猪舍热舒适性评价及夏季湿帘作用下的CFD模拟

高云, 王瑜, 鲁斯迪, 雷明刚, 罗俊杰, 黎煊

(1.华中农业大学工学院， 武汉 430070； 2.华中农业大学生猪健康养殖协同创新中心， 武汉 430070； 3.华中农业大学动物科技学院动物医学院， 武汉 430070)

集约化猪舍内的热环境是影响养猪生产效率的重要因素。猪热应激时，采食量、运动量和生产率均减少，料肉转化率下降[1]；猪冷应激时，会增加采食量，增加运动或产生发抖现象，将摄入的饲料大量转换为热能来维持体温恒定，同样导致料肉转化率下降[2-3]。猪的热感知与新陈代谢和环境的热平衡有关，受温湿度、风速和热辐射等多种因素影响。要准确地衡量猪对热环境感知情况，评价猪在该热环境下的舒适程度，亟需一种比常用的温湿度指标(temperature and humidity index，THI)[4]更细致且能综合反映猪在热环境下感知的评价指标，将有助于优化猪舍内环境控制，改善猪舍内的热环境。

关于猪热舒适性的研究最早开始于20世纪70年代。从最初的单一温度标准转变为目前常用的温湿度线性组合[5]。汪开英[6]研究了温湿度指标(THI)不同取值范围下猪体出现热应激反应的情况；吴中红等[7]研究发现，不同通风模式下猪舍热环境参数对母猪生产性能的影响显著不同；耿爱莲等[8]观测24 h内不同时间的风速、温湿度等指标，发现猪舍人工调控通风方式对育肥猪场环境的影响更为显著。上述研究多采用温度、湿度作为主要评价参数，部分研究加上风速来评价猪舍热环境优劣。从热平衡原理上来说，人体与猪热舒适感都取决于新陈代谢与热交换。Fanger[9]于1972年建立预测平均投票模型(predicted mean vote，PMV)，综合计算人所处环境的舒适性；Funakoshi等[10]在列车空调系统中引入人体PMV指标控制；王伟等[11]和杨惠等[12]研究了住宅内的人体热舒适性；在ISO7730标准[13]中，人体热舒适指标包括环境因素(空气干球温度、水蒸气分压力和流速、室内物体和壁面的辐射温度)与自身因素(新陈代谢率和服装热阻)两方面。猪与人体不同，无法用语言来表达对热环境的感知，但借鉴人体的热舒适评价方法，可用猪体新陈代谢率和毛发热阻替代人体的新陈代谢率和服装热阻，将Fanger的人体主观反应试验结论应用于猪体，进一步提出更准确的猪热舒适性评价指标。

猪生活区的温度、湿度、风速等分布不均匀，导致热舒适度分布也不均匀,采用CFD模拟方法可分析猪舍的热环境分布。目前，CFD技术被广泛应用于猪舍内温湿度及风速流场分析。黄全丰等[14]采用CFD稳态模拟得到机械通风室内温度分布云图；邓书辉等[15]采用CFD研究低屋面横向通风猪舍气流场的分布；任守纲等[16]利用CFD方法构建了时空变化预测模型；林加勇等[17]采用标准湍流模型进行网格划分并通过多孔介质等效对漏缝地板进行简化处理；Wang等[18]通过CFD建模方法虚拟研究了风洞对奶牛立卧传热的影响。上述研究中，CFD技术被用于猪舍内温度、湿度和风速的分布场模拟，如在此基础上结合影响猪舒适感的指标，可对整个猪生活区热环境舒适情况进行评价模拟，更能直观和准确地反映猪在生活区的热环境感知情况。

本文综合温度、湿度、风速、平均辐射温度，毛发热阻和新陈代谢率6种因素建立猪体PMV指标综合评判猪舍的热舒适性，并以夏季湿帘作用下的猪舍为例用CFD模拟了猪舍的热舒适性分布，通过在猪舍内实地测量来验证热环境评价仿真模型的可行性和准确性，为实现猪舍环境的精确控制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 猪体的热平衡分析

猪体与周围环境的热交换包括热传导、热对流、热辐射和热蒸发四种方式[19-21]。为了维持恒定的体温，猪体的产热和散热需达到平衡。当平衡打破时，猪就会感受到冷或者热。猪体的热平衡方程与人体热平衡方程相似，如式(1)所示[22]。

S=M-W-R-C-E-K

(1)

式中，S表示猪体的蓄热率，M表示猪体的新陈代谢率，W为猪体的运动功率，R为猪体与环境的辐射换热率，C为猪体与环境的对流换热率，E为猪体由于呼吸、皮肤表面水分蒸发及出汗与猪舍环境的潜热换热率，K为猪体与地板的热传导换热率，单位均为W·m-2。

1.1.1猪体的新陈代谢率 新陈代谢是猪体维持生命活动的基础。猪体和人体的体型大小相近，代谢强度近似相等，猪体新陈代谢率表达式[23]如下。

M=21(0.23RQ+0.77)VO2/AD

(2)

式中，RQ为猪体吸入O2的量和排出CO2的量之比，人体静止时为0.8左右，猪体新陈代谢率和人体静态时代谢率相类似，这里取0.8；VO2为0 ℃、101.325 kPa条件下，单位时间消耗O2的体积，mL·s-1；AD为猪体总表面积，m2。

1.1.2猪体的运动功率 猪体运动功率取决于活动强度。相较于人体，猪的活动较少，强度较弱。人体运动效率在不同活动强度下一般为 5 %～10 %[24]，对猪体而言，猪长时间躺卧，运动量小，这里忽略W，取值为0。

1.1.3猪体与地板间的热传导 猪每天躺卧时间几乎可以占到20 h以上，所以躺卧热传导交换占热传导的主要比例。在躺卧时，猪体热传导所产生的热流量与地面接触面积和导热系数有关。以育肥猪为例，猪体躺卧时猪体体表20%的面积与地板接触[25]，地板导热系数越低，传导速率越慢。猪体毛发表面与地板之间的热传导换热率计算如式(3)所示。

K=λA(Ts-Tf)/(LAD)

(3)

式中，λ为导热系数，W·m-1·℃-1；A表示猪体皮肤表面和地板的接触面积，m2；Ts为猪体皮肤表面摄氏温度，℃；Tf为地板底部摄氏温度，℃；L为地板表面与地板底部之间的距离，m；AD为猪体总表面积，m2。

地板由砖砌成，查表得λ为0.75 W·m-1·℃-1。经测量，猪体皮肤表面与地板的接触面积平均值为0.4 m2，猪体总表面积均值为1 m2。测量结果结合计算得猪体皮肤表面温度为37.6 ℃，地板底部温度为26.6 ℃，地板表面与地板底部之间的距离为0.25 m。

1.1.4猪体与周围表面的热辐射 猪体与周围表面的热辐射取决于猪体表面与周围表面的温差，辐射换热公式如式(4)所示[26]。

R=Aeff×εfclσ(tcl4-tr4)/AD

(4)

式中，R表示猪体与环境的辐射换热率，即辐射等效热流密度，W·m-2；Aeff为猪体的有效辐射面积，m2；ε为猪体的平均表面黑度，取0.95；fcl为猪体面积系数；σ为黑体的辐射常数，5.67×10-8W·m-2·K-4；tcl为猪体毛发开氏温度，K；tr为环境的平均辐射开氏温度，K。

猪体有效辐射面积与猪体总表面积的比值在不同的姿势下会发生变化，人体有效辐射面积系数测试结果的平均值为0.71[27]，故猪体有效辐射面积为猪体总表面积的71% 。

1.1.5猪体与环境的对流换热 猪体与环境之间的热对流是猪体热交换的主要方式，热对流C用牛顿换热公式计算[28]。

C=fclhc(Tcl-Ta)

(5)

式中，fcl为猪体面积系数；hc为猪体与环境的对流换热系数，W·m-2·℃-1；Tcl为猪体毛发摄氏温度，℃；Ta为环境摄氏温度，℃。

1.1.6猪体与环境的潜热交换 猪体的皮肤汗腺不发达，主要通过呼吸排出的水蒸气进行潜热交换[29]。气温过高时，猪场会向猪体皮肤表面喷洒一定量的水，水蒸发将带走猪体的热量[30-31]。猪体的潜热(E)交换用式(6)表示[32]。

E=Ediff+Erew+Eres+Cres

(6)

式中，Ediff为猪体皮肤扩散蒸发散热率，W·m-2；Erew为猪体排汗蒸发热损失率，W·m-2；Eres为猪体呼吸蒸发热损失率，W·m-2；Cres为猪体呼吸的显热损失率，W·m-2。

1.2 猪舍热舒适性指标及评价方法

猪体PMV指标(PMVpig)借鉴于人体舒适度指标[33-34]，值越大，猪体就觉得越热，值越小，猪体就觉得越冷[35-36]。猪体热舒适感指标PMVpig表示为猪体新陈代谢率和猪体蓄热率之间关系，如式(7)所示。

PMVpig=[0.303×exp(-0.036M)+0.028]×S

(7)

式中，PMVpig为猪体PMV指标；S为猪体的蓄热率，W·m-2,即猪体产热率与散热率之间的差值，这一项可由猪体热平衡方程(8)得出。

S=(M-W)-3.05[5.733-0.007(M-W)-Pa]-0.42[(M-W)-58.2]-1.7×10-2M(5.867-Pa)-0.001 4M(34-Ta)-3.82×10-8fcl(tcl4-tr4)-fclhc(Tcl-Ta)

(8)

式中，Pa为水蒸气分压力，kPa；fcl为猪体面积系数，由毛发热阻Icl决定，两者成正比关系；hc为对流换热系数，W·m-2·℃-1，与环境风速v有关。其中Tcl猪体毛发摄氏温度，测量均值为30 ℃。

根据Fanger的7级冷热生理感觉标尺，针对猪体PMV指标同样地采用7级分度，见表1。

表1 猪体PMV指标的层级分度表Table 1 Hierarchical scale of pig body PMV index

1.3 猪舍热环境测量

在猪舍内部均匀放置多个无线传感器节点实时监测猪舍内的热环境分布，对 CFD 模型进行验证。每个传感器节点装载温度、湿度、风速、黑球温度等多个传感器模块，可实时测量猪舍内的温湿度、风速和平均辐射温度。

为测试湿帘的降温效果，选择在气温较高(最高为 35 ℃)的天气实地测量，于 2018 年 9 月 24 日在华中农业大学集约化猪舍进行。猪舍长 25 m,宽 8 m，墙壁为砖和水泥等材料，墙体厚 0.25 m，屋顶用保温板吊顶，吊顶距离地面高 2.5 m，单一走廊宽 1 m，刮粪池深 0.8 m，半漏缝地板占总猪圈面积的 1/4。舍内有两列猪栏，各有 9 个栏位，结构相同，两侧共计满载 18 只猪入栏。南北各开 8 个宽 1.2 m、高1 m 窗户。

测试时间从早上9点到次日早上9点，测量点选择距离地面0.6 m且不宜被猪体损坏的猪生活区，节点布置如图1 所示。12 个监测节点对称布置，编号为1、2、7、8 的4个节点距离西边端墙5 m；5、6、11和12号4个节点距离东边端墙5 m；中间4个节点，各节点与最近的侧墙距离为0.1 m。

1.4 CFD建模与仿真

1.4.1猪舍的网格划分及猪体模型 猪舍用石膏板吊顶，在机械通风模式下，忽略环境风速对舍内气流的影响。采用ANSYS(17.0，美国)软件ICEM 划分四面体网格，经过网络无关性检验，确定网格尺寸为0.01 m，对24.5 m×7.5 m的流体空间进行划分，自动生成数量为558 930的网格，网络最小角度为63.047°，长宽比为1.215，质量为0.972，质量较好。风机和湿帘等与外界气流交互处0.1 m距离内采取局部加密，靠近墙壁附近的空间区域也进行渐进加密，增加模型计算的准确性。

猪体与周围的热环境存在相互影响，本文将猪只考虑到计算模型中，采用长方体结构模拟[37-38]，将猪体和地面接触部分作为猪舍地面的一部分，这样既保证了建模系统的准确性，又避免运算量过大。

1.4.2湍流模型和多孔介质模型 假设猪舍内气体是常温、低速、不可压缩气体，遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律[39]，不考虑风机通风过程中的组分变化，采用湍流模型进行流体仿真。

湿帘空气入口处采用多孔介质模型，湿帘通风阻尼系数与经过湿帘的风速正相关。猪舍的出风口为一排带风筒的风机，将风扇模型建立成一个无厚度的薄面，压差与风机风速正相关[40]，风扇连通域同样采用多孔介质模型，边缘采用压力出口定义风机出口。

(9)

1.4.4其他边界条件 猪舍湿帘设为速度入口边界，北侧、西北侧、西南侧和南侧风速分别为1.38、1.27、1.28、0.94 m·s-1；风机出口设为压力出口边界；墙壁设为壁面边界，红砖水泥结构，东、西、南、北墙温度分别为27.7、29.3、28.6和27.1 ℃；猪体和猪舍顶部为无滑移壁面，猪体温度37.6 ℃，石膏板吊顶温度29 ℃。相应的材质数据和模型参数如表2所示。

表2 材质数据和模型参数Table 2 Material data and model parameter

2 结果与分析

2.1 CFD模拟网格独立性和可信性验证

选择三种不同密度的网格模型来验证网格独立性和可信性。设置模型A、B、C的网格数量分别为150 565、558 930和855 674。将三种网格模型进行CFD仿真试验，得到节点处测量值与仿真值如图2所示。模型A的仿真值与测量值偏差较大，在9 %左右，而模型B、C的仿真值与测量值相差不大，且偏差都在6 % 以内，由此可知，模型B、C满足网格无关性和可信性验证条件，相比之下，模型B网络数量较少，运算量小，故采用模型B进行数值仿真。

2.2 CFD仿真结果分析

2018年9月14日13:00，在华中农业大学猪舍中进行多点位节点监测实验，选取Z=0.6 m和Z=1.2 m猪生活区水平面对比高度水平面进行CFD仿真。

2.2.1温度场分析 由图3可以看出，当Z=0.6 m时，温度平均值为24.4 ℃，波动区间为23.8～26.6 ℃，温度场分布较为均匀，温度沿湿帘进风口到风机逐渐增高，但差异较小，温度波动控制在2 ℃左右，靠近墙壁区域温度较走廊位置高，温度变化率大，整体降温效果良好。当Z=1.2 m时，温度平均值为24.2 ℃，波动区间为22.2 ～28.8 ℃，温度沿着入风口方向逐渐升高，降温效果不断减弱，墙角和边缘处温度较走廊和靠近入风口的地方偏高，整体降温效果较为均匀。

2.2.2湿度场分析 由图4可以看出，当Z=0.6 m时，湿度整体偏高，均值为73.8%，波动区间为50%～80%。靠近湿帘入风口处湿度值较低，处于50%～60% 之间，过第一个栏位后大部分数值接近70% 左右，整体来看猪舍该高度水平面上湿度场分布较为均匀，但在猪舍入风口处的湿度与整体湿度差别较大。当Z=1.2 m时，湿度均值为78%，整体湿度值较猪生活区水平面有一定的提高，猪舍分布均匀性更为明显，超过90 % 以上区域湿度差值在5 % 以内，但与Z=0.6 m水平面不同的是靠近湿帘入风口处的湿度仿真值较高，湿度偏大。

2.2.3风速场分析 由图5可以看出，当Z=0.6 m时，整体风速较小，均值为0.25 m·s-1，波动范围为0～0.5 m·s-1，中间走廊区域出现涡流现象导致风速值上升，在入风口处风速较小，基本处于无风的状态，走廊中部由于无栅栏影响风速较高，走廊底部风速也是较小，存在较大的死角。当Z=1.2 m时，风速均值为0.50 m·s-1，波动范围为0～2.0 m·s-1，沿入风口向出风口方向，风速呈现明显的阶梯变化，越靠近入风口和出风口处，风速变化率越大，改变更为剧烈，由于入风口的不对称性，气流存在偏移，导致一侧风速较小，中部区域气流则较为均匀，一般在0.4 m·s-1左右。

2.2.4猪体PMV分析 由图6可以看出，当Z=0.6 m时，整体猪体PMV指标较小，均值为0.34，波动范围为-0.5～+0.5，标准差为0.243，靠近湿帘入风口处指标为负数，说明属于偏冷状态，沿入风口向出风口方向，指标上升为正值，属于偏热状态，整体处于热舒适范围内，但中后部的猪体PMV指标偏高，指标波动较大。当Z=1.2 m时，猪体PMV均值为0.63，波动范围为0.5 ～ 0.8，标准差为0.196，较Z=0.6 m处来说，标准差变小，分布相对均匀，指标整体数值有所提高，较少出现局部过冷或者过热的现象。

3 讨论

现阶段评价猪舍热环境的方法主要有两类:一类是采用诸如THI的多因素指标，另一类是多种单因素指标组合的评价形式。其中THI综合考虑影响猪舍热环境的两个重要因素温度和湿度，得到一个简单多因素评价指标，虽然该指标计算简便，也能一定程度评价猪舍热环境的好坏情况，但没有将影响猪舍热环境的因素考虑全面，具有一定的局限性，而且该指标主要用于猪体热应激的判断，对较冷热环境的评价描述不足。单因素指标多种组合的评价形式也是猪舍热环境评价的一个有效手段，其基于层次分析和最优化控制策略原理，分析讨论得到各热环境因素的最佳波动范围，该类评价方法对于影响热环境的因素考虑较为全面，但缺点是不能通过单一指标准确定量判断猪舍热环境的状况。

对比而言，本文提出的猪体PMV指标评价方法将影响猪舍热环境的因素全面考虑，热环境的描述评价较THI指标来说范围扩大，将猪舍冷热环境情况都包括在内，同时又能通过单一指标定量的对猪舍热环境情况作出冷热判断，弥补了单因素指标多种组合评价形式下环境冷热定量分析判断的不足。本文引入猪舍热舒适性的评价指标，对湿帘作用下的猪舍热环境进行了仿真分析，结果证明，猪舍PMV指标可以较好判断猪舍整体的热舒适性情况，为将来猪舍环境控制的优化提供强有力的理论依据。由于该指标是借鉴人体热舒适性评价方法来进行研究分析的，因此该猪舍热环境评价指标也有一定的局限性，存在相对的冷热误判，这也是该猪舍热舒适性评价指标需要不断完善的地方。