縱向通風(fēng)籠養(yǎng)雞舍氣流組織及熱濕環(huán)境研究

翟耀芳等

摘要：隨著養(yǎng)殖業(yè)向高度集約化方向發(fā)展，雞舍內(nèi)微氣候環(huán)境對(duì)雞的生產(chǎn)、生活性能有日漸重要的影響。本研究利用多孔介質(zhì)模型將單個(gè)雞籠及其雞體簡(jiǎn)化為一個(gè)具有相同阻力特性的長(zhǎng)方體，采用數(shù)值模擬方法研究了密閉式籠養(yǎng)蛋雞舍內(nèi)的氣流組織及熱濕環(huán)境。結(jié)果表明：在進(jìn)口端氣流不穩(wěn)定，存在渦流，經(jīng)過(guò)一段距離后達(dá)到穩(wěn)定，氣流間相互影響變?。辉陔u籠范圍內(nèi)，溫度和濕度沿高度和寬度方向分布較為均勻，溫度沿縱向逐漸上升，相對(duì)濕度則逐漸下降。因此，為了使縱向通風(fēng)能更好發(fā)揮作用，必須采取措施改善其氣流組織。

關(guān)鍵詞：縱向通風(fēng)；籠養(yǎng)蛋雞舍；計(jì)算流體力學(xué)；氣流組織；熱濕環(huán)境

中圖分類(lèi)號(hào)： TU264+.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2014）03-0337-06

雞舍內(nèi)微氣候環(huán)境包括氣流組織、溫度、相對(duì)濕度等，對(duì)雞的生產(chǎn)、生活性能有重要影響。由于養(yǎng)雞業(yè)向高密度、集約化發(fā)展，目前我國(guó)多數(shù)集約化蛋雞養(yǎng)殖場(chǎng)存在舍內(nèi)微環(huán)境不穩(wěn)定、空氣污濁、粉塵較大、缺乏現(xiàn)代化設(shè)施、環(huán)境控制能力差、存在疾病隱患等問(wèn)題[1]。通風(fēng)是密閉式雞舍內(nèi)環(huán)境調(diào)控的重要手段，良好的通風(fēng)對(duì)改善舍內(nèi)熱環(huán)境條件和空氣質(zhì)量，提高雞的健康和生產(chǎn)水平有重要作用。與傳統(tǒng)橫向通風(fēng)方式相比，縱向通風(fēng)方式由于具有更高的通風(fēng)效率、氣流速度，且噪音更低，加上污濁空氣便于集中消毒，相鄰雞舍間交叉污染少，從而在近年來(lái)的雞舍設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。李保明對(duì)縱向通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行了研究，分別討論了雞舍縱向通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)換氣量與舍內(nèi)風(fēng)速取值、進(jìn)氣口面積與位置的確定，風(fēng)機(jī)的選型及其不同季節(jié)的運(yùn)行管理等問(wèn)題[2]。但調(diào)查顯示，采用縱向通風(fēng)的雞舍并不能達(dá)到滿意的效果，主要影響因素包括進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(jì)、風(fēng)機(jī)配置及安裝、過(guò)流斷面及漏風(fēng)問(wèn)題等，這些因素都會(huì)影響舍內(nèi)的氣流組織[3]，因此，研究舍內(nèi)氣流組織對(duì)縱向通風(fēng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有重要意義。

目前關(guān)于籠養(yǎng)雞舍通風(fēng)效果的研究主要集中于試驗(yàn)方法[4-8]。由于安裝測(cè)試儀器及設(shè)備以及人員進(jìn)出會(huì)影響雞群的生產(chǎn)和生活，導(dǎo)致試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)雞舍數(shù)量及舍內(nèi)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)有限，另外監(jiān)測(cè)儀器也存在不可避免的干擾。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)（computer fluid dynamic，CFD）方法由于能得到計(jì)算區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)，且后處理組件可以給出可視化結(jié)果，直觀反映流速或溫度的變化分布，其應(yīng)用越來(lái)越廣。目前在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，CFD方法在溫室[9]、豬舍[10-12]、牛舍[13]通風(fēng)系統(tǒng)的研究中得到很好應(yīng)用；由于平養(yǎng)雞舍內(nèi)設(shè)備較少，計(jì)算模型較為簡(jiǎn)單，CFD方法也在平養(yǎng)雞舍方面得到推廣[14-16]。而籠養(yǎng)雞舍由于其設(shè)備的復(fù)雜性，應(yīng)用CFD方法很少，且一般多采用二維模型[17-18]。本研究采用CFD方法研究中等規(guī)模疊層籠養(yǎng)蛋雞舍內(nèi)的縱向通風(fēng)系統(tǒng)，分析雞舍內(nèi)的氣流組織及熱濕環(huán)境的三維分布，旨在為疊層籠養(yǎng)蛋雞舍的縱向通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 標(biāo)準(zhǔn)雞舍的建立

根據(jù)調(diào)研及文獻(xiàn)查閱結(jié)果，目前蛋雞舍的飼養(yǎng)規(guī)模大致可分為3種：起步階段存欄2 000～5 000羽，中等規(guī)模飼養(yǎng)階段存欄1萬(wàn)～5萬(wàn)羽，大規(guī)模飼養(yǎng)階段存欄10萬(wàn)羽以上，每棟雞舍最大飼養(yǎng)規(guī)模的推薦值為1.5萬(wàn)～2萬(wàn)羽。本研究將建立1個(gè)中等規(guī)模、采用縱向通風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)雞舍，即存欄1萬(wàn)羽蛋雞，雞舍總長(zhǎng)67 m，跨度12 m，檐高3.2 m。雞舍內(nèi)采用2列4層的雞籠。

1.1 縱向通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

通風(fēng)換氣量根據(jù)雞舍內(nèi)斷面風(fēng)速進(jìn)行確定，取斷面風(fēng)速為1.5 m/s[2]，則雞舍內(nèi)換氣量為：1.5×12×3.2=57.6 m3/s。采用6臺(tái)SFT-No10型號(hào)的風(fēng)機(jī)，額定風(fēng)量為32 100 m3/h，安裝在一側(cè)山墻上。進(jìn)風(fēng)口面積按風(fēng)機(jī)面積的2倍確定，以減少進(jìn)氣口阻力，風(fēng)機(jī)和進(jìn)風(fēng)口分設(shè)在兩側(cè)山墻上[2]，具體布置見(jiàn)圖1。

1.2 雞籠和雞體模型的建立

為了計(jì)算雞籠和雞體對(duì)氣流組織的影響，應(yīng)盡量使模型與實(shí)際情況相符合，但若按雞籠和雞體的實(shí)際尺寸建立模型，須要?jiǎng)澐值木W(wǎng)格數(shù)量很大，迭代過(guò)程很長(zhǎng)，而且會(huì)影響迭代過(guò)程的收斂性。目前在模擬障礙物對(duì)氣流組織的影響時(shí)，多采用多孔介質(zhì)模型[19-21]。張?zhí)熘仍谀M二維雞舍的氣流組織時(shí)，也采用了多孔介質(zhì)模型簡(jiǎn)化舍內(nèi)雞籠對(duì)氣流的阻力作用[17]。本研究將單個(gè)雞籠簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)模型，設(shè)定其阻力系數(shù)來(lái)表示雞體對(duì)空氣流動(dòng)的阻礙作用。由于雞籠在3個(gè)方向上對(duì)空氣的阻力特性均不同，所以應(yīng)分別計(jì)算3個(gè)方向的阻力系數(shù)。

多孔介質(zhì)模型采用經(jīng)驗(yàn)公式定義多孔介質(zhì)上的流動(dòng)阻力。從本質(zhì)上說(shuō)，多孔介質(zhì)模型是在動(dòng)量方程中增加了1個(gè)代表動(dòng)量耗散的源項(xiàng)以模擬多孔介質(zhì)的作用。源項(xiàng)由2部分組成：黏性損失項(xiàng)，即方程（1）右端第1項(xiàng)；慣性損失項(xiàng)，方程（1）右端第2項(xiàng)。

3 模擬結(jié)果

通過(guò)計(jì)算得出，雞舍內(nèi)平均風(fēng)速為1.4 m/s，與前面的理論計(jì)算值的相對(duì)誤差為6.7%，在可接受范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。雞舍內(nèi)平均溫度為31.72 ℃，而從熱應(yīng)激的角度看，21～26 ℃是雞的舒適環(huán)境溫度范圍，26～32 ℃是不太舒適、但能維持正常生理功能的環(huán)境溫度范圍，高于32 ℃是雞生理功能區(qū)域紊亂的溫度范圍[23]。31.72 ℃的平均溫度可以維持蛋雞的基本生理功能，但為了保證其生產(chǎn)能力，還是應(yīng)該采取輔助降溫措施將舍內(nèi)溫度降至25 ℃以下。蛋雞的適宜相對(duì)濕度為60%，但相對(duì)濕度為45%～70%對(duì)蛋雞的生產(chǎn)性能影響不大。本研究計(jì)算得出的平均相對(duì)濕度為66%，能夠滿足雞生長(zhǎng)所需的濕度環(huán)境。

3.1 1.5 m高度處的氣流組織及溫度、濕度分布

研究了第3層雞籠中心高度處即1.5 m處的氣流組織及熱濕環(huán)境分布。從圖4中可以清晰地看到，在雞舍進(jìn)風(fēng)端存在一段距離的渦流，該距離大約為8 m左右，經(jīng)過(guò)這段距離后，流線達(dá)到穩(wěn)定，平直向前；在雞舍末端，由于風(fēng)機(jī)的抽吸作用，流線又匯到一起，最終經(jīng)由風(fēng)機(jī)流出。通過(guò)分析風(fēng)速矢量圖得出，雞舍內(nèi)流場(chǎng)的大部分區(qū)域氣流分布穩(wěn)定，相互間干擾較小。

從圖5可以看出，進(jìn)口端的風(fēng)速梯度較大，在達(dá)到y(tǒng)=18 m 的距離后，風(fēng)速基本保持不變，中間走廊的平均風(fēng)速可達(dá)1 m/s，兩側(cè)走廊的風(fēng)速高于中間走廊，為1.5 m/s，而在雞所處的位置，風(fēng)速僅為0.5 m/s。雖然雞舍的平均風(fēng)速達(dá)到 1.4 m/s 左右，基本滿足設(shè)計(jì)要求，但在雞籠中間部位的風(fēng)速遠(yuǎn)不能滿足斷面風(fēng)速為1.5 m/s的要求，這可能是由于雞舍前端存在渦流，使一部分新風(fēng)停滯不前，有效利用的新風(fēng)量減少，從而減少了斷面風(fēng)速。因此在設(shè)計(jì)雞舍縱向通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，

應(yīng)采取有效措施盡量減少雞舍前端渦流的存在，使通風(fēng)盡可能被有效利用。

從圖6可以看出，沿長(zhǎng)度方向雞舍內(nèi)溫度逐漸升高。在寬度方向上，雞所處位置由于有熱源存在，溫度相對(duì)走廊處的要高，且中間雞籠處的溫度要低于兩側(cè)雞籠，這可能是由于雞舍前端存在渦流，而中間位置處渦流范圍較大，氣流分布較為均勻，使得該處溫度梯度較小，即溫升小，導(dǎo)致該部分中間雞籠處溫度低于兩側(cè)雞籠，而由于雞舍中部氣流之間相互干擾較小，兩側(cè)氣流對(duì)中間的影響較小，導(dǎo)致沿雞籠的整個(gè)長(zhǎng)度方向中間雞籠的溫度都低于兩側(cè)雞籠。

從圖7可見(jiàn)，雞舍內(nèi)相對(duì)濕度分布與溫度分布類(lèi)似，與其不同的是，沿長(zhǎng)度方向雞舍內(nèi)相對(duì)濕度逐漸減小。在寬度方向上，雞所在位置的相對(duì)濕度低于走廊處的相對(duì)濕度，中間雞籠處的相對(duì)濕度高于兩側(cè)雞籠。相對(duì)濕度的大小主要取決于舍內(nèi)空氣含濕量及溫度。對(duì)照溫度分布云圖可以得出，雞的散濕量對(duì)舍內(nèi)相對(duì)濕度的影響較小，相對(duì)濕度變化主要受溫度的影響，溫度越高，相對(duì)濕度越低。

不同高度處水平面的氣流組織及溫度、濕度分布云圖情況類(lèi)似，因此不詳細(xì)列出。

3.2 不同高度處氣流組織分布差異

由于雞舍沿寬度方向是對(duì)稱的，所以只對(duì)其一半進(jìn)行研究即可。取3個(gè)具有代表性的截面進(jìn)行研究，分別為x=225 m（第1排雞籠中間位置），x=4.00 m（走道中間位置），x=5.75 m（第2排雞籠中間位置），具體位置如圖8所示。

由于雞舍內(nèi)通風(fēng)主要是為了滿足雞的生產(chǎn)生活，因此在長(zhǎng)度方向上主要研究雞籠存在的范圍，即y為3～64 m的范圍。從圖9至圖11可以看出，垂直平面x=2.25、5.75 m的充分發(fā)展段內(nèi)，風(fēng)速沿長(zhǎng)度方向即y方向的分布相似。在雞籠存在的高度范圍內(nèi)，包括z=0.5、1、1.5、2 m，其風(fēng)速沿長(zhǎng)度方向均保持不變，且4個(gè)高度處的風(fēng)速差別不大，平均速度在0.7m/s左右。在x=2.25m的截面處，在其入口端，由于受渦流的影響，風(fēng)速分布不穩(wěn)定，部分位置處風(fēng)速較大，容易給雞造成較強(qiáng)的吹風(fēng)感，應(yīng)對(duì)這部分氣流組織進(jìn)行優(yōu)化，提高雞的舒適性。在x=5.75 m的截面處，其前部分正好處于渦流中心處，風(fēng)速較小，在y=7 m左右的位置，風(fēng)速接近于0，這對(duì)雞的散熱是不利的，故這部分氣流組織也應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化。在 x=4.00 m 處由于沒(méi)有安置雞籠，其風(fēng)速分布與其他2個(gè)截面處有所不同。在充分發(fā)展段內(nèi)，風(fēng)速在高度方向呈上升趨勢(shì)，且平均速度高于其他2個(gè)截面。2 m高度以下風(fēng)速低于 2 m/s，不會(huì)引起雞的不舒適，故這部分氣流基本滿足要求。

3.3 不同高度處溫度、濕度分布差異

雞舍內(nèi)溫度分布受到熱源即雞的散熱量以及風(fēng)速的影響。由圖12-a、圖13-a、圖14-a可見(jiàn)，沿高度方向，雞舍內(nèi)溫度呈下降趨勢(shì)，在雞籠高度范圍內(nèi)，溫度沿高度方向的梯度較小，這是由于位置較高處的風(fēng)速較大。在散熱量一定的情況下，風(fēng)速越大，其帶走的熱量越多，熱量在熱源處累積的量就小，故溫度較低。另外發(fā)現(xiàn)，在雞籠高度范圍內(nèi)的溫度差異不是很大，這與風(fēng)速的分布是對(duì)應(yīng)的。在y=40 m之后，雞舍溫度達(dá)到了32 ℃以上，不能滿足雞的正常生理需求溫度，因此在采取輔助降溫措施時(shí)，應(yīng)將重點(diǎn)放在y=40 m之后的范圍。

從圖12-b、圖13-b、圖14-b中可以看出，沿高度方向，雞舍內(nèi)相對(duì)濕度逐漸升高，這與溫度分布剛好呈相反趨勢(shì)，且在雞籠高度范圍內(nèi)相對(duì)濕度分布差異不是很大，這與前述相對(duì)濕度受室內(nèi)溫度影響較大的結(jié)果一致。在整個(gè)雞舍內(nèi)相對(duì)濕度均能滿足雞舒適生長(zhǎng)所需的濕度環(huán)境。

4 結(jié)論

采用CFD方法研究了縱向通風(fēng)技術(shù)在疊層籠養(yǎng)蛋雞舍

的應(yīng)用效果。結(jié)果表明，雞舍內(nèi)平均溫度為31.72 ℃，平均相對(duì)濕度為66%，平均風(fēng)速為1.4 m/s，為了滿足雞的正常生產(chǎn)需求，還應(yīng)采取一定的降溫措施。在雞籠位置范圍內(nèi)，氣流和熱濕環(huán)境在高度和寬度方向分布較為均勻；而沿長(zhǎng)度方向溫度升高1.5 ℃，相對(duì)濕度降低5%；在氣流達(dá)到穩(wěn)定后走道平均風(fēng)速為1 m/s，雞籠附近平均風(fēng)速為0.5 m/s。本研究還發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題：（1）在氣流入口端風(fēng)速過(guò)大，有些地方達(dá)到 6 m/s，這對(duì)雞的生長(zhǎng)極為不利；（2）在2個(gè)進(jìn)風(fēng)口之間由于存在渦流，使新風(fēng)的有效利用率下降；（3）若只采用縱向通風(fēng)技術(shù)對(duì)雞舍進(jìn)行降溫，為了滿足雞的正常生理需求，在其他條件不變的情況下，雞舍長(zhǎng)度應(yīng)小于40 m。綜上，在該雞舍內(nèi)單獨(dú)采用縱向通風(fēng)技術(shù)不能滿足雞正常生產(chǎn)所需的溫度環(huán)境，還應(yīng)采取輔助降溫措施。由于氣流對(duì)雞舍內(nèi)熱濕環(huán)境的分布具有重要影響，對(duì)氣流分布較差的地方應(yīng)加以改善。

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