肉雞舍熱能循環利用系統設計及應用研究

摘要 為有效利用肉雞舍內多余熱能，降低肉雞養殖臭氣污染，設計了一款熱能循環利用系統。該系統采用空氣能機理和電催化脫氨工藝設計，并于東北地區評價了該系統在肉雞舍的熱回收和除臭效果。試驗舍采用2套相同的熱能循環利用系統通風，對照舍采用常規負壓風機通風。試驗結果表明：與對照舍相比，熱能循環利用系統可使新風平均溫度提高2.19 ℃；NH3、CO2平均濃度分別顯著下降0.91和272 mg/m3（P<0.05），NH3去除率達55.96%；熱回收效率達64.00%。該系統可有效提高肉雞養殖舍內溫度，降低舍內NH3和CO2濃度；熱回收和除臭效率較高，具有良好的節能減排效果。

關鍵詞 肉雞；熱能循環利用系統；設計；應用

中圖分類號 S26 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2024）17-0199-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.17.046

Design and Application of Heat Energy Recycling System in Broiler House

ZUO Ling-ling1，LI Shang-min2，LIU Hong-guang3 et al

（1. National Animal Husbandry Service，Beijing 100125;2.Jiangsu Institute of Poultry Sciences，Yangzhou，Jiangsu 225125;3. Zhucheng Zhongyu Mechanical and Electrical Equipment Co.，Ltd.，Zhucheng，Shandong 262200）

Abstract In order to effectively utilize the excess heat energy in the broiler house and solve the problem of odor pollution in broiler breeding，a heat energy recycling system was designed. The system was designed by air energy mechanism and electrocatalytic deammoniation process，and the heat recovery and deodorization effect of the system in the broiler chicken house were evaluated in Northeast China. Two sets of the same heat energy recycling system were used for ventilation in the experimental room，while negative pressure fan was used for ventilation in the control room. The results showed that the heat energy recycling system could increase the average temperature of fresh air by 2.19℃ compared with the control house. The average concentrations of NH3 and CO2 decreased significantly by 0.91 and 272 mg/m3，respectively （P<0.05），the removal rate of NH3 reached 55.96%;and the heat recovery efficiency reached 64.00%.In conclusion，the system can effectively improve the temperature in the broiler breeding house，but reduce the concentration of NH3 and CO2 in the house;it has high efficiency of heat recovery and deodorization，and also has good effect of energy saving and emission reduction.

Key words Broiler;Heat energy recycling system;Design;Application

基金項目 江蘇省重點研發計劃（現代農業）項目（BE2022379）;江蘇省蘇系肉雞產業集群項目（SXRJ202302）;山東省科技型中小企業創新能力提升工程項目（2022TSGC1224）。

作者簡介 左玲玲（1974—），女，遼寧朝陽人，經濟師，從事畜禽養殖和綠色低碳發展研究。通信作者，研究員，從事家禽養殖環境控制研究。

收稿日期 2024-04-24；修回日期 2024-05-30

氣候變化是目前全人類共同面臨的巨大挑戰。我國積極參與全球氣候治理，從國家層面出臺了一系列政策措施，為應對全球氣候變化作出積極貢獻。2021年，中共中央、國務院印發《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》［1］，要求“加快形成綠色生產生活方式。大力推動節能減排，全面推進清潔生產，加快發展循環經濟，加強資源綜合利用，不斷提升綠色低碳發展水平”。 近年來，我國畜牧業不斷加快轉型升級，取得令人矚目的成績。2022年，我國肉類產量9 227 萬t，禽蛋產量3 456 萬t，牛奶產量3 932 萬t，有效保障了人們對優質畜禽產品的消費需求［2］。隨著國家政策要求的不斷提高，綠色低碳已成為我國畜牧業發展的方向。一方面要優化畜禽養殖的能源供給方式，降低單位畜禽養殖的能源消耗量，特別是降低對化石能源的依賴，減少溫室氣體排放；另一方面要加強畜禽養殖污染治理，推進畜禽糞污資源化利用，減少畜禽養殖和糞污處理過程中NH3、H2S等有害氣體的直接排放，降低對大氣環境的污染。

在畜禽養殖上，在養殖前期或北方地區通常需要通過加溫設備維持穩定的舍內環境。為有效利用舍內余溫，降低能源消耗，同時對舍內廢氣進行凈化處理，我國企業設計生產了熱能資源循環利用設備，并在畜禽養殖場進行應用。陳昭輝等［3］設計生產了熱回收通風系統并在犢牛舍進行應用效果分析，結果表明該系統可以保證良好的舍內環境和較高的能量回收效率，緩解冬季犢牛生產中通風與保溫的矛盾；胡陳明等［4］搭建了封閉式雞舍風能回收系統并進行應用成效分析，試驗結果表明在養雞舍尾端進行風能回收是可行的；李琴等［5］開展了華北地區冬季密閉兔舍顯熱回收通風系統的應用效果研究，提示熱回收通風系統可以平衡熱回收效率和通風需求的關系，滿足畜舍大通風量及節能需求。在國外市場上，荷蘭、美國等發達國家從2015年開始應用雞舍熱能資源循環利用設備，主要采用傳統的濕法噴淋吸收工藝進行換熱利用，熱回收效率為40%～50%［6］；并利用傳統加藥工藝處理廢氣，降低NH3、CO2等排放。該研究利用先進的換熱工藝、逆流噴淋、鈦陽極除臭、空氣能熱泵及環境控制電控系統集成熱能資源循環利用系統［7］，并以該系統為研究對象在肉雞養殖場進行應用，分析熱能資源循環利用系統對肉雞舍溫度、環境空氣質量的影響以及熱回收效率，為熱能循環利用設備在畜牧業上的應用提供理論依據。

1 熱能循環利用系統設計

1.1 工藝流程

通過自動化控制系統控制排風機，將雞舍內廢氣引入換熱系統，換熱后剩余熱量由蒸發系統吸收，熱量回收后的新風經冷凝器放熱升溫后由進風風機引進雞舍內；換熱后廢氣進入鈦陽極噴淋系統，利用電催化脫氨工藝［7］，經處理達到國家排放標準后排出設備（圖1）。

1.2 設計機理

1.2.1 空氣能機理。

制冷劑在蒸發器內汽化蒸發，將換熱后廢氣余熱蒸發吸收，經過空氣壓縮機，壓縮機通過定熵壓縮過程把制冷劑里的溫度壓力提升［8］；在冷凝器內制冷劑開始冷凝，由過熱蒸汽狀態變成飽和液態，過程中釋放熱量，預熱后的新風溫度隨之升高；制冷劑經過節流閥，通過節流閥降壓降溫作用，廢熱進入蒸發器后發生汽化蒸發，過程依次循環，提升換熱效率（圖2）。

1.2.2 電催化脫氨工藝。

電催化與濕法脫氨過程相結合，可以有效提升吸收液對氣相氨氮的吸收效率，實現液相吸收氨氮與電催化去除氨氮的同步處理過程。其中，電催化法是利用電場作用，使NH3直接在陽極板上發生氧化作用，進而實現氨氮向氮氣的轉化。在含氯吸收液中，電催化過程可產生強氧化性的次氯酸，次氯酸可有效氧化水體中的氨氮，其化學反應方程式如下：

2Cl-→ Cl2+2e-（1）

Cl2+H2O→HOCl + H++ Cl-（2）

2NH4+ + 3HOCl→N2 + 3H2O + 3Cl- + 5H+（3）

電催化電極：電極材料主要為DSA電極組，該設備采用釕鈦電極［8］，具體見圖3。

1.3 產品設計

1.3.1 產品結構。

熱能循環利用系統結構見圖4。

1.3.2 產品配置。熱能循環利用系統的規格和主要配件參數見表1。

2 現場測試

2.1 肉雞飼養情況

2023年1月13日在黑龍江省鶴崗市某肉雞養殖場，選用2棟結構尺寸相同的雞舍進行試驗。雞舍均為南北朝向，尺寸為120.0 m×16.0 m×3.5 m，墻體為24 cm厚磚墻，安裝10 cm厚保溫材料；采用3層層疊式籠養模式，養殖前期使用歐式暖風機供暖，飼養周期為38 d。試驗舍采用2套熱能循環利用系統進行機械通風，對照舍為常規風機負壓通風。2棟雞舍均飼養商品肉雞30 000 只，每日07：00和17：00分別進行一次喂料，雞只自由采食和飲水，常規飼養管理。

2.2 系統安裝 雞舍通風量根據肉雞存欄數量和生長日齡等因素計算［9］，按照公式（4）計算。

L=l×n×m（4）

式中：L為雞舍內需要總通風量（m3/h）；l為肉雞需求通風量［m3/（kg·h）］，取0.9 m3/（kg·h）；n為存欄肉雞數量（只）；m為肉雞體重（kg/只）。

根據雞舍通風需求，試驗舍安裝2套熱能循環利用系統，分別為S1和S2，見圖5。

2.3 試驗方法

試驗期間，試驗舍和對照舍門窗全部關閉，試驗舍熱能循環利用系統全天開啟，對照舍采用風機負壓通風換氣。肉雞1～14日齡期間，開啟熱能循環利用系統的輔助加熱功能，從15日齡開始關閉。在試驗舍熱能循環利用系統的送風管兩側和對照舍同等位置均勻布置8個監測點，在舍外布置1個監測點，所有監測點距離地面高度均為1.6 m。在所有監測點安裝溫度、CO2、NH3傳感器，通過雞舍環境控制系統自動記錄數據，每3 min記錄一次數值。分別于本批次肉雞飼養的第1、8、15、22、29和36日齡連續24 h測定設備新風、舊風的入口和出口溫度以及CO2、NH3濃度。采用熱線式風速儀（MODE-6004）測定設備4個風口風速。試驗選取每日00：00、06：00、12：00和18：00監測數據進行分析。

2.4 數據分析

熱能回收效率是實際傳熱量與理論最大傳熱量的比值，是判斷熱能循環利用系統性能高低的主要指標，決定設備的實用性和經濟效益。一般采用顯熱回收效

率表示，按照公式（5）計算。

η=ms（T1-T2）mp（T1-T3）（5）

式中：η為顯熱回收效率（%）；T1為新風入口溫度（℃）；T2為新風出口溫度（℃）；T3為舊風入口溫度（℃）；ms為送風量（m3/h）；mp為排風量（m3/h）。

試驗數據用Excel進行整理，采用SPSS軟件進行均值和單因素方差分析。

3 結果與分析

3.1 溫度變化 從試驗舍、對照舍和舍外溫度變化情況（圖6）可以看出，試驗期間，舍外日平均溫度為-21.13 ℃，平均日最高溫度為-10.60 ℃，平均日最低溫度為-26.80 ℃；試驗舍日平均溫度為21.83～27.15 ℃，平均為24.26 ℃；對照舍日平均溫度為19.35～25.75 ℃，平均為22.07 ℃。試驗舍與對照舍、舍外溫度的最大溫差分別為5.28和50.80 ℃，試驗舍日平均溫度顯著高于對照舍2.19 ℃（P<0.05）。

3.2 有害氣體濃度分析

從試驗舍和對照舍各個時刻NH3和CO2濃度（表2）可以看出，試驗舍4個時刻的NH3、CO2濃度之間均有明顯差異，其中00：00的NH3、CO2濃度均顯著小于其他3個時刻（P<0.05）。對照舍4個時刻的NH3、CO2濃度之間也有明顯差異，其中06：00和12：00的NH3濃度顯著高于其他時刻（P<0.05），而00：00的CO2濃度顯著小于其他時刻（P<0.05）。試驗舍NH3濃度平均為3.86 mg/m3，顯著低于對照舍0.91 mg/m3；CO2濃度平均為3 088 mg/m3，顯著低于對照舍272 mg/m3。

試驗舍舊風處理前后NH3濃度變化情況見表3。由表3可知，試驗舍各個時刻的NH3經熱能循環利用系統處理后，其濃度顯著下降（P<0.05），處理前、后NH3的平均濃度分別為3.86和1.70 mg/m3，去除率達55.96%。

3.3 熱回收效率分析

從熱能循環利用系統的熱回收效率情況（表4）可以看出，系統S1的送風量、排風量分別為423和642 m3/h，系統S2的送風量、排風量分別為378和557 m3/h，都能做到均勻送風，能夠滿足該雞舍冬季的通風需求。通過計算，該系統的新風入口溫度為-21.09 ℃，新風出口溫度為23.09 ℃，舊風入口溫度為25.07 ℃，舊風出口溫度為10.96 ℃，熱回收效率為64.00%。

4 討論

4.1 舍內環境參數變化分析

雞舍內環境是影響肉雞生產性能的重要因素［5］，主要包括溫度、濕度、有害氣體（NH3和CO2）等指標。近年來，隨著我國肉雞養殖裝備的不斷發展及土地資源的短缺，立體籠養已成為我國肉雞養殖的主要模式，但這種模式難以實現舍內環境參數的精準控制，如果控制不當將會影響肉雞的健康水平和生產性能，就會影響肉雞養殖的經濟效益。該試驗中，試驗舍和對照舍均能夠為肉雞養殖提供穩定舒適的溫度［10］，但試驗舍溫度變化范圍更小，說明熱能循環利用系統能夠為肉雞提供更穩定的環境溫度，降低了溫度波動幅度，這與孫元昊等［11］、李福偉等［12］的研究結果一致，而與陳昭輝等［3］的試驗報道相反，可能是試驗畜種及圈舍設計等不同所致。

4.2 有害氣體濃度變化分析

肉雞養殖過程中會產生大量的NH3、CO2等有害氣體，如果處理不當將會造成肉雞的應激反應，嚴重時影響肉雞采食和生產性能。孫元昊等［11］在冬季育雛舍中使用熱回收通風系統發現，試驗組和對照組以及各個監測時刻間的有害氣體濃度存在顯著差異，且試驗組的有害氣體濃度顯著低于對照組，但均未超過雞舍環境質量標準的規定限值，與該試驗研究結果一致。可能是由于目前肉雞養殖均采用傳動帶清理雞糞，每日及時將雞糞清理出雞舍，大幅降低了NH3產生量，保障了舍內良好的空氣質量。試驗舍舊風經熱能循環利用系統處理后，NH3濃度顯著下降，去除率達55.96%。目前熱能循環利用系統的臭氣處理工藝大多在研究開發過程中，鮮見相關文獻報道。

4.3 熱回收效率分析

在寒冷地區畜禽養殖過程中，冬季通風導致的熱損失通常占整體熱損失的80%以上［13］。為降低能耗和經濟損失，熱能循環利用技術逐漸成為國內外研究人員重點關注的節能減排技術。據報道，熱能循環利用系統的熱回收效果與當地氣候關系密切，當室內外溫差越大時，熱回收效果越好［14］。該試驗中，在雞舍內外溫差達到50.8 ℃的情況下，使用小風量可將新風溫度從-21.09 ℃提升至23.09 ℃，既將舊風中的部分熱量回收利用用于加熱新風，又降低了肉雞養殖設備能耗和舍內有害氣體含量，改善了舍內空氣環境質量，有助于提高肉雞的生產性能和經濟效益［15］。

5 結論

（1）熱能循環利用系統可以有效改善寒冷地區肉雞養殖舍內環境，可顯著提高舍內溫度2.19 ℃；使舍內NH3和CO2濃度明顯下降，NH3去除率達55.96%。

（2）熱能循環利用系統的熱回收效率達64.00%，具有良好的節能減排效果。

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