LPCV牛舍夏季湿帘风机系统运行模拟分析

吕慧洁，曹明，李景琦，丁蕊

(沈阳城市建设学院市政与环境工程系，沈阳 110167)

低屋面横向通风（Low profile cross ventilated,LPCV）牛舍具有舍内环境稳定、可控性强等优点[1]，其中所应用的湿帘风机降温系统相对于其他蒸发降温方式，具有经济、简便、高效、安全的优点[2]。自2009年引入中国以来，国内学者邓书辉等[3]通过对LPCV牛舍现场实测和数值模拟结果的综合分析，发现室外温度36.2℃，相对湿度55.5%条件下，通过湿帘后舍内温度降低7.7℃。近年来，龚建军等[4]对应用了湿帘风机降温系统的妊娠猪舍进行监测分析，结果表明湿帘风机系统在夏季可明显降低舍内温度，带走舍内有毒有害气体，改善舍内环境。王美芝等[5]对北京某育肥猪舍的夏季降温设备进行研究，对比湿帘-风机和单纯风机的降温效果，测试结果表明湿帘-风机降温效果优于单纯风机，但需要耗用一定水资源。基于湿帘风机降温系统的应用现状，本文旨在将湿帘风机降温系统应用于北纬40°黄金奶源地带的LPCV牛舍中，调节夏季牛舍内环境和缓解奶牛夏季热应激现象，为LPCV牛舍提供可靠的夏季湿帘风机运行方案，以期通过改善奶牛的生活环境带动提高奶牛产乳量。

1 材料与方法

1.1 牛舍原型

本文选用的试验牛舍为沈阳地区某六排式低屋面横向通风牛舍，舍内共饲养荷斯坦牛500头，牛舍顶高4.9m，檐口高4.2m，屋面坡度1:24，牛舍总长128m，宽34m。牛舍一侧安装长120m、高2.3m、厚150mm的湿帘，另一侧安装36台1000型排风机，牛舍左视图和俯视图如图1和图2所示，单位：mm。

图1 LPCV牛舍左视图

图2 LPCV牛舍俯视图

1.2 几何模型

1.2.1 奶牛模型

本文建立的奶牛模型是按照实际成年奶牛等比例创建并引入到牛舍模型中，为简化物理模型并提高网格质量，忽略奶牛的尾巴、耳朵等细小部位，奶牛身体外形长1 600mm、高1 400mm、宽800mm，牛头尺寸为600×300×400mm，奶牛模型如图3所示。

图3 奶牛三维模型

1.2.2 牛舍模型

低屋面横向通风牛舍的特点是在牛舍的纵向上（X轴方向上）空气流场的分布是相同的，在横向上（Y轴方向上）的流场分布是不同的。因此本文截取牛舍纵向方向上30m的空间作为研究对象。牛舍模型顶高为4.9m，两侧高度为4.2m，横向长度为34m，纵向长度为30m；一侧安装7090型湿帘，厚150mm、高2.3m、长30m；另一侧安装1000型排风机共9台，风口直径1 000mm。牛舍三维模型如图4所示。

图4 低屋面横向通风牛舍三维几何模型

1.3 边界条件设置

1.3.1 湿帘边界

湿帘入口区域，本研究采用邓书辉等[6]对低屋面横向通风牛舍空气流场CFD模拟中湿帘部分的处理方式，将湿帘区域设置为多孔介质模型。由于本文中的牛舍采用的湿帘与邓书辉等研究中湿帘型号相同，因此多孔介质的黏性阻力系数和惯性阻力系数由Darcy定律及附加惯性损失项定义的方程和湿帘的阻力特性曲线方程来确定，公式如下：

式中：∆ppad是压力降，Pa；1/α是黏性阻力系数，1/m2；C2是惯性阻力系数，1/m；μ为空气动力黏度，Pa·s；vpad为过帘风速，m/s；ρ为空气密度，kg/m3；∆m是湿帘厚度，m。通过上式计算出黏性阻力系数1/α和惯性阻力系数C2。

1.3.2 风机边界

牛舍的风机侧安装的是排风机，在模型中以一个平面体现，压力经过这个平面出现跃升，压力的跃升与风速的关系需要通过性能曲线确定。本文采用的风机与邓书辉论文中采用的1000型风机相同，风量35 000m3/h，引用邓书辉等[6]对1000型风机测试的性能曲线系数作为压力跃升多项式的系数。

式中：∆pfan为压力跃升值，Pa；vfan为风速，m/s。

1.3.3 速度入口边界

空气域入口设置为速度入口（Velocity inlet）边界。根据Harner等[7]的研究，空气交换率是LPCV牛舍的重要参数，夏季LPCV牛舍的空气交换率应为60～120s。根据张琼[8]对低屋面横向通风牛舍地域适用性的研究，空气交换率为80s时，舍内大部分区域可满足奶牛舒适风速的要求，但奶牛密集区域无法满足卫生风速需求。对于奶牛密集区域，空气交换率为60s时，舍内环境可满足卫生风速要求，但大部分气流风速超过奶牛舒适风速范围。为保证奶牛卫生风速的要求，本文选定舍内空气交换律为60s。

室外空气通过湿帘进入舍内，湿帘的过帘风速即为牛舍的空气入口风速，过帘风速的计算公式如下：

式中：v为牛舍空气入口速度，m/s；V为牛舍体积，m3；L为牛舍长度，m；H为湿帘高度，m；R为空气交换率，s。

本课题建立的牛舍模型体积为4 321m3，牛舍长度L为30m，湿帘高度H为2m，空气交换率为60s，将上述数值代入式（4）中，可计算得出牛舍空气入口速度约为1.2m/s，故过帘风速为1.2m/s，满足过帘风速1～1.75m/s的湿帘设计要求[9]。

1.3.4 其他边界

风扇出口设置为排风扇（Exhaust fan）边界；为减小因纵向缩短而带来的误差，因此纵向方向的两个墙体均设置为对称面（Symmetry）边界条件；因屋顶铺设保温层，因此将屋顶设置为壁面（Wall）边界条件；地面、矮墙和挡风板均设置成壁面（Wall）边界条件，导热边界条件均设置为绝热。

1.4 数值求解

本文采用Gambit2.3.6软件绘制牛舍和奶牛模型，导入ICEM CFD 软件进行优化和绘制网格，采用Fluent 17.0软件进行数值模拟计算。在模拟过程中，采用标准k-ε湍流模型，采用基于有限体积的离散方法，压力-速度耦合选用SIMPLE算法，动量与湍流动能选用二阶迎风格式。收敛条件设置为流动方程相对误差为10-3，能量方程相对误差为10-6。

2 结果与分析

2.1 设计工况条件下的模拟结果

设计工况条件下，沈阳夏季室外计算干球温度为31.4℃，湿帘喷淋水采用常温水20℃作为水源温度。为满足舍内污染物的排放，风机系统全开，在此条件下舍内热环境进行数值模拟，得到温度和速度分布云图。综合考虑成年奶牛的外形尺寸，取Z=1.2m高度截面的温度和速度进行分析，竖直方向上对X=15m即牛舍模型纵向中间位置截面进行分析。在不满足舍内奶牛舒适性要求的情况下，降低湿帘喷淋水水温。

（1）X=15m截面上温度和速度分布云图如图5、6所示。

图5 X=15m截面温度云图

图6 X=15m截面速度云图

（2）Z=1.2m截面上温度和速度分布云图如图7、8所示。

图7 Z=1.2m截面温度云图

图8 Z=1.2m截面速度云图

（3）X=15m、Z=1.2m温度和速度曲线变化图如图9、10所示。

图9 X=15m、Z=1.2m温度变化曲线

图10 X=15m、Z=1.2m速度变化曲线

2.2 设计工况下模拟结果分析

奶牛的舒适温度在等热区内，等热区指恒温动物依靠物理和行为调节即可维持体温正常的环境温度范围。实际情况下，在一定温度范围内，奶牛的产热等于散热，这个温度范围称为“舒适区”[10]。成年奶牛的全年温度舒适区为9～21℃，夏季为24℃左右，以不超过26℃为宜。

如图5和图6所示，在挡风板的作用下，通过湿帘的新风导向牛体所在高度范围内，在舍内低空范围内呈波浪形式流动，在风机的作用下，奶牛周围的风速提高，空气温度降低；如图7和图8所示，室外高温空气通过湿帘后温度明显降低，经湿帘调节后的空气流经每一排奶牛，中间喂食通道空气风速较大。靠近湿帘侧奶牛周围空气温度低于靠近风机侧的奶牛。

如图9所示，X=15m、Z=1.2m曲线上，除靠近牛体表面区域温度趋于37℃外，舍内其余空气温度可控制在24～26℃之间，满足奶牛的舒适性要求。Y=10～15m，空气温度降低至24.26～25.26℃之间；Y=-6～6m，空气温度降低至24.47～25.96℃之间；Y=-11～-14m，空气温度降低至24.62～25.8℃之间。Z=1.2m截面上舍内平均温度为26.95℃，平均降温幅度为4.45℃。舍内湿帘侧过帘温度为24.18℃，靠近风机侧舍内最高温度为25.45℃，温度升高1.27℃，沿水平方向上的平均温度梯度为0.068℃/m。另外垂直方向上也存在温差，舍内中间位置即X=15m、Y=0所在竖直线上，Z=1.2m温度为24.47℃，Z=2m时温度为24.72℃，此时竖直方向上的平均温度梯度为0.3125℃/m。

有研究表明，奶牛一天中其中有一半的时间处于躺卧状态[11～13]，舍内气流不均匀对于奶牛的影响最为明显，尤其表现在奶牛的躺卧状态，且低风速区域的卧栏基本没有奶牛躺卧[14]。其中，评价舍内气流速度场的标准是室内空气的均匀性，参考标准是室内气流的平均风速和不均匀系数，平均速度和不均匀系数的公式如下：

式中：vi表示各点的速度，m/s；vh表示平均速度，m/s；Jh表示不均匀系数；n表示测点数。其中气流不均匀系数越小，表示舍内空气速度场均匀性越好。

根据公式计算可得出，舍内X=15m、Z=1.2m曲线上舍内平均风速为1.92m/s，气流不均匀系数为45.2%。如图10所示，舍内X=15m、Z=1.2m速度变化曲线上出现几个风速高速区，分别在Y=-13.57m、Y=-5～5m之间以及Y=12.41m，而该牛舍挡风板的位置分别在Y=-13m、Y=-2.5m、Y=2.5m以及Y=13m，空气流场模拟结果和实际空气流动相符合。

2.3 极端工况条件下的模拟结果

通过对沈阳地区夏季设计工况条件下湿帘喷淋水运行参数的研究，确定设计工况条件下湿帘喷淋水水温20℃时，舍内温度可满足舍内奶牛舒适性要求。应用此喷淋水水温验证沈阳夏季极端最热条件下，舍内温度是否满足设计要求。若不满足，降低喷淋水水温对舍内环境进行模拟，找到可满足要求的喷淋水参数，其中沈阳地区夏季极端最热室外温度为36.1℃。

2.4 极端工况下模拟结果分析

如图11所示，以喷淋水水温20℃验证沈阳地区夏季极端最热工况条件下的舍内环境，靠近湿帘侧的舍内空气温度不超过26℃，中间两排及靠近风机侧奶牛周围空气温度均不满足奶牛的舒适性要求。降低湿帘喷淋水水温为18℃，进行数值模拟，结果表明，随着湿帘喷淋水水温的降低，舍内降温效果明显优于20℃喷淋水条件下的降温效果。在Y=5m和Y=-13m附近位置，1.2m高度空间舍内温度仍然超过26℃，无法满足设计要求；降低湿帘喷淋水水温为16℃，1.2m高度舍内空气温度可满足奶牛的舒适性要求。Y=10～15m，空气温度降低至23.6～24.58℃之间；Y=-6～6m，空气温度降低至24.06～25.57℃之间；Y=-11～-14m，空气温度降低至24.57～25.81℃之间，满足设计要求。确定极端最热工况条件下，湿帘喷淋水水温保持在16℃，舍内环境可满足奶牛舒适性要求。其中，Z=1.2m截面上靠近风机侧舍内空气最高温度为25.23℃，湿帘侧过帘温度为23.47℃，水平方向上温度升高1℃，平均温度梯度为0.052℃/m。根据不均匀系数计算公式得出，X=15m，Z=1.2m曲线上舍内平均风速1.81m/s，气流不均匀系数为59.86%。

图11 不用喷淋水水温下X=15m，Z=1.2m牛舍温度分布曲线

3 结论

本文以沈阳地区某LPCV牛舍为研究对象，对夏季两种工况条件下LPCV牛舍舍内温度和速度变化进行模拟分析，确定了两种工况条件下的湿帘系统运行方案，具体结论如下：

（1）在沈阳夏季设计工况条件下，室外温度31.4℃，风机全开，湿帘喷淋水采用常温水，水温20℃，舍内温度和速度可满足奶牛舒适性要求。

（2）在沈阳夏季极端工况条件下，室外温度36.1℃，风机全开，湿帘喷淋水水温20℃和18℃，舍内温度和速度无法满足奶牛舒适性要求；喷淋水水温降低至16℃，舍内环境满足设计要求，其中16℃的喷淋水可将常温水与低温井水混合而成。

（3）湿帘喷淋水水温与舍内降温效果呈负相关关系，随着湿帘喷淋水水温的降低，湿帘的降温效果越好。

4 展望

自2009年，LPCV牛舍得到广泛推广，黑河中兴牧业、贝因美安达牧场、四川西部牧场、河北华夏牧场等多家企业建立了LPCV奶牛舍。本文以沈阳地区牧场牛舍为研究对象，确定了LPCV牛舍湿帘风机系统的夏季运行方案。该运行方案不仅可应用于北纬40°地带同类型LPCV牛舍内，同样适用于我国其他地区LPCV牛舍的通风系统设计。该湿帘风机模拟模型已通过实际测试验证了其正确性，其他同类型LPCV牛舍的通风系统可根据当地的室外气象条件和基本设计参数进行模拟分析，确定夏季设计工况和极端工况条件下的喷淋水水温和风机运行方案。例如我国南方部分牧场，夏季室外温度较高，可通过适当降低喷淋水水温进行模拟分析，以保证奶牛的舒适环境，确定通风系统运行方案。