后备母猪舍夏季环境调控影响因子变化规律试验与分析*

黄志滔，曹永峰，夏晶晶,3，吴凡，曾志雄，吕恩利

(1.华南农业大学工程学院，广州市，510642；2.广州迦恩科技有限公司，广州市，510555；3.广东机电职业技术学院，广州市，510515)

0 引言

猪舍内环境是影响母猪健康和生产性能的重要因素[1-3]，为保证母猪的生长生产，需要维持较为适宜的温湿度环境。研究表明，猪舍温度过高，会显著降低猪的生产性能，降低猪体抵抗力，严重时造成猪只死亡[4-6]。当猪舍内的相对湿度低于40%时，会严重影响猪体健康，显著提高呼吸道疾病和皮肤疾病的发病几率[7-8]；当猪舍内的相对湿度超过90%时，会对猪只抵抗力产生显著影响，降低生产性能。因此，对猪舍内温度和相对湿度进行准确、有效的调控是非常有必要的。

国内外学者针对猪舍环境控制进行了大量的研究，Kae等[9]基于WSN进行模拟试验和现场试验，在动物聚集条件下进行监测，利用廉价、低功耗的传感器节点收集数据。Liu等[10]设计了大型猪舍的环境监控系统，在不同季节或不同风速条件下，将猪舍温度控制在30 ℃以下，空气湿度控制在65%以上。冯江等[11]研究了基于自适应模糊PID控制算法的母猪舍温湿度控制系统，实现了更精准的温湿度环境控制。于明珠等设计了基于PLC的仔猪舍温度自动控制系统，实现了对仔猪舍小环境温度的实时采集与控制。Ni等[12]搭建了猪舍计算机在线控制系统，采用了高水平质量保证和质量控制的新技术，用于猪舍空气质量实时监测。

上述研究实现了对猪舍环境的监测和控制，但未涉及猪舍实际通风情况的研究，缺乏猪舍内温度、相对湿度调控的依据。

本研究在后备猪舍内布置传感器，通过改变开启风机数量、风机组合和湿帘等措施，测试后备母猪舍内的温度、相对湿度和氨气的分布情况，获取在通风过程中，后备猪舍内的温度、相对湿度分布及变化规律[13-15]，为后备猪舍通风模式设计和环境控制测量优化提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 试验猪舍

母猪群的更新频率和更新质量直接到关系猪场的经济效益，后备母猪承担这整个猪场母猪更新换代和保障稳定生产的双重责任。本研究选取的后备母猪舍布置有限位栏和大栏结构，具有典型性和代表性。后备母猪舍位于云南省保山市隆阳区芒宽彝族傣族乡，北纬25°19′30″，东经98°51′20″，海拔高度1 125 m。该后备母猪舍属于美式通风结构建筑，配备降温湿帘、屋顶小窗及侧墙负压风机等环控设施。后备母猪舍采用负压通风模式，通风系统利用北墙的风机进行抽风，舍外的新鲜空气流经南墙的湿帘，通过风门进入猪舍内，从地沟的进风管道进入猪头区域，最后经中央排风口排出，猪舍内部如图1所示。

图1 后备舍内部Fig.1 Interior of reserve pigsty

测试的后备母猪舍为南北走向，整体尺寸长 48 m、宽54 m、高为屋檐3.5 m、屋顶5.5 m，舍内空间完全密闭。猪舍单元设置成8列，每列84个栏位，每个猪栏长2.2 m，宽0.6 m，栏位头尾均有过道，共有栏位672个。后备母猪舍屋顶由56组板搭建，其中6组为透光板，透光率10.71%，顶部厚度为8 cm，材料为上下铁皮中间夹层。后备猪舍北面墙上安装有风机38台，其中上排22个风机，直径均为1.3 m，风量为49 130 m3/h；下排16个风机为地沟风机，直径均为0.78 m，风量为21 182 m3/h，外墙风机分布如图2所示。后备猪舍南面墙上装有风门，可调节开度大小，墙外装有纸质湿帘，厚度均为0.18 m，后备母猪舍局部三维模型如图3所示。

图2 外墙风机分布Fig.2 Fan distribution on external wall

图3 后备舍局部三维图Fig.3 3D diagram of reserve pigsty1.地沟风机 2.过道 3.母猪定位栏 4.活动区 5.风门 6.门 7.湿帘 8.风机

1.2 环境监测设备

后备母猪舍内的温湿度数据测量采用PR-3003-WS-X型温湿度记录仪。该记录仪自带高精度温湿度传感器可进行精准的温湿度测量，温度测量范围为-20 ℃～60 ℃(测量精度为±0.2 ℃)，相对湿度测量范围为0%RH～95%RH(测量精度为±2%RH)。记录仪内置存储功能，可记录26万条温湿度数据，最多可扩展208万条数据。温湿度记录记录仪技术参数如表1所示。

表1 PR-3003-WS-X温湿度记录仪技术参数Tab.1 Technical parameters of PR-3003-WS-X temperature and humidity recorder

后备母猪舍内的氨气浓度数据测量采用智能环境监测仪，它携带高精度氨气传感器可进行精准的氨气浓度测量。该智能环境监测仪可设置数据采集间隔时间，并将采集数据上传至云端，供用户查看，环境监测仪技术参数如表2所示。

表2 智能环境监测仪技术参数Tab.2 Technical parameters of Intelligent environment monitor

1.3 环境参考指标

引入温湿度指数[16-17](Temperature-humidity Index，THI)对舍内的热环境状况进行分析。本试验采用的THI计算方法已被许多研究人员应用于畜禽养殖湿热环境的分析当中，具体如式(1)所示。

THI=(1.8T+32)-(0.55-0.005 5RH)×

(1.8T-26)

(1)

式中：T——温度，℃；

RH——相对湿度，%。

为评价猪舍内的温湿度场的分布状况，引入不均匀系数[18](不均匀系数数值越小，分布越均匀)，采用每个测点的平均数值。不均匀系数S采用式(2)表示。

(2)

式中：ti——第i个测点的平均温度，℃；

tn——所有测点的平均温度，℃;

n——测点数量。

1.4 试验方法

现场试验时间在2020年8月份进行，当日后备猪舍外气温为18 ℃～32 ℃，相对湿度为52%～89%，风速为0～3 m/s，为西南地区夏季典型气候水平。利用温湿度记录仪、氨气变送器进行数据采集，间隔1 min采集一次数据。试验开始前，提前进入猪舍内进行调查，并记录猪舍的猪只类型和数量、建筑尺寸、通风方式、环控设备、环控原理等。根据勘察结果绘制后备猪舍平面布局图并进行试验区域划分，为记录仪的合理布置提供参考。选取舍内外28台传感器采集到的 7 021 条有效环境信息数据作为原始试验数据，其中包括温度、相对湿度、氨气、数据包上传时间等信息。试验完成后，对试验数据进行输出和整理，对原始数据进行预处理，剔除异常数据包，绘制相关图像并进行统计学分析[19-25]。

猪舍单元设置成8列，每列84个栏位，栏位头尾均有过道，共有栏位672个，测试时存栏母猪625头。根据中国《GB/T 17824.3—2008 规模化猪场环境参数及环境管理》对通风量参数的推荐值，猪舍通风量和风速应在适宜范围内，通过计算得出后备母猪舍的最小通风量，选用了1～3台风机进行试验。

在集约化猪舍养殖环境调控过程中，由于猪舍内外环境温差、太阳辐射、猪只体表散热及呼吸产热等因素影响，将会进行热交换，共同作用下使得舍内温度升高[26-34]。试验开始，为使猪舍与外界环境基本达到热平衡，先关闭后备猪舍环控及通风系统，使猪舍处于自然通风状态。10 min之后打开风机并开启湿帘，运行1 h后关闭风机，结束试验，导出试验数据进行分析。

图4为后备母猪舍风机及湿帘位置图，舍内风机位于北墙，其中1～3为试验风机，4为湿帘，位于南墙的舍外位置，作为舍内主要进风口。在试验中，当开启一台风机时，所开启风机为2号风机，当开启两台风机时，所开启风机为1、3号风机，当开启三台风机时，所开启风机为1～3号风机。

图4 后备舍风机及湿帘位置图Fig.4 Location drawing of backup fan and wet curtain

2 传感器的布置

试验后备母猪舍内部空间适中，猪只头尾均有过道，根据现场调查结果，结合猪舍内猪只分布及通风特点，选取猪头处的过道作为温度和相对湿度的主要监测点，以猪舍中央的一条过道作为氨气浓度的主要监测点，并选取舍外湿帘区域作为试验对照组[26-28]，采用全局布置方式，对传感器进行合理布置划分，以研究试验后备舍内温度、相对湿度及氨气数据的分布特性。根据《规模猪场环境参数及环境管理(GB/T 17824.3—2008)》的各项指标要求，明确猪舍内温湿度测量的适宜高度，1～8号、13～25号温湿度传感器均放置于靠近猪头处的过道，离地高度0.7 m处，这个高度与猪头高度相当，测量所得数据更能准确反映出后备母猪舍内的温湿度状况；9～12号氨气传感器放置在猪舍中部走廊区域，离地高度1.2 m处，由于氨气浓度比空气小，这个高度有利于舍内氨气浓度的测量；26～28号传感器放置于舍外湿帘旁，离地高度0.7 m处，采集到的数据取均值作为舍外环境参数。试验结束后导出各项数据进行分析，后备舍传感器布置方式如图5所示，图中9～13号传感器为氨气变送器，其余传感器为温湿度记录仪。

图5 后备舍传感器布置示意图Fig.5 Layout of sensors in reserve pigsty

3 试验结果与分析

每组试验开始时，关闭后备猪舍环控及通风系统10 min，后备猪舍处于自然通风状态，温度逐渐上升。打开不同数量的风机并开启湿帘，运行1 h后关闭风机，结束试验。试验完成后，导出试验数据，对试验后备母猪舍采集到的各组数据进行对比分析。

3.1 风机开启数量对环境的影响

3.1.1 风机开启数量对环境温湿度的影响

通过控制风机的开启数量，测量后备猪舍内的环境参数，利用Matlab软件绘制环境参数变化曲线图(图6)。

从环境参数变化曲线图上看，温度变化趋势基本一致，随着开启风机的数量增多，后备舍内温度下降幅度越大，后备猪舍内的环境参数如表3所示，温度下降幅度最大为2.66 ℃，下降幅度最小为1.08 ℃。当开启3台风机时，舍外温度为30.85 ℃，后备舍内最高温度为30.19 ℃，最低温度为27.53 ℃，最大温差达2.66 ℃，在相同的试验时间内，后备舍内温度的下降幅度较大，在夏季舍外温度较高的情况下，能较快降低舍内的温度。

表3 后备猪舍环境参数测量和结果Tab.3 Measurement and results of environmental parameters in reserve pigsty

后备舍内相对湿度变化趋势基本一致，随着开启风机的数量增多，后备舍内相对湿度上升幅度越大，相对湿度上升幅度最大为9.76%，上升幅度最小为5.22%。当开启2台风机时，舍外湿度为48.68%，后备舍内最高相对湿度达到68.06%，最低相对湿度为58.30%，最大相对湿度差达9.76%，在相同的试验时间内，后备舍内相对湿度的上升幅度较大，夏季气温较高，在舍外相对湿度较低的情况下，能较快增加舍内的相对湿度。

从氨气变化曲线可以看出，开启风机对降低后备舍内氨气浓度有明显效果。根据《规模猪场环境参数及环境管理》(GB/T 17 824.3—2008)的各项指标要求，母猪舍内氨气质量浓度的指标值为25 mg/m3。

(a)温度变化曲线

在不同的风机开启数量下，后备母猪舍内的氨气浓度变化趋势基本一致，但氨气质量浓度均低于5 mg/m3，远低于母猪舍内氨气质量浓度的指标值(25 mg/m3)，表明夏季猪舍内氨气浓度较低，不同的风机开启数量对舍内的氨气浓度影响较小。

3.1.2 环境温湿度沿通风方向的变化

图7反映在不同的风机开启数量下，环境温湿度沿通风方向的变化情况。在不同的风机开启数量下，舍内沿通风方向的温度分布基本一致，随着通风方向距离增大，后备舍内平均温度逐渐增大。后备母猪舍内环境温湿度沿通风方向的变化如表4所示，当开启3台风机时，舍外温度为30.85 ℃，经过通风方向3 m处平均温度降低3.15 ℃，经过通风方向17 m处平均温度降低2.49 ℃，经过通风方向31 m处平均温度降低2.09 ℃，经过通风方向45 m处平均温度降低1.81 ℃，在湿帘的作用下，靠近进风口的舍内区域降温效果较好，由于水汽蒸发的影响，沿着通风方向的降温效果逐渐减弱。从温度变化图可以看出，开启的风机数量越多，舍内温度在通风方向上的分布越趋向均匀。

表4 后备猪舍温湿度沿通风方向的测量和结果Tab.4 Measurement and results of temperature and humidity along ventilation direction in reserve pigsty

(a)温度

在不同的风机开启数量下，舍内沿通风方向的相对湿度变化趋向基本一致，随着通风方向距离增大，后备舍内平均相对湿度逐渐减小。当开启3台风机时，舍外相对湿度为53.09%，经过通风方向3 m处平均相对湿度上升20.09%，经过通风方向17 m处平均相对湿度上升18.86%，经过通风方向31 m处平均相对湿度上升17.06%，经过通风方向45 m处平均相对湿度上升17.43%，舍外新风经过湿帘进入舍内，显著提高舍内的相对湿度。从相对湿度变化图可以看出，开启的风机数量越多，舍内相对湿度在通风方向上的分布越趋向均匀。

3.2 湿帘对环境温湿度的影响

为了研究开启湿帘对环境温湿度的影响，对采集到的平均数据进行比较分析，湿帘对环境温湿度的影响如图8所示。舍外温度最高为32.83 ℃，温度最低为28.7 ℃，经过湿帘降温后，后备舍内温度最高值为28.8 ℃，温度最低值为25.9 ℃。同一时刻，经过湿帘后的最大降温4.27 ℃，降温幅度为13.27%；最小降温2.3 ℃，降温幅度为7.96%，由于夏季气温较高，舍外新风经过湿帘后，将大量水汽带到舍内，降温效果较为明显。

(a)温度

舍外相对湿度最高为59.07%，相对湿度最低为48.8%，经过湿帘过，后备舍内的相对湿度最高值为77.65%，相对湿度最低值为66.45%。同一时刻，湿帘前后的相对湿度最大差值为24.17%，湿帘加湿幅度为48.6%；相对湿度最小差值为15.17%，湿帘加湿幅度为29.38%，湿帘对后备母猪舍内的加湿效果明显。

3.3 风机位置对环境均匀性的影响

根据GB/T 17824.3—2008规模猪场环境参数及环境管理，通风量和风速应在适应猪只生活的适宜范围。若通风量和风速远大于适宜范围，会影响猪只健康。通过改变风机组合(每个组合的风机开启数量均为两台)，测试后备母猪舍内的温湿度变化规律，通过式(1)可得，在不同风机组合的情况下，后备猪舍舍内THI指数的变化规律如图9所示。从图中可以看出，不同的风机组合，后备舍内THI指数的变化趋势基本一致，开启左右两侧风机时，THI指数下降幅度较开启左中和右中侧风机大。当开启左右两侧风机时，后备舍内平均THI指数为79.5，最高THI指数为80.87，属于严重热应激，最低THI指数为77.75，属于中等热应激，下降幅度为3.86%。在相同的试验时间内，开启左右两侧的风机能有效的降低后备舍内温湿度指数，有效缓解舍内猪只的热应激。

图9 后备猪舍内部THI指数变化曲线Fig.9 THI index change curve in reserve pigsty

通过式(2)可得，在不同风机组合的情况下，后备猪舍舍内的温度场、相对湿度场不均匀系数如表5所示。后备猪舍内的温度场不均匀系数为0.42，相对湿度场不均匀系数为0.5，显然，开启左右两侧风机时，舍内温度、相对湿度分布较为均匀。

表5 后备舍内部不均匀系数Tab.5 Internalnonuniformity coefficient in reserve pigsty

4 结论

本研究以典型的西南地区夏季气候为背景，对云南省某规模化猪场后备母猪舍进行温湿度调控试验，通过在猪舍内布置传感器，获取在通风过程中，猪舍内的温度和相对湿度的分布及变化情况，得出以下结论。

1)随着开启风机的数量增多，后备舍内温度下降幅度越大，相对湿度上升幅度越大。温度下降幅度最大为2.66 ℃，下降幅度最小为1.08 ℃，相对湿度上升幅度最大为9.76%，上升幅度最小为5.22%，后备母猪舍内的氨气质量浓度均远低于指标值(25 mg/m3)，表明夏季猪舍内氨气浓度较低；开启的风机数量越多，舍内温度、相对湿度在通风方向上的分布越均匀。

2)开启湿帘对后备猪舍内降温加湿有明显效果，在同一时刻，经过湿帘后的最大降温幅度为4.27 ℃，最小降温幅度为2.3 ℃；经过湿帘后的相对湿度最大差值为24.17%，相对湿度最小差值为15.17%。

3)开启左右两侧风机时，舍内温湿度分布较开启左中或右中侧风机均匀，后备猪舍内平均THI指数为79.5，THI指数下降幅度为3.86%，能有效缓解舍内猪只的热应激；后备猪舍内的温度场不均匀系数为0.42，相对湿度场不均匀系数为0.5，舍内温度、相对湿度分布较为均匀。