，并置于風口下，呼吸頻率異常的豬只數量較少，應激現象少。吳中紅等[11]測試得到傳統縱向通風模式豬舍在夏季外界高溫環境作用下，豬舍內溫濕指數平均值已經處于舒適區的臨界值，出現熱應激比例高。本研究中試驗豬舍內冬季和夏季溫濕指數平均值分別為64.1和70.7，處于舒適區，表明靶向通風系統能夠提高豬只舒適度，提供更適宜的生長環境。

4 結 論

本研究選取山東省萊州市某樓房豬場中一個裝有靶向通風系統的妊娠母豬舍，對豬舍內風速、通風量、溫濕度和豬只應激狀況進行監測和計算，主要結論如下：

1)靶向通風系統能夠精準地將新風送到豬只生活區域，有效提升試驗豬舍內氣流的分布規律和利用效率，其中欄位處出風口和生活區域風速沿寬度方向均勻性較好(P>0.05)，沿長度方向均勻性較差(P<0.05)。

2)靶向通風系統能夠將試驗豬舍內溫度調控至妊娠母豬適宜的溫度范圍內，且水平和垂直方向溫濕度均勻性較好(P>0.05)，能夠有效提升濕簾-風機系統降溫效果，降低豬舍通風量需求。

3)靶向通風系統能夠有效提升豬只舒適度，試驗豬舍內冬季未出現冷應激狀態，夏季無熱應激狀態比例為85.9%，輕度和中度熱應激狀態分別為13.3%和0.8%，未出現高度熱應激狀態。