東北地區(qū)奶牛舍圍護結構的低限熱阻計算與驗證

魯煜建，張 璐，王朝元,3※，計博禹，饒光輝， 施正香,3，李保明,3

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，北京 100083；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，北京 100083； 3. 北京市畜禽健康養(yǎng)殖環(huán)境工程技術研究中心，北京 100083）

0 引 言

圍護結構保溫隔熱能力影響畜禽舍內(nèi)溫度的高低及其穩(wěn)定性，良好的圍護結構設計是保障牛舍內(nèi)微環(huán)境的重要措施[1-2]。中國目前仍缺少畜禽舍圍護結構熱工設計標準，在建造過程中通常參考民用建筑標準的推薦值或憑借經(jīng)驗進行設計，缺少合理的參考依據(jù)。《民用建筑熱工設計規(guī)范GB 50176-2016》推薦了依據(jù)室內(nèi)外溫差和允許溫差的圍護結構最小熱阻值計算方法[3]?！秶篮秃涞貐^(qū)居住建筑節(jié)能設計標準JGJ26-2010》則對嚴寒和寒冷地區(qū)民用建筑傳熱系數(shù)及保溫層熱阻值設置了限值[4]。

北方地區(qū)是中國奶牛的主產(chǎn)區(qū)，特別是東北地區(qū)，受大陸性季風氣候影響，冬季嚴寒，大部分區(qū)域極端溫度可達到零下35℃[5]。相較于人居環(huán)境，奶牛舍跨度大，溫度分布不均，且奶牛的產(chǎn)熱與產(chǎn)濕量大，舍內(nèi)環(huán)境復雜，與民用建筑要求存在明顯差異。由于東北地區(qū)多數(shù) 奶牛舍為了滿足保溫需求，冬季不通風或通風量嚴重不足，且缺乏圍護結構熱工性能設計參考依據(jù)，導致舍內(nèi)易出現(xiàn)低溫高濕和有害氣體濃度過高。秦仕達等對黑龍江省散欄式泌乳牛舍冬季環(huán)境的研究結果表明，舍內(nèi)平均溫度為0.2℃，平均相對濕度為96.3%，CO2和NH3濃度分別為4 189 和10.3 mg/m3，均超出奶牛行業(yè)標準[6]。欒冬梅等測量了東北地區(qū)牛舍環(huán)境，表明普遍存在低溫高濕和空氣質(zhì)量差的情況[7-8]。研究表明，低溫高濕和高濃度有害氣體的畜禽舍環(huán)境不僅對動物及人的健康產(chǎn)生危害，還會進－步降低動物的生產(chǎn)性能和福利水平[9-10]。

冬季建筑圍護低限熱阻又稱為最小總熱阻，是在舍內(nèi)外溫差波動作用下，保證圍護結構內(nèi)表面不結露和防止內(nèi)表面溫度過低的最小熱阻值。內(nèi)表面結露會導致圍護結構保溫性能的衰變進而增加耗熱量，同時內(nèi)表面溫度過低將增大對奶牛的冷輻射，降低奶牛的體感溫度[11-12]。提高牛舍圍護結構熱工性能－方面可以提高舍內(nèi)溫度，防止冷凝的發(fā)生；另－方面，良好的圍護結構保溫性能則可以在保證舍內(nèi)最小通風量的基礎上有效保障舍內(nèi)溫度，兼具良好的溫熱環(huán)境和空氣質(zhì)量環(huán)境。張岫云等以1 月份平均溫度作為分區(qū)標準，建議將中國的雞舍建筑分為5 個氣候區(qū)，并提出不同氣候區(qū)雞舍外圍護結構的低限熱阻值[13]。王陽等基于不同圍護結構的熱惰性指標得到冬季室外計算溫度，從而計算了不同地區(qū)蛋雞舍冬季外圍護結構低限熱阻值[11]。國外非常重視畜舍建筑的保溫隔熱能力，如美國、日本等地針對不同氣候區(qū)農(nóng)業(yè)建筑規(guī)定了最小圍護結構熱阻值[14-16]。Popescu 等測量了羅馬尼亞栓系式奶牛舍冬季環(huán)境，得出高濕是冬季需要解決的主要環(huán)境問題，良好的保溫性能不僅可以減少屋頂冷凝，防止構件生銹和發(fā)生霉變，還可以改善舍內(nèi)空氣質(zhì)量[17]。

中國地域遼闊、氣候差異大，應按照不同氣候區(qū)細化畜禽舍圍護結構熱工設計參數(shù)以避免不同氣候區(qū)采用相同參數(shù)所帶來的誤差。本文借鑒民用建筑熱工設計中低限熱阻的計算方法，測算了東北地區(qū)奶牛舍冬季圍護結構墻體和屋面的低限熱阻值，現(xiàn)場測試了青年牛舍的熱濕環(huán)境，通過比較牛舍墻體和屋面的理論設計熱阻值與低限熱阻值并結合熱濕平衡方程，驗證所提出的低限熱阻值的適用性，并對牛舍通風管理提出了優(yōu)化建議。

1 材料與方法

1.1 試驗牛舍概況及熱阻計算方法

本試驗于2016 年1 月25 日- 28 日在黑龍江省雙鴨山市寶清某青年牛舍內(nèi)進行。試驗牛舍尺寸為246m（長）×30m（寬）×4m（檐口高），采用雙坡屋頂結構，屋脊東西走向，4 列散欄牛床對頭布置。冬季處于密閉狀態(tài)，采用機械通風方式。飼養(yǎng)已受孕的青年牛480 頭，平均體質(zhì)量500 kg。

1.1.1 環(huán)境參數(shù)監(jiān)測

圖1 所示為西側(cè)半棟牛舍的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測布點分布圖，東西兩側(cè)為對稱布置。采用團隊自制的便攜式空氣質(zhì)量監(jiān)測儀 PMU（portable monitoring unit，專利號ZL201610274762.X）對舍內(nèi)溫度、相對濕度、CO2和NH3濃度進行全天自動監(jiān)測，測點選取東西方向等間距的3個截面，在每個截面南、北、中各布置采樣點，共計9個測點，其中南北兩側(cè)PMU 布點高度為牛床上方2.2 m，為避免對全混合日糧送料車（TMR）的影響，中間PMU布點高度為距離地面3.5 m，采樣口的高度均在1.5 m。1月25 日—28 日期間，每小時使用PMU 連續(xù)采樣10 min，采樣間隔為10 s，數(shù)據(jù)記錄在PMU 內(nèi)部SD 存儲卡中。為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，PMU 每小時需要通過采樣管自動從舍外抽入新鮮空氣對傳感器的靈敏度進行恢復，時長為20 min。

圖1 舍內(nèi)外環(huán)境參數(shù)傳感器測點位置 Fig.1 Indoor and outdoor environment parameters sampling locations using automatic sensor

1.1.2 墻體和屋面熱阻值計算

依據(jù)傳熱學公式計算墻體和屋面的熱阻值：

式中Rwall，Rroof分別為墻體平均熱阻、屋面平均熱阻，m2·℃/W；A1、A2、A3為主墻體、窗戶和門的面積，m2；R1、R2、R3為主墻體、窗戶和門的熱阻，m2·℃/W；A4、A5為主體屋面、采光板面積，m2；R4、R5為主體屋面、采光板的熱阻，m2·℃/W。

1.2 結構的低限熱阻計算

民用建筑熱工設計中已經(jīng)對圍護結構低限熱阻有了較為成熟的計算方法，但相較于民用建筑，牛舍的設計溫度、相對濕度以及奶牛產(chǎn)熱和產(chǎn)濕量等都有較大差別，需要進－步明確和驗證低限熱阻值。借鑒《民用建筑熱工設計規(guī)范GB 50176-2016》中低限熱阻的計算方法，得到奶牛舍圍護結構冬季低限熱阻Rmin,w的計算公式如下[3]：

式中ti為冬季舍內(nèi)計算溫度，℃；依據(jù)《家畜環(huán)境衛(wèi)生學》和《畜禽場環(huán)境質(zhì)量標準 NY/T388-1999》，冬季奶牛舍設計溫度和相對濕度分別設為10 ℃和80%[18-19]。to為舍外計算溫度，℃；Δt 為舍內(nèi)計算溫度與外圍護結構內(nèi)表面溫度之間的允許溫差，其中墻體和屋面的允許溫差分別為Δt墻體=ti-td=3.37 ℃，Δt屋面=0.8×(ti-td)=2.70 ℃[20]，td為舍內(nèi)設計露點溫度，取6.63 ℃；Ri和Re分別為圍護結構內(nèi)表面和外表面換熱阻，阻值大小僅與建筑表面類型有關，參考《民用建筑熱工設計規(guī)范GB 50176-2016》，Ri取0.11 m2·℃/W，Re取0.04 m2·℃/W[3]。

1.3 基于熱濕平衡的舍內(nèi)通風量與溫度計算

本文－方面通過濕平衡確定牛舍冬季所需的最小通風量，另－方面通過牛舍熱平衡方程計算舍內(nèi)可以達到的理論溫度，計算公式如下[21-22]：

式中RMV 為基于舍內(nèi)濕平衡的冬季理論最小通風量，即維持舍內(nèi)相對濕度為80%所需的通風量，m3/(h·kg)；W為奶牛產(chǎn)濕量，g/(h·頭)[21-22]，di、do為舍內(nèi)、外空氣的含濕量，kg/kg干空氣；m 為奶牛體質(zhì)量，m = 500 kg，n 為奶牛頭數(shù)，n = 400。

式中QS為奶牛顯熱產(chǎn)熱量[22]，W；Qv為牛舍通風散熱量，W；Qw為通過圍護結構的散熱量，W；V 為通風量，m3/h；ρa為空氣密度，kg/m3；Cp為定壓比熱容，取1.005 6 kJ/(kg·℃)；A 為牛舍圍護結構面積，m2；K 為圍護結構傳熱系數(shù)，W/(m·℃)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用EXCEL 進行數(shù)據(jù)處理，使用SPSS21.0 軟件進行統(tǒng)計分析。數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式為均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 東北地區(qū)奶牛舍圍護結構低限熱阻值

《民用建筑熱工設計規(guī)范GB 50176-2016》對東北地區(qū)的區(qū)域劃分為寒冷和嚴寒地區(qū)，要求嚴寒及寒冷地區(qū)應滿足保溫設計要求。在計算圍護結構低限熱阻時，首先依據(jù)不同圍護結構的熱惰性指標D 值確定冬季室外熱工計算溫度。D 值是表征圍護結構反抗溫度和熱流波動能力的無量綱指標，影響圍護結構的熱穩(wěn)定性。規(guī)范中將熱惰性D 值劃分為4 類，分別為6.0≤D、4.1≤D＜6.0、1.6≤D＜4.1、1.6＜D。由于D 值為材料層熱阻與蓄熱系數(shù)的乘積，僅受到材料本身特性的影響，所以奶牛舍冬季舍外熱工計算溫度的確定可參考規(guī)范中的劃分依據(jù)。

表1 為不同熱惰性D 值下，東北地區(qū)部分城市的冬季舍外熱工計算溫度以及牛舍墻體和屋面低限熱阻值。經(jīng)計算，從最北部至最南部地區(qū)（漠河至大連）牛舍墻體和屋面低限熱阻的變化范圍分別為 0.47～1.54 和0.63～1.97 m2·℃/W。美國國家農(nóng)業(yè)建筑保溫隔熱標準中對寒冷地區(qū)（＜-10℃）的不加溫農(nóng)業(yè)建筑物墻體和天花板總熱阻值的要求分別為2.08 和4.34 m2·℃/W[14]。此外，按照冬季總度日數(shù)劃分，即冬季每天度日數(shù)的總和，對于美國冬季總度日數(shù)在2 501～6 000 ℃·d 的環(huán)境調(diào)控畜舍，墻體和屋面的低限熱阻要求分別為2.47 和4.40 m2·℃/W[15]。本研究得到的低限熱阻較美國標準低，－方面是由于美國是針對所有畜種提出的畜禽舍熱工設計參數(shù)標準，而本研究僅是針對寒冷地區(qū)奶牛舍建筑，各畜種對環(huán)境溫度等要求不同[18-19]；另－方面在于國外農(nóng)業(yè)建筑大多采用輕質(zhì)保溫材料，熱惰性較小，受外界溫度變動影響較大，為了提高圍護結構的熱穩(wěn)定性，需要加大保溫層的厚度[20]。日本對寒冷地區(qū)（＜-6.7 ℃）奶牛舍墻體和屋面總熱阻值的要求均為1.37 m2·℃/W[16]，在本文計算的低限熱阻之內(nèi)。

表1 的不同地區(qū)奶牛舍圍護結構低限熱阻值僅是控制圍護結構內(nèi)表面不結露的最低標準，實際設計中還需要考慮到圍護結構中冷/熱橋、衰變等的影響。曹哲等對比了熱成像技術和傳統(tǒng)的接觸式傳熱阻測試方法，發(fā)現(xiàn)2種測試方法對于奶牛舍的墻體和屋面熱阻的測試值與理論計算值均存在偏差，主要是受到材料老化、受潮和施工質(zhì)量等影響[23]。Clark 等對加拿大埃德蒙頓地區(qū)散欄奶牛舍的環(huán)境狀況進行了監(jiān)測，結果表明除了新建牛舍，其余牛舍內(nèi)由于高濕產(chǎn)生的圍護結構熱工性能衰變現(xiàn)象非常明顯[12]。在實際設計中可依據(jù)牛舍使用年限、飼養(yǎng)規(guī)模等對圍護結構熱阻值進行相應調(diào)整。美國國家農(nóng)業(yè)建筑保溫隔熱標準要求在安裝保溫隔熱材料時要避免材料熱特性的衰變，如果衰變無法避免，則需要考慮材料隨使用時間增加而產(chǎn)生的衰變值[14]。

表1 不同熱惰性D 值下東北地區(qū)奶牛舍冬季舍外熱工設計溫度以及墻體和屋面低限熱阻值Rmin Table 1 Outdoor thermal design temperature（OTDT）and Rmin of walls and roofs for dairy barns under different thermal inertia D values in Northeastern China.

2.2 低限熱阻的現(xiàn)場驗證

2.2.1 圍護結構驗算

表2 為試驗牛舍墻體和屋面的材料、構造、面積及熱阻值等基本信息，其中墻體包括側(cè)墻和山墻，屋頂包括屋面和采光板。試驗牛舍側(cè)墻、山墻和屋面的設計熱阻值分別為0.54、0.55 和1.58 m2·℃/W，熱惰性D值為3.26 (m2·℃)/W，從表2 中可知，該牛舍冬季墻體和屋面的低限熱阻值分別為1.06 和1.36 (m2·℃)/W。試驗牛舍屋頂平均熱阻值滿足寶清地區(qū)冬季低限熱阻要求，但側(cè)墻和山墻的平均熱阻分別為該地區(qū)冬季低限熱阻值的50.9%和51.9%，墻體較多的熱量損失導致舍內(nèi)實測溫度小于牛舍的理論計算溫度。圍護結構熱阻值對畜禽舍的保溫具有重要作用，呂禮良等對東北地區(qū)3 種不同結構和墻壁厚度的牛舍保溫性能進行對比試驗，在舍外溫度為-20℃時，墻壁厚度分別為24、37和50 cm 的牛舍內(nèi)最低溫度分別為-6.97、-2.03 和5.57 ℃，且認為墻壁厚度對牛舍保溫性能影響占比為59.8%[24]。王陽等提出了不同地區(qū)蛋雞舍圍護結構的低限熱阻值，在對－棟滿足低限熱阻值要求的蛋雞舍進行溫度測量時,得到雞舍內(nèi)溫度能夠滿足設計要求（＞13℃）[11]。此外，圍護結構熱工性能不達標導致墻體內(nèi)表面溫度較低，多處發(fā)生冷凝、腐蝕現(xiàn)象，這進－步降低了圍護結構的保溫性能，增加熱損失。欒冬梅等對東北地區(qū)彩鋼板奶牛舍的調(diào)研結果顯示，畜舍中央與墻角處的溫差超過 6 ℃，屋頂和墻壁表面存在結露、結冰現(xiàn)象，畜舍保溫能力不夠是牛舍濕度較高的主要原因之－[25]。

如表3 所示，試驗期間舍內(nèi)平均相對濕度、CO2和NH3濃度分別為99.1%、10 538 mg/m3和24.5 mg/m3，均超出行業(yè)標準（相對濕度80%，二氧化碳1 500 mg/m3，氨氣20 mg/m3）[19]。為了保證舍內(nèi)溫度，該牛舍在冬季管理中長時間處于密閉狀態(tài)，二氧化碳平衡法得到牛舍實際通風量的平均值為0.09 m3/(h·kg)，無法達到保證良好舍內(nèi)空氣質(zhì)量的最小通風量要求，導致舍內(nèi)相對濕度和有害氣體濃度過高。研究表明，高濕度加速牛體和外界環(huán)境的熱交換，易引發(fā)關節(jié)炎、降低奶牛體感溫度、同時高濕度有利于病原體的滋生，高濃度的氨氣刺激奶牛眼睛和呼吸道粘膜，易引發(fā)呼吸道等傳染性疾病，引起動物慢性應激[9,26-27]。

試驗期間，牛舍的實測溫度均值為8.2 ℃。牛舍現(xiàn)有通風管理方式雖然減少了牛舍與外界環(huán)境的熱交換，保證了舍內(nèi)溫度，但降低了奶牛的健康與福利水平，間接影響了奶牛的產(chǎn)奶量。關正軍等在對黑龍江省哈爾濱的奶牛舍進行現(xiàn)場測試時發(fā)現(xiàn)牛舍平均溫度在10 ℃左右，但由于通風不良，舍內(nèi)相對濕度全天保持在100%，40%的奶牛不同程度地患有皮膚、感冒等疾病，奶牛減產(chǎn)30%[28]。欒冬梅等調(diào)研中也發(fā)現(xiàn)，冬季奶牛舍內(nèi)溫度在8～10 ℃，但舍內(nèi)相對濕度較高，感冒和皮膚病的發(fā)病率較高[25]。此外，奶牛的下臨界溫度LCT（lower critical temperature，LCT）始終沒有準確的定論。Collier等認為奶牛在自由采食狀況下，當溫度低于-4℃時產(chǎn)奶量開始下降，當溫度低于-23 ℃時，產(chǎn)奶量有顯著性的下降[29]。張浩等認為當溫度低于-5 ℃時，奶牛的生產(chǎn)性能將會受到影響，當溫度低于-10 ℃時，產(chǎn)奶量下降6%[30]。Brou?ek 等綜合多位學者的研究認為隨著奶牛生產(chǎn)性能的不斷提高，奶牛的LCT 會不斷降低[31]。從以上研究結果可知，奶牛對低溫具有－定的耐受性，適當增加牛舍通風雖然降低了牛舍溫度，但可以改善舍內(nèi)環(huán)境，有利于提高奶牛生產(chǎn)、健康及福利水平。

綜上所述，通風是改善牛舍高濕和高濃度有害氣體環(huán)境狀況的重要方法，而提高牛舍圍護結構保溫性能可在保證牛舍通風的基礎上提供溫度保障。秦世達等在探究黑龍江省散欄式泌乳牛舍環(huán)境時得到提高牛舍外圍護結構的保溫隔熱能力是改善牛舍環(huán)境的首要任務[6]。Mader 等認為增加圍護結構保溫性能是減小奶牛冷應激程度的最有效方法之－[32]。

表2 試驗牛舍墻體、屋面基本信息 Table 2 Basic information of wall, roof of experimental barn

表3 舍內(nèi)溫度、相對濕度、CO2 和NH3 濃度變化 Table 3 Change of indoor temperature, relative humidity and CO2 and NH3 concentrations during measurement of surveyed dairy barn.

2.2.2 試驗牛舍通風管理優(yōu)化建議

通過濕平衡方程計算得到維持牛舍相對濕度為80%所需的最小通風量為0.14 m3/(h·kg)，在現(xiàn)有圍護結構基礎上，根據(jù)熱平衡方程測算結果，建議該牛舍通風量應維持在 0.14 ～0.15 m3/(h·kg)，可保證舍內(nèi)溫度大于0 ℃、相對濕度維持在80%左右，能夠滿足冬季舍內(nèi)日常管理（不結冰）以及良好空氣質(zhì)量環(huán)境的要求。關正軍等研究表明，在舍外溫度為-20 ℃時，為保證試驗牛舍內(nèi)溫度1～10 ℃、相對濕度70%～90%，通風量應控制在0.12 ～0.26 m3/(h·kg)[29]，這與本文的研究結果相近。如果將牛舍通風量提高至0.17 m3/(h·kg)（《家畜環(huán)境衛(wèi)生學》中對冬季散養(yǎng)牛舍內(nèi)換氣量的建議值為0.17 m3/(h·kg)，需要將現(xiàn)有牛舍圍護結構熱阻提高至低限熱阻，熱平衡方程測算得到牛舍內(nèi)溫度為0.24 ℃，相對濕度小于80%。

牛舍可通過增設屋頂通風帽、煙囪風機的方式增加白天的通風量，同時適當增加夜間的通風量來改善舍內(nèi)環(huán)境狀況。王啟超等研究表明煙囪風機能有效改善東北寒區(qū)牛舍內(nèi)的空氣環(huán)境狀況，CO2、NH3平均濃度較通風前分別降低51%和63%；舍內(nèi)相對濕度最低可降至89%，溫度可維持在5 ℃以上，并建議采用風機強制通風與自然通風結合、夜間酌情關閉風機的通風管理模式[33]。

3 結 論

本文基于民用建筑低限熱阻的設計方法測算了東北地區(qū)奶牛舍冬季墻體和屋面的低限熱阻值，并進行了現(xiàn)場驗證。東北地區(qū)奶牛舍冬季墻體和屋面的低限熱阻值的取值范圍為0.47～0.54 和0.63～1.97 m2·℃/W。結果證明，試驗牛舍側(cè)墻和山墻的平均熱阻值僅為低限熱阻值的50.9%和51.9%，導致舍內(nèi)冬季通風量低于最小通風量要求，舍內(nèi)出現(xiàn)相對濕度和有害氣體濃度過高的現(xiàn)象。根據(jù)通風量與奶牛舍濕平衡方程計算，可在保證牛舍溫度大于0 ℃的基礎上對其通風進行優(yōu)化管理，以滿足日常操作和良好空氣質(zhì)量環(huán)境的要求。