基于辐射供热和个性化送风的分娩猪舍环境保障系统

刘营芳，黄子硕

（同济大学建筑与城市规划学院，上海 200092）

0 引 言

规模化猪场分娩猪舍内的环境温湿度是影响母猪生产效率及仔猪存活率的重要因素。过热或过冷的环境会使母猪产生热应激或冷应激，影响母猪养殖的经济效益。为调控猪舍环境，许多规模化养殖场在夏季通过湿帘风机的方式降低猪舍温度，但这种环境调控方式受到室外气候的影响，在高温高湿季节效果差，难以将猪舍内温湿度控制在适宜范围，从而引发猪只的消化道、呼吸道等疾病。部分分娩猪舍在冬季使用暖灯为仔猪供暖，大功率的暖灯设备耗电量大，且母猪区域环境温度难以保证。针对上述问题，许多学者从不同角度对猪舍的环境调控模式和方法进行研究。王美芝等猪舍结构优化角度提出对围护结构进行保温，改善室内环境。也有研究者提出了天棚渗透通风系统、阳光间，地道通风等措施，在保障环境的同时降低能耗。但由于猪舍空间结构特殊，且为降低猪舍氨气含量，通风换气次数高，围护结构保温对环境改善和节能效果有限，仍需空调系统对室内热湿环境进行调节。

为实现猪舍环境节能调控的目标，太阳能供暖、水源热泵、生物质热泵以及空气源热泵等节能型冷热源主机被应用于猪舍环境调控。且毛细管辐射顶棚、纤维风管、电热板等在猪舍的应用也有了较多的讨论。但上述环境调控对象仍是猪舍整体空间温度，仍然无法克服通风热损失大的问题，环境调控系统能耗仍然较高。且全空气加热冷却系统上送风与舍内新风横贯风交叉，加剧猪舍内空气扰动，空气乱流增加了传染病交叉感染的风险。

生物体与环境间交换热量的大小是影响生物体热感觉的关键因素，生物体主要通过辐射和对流换热的方式与其所处的环境进行热交换，两者综合作用决定了生物体得/失热量的大小。既有研究表明，采用辐射供能的空调系统，可以在较低的环境空气温度下保证人体具有相同的热感受。中国在设计规范中也明确，采用辐射供能进行环境调控时，环境设计温度可在冬季降低2 ℃，在夏季可以提高1.5 ℃。因此辐射换热可以在较少加热空气的同时，提升环境的热舒适性。此外，对于高大空间，更适合采用局部环境调控的方式减少控制范围，即仅对有人活动或者有特殊环境调控需求的局部空间进行个性化的环境控制，而不是对整个空间进行环境控制。对于分娩猪舍，仅动物所在的较低的饲养区域进行环境控制即可满足动物健康成长需要，对各个产床单元根据需要进行个性化控制，不但可以节约能耗，还可以满足母猪和仔猪的不同环境需求。

基于此，本文提出了一种应用辐射供能和局部送风技术解决母猪分娩猪舍的环境调控系统。采用计算流体动力学模型和能耗模拟，研究揭示该环境调控系统的特征。结合工程案例，对几种分娩猪舍环境调控系统的应用效果进行比较分析，为防疫安全和节能型分娩猪舍的设计提供参考。

1 基于辐射供能和局部送风的猪舍环境调控系统

基于辐射供能和局部送风的分娩猪舍环境调控系统如图1a所示，主要由以下几部分构成：

1）敷设在养殖猪舍内动物产床单元分割栅栏上的辐射散热板，其几何形状根据栅栏尺寸和动物所需的供热量确定，采用高发射率的材料喷涂表面，提高辐射系数。辐射板内部有金属管道，冷热流体在管道内流动将热量传递到辐射板的表面。

2）制取冷热水的热泵主机，或可以在夏季制取15～20 ℃冷水、冬季制取30～50 ℃热水的其他冷热源设备或装置。包括将冷热水主机制取的冷热水分配给多个产床单元内辐射换热器的冷热水管道。

3）设在产床单元上方的新风管道和风口，每个产床单元有一个独立的下送风风口。养殖产床单元下方的集粪刮粪通道作为排风风道，通过架空层进行排风，各产床单元内新风形成独立的上送下排的气流。在每个产床单元上方分设上送下排的通风装置，通过气流的局部调配，直接从动物上方吹拂过动物之后通过动物下方的刮粪沟或单独设置的排风道排往室外，不同产床单元的气流互相隔绝，减少了产床单元间空气的交叉污染，降低了不同产床单元内动物交叉感染的风险，有利于控制疾病的传播。图1b给出了既有常规空调系统加热或冷却养殖猪舍内空气的空调系统，由于养殖厂换气次数较大，养殖厂内空气不断被更新替换掉，加热或冷却养殖场的热量或冷量被排风带走。

图1 环境调控系统示意图 Fig.1 Schematic diagram of environmental protection system

基于辐射供能和局部送风的分娩猪舍环境调控系统在冬季利用辐射板内毛细管网中流动的热水将热量传递给辐射板，辐射板通过热辐射加热动物；在夏季冷辐射板内毛细管网中低温水水循环冷却辐射板，带走热量，形成“冷辐射”为动物降温。不通过空气而通过敷设在动物近旁的辐射板加热和冷却动物体表，该系统通过辐射换热直接加热或冷却动物体表，相对于加热和冷却空气的空调系统，减少了对空气的加热和冷却，有效减少排风热损失，节约能源。配合上送下排的通风装置，可以减少养殖猪舍内不同产床单元间的空气流动，减少动物间的交叉污染，进而控制传染病内部传播。

2 案例分析

2.1 分娩猪舍工程概况

本文以江西省新干县某大型养猪场中分娩猪舍为例，分析比较不同分娩猪舍调控系统的环境调控效果、能耗和经济性。分娩猪舍屋顶为双坡式，舍内空间尺寸为29.92 m×15 m×2.8 m（长×宽×高），檐口高度为2.8 m，屋脊最高处高度为4 m，无天棚，漏缝地板下对应2个空间地沟高度为0.8 m。东南侧墙中间有一扇0.8×1.5 m的单层木门，两侧各两个尺寸为1.2 m×1.5 m（宽×高）的单层玻璃窗户。分娩猪舍建筑构造信息见表1。猪舍内共设有单管荧光灯（36W）56盏，每天开启4 h（上午7:00—9:00与下午17:00—19:00）。猪舍中共56套产床单元，分4列分布，每列 16栏。单个产床单元尺寸为2.22 m×1.33 m×1.02 m（长×宽×高）。母猪在产前7 d进入分娩猪舍，仔猪28 d断奶，离开分娩猪舍。

表1 分娩猪舍建筑结构信息 Table 1 Building structure information of delivery pigsty

2.2 3种环境调控系统设计方案的设置

3种环境调控系统设置如表2所示：

表2 3种方案的空调系统组成及运行控制 Table2 Composition and operation control mode of different air conditioning systems

1）夏季采用湿帘风机降温-冬季采用暖灯采暖的方案C0。分娩猪舍的东南侧端墙上有两个尺寸为5.1 m×2.1 m（宽×高）的外挂式水帘，湿帘中冷水来自直接抽取的地下水。西北侧端墙上对应4列产床单元位置上分别设有1个额定功率为560 W的负压风机，地下刮粪沟设有2个额定功率为370 W的变速地沟风机。每个产床单元上方配置2个暖灯（共150 W）。夏季采用湿帘风机通风冷却，室温可维持在30～32 ℃左右；冬季采用暖灯进行供热，对仔猪区域进行局部加热。

2）以加热和冷却空气为目的的常规空调系统C1。以热泵为系统的供能源端，采用风机盘管结合新风系统为分娩猪舍供冷/热。系统末端风口布置在猪舍上方，承担2～4个产床单元的环境温度保障，冬季，同时以暖灯进行局部采暖保障仔猪区域温度。

3）以局部辐射供能结合局部送风系统的方案C2。由于分娩猪舍只需对动物活动的产床单元内较低高度的空间进行环境调控即可满足母猪与仔猪的健康生长要求。以辐射板为供冷/热末端的方案C2，其辐射板仅敷设在产床单元两侧，每个产床单元的辐射板总面积为2.34 m。

为排除冷热源能效差异的影响，本工程C1、C2方案均采用水源热泵作为空调系统的冷热源。分娩猪舍共56个产床单元，进行空调系统仿真计算时，设置每个产床单元内1头母猪，10头仔猪。

2.3 分娩猪舍建筑负荷及空调系统能耗计算

计算设置包括以下几个部分：

1）空调设计参数

根据GB/T 17824.3—2008《规模猪场环境参数及环境管理》，分娩猪舍最适宜的温度为18～22 ℃，可接受的温度上限与下限为16与27 ℃。根据GB50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》对于辐射空调系统，则设计室温上下限可相应调整2 ℃左右。由于仔猪要求环境温度较高，约28 ℃左右，因此设置室内设计温度分别为20与29 ℃。夏季供冷从6月1日至9月30日，冬季供暖从12月1日至2月28日。

2）母猪与仔猪产热量

猪舍内共有56个产床单元，每个产床单元内有一头母猪，一窝仔猪，其总产热量Q计算见下式：

3）室内新风量计算

猪舍新风量依据GB/T 17824.3—2008《规模猪场环境参数及环境管理》计算，成年母猪要求新风量（含渗透风量）在夏季不低于0.6 m/(h·kg)，冬季不低于0.35 m/(h·kg)；渗透风量换气次数取0.55次/h。

式中为母猪数量；q为单位质量母猪要求新风量，m/h；q为渗透风量换气次数，次/h；为猪舍体积，m。

通过DeST负荷模拟软件，对分娩猪舍的建筑负荷进行模拟计算。设置换气次数夏季为4.16次/h，冬季为2.43 次/h。猪只总散热量夏季为14.94 kW，冬季为18.93 kW。猪舍渗透风量为0.55次/h。照明总负荷2.02 Kw，照明开启时段为每日7:00—9:00、19:00—21:00。

如图2a所示，分娩猪舍夏季最大冷负荷为148.91 kW，出现在8月10日13时，平均冷负荷为53.23 kW；如图2b所示，冬季最大热负荷出现在1月21日7时，最大热负荷为70.59 kW，平均热负荷为25.88 kW。

图2 逐时冷/热负荷 Fig.2 Hourly cooling/heating load

3种空调系统能耗组成与运行特性不同，其能耗计算公式见下式：

式中，，分别为3种空调系统C0，C1，C2的空调系统运行总能耗，kW；为暖灯供热能耗，kW；为风机运行能耗，kW；为湿帘水泵运行能耗kW；为水源热泵机组运行能耗，kW；为风机盘管运行能耗，kW。

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3 结果与分析

3.1 环境调控系统能耗比较

3种环境调控系统的逐时能耗如图3所示。

图3 不同空调系统逐时能耗 Fig.3 Hourly energy consumption of different air conditioning systems

夏季供冷时长共计2 928 h。由图3a可知，能耗最高的是方案C1，系统逐时负荷最高可达21.81 kW，方案C0、方案C2负荷远低于方案C1，系统最高负荷分别为3.89与7.53 kW。方案C0、C1、C2夏季总能耗分别为6 140.97、22 357.98和3 839.43 kW·h。同方案C0相比，方案C1的系统能耗增加了269.05%，方案C2的系统能耗则降低了37.48%。冬季供暖时长共计2 160 h，由图3b可知，能耗最高的是方案C0，供暖季系统总能耗为23 954.83 kW·h，C1与C2的供暖总能耗分别为19 723.67、13 605.59 kW·h，同方案C0相比分别降低了17.66%、43.20%。综合考虑冬夏两季系统总能耗，方案C2单位面积总能耗最低，为38.87 kW·h/m，相较于C0降低了42.04%，相较于C1降低了58.54%。

猪舍内共56个产床单元，以江西省农业生产电价为0.653 4元/(kW·h)计算供冷/热运行成本如表3所示。

表3 单个产床环境调控系统供冷/热运行成本 Table 3 Cooling / heating cost of single production bed 元

由表3所示。夏季，3种空调系统下，单个产床供冷运行成本分别为，71.65（C0）、264.43（C1）和44.79 元（C2）。相较于方案C0，方案C1与C2单个产床的供冷运行成本分别提高192.78元和降低26.85元。冬季3种空调系统下，单个产床供热运行成本分别为，279.51（C0）、230.13（C1）和158.75元（C2）。方案C1和C2单个产床的供热运行成本分别可降低49.38和120.76 元。

对比全年的空调系统供冷供热运行成本，可以看出，3种空调系统单个产床供冷供热总成本分别为338.58（C0）、473.42（C1）和196.26元（C2）。相较于方案C0，方案C1与方案C2，全年的单个产床供能运行成本分别提高39.83%和降低42.04%。由表3可知，方案C0的供能成本主要为冬季供热，占供能成本的64.43%；方案C1的供能成本主要为夏季供冷，占供能成本的70.94%。

上述结果说明，传统湿帘风机-暖灯的分娩猪舍环境保障系统（C0）在夏季能耗较低，而冬季能耗较高，全年单个产床供冷/供热总运行成本为338.58元。当采用以加热和冷却空气为目的的常规空调系统时，由于养殖猪舍空间大、换气次数高，使分娩猪舍空气达到适宜的温度时空调系统能耗大，特别是在换气次数高的夏季，能耗远高于其他方案，该系统全年单个产床供冷供热总运行成本为473元。采用局部辐射供能结合局部送风空调系统（C2）时，全年单个产床供冷/供热总运行成本为196.26元，相较于传统的湿帘风机-暖灯系统，年运行成本降低了42.04%，相较于以加热和冷却空气为目的的常规空调系统（C1），年运行成本降低了58.54%。

3.2 环境品质比较

猪舍空间较为高大，但母猪与仔猪仅在产床单元内活动，因此，对产床单元内的方案C1和采用方案C2时的空气温度进行对比。

由图4a可以看出，在供冷季，方案C1在产床单元内的平均空气温度为26.91 ℃，低于方案C2在产床单元内29.85 ℃的平均空气温度。且在供冷周期内，C1方案在产床单元内的平均温度波动较低。对逐时空气温度进行统计，如图5a所示。2种供冷方案下，大部分时间均处在27～30 ℃，其中C1方案有14.52%的时间温度低于27 ℃，而C2方案，温度低于27 ℃的时间仅0.20%。当空气温度低于27 ℃时，对初生仔猪不利，需开启暖灯以保证该仔猪周围环境温度，但会使得供冷、供热同时进行，造成能源的浪费。另外，2种方案均只有少数时间空气温度高于30 ℃。

由图4b可以看出，在供暖季，方案C2的产床单元内平均空气温度，明显高于方案C1。在整个供暖季为2种方案下产床单元内平均空气温度分别为18.11 ℃（C1）与26.07 ℃（C2）。如图5b所示，方案C1在供暖季，室内空气温度全部处于母猪可接受的温度范围内（16～27 ℃）。方案C2下，室内空气温度全部处于可接受的温度范围内（16～27 ℃）的时间为74.40%，剩余时间内，空气温度高于27 ℃。可以看出，冬季供暖条件下，方案C1的供暖效果相对较差，环境温度仅略微高于母猪要求的温度范围的下限，不利于初生仔猪的成活。而在方案C2的运行下，空气温度明显提高，为产床单元内仔猪提供了较好的环境条件。

图4 室内空气温度对比 Fig.4 Comparison of indoor air temperature

图5 室温统计 Fig.5 Statistics of indoor air temperature

合理的气流组织是获得适宜温度分布的基础，可促进供冷/热量的有效利用，降低环境调控系统的能耗，同时避免不同产床单元间的交叉感染，3种环境调控系统下室内空气流动如图6所示。

方案C0采用湿帘风机-暖灯系统下（图6a），室内为横向贯通的置换通风。经湿帘换热后的冷风主要从上部空间掠过，在负压风机的作用下排出室外。在产床单元内的冷空气流量较小，吹拂过动物之后经格栅地板进入刮粪沟，在地沟风机的作用下排出室外。此种调控系统下，冷风主要对产房上方的空气进行冷却，而对产床单元内空气的降温效果不足，使得产床单元内的温度不能达到合适的范围。此外，由于冷空气从湿帘送出后逐一掠过各个产床单元，因此，在不同产床单元上方存在部分气体的混合流动，造成产床单元之间空气的交叉污染，不利于防疫安全。

方案C1以加热和冷却空气为目的的常规空调系统下（图6b），由于横向贯通风与空调末端的垂直气流相撞，导致猪舍内气流十分混乱，不同产床单元间存在严重的气流交叉问题，极大增加了产床单元间交叉感染的风险。另外，由于养殖场换气次数较大，从空调系统末端送出的冷风不断被更新替换掉。一部分气体在横向贯通风的干扰下，流向猪舍上部空间，另一部分在猪舍下方形成乱流，后经格栅地板进入刮粪沟，经地沟风机排出室外。这说明，在此种环境调控系统下，产房内不仅存在严重的交叉污染的问题，且由于对上部空间进行同步冷却，造成了极大的能源浪费。

由图6c可以看出，本文提出的C2方案以辐射板为末端结合局部送风的环境调控系统下，猪舍上方空气流动缓慢，室内冷空气集中在产床单元内，实现了猪舍内环境的分层控制。空调系统仅对下方产床单元内空气进行调节，减少了系统能耗。各产床单元具有独立的新风风口，保障了动物必需的通风量，新风流经产床单元内后从格栅地板进入刮粪沟，后由地沟风机排出室外。由于无横向贯通风的干扰，各产床单元内形成从形成了独立的上送下排送风气流，不同产床单元的气流无相互干扰，可以隔绝不同产床单元间动物的交叉感染，控制疾病的传播。

图6 3种环境调控系统的室内空气流动示意图 Fig.6 Air flow diagrams for different environmental protection system

3.3 采用辐射供能结合局部送风改造经济性

上述分析可知，采用方案C2，相较于目前常用的方案C0系统运行能耗明显降低。因此以目前常用的C0方案为基础，计算C2方案追加投资回收期，计算公式为

式中∆ 为追加投资回收期，a；，分别为方案C0与C2的年运行费用，元；，分别为方案C0与C2的初投资费用，元；为基准折现率，取6%。

C0方案与C2方案单个产床单元全年环境调控系统运行费用分别为338.58和196.26元。C0方案设备初投资及与改造方案C2方案追加设备投资见表4。

表4 主要设备费用明细表 Table 4 The details of main equipment costs

根据公式（6）计算C2改造方案追加投资回收期∆为5.20 a，取整即5 a。这说明，虽然C2改造方案追加设备费用较高，折合单个产床追加设备费用为1 050元，但改造后系统5 a内节约的运行费用可将追加设备投资回收。通常辐射供能系统寿命为20～30 a，远高于追加投资回收期，因此，以全寿命周期来看，采用辐射供能结合局部送风进行改造，经济性较好。

4 结 论

本研究基于人体热舒适理论，考虑养殖产房新风量大排风热损失多的现状，提出应用辐射供能技术直接加热动物体表、减少对猪舍内空气的加热和冷却以减少排风热损失的策略。并基于局部环境个性化控制的理念，在每个产床单元布置上送下排的新风送风装置，优化猪舍内气流组织，使不同产床单元相互隔离，避免疫情发生时不同产床单元动物间的交叉感染。并结合工程案例，将本文提出的环境调控方案同既有方案进行了比较分析，得到如下几方面的结论：

1）防疫安全方面，基于气流组织分析可以看出，方案C2辐射板结合局部送风空调系统，采用分设与各个产床单元的上送下排新风系统，通过气流组织将不同产床单元进行相互隔离，可避免病毒细菌等在不同产床单元间交叉传播，降低疫情传播风险。

2）系统能耗方面，在保障产床单元内母猪与仔猪区域均满足环境温度要求的前提下，采用本文提出的辐射板结合局部送风空调系统全年能耗最低，为38.87 kW·h/m；相较于传统的湿帘风机-暖灯系统，年能耗降低了42.04%，相较于以加热和冷却空气为目的的常规空调系统，年能耗降低了58.54%。

3）系统经济性方面，以目前猪场常用的湿帘风机-暖灯系统C0为基础，采用方案C2辐射板结合局部送风空调系统进行改造时，追加投资回收期约为5 a。

综上，在江西省的案例研究表明，本研究提出通过敷设于养殖产床单元内的辐射板和上送下排局部送风技术，可以在确保动物体感温度适宜的同时减少排风热损失，控制污染物交叉传播，在节约能源的同时减小养殖猪舍内疫情交叉感染。但是，由于气候差异和产床单元自身设计的差异，在其他气候区的有效性有待更多的讨论。