雏鸡舍留温新风换气系统设计与试验

2018-12-04仝亚广宋将飞周荣艳黄仁录

农业机械学报 2018年11期

陈辉仝亚广张岩宋将飞周荣艳黄仁录

(1.河北农业大学动物科技学院，保定 071000； 2.沈阳市沈海牧业有限公司，沈阳 110000；3.河北尚飞农业科技有限公司，石家庄 050065)

0 引言

目前，畜禽舍在寒冷季节经常存在保温能耗与通风换气的矛盾，雏鸡的生长需要较高的温度，不合理的通风方式和保温措施可能导致雏鸡患病，也会增加生产成本。因此，既要满足雏鸡舍的通风，又能减小保温能耗是当今环境调控的难点之一。

新风换气系统是一种新型通风系统，具有高效节能的特点，可以有效缓解寒冷季节舍内通风与保温的矛盾[1-2]，在民用建筑上已经有广泛应用[3-4]。畜禽舍和民用建筑相比，舍内会产生更大的热量和有害气体[5]，因此更有必要进行能量回收和加大通风量[6]。GIESE等[7]最先开展畜禽舍应用热回收设备研究，但由于设备投入高，并未在畜禽舍得到推广使用，随着热交换通风技术的成熟和设备的不断完善，以热交换为原理的新风换热机开始应用于畜牧业中。STAUFFER等[8]使用热管换热器从猪圈的通风排气中回收热量，热回收效率达到53%，可满足大约45%的热量需求。LIANG等[9]在鸡舍使用热回收通风机(Heat recovery ventilators, HRV)，雏鸡阶段运行符合最低通风率，投资回报期为4～5年。BOKKERS等[10]在鸡舍中使用空气热交换器(Heat exchanger, HE)发现，在不影响其他性能的条件下，天然气使用量减少了38%，还可提高肉鸡体质量。HAN等[11]研究表明，冬季在鸡舍使用热回收通风设备后可节省能耗55%。一般传统意义的新风换气机多采用含有波纹板支撑结构的板翅式错流热交换芯体，波纹板支撑能解决换热板的支撑问题，但阻力压降增大，错落式热交换效率不入逆流；而大多数逆流式热交换芯是采用波纹板互相叠合形成腔体，加工工艺复杂，而且换气机机芯的生产工艺成本非常高。

针对以上问题，本文拟设计一种留温新风换气机，在其壳体内设置一次成型的简便蜂窝体，采用高效气-气板式热交换器，研究此节能热回收通风系统的热回收效果、鸡舍环境以及雏鸡的生长性能，为留温新风换气机在畜舍中的应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验鸡舍与试验材料

试验在河北省沧州市某鸡场进行，选取条件一致的鸡舍2栋，东西走向，鸡舍屋顶为高密度夹芯彩钢板结构(厚度0.10 m)，鸡舍长31 m，跨度13 m，脊高3.6 m，檐高2.9 m，采用A字三层阶梯笼，笼具宽约2.1 m，笼具间走道宽0.9 m。4列5走道，可饲养约1万只雏鸡。鸡舍南北两侧墙共设有10个采光窗(0.79 m×0.63 m)，通风小窗共28个，东侧有4个湿帘(2 m×1.64 m)，清粪方式为刮板清粪，暖气供暖。本试验设计2个处理组(试验组和对照组)，试验组鸡舍在南面侧墙均匀安装4台留温新风换气机(500 mm×1 425 mm×2 050 mm)进行通风，每台留温新风换气机的通风量为3 000 m3/h，新气与废气的通风量相同，设备运行功率为2 kW，高效气-气板式热交换器芯体尺寸为165 mm×400 mm×1 500 mm。对照组鸡舍在西墙设有3台风机进行通风，风机尺寸为480 mm×480 mm，机器通风量为10 000 m3/h，设备功率为180 W，试验期间只保持开启1个风机，饲养密度等其他条件均保持一致。

1.2 试验方法

试验在2017年10月15日—11月12日期间进行。环境参数测量是于第4周在鸡舍的正中央位置上距地面1.5 m高水平面上，分别放置DL-31型有害气体监测仪(氨气质量浓度检测精度±0.1 mg/m3，二氧化碳质量浓度检测精度±2.0 mg/m3)、DL-31型颗粒物浓度监测仪(检测精度±0.1 mg/m3)、DL-11型环境监测仪(温度检测精度±0.5℃，相对湿度检测精度±4.5%)。并且每周采用CENTER-310型高精度温湿度计(台湾群特有限公司，温度检测精度±0.7℃，相对湿度检测精度±2.5%)测量各过道前、中、后位置的上、中和下层的温、湿度(图1)，并计算每个过道温、湿度的均值和标准差。

图1 鸡舍内各温湿度测点平面示意图Fig.1 Schematic of temperature and relative humidity measurement points in chicken house

图2 新、废气进出口监测位置示意图Fig.2 Schematic of inlet and outlet detection of new gas and exhaust gas1.新气进口 2.废气进口 3.新气出口 4.废气出口

如图2所示，显热交换效率(又称温度热效率)的测定是在11月11日的19:00至次日07:00，每间隔1 h连续测量留温新风换气机的新气进出换气机口的温度和废气进出换气机口的温度，记录并计算每时间点的显热交换效率，并求其平均值与室内外温差。其显热交换效率为

η=(Tb-Tc) /(Tb-Ta)×100%

(1)

式中η——显热交换效率，%

Ta——废气进换气机温度，℃

Tb——新气进换气机温度，℃

Tc——新气出换气机温度，℃

已知留温新风换气机每小时空气流量和室内外温差，计算回收热量

Q=msρcpΔT/3 600

(2)

式中Q——回收热量，J

ms——流量，m3/hρ——密度，kg/m3

cp——比热容，J/(kg·K)

ΔT——鸡舍内外温差，K

留温新风换气机能效比为

N=Q/W

(3)

式中W——留温新风换气机运行功率

生长性能测定是通过每周每栋随机抽取100只鸡进行称量与胫长测量，并计算其平均值和标准差。

1.3 数据处理方法

试验数据用Excel进行均值处理，结果用平均值±标准差表示。差异显著性采用SPSS中的独立样本T检验进行处理，0.01≤P<0.05为差异显著，P<0.01为差异极显著。

2 留温新风换气机通风系统设计

2.1 留温新风换气机原理

留温新风换气机依照热交换原理，特别针对畜禽行业舍内通风需求而设计，如图3所示。设备内部核心部件为高效气-气板式热交换器，换气机芯进出口特殊的设计(换气机的进气口设置于蜂窝体两端的侧面上，出气口设置于蜂窝体的两端面上)增加了逆流部分的长度，减小了错流部分的长度，提高了热交换的长度，提升了单位体积的热交换效率。壳体内设置有一次成型的蜂窝体芯体，蜂窝体内间隔地设置有新风通道和排风通道。在畜禽舍通风换气的过程中最大限度地回收废气中的热量，对进入畜禽舍的新鲜空气进行预热，减少舍内温度流失，在通风换气的同时保证了畜禽舍内的温度需求；通过排出来的废气进入换气机芯体废气腔体中，舍外的新气同时进入芯体新气腔体中，废气与新气由薄壁隔开，同时在薄壁之间形成热量交换，使进入舍内的新气进行预热，减少热量的损失，从而达到节能减排的效果。如图4所示，废气从最上层通过换气机排到舍外，新气从下层侧面通过换气机排到舍内，废气和新气形成逆流，通过很薄的孔壁形成热交换，显热交换效率可达到75%以上。

图3 蜂窝体结构示意图Fig.3 Schematic of honeycomb structure1、4.进气口 2.隔热材料 3.蜂窝体 5.出风口

图4 留温新风换气机结构示意图Fig.4 Schematic of heat recovery and fresh air ventilator

2.2 风机的安装及数量的确定

已知留温新风换气机的通风量为3 000 m3/h，最小通风量的计算公式为

Lmin=1.018 8G

(4)

其中

G=mGf+nGm

(5)

式中Lmin——最小通风量，m3/h

G——鸡总体质量，kg

Gf——母鸡平均质量，kg

Gm——公鸡平均质量，kg

m——母鸡数量，只n——公鸡数量，只

从表1可以知道一台换气机可供不同体质量鸡的数量。安装换气机时，由于不同日龄雏鸡的体质量不同，所需要的通风量也不同，应根据雏鸡出栏或转群时的最大体质量，计算1台换气机可饲养母鸡数量，再计算出1栋鸡舍要安装留温新风换气机台数，本试验鸡舍可饲养雏鸡1万只，安装4台留温新风换气机。

3 试验

3.1 鸡舍的环境参数测定结果

3.1.1留温新风换气机的显热交换效率

由图5可以发现，留温新风换气机在夜间

表1 一台换气机供不同体质量下的母鸡数量Tab.1 Number of hens under different weights for one ventilator

注：通风量参考值为每千克体质量需要通风量1.018 8 m3/h。

图5 废气与新气进出换气机温度Fig.5 Inlet and outlet ventilator temperatures of exhaust air and fresh air

19:00—次日07:00期间，新风进换气机温度和废气出换气机温度比较接近，新风进换气机温度在05:00下降到最低温度-2.9℃，然后上升到0.4℃；废气出换气机温度在06:00下降到最低温度0.1℃，然后上升到2.5℃。而废气进换气机温度与新气出换气机温度走向基本一致，废气进换气机和新气出换气机温度分别逐渐上升到最高，为05:00的22.4℃和17.7℃，然后07:00温度分别逐渐降低到18.2℃和14.5℃。由图6可知，显热交换效率在23:00—05:00达到最大，为81%，然后又逐渐降低到79%，在19:00显热交换率达到最低，为76.5%。

图6 留温新风换气机显热交换效率曲线Fig.6 Sensible heat exchange efficiency of heat recovery and fresh air ventilator

3.1.2舍内环境参数对比

表2是试验期间试验组与对照组所测得的舍内环境参数结果，试验组与对照组相比，空气温度、相对湿度、二氧化碳质量浓度、氨气质量浓度、PM2.5质量浓度和PM10质量浓度分别降低了3.21℃、2.87个百分点、1 140.14 mg/m3、11.92 mg/m3、20.60 mg/m3和79.59 mg/m3，并且差异均达到极显著水平(P<0.01)。

表2 舍内环境参数对比Tab.2 Comparison of internal environment parameters

注：同列数据上标不同大写字母表示差异极显著(P<0.01)；上标字母相同或者没标字母表示差异不显著(P>0.05)。下同。

3.1.3舍内不同过道的温湿度

由表3可知，试验组与对照组的温度差异比较明显，其中试验组在1日龄的北过道和南过道的温度均极显著低于对照组(P<0.01)；在1周龄时，试验组中过道的温度极显著低于对照组；在3周龄时，3个过道的温度均极显著低于对照组(P<0.01)；而在2周龄和4周龄的中过道和南过道的温度均极显著高于对照组(P<0.01)。

表3 试验组与对照组的鸡舍温度Tab.3 Chicken house temperature in test group and control group ℃

由表4可知，在1日龄和1周龄时，试验组的相对湿度均极显著低于对照组(P<0.01)；而在2周龄和4周龄时，试验组的相对湿度均极显著高于对照组(P<0.01)。

表4 试验组与对照组的鸡舍相对湿度Tab.4 Relative humidity of chicken house in test group and control group %

注：同列数据不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

3.2 不同处理组的雏鸡生长性能

由表5可知，试验组与对照组鸡舍相比，雏鸡的胫长和体质量在1～4周龄均未出现显著性差异(P>0.05)，试验组与对照组鸡舍的雏鸡生长性能良好。

表5 试验组和对照组的雏鸡生长性能Tab.5 Growth performance measurement of chickens in test group and control group

3.3 留温新风换气机的回收成本分析

由式(2)可知

Q=3 000×1.218×1 000×ΔT/3 600≈ΔT

育雏鸡舍的平均温度为28℃，显热交换效率按75%计算。则实际回收热量

Qa=0.75Q=0.75ΔT

标准煤的燃烧值为29 260 kJ/kg，24 h回收热量折换为标准煤为

Qa×24×3 600/29 260=
0.75ΔT×24×3 600/29 260=2.21ΔT

每千克标准煤的热值为29 308 kJ，考虑到一般锅炉使用的是热值为20 934 kJ的煤，考虑锅炉和采暖设施的燃烧效率，最后采暖效率按50%计算，则24 h回收热量折换为热值20 934 kJ的煤为

2.21ΔT×29 308/20 934/0.5=6.20ΔT

市场上的煤价按0.7 kg/元进行计算，则24 h回收热量所节约的燃煤费用为

6.20ΔT×0.7=4.34ΔT

节约燃煤费用的同时，也会节约机器折旧费用(燃煤锅炉等)和人工费用(运煤和烧锅炉等)，每吨煤节约费用按200元估算，则24 h所节约费用为

(6.20ΔT/1 000)×200=1.24ΔT

设备运行一昼夜消耗48 kW·h电能，1 kW·h电按 0.6～0.7元计算约30元；设备折旧按运行30个月计算，8 000 /(30×30)约为10元，则24 h费用约40元。

使用留温新风换气机24 h所节约的费用为

V=4.34ΔT+1.24ΔT-40=5.58ΔT-40

由表6可知，室外温度越低，所对应的每日节省的燃煤费越多，日节约费用越高，回收成本时间越少。当室外温度达到-28℃时，日节约费用最高，为272.5元，回收时间最少，为29 d；当室外温度为16℃，日节约费用为27元，回收成本时间为297 d；当室外温度再增加时，日节约成本较少，为4.6元，而回收成本时间比较长，为1 724 d，机器的使用年限按30个月计算，不经济。通过计算可得出，当室外温度大于19℃时，使用留温新风换气机不再经济，应改用普通风机比较合适。测试期间室外温度为-8～8℃，回收成本需要80 d左右。

表6 留温新风换气机的回收成本分析Tab.6 Analysis of recycling costs of heat recovery and fresh air ventilator

4 讨论

4.1 留温新风换气机保温性能分析

对试验组和对照组鸡舍进行环境监测时正值寒冷季节，室外温度在夜间可达0℃以下。试验组鸡舍第4周的平均温度比对照组降低了3.21℃，但是试验组雏鸡的胫长和体质量与对照组并未产生显著性差异。这些试验结果说明，试验组雏鸡舍环境与对照组一样，均可满足雏鸡正常生长。有关资料表明，育雏阶段是养鸡的一个重要技术环节，提供雏鸡生长发育所需适宜环境条件是至关重要的。雏鸡对温度反应敏感[12-13]，一般育雏舍，1周龄温度控制在34～36℃、2周龄温度控制在32～34℃、3周龄温度控制在29～32℃、4周龄温度控制在27～30℃[14],因此试验组与对照组鸡舍保温性能良好。而畜禽舍小气候的形成受到舍内家畜种类、密度、外围结构的保温隔热性能、通风换气、排风防潮等因素以及舍外气象因素影响[15]，而畜禽舍的潮湿是由水汽造成的，水汽主要来源于畜禽皮肤和呼吸道蒸发出来的湿气、排出的粪便和设备漏水等[16-17]。试验组第4周的相对湿度比对照组低2.87个百分点，虽然数据分析中已经达到差异极显著，但在实际养殖中相对湿度波动也较大，育雏湿度要求1周龄雏鸡舍内相对湿度保持在70%～75%，2周龄时降至65%，3周龄后，相对湿度保持在55%～60%，因此试验组与对照组鸡舍相对湿度偏低，应适当提高其相对湿度。

研究也说明畜禽舍的保温与通风是一对突出的矛盾体[18-19]，雏鸡舍通过留温新风换气机的显热交换将保温与通风的矛盾有效地进行缓解。废气进换气机的平均温度为20.8℃，废气出换气机的平均温度为2.2℃；新气进换气机的平均温度为-0.7℃，新气出换气机的平均温度为16.6℃。因此废气的热量通过蜂窝芯体传递给新气，将新气进行预热，有效提高热量的回收。显热交换效率是衡量能量回收的主要指标，目前市场上从价格上容易接受的是显热换气机[20]。本试验中所使用的留温新风换气机在夜间的显热交换效率在76.5%～81%，与吴丽等[21]介绍的板式热回收装置的效率为50%～80%相一致。相对试验的夜间时间，白天的显热交换效率略低一些。室外温度越低时，留温新风换气机的能效比越高，因此留温新风换气机适用于冬季或其他季节较为寒冷的地区。试验评价了留温新风换气机在华北地区使用的效果，也为其在更寒冷地区的使用提供依据。

4.2 雏鸡舍通风换气效果与生产性能评价

畜舍空气质量直接反映了畜舍通风换气的效果，新风换气机不仅很好地解决了室内空气换气问题，也是一种很好的高效节能产品，具有通风换气、能量回收、运行费用低和抑菌的优点[20,22]。相关资料表明，LIU等[23]将能量回收通风机(Energy recovery ventilator, ERV)应用于建筑物，可有效地将废气和湿气转换到室外空气中，并进行热量的回收；刘建禹[24]在冬季进行畜禽舍通风系统热能回收试验发现，在小温差下能有较大的余热回收效果，并且进排气之间无交叉感染；高继伟等[25]设计的畜禽舍用全热回收新风换气一体装置以及刘红光[26]设计的畜禽舍新风换气机均表明，采取热量回收式通风方式，其在环境调控方面具有很大优势。本研究试验组与对照组相比，在空气温度、相对湿度、二氧化碳质量浓度、氨气质量浓度、PM2.5质量浓度和PM10质量浓度上均出现极显著性降低。经过1周的系统连续监测，试验组鸡舍除日平均温度低于雏鸡所需最低标准外，相对湿度、二氧化碳质量浓度、氨气质量浓度、PM2.5质量浓度和PM10质量浓度均符合环境卫生学标准，并且试验组空气质量优于对照组。试验组鸡舍温度明显降低，可能是因为试验组通风量略大；试验组的空气质量明显提升，可能是因为留温新风换气机使用后，新风经过预热后进入鸡舍，减少鸡群由于受寒冷而引起的冷应激，减少鸡群的活动，从而提高试验组鸡舍的空气质量。试验组与对照组雏鸡的胫长和体质量在1～4周龄生长性能良好，均未出现显著性差异(P>0.05)。因此装有留温新风换气机的试验组同装有普通风机的对照组一样可满足雏鸡生长环境，4台留温新风换气机的使用，可以满足雏鸡舍雏鸡阶段的饲养，改善雏鸡舍生长环境。说明在雏鸡舍使用留温新风换气机具有良好的通风换气效果，这一方式是解决雏鸡舍保温和通风换气突出矛盾的有效途径。

4.3 留温新风换气机的经济效益分析

鸡舍适宜温湿度对雏鸡至关重要，归根到底还是解决雏鸡舍保温和通风换气的突出矛盾。如果鸡舍通风量过大，鸡群精神萎靡，并造成煤、电等能源的浪费和人员工作量的增加，经济效益降低；如果鸡舍通风量过小，鸡群出现结膜炎、呼吸道等疾病，鸡群体质变差，同样降低经济效益。北方冬季畜禽舍一直使用燃煤作为采暖的方式，随着环保压力的加大，迫使养殖场必须改变原有的方式，养殖的经济效益取决于畜禽的健康，畜禽的健康取决于畜禽舍的环境质量，畜禽舍的环境质量取决于通风换气，通风换气必须以保证温度为前提。留温新风换气机与普通风机组在雏鸡胫长与体质量上均无显著差异，说明留温新风换气机代替普通风机应用于鸡舍的方案具有一定的可行性。新风换气机的使用是有条件的，如果使用、安装环境或安装条件等不当，不仅不能节能，反而增加能耗。通过计算，留温新风换气机适用于当室外温度小于19℃时，此时在不影响雏鸡生长性能的前提下，满足鸡舍温湿度需求，并且可有效节约成本，经济效益显著。但是必须根据鸡群密度，计算所需通风量，合理设置留温新风换气机的开启与关闭温度值。