寒区低屋面横向通风牛舍建筑和环境设计初探

仲玉婷，施正香，赵婉莹，王朝元

（中国农业大学水利与土木工程学院，农业农村部设施农业工程重点实验室，北京 100083）

东北三省是中国奶业的优势产区，2016年奶牛存栏237.5万头，牛奶总产量742.0万t[1]。由于冬季严寒，东北地区奶牛场设计和环境管理中，冬季舍内低温高湿现象严重，奶牛福利得不到保障。环境温度低于-4℃，奶牛的产奶量开始下降；当温度降到-23℃时，产奶量显著降低[1]。冷应激还会影响奶牛生理健康，易感染多种疾病，如感冒、肺炎、结核病、副伤寒、乳房炎等。对于寒区奶牛舍来说，维持舍内温度同时保证空气质量、降低湿度需要从牛舍建筑设计、合理的环境调控措施及加强冬季环境管理入手。采用有窗封闭式建筑结构形式有利于牛舍的保温隔热[2,3]，注重围护结构材料的选择和牛舍密封性设计，对实现舍内有效的气流组织和保持合适的温度非常重要[4]。近年来，低屋面横向通风（low profile cross ventilated, LPCV）牛舍因单栋舍的奶牛饲养量大、围护结构面积小，可极大地降低冬季热量损失而受到广泛关注。与普通牛舍设计不同，LPCV牛舍建造对于建筑材料、保温材料以及接缝做法都有很高的要求[5,6]。但是我国对于LPCV牛舍的研究起步相对较晚，且目前关于舍内环境设计系统的理论研究相对较少。为此，本文以LPCV形式的成乳牛舍为对象，就牛舍建筑的保温、通风、采光等设计方法进行讨论，以便为寒区奶牛饲养适宜的环境条件提供参考。

1 成乳牛舍建筑保温设计

寒区牛舍环境设计以冬季防寒为主，着重解决通风与保温的问题。相比于传统牛舍，LPCV牛舍更有利于实现对舍内环境的控制。冬季牛舍温度控制一般不采取加温措施，但屋顶、墙体的保温隔热材料的保暖系数应为6以上，且要求接缝处密封良好[7]。

1.1 成乳牛舍建筑材料保温设计

结合寒区的气候特点，选取LPCV牛舍进行环境设计，舍内采用无运动场体系的全舍饲散栏饲养模式。牛舍正南朝向，建筑尺寸长336m、宽91m，檐高4.2m，设置矮墙0.4m。根据牛群规模确定牛群结构，成母牛约占50%，泌乳牛为2 400头，采用12列式，每群100头，占地面积为12.74m2/头。墙体和屋顶均采用150mm厚彩钢夹芯板，屋面为双坡式（1:22），同时设置10mm厚聚碳酸酯阳光板作为采光带。屋面底部和墙面内刷50mm厚聚氨酯发泡，起到保温防腐的作用。南侧墙安装充气膜保温墙，北侧墙设风机，进行机械横向通风。饲喂通道采用3 000mm×3 600mm的上翻门，共8扇，舍内山墙两侧设置车辆回转道。舍内清粪采用漏缝地板工艺，粪尿可直接落入地下浅粪坑中，保持地面的清洁干燥，对减少奶牛肢蹄病也有一定帮助，粪坑内采用刮板清粪。

1.2 充气膜保温墙设计

充气墙主要由充气膜、充气管、固定支撑件、充气风机、控制箱、防鸟网组成。控制器可根据风向与雨量的传感器对舍外环境的感应，通过2个1/40hp鼓风机改变充气膜保温墙的开闭状态。冬季时，为保障牛舍内温度，对充气膜充气膨胀成一面墙；夏季炎热时为通风不充气，作为进风口进行横向通风。

将舍内划分为6大区域，每区域中间配备一个温度传感器，根据奶牛生产最适宜温度为10～18℃，将温度传感器上限设定为18℃，则当舍内温度达到18℃时，开始减少充气量；经过一段时间后再检测温度，若仍维持在18℃以上，继续减少使充气膜下降，直至达到18℃。设定下限温度为10℃，低于此温度则开始对膜进行充气。

2 成乳牛舍通风设计

2.1 夏季最大通风量计算

夏季牛舍内会产生多余的热量以显热或潜热的形式排出。Harner等[8]研究认为LPCV牛舍的通风量应根据牛舍换气周期来确定。夏季PLCV的换气率应为60～120s，通风量按式（1）计算：

式中，L为牛舍通风量（m3/h）；V为牛舍内部的空气体积（m3）；为换气周期（s）。

若Rair取60s，则可计算得到牛舍内的必要通风量为8 845 200m3/h。

2.2 冬季最小通风量计算

冬季舍内通风系统需排除多余的水汽以及有害气体。从国内LPCV牛舍实际运行来看，冬季风机开启数量不到实际安装数量的10%。为使舍内空气质量达到标准，要求CO2含量低于5g/kgair，NH3含量低于20ppm，且根据NH3调控单头奶牛的通风量较大为85m3/h[9]。所以，本文以NH3调控冬季牛舍最小通风量，为204 000m3/h。

2.3 风机选型配置

根据夏季最大通风量及冬季最小通风量进行风机设备选型，如表1所示。

表1 风机选型配置

对于通风系统的通风阻力，不采用空气处理设备和不经过管道输送、风机直接连通设施内外空间的大多数进气通风与排风系统中，通风阻力一般为10～30Pa。一般估算时，可按静压32Pa计算确定风机的工况。在此静压下，夏季最热时打开全部风机，总通风量为8 943 820m3/h，换气次数可达60次/h。冬天极冷阶段时，开启10台9FJ10.0风机，最小实际通风量为224 200m3/h，主要是排出舍内的湿气以及有害气体，换气次数可达到1.5次/h。

此外，舍内安装挡风板可以改善通风，可将卧床处风速从2～3km/h提高到6～8km/h。挡风板安装高度距离地面至少7英尺，板下风速推荐值为2.2～2.7m/s，挡风板距离地面的高度推荐值为2.1～2.4m[10]。本设计中安装高度为2.4m，安装角度为30°，平均风速较大。若挡风板的安装角度增加，则挡风面积增加，牛舍建设成本增加[11]。因此，从经济性考虑，30°是最佳安装角度。

2.4 满足通风量要求的湿度控制设计

在此通风系统下，舍内空气含湿量满足式（2）[12]

式中，di为舍内空气含湿量（kg/kgair）；do为舍外空气含湿量（kg/kgair）；pa为空气密度（kg/m3）；W为舍内需排出的多余水汽（kg/s）。一头550kg的奶牛产生水汽量为375g/h，则整栋舍产生水汽量900kg/h，即0.25kg/s。

假定冬季设计条件为室外-20℃，相对湿度74%，则舍外空气含湿量0.0005kg/kgDA。根据公式（2）可确定舍内空气含湿量为0.004kg/kgDA。根据焓湿图，舍内设计温度5℃时，含湿量0.004kg/kgDA，相对湿度为74%，可满足牛舍冬季相对小于85%的生产要求，且在奶牛生产湿度适宜范围内。

假定夏季设计条件为室外温度27℃、相对湿度61%，则舍外空气含湿量为0.0137kg/kgDA。根据公式（2）可确定舍内空气含湿量为0.0138kg/kgDA。根据焓湿图，舍内温度25℃时，含湿量0.0138kg/kgDA，相对湿度为69%，可满足牛舍夏季相对小于85%的生产要求，且在奶牛生产湿度适宜范围内。

3 成乳牛舍冬季低限温度计算

根据能量守恒定律，牛舍系统的热量平衡方程为式（3）[12]：

3.1 舍内显热散热量

每头550kg的奶牛显热量=3339.4kJ/（h·头），代入公式求得显热量为2 226 248 W。

3.2 牛舍围护结构传热耗热量

式中，K为围护结构传热系数W/(m2·℃)；A为围护结构面积（m2）；为冬季舍内计算温度（℃）；为舍外空气温度（℃）；a为围护结构温差修正系数。

当有多层材料围护结构的传热系数满足：

式中，R为围护结构传热阻[m2·℃)/W]；为围护结构内、外表面换热系数，=8.7W/(m2·℃)，=23W/(m2·℃)；、为围护结构内、外表面传热阻，=0.115(m2·℃)/W，=0.04(m2·℃)/W；为围护结构各层厚度（m）；为围护结构各层材料导热系数[W/(m2·℃)]；为围护结构各层材料传热阻[(m2·℃)/W]。牛舍围护结构的热工参数及耗热量计算如表2所示，其中，Δt表示舍内外温度差（℃）。

表2 围护结构热工参数及传热耗热量

（2）朝向修正耗热量

围护结构朝南，按照规范修正率宜采用-15%～ -30%，取-20%，则

（3）风力附加耗热量

外表面换热系数 =23W/(m2·℃)是在风速约4m/s时的计算值，由于东北地区冬季主导风向平均风速一般在3.0～4.5m/s，若地势比较平坦，可以不考虑风力附加值以及垂直附加的耗散量。

（4）高度附加耗散量

根据规范，牛舍建筑高度大于4m，每高出1m，附加2%。牛舍檐高4.2m，脊高6.2m，则基于基本耗散量和其他修正耗散量的基础上，还应附加4%。

3.3 成乳牛舍通风耗热量

根据上文冬季最小通风量的确定，牛舍冬季通风量56.6m3/s，则为74026ΔtW。

考虑到冬季牛舍不采暖，最低温度时牛体产热刚好满足通风耗热以及围护结构散热量。由此得出：

则根据《采暖通风与空调设计规范》[13]，若冬季室外干球温度为-20℃，则牛舍内的温度可以在6.4℃以上，满足奶牛防寒临界温度5℃的要求。

4 成乳牛舍采光设计

4.1 自然采光

牛舍自然采光方式包括侧墙采光、屋顶采光和混合采光三种。考虑到寒区奶牛舍的封闭性，本文建议采用屋顶布置采光带来满足要求。此外，夏季将牛舍侧墙的充气膜打开，在增加自然通风的同时增加侧墙采光量。采光设计时一般取牛舍的窗、地面积比1:15～1:10[12]。理论上该牛舍的采光面积需要2 000～3 000m2。本设计中，牛舍南侧纵墙为充气保温墙，面积900m2。屋面设置采光带，每条采光带宽1m、长30m，材料采用10mm厚聚碳酸酯阳光板，采光总面积2 460m2。夏季充气膜保温墙可根据温度的高低确定打开面积；冬季充气膜封闭，采用屋顶采光以及室内人工补光，可以满足光照需求。

4.2 人工采光

奶牛在昼夜比2:1的光周期下，产奶、进食可提高6%。采用散栏饲养模式，人工光照的设计还与挤奶次数有关。本文的饲养模式为日挤奶3次，需要保证挤奶期间牛舍内始终有光照，方便奶牛进出奶厅。由于牛对红光敏感，而对蓝光区域觉得不明亮，所以最终选用LED蓝白光控制系统[14]。

牛舍总面积30 030m2，每盏灯照射范围20m2。白色LED灯安装在牛颈枷以及每群牛分隔栏的上方，悬挂3m的高度，共9列，每隔4m安装一个，每列80盏；蓝色LED灯安装在两列卧床的中间，也是悬挂3m安装，共6列，每隔4m安装一个，每列80盏。每一排灯具分路控制，可有手动和自动（按照时间）控制，自动控制设定20:00～次日4:00关闭人工光，其余时间均打开，夜间需要光照人工开启蓝色灯。

5 总结

对于寒区牛舍来说，牛舍保温和通风是冬季环境设计的重点内容。对于单栋饲养量为2 400头的LPCV成乳牛舍，风机数量可按照夏季最大通风量及冬季最小通风量的要求计算，夏季保持150台9FJ14.0风机同时运行、换气次数为60次/h，冬季开启46台9FJ10.0风机、换气次数为1.5次/h，能满足舍内环境控制目标要求。牛舍围护结构为彩钢夹芯板，进风口采用充气膜保温墙，可保证冬季舍内温度不低于6.4℃。采光设计以自然采光和人工照明相结合，选择窗地比1:12在屋面布置采光带；全舍安装1 200组LED灯，隔每4m安装一盏，安装高度为3m。在此环境设计下，舍内环境可控制在奶牛生产适宜范围内。