东北地区奶牛舍围护结构的低限热阻计算与验证

鲁煜建，张 璐，王朝元,3※，计博禹，饶光辉， 施正香,3，李保明,3

（1. 中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083；2. 农业农村部设施农业工程重点实验室，北京 100083； 3. 北京市畜禽健康养殖环境工程技术研究中心，北京 100083）

0 引 言

围护结构保温隔热能力影响畜禽舍内温度的高低及其稳定性，良好的围护结构设计是保障牛舍内微环境的重要措施[1-2]。中国目前仍缺少畜禽舍围护结构热工设计标准，在建造过程中通常参考民用建筑标准的推荐值或凭借经验进行设计，缺少合理的参考依据。《民用建筑热工设计规范GB 50176-2016》推荐了依据室内外温差和允许温差的围护结构最小热阻值计算方法[3]。《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准JGJ26-2010》则对严寒和寒冷地区民用建筑传热系数及保温层热阻值设置了限值[4]。

北方地区是中国奶牛的主产区，特别是东北地区，受大陆性季风气候影响，冬季严寒，大部分区域极端温度可达到零下35℃[5]。相较于人居环境，奶牛舍跨度大，温度分布不均，且奶牛的产热与产湿量大，舍内环境复杂，与民用建筑要求存在明显差异。由于东北地区多数 奶牛舍为了满足保温需求，冬季不通风或通风量严重不足，且缺乏围护结构热工性能设计参考依据，导致舍内易出现低温高湿和有害气体浓度过高。秦仕达等对黑龙江省散栏式泌乳牛舍冬季环境的研究结果表明，舍内平均温度为0.2℃，平均相对湿度为96.3%，CO2和NH3浓度分别为4 189 和10.3 mg/m3，均超出奶牛行业标准[6]。栾冬梅等测量了东北地区牛舍环境，表明普遍存在低温高湿和空气质量差的情况[7-8]。研究表明，低温高湿和高浓度有害气体的畜禽舍环境不仅对动物及人的健康产生危害，还会进－步降低动物的生产性能和福利水平[9-10]。

冬季建筑围护低限热阻又称为最小总热阻，是在舍内外温差波动作用下，保证围护结构内表面不结露和防止内表面温度过低的最小热阻值。内表面结露会导致围护结构保温性能的衰变进而增加耗热量，同时内表面温度过低将增大对奶牛的冷辐射，降低奶牛的体感温度[11-12]。提高牛舍围护结构热工性能－方面可以提高舍内温度，防止冷凝的发生；另－方面，良好的围护结构保温性能则可以在保证舍内最小通风量的基础上有效保障舍内温度，兼具良好的温热环境和空气质量环境。张岫云等以1 月份平均温度作为分区标准，建议将中国的鸡舍建筑分为5 个气候区，并提出不同气候区鸡舍外围护结构的低限热阻值[13]。王阳等基于不同围护结构的热惰性指标得到冬季室外计算温度，从而计算了不同地区蛋鸡舍冬季外围护结构低限热阻值[11]。国外非常重视畜舍建筑的保温隔热能力，如美国、日本等地针对不同气候区农业建筑规定了最小围护结构热阻值[14-16]。Popescu 等测量了罗马尼亚栓系式奶牛舍冬季环境，得出高湿是冬季需要解决的主要环境问题，良好的保温性能不仅可以减少屋顶冷凝，防止构件生锈和发生霉变，还可以改善舍内空气质量[17]。

中国地域辽阔、气候差异大，应按照不同气候区细化畜禽舍围护结构热工设计参数以避免不同气候区采用相同参数所带来的误差。本文借鉴民用建筑热工设计中低限热阻的计算方法，测算了东北地区奶牛舍冬季围护结构墙体和屋面的低限热阻值，现场测试了青年牛舍的热湿环境，通过比较牛舍墙体和屋面的理论设计热阻值与低限热阻值并结合热湿平衡方程，验证所提出的低限热阻值的适用性，并对牛舍通风管理提出了优化建议。

1 材料与方法

1.1 试验牛舍概况及热阻计算方法

本试验于2016 年1 月25 日- 28 日在黑龙江省双鸭山市宝清某青年牛舍内进行。试验牛舍尺寸为246m（长）×30m（宽）×4m（檐口高），采用双坡屋顶结构，屋脊东西走向，4 列散栏牛床对头布置。冬季处于密闭状态，采用机械通风方式。饲养已受孕的青年牛480 头，平均体质量500 kg。

1.1.1 环境参数监测

图1 所示为西侧半栋牛舍的环境参数监测布点分布图，东西两侧为对称布置。采用团队自制的便携式空气质量监测仪 PMU（portable monitoring unit，专利号ZL201610274762.X）对舍内温度、相对湿度、CO2和NH3浓度进行全天自动监测，测点选取东西方向等间距的3个截面，在每个截面南、北、中各布置采样点，共计9个测点，其中南北两侧PMU 布点高度为牛床上方2.2 m，为避免对全混合日粮送料车（TMR）的影响，中间PMU布点高度为距离地面3.5 m，采样口的高度均在1.5 m。1月25 日—28 日期间，每小时使用PMU 连续采样10 min，采样间隔为10 s，数据记录在PMU 内部SD 存储卡中。为保证监测数据的准确性，PMU 每小时需要通过采样管自动从舍外抽入新鲜空气对传感器的灵敏度进行恢复，时长为20 min。

图1 舍内外环境参数传感器测点位置 Fig.1 Indoor and outdoor environment parameters sampling locations using automatic sensor

1.1.2 墙体和屋面热阻值计算

依据传热学公式计算墙体和屋面的热阻值：

式中Rwall，Rroof分别为墙体平均热阻、屋面平均热阻，m2·℃/W；A1、A2、A3为主墙体、窗户和门的面积，m2；R1、R2、R3为主墙体、窗户和门的热阻，m2·℃/W；A4、A5为主体屋面、采光板面积，m2；R4、R5为主体屋面、采光板的热阻，m2·℃/W。

1.2 结构的低限热阻计算

民用建筑热工设计中已经对围护结构低限热阻有了较为成熟的计算方法，但相较于民用建筑，牛舍的设计温度、相对湿度以及奶牛产热和产湿量等都有较大差别，需要进－步明确和验证低限热阻值。借鉴《民用建筑热工设计规范GB 50176-2016》中低限热阻的计算方法，得到奶牛舍围护结构冬季低限热阻Rmin,w的计算公式如下[3]：

式中ti为冬季舍内计算温度，℃；依据《家畜环境卫生学》和《畜禽场环境质量标准 NY/T388-1999》，冬季奶牛舍设计温度和相对湿度分别设为10 ℃和80%[18-19]。to为舍外计算温度，℃；Δt 为舍内计算温度与外围护结构内表面温度之间的允许温差，其中墙体和屋面的允许温差分别为Δt墙体=ti-td=3.37 ℃，Δt屋面=0.8×(ti-td)=2.70 ℃[20]，td为舍内设计露点温度，取6.63 ℃；Ri和Re分别为围护结构内表面和外表面换热阻，阻值大小仅与建筑表面类型有关，参考《民用建筑热工设计规范GB 50176-2016》，Ri取0.11 m2·℃/W，Re取0.04 m2·℃/W[3]。

1.3 基于热湿平衡的舍内通风量与温度计算

本文－方面通过湿平衡确定牛舍冬季所需的最小通风量，另－方面通过牛舍热平衡方程计算舍内可以达到的理论温度，计算公式如下[21-22]：

式中RMV 为基于舍内湿平衡的冬季理论最小通风量，即维持舍内相对湿度为80%所需的通风量，m3/(h·kg)；W为奶牛产湿量，g/(h·头)[21-22]，di、do为舍内、外空气的含湿量，kg/kg干空气；m 为奶牛体质量，m = 500 kg，n 为奶牛头数，n = 400。

式中QS为奶牛显热产热量[22]，W；Qv为牛舍通风散热量，W；Qw为通过围护结构的散热量，W；V 为通风量，m3/h；ρa为空气密度，kg/m³；Cp为定压比热容，取1.005 6 kJ/(kg·℃)；A 为牛舍围护结构面积，m2；K 为围护结构传热系数，W/(m·℃)。

1.4 数据处理

使用EXCEL 进行数据处理，使用SPSS21.0 软件进行统计分析。数据呈现方式为均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 东北地区奶牛舍围护结构低限热阻值

《民用建筑热工设计规范GB 50176-2016》对东北地区的区域划分为寒冷和严寒地区，要求严寒及寒冷地区应满足保温设计要求。在计算围护结构低限热阻时，首先依据不同围护结构的热惰性指标D 值确定冬季室外热工计算温度。D 值是表征围护结构反抗温度和热流波动能力的无量纲指标，影响围护结构的热稳定性。规范中将热惰性D 值划分为4 类，分别为6.0≤D、4.1≤D＜6.0、1.6≤D＜4.1、1.6＜D。由于D 值为材料层热阻与蓄热系数的乘积，仅受到材料本身特性的影响，所以奶牛舍冬季舍外热工计算温度的确定可参考规范中的划分依据。

表1 为不同热惰性D 值下，东北地区部分城市的冬季舍外热工计算温度以及牛舍墙体和屋面低限热阻值。经计算，从最北部至最南部地区（漠河至大连）牛舍墙体和屋面低限热阻的变化范围分别为 0.47～1.54 和0.63～1.97 m2·℃/W。美国国家农业建筑保温隔热标准中对寒冷地区（＜-10℃）的不加温农业建筑物墙体和天花板总热阻值的要求分别为2.08 和4.34 m2·℃/W[14]。此外，按照冬季总度日数划分，即冬季每天度日数的总和，对于美国冬季总度日数在2 501～6 000 ℃·d 的环境调控畜舍，墙体和屋面的低限热阻要求分别为2.47 和4.40 m2·℃/W[15]。本研究得到的低限热阻较美国标准低，－方面是由于美国是针对所有畜种提出的畜禽舍热工设计参数标准，而本研究仅是针对寒冷地区奶牛舍建筑，各畜种对环境温度等要求不同[18-19]；另－方面在于国外农业建筑大多采用轻质保温材料，热惰性较小，受外界温度变动影响较大，为了提高围护结构的热稳定性，需要加大保温层的厚度[20]。日本对寒冷地区（＜-6.7 ℃）奶牛舍墙体和屋面总热阻值的要求均为1.37 m2·℃/W[16]，在本文计算的低限热阻之内。

表1 的不同地区奶牛舍围护结构低限热阻值仅是控制围护结构内表面不结露的最低标准，实际设计中还需要考虑到围护结构中冷/热桥、衰变等的影响。曹哲等对比了热成像技术和传统的接触式传热阻测试方法，发现2种测试方法对于奶牛舍的墙体和屋面热阻的测试值与理论计算值均存在偏差，主要是受到材料老化、受潮和施工质量等影响[23]。Clark 等对加拿大埃德蒙顿地区散栏奶牛舍的环境状况进行了监测，结果表明除了新建牛舍，其余牛舍内由于高湿产生的围护结构热工性能衰变现象非常明显[12]。在实际设计中可依据牛舍使用年限、饲养规模等对围护结构热阻值进行相应调整。美国国家农业建筑保温隔热标准要求在安装保温隔热材料时要避免材料热特性的衰变，如果衰变无法避免，则需要考虑材料随使用时间增加而产生的衰变值[14]。

表1 不同热惰性D 值下东北地区奶牛舍冬季舍外热工设计温度以及墙体和屋面低限热阻值Rmin Table 1 Outdoor thermal design temperature（OTDT）and Rmin of walls and roofs for dairy barns under different thermal inertia D values in Northeastern China.

2.2 低限热阻的现场验证

2.2.1 围护结构验算

表2 为试验牛舍墙体和屋面的材料、构造、面积及热阻值等基本信息，其中墙体包括侧墙和山墙，屋顶包括屋面和采光板。试验牛舍侧墙、山墙和屋面的设计热阻值分别为0.54、0.55 和1.58 m2·℃/W，热惰性D值为3.26 (m2·℃)/W，从表2 中可知，该牛舍冬季墙体和屋面的低限热阻值分别为1.06 和1.36 (m2·℃)/W。试验牛舍屋顶平均热阻值满足宝清地区冬季低限热阻要求，但侧墙和山墙的平均热阻分别为该地区冬季低限热阻值的50.9%和51.9%，墙体较多的热量损失导致舍内实测温度小于牛舍的理论计算温度。围护结构热阻值对畜禽舍的保温具有重要作用，吕礼良等对东北地区3 种不同结构和墙壁厚度的牛舍保温性能进行对比试验，在舍外温度为-20℃时，墙壁厚度分别为24、37和50 cm 的牛舍内最低温度分别为-6.97、-2.03 和5.57 ℃，且认为墙壁厚度对牛舍保温性能影响占比为59.8%[24]。王阳等提出了不同地区蛋鸡舍围护结构的低限热阻值，在对－栋满足低限热阻值要求的蛋鸡舍进行温度测量时,得到鸡舍内温度能够满足设计要求（＞13℃）[11]。此外，围护结构热工性能不达标导致墙体内表面温度较低，多处发生冷凝、腐蚀现象，这进－步降低了围护结构的保温性能，增加热损失。栾冬梅等对东北地区彩钢板奶牛舍的调研结果显示，畜舍中央与墙角处的温差超过 6 ℃，屋顶和墙壁表面存在结露、结冰现象，畜舍保温能力不够是牛舍湿度较高的主要原因之－[25]。

如表3 所示，试验期间舍内平均相对湿度、CO2和NH3浓度分别为99.1%、10 538 mg/m3和24.5 mg/m3，均超出行业标准（相对湿度80%，二氧化碳1 500 mg/m3，氨气20 mg/m3）[19]。为了保证舍内温度，该牛舍在冬季管理中长时间处于密闭状态，二氧化碳平衡法得到牛舍实际通风量的平均值为0.09 m3/(h·kg)，无法达到保证良好舍内空气质量的最小通风量要求，导致舍内相对湿度和有害气体浓度过高。研究表明，高湿度加速牛体和外界环境的热交换，易引发关节炎、降低奶牛体感温度、同时高湿度有利于病原体的滋生，高浓度的氨气刺激奶牛眼睛和呼吸道粘膜，易引发呼吸道等传染性疾病，引起动物慢性应激[9,26-27]。

试验期间，牛舍的实测温度均值为8.2 ℃。牛舍现有通风管理方式虽然减少了牛舍与外界环境的热交换，保证了舍内温度，但降低了奶牛的健康与福利水平，间接影响了奶牛的产奶量。关正军等在对黑龙江省哈尔滨的奶牛舍进行现场测试时发现牛舍平均温度在10 ℃左右，但由于通风不良，舍内相对湿度全天保持在100%，40%的奶牛不同程度地患有皮肤、感冒等疾病，奶牛减产30%[28]。栾冬梅等调研中也发现，冬季奶牛舍内温度在8～10 ℃，但舍内相对湿度较高，感冒和皮肤病的发病率较高[25]。此外，奶牛的下临界温度LCT（lower critical temperature，LCT）始终没有准确的定论。Collier等认为奶牛在自由采食状况下，当温度低于-4℃时产奶量开始下降，当温度低于-23 ℃时，产奶量有显著性的下降[29]。张浩等认为当温度低于-5 ℃时，奶牛的生产性能将会受到影响，当温度低于-10 ℃时，产奶量下降6%[30]。Brouček 等综合多位学者的研究认为随着奶牛生产性能的不断提高，奶牛的LCT 会不断降低[31]。从以上研究结果可知，奶牛对低温具有－定的耐受性，适当增加牛舍通风虽然降低了牛舍温度，但可以改善舍内环境，有利于提高奶牛生产、健康及福利水平。

综上所述，通风是改善牛舍高湿和高浓度有害气体环境状况的重要方法，而提高牛舍围护结构保温性能可在保证牛舍通风的基础上提供温度保障。秦世达等在探究黑龙江省散栏式泌乳牛舍环境时得到提高牛舍外围护结构的保温隔热能力是改善牛舍环境的首要任务[6]。Mader 等认为增加围护结构保温性能是减小奶牛冷应激程度的最有效方法之－[32]。

表2 试验牛舍墙体、屋面基本信息 Table 2 Basic information of wall, roof of experimental barn

表3 舍内温度、相对湿度、CO2 和NH3 浓度变化 Table 3 Change of indoor temperature, relative humidity and CO2 and NH3 concentrations during measurement of surveyed dairy barn.

2.2.2 试验牛舍通风管理优化建议

通过湿平衡方程计算得到维持牛舍相对湿度为80%所需的最小通风量为0.14 m3/(h·kg)，在现有围护结构基础上，根据热平衡方程测算结果，建议该牛舍通风量应维持在 0.14 ～0.15 m3/(h·kg)，可保证舍内温度大于0 ℃、相对湿度维持在80%左右，能够满足冬季舍内日常管理（不结冰）以及良好空气质量环境的要求。关正军等研究表明，在舍外温度为-20 ℃时，为保证试验牛舍内温度1～10 ℃、相对湿度70%～90%，通风量应控制在0.12 ～0.26 m3/(h·kg)[29]，这与本文的研究结果相近。如果将牛舍通风量提高至0.17 m3/(h·kg)（《家畜环境卫生学》中对冬季散养牛舍内换气量的建议值为0.17 m3/(h·kg)，需要将现有牛舍围护结构热阻提高至低限热阻，热平衡方程测算得到牛舍内温度为0.24 ℃，相对湿度小于80%。

牛舍可通过增设屋顶通风帽、烟囱风机的方式增加白天的通风量，同时适当增加夜间的通风量来改善舍内环境状况。王启超等研究表明烟囱风机能有效改善东北寒区牛舍内的空气环境状况，CO2、NH3平均浓度较通风前分别降低51%和63%；舍内相对湿度最低可降至89%，温度可维持在5 ℃以上，并建议采用风机强制通风与自然通风结合、夜间酌情关闭风机的通风管理模式[33]。

3 结 论

本文基于民用建筑低限热阻的设计方法测算了东北地区奶牛舍冬季墙体和屋面的低限热阻值，并进行了现场验证。东北地区奶牛舍冬季墙体和屋面的低限热阻值的取值范围为0.47～0.54 和0.63～1.97 m2·℃/W。结果证明，试验牛舍侧墙和山墙的平均热阻值仅为低限热阻值的50.9%和51.9%，导致舍内冬季通风量低于最小通风量要求，舍内出现相对湿度和有害气体浓度过高的现象。根据通风量与奶牛舍湿平衡方程计算，可在保证牛舍温度大于0 ℃的基础上对其通风进行优化管理，以满足日常操作和良好空气质量环境的要求。