寒冷地区奶牛场太阳能热水工程和电热水槽应用效果的研究

李 欣，邢启明，齐 贺，栾冬梅

(东北农业大学 动物科学技术学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

寒冷地区奶牛场太阳能热水工程和电热水槽应用效果的研究

李 欣，邢启明，齐 贺，栾冬梅*

(东北农业大学 动物科学技术学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

为了解决寒冷地区泌乳牛冬季饮用热水的问题，设计并制作了奶牛场太阳能热水工程。采用太阳能热水工程和电热水槽为泌乳牛提供热水，通过对泌乳牛饮用冷水和热水时生产性能和经济效益的比较，探讨寒区冬季为泌乳牛提供热水的适宜方式。结果表明，泌乳牛群呈现出集中式饮水，泌乳牛舍内的供水系统应该在短时间内能够提供大量的热水；太阳能热水工程能够满足泌乳牛舍大量、集中供应热水的需求，可用于寒冷地区的规模化奶牛场；电热水槽可以保证水槽不结冰，但保证不了泌乳牛饮用到适宜的热水；在舍外气温-25.3 ℃、舍内气温-2～-3 ℃的条件下，太阳能热水工程可提供14.6 ℃的饮用水，可提高产奶量2.6 kg/头/d，可增加效益9.0 元/头/d，电热水槽可提供7.9 ℃的饮用水，可提高产奶量1.3 kg/头/d，可增加效益3.55 元/头/d。

寒区；饮水温度；泌乳牛；太阳能热水工程；电热水槽

水对于泌乳牛具有特别重要的意义，这不仅是因为水在瘤胃的消化降解过程中扮演着十分重要的角色[1]，而且，水也是牛奶中最主要的组成成分[2]。研究表明，冬季给奶牛饮用热水能够提高采食量、饮水量和产奶量，同时降低饲料消耗，提高饲料利用率[3-6]。然而，笔者调查发现，黑龙江省冬季地下水的温度只有2～5 ℃。在这种情况下，如果不采取加热措施，奶牛只能饮用冷水，严重时由于舍温低、水槽结冰奶牛根本就喝不到水。目前，规模化奶牛场一般用电热水槽为奶牛提供热水。但调查发现，目前生产中使用的电热水槽存在以下2方面的问题，一是水温低，达不到奶牛的适宜饮水温度。由于水槽的容量有限，在奶牛集中饮水的时段，常常是3～5 头奶牛饮水之后，冷水流进来水温就降低了，后面的奶牛根本喝不到热水；二是电热水槽的耗电量很大。由于水槽为敞开式，冬季牛舍温度很低，水槽表面大量散热，导致水槽耗电量很大。因此，电热水槽只能保证水槽内的水不结冰、水温稍高于地下水，满足不了奶牛冬季饮用热水的需要。太阳能热水工程热效率高、安全、无污染且运行费用低，非常适合应用在太阳光照时间长、用水量大的场所。太阳能热水工程已成功用于宾馆、洗浴及工业用水，但在养殖领域还鲜有报道。为了解决寒冷地区泌乳牛冬季饮用热水的问题，本试验采用太阳能热水工程和电热水槽为泌乳牛提供热水，通过对奶牛饮用冷水和热水时生产性能和经济效益的比较，探讨寒区冬季为泌乳牛提供热水的适宜方式，为提高寒区奶牛的生产性能和奶牛场的经济效益提供科学的管理措施。

1 材料与方法

1.1 饮用水加热设备的设计与安装

1.1.1 太阳能热水工程 太阳能热水工程由安装在牛舍屋顶上的太阳能集热器和安装在牛舍内的保温水箱、内循环泵、外循环泵、系统控制箱、供水管道、水槽等组成。太阳能热水工程示意图见图1。

太阳能集热器由450根真空玻璃集热管组成。集热器与水平面成30°安装在泌乳牛舍的屋顶上。集热器通过外循环泵和上下水管与舍内的保温水箱相连。舍外的水管为直径3.3 cm的铁管，水管外设有伴热带和保温材料；舍内采用同样尺寸的PP-R管，每条水管上都设有控制阀门。

图1 太阳能热水工程示意图Fig.1 Sketch map of the solar warm-water project

根据Dahlbom提出的泌乳牛饮水量计算公式，泌乳牛的日饮水量为71.7 L/do头[7]。60 头泌乳牛的饮水量为4.3 T/d。因此，设计水箱的容积为3 mL，每天上水2次，可完全满足舍内60头泌乳牛1 d的饮水需求。

保温水箱由中间填充8 cm厚聚氨酯发泡保温层的双层不锈钢板制成。水箱放置在泌乳牛舍一端的饲养员休息室内。保温水箱内设有水位传感器和电加热棒，电加热棒用于补充加热。循环泵、水位传感器、电加热棒、伴热带等重要部件通过信号线与系统控制箱相连，温差循环、自动上水、补充加热、防冻伴热等功能均通过控制箱进行操作。

太阳能热水工程的运行过程如下：利用外循环泵将水输送到集热器中，集热器吸收太阳辐射能使水的温度升高，当集热器与保温水箱的水温达到设定的温差时，集热器中的热水自动流入保温水箱，保温水箱中的冷水自动上到集热器。如此循环，直至水箱内的水温达到设定值。此外，当水箱中的水温低于设定值时，将启动保温水箱中的电热棒进行补偿加热。当需要为奶牛供水时，手动开启内循环泵，即可将水箱中的热水送到奶牛的饮水槽中。

1.1.2 电热水槽 电热水槽的尺寸为4.0 m×0.5 m×0.35 m，内外表面均为不锈钢板，内部加热装置为两根功率1 500 W的电加热棒，水槽的保温材料为玻璃棉。可人工设置电热水槽的水温。

用单相电表记录试验期间太阳能热水工程和电热水槽的耗电量。

1.2 试验牛舍与试验动物

试验地点为黑龙江省青冈县山东屯荷斯坦奶牛繁育场，该场位于北纬46°52'，东经125°42'。试验选用的3栋牛舍均为砖混结构的有窗密闭舍。试验过程中，舍外的平均气温为-25.3 ℃，采用太阳能热水工程、电热水槽和普通水槽的奶牛舍平均气温分别为为-0.8 ℃、-3.6 ℃和-2.5 ℃。每栋牛舍中都饲养50～60头的泌乳牛，泌乳牛的年龄和体况相近。采用TMR(全混合日粮)饲喂技术。每日饲喂3次、挤奶三次、清粪两次。试验时间为2012年11月～2013年1月。

1.3 测定指标与方法

每栋舍选取5 头年龄相近、胎次为2～3胎、体况良好的奶牛进行呼吸频率和体表温度的测定。测定日15∶00记录奶牛趴卧时每分钟的胸廓起伏次数，连续测定3 次，取平均值作为奶牛的呼吸频率，连续测定3 d。测定日15∶00，在奶牛身体两侧的胸部和腹部均匀选择8个测定点，用TI110-E便携式热辐射仪测定奶牛的体表温度，取8个测定点的平均值代表体表温度，连续测定3 d。试验期间记录奶牛每天的产奶量。采用定时但不定量的供水方式，每天供水5次，由水表记录每栋牛舍的饮水量。利用温湿度自动记录仪测量试验期间奶牛的饮水温度。

2 结果与分析

2.1 不同饮水设施的饮水温度

2012年11月28日～2013年1月17日期间，舍外的日平均气温为-25.3 ℃，3种饮水设施的水温见表1。由表1可知，太阳能热水工程的水温最高，为14.6 ℃，电热水槽居中，为7.9 ℃，而普通水槽，即地下水的温度只有2.2 ℃。

2.2 泌乳牛的饮水量和产奶量

饮水温度对奶牛饮水量和产奶量的影响见表1。由表1可知，饮水温度对奶牛的饮水量有极显著影响(P<0.05)。利用太阳能热水工程和电热水槽供水时，奶牛的饮水量显著高于普通水槽，即饮水温度提高，奶牛的饮水量显著提高，水温14.6 ℃时，奶牛每日的饮水量比2.2 ℃时多11 kg。饮水温度对奶牛的产奶量有显著影响(P<0.1)。采用太阳能热水工程时，奶牛能饮用到14.6 ℃温水，其产奶量达到32.3 kg/d·头，显著高于采用普通水槽、即饮用2.2 ℃地下水，而采用电热水槽时，奶牛的产奶量虽稍高于采用普通水槽的产奶量，但差异不显著。

表1 饮水温度对奶牛饮水量和产奶量的影响Table 1 Effect of drinking water temperature on water intake and milk yield of cows

注：同列数字不同大写字母表示差异极显著(P<0.01)，不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

Note： In the same column,values with different capital superscripts mean extreme difference(P<0.01),while those with different small letter superscripts mean significant difference(P<0.05).The same below.

2.3 泌乳牛的呼吸频率和体表温度

饮水温度对奶牛呼吸频率和体表温度的影响见表2。由表2可知，饮水温度对奶牛的呼吸频率和体表温度没有显著影响(P>0.05)。

表2 饮水温度对奶牛呼吸频率和体表温度的影响Table 2 Effect of drinking water temperature on respiratory frequency and skin temperature of cows

3 讨 论

3.1 太阳能热水工程和电热水槽的升温效果

太阳能是一种无污染的可再生能源。在太阳能利用的方式中，光-热转换的技术最成熟，产品也最多，成本相对较低。在光热转换中，当前应用范围最广、技术最成熟、经济性最好的是太阳能热水器的应用。但单机太阳能热水器容量小，满足不了大型奶牛场对热水的需求。太阳能热水工程热效率高、安全、无污染且运行费用低，非常适合应用在太阳光照时间长、用水量大的场所。试验发现，在舍外日平均气温为-25.3 ℃的条件下，本次设计的太阳能热水工程基本满足了奶牛对热水的需求。即使在阴天太阳辐射特别弱时，开启电补偿加热，也可保证水箱内的水温在20 ℃以上。试验期间，降雪、阴天等不利天气约占1/4，因此，太阳能热水工程的电补偿耗电量也只有0.47度/d/头，电费也只有0.25 元/d/头。此外，由于水箱的内外表面为不锈钢板，中间填充厚度为8 cm聚氨酯发泡保温层，水箱保温性能好，一昼夜保温水箱内水温的下降幅度只有2～5 ℃。

试验发现，在舍外的日平均气温为-25.3 ℃，舍内气温为-2～-3 ℃的情况下，电热水槽需要5 h以上的时间才能将2.2 ℃的冷水加热到15 ℃。在电热水槽的实际使用过程中，当奶牛饮水时，低温的地下水补充进水槽，水槽内的水温迅速下降，后面的奶牛只能饮用未加热到适宜温度的水。在实际运行过程中，电热水槽的水温最高为10 ℃，而奶牛实际饮用的水，平均温度只有为7.9 ℃。因此，电热水槽的加热速度慢、水温低，满足不了奶牛冬季饮用15～20 ℃水的要求。

3.2 奶牛的饮水规律与供水设施

对牛群的观察发现，泌乳牛的饮水时间与泌乳牛的饲养管理密切相关。饲喂前与饲喂后、挤奶前与挤奶后是泌乳牛饮水的高峰时间，特别是每天早晨第一次挤奶后，泌乳牛的饮水时间长，饮水量大。这可能与早晨的泌乳量在一天中最多，泌乳牛急需补充水分有关。本次试验发现，泌乳牛冬季的饮水量因水温的不同而不同，水温在2.2～14.6 ℃的范围时，水温越高，奶牛的饮水量越大，范围在68.1～79.1 L/d/头，这与周玉凤[6]报道的进入泌乳期后的奶牛每天需要50～100 L的水相一致。由此可见，奶牛的饮水量很大，这就要求奶牛场的供水设施冬季时必须在短时间内能够为奶牛提供大量的热水，才能满足全群奶牛的饮水需求，而目前一般电热饮水槽的容积基本在200～300 L，随着奶牛的饮用、冷水进入水槽后，水槽内的水温很快就下降了，致使后面的奶牛根本就喝不上热水。

3.3 奶牛适宜的饮水温度

瘤胃的代谢过程要求一个稳定的温度环境，这是保证奶牛等反刍动物瘤胃正常发酵的重要条件。反刍动物瘤胃内容物的平均温度为39 ℃，饮水温度低会使瘤胃温度暂时下降，影响瘤胃微生物活性，干扰瘤胃的正常发酵。研究发现，气温在 12 ℃以下时，给奶牛大量饮用冷水，可降低体温 1～2 ℃，要恢复正常体温，需要消耗体能，产奶量明显下降[4]。

关于奶牛适宜的饮水温度却存在不同的试验结果。李军峰[8]报道，奶牛饮用20、16 ℃的水比 8、12 ℃的水产奶量分别提高 9.33 %、7.10 %；李广运等[9]认为，成年奶牛饮水温度以10～15 ℃为宜；赵广永等[1]则认为，40～45 ℃的水温较为合适；陈佳琦[10]研究发现，将水加热至40 ℃后缓慢倒入水槽，牛在水温降至10 ℃左右才开始饮用；Monica[11]研究指出，泌乳牛在低温环境中，饮用3 ℃的水，每天产奶量为25.39 kg，10 ℃时为25.93 kg，17 ℃时为26.33 kg，24 ℃时为26.09 kg，饮用3 ℃与17 ℃水的产奶量差异极显著，水温升高到24 ℃时并未表现出更好的效果。本次试验发现，采用太阳能热水工程、饮水温度提高到14.6 ℃时，奶牛的饮水量和产奶量才显著高于未加热的冷水，而用电热水槽、饮水温度提高到7.9 ℃时，奶牛的饮水量虽然显著高于冷水，但产奶量的差异未达显著水平。

试验牛场地下水的温度只有2.2 ℃，因此，非常有必要采取措施提高饮水温度，以减少其对生产性能的不利影响。

3.4 不同饮水设施经济效益分析

太阳能热水工程和电热水槽经济效益分析见表3。根据设备的投入和使用年限，按每年需要提供热水的时间为180 d、每栋舍内奶牛头数为50头计算，太阳能热水工程和电热水槽的设备折旧费分别为0.50 元/头/d和0.22 元/头/d。根据耗电量和电价，可以计算出太阳能热水工程和电热水槽的电费分别为0.25 元/头/d和1.11 元/头/d。本研究中，与饮用未经加热的地下水相比，太阳能热水工程提供的14.6 ℃的温水使产奶量提高2.6 kg/头/d，电热水槽提供的7.9 ℃的温水使产奶量提高1.3 kg/头/d。鲜奶的价格按当时的收购价3.75 元/kg计算，太阳能热水工程和电热水槽分别可增加收入9.75元/头/d和4.88 元/头/d。增加的收入减去设备折旧费和电费后，太阳能热水工程可增加效益9.0元/头/d，而电热水槽可增加效益3.55 元/头/d。

表3 太阳能热水工程和电热水槽经济效益分析Table 3 Economic profit analysis on solar warm-water project and electric heating water trough

4 结 论

(1)采食前后和挤奶前后是泌乳牛饮水的高峰期；泌乳牛舍内的供水系统应该在短时间内能够提供大量的热水。

(2)太阳能热水工程是一种高效、节能、环保的饮用水加热方式，能够满足泌乳牛舍大量、集中供应热水的需求，可用于寒冷地区的规模化奶牛场；而电热水槽可以保证水槽不结冰，但保证不了奶牛饮用到适宜的热水。

(3)在舍外气温-25.3 ℃、舍内气温-2～-3 ℃的条件下，太阳能热水工程可提供14.6 ℃的饮用水，可提高产奶量2.6 kg/头/d，可增加效益9.0 元/头/d，电热水槽可提供7.9 ℃的饮用水，可提高产奶量1.3 kg/头/d，可增加效益3.55 元/头/d。

[1]赵广永,冯仰廉.用短期人工瘤胃发酵法研究饮水温度对反刍动物瘤胃发酵的影响[J].中国畜牧,1996,32(5):8-10.

[2]Little W,Shaw S R.A note on the individuality of the intake of drinking water by dairy cows[J].Animal Production,1978,26:225-227.

[3]冀贞阳.冬季奶牛养殖中某些环节的最佳温度[J].河北畜牧兽医,2003,19(12):43.

[4]邢攸荷.国内外提高奶牛产奶量的方法与措施[J].四川畜牧兽医,2005(5):41.

[5]Wilks D L,Coppock C E.Responses of lactating Holstein cows to chilled drinking water in high ambient temperature[J].Dairy Science,1990,73(4):1 091-1 099．

[6]周玉岚.奶牛的科学饮水与产奶量[J].畜牧与饲料科学,2004,2:54-55．

[7]Dahlbom K,Akerlind M,Gustafson G.Water intake by dairy cows selected for high or low milk-fat percentage when fed two forage to concentrate ratios with hay or silage[J].Swedish Journal of Agriculture Research,1998,28:167-176.

[8]李军峰.饮水温度对奶牛生产性能的影响[D].陕西杨凌:西北农林科技大学,2008.

[9]李广运.预防奶牛冷应激的措施[J].养殖技术顾问,2009(1):9.

[10]陈佳琦.西北地区冬季肉牛养殖环境控制及管理措施研究[J].黑龙江畜牧兽医,2012(401):6-10.

[11]Monica A.Effects of drinking water temperatures on water intake and milk yield of tied-up dairy cows [J].Livestock Production Science,1985,12(4):329-338.

ApplicationofSolarWarm-WaterProjectandElectricHeatingWaterTroughsinDairyCowFarmsinColdRegion

LI Xin,XING Qi-ming,QI He,LUAN Dong-mei*

(CollegeofAnimalScienceandTechnology,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin,Heilongjiang150030,China)

In order to provide warm drinking water for dairy cows reared in cold regions in winter,a solar warm-water project for dairy farms was designed and manufactured.Warm drinking water was provided for dairy cows by this project as well as electric heating water troughs.Discussions of appropriate ways of giving warm water for dairy cows in cold regions in winter were made by comparing the different performance and economic profits of dairy cows drinking cold water and dairy cows drinking warm water.Results showed that rush hours for water drinking of dairy cows were before and after eating,as well as before and after milking,and water systems inside dairy cows' barns should supply a large amount of warm water in short time.Solar warm-water project could meet the demands of such amount of warm water needed in limited time for dairy cows' barns,and could be applied for dairy farms in cold regions.Although electronic heating water troughs may ensure that water's temperature is above the freezing point,water was colder than optimum drinking water of dairy cows.With an outdoor temperature of -25.3℃ and an indoor temperature of -2～-3 ℃,solar warm-water project was able to supply drinking water with a temperature of 14.6 ℃,which can increase milk yield by 2.6 kg per cow daily,and also earn 9.0 more RMB per cow daily.Electric heating water troughs could contain drinking water with a temperature of 7.9 ℃,increasing milk yield by 1.3 kg per cow daily and earning 3.55 more RMB per cow daily.

cold regions;drinking water temperature;dairy cow;solar warm-water project;electric heating water trough

2013-10-31，

2013-11-28

“十二五”国家科技支撑计划课题(2012BAD12B05)

李 欣(1991-),女，黑龙江人，硕士研究生，主要从事畜禽环境管理研究。E-mail: lixin461009820@163.com

*[通讯作者]栾冬梅(1963-)，女，黑龙江人，博士，教授，硕士生导师。E-mail:ldmneau@163.com

S811.6

A

1005-5228(2014)03-0038-05