楼房养猪空气过滤系统设计与应用

2020-12-11秦翀，叶菁

猪业科学 2020年7期

关键词：过滤器楼房养猪

秦翀，叶菁

（上海洁斐然环境技术有限公司，上海松江 201615）

土地成本在集约化养殖总成本中占比越来越高，尤其是在城镇化大背景之下，如何显著提高土地利用率、摊平综合成本、提高土地亩均产出等是整个行业都在考虑的问题。

2019年12月17日，自然资源部、农业农村部在《自然资源部农业农村部关于设施农业用地管理有关问题的通知》中明确指出：“养殖设施允许建设多层建筑”[1]，这一通知成为向空间要“土地”，探索楼房养猪的政策支持。

既有的平房养猪经验是否适用于楼房养猪项目、在楼房养猪的空气过滤器系统设计中需要注意哪些问题、如何在应用中逐步实现楼房养猪的空气过滤器标准化等是当下亟待解决并落实的问题。

1 楼房养猪概念

早在20世纪70年代，在我国哈尔滨就出现了“楼房养猪”的雏形。在那个“普通人都住不起楼房”的时期，当地建造了一栋二层楼房用来养猪，一度引起不小的争议，这个项目虽然后来也因各种原因下马，但应算是开创了国内“楼房养猪”的先河[2]。

进入21世纪，立体式“楼房养猪”模式在黑龙江、浙江、河北、辽宁、福建等省份都有落地，但多数是平房养殖的简单叠加、属“楼层叠加”，其并未创造稳定的经济产值，未能形成规模、模式或标准。

随着时代发展的需要，楼房养猪将成为我国部分地区养殖生产的刚需，并对未来养殖模式带来很多改变和技术革新。

2 楼房养猪空气过滤系统的必要性

2.1 通风量对养殖动物的影响

通风量对猪只的影响，体现在猪舍温度，特别是猪只体感温度的变化上。以生长猪为例，最佳环境温度在15～21 ℃，若通风量不足将导致温度升高，空气质量变差，易引起猪只疾病，死亡率随着上升。有研究表明，当环境温度高于21 ℃时，室内温度每升高1 ℃，每天猪的采食量就会减少60～100 g（100 kg 体重的猪平均日采食量会降低103.6 g）[3]；反之，如果过度通风，温度降低，猪的采食量提高，但日增重会降低，同样也易引起猪只疾病，不仅增加药物成本，死亡率也会上升。通风量通过改变环境温度、空气质量从而直接影响采食量、增重率、患病率来影响养殖收益。

相比于地面一层，楼房养猪应该额外考虑在每天以及不同季节，高层因为承受的日照时间和承受的季风吹扫，从而对高层墙内温度带来平房养猪所没有的部分温差变化。

2.2 楼房养猪是否需要空气过滤系统

养殖空气过滤系统是为养殖生物场所提供洁净空气保障的措施。根据明尼苏达大学猪病根除中心（SEDC）兽医内科学博士Scott Dee& Andrea Pitkin在明尼苏达州中西部实验站模拟4个猪舍进行为期一年的活体感染的试验研究表明，在人工接种PRRS（猪蓝耳病）猪舍的110 m半径范围内，无生物安全措施的猪舍全年有66%的时间被感染PRRS所笼罩；中级生物安全猪舍（设有密闭式房舍、纱网+湿帘）全年有31%的时间被感染PRRS所笼罩；而安装有空气过滤的高级生物安全猪舍密闭式房舍（纱网+湿帘+空气过滤+“双重互锁门”负压通道）则全年未感染PRRS，本试验证实空气过滤系统至少可在一个足球场的范围内有效阻隔PRRS传播。此外，丹麦DTU国家兽医研究所、丹麦技术大学与欧盟非洲猪瘟参考实验室也在联合研究中证明ASFV（非洲猪瘟）亦可以通过空气有效传播[4]。

现有楼房养猪目前最高到15层，顶层养殖舍与地面相对高度只有45 m左右，这个高度对防疫隔离并无价值。楼房养猪通道相互连接，猪只需要转场和出栏，相对于平房养殖，这会带来额外的风险。因此，楼房养猪不仅同样需要空气过滤系统，因为叠加属性，其空气过滤系统在生物安全隔离方面比平层养猪要考虑的细节问题更多，也更具难度。

3 楼房养猪空气过滤系统设计的主要内容

3.1 过滤效率的选择

养殖业第一个空气过滤系统诞生在20世纪90年代的法国布列塔尼公猪站，此后，在2005-2010年间，美国有41个养殖场建设空气过滤系统。中国的养殖空气过滤系统发轫于2008年前后，同样也是首先应用于公猪站，均采用物理过滤法过滤相应粒径的病毒，各常见病毒的几何尺寸如表1所示。

大气尘埃中，粒径小于1 um的尘粒占总数量的99.9%，养殖畜禽易感病毒均依附于尘粒随气流传播，重量大的尘粒会沉降，重量轻的长时间浮游于空气中。大气尘埃悬浮时间如表2所示。

可见，空气中数量占比99.9%的微颗粒可以在大气中漂浮长达几天甚至一个多月，病毒恰恰就附着在这些微颗粒上随气流散播，过滤系统能起到阻断病原空气途径传播的原理就是：使用适合用户需求的过滤器材，捕集微粒，从而将下游空气中的病原降低到致病浓度以下。

表1 各常见病毒的几何尺寸

表2 大气尘埃悬浮时间

那么，到底该需要采用多大效率的过滤器，才可以将微粒病原浓度降低至致病浓度以下呢？基于明尼苏达猪病根除中心Scott Dee博士的实验研究结论，通过对过去十年来国外、国内猪场过滤系统的调研统计结果亦证实：大部分猪场采用L6过滤器（根据样品实测为欧标的F9，美标为Merv15）作为主过滤器；在被认为高风险的猪场，采用了更高级别的L9过滤器（根据样品实测为欧标E11，美标为Merv16）为主过滤器；采用G4（Merv8）级别的初级过滤器作为主过滤器（Merv15/16）的保护过滤器（预过滤），来延长价格昂贵的主过滤器的使用寿命，可以有效保护猪舍免于遭受各种病毒的侵袭，各过滤等级划分如表3所示。

就病毒的空气传播途径而言，空气过滤装置理论上可长效地将微粒浓度降低至病原致病浓度以下，从而完成保障生物安全的使命。过滤器在整个使用寿命周期内稳定的过滤效率、过滤墙本身数年如一日的结构密封性（不透风）是这个使命得以实现的先决条件。

3.2 空气过滤系统与通风模式

氨空气过滤器的布局数量影响着初始投资、运维费用等用户特别关注的问题。简单来说，通风量越大，需要布局的空气过滤器数量就越多，初始投资和运维费用也就越高；同时，空气过滤器在更换维护时，数量越多其操作时间也就越长，对猪场的空气路径防疫风险也就越高。然而，部分用户或设计方通常将空气过滤设施作为单一的设备放置在猪场整体设计之后额外考虑，这就对空气过滤设施的布局造成诸多制约条件，同时，成本又是用户非常敏感的因素，结果导致用户虽然追求到了很便宜的单价，但购买了整场并不合理甚至无效的设施。

通过对近年来全国南北各处养殖场的实地调研情况显示，因为各地气候条件的不同、饲养经验的不同、建筑结构特点的不同，所以通风量的需求也就各不一样，从而诞生了各具特点的通风模式：

1）从送风结构上来划分，大体分为水平通风、垂直通风、底部通风的通风模式；2）从空气压力结构上来划分，大体分为正压、微正压、负压的通风模式；3）从降温特点上来划分，大体分为湿膜降温、空调降温的通风模式；4）从过滤的形式来划分，大体分为全季节过滤、季节性分路通风的通风模式。

为了更直观表达部分通风模式与空气过滤配合的特点，见表4所示，各通风模式示意图如图1所示。

表3 各过滤等级划分

表4 部分通风模式与空气过滤配合的特点

以隧道式负压通风模式为例，空气管理系统由挡沙网过滤、防疫主过滤墙（G4初效+L6/9高效主过滤器）、湿膜水帘、舍内设施、风机（气流的动力来源）组成。

挡沙网过滤墙设置于空气过滤主墙前端，外框采用不锈钢制成，多层网格，具备挡沙、防尘、挡鸟、防蚊功能。当表面积累大量灰尘杂物时，可取下后用高压风/水枪反向冲洗。

防疫主过滤墙是病原拦截的主件，初效过滤器为主过滤器提供保护作用，可延长高效过滤器的使用寿命。G4初效预过滤器和L6/9主过滤器分别如图2和图3所示。

风机与过滤系统兼容的匹配应考虑以下几个方面：

第一，明确猪舍内风速/风量需求，如表5所示。第二，在能满足风量需求的前提下，通风系统各环节所产生的空气阻力，如表6所示。

表5 猪舍内风速/风量需求

表6 通风系统各环节所产生的空气阻力

第三，根据上一步所计算空气阻力，验核风机在所处工况下所提供的风量是否能满足风量需求，如表7所示。

第四，根据风机马达所处工况的电气参数，评估是否有超载的可能，如表8所示。

3.3 猪场整体规划与空气过滤系统设计的关系

就目前畜牧养殖行业而言，空气过滤防疫系统尚未在大范围得以真正有效建立，部分从业人员对空气生物安全防护的重要性和必要性尚未获得充分了解，某些猪舍安置了空气过滤器系统，但在效率稳定性、密封性方面存在隐患，并带来截面风速匹配的问题，初始投资增加了，运行费用也上升了，但系统并不能真正有效地起到生物安全防护的作用，安全防护作用不可靠，并且会影响到猪只的采食和增重。某些猪舍前期甚至未将过滤系统纳入整体规划，后期再想加入改建，由于客观条件限制，改扩建难度加大，增加不必要的资金投入。楼房养殖尤其如此，占用栏位空间很不情愿，向外延扩展又困难，高空作业难度极大。

因此，将空气过滤系统预先纳入整体规划，采用空气过滤系统切断疫病空气传播途径，从而实现送风生物安全防护是最有效、经济的选择。

4 推行楼房养猪空气过滤系统标准化中面临的主要问题和对策

4.1 区域气候的差异与建筑特点的差异

中国幅员辽阔，南北气候差异巨大，黑龙江部分地区冬季气温低至零下40 ℃，且湿度也较低，而长江以南夏季气温高达38 ℃，且湿度较高。除地域和四季温度差异以外，各养猪场所处周边环境也不尽相同，农田、山区、河流、湖泊、工厂、机场等都对楼房养猪空气过滤存在着各种各样的影响。

同时，就中国目前的猪场建设而言，空气过滤防疫系统尚未普及，各供应商的技术和设备力量也良莠不齐，养殖从业者与工程实施方都难以对空气过滤这个细分行业进行必要和充分地了解，多数猪场未将空气过滤系统纳入整体规划，导致后期添加空气过滤系统时将受到极大的客观条件限制，甚至增加不必要的资金投入。尤其是楼房养殖，在没有预留建设空间时，因无法向外延扩展，可能需要占用和牺牲部分栏位空间作为空气过滤系统的建设，此外对风道的布局和施工也增加了不可预测的难度。

表7 育肥单元风机风量验核

表8 风机电功参数（取值380V/70Pa时）

因此，在设计中，除了需要在整体规划设计时考虑通风模式的结构和风机静压需求之外，以下几点需要在设计中优先考虑：

第一，以区域气候大数据为依据，进行“一对一”方案设计，将区域气候、温度对过滤系统的影响降到最低。比如考虑冰冻、雨水、台风、高温、高湿气象等等，合理规划通风需求与温度需求，对四季温差大的标地项目应该设计、设置精准的风量调节措施，且按需选择过滤器材质。

第二，在猪场整体规划设计时，应考虑周边环境对猪舍的影响。要充分考虑外部自然季风/气流走向是否会造成倒灌，吸风口风向是否会增加风机工作负担，废气排放方向与外部气流是否会形成合流影响吸风品质等。

第三，风道的设计需合理利用建筑空间，比如下层通风管道与上层排粪通道共用同一个建筑平层。

第四，充分考虑空气过滤的检修更换操作空间，空气过滤数量按需规划，不宜过多，检修通道尽可能便捷，但不可过度占用空间，同时为操作人员提供登高作业安全防护措施。

第五，需要考虑便捷的物料上楼通道或措施。

4.2 各养殖企业猪场设计模式布局方法存在差异，管理方式也各不相同

部分养殖企业在实际使用中，形成了具有各自偏好的猪舍结构和布局方式，通风模式也有区别，比如：金新农铁力公猪站采用负压垂直通风、上海祥欣种公猪育种中心采用水平负压通风、天兆武胜公猪站采用特有的余氏通风模式。在空气过滤系统规划设计中可以根据各场舍的不同特点，充分考虑工况和能耗，来调整过滤方案，不同的空气过滤系统设计思路所带来的过滤效果和运用能耗、维护费用是完全不同的。以楼房养猪育肥+保育混合同层为例来看，如表9所示。

同时，各猪场在营运管理上存在着差异，在规划设计中应充分考虑各场舍、各楼层之间的相对独立性，比如，可增加“双重互锁门”负压通道，甚至风淋室，将疫病传播隐患和负面影响降低。

4.3 如何避免额外的运营和维护成本

一个合理经济的空气过滤系统方案应针对不同用户的具体工况，综合考虑初始投资和营运成本，在获得防疫安全的基础上获得最优化结果。空气过滤器的有效性、稳定性、可靠性、过滤系统的施工搭建质量及耐久性直接决定系统的有效性，过滤系统和风机之间的搭配不当，要么影响送风量从而直接影响产出效益，要么带来经年累月的能耗损失。

用户可以结合自身需要，制订一些监测空气过滤效果的管理规程，通过使用专业仪器定期监测空气品质，持续了解空气过滤系统的运行状态，依次判断过滤系统的有效性，以及决定是否需要更换维护。

空气过滤器的生产看上去门槛不高，但空气过滤技术，依然是一个存在壁垒和know how的专业，全球都有不少学者凭借对这门技术的某些课题的研究获得自己的博士学位。在非洲猪瘟肆虐之下，就跟新冠疫情之下的口罩市场一样，空气过滤器就是口罩，当需求在短时间内的剧增势必造成供应侧的短暂繁荣，在风口热情和资本本身冲动的裹挟之下，某些仓促出现未经验证的过滤系统，不仅不能带来有效防疫，还因为没有全面考虑养殖场风量需求和设备工况，影响到场内的通风效果，并给养殖用户带来不小的经济损失。