猪舍内风速对猪只散热及有效环境温度的影响研究

樊士冉 张志勇 任学明 于 奇 蒋福涛 李淑泉

（1新希望六和股份有限公司/农业农村部饲料及畜禽产品质量安全控制重点实验室，四川成都 610023；2德州市现代生猪养殖技术创新中心，山东德州 253000；3山东省猪禽健康养殖与疾病诊断技术工程实验室，山东青岛 266000；4山东省阳谷县畜牧局，山东聊城 252300）

猪舍的温热环境是影响猪只健康的基本要素，适宜的温热环境对改善动物福利水平与生产成绩至关重要[1]。猪舍的温热环境十分复杂，主要由舍内温度、湿度和通风3个因素相互作用形成[2]。舍内温度是最重要、也是最容易测得的温热环境因子。猪只的有效环境温度，通常又被称为“体感温度”。然而猪只实际的“体感温度”并不是单纯的舍内环境所处的温度，转换成同等温度，会受到气温、风速与相对湿度的综合影响。参照人的“体感温度”研究，罗伯特·史特德曼（Robert G.Steadman） 在 《A universal scale of apparent temperature》中将人的“体感温度”的计算方式概括如下[3]：

其中AT为体感温度（℃）、T为气温（℃）、e为水汽压（hPa）、V为风速（m/s）、RH为相对湿度（%）。

由式（1）、（2）可看出，相对湿度越小、风速越大时，能得出较低的“体感温度”。然而由于猪只形体尺寸、散热方式等与人类相比存在较大差异，对于猪只的“体感温度”需要有进一步的研究。本文主要研究风速对于猪只散热情况及有效环境温度的影响。

1 猪只散热方式简介

猪只对外的散热符合热量传递的基本规律[4]，主要通过以下4种方式进行散热。

1.1 传导散热

传导的散热方式是由于猪与另外的表面物理接触形成的。由于猪只的核心温度与所接触物体（主要是地板）存在温度差，热量由猪只内部组织传递至地板。影响导热速率的主要因素有猪只核心温度与地板的温度差、猪只与地板之间的接触面积等。

1.2 对流散热

对流散热是指在气体或液体中进行热量传递的方式。对流散热可分自然对流散热和强迫对流散热2种方式。自然对流散热往往自然发生，是由于温度不均匀而引起的。强迫对流散热是由于外界的影响对流动气体搅拌而形成的。猪只的对流散热的温度差体现在猪只体表温度与周围空气之间。影响猪只对流散热的主要因素有：猪只体表与空气的温度差、猪舍内空气的速度及猪只与流体的接触面积。

1.3 辐射散热

自然界中各个物体都不停地向空间发出热辐射，同时又不断地吸收其他物体发出的热辐射。发出热辐射与吸收热辐射过程的综合结果就造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递。热辐射进行能量交换不需要介质，在猪只辐射范围内的表面温度与猪只体表温度不一致的情况下即会产生热辐射。比如猪舍围墙的温度低于猪只体表温度，则猪只通过热辐射与围墙进行相应的热交换。

1.4 蒸发散热

蒸发散热的热传递属于相变热的一种，是由水（液相）变为气相（蒸汽）而吸收热量的过程。由于猪只的汗腺系统不发达，对于猪只的蒸发散热主要伴随着呼吸进行。同样，目前采用的喷淋降温，是一种辅助人工蒸发降温的方式[5]。影响蒸发散热速率的主要因素有猪舍内空气的温度、相对湿度、猪的呼吸量等。当猪舍周围空气与环境表面温度接近猪体温度时，蒸发散热就成为最主要的散热方式[6]。

猪只对外散热的示意图如图1所示。

图1 猪只的散热方式示意图

2 风速对猪只散热影响的计算

提高猪舍内的风速对猪只散热最主要的意义体现在对流散热方面。对流散热的计算可以参照“牛顿冷却定律”，“牛顿冷却定律”是温度高于周围环境的物体向周围媒质传递热量逐渐冷却时所遵循的规律。“牛顿冷却定律”指出，流体与固体壁面之间对流传热的热流与它们的温度差成正比[7]。其散热符合公式：

其中：

Q对流：经对流的散热量，单位为W；

其中对流传热系数指的是流体与固体表面之间的换热能力。如物体表面与附近空气温差1℃，单位时间（1 s）单位面积上通过对流与附近空气交换的热量。

对流传热系数参照Holman在《Heat transfer》一书中的公式[8]。

其中：

kf：空气的热导率，单位W/m·℃；

D：等效的球体的直径，单位为m；

ρf：空气的密度，单位为kg/m3；

μf：空气动力粘度，单位为 kg/（m·s）。

根据以上可知，如果空气温度低于猪只的核心温度，在猪只体表附近快速流动的空气由于热对流交换会形成“风冷效应”。如取空气温度20℃的情况下，相应的参数 kf=0.0257 W/m·℃、ρf=1.21 kg/m3、μf=1.83×10-5kg/（m·s），取猪只等效的球体直径为0.47 m，则在0.2 m/s的风速下，对流传热系数h1=3.8 W/（m2·℃）；当风速增加为2 m/s时，对流传热系数h2=15.2 W/（m2·℃）。对于100 kg体重的猪只，近似长度L=1.2 m，直径D=0.47 m，猪只体表温度T皮=37℃，则在风速0.2 m/s的条件下，猪只经对流的散热量为36.6 W；当风速提高至2 m/s时，猪只经对流的散热量提升至146 W。

综合以上数据可知，随着风速的增加，对流传热系数增加，这意味着对流传热速度增加。然而与此同时，对流传热系数的增加程度小于风速增加的程度，这意味着如果风速加倍，并不会导致对流传热系数的加倍，甚至在风速增加到一定程度，对流传热系数会逐渐趋于稳定。

3 风速对猪只有效环境温度影响的计算

上文内容研究了风速对猪只散热的影响，通常情况下随着风速的增加，猪只的散热量增大。与此同时，猪只感受到的实际温度随着风速的增大而更加凉爽，即猪只有效环境温度随着风速的增大而降低。

根据Bjerg等[9,10]的研究，需要开发一个有效评估环境温度的计算公式，公式需充分考虑湿度、风速等因素对畜禽有效环境的影响。

其中：

c：常数，与动物种类、尺寸、密度等因素有关；

d：温度常数，代表风速增加有效温度不再降低的温度，单位为℃；

tdb：干球温度，单位为℃；

ν：风速，单位为m/s；

e：常数，代表风力强度；

其中：

twb为湿球温度，单位为℃。

对于c、d、e的取值问题，部分学者进行了相应的研究。Bjerg等[9,10]对Mount[11,12]的研究进行分析，针对3.4～5.8 kg、20～25 kg及60～70 kg等3个体重段的猪只，分析五个环境温度（35℃、30℃、25℃、20℃和15℃）下，不同风速（0.08 m/s、0.35 m/s、0.60 m/s和1.00 m/s）对猪只散热的影响。得出在c=-1.0、d=42℃及e=0.66时猪只的散热情况与公式有很好的符合性。Bottcher等[13]开发了风冷效应的计算表，展示了不同风速下的“风冷效应”数值，但是作者并没有说明数据的来源，根据Bottcher的数据c=-0.37、d=44℃、e=1.5有最佳的符合性。根据Hoff教授在《The Environment in Swine Housing》中的研究数据[5]，假定c=-1、d=42℃的情况下，对于20 kg、50 kg、100 kg的猪，e值分别取0.14、0.12、0.10，有效环境温度与环境温度有极好的相关性。根据Bjerg等[10]的研究，通过皮肤温度的建模，确定空气速度对缓解炎热环境中猪只热应激的潜在影响，结果表明24℃和空气速度0.2 m/s的有效温度与27℃和空气速度0.6 m/s的组合以及30℃和空气速度1.9 m/s的组合相同。根据作者开发的模型，e取值范围在0.23～0.29之间。

本文取c=-1.0、d=42℃及e=0.66进行说明，不同环境温度下的风速导致的“风冷效应”，见图2。可以发现，随着风速的增大，“风冷效应”导致的温度降低值增大，即随着风速的增大，猪只会感到更加凉爽。同时也可以发现，随着环境温度的升高，“风冷效应”的作用变弱。

图2 风速对有效环境温度的影响数值

4 总结

猪舍的温热环境受温度、湿度、气流的综合影响，其中气流速度对于猪只的散热方式有十分重要的影响。本文通过介绍猪只的散热方式，计算了对流传热方式对风速的影响，同时还计算了风速对猪只有效环境温度的影响。以上分析计算对于猪舍的通风设计有非常重要的指导意义，且对养殖过程中环控系统的控制有非常重要的作用。