纵向通风笼养鸡舍气流组织及热湿环境研究

翟耀芳等

摘要：随着养殖业向高度集约化方向发展，鸡舍内微气候环境对鸡的生产、生活性能有日渐重要的影响。本研究利用多孔介质模型将单个鸡笼及其鸡体简化为一个具有相同阻力特性的长方体，采用数值模拟方法研究了密闭式笼养蛋鸡舍内的气流组织及热湿环境。结果表明：在进口端气流不稳定，存在涡流，经过一段距离后达到稳定，气流间相互影响变小；在鸡笼范围内，温度和湿度沿高度和宽度方向分布较为均匀，温度沿纵向逐渐上升，相对湿度则逐渐下降。因此，为了使纵向通风能更好发挥作用，必须采取措施改善其气流组织。

关键词：纵向通风；笼养蛋鸡舍；计算流体力学；气流组织；热湿环境

中图分类号： TU264+.7 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2014）03-0337-06

鸡舍内微气候环境包括气流组织、温度、相对湿度等，对鸡的生产、生活性能有重要影响。由于养鸡业向高密度、集约化发展，目前我国多数集约化蛋鸡养殖场存在舍内微环境不稳定、空气污浊、粉尘较大、缺乏现代化设施、环境控制能力差、存在疾病隐患等问题[1]。通风是密闭式鸡舍内环境调控的重要手段，良好的通风对改善舍内热环境条件和空气质量，提高鸡的健康和生产水平有重要作用。与传统横向通风方式相比，纵向通风方式由于具有更高的通风效率、气流速度，且噪音更低，加上污浊空气便于集中消毒，相邻鸡舍间交叉污染少，从而在近年来的鸡舍设计中得到了广泛应用。李保明对纵向通风系统的设计与应用进行了研究，分别讨论了鸡舍纵向通风系统的通风换气量与舍内风速取值、进气口面积与位置的确定，风机的选型及其不同季节的运行管理等问题[2]。但调查显示，采用纵向通风的鸡舍并不能达到满意的效果，主要影响因素包括进风口设计、风机配置及安装、过流断面及漏风问题等，这些因素都会影响舍内的气流组织[3]，因此，研究舍内气流组织对纵向通风的设计和优化具有重要意义。

目前关于笼养鸡舍通风效果的研究主要集中于试验方法[4-8]。由于安装测试仪器及设备以及人员进出会影响鸡群的生产和生活，导致试验中监测鸡舍数量及舍内监测布点有限，另外监测仪器也存在不可避免的干扰。随着计算机技术的发展，计算流体力学（computer fluid dynamic，CFD）方法由于能得到计算区域内任意点的相关参数，且后处理组件可以给出可视化结果，直观反映流速或温度的变化分布，其应用越来越广。目前在农业领域，CFD方法在温室[9]、猪舍[10-12]、牛舍[13]通风系统的研究中得到很好应用；由于平养鸡舍内设备较少，计算模型较为简单，CFD方法也在平养鸡舍方面得到推广[14-16]。而笼养鸡舍由于其设备的复杂性，应用CFD方法很少，且一般多采用二维模型[17-18]。本研究采用CFD方法研究中等规模叠层笼养蛋鸡舍内的纵向通风系统，分析鸡舍内的气流组织及热湿环境的三维分布，旨在为叠层笼养蛋鸡舍的纵向通风系统设计提供参考。

1 标准鸡舍的建立

根据调研及文献查阅结果，目前蛋鸡舍的饲养规模大致可分为3种：起步阶段存栏2 000～5 000羽，中等规模饲养阶段存栏1万～5万羽，大规模饲养阶段存栏10万羽以上，每栋鸡舍最大饲养规模的推荐值为1.5万～2万羽。本研究将建立1个中等规模、采用纵向通风的标准鸡舍，即存栏1万羽蛋鸡，鸡舍总长67 m，跨度12 m，檐高3.2 m。鸡舍内采用2列4层的鸡笼。

1.1 纵向通风系统的设计

通风换气量根据鸡舍内断面风速进行确定，取断面风速为1.5 m/s[2]，则鸡舍内换气量为：1.5×12×3.2=57.6 m3/s。采用6台SFT-No10型号的风机，额定风量为32 100 m3/h，安装在一侧山墙上。进风口面积按风机面积的2倍确定，以减少进气口阻力，风机和进风口分设在两侧山墙上[2]，具体布置见图1。

1.2 鸡笼和鸡体模型的建立

为了计算鸡笼和鸡体对气流组织的影响，应尽量使模型与实际情况相符合，但若按鸡笼和鸡体的实际尺寸建立模型，须要划分的网格数量很大，迭代过程很长，而且会影响迭代过程的收敛性。目前在模拟障碍物对气流组织的影响时，多采用多孔介质模型[19-21]。张天柱等在模拟二维鸡舍的气流组织时，也采用了多孔介质模型简化舍内鸡笼对气流的阻力作用[17]。本研究将单个鸡笼简化为多孔介质模型，设定其阻力系数来表示鸡体对空气流动的阻碍作用。由于鸡笼在3个方向上对空气的阻力特性均不同，所以应分别计算3个方向的阻力系数。

多孔介质模型采用经验公式定义多孔介质上的流动阻力。从本质上说，多孔介质模型是在动量方程中增加了1个代表动量耗散的源项以模拟多孔介质的作用。源项由2部分组成：黏性损失项，即方程（1）右端第1项；惯性损失项，方程（1）右端第2项。

3 模拟结果

通过计算得出，鸡舍内平均风速为1.4 m/s，与前面的理论计算值的相对误差为6.7%，在可接受范围内，满足设计要求。鸡舍内平均温度为31.72 ℃，而从热应激的角度看，21～26 ℃是鸡的舒适环境温度范围，26～32 ℃是不太舒适、但能维持正常生理功能的环境温度范围，高于32 ℃是鸡生理功能区域紊乱的温度范围[23]。31.72 ℃的平均温度可以维持蛋鸡的基本生理功能，但为了保证其生产能力，还是应该采取辅助降温措施将舍内温度降至25 ℃以下。蛋鸡的适宜相对湿度为60%，但相对湿度为45%～70%对蛋鸡的生产性能影响不大。本研究计算得出的平均相对湿度为66%，能够满足鸡生长所需的湿度环境。

3.1 1.5 m高度处的气流组织及温度、湿度分布

研究了第3层鸡笼中心高度处即1.5 m处的气流组织及热湿环境分布。从图4中可以清晰地看到，在鸡舍进风端存在一段距离的涡流，该距离大约为8 m左右，经过这段距离后，流线达到稳定，平直向前；在鸡舍末端，由于风机的抽吸作用，流线又汇到一起，最终经由风机流出。通过分析风速矢量图得出，鸡舍内流场的大部分区域气流分布稳定，相互间干扰较小。

从图5可以看出，进口端的风速梯度较大，在达到y=18 m 的距离后，风速基本保持不变，中间走廊的平均风速可达1 m/s，两侧走廊的风速高于中间走廊，为1.5 m/s，而在鸡所处的位置，风速仅为0.5 m/s。虽然鸡舍的平均风速达到 1.4 m/s 左右，基本满足设计要求，但在鸡笼中间部位的风速远不能满足断面风速为1.5 m/s的要求，这可能是由于鸡舍前端存在涡流，使一部分新风停滞不前，有效利用的新风量减少，从而减少了断面风速。因此在设计鸡舍纵向通风系统时，

应采取有效措施尽量减少鸡舍前端涡流的存在，使通风尽可能被有效利用。

从图6可以看出，沿长度方向鸡舍内温度逐渐升高。在宽度方向上，鸡所处位置由于有热源存在，温度相对走廊处的要高，且中间鸡笼处的温度要低于两侧鸡笼，这可能是由于鸡舍前端存在涡流，而中间位置处涡流范围较大，气流分布较为均匀，使得该处温度梯度较小，即温升小，导致该部分中间鸡笼处温度低于两侧鸡笼，而由于鸡舍中部气流之间相互干扰较小，两侧气流对中间的影响较小，导致沿鸡笼的整个长度方向中间鸡笼的温度都低于两侧鸡笼。

从图7可见，鸡舍内相对湿度分布与温度分布类似，与其不同的是，沿长度方向鸡舍内相对湿度逐渐减小。在宽度方向上，鸡所在位置的相对湿度低于走廊处的相对湿度，中间鸡笼处的相对湿度高于两侧鸡笼。相对湿度的大小主要取决于舍内空气含湿量及温度。对照温度分布云图可以得出，鸡的散湿量对舍内相对湿度的影响较小，相对湿度变化主要受温度的影响，温度越高，相对湿度越低。

不同高度处水平面的气流组织及温度、湿度分布云图情况类似，因此不详细列出。

3.2 不同高度处气流组织分布差异

由于鸡舍沿宽度方向是对称的，所以只对其一半进行研究即可。取3个具有代表性的截面进行研究，分别为x=225 m（第1排鸡笼中间位置），x=4.00 m（走道中间位置），x=5.75 m（第2排鸡笼中间位置），具体位置如图8所示。

由于鸡舍内通风主要是为了满足鸡的生产生活，因此在长度方向上主要研究鸡笼存在的范围，即y为3～64 m的范围。从图9至图11可以看出，垂直平面x=2.25、5.75 m的充分发展段内，风速沿长度方向即y方向的分布相似。在鸡笼存在的高度范围内，包括z=0.5、1、1.5、2 m，其风速沿长度方向均保持不变，且4个高度处的风速差别不大，平均速度在0.7m/s左右。在x=2.25m的截面处，在其入口端，由于受涡流的影响，风速分布不稳定，部分位置处风速较大，容易给鸡造成较强的吹风感，应对这部分气流组织进行优化，提高鸡的舒适性。在x=5.75 m的截面处，其前部分正好处于涡流中心处，风速较小，在y=7 m左右的位置，风速接近于0，这对鸡的散热是不利的，故这部分气流组织也应进行优化。在 x=4.00 m 处由于没有安置鸡笼，其风速分布与其他2个截面处有所不同。在充分发展段内，风速在高度方向呈上升趋势，且平均速度高于其他2个截面。2 m高度以下风速低于 2 m/s，不会引起鸡的不舒适，故这部分气流基本满足要求。

3.3 不同高度处温度、湿度分布差异

鸡舍内温度分布受到热源即鸡的散热量以及风速的影响。由图12-a、图13-a、图14-a可见，沿高度方向，鸡舍内温度呈下降趋势，在鸡笼高度范围内，温度沿高度方向的梯度较小，这是由于位置较高处的风速较大。在散热量一定的情况下，风速越大，其带走的热量越多，热量在热源处累积的量就小，故温度较低。另外发现，在鸡笼高度范围内的温度差异不是很大，这与风速的分布是对应的。在y=40 m之后，鸡舍温度达到了32 ℃以上，不能满足鸡的正常生理需求温度，因此在采取辅助降温措施时，应将重点放在y=40 m之后的范围。

从图12-b、图13-b、图14-b中可以看出，沿高度方向，鸡舍内相对湿度逐渐升高，这与温度分布刚好呈相反趋势，且在鸡笼高度范围内相对湿度分布差异不是很大，这与前述相对湿度受室内温度影响较大的结果一致。在整个鸡舍内相对湿度均能满足鸡舒适生长所需的湿度环境。

4 结论

采用CFD方法研究了纵向通风技术在叠层笼养蛋鸡舍

的应用效果。结果表明，鸡舍内平均温度为31.72 ℃，平均相对湿度为66%，平均风速为1.4 m/s，为了满足鸡的正常生产需求，还应采取一定的降温措施。在鸡笼位置范围内，气流和热湿环境在高度和宽度方向分布较为均匀；而沿长度方向温度升高1.5 ℃，相对湿度降低5%；在气流达到稳定后走道平均风速为1 m/s，鸡笼附近平均风速为0.5 m/s。本研究还发现一些问题：（1）在气流入口端风速过大，有些地方达到 6 m/s，这对鸡的生长极为不利；（2）在2个进风口之间由于存在涡流，使新风的有效利用率下降；（3）若只采用纵向通风技术对鸡舍进行降温，为了满足鸡的正常生理需求，在其他条件不变的情况下，鸡舍长度应小于40 m。综上，在该鸡舍内单独采用纵向通风技术不能满足鸡正常生产所需的温度环境，还应采取辅助降温措施。由于气流对鸡舍内热湿环境的分布具有重要影响，对气流分布较差的地方应加以改善。

参考文献：

[1]耿爱莲，李保明，赵芙蓉，等. 集约化养殖生产系统下肉种鸡健康与福利状况的调查研究[J]. 中国家禽，2009，31（9）：10-15.

[2]李保明. 鸡舍纵向通风系统设计与应用中的几个问题[J]. 农业工程学报，1993，9（增刊）：82-85.

[3]黄炎坤. 鸡舍纵向通风设计应用情况的调查分析[J]. 山东家禽，2004，40（5）：15-17.

[4]杨 军，雍芳梅，李 红. 鸡舍纵向通风系统在生产中的应用效果[J]. 新疆畜牧业，1994（3）：49-51.

[5]张天柱，黄之栋，潘 强，等. 海口地区高密度叠层笼养蛋鸡舍内热湿环境的实验研究[J]. 农业工程学报，1997，13（增刊）：80-84.

[6]姚惠文，周雁华.笼养蛋鸡舍内的温度分布[J]. 国外畜牧学：猪与禽，2000（2）：32-34.

[7]赵淑梅，星典宏，黄仕伟，等. 混合通风方式下大型肉鸡舍过渡期通风效果测试[J]. 农业工程学报，2006，22（增刊）：96-99.

[8]中国农业工程学会. 2007年中国农业工程学会学术年会论文摘要集[C]. 北京：农业工程学报杂志编辑部，2007.

[9]程秀花. 温室环境因子时空分布CFD模型构建及预测分析研究[D]. 镇江：江苏大学，2011.

[10]佟国红，张国强，Morsing S，等. 猪舍内气流变化的模拟研究[J]. 沈阳农业大学学报，2007，38（3）：379-382.

[11]Seo I H，Lee I B，Moon O K，et al. Modelling of internal environmental conditions in a full-scale commercial pig house containing animals[J]. Biosystems Engineering，2012，111（1）：91-106.

[12]贺 城，牛智有，齐德生. 猪舍温度场和气流场的CFD模拟比较分析[J]. 湖北农业科学，2010，49（1）：134-136，155.

[13]Wu W，Zhai J，Zhang G，et al. Evaluation of methods for determining air exchange rate in a naturally ventilated dairy cattle building with large openings using computational fluid dynamics（CFD）[J]. Atmospheric Environment，2012，63：179-188.

[14]Seo I H，Lee I B，Moon O K，et al. Improvement of the ventilation system of a naturally ventilated broiler house in the cold season using computational simulations[J]. Biosystems Engineering，2009，104（1）：106-117.

[15]Blanes-Vidal V，Guijarro E，Balasch S，et al. Application of computational fluid dynamics to the prediction of airflow in a mechanically ventilated commercial poultry building[J]. Biosystems Engineering，2008，100（1）：105-116.

[16]李文良，施正香，王朝元. 密闭式平养鸡舍纵向通风的数值模拟[J]. 中国农业大学学报，2007，12（6）：80-84.

[17]张天柱，徐 泳，黄之栋，等. 高密度叠层笼养蛋鸡舍内气流场的数值模拟[J]. 农业工程学报，1999，15（增刊）：38-43.

[18]潘 强，黄之栋，张天柱. 叠层笼养蛋鸡舍夏季环境特性与热湿环境模型[J]. 中国农业大学学报，1998，3（4）：54-58.

[19]张 楠. 基于多孔介质模型的城市滨江大道风环境数值模拟研究[D]. 长沙：中南大学，2005.

[20]刘元坤. 多孔介质模型在大空间建筑气流组织模拟中的应用研究[D]. 长沙：湖南大学，2011.

[21]毕春伟. 养殖网箱周围流场特性的三维数值模拟[D]. 大连：大连理工大学，2012.

[22]杨林亚，吴化方，张俊祥，等. 陕西关中农户笼养蛋鸡舍夏季环境的测定[J]. 畜牧兽医杂志，1993，12（4）：11-13.

[23]罗庆斌，何丹林. 鸡热应激研究概述[J]. 养禽与禽病防治，2005（4）：2-5