不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料對(duì)豬的福利養(yǎng)殖的模擬分析

彭 輝，贠慧星

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，山西太谷 030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，山西太谷 030801）

近幾年，隨著我國(guó)養(yǎng)豬業(yè)的迅速發(fā)展[1]，福利養(yǎng)殖的理念[2-6]也被引入到我國(guó)。豬的福利養(yǎng)殖就是要給豬提供舒適安全的生活環(huán)境，保證豬生活健康和自由[7-8]。在我國(guó)現(xiàn)在的發(fā)展基礎(chǔ)上，如何在綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展條件下，達(dá)到福利養(yǎng)殖的目的成為一大難題。袁月明等[9]基于Ecotect選擇長(zhǎng)春地區(qū)豬舍不同的建筑朝向進(jìn)行光熱模擬，分析試驗(yàn)豬只對(duì)建筑的熱工需求，達(dá)到滿足豬的福利養(yǎng)殖的需求；馮博[10]通過(guò)既有住宅建筑節(jié)能改造，應(yīng)用Ecotect進(jìn)行改造給豬的福利養(yǎng)殖的研究提供了經(jīng)驗(yàn)。馮海林等[11]利用基于BIM技術(shù)的Ecotect軟件對(duì)建筑的熱工性能的研究，進(jìn)一步促進(jìn)了對(duì)豬舍的圍護(hù)結(jié)構(gòu)模擬分析。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能主要影響豬舍內(nèi)的溫度，進(jìn)而對(duì)豬的養(yǎng)殖有一定影響[12-14]。太原地區(qū)屬于夏天炎熱、冬天寒冷的地區(qū)，墻壁的保溫隔熱性能有重要的意義。

本研究就是通過(guò)選取豬舍的幾種圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料，通過(guò)建模，進(jìn)行熱環(huán)境分析，選取最優(yōu)圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料，給豬的福利養(yǎng)殖提供一個(gè)適宜的生活環(huán)境，提高豬的生產(chǎn)性能，增強(qiáng)豬的抵抗力[15]，改善豬肉品質(zhì)。

1 材料和方法

1.1 材料

本研究選取的是育肥豬舍，是北方豬舍的典型結(jié)構(gòu)。育肥豬舍選址在太原市郊區(qū)，豬舍朝向南偏東，豬舍長(zhǎng)66.9 m，寬7.2 m，高3 m，設(shè)計(jì)飼養(yǎng)豬的數(shù)量是360頭。表1是豬舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的基本參數(shù)。

表1 豬舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的相關(guān)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

豬舍的熱環(huán)境分析就是得出舍內(nèi)多種擾動(dòng)作用下的舍內(nèi)的熱環(huán)境參數(shù)。本研究進(jìn)行熱環(huán)境分析主要包括逐時(shí)得熱失熱分析、溫度分布分析、逐時(shí)溫度分析、逐月度日分析[16]等幾個(gè)方面。

本研究主要采用以下3種方案進(jìn)行模擬分析和比較，因?yàn)閭鳠嵯禂?shù)是指在穩(wěn)定傳熱條件下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外兩側(cè)空氣溫度差為1℃，單位時(shí)間內(nèi)單位面積傳遞的熱量，所以，3種方案主要對(duì)比傳熱系數(shù)的不同。方案1：墻體的材料由外到內(nèi)是由10mm的灰泥、50 mm的巖棉保溫層、240 mm的磚墻、10 mm的灰泥構(gòu)成，傳熱系數(shù)是0.51 W/（m2·K）[17]；方案2：墻體的材料由外到內(nèi)是10 mm的灰泥、240 mm的磚墻、10 mm的灰泥構(gòu)成，傳熱系數(shù)是1.79 W/（m2·K）；方案3：墻體的材料是40 mm的鋼筋混凝土構(gòu)成的，傳熱系數(shù)是3.17 W/（m2·K）。由于本研究主要是為了進(jìn)一步分析墻體的圍護(hù)材料對(duì)于豬的福利養(yǎng)殖的影響，所以，3種方案的屋頂圍護(hù)材料統(tǒng)一選擇性能較好的彩鋼夾芯板，它由內(nèi)到外是由1 mm的鋼板、100 mm巖棉、1 mm的鋼板構(gòu)成，傳熱系數(shù)是0.04 W/（m2·K）；地板都是由100 mm的混凝土地板構(gòu)成，傳熱系數(shù)是0.88 W/（m2·K）；窗戶選擇的是單層玻璃鋁框材質(zhì)，傳熱系數(shù)是6 W/（m2·K）。

1.3 模擬分析

Autodesk Ecotect Analysis是一款設(shè)計(jì)及分析的軟件[18]。Ecotect Analysis模擬太陽(yáng)輻射、日照、采光、熱工等，結(jié)合這些模擬結(jié)果進(jìn)行分析可以達(dá)到研究目的。

本研究主要使用Ecotect Analysis 2010進(jìn)行分析，分析的方法采用準(zhǔn)入法。在正式進(jìn)行熱環(huán)境分析之前，還要進(jìn)行建模、材質(zhì)的設(shè)置、熱環(huán)境設(shè)置和導(dǎo)入氣象數(shù)據(jù)等步驟[19]，主要設(shè)置包含4個(gè)方面[18]：（1）模型。在進(jìn)行熱工環(huán)境分析時(shí)，Ecotect Analysis必須要恰當(dāng)?shù)睾?jiǎn)化模型，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)簡(jiǎn)化，同時(shí)要保證模型空間密閉，相鄰模型的空間的材質(zhì)可選項(xiàng)不沖突等。（2）材質(zhì)的設(shè)置。Ecotect Analysis的熱環(huán)境分析采用了準(zhǔn)入法，Ecotect Analysis能夠自動(dòng)計(jì)算部分物理參數(shù)，如本研究中材質(zhì)的傳熱系數(shù)。（3）熱環(huán)境設(shè)置。室內(nèi)熱環(huán)境的系統(tǒng)設(shè)置是熱環(huán)境分析的基礎(chǔ)，同樣會(huì)對(duì)模型的熱環(huán)境模擬結(jié)果產(chǎn)生影響。（4）氣象數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)是進(jìn)行熱環(huán)境模擬的先決條件。一般選擇使用由科學(xué)家制作完成的典型氣象數(shù)據(jù)，本研究選擇的是太原地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 逐時(shí)得熱失熱分析

逐時(shí)得熱失熱分析就是分析豬舍某一天通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)從外界得到的熱量和室內(nèi)向外界散失的熱量的逐時(shí)數(shù)據(jù)。本研究通過(guò)采用3種不同方案分析不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)的逐時(shí)得失熱。

由圖1可知，因?yàn)檫x擇的日期是最冷日，所以，圍護(hù)結(jié)構(gòu)一整天都是在失熱，16：00—20：00圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱速率加快，之后圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱速率降低。3種方案中方案1和方案2的圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱的數(shù)據(jù)相似，但方案1要優(yōu)于方案2，是因?yàn)榈?種方案中的墻體結(jié)構(gòu)中加了一層保溫層，第3種方案的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的得失熱的變化量比較大，這種情況不利于豬的福利養(yǎng)殖?？傮w來(lái)看，磚墻結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能要優(yōu)于混凝土結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵诙焱ㄟ^(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱最小，一天之內(nèi)得失熱波動(dòng)最小有利于豬的生活，所以，方案1最有利于實(shí)現(xiàn)豬的福利養(yǎng)殖。

2.2 逐時(shí)溫度分析

逐時(shí)溫度分析就是分析豬舍某一天的逐時(shí)溫度變化。通過(guò)溫度的詳細(xì)變化比較分析對(duì)豬的養(yǎng)殖影響。本研究選擇的比較日期是冬天最冷日。

由圖2可知，在冬天不加熱的情況下，3種方案在 12：00—20：00，舍內(nèi)溫度高于舍外溫度，8：00—12：00低于舍外溫度；方案3的溫度全天波動(dòng)最大，從10：00開(kāi)始舍內(nèi)溫度開(kāi)始上升，一直持續(xù)到17：00，這期間溫度達(dá)到全天最高溫度，17：00之后溫度開(kāi)始下降；方案1和方案2的溫度波動(dòng)情況十分相似，相對(duì)于方案3，前2種溫度的波動(dòng)情況就比較平緩，但是在一天之中大部分時(shí)間的溫度低于方案3。結(jié)合豬的生活習(xí)慣，在寒冷天氣的情況下，溫度波動(dòng)對(duì)豬養(yǎng)殖有比較大的影響，所以，方案1和方案2的圍護(hù)結(jié)構(gòu)比較好。

2.3 溫度分布分析

溫度分布分析就是豬舍溫度分布的詳細(xì)數(shù)據(jù)。通過(guò)分析豬舍的全年溫度分布，研究環(huán)境溫度對(duì)豬養(yǎng)殖的影響。

由圖3可知，在夏季不制冷，冬天不加熱的情況下，3個(gè)方案的溫度分布的百分比大致相同。在0℃周?chē)痛笥?0℃時(shí)，方案3的溫度分布的百分比明顯高于其他2種方案，方案1和方案2的溫度分布比例非常相近，過(guò)低的溫度和過(guò)高的溫度分布比例比較高，這種情況不利于豬的正常生活；本研究選擇育肥豬的舒適溫度范圍是15～23℃[20]，從舒適溫度的分布比例來(lái)看，方案3在舒適溫度的區(qū)間內(nèi)分布比較均衡，方案1和方案2在舒適溫度的區(qū)間內(nèi)分布有差別，總的來(lái)看，在舒適溫度的范圍內(nèi)，方案3舒適溫度分布所占的比例要比前2種方案所占的比例高。

2.4 逐月度日分析

逐月度日分析分為采暖度日分析和制冷度日分析。采暖度日分析就是當(dāng)豬舍外日平均溫度低于年內(nèi)的加熱溫度限制時(shí)，豬舍需要加熱取暖的天數(shù)；制冷度日分析就是當(dāng)豬舍外日平均溫度高于年內(nèi)的加熱溫度限制時(shí)，豬舍需要制冷降溫的天數(shù)。因?yàn)樵谶M(jìn)行分析之前設(shè)定了舍外氣象數(shù)據(jù)與采暖制冷的溫度的極限值，所以，3個(gè)不同方案的采暖制冷的天數(shù)是一樣的，如表2所示。逐月度日分析主要分析一年之中豬舍的總得失熱分析。

表2 豬舍逐月度日數(shù)

由圖4可知，3種方案一年總得失熱的趨勢(shì)大致相同，從1月份總得失熱都在增加，直到5月份總得失熱開(kāi)始下降；1—3月，11—12月前2個(gè)方案的總熱量損失大于第3個(gè)方案的總熱量損失。從分析得到的數(shù)據(jù)可以得出，寒冷月份前2種方案的總得熱大于第3種方案，所以，前2種方案的情況有利于豬的養(yǎng)殖。

3 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)山西省太原市郊區(qū)典型豬舍不同方案的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱環(huán)境分析，結(jié)果表明，在豬舍的圍護(hù)結(jié)構(gòu)中添加保溫隔熱材料，并且在結(jié)構(gòu)表面涂抹建筑涂料，更有利于實(shí)現(xiàn)豬的福利養(yǎng)殖。通過(guò)利用Ecotect對(duì)不同方案的豬舍進(jìn)行多種分析研究得出，方案1的保溫隔熱性能比其他2種方案表現(xiàn)更好。表明豬舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱能力比較差的、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱能力好的方案，可以減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱百分比，有效提高舍內(nèi)舒適溫度時(shí)間的比例，在自然條件下，更容易實(shí)現(xiàn)豬的福利養(yǎng)殖。