肉鸡舍热能循环利用系统设计及应用研究

摘要 为有效利用肉鸡舍内多余热能，降低肉鸡养殖臭气污染，设计了一款热能循环利用系统。该系统采用空气能机理和电催化脱氨工艺设计，并于东北地区评价了该系统在肉鸡舍的热回收和除臭效果。试验舍采用2套相同的热能循环利用系统通风，对照舍采用常规负压风机通风。试验结果表明：与对照舍相比，热能循环利用系统可使新风平均温度提高2.19 ℃；NH3、CO2平均浓度分别显著下降0.91和272 mg/m3（P<0.05），NH3去除率达55.96%；热回收效率达64.00%。该系统可有效提高肉鸡养殖舍内温度，降低舍内NH3和CO2浓度；热回收和除臭效率较高，具有良好的节能减排效果。

关键词 肉鸡；热能循环利用系统；设计；应用

中图分类号 S26 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2024）17-0199-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.17.046

Design and Application of Heat Energy Recycling System in Broiler House

ZUO Ling-ling1，LI Shang-min2，LIU Hong-guang3 et al

（1. National Animal Husbandry Service，Beijing 100125;2.Jiangsu Institute of Poultry Sciences，Yangzhou，Jiangsu 225125;3. Zhucheng Zhongyu Mechanical and Electrical Equipment Co.，Ltd.，Zhucheng，Shandong 262200）

Abstract In order to effectively utilize the excess heat energy in the broiler house and solve the problem of odor pollution in broiler breeding，a heat energy recycling system was designed. The system was designed by air energy mechanism and electrocatalytic deammoniation process，and the heat recovery and deodorization effect of the system in the broiler chicken house were evaluated in Northeast China. Two sets of the same heat energy recycling system were used for ventilation in the experimental room，while negative pressure fan was used for ventilation in the control room. The results showed that the heat energy recycling system could increase the average temperature of fresh air by 2.19℃ compared with the control house. The average concentrations of NH3 and CO2 decreased significantly by 0.91 and 272 mg/m3，respectively （P<0.05），the removal rate of NH3 reached 55.96%;and the heat recovery efficiency reached 64.00%.In conclusion，the system can effectively improve the temperature in the broiler breeding house，but reduce the concentration of NH3 and CO2 in the house;it has high efficiency of heat recovery and deodorization，and also has good effect of energy saving and emission reduction.

Key words Broiler;Heat energy recycling system;Design;Application

基金项目 江苏省重点研发计划（现代农业）项目（BE2022379）;江苏省苏系肉鸡产业集群项目（SXRJ202302）;山东省科技型中小企业创新能力提升工程项目（2022TSGC1224）。

作者简介 左玲玲（1974—），女，辽宁朝阳人，经济师，从事畜禽养殖和绿色低碳发展研究。通信作者，研究员，从事家禽养殖环境控制研究。

收稿日期 2024-04-24；修回日期 2024-05-30

气候变化是目前全人类共同面临的巨大挑战。我国积极参与全球气候治理，从国家层面出台了一系列政策措施，为应对全球气候变化作出积极贡献。2021年，中共中央、国务院印发《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》［1］，要求“加快形成绿色生产生活方式。大力推动节能减排，全面推进清洁生产，加快发展循环经济，加强资源综合利用，不断提升绿色低碳发展水平”。 近年来，我国畜牧业不断加快转型升级，取得令人瞩目的成绩。2022年，我国肉类产量9 227 万t，禽蛋产量3 456 万t，牛奶产量3 932 万t，有效保障了人们对优质畜禽产品的消费需求［2］。随着国家政策要求的不断提高，绿色低碳已成为我国畜牧业发展的方向。一方面要优化畜禽养殖的能源供给方式，降低单位畜禽养殖的能源消耗量，特别是降低对化石能源的依赖，减少温室气体排放；另一方面要加强畜禽养殖污染治理，推进畜禽粪污资源化利用，减少畜禽养殖和粪污处理过程中NH3、H2S等有害气体的直接排放，降低对大气环境的污染。

在畜禽养殖上，在养殖前期或北方地区通常需要通过加温设备维持稳定的舍内环境。为有效利用舍内余温，降低能源消耗，同时对舍内废气进行净化处理，我国企业设计生产了热能资源循环利用设备，并在畜禽养殖场进行应用。陈昭辉等［3］设计生产了热回收通风系统并在犊牛舍进行应用效果分析，结果表明该系统可以保证良好的舍内环境和较高的能量回收效率，缓解冬季犊牛生产中通风与保温的矛盾；胡陈明等［4］搭建了封闭式鸡舍风能回收系统并进行应用成效分析，试验结果表明在养鸡舍尾端进行风能回收是可行的；李琴等［5］开展了华北地区冬季密闭兔舍显热回收通风系统的应用效果研究，提示热回收通风系统可以平衡热回收效率和通风需求的关系，满足畜舍大通风量及节能需求。在国外市场上，荷兰、美国等发达国家从2015年开始应用鸡舍热能资源循环利用设备，主要采用传统的湿法喷淋吸收工艺进行换热利用，热回收效率为40%～50%［6］；并利用传统加药工艺处理废气，降低NH3、CO2等排放。该研究利用先进的换热工艺、逆流喷淋、钛阳极除臭、空气能热泵及环境控制电控系统集成热能资源循环利用系统［7］，并以该系统为研究对象在肉鸡养殖场进行应用，分析热能资源循环利用系统对肉鸡舍温度、环境空气质量的影响以及热回收效率，为热能循环利用设备在畜牧业上的应用提供理论依据。

1 热能循环利用系统设计

1.1 工艺流程

通过自动化控制系统控制排风机，将鸡舍内废气引入换热系统，换热后剩余热量由蒸发系统吸收，热量回收后的新风经冷凝器放热升温后由进风风机引进鸡舍内；换热后废气进入钛阳极喷淋系统，利用电催化脱氨工艺［7］，经处理达到国家排放标准后排出设备（图1）。

1.2 设计机理

1.2.1 空气能机理。

制冷剂在蒸发器内汽化蒸发，将换热后废气余热蒸发吸收，经过空气压缩机，压缩机通过定熵压缩过程把制冷剂里的温度压力提升［8］；在冷凝器内制冷剂开始冷凝，由过热蒸汽状态变成饱和液态，过程中释放热量，预热后的新风温度随之升高；制冷剂经过节流阀，通过节流阀降压降温作用，废热进入蒸发器后发生汽化蒸发，过程依次循环，提升换热效率（图2）。

1.2.2 电催化脱氨工艺。

电催化与湿法脱氨过程相结合，可以有效提升吸收液对气相氨氮的吸收效率，实现液相吸收氨氮与电催化去除氨氮的同步处理过程。其中，电催化法是利用电场作用，使NH3直接在阳极板上发生氧化作用，进而实现氨氮向氮气的转化。在含氯吸收液中，电催化过程可产生强氧化性的次氯酸，次氯酸可有效氧化水体中的氨氮，其化学反应方程式如下：

2Cl-→ Cl2+2e-（1）

Cl2+H2O→HOCl + H++ Cl-（2）

2NH4+ + 3HOCl→N2 + 3H2O + 3Cl- + 5H+（3）

电催化电极：电极材料主要为DSA电极组，该设备采用钌钛电极［8］，具体见图3。

1.3 产品设计

1.3.1 产品结构。

热能循环利用系统结构见图4。

1.3.2 产品配置。热能循环利用系统的规格和主要配件参数见表1。

2 现场测试

2.1 肉鸡饲养情况

2023年1月13日在黑龙江省鹤岗市某肉鸡养殖场，选用2栋结构尺寸相同的鸡舍进行试验。鸡舍均为南北朝向，尺寸为120.0 m×16.0 m×3.5 m，墙体为24 cm厚砖墙，安装10 cm厚保温材料；采用3层层叠式笼养模式，养殖前期使用欧式暖风机供暖，饲养周期为38 d。试验舍采用2套热能循环利用系统进行机械通风，对照舍为常规风机负压通风。2栋鸡舍均饲养商品肉鸡30 000 只，每日07：00和17：00分别进行一次喂料，鸡只自由采食和饮水，常规饲养管理。

2.2 系统安装 鸡舍通风量根据肉鸡存栏数量和生长日龄等因素计算［9］，按照公式（4）计算。

L=l×n×m（4）

式中：L为鸡舍内需要总通风量（m3/h）；l为肉鸡需求通风量［m3/（kg·h）］，取0.9 m3/（kg·h）；n为存栏肉鸡数量（只）；m为肉鸡体重（kg/只）。

根据鸡舍通风需求，试验舍安装2套热能循环利用系统，分别为S1和S2，见图5。

2.3 试验方法

试验期间，试验舍和对照舍门窗全部关闭，试验舍热能循环利用系统全天开启，对照舍采用风机负压通风换气。肉鸡1～14日龄期间，开启热能循环利用系统的辅助加热功能，从15日龄开始关闭。在试验舍热能循环利用系统的送风管两侧和对照舍同等位置均匀布置8个监测点，在舍外布置1个监测点，所有监测点距离地面高度均为1.6 m。在所有监测点安装温度、CO2、NH3传感器，通过鸡舍环境控制系统自动记录数据，每3 min记录一次数值。分别于本批次肉鸡饲养的第1、8、15、22、29和36日龄连续24 h测定设备新风、旧风的入口和出口温度以及CO2、NH3浓度。采用热线式风速仪（MODE-6004）测定设备4个风口风速。试验选取每日00：00、06：00、12：00和18：00监测数据进行分析。

2.4 数据分析

热能回收效率是实际传热量与理论最大传热量的比值，是判断热能循环利用系统性能高低的主要指标，决定设备的实用性和经济效益。一般采用显热回收效

率表示，按照公式（5）计算。

η=ms（T1-T2）mp（T1-T3）（5）

式中：η为显热回收效率（%）；T1为新风入口温度（℃）；T2为新风出口温度（℃）；T3为旧风入口温度（℃）；ms为送风量（m3/h）；mp为排风量（m3/h）。

试验数据用Excel进行整理，采用SPSS软件进行均值和单因素方差分析。

3 结果与分析

3.1 温度变化 从试验舍、对照舍和舍外温度变化情况（图6）可以看出，试验期间，舍外日平均温度为-21.13 ℃，平均日最高温度为-10.60 ℃，平均日最低温度为-26.80 ℃；试验舍日平均温度为21.83～27.15 ℃，平均为24.26 ℃；对照舍日平均温度为19.35～25.75 ℃，平均为22.07 ℃。试验舍与对照舍、舍外温度的最大温差分别为5.28和50.80 ℃，试验舍日平均温度显著高于对照舍2.19 ℃（P<0.05）。

3.2 有害气体浓度分析

从试验舍和对照舍各个时刻NH3和CO2浓度（表2）可以看出，试验舍4个时刻的NH3、CO2浓度之间均有明显差异，其中00：00的NH3、CO2浓度均显著小于其他3个时刻（P<0.05）。对照舍4个时刻的NH3、CO2浓度之间也有明显差异，其中06：00和12：00的NH3浓度显著高于其他时刻（P<0.05），而00：00的CO2浓度显著小于其他时刻（P<0.05）。试验舍NH3浓度平均为3.86 mg/m3，显著低于对照舍0.91 mg/m3；CO2浓度平均为3 088 mg/m3，显著低于对照舍272 mg/m3。

试验舍旧风处理前后NH3浓度变化情况见表3。由表3可知，试验舍各个时刻的NH3经热能循环利用系统处理后，其浓度显著下降（P<0.05），处理前、后NH3的平均浓度分别为3.86和1.70 mg/m3，去除率达55.96%。

3.3 热回收效率分析

从热能循环利用系统的热回收效率情况（表4）可以看出，系统S1的送风量、排风量分别为423和642 m3/h，系统S2的送风量、排风量分别为378和557 m3/h，都能做到均匀送风，能够满足该鸡舍冬季的通风需求。通过计算，该系统的新风入口温度为-21.09 ℃，新风出口温度为23.09 ℃，旧风入口温度为25.07 ℃，旧风出口温度为10.96 ℃，热回收效率为64.00%。

4 讨论

4.1 舍内环境参数变化分析

鸡舍内环境是影响肉鸡生产性能的重要因素［5］，主要包括温度、湿度、有害气体（NH3和CO2）等指标。近年来，随着我国肉鸡养殖装备的不断发展及土地资源的短缺，立体笼养已成为我国肉鸡养殖的主要模式，但这种模式难以实现舍内环境参数的精准控制，如果控制不当将会影响肉鸡的健康水平和生产性能，就会影响肉鸡养殖的经济效益。该试验中，试验舍和对照舍均能够为肉鸡养殖提供稳定舒适的温度［10］，但试验舍温度变化范围更小，说明热能循环利用系统能够为肉鸡提供更稳定的环境温度，降低了温度波动幅度，这与孙元昊等［11］、李福伟等［12］的研究结果一致，而与陈昭辉等［3］的试验报道相反，可能是试验畜种及圈舍设计等不同所致。

4.2 有害气体浓度变化分析

肉鸡养殖过程中会产生大量的NH3、CO2等有害气体，如果处理不当将会造成肉鸡的应激反应，严重时影响肉鸡采食和生产性能。孙元昊等［11］在冬季育雏舍中使用热回收通风系统发现，试验组和对照组以及各个监测时刻间的有害气体浓度存在显著差异，且试验组的有害气体浓度显著低于对照组，但均未超过鸡舍环境质量标准的规定限值，与该试验研究结果一致。可能是由于目前肉鸡养殖均采用传动带清理鸡粪，每日及时将鸡粪清理出鸡舍，大幅降低了NH3产生量，保障了舍内良好的空气质量。试验舍旧风经热能循环利用系统处理后，NH3浓度显著下降，去除率达55.96%。目前热能循环利用系统的臭气处理工艺大多在研究开发过程中，鲜见相关文献报道。

4.3 热回收效率分析

在寒冷地区畜禽养殖过程中，冬季通风导致的热损失通常占整体热损失的80%以上［13］。为降低能耗和经济损失，热能循环利用技术逐渐成为国内外研究人员重点关注的节能减排技术。据报道，热能循环利用系统的热回收效果与当地气候关系密切，当室内外温差越大时，热回收效果越好［14］。该试验中，在鸡舍内外温差达到50.8 ℃的情况下，使用小风量可将新风温度从-21.09 ℃提升至23.09 ℃，既将旧风中的部分热量回收利用用于加热新风，又降低了肉鸡养殖设备能耗和舍内有害气体含量，改善了舍内空气环境质量，有助于提高肉鸡的生产性能和经济效益［15］。

5 结论

（1）热能循环利用系统可以有效改善寒冷地区肉鸡养殖舍内环境，可显著提高舍内温度2.19 ℃；使舍内NH3和CO2浓度明显下降，NH3去除率达55.96%。

（2）热能循环利用系统的热回收效率达64.00%，具有良好的节能减排效果。

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