自然通風豬舍高壓噴霧降溫系統(tǒng)的降溫效率

周忠凱， 李 輝， 秦 竹， 孫 倩， 顧洪如， 夏禮如， 余 剛

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)設施與裝備研究所，江蘇 南京 210014； 2.農(nóng)業(yè)部長江中下游設施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室,江蘇 南京 210014； 3.江蘇省農(nóng)業(yè)科學院畜牧研究所，江蘇 南京 210014)

空氣溫濕度是影響生豬生長和健康的主要因素，特別是夏季由于缺乏必要的降溫措施，高溫環(huán)境使生豬遭受長時間的熱應激，導致生豬活動量和采食量減少、飲水增加、生長緩慢,甚至出現(xiàn)負增重等熱應激反應[1-2]，嚴重影響生豬的物質(zhì)和能量代謝等生理過程[3]。此外，近年來由于氣候變化導致極端炎熱氣候出現(xiàn)頻次的增加[4-5]，對集約化生產(chǎn)條件下生豬的健康以及生產(chǎn)性能產(chǎn)生不利的影響。有研究結果表明當舍內(nèi)環(huán)境溫度高于26.1 ℃時，為維持舍內(nèi)適宜的溫度，需要使用降溫系統(tǒng)[6]，但同時濕度需要控制在80%以下[7]，以提高生豬的生產(chǎn)效率。

為改善夏季高溫對生豬的影響，目前對豬舍降溫管理措施進行了大量的研究，由于豬舍的結構類型以及養(yǎng)殖模式的不同降溫方式的選擇存在很大的差異。其中，夏季密閉式機械通風畜禽舍通常采用負壓風機-濕簾降溫方式[8-9]和水空調(diào)方式[10]，但該設備的應用對豬舍的密閉隔熱性要求較高。自然通風豬舍采用的降溫方式主要有滴水降溫、噴淋降溫和霧化降溫等[11]，以上3種降溫措施都采用了蒸發(fā)降溫的原理，與機械制冷方法相比，由于其投資運行費用較低，目前被廣泛采用。其中，滴水降溫與噴淋降溫主要通過淋濕生豬體表，通過體表水的蒸發(fā)帶走熱量降低豬體溫度，而滴水降溫主要應用于單體定位飼養(yǎng)的公豬和分娩母豬舍，噴淋降溫方式主要應用于成豬舍，同時需要使用較多的水資源。霧化降溫方式，由于霧滴直徑較小，不打濕地面，在空氣濕度較低的條件下，具有較好的降溫效果，在自然通風豬舍內(nèi)被廣泛采用，目前主要霧化方式有噴霧冷風機降溫[12-13]和高壓噴霧降溫等方式[14-15]。有研究結果顯示[14]，高壓噴霧降溫系統(tǒng)的壓力大于5 MPa時，即使豬舍內(nèi)相對濕度較高，噴霧霧滴仍然具有較好的蒸發(fā)特性，同時可降低生豬呼吸頻率和呼吸水分的蒸發(fā)，有效降低生豬遭受的熱應激反應。由于噴霧系統(tǒng)的降溫效果和霧滴的蒸發(fā)特性受到空氣的溫度、相對濕度、噴霧水體溫度以及空氣流動的影響[16]，同時采用高壓噴霧降溫措施的豬舍由于建筑結構和覆蓋材料保溫隔熱性能的差異，導致相同降溫管理措施在豬舍中的降溫效果不同，從而對夏季自然通風豬舍的降溫管理提出更高的要求。

本研究通過分析高壓噴霧降溫系統(tǒng)在中國東部地區(qū)夏季炎熱季節(jié)的適用性,對自然通風大棚發(fā)酵床豬舍夏季在不同氣候條件下的降溫效率，以及噴霧過程對舍內(nèi)濕熱環(huán)境的影響，為該地區(qū)規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場(小區(qū))自然通風發(fā)酵床豬舍選擇合理的夏季降溫管理措施提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗豬舍

在梅雨季節(jié)過后，于 2015年7月31日至2015年9月24日在江蘇省農(nóng)業(yè)科學院六合動物科學試驗基地發(fā)酵床豬場(經(jīng)緯度為：32°29′ N，118°37′ E；海拔：15 m)進行。選擇2棟半鐘樓結構發(fā)酵床豬舍，分別設為試驗豬舍(噴霧)和對照豬舍(無噴霧)，其主要結構類型及尺寸見圖1a。豬舍采用鋼架結構，表面由塑料薄膜和遮陽網(wǎng)覆蓋，采用自然通風方式，通過控制門D1～D2和卷簾S1～S3的開關來控制豬舍通風口O1～O3進行通風換氣。試驗豬舍生豬養(yǎng)殖量為54 頭，測試開始和結束時的生豬體質(zhì)量分別為45.5 kg和84.5 kg，分為4欄飼養(yǎng)，每欄設有1個飲水槽和1個飼料槽(圖1b)。試驗期間豬舍通風口全開，生豬飼養(yǎng)采用自由采食方式，飲水采用鴨嘴式自動飲水系統(tǒng)。

1.2 高壓噴霧降溫系統(tǒng)的建立

集約化高壓噴霧裝置委托青島昌潤空氣凈化設備有限公司制造，系統(tǒng)由進水過濾器、貯水箱、可調(diào)壓力的高壓柱塞泵、回水管路、電機和電子控制系統(tǒng)、高壓噴霧管路及噴嘴組成，系統(tǒng)供水28 L/min，多余的水由回水管路返回貯水箱，采用地下水水源(平均水溫16.0 ℃)。該高壓噴霧系統(tǒng)的1臺高壓噴霧主機可對9棟豬舍進行高壓噴霧降溫，設備投資較低。高壓噴霧主機功率為2.2 kW，工作壓力5.5 MPa。選擇單路管路，管路安裝在睡臺的上方，距床體 2.0 m(圖1)。選擇2 號高壓噴頭，直徑為0.3 mm，單噴頭模式，間隔1.15 m，噴頭噴霧量為5.45 L/h。高壓噴霧主機的循環(huán)間隔時間為 5 min，其中噴霧運行 2 min，停止 3 min。本研究中高壓噴霧系統(tǒng)累計使用32 d。

D1～D2：控制門；S1～S3：卷簾；O1～O3：通風口。圖1 試驗豬舍結構示意圖Fig.1 Schematic depiction of the pig barn

1.3 環(huán)境指標的測定

1.4 高壓噴霧降溫系統(tǒng)的降溫效率計算模型

高壓噴霧降溫效率的計算[17-18]參照公式(1)：

(1)

式中ncool為高壓噴霧系統(tǒng)的降溫效率，Tunfog.dbi為無噴霧豬舍內(nèi)干球溫度(℃)，Tfog.dbi為噴霧豬舍內(nèi)干球溫度(℃)，Tfog.wbi為噴霧豬舍內(nèi)濕球溫度(℃)。濕球溫度的計算參考Stull[19]的換算方法，詳見公式(2)：

Twbi/o=Ti/oatan[0.151 977(RHi/o+8.313 659)1/2]+

atan(Ti/o+RHi/o)-atan[RHi/o-1.676 331]+

0.003 918RHi/o3/2atan(0.023 101RHi/o)-

4.686 035

(2)

式中，Ti/o為舍內(nèi)或舍外溫度(℃)，RHi/o為舍內(nèi)或舍外相對濕度(%)。

③墊層區(qū)。該區(qū)為面板下墊層料，水平寬度4 m，采用砂礫料場篩分料。特殊墊層區(qū)位于周邊縫下部，其作用是利用反濾周邊縫滲漏水流中的上游鋪蓋區(qū)土料，阻塞滲漏通道。

舍內(nèi)外空氣中水汽含量的計算見公式(3)與公式(4)：

(3)

(4)

式中，Wi/o為舍內(nèi)或舍外空氣中水汽含量(g/kg)，Patm為大氣壓(Pa)，Psat為飽和蒸汽壓(Pa)。

1.5 熱應激指標計算模型

為確定高壓噴霧降溫系統(tǒng)對豬舍內(nèi)環(huán)境的影響，選擇溫濕度指數(shù)(THI)、熱負荷指數(shù)(DailyTHI-hrs)和綜合氣候指數(shù)(CCI)3種指標對舍內(nèi)的熱環(huán)境狀況進行分析。THI計算參考NOAA的推薦方法[20]，該方法已經(jīng)廣泛應用于畜禽養(yǎng)殖濕熱環(huán)境的評估[21-24]，詳見公式(5)：

THI=[(1.80Ti/o)+32.00]-[0.55(RHi/o/100.00)]· [(1.80Ti/o+32.00)-58.00]

(5)

生豬熱應激狀態(tài)通常分為4類：當THI<75時，無熱應激；當75≤THI≤78時，為中等熱應激；當79≤THI≤83時，為嚴重熱應激；當THI≥84時，為極端嚴重熱應激。舍內(nèi)不同熱應激狀況由4類應急狀態(tài)的THI分布比例確定。

熱負荷指標[25-26]主要揭示噴霧豬舍與無噴霧豬舍內(nèi)熱應激的強度和持續(xù)時間，計算方法見公式(6)：

(6)

式中，DailyTHI-hrs為每日熱負荷，THI′為每1 h的溫濕度指數(shù)值，base為不存在熱應激的域值(75)。

綜合氣候指數(shù)是綜合考慮空氣溫度、濕度、風速和太陽輻射4個因素計算的溫度值，計算方法見公式(7)：

CCI=Ti/o+RHcf+WScf+RADcf

(7)

式中，CCI為綜合氣候指數(shù)(℃)，RHcf為濕度相關因子，WScf為風速相關因子，RADcf為太陽輻射相關因子。濕度、風速以及太陽輻射相關因子的計算方法參考Mader等研究[27]，由于豬舍覆蓋遮陽網(wǎng)，遮陽網(wǎng)的遮光率(φ)和投射率(τs)分別為0.86和0.10，豬舍內(nèi)的太陽輻射照度根據(jù)太陽總輻射照度的25%計算[28]。

1.6 數(shù)據(jù)整理及統(tǒng)計分析

為確定不同大氣溫度條件下，高壓噴霧系統(tǒng)的降溫效率及對環(huán)境的影響，將整個試驗期間的測試數(shù)據(jù)，按照舍外大氣溫度數(shù)據(jù)進行分組，分別是：Ⅰ組舍外溫度為 25～27 ℃；Ⅱ組為 28～30 ℃；Ⅲ組為 31～33 ℃；Ⅳ組為 34～36 ℃。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SAS9.03軟件(SAS Institute Inc., Cary, NC, USA) PROC GLM程序進行，采用Tukey檢驗法，對不同豬舍內(nèi)外的溫度和濕度平均值進行兩兩比較，分析其差異顯著性，顯著水平為P<0.05。

2 結果與分析

2.1 噴霧豬舍內(nèi)溫濕度的變化

試驗測試期間 8∶0～18∶00舍外氣象數(shù)據(jù)見表1。經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，2015年7月31日—2015年9月24日，大氣日平均氣溫在Ⅰ組、Ⅱ組、Ⅲ組和Ⅳ組區(qū)間的天數(shù)分別為4 d、4 d、30 d 、15 d，其中日均溫度小于25 ℃的為3 d。

表1試驗期間(8∶0～18∶00)氣象數(shù)據(jù)

Table1Meteorologicaldataduringthetestperiod(8∶0-18∶00)

變 量平均值標準差最小值最大值氣溫(℃)30.74.221.737.2太陽輻射(W/m2)511114341008空氣濕度(%)61.66.348.490.0風速(m/s)2.480.4404.09風向(?)173710286W*o-Wo(kg/kg)11.64.21.822.4

舍內(nèi)外溫濕度差異性比較見圖2。舍外日平均溫度 25～36 ℃條件下，噴霧豬舍內(nèi)平均溫度和濕度分別為29.4 ℃和72.2%，舍外分別為30.7 ℃和61.6%，無噴霧豬舍內(nèi)分別為 35.6 ℃和48.3%，無噴霧豬舍內(nèi)溫度顯著高于噴霧豬舍和舍外溫度(P<0.05)；舍外溫度條件在 31～36 ℃時噴霧豬舍內(nèi)溫度顯著低于舍外溫度(P<0.05)，而舍外溫度在 25～30 ℃時噴霧豬舍內(nèi)與舍外溫度的差異不顯著(P>0.05)。無噴霧豬舍內(nèi)濕度顯著低于噴霧豬舍內(nèi)和舍外濕度(P<0.05)，其中，在舍外溫度 31～36 ℃時，噴霧豬舍內(nèi)濕度顯著高于舍外濕度(P<0.05)，而在舍外溫度為 25～30℃時噴霧豬舍內(nèi)與舍外濕度的差異不顯著(P>0.05)。

圖2 噴霧豬舍內(nèi)外溫濕度差異(8∶0-18∶00)Fig.2 Temperature and humidity difference in the fogged and un-fogged pig barn (8∶0-18∶00)

a：豬舍外溫度34～36 ℃；b：豬舍外溫度31～33 ℃；c：豬舍外溫度28～30 ℃；d：豬舍外溫度25～27 ℃。圖3 使用高壓噴霧期間豬舍內(nèi)外溫度與濕度指標變化Fig.3 Changes of the temperatures and relative humidity in the fogged and un-fogged pig barn

試驗期間噴霧豬舍溫度比無噴霧的豬舍平均降低6.2 ℃，最高降低10.5 ℃，最低降低0.7 ℃；噴霧豬舍內(nèi)濕度比無噴霧豬舍平均增加了23.9個百分點，最高增加41.1個百分點，最低增加5.4個百分點(圖3)。

2.2 高壓噴霧降溫系統(tǒng)的降溫效率

圖4顯示，不同舍外溫度條件影響高壓噴霧系統(tǒng)的降溫效率，整個試驗期間降溫效率為 18.4%～89.2%，平均為59.1%。其中，舍外平均溫度為 31～33 ℃和 34～36 ℃時噴霧降溫系統(tǒng)的平均降溫效率分別為64.2%和65.2%，差異不顯著(P>0.05)，顯著高于舍外平均溫度為 28～30 ℃和 25～27℃時的56.9%和50.2%(P<0.05)。說明隨著舍外溫度的降低噴霧降溫系統(tǒng)的降溫效率呈現(xiàn)下降的趨勢。

不同字母表示差異達到0.05顯著水平。圖4 不同舍外溫度條件下高壓噴霧系統(tǒng)的降溫效率Fig.4 Cooling efficiency of the high-pressure fogging system under different outside temperature conditions

圖5 高壓噴霧系統(tǒng)降溫效率與大氣中水汽含量差值的相關關系Fig.5 The relationship between the cooling efficiency of high-pressure fogging system and difference of moisture content

2.3 噴霧豬舍溫濕度指數(shù)(THI)的變化

表2為不同豬舍溫濕度指數(shù)、熱負荷指數(shù)以及綜合氣候指數(shù)值。表2表明，豬舍遭受熱應激的時間通常發(fā)生在上午8∶00到下午18∶00之間。試驗期間(8∶00-18∶00)噴霧豬舍內(nèi)THI比無噴霧豬舍平均降低12.2，最高降低21.3，最低降低2.6；噴霧豬舍內(nèi)THI比舍外平均降低了2.9，最高降低6.4，最低降低了0.8，噴霧豬舍內(nèi)THI指標值平均為 74.3，顯著低于無噴霧豬舍內(nèi)的86.5(P<0.05)；整個試驗期間噴霧豬舍生豬遭受的熱應激(THI≥75)比無噴霧豬舍減少23.7%，嚴重熱應激和極端嚴重熱應激(THI≥79)減少27.3%。熱負荷指標分析結果顯示，整個試驗期間，無噴霧豬舍內(nèi)熱負荷值為2 970，顯著高于噴霧豬舍內(nèi)的257，是噴霧豬舍熱負荷的11.6倍。熱負荷指數(shù)的增加說明無噴霧豬舍遭受熱應激的強度和時間顯著高于噴霧豬舍。試驗期間舍外的綜合氣候指數(shù)(CCI)平均為38.9 ℃，噴霧豬舍內(nèi)和無噴霧豬舍內(nèi)綜合氣候指數(shù)分別為37.5 ℃、42.3 ℃，與無噴霧豬舍相比噴霧豬舍平均CCI降低4.8 ℃(表2)。本研究中豬舍采用塑料薄膜和遮陽網(wǎng)外圍護結構，夏季易出現(xiàn)高溫，使用高壓噴霧降溫系統(tǒng)可有效減緩生豬的熱應激反應，實現(xiàn)自然通風發(fā)酵床豬舍內(nèi)的局部降溫。

表2不同豬舍溫濕度指數(shù)(THI)、熱負荷指數(shù)(DailyTHI-hrs)以及綜合氣候指數(shù)(CCI)

Table2Thetemperaturehumidityindex(THI),dailyTHI-hrsindex(DailyTHI-hrs)andcomprehensiveclimateindex(CCI)indifferentpigbarns

位置溫度范圍(℃)溫濕度指數(shù)(THI)平均值標準差(STDEV)最大值最小值THI分布比例(%)THI≥75THI≥79THI≥84DailyTHI-hrsCCI(℃)噴霧豬舍34～3677.82.681.370.210.72.10257c42.1±1.731～3376.02.178.971.240.8±1.928～3073.42.876.466.335.2±1.225～2769.92.472.463.831.8±1.5無噴霧豬舍34～3694.55.3102.684.134.429.421.52970a46.7±2.631～3389.25.296.576.745.6±3.028～3084.56.592.469.640.6±3.025～2777.95.284.666.436.3±2.8舍外34～3683.83.387.777.616.57.31.6551b42.0±2.331～3379.12.682.272.439.9±2.728～3074.93.078.167.338.8±2.525～2771.12.573.764.634.8±2.0

統(tǒng)計時間為768 h。同一列中不同小寫字母表示差異達到0.05顯著水平。

對不同氣候條件下每日THI的分布比例進行分析，結果(圖6)表明使用高壓噴霧降溫系統(tǒng)可顯著降低生豬的嚴重熱應激反應。在舍外溫度為 34～36 ℃時，噴霧豬舍和無噴霧豬舍生豬遭受的嚴重熱應激(THI≥79)分別占15.3%和47.3%，相比無噴霧豬舍，噴霧豬舍生豬遭受的嚴重熱應激減少32.0個百分點；舍外溫度分別為 25～27 ℃、28～30 ℃、31～33 ℃時，噴霧豬舍生豬沒有遭受嚴重的熱應激(THI≥79)反應，而無噴霧豬舍生豬遭受的嚴重熱應激分別占20.9%、32.6%和38.9%。使用高壓噴霧的豬舍生豬沒有發(fā)生極端嚴重熱應激(THI≥84)，而無高壓噴霧的豬舍生豬遭受極端嚴重熱應激的時間在4種不同氣候條件下分別占4.2%、25.7%、33.3%、43.1%。

a：34～36 ℃；b：31～33 ℃；c：28～30 ℃；d：25～27 ℃。1′:75≤THI≤78;2′:79≤THI≤83;3′:THI≥84。圖6 不同舍外溫度條件下THI分布的比例(24 h)Fig.6 Distribution ratio of THI under different outside temperature conditions (24 h)

2.4 高壓噴霧降溫系統(tǒng)的電力和水消耗

電力和水資源的消耗是高壓噴霧系統(tǒng)應用的主要制約因素。夏季高溫季節(jié)通常有40 d左右，使用時間通常為8∶00-18∶00。本研究中高壓噴霧降溫系統(tǒng)實際使用時間為32 d，每頭豬水消耗平均為 10.1 L/d，每頭豬電力消耗平均為0.163 kW/(h·d)。

3 討 論

目前對于畜禽舍蒸發(fā)降溫效率的研究大部分集中在密閉式畜禽舍-濕簾降溫系統(tǒng)。由于密閉型畜禽舍保溫隔熱性能較好，降溫效率選擇舍外干濕球溫度和使用降溫系統(tǒng)的舍內(nèi)干球溫度數(shù)據(jù)[29]計算，降溫效率在52.1%至90.1%之間[9]，平均值高于本研究自然通風豬舍-高壓噴霧降溫系統(tǒng)的降溫效率(59.1%)。有研究者對塑料大棚中高壓噴霧系統(tǒng)的降溫效率進行了研究，結果顯示平均降溫效率為53%[30]，具有很好的可比性。

對于開放式畜禽舍，舍外溫度變化、外圍護結構的隔熱性能以及動物的數(shù)量影響高壓噴霧系統(tǒng)的降溫效率。朱志平對開放式豬舍冷風機噴霧降溫效果進行了研究，結果顯示平均降幅為3～7 ℃，相對濕度增加10%[13]。本研究結果顯示試驗期間噴霧豬舍內(nèi)日平均濕度為72.2%，與無噴霧豬舍平均濕度48.3%相比平均增加23.9個百分點，與舍外相比濕度平均增加了8.3個百分點，雖然增加了豬舍內(nèi)濕度，但在最佳濕度控制范圍(50%～80%)之內(nèi)[31]，與朱志平的研究結果[13]具有很好的可比性。與舍外相比噴霧豬舍內(nèi)溫度平均值僅僅降低1.3 ℃，最高僅降低4.3 ℃，但與無噴霧豬舍相比，溫度平均降低6.2 ℃，最高降低10.5 ℃，具有較好的降溫效果。舍內(nèi)較低的濕度有利于霧滴的蒸發(fā)，日間使用高壓噴霧降溫技術在自然通風發(fā)酵床豬舍中具有很好的適用性，而夜晚豬舍的濕度相對較高，平均濕度值大于80%，不建議夜晚使用高壓噴霧降溫系統(tǒng)。

整個試驗期間無噴霧豬舍中，75≤THI≤78的分布比例為5.0%，79≤THI≤83的分布比例為7.9%，THI≥84的分布比例為21.5%，使用高壓噴霧系統(tǒng)的豬舍分別為8.6%、2.1%和0，顯著降低了噴霧豬舍的熱應激值。噴霧豬舍熱負荷與無噴霧豬舍相比減少2 713，綜合氣候指數(shù)(CCI)降低4.8 ℃，高壓噴霧降溫可顯著減少豬舍內(nèi)熱應激特別是嚴重熱應激(THI≥79)的發(fā)生。按照實際使用時間計算，當舍外日平均溫度大于25 ℃時，高壓噴霧降溫系統(tǒng)的水消耗量為每頭豬10.1 L/d。有學者對密閉型機械通風豬舍內(nèi)高壓噴霧系統(tǒng)水的使用量進行研究，結果顯示水消耗量為每頭豬4.9 L/d[14]，，噴淋降溫系統(tǒng)水的使用量達到每頭豬19.0 L/d[32]，與其他降溫方式相比本試驗的高壓噴霧降溫系統(tǒng)可有效降低水的用量。

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