西北地区肉牛舍自然通风自动控制系统的研究

张若琪，安 捷，刘继军*，朱跃明

（1.中国农业大学动物科学技术学院，动物营养学国家重点实验室，北京 100093；2.青岛新良牧农业科技有限公司，山东青岛 266500；3.张掖市万禾草畜产业科技开发有限责任公司，甘肃张掖 734000）

动物的生产力有30%～40%取决于环境因素[1]，温度、湿度、气流和气体环境是评价畜舍环境的重要指标。美国中西部手册[2]和国内常用推荐值[1]对不同家畜的养殖提出了通风量的要求。然而在实际养殖中，舍内外温差不断变化，开放式畜舍内很难达到稳定的通风，要实现稳定的室内环境，不仅需要合适的通风设计，还应当依靠于畜舍环境自动控制系统。目前国内外在畜舍通风自动控制方法主要分为2 种：一是单因素变量控制，通过单一的因素（如温度）作为调控指标，来控制舍内全年的环境；二是多因素变量综合控制，通过计算舍内外温度、湿度、风速综合考虑来控制畜舍内环境。Daskalov 等[3]通过计算舍内外温度、湿度、风速的影响理论上构建了一套综合考虑舍内外温湿度和风速控制模式。Shen 等[4]构建了用于自然通风系统的与风速、风向、进排气口设置以及舍内外温度相关的控制公式。牛舍一般采用自然通风，冬季北方地区牛舍通常为了保温而密闭门窗，舍内的湿度受牛呼吸排湿和粪尿、饲料蒸发排湿影响[5]。若通风不足，会引起牛只皮肤、呼吸道感染等多种疾病,严重影响生产能力[6]。然而牛舍的自然通风系统目前尚缺乏自动控制系统研究，为探究肉牛舍冬季自然通风自动调控，使温度与通风更合理，本研究根据实际牛舍养殖情况开发了一套自然通风自动控制系统，通过对安装通风系统的牛舍进行环境指标和生长性能测定，分析通风控制设备的效果。

1 材料与方法

1.1 试验场地与饲养管理 本试验于2019 年1—2 月在国家肉牛产业技术体系张掖试验站（38°49'Ν，100°41'E）进行。选取试验牛舍2 栋，均为东西朝向，双坡钢屋架彩钢板屋面的有窗式牛舍，舍内呈双列中走道布置，牛舍尺寸为144 m×13 m×3.9 m，东西两侧纵墙各设置3扇2.0 m×1.4 m 推拉门。试验舍为有窗式牛舍，窗台高度1.4 m，纵墙通长设置阳光板上翻窗，高2.5 m，冬季试验期间完全关闭；对照舍为自动卷帘牛舍，窗台高度1.4 m，卷帘高2.5 m，冬季试验期间卷帘完全关闭。牛舍建筑如图1 所示。

图1 牛舍平面图

在设备安装之前，先对两舍进行了空白对照预试验，共计 3 d，测定两舍08:00、14:00、20:00 舍内的环境数据。如表1 所示，两舍环境条件无显著差异。

表1 预试验阶段两舍的环境数据

试验舍、对照舍分别饲养西门塔尔杂交公牛220 头，分别随机挑选分布于6 个区域内的共计24 头牛作为试验牛，于试验期间测定其生长指标。两舍饲养管理相同，均为拴系饲养，恒温水槽饮水，每天08:00 和16:00 喂料，每3 d 进行1 次人工清粪。日粮精饲料组成如表2 所示，精粗比为33:67。

表2 精饲料原料组成 %

1.2 自然通风自动控制系统的研制与控制 为使试验自然通风系统可以满足牛舍通风的要求，首先需要根据牛舍的养殖情况，确定牛舍冬季所需最小通风量。冬季通风量需求按照中西部手册MWPS 给出的参数计算为0.056 m3/（h·kg）[2]，肉牛体重按照500 kg 计算，舍内养殖240 头牛，所需通风量总计为6 720 m3/h。

自然通风系统的通风部分使用通风窗实现，通风小窗呈上翻开启，窗宽620 mm、高225 mm，每个小窗提供通风面积最大可达0.14 m2通风窗示意图2 所示。为保证通风效果并且不影响正常生产管理，通风窗安装于牛舍纵墙屋檐下方。在对照舍中，夜间卷帘拉下，门窗关闭。在试验舍中，夜间门窗关闭，自然通风自动控制系统开启，将自动控制系统通风窗视为排气口，纵墙窗台与窗户的缝隙为进气口，缝隙2～3 mm，进气口面积超过排气口面积的50% 以上，可以进行有效通风，窗台高度1.4 m，则进排气口高差计为2.5 m。按照热压通风计算所需排风口面积，公式：

图2 通风窗模型示意图

式中，F 为牛舍所需排风口面积，单位为m2；L 为牛舍所需总通风量，单位为m3/L；v 为通风口风速。当通风口风速的公式在综合考虑热压和风压时：

式中，v 为通风口风速，单位为m/s；Cd为气体流量系数；g 为重力加速度，取9.8；H 为进排气口垂直高差，m；Ti为舍内温度，K；To为舍外温度，K；k1、k2分别为进、出风口处的压力系数；vv为舍外风速，单位为m/s。但在实际牛舍设计和改造时，利用压力计算涉及参数过多，尤其涉及舍外风速和风向等问题，难以计算结果，通常冬季设计忽略舍外风速，只考虑热压的情况来计算通风口风速。

由（1）（2）带入数值可简化排风口面积公式

由上述公式可知，通风量一定时，排气口面积与舍内外温差的开方呈反比，为确保设计通风面积满足通风需求，根据张掖气候情况，按舍内外温差为2℃（最小取值）、舍外温度5℃（最大取值）计算，此时F=6.28 m2，所需风窗数量为45 扇。为保证满足该牛舍的通风量需求，同时最大程度实现均匀通风，按照每开间每侧设置1 扇通风小窗，共48 扇，通风面积共6.72 m2，以此计算最大可提供7250 m3/h 通风量，满足畜舍要求。

本试验设计自动控制系统拟采用温差控制，舍内、外各设置1 个温度探头，以实时测定舍内外温度。舍内探头位于牛舍中部距地面约3 m 处，舍外探头位于西侧屋檐下距地面3 m 处，并进行遮光处理。通风窗的启闭由电动推杆拉动实现，两侧纵墙中部分别设置1 组自动电动推杆，在电动推杆匀速运动的前提下，风窗开合度即为推杆所需运动时长占从闭合到完全开启所需总时长的时间比，控制逻辑即为：

式中,K*为某时刻通风窗的开合度，单位为%；F*为某时刻牛舍所需通风面积，单位为m2；Ν 为通风窗数量；S 为单个通风窗的最大开启面积，单位为m2；L 为牛舍所需通风量，单位为m3/h；f为某时刻与舍内温度和舍外温度相关的参数；t*为某时刻推杆所需运行的时间，单位为s；t 为风窗从闭合到完全开启所需的推杆运行时间，单位为s。

1.3 测定指标及位点 测定指标分为环境测定指标和肉牛生长性能测定，环境测定指标为温度、相对湿度、CO2浓度和ΝH3浓度。测定使用的仪器如表3 所示，测试位点如图3 所示。

图3 环境测定布点示意图

表3 实验仪器信息

肉牛生长性能测定是对试验牛进行试验前期和试验结束称量牛体重量，2 次称重间隔30 d 以上，并计算其平均日增重量，剔除异常值后可得到两舍肉牛的生长性能数据。

1.4 统计分析 在自然通风自动控制系统的效果中，用Excel 对正式试验中测定的两舍环境数据进行差异分析，判断牛舍环境是否有显著差异，并对两舍肉牛生长性能进行差异分析，判断通风系统对肉牛生长性能有显著影响，数据结果表示形式为平均值± 标准差。P＜0.01 表示差异极显著，P＜0.05 表示差异显著，P＞0.05 表示差异不显著。

2 结果与分析

2.1 温湿度环境 由于牛舍管理日夜存在差别，白天时牛舍端墙两侧饲喂走道门打开，夜间关闭所有门窗，在数据处理中，将所有数据分为白天（08:00—20:00）以及夜间（20:00—次日08:00）2 种情况分别处理。由表4 可知，试验舍与对照舍在各时段的温湿度均出现极显著差异，夜间时段试验舍平均温度比对照舍低1.0℃；处理舍夜间湿度为95.17%，对照舍为94.66%，两舍相差不到1%（P＜0.01）。白天两舍环境差异也较小，处理舍平均温度比对照舍低1.1℃，相对湿度高1.7%（P＜0.01）。

表4 舍内外各时段平均温湿度及含水量情况

自然通风自动控制系统的小窗开口面积与进风口风速的变化趋势如图4 所示，2019 年1 月20 日至2 月1日期间，全天各个时段的进风口平均风速，最高风速在04:00 左右，达到0.83 m/s，最低风速在16:00 左右，为0.54 m/s，通风窗开口面积与此相对应，与风速呈负相关关系，风速最大时，开口面积最小，为小窗总面积的33.37%；风速最小时，开口面积达到小窗总面积的51.45%。

图4 全天风速和小窗开口变化情况

2.2 舍内气体环境 如表5 所示，除20:00 外，早晨、中午的试验舍CO2浓度均低于对照舍（P＜0.01），日平均浓度低405 mg/m3，早晨测定两舍差异最大，试验组舍比对照舍浓度低616 mg/m3。早晨、中午的试验组ΝH3浓度处理舍低于对照舍（P＜0.05），但晚间测定处理舍极显著高于对照舍（P＜0.01）。

表5 两舍气体环境情况 mg/m3

两舍CO2浓度日变化曲线如图5 所示，两舍内CO2浓度变化趋势相近，对照舍CO2浓度普遍高于处理舍，平均CO2浓度高701.8 mg/m3（P＜0.01）。从日变化规律来看，对照舍的CO2浓度变化幅度较大且频繁，在02:00 左右舍内浓度降为最低，14:00 左右舍内气体浓度最高；CO2浓度差异最大可达到1 500 mg/m3以上，也存在处理舍浓度高于对照舍的情况。

图5 两舍CO2 浓度日变化曲线

由于两舍肉牛之间存在显著的体重差异，仅用全舍的CO2含量来表示牛舍内通风情况不能完全体现通风效果对两舍内牛只的影响，图6 为全天时段两舍单位体重肉牛产生的CO2含量。总体来看，对照舍CO2浓度依然高于处理舍，平均单位体重产生CO2浓度高0.013 mg/m3（P＜0.01），但也存在处理舍高于对照舍的情况。在09:00—20:00，对照舍和试验舍单位体重肉牛产生的CO2含量相差较小，20:00—22:00 试验舍明显高于对照舍。

2.3 肉牛生长性能 如表6 所示，处理舍和对照舍牛只平均日增重分别为1.14、1.06 kg/d（P＞0.05）。

表6 试验舍与对照舍肉牛日增重量 kg

2.4 模拟分析试验 从以上数据中可以看出，在张掖冬季地区，自动通风装置虽然对牛舍内环境有一定的改善作用，但是对肉牛生产没有特别明显的效果，主要原因是和国内一些寒冷地区相比，张掖地区气温相对较高。在试验期间，全天室外气温平均在-11～-2℃，然而育肥牛舍内全天温度在-5～10℃，舍内外温差不大，白天甚至存在舍内外温差为0℃的情况，在这种情况下，自动通风系统自动调控与自然通风舍通风情况差异不大。该设备的优势在于在舍内外温差较大的情况下，能保证舍内通风情况稳定，更好地改善气体环境。在东北地区冬季气温比较低，牛舍内外昼夜温差较大，且12～13 m跨度的有窗牛舍较为常见，根据本试验结果，对该设备在东北地区进行数据模拟分析。

2.4.1 模拟地区和牛舍规模 模拟地区位于我国东北地区黑龙江省佳木斯市，因为佳木斯畜牧养殖比较多，并且纬度较高，冬季气候寒冷，一月最低气温可以达到-30℃，平均气温在-26～-14℃。本试验根据2020 年1 月13 日佳木斯的天气情况进行模拟分析，气温变化如图7 所示，全天气温变化在-30～-9℃。牛舍规模设置和本试验相同，牛舍尺寸为144 m×13 m×3.9 m，试验舍牛舍内依靠自动控制通风系统通风；对照舍配置4 个半径0.2 m 的风管，总通风面积为0.502 4 m2，两栋牛舍内分别养殖断奶犊牛120 头[7]，犊牛体重平均100 kg，要求舍内有供暖，温度达到10℃，以保证犊牛的健康成长[8]。

图7 佳木斯1 月13 日气温变化趋势图

2.4.2 通风量设定 冬季通风量需求按照国内常用标准[1]给出的参数计算为0.17 m3/（h·kg），断奶犊牛的体重按照100 kg 计算，舍内养殖120 头牛[19]，所需通风量总计为2 040 m3/h。

2.4.3 通风面积计算 由1.2 公式（3）可以得到排风口面积随着舍内外温差变化而变化的趋势图。其中进排气口垂直高度差由于通风窗口的开合会发生微小的变化，如图8 所示，变化量a 随着开启角度θ的变化而变化，a=0.225cosθm，远小于进排气口垂直高度差2.5 m，可忽略值的变化。

图8 通风窗示意图

2.4.4 模拟结果分析 佳木斯全天自动控制通风窗口面积变化趋势如图9 所示，窗口总面积最大可达到0.6 m2，最小为0.39 m2，平均窗口面积0.57 m2。

图9 试验舍全天通风窗口面积变化

对照舍通过风管通风，通风面积为0.502 4 m2，根据舍外风速的变化，对照舍全天通风量变化如图10 所示，最大通风量为2 568 m3/h，出现在02:00，最小通风量为1 698 m3/h，出现在13:00 左右。从20:00 到第2 天08:00，对照舍通风量一直处于超过牛舍需要量的状态。09:00—18:00，对照舍内通风量低于牛舍所需最小通风量，不能满足犊牛舍对通风的需求。

图10 对照舍和试验舍全天通风量对比

3 讨论

通过温湿度对比结果可以看出，试验舍的温度较低，这是由于自动控制通风设备加强了牛舍通风换气，也增加了舍内的热量损失，但从数据上分析，这种热量损失并不明显，舍内温度没有达到过低水平。从湿度考虑，试验舍加强了舍内通风，理论上应当能更高效率地将舍内水汽排出，但昼夜2 个时段试验舍的相对湿度均高于对照舍，不符合预期结果。

从气体环境来看，两舍之间CO2和ΝH3含量均存在显著差异。08:00 后测定的CO2浓度可以看做牛只夜间活动产生的存留量，此时对照舍CO2浓度发生较大变化，在22:00 至第二天08:00，对照舍CO2含量显著高于处理舍，均说明自然通风自动控制系统有效地促进了舍内夜间的空气流通，降低了夜间舍内的气体含量。08:00—22:00 处于白天进行生产活动的时间，人员进出和牛舍大门开启会导致对照舍通风量增大，此时两舍内单位体重的牛产生的CO2含量相近。20:00—22:00，舍外风速较大，而对照舍在没有自然通风自动控制系统的情况下舍内通风量会进一步加大。而夜间测定的显著差异结果说明自然通风自动控制系统对白天的舍内通风贡献较小。ΝH3含量早中晚3 次测定试验舍分别为4.62、3.67、4.98 mg/m3，对照舍为5.14、4.14、3.98 mg/m3，试验舍早、中的ΝH3浓度显著低于对照舍，但晚间测定极显著高于对照舍，符合预期效果。造成这一现象的原因可能是白天时处理舍通风量较大，导致舍内粪便释放氨气量上升。有研究表明，牛舍内通风量和粪便中ΝH3释放量存在显著的正相关关系，平均通风量每增大100 m3/h，舍内氨气日产量增大2.4 g[9]。因此，使用氨气含量对舍内通风进行控制和计算仍存在一定局限。试验期间，对照舍和试验舍全天CO2含量变化较大，理论上动物产生CO2日变化应较为稳定，初步分析原因可能是该自动测定仪较为敏感，受牛只影响严重，而且考虑到白天时CO2浓度极不稳定，认为自动记录仪也受到了由于舍内管理造成的气流影响。总体上，试验舍变化相对平稳，00:00—08:00 浓度缓慢下降，这是由于舍外温度持续降低，舍内外温差逐渐增加，热压通风小幅增强，降低舍内CO2含量；08:00 后开始饲养管理，开启舍门，此时CO2浓度出现显著降低；下午完成饲喂后，舍内CO2浓度持续升高，直至夜间舍内浓度趋于稳定。

在肉牛生长性能的测定中，两舍试验期间温湿度环境差异虽然显著但差值较小，温湿度环境相近，但两舍肉牛日增重并没有体现出显著性差异，原因可能包括试验时间和环境差异两个方面：2 次测定时间相隔1 个月，在短时间试验中可能没有体现出环境差异对肉牛的影响；两舍气体环境差异显著但可能不足以影响肉牛生长，这说明在一定范围内，肉牛日增重不受周围气体环境的影响。本试验中，两舍牛体重差异较大，试验初期两舍试验牛平均体重分别为439 kg 和533 kg，对照舍体重较处理舍极显著高94 kg。在动物的生长过程中，其体重随日龄的变化通常呈负指数分布[10]，即随日龄增大，动物的体重变化率逐渐减小，直至最大体重后体重变化率接近于0。肉用犊牛体重不是依时间平衡增长的，6月龄犊牛的生长发育速度非常快，比6～12 月龄时期的生长发育速度快很多，但犊牛长至12 月龄后，其生长速度开始明显减慢，以至越接近性成熟生长速度会越慢。在对肉牛增重规律的研究中发现，相同品种相同生长条件的肉牛在性成熟之后，体重对日龄的变化较为均匀，各阶段日增重差异较小[11-12]。在国内对西门塔尔杂交牛的生长规律研究中表明，肉用西门塔尔牛从出生到20月龄体重、体尺平均值呈逐增态势，但各阶段增幅不一，体重自出生到12 月龄增幅较大，13～20 月龄增幅缓慢，在这个阶段肉牛生长速度基本均匀变化，线性增长，对于出栏体重在700 kg 以上的肉牛，其在400～600 kg 的生长阶段中，体重增速均匀，日增重几乎无变化[13-15]。在这种情况下，认为试验所用的2 种体重水平的肉牛在相同处理下增重无显著差异。由此认为，本试验中可忽略体重差异对生长性能的影响。

在模拟试验当中，2 种通风方式相比，对照舍风管通风面积固定，在全天不断变化温度的情况下，通风窗的通风效果不能完全满足牛舍的要求。在风速较大时，通风量可以达到2 568 m3/h，对于冬季的犊牛来说，首先，通风量过大会导致舍内热量散失过多，出生犊牛对气候变化比较敏感，温度调节系统没有发育完全，在冷环境中容易引起冷应激[16-17]。其次，夜晚贼风进入可能会导致犊牛风湿，引起肢蹄疾病，影响犊牛生长发育。并且，为了保证在通风量较大时犊牛舍温度在10℃左右，需要加大舍内供暖力度，导致夜间耗能增加。在风速较小时，通风量只有1 698 m3/h，没有满足牛舍内最小通风量的要求，这会导致舍内空气流动受阻，有害气体增加，从而导致犊牛生长发育受阻，肺炎患病率增加[18]。自动控制通风系统通过舍内外温差的变化随时调整开闭角度，能保证舍内通风量实时稳定，既不会造成舍内过多的热量流失，也不会使通风换气受阻。在昼夜温差较大的地区，自动控制通风系统更能体现出优势。

4 结论

本试验结果显示，自然通风自动控制系统有效地提高了试验牛舍的通风量，改善了环境状况。与对照舍相比，试验舍日平均温度降低1.02℃，相对湿度提高1.11%，CO2浓度低574 mg/m3，ΝH3浓度低0.07 mg/m3，均存在极显著差异。自然通风自动控制系统对肉牛增重无显著影响，处理舍与对照舍肉牛平均日增重分别为1.14 kg和1.06 kg。模拟结果显示，在舍内外温差在19～40℃的寒冷地区，自然通风自动控制通风系统与自然通风相比有更好的通风效果。