大型雞舍誘導通風系統(tǒng)溫度和濃度分布

王芳　王鵬浩　徐洪祥

摘要：針對我國集約化養(yǎng)雞場存在的氨氣濃度高、氣流組織不佳的問題，根據(jù)有限體積法，建立了某一智能雞舍誘導通風系統(tǒng)的數(shù)學模型和物理模型，設置相應的邊界條件，采用Airpak軟件進行數(shù)值模擬，分析了誘導風機的布置參數(shù)及雞舍中空氣流動速度、溫度以及氨氣濃度等因素，研究結果表明，雞舍中誘導風機的下傾角為15°，縱向間距為12.m，橫向間距為7～7?5.m時，采用誘導通風方式能有效解決雞舍內(nèi)溫度過高與氨氣濃度過高的問題，達到良好的通風效果，對改善雞舍環(huán)境品質(zhì)有顯著作用。

關鍵詞：雞舍通風;誘導通風;溫度;濃度

DOI：10?15938/j?jhust?2019?01?005

中圖分類號： TU834?28

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）01-0029-05

Temperature and Concentration Analysis of Induced Ventilation

System in Large Broiler House

WANG Fang，WANG Peng?hao，XU Hong?xiang

（School of Mechanical and Power Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China）

Abstract：Aiming at the problem of the high concentration of harmful gases and poor air distribution in an intelligent control broiler house in China， the mathematical and physical models of induced ventilation system were established?According to the finite volume method， the corresponding boundary conditions were set up?Numerical simulation has been done by Airpak?It is analyzed how to set the parameter of induced fan and factors in broiler house， including the velocity， temperature， and ammonia concentration?The results prove that the induced ventilation method can effectively solve the problem of high temperature and ammonia concentration in broiler house， achieve the better ventilation effect， and improve the environment quality in broiler house when the induced fan is set at 15° of the declination， and 12.m of the appropriate longitudinal spacing，and the horizontal spacing from 7.m to 7?5.m

Keywords：broiler house ventilation; induced ventilation; temperature; concentration

0引言

目前，國際上很多學者對雞舍通風及誘導通風進行了廣泛的研究。在國外，Seo LH等人通過模擬雞舍內(nèi)6種不同的冬季自然通風模式，分析比較了不同通風情況下的通風效率[1]。Bjerg B等人研究了不同入口模型對雞舍內(nèi)氣流分布的影響并進行實際數(shù)據(jù)測量，將模擬結果與測量結果進行了比較[2-3]。Bustamante E等人分析了機械通風系統(tǒng)中不同進排風口的位置對雞舍內(nèi)氣流速度的影響[4]。Ikeguchi A等人研究了阻擋物對氣流流動方向的影響，研究表明：在禽畜舍中，距風口較遠的墻體附近，氣流流動速度較慢，污染物濃度相對較高[5]。對于誘導通風Philip Hermann建立了地下車庫的混合通風模型，利用CFD軟件模擬了地下車庫有害污染物濃度分布規(guī)律[6-7]。Betta V等人針對隧道內(nèi)氣流壓力損失等問題，利用CFD對隧道誘導通風系統(tǒng)進行模擬，研究風機出風口區(qū)氣流的速度變化，優(yōu)化了不同通風狀況下的風機下傾角，為隧道通風系統(tǒng)的設計提供了指導[8]。

目前在國內(nèi)，很多學者也探討了雞舍通風系統(tǒng)設計及誘導通風的發(fā)展現(xiàn)狀。顧華兵等學者對我國目前雞舍通風系統(tǒng)的通風狀況進行探討，提出合理的設計方案，為雞舍通風系統(tǒng)的發(fā)展提供了設計依據(jù)[10]。翟耀芳等人研究了縱向通風技術在蛋雞舍內(nèi)的應用效果及其存在的問題[11-12]。韓星、王煦研究了雞舍內(nèi)散熱量、產(chǎn)濕量和CO?2散發(fā)量對雞舍內(nèi)環(huán)境的影響，得出了雞舍內(nèi)散熱量、產(chǎn)濕量及CO?2散發(fā)量的實測數(shù)據(jù)，為雞舍內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)提供設計依據(jù)[13]。田宇等人研究了雞舍在一定風量下的氣流組織、溫度以及氨氣濃度的分布特性，其模擬結果為以后同類型的數(shù)值模擬提供了參考依據(jù)[14]。楊其才等人針對汽機房運行過程中出現(xiàn)局部溫度過高的問題，提出在局部高溫區(qū)域設置誘導風機來降低溫度的方案，并通過 CFD模擬驗證了設置誘導風機解決該問題的可行性[15]。秦伯進等人將誘導風機應用于船舶機艙，減少了機艙通風中風管的數(shù)量[16]。另外，國內(nèi)很多學者通過研究誘導風機在地下車庫中的應用，定性地介紹了誘導通風系統(tǒng)的原理和特點[17-20]。

本文建立了雞舍誘導通風的物理模型和數(shù)學模型，通過數(shù)值模擬的方法分析了該通風方式下雞舍環(huán)境的速度、溫度以及氨氣濃度的分布特性，從而驗證了誘導通風具有良好的通風效果并確定了誘導風機的設置參數(shù)，為誘導風機在雞舍中的應用提供依據(jù)。

1基本假設與邊界條件

1?1基本假設

1）熱量和污染源的釋放強度均不隨時間變化，是穩(wěn)態(tài)流動過程，污染源釋放方向為垂直地面向上;

2）研究誘導風機布置參數(shù)時，設置排風扇排風量為?92.160?m?3/h，氨氣污染物散發(fā)量為30.mg/s。

3）該雞舍在入流和出流條件穩(wěn)定的情況下，經(jīng)過一定時間之后，將達到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，所以本文采用穩(wěn)態(tài)模擬方法。

1?2邊界條件

1）由于進風口處的風速為誘導風機和風扇的拉力引起，所以進風口設置為自然進風，不對其設置風速。

2）誘導通風系統(tǒng)中排風扇的風量設置為?30.000?m?3/h。

3）誘導風機出風口風速為13?48.m/s，方向為15°向下。誘導風機回風口的流動方向為自然向里。為了保證誘導風機的噴嘴是自由射流，不受墻等邊界的影響，將大空間的六個面的壓力設置為大氣壓力。

2物理模型和數(shù)學模型

2?1物理模型

本文選取的研究對象是山東省濰坊某一智能養(yǎng)雞場中的肉雞養(yǎng)殖雞舍，長度為60.m，寬度為16.m，高度為3?2.m，墻壁采用厚度為0?24.m的墻。該雞舍內(nèi)雞的養(yǎng)殖方式為平養(yǎng)，中間有寬度為2.m的過道以供飼養(yǎng)人員走動，在過道兩端分別有7.m寬的場地供雞活動，其中共有成年肉雞?7.000?只。

該雞舍采用的送排風方式是自然進風、機械排風。經(jīng)計算，本文所研究的雞舍通風換氣量為?184.320?m?3/h，取8臺YDF-B-3型誘導風機（具體參數(shù)見表1），六臺9FJ14?0型排風機，設置兩個面積為13?82.m?2的細長進風口。進風口和排風扇設置于誘導風機機箱底面的下方，以使進風口、誘導風機以及排風扇之間的氣流在高度方向上能夠更好的銜接，該雞舍誘導通風系統(tǒng)模型見圖1。在Airpak中分別采用fan模型和opening模型作為風機和進風口。

2?2數(shù)學模型

任何流體的流動均受質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律三大定律的制約，湍流控制方程采用?k-ε兩方程模型，穩(wěn)態(tài)下k和ε的控制方程見下式：

-ρu?jkx?j=x?jη+η?tσ?kkx?j+η?tu?ix?ju?ix?j+u?jx?i-ρε（1）

-ρu?kεx?k=x?kη+η?tσ?εεx?k+c?1εkη?tu?ix?ju?ix?j+?u?jx?i-c?2ρε?2k（2）

式中：η?t為湍流粘性系數(shù)，c?1、c?2為經(jīng)驗系數(shù)，σ?k?為脈動動能的Prandtl數(shù)。

3模擬結果及分析

3?1誘導風機布置參數(shù)的研究

該雞舍高度為3?2.m，誘導風機的噴嘴中心距地面的高度為2?8.m，按照設計規(guī)則選取誘導風機噴嘴下傾角為15°時，在誘導風機的影響范圍內(nèi)，雞呼吸區(qū)高度速度分布在0?74～1?35.m/s（取雞呼吸區(qū)高度?y?=0?35.m），符合風速要求。

誘導風機間的縱向間距直接影響氣流組織的銜接，分析不同間距下氣流的銜接程度，確定合理的縱向間距。誘導風機縱向間距的推薦值為10～14.m，通過模擬計算，當間距為12.m時，相鄰風機噴嘴間的相互銜接狀況良好，前一個誘導風機的噴射氣流在射程的末尾剛好和相鄰的誘導風機的回風口相連接，速度分布情況見圖2。

橫向間距的最佳值是比較在同一條件下，雞舍內(nèi)某一斷面的氨氣濃度大小來確定，具體情況見圖3。從圖3中可以看出，在雞舍中雞呼吸區(qū)高度范圍內(nèi)（取雞呼吸區(qū)高度?y?=0?35.m）氨氣的濃度在誘導風機的作用下，得到了稀釋。當噴嘴之間的橫向間距為6?5～7?5.m時，雞呼吸區(qū)域平均濃度變化相對較小，當距離大于7?5.m的時候，圖中曲線斜率變陡，氨氣濃度急劇升高，所以合適的噴嘴橫向間距為7～7?5.m。

3?2雞舍誘導通風下速度分布研究

為了更全面的反映誘導通風方式下雞舍內(nèi)速度分布情況，分析其通風效果，需要對幾個典型的截面進行分析。在雞舍中我們主要關注的是雞呼吸區(qū)域內(nèi)速度分布情況，?y?=0?35.m為雞的呼吸區(qū)高度，應對此平面著重分析。

圖4為?y?=0?35.m截面速度分布云圖，也就是雞呼吸區(qū)所在高度的速度分布情況，從圖4中可以看出，在雞呼吸區(qū)所在高度平面內(nèi)，最低速度為0?3.m/s，最高速度為2?5.m/s，風速主要在1?2～2?5.m/s之間，約占82?42%，通風狀況良好。在呼吸區(qū)高度，進風口處風速最低，低速的原因是進風口為自然進風口，僅靠誘導風機回風口的作用使空氣產(chǎn)生流動。最高速度出現(xiàn)在圖中A、B兩個區(qū)域，誘導風機射流速度疊加造成兩區(qū)域速度較高。在誘導風機氣流的擾動和銜接作用下，雞舍內(nèi)的氣流速度沿長度方向保持穩(wěn)定。在雞舍的末端，誘導風機沿寬度方向布置均勻，雞舍末端沒有氣流死角。

3?3雞舍誘導通風下溫度和氨氣濃度研究

本文研究的雞舍模型中，單個雞只散熱均勻，故將雞群作為整體熱源，同時考慮照明散熱，得到等效熱源的產(chǎn)熱量為753?67.W/m?3。智能養(yǎng)雞廠根據(jù)養(yǎng)殖品種以及雞不同生長階段，監(jiān)測每間雞舍的溫濕度，氧氣、氨氣、硫化氫、二氧化碳濃度，光照度，用水量，用電量等數(shù)據(jù)。本文主要研究的污染物為氨氣，將糞便看作是與雞活動區(qū)域占地面積相等的高度為50.mm的污染源，根據(jù)相關文獻氨氣濃度源產(chǎn)生氨氣的速度為30.mg/s[9]。本文通過數(shù)值模擬，主要分析了雞呼吸區(qū)高度上的溫度和氨氣濃度的分布情況。

圖5是雞呼吸區(qū)高度（?y?=0?35.m）的溫度分布情況。誘導通風方式下雞舍的溫度范圍為27～29?31℃，雖然雞會產(chǎn)生較多熱量，但在誘導風機的作用下，溫度并沒有升高很多。從圖5中可以看出，沿雞舍長度方向，溫度是逐漸升高的，在進風口處溫度較低，此時新風攜帶的熱量只是外界空氣中的熱量，空氣在從進風口逐漸向出風口流動的過程中會將雞產(chǎn)生的熱量帶走，導致在雞舍的末端溫度較高。在雞呼吸區(qū)高度，溫度主要分布在27～28℃，所占的比例約為93?7%，只有很少的一部分溫度超過了28?5℃，因此溫度是符合雞舒適性要求的。

誘導通風方式下雞呼吸區(qū)高度（?y?=0?35.m）處的氨氣濃度分布如圖6所示。在整個雞舍中，氨氣濃度范圍是在1?73～9?86.mg/m?3，沒有超過最大限制10.mg/m?3。進風口處的新鮮空氣被誘導風機的強烈擾動，帶動附近的氨氣隨著射流一起運動，其附近的氨氣濃度較低。由于誘導風機的作用，使雞舍的氨氣濃度沿雞舍長度方向呈增加趨勢，在雞舍末端兩個墻角處氨氣濃度積累到了最大值，基本符合原理。在雞呼吸區(qū)高度氨氣濃度主要在1?73～7?7.mg/m?3之間，約占92?46%，被控制在了較低的水平。

4結論

通過建立山東省濰坊某一智能養(yǎng)雞場中的肉雞養(yǎng)殖雞舍誘導通風系統(tǒng)模型，設置相應的邊界條件，運用數(shù)值模擬計算，得出了該雞舍的速度，溫度以及氨氣的分布特性：

1）在誘導風機的下傾角為15°的前提下，風機縱向間距設置為12.m，橫向間距設置為7～7?5.m時，雞舍能得到較佳的通風效果。

2）得到了誘導通風方式下雞呼吸區(qū)速度、溫度以及氨氣濃度的分布情況。采用誘導通風模式時，雞舍內(nèi)空氣滿足風速要求的約占82?42%，通風效果好;滿足溫度要求的約占93?7%，符合雞的舒適性要求;滿足氨氣濃度要求的約占92?46%，氨氣濃度被控制在了較低的水平。

綜上所述，雞舍中的空氣在誘導風機的作用下氣流銜接效果較好，能夠?qū)倪M風口進入的空氣不斷向前推動，最終順利地從排風扇排除，體現(xiàn)了改善雞舍環(huán)境品質(zhì)的積極作用，達到了預期的效果。

參 考 文 獻：

[1]SEO LH，LEE IB，MOON OK，et al.Improvement of the Ventilation System of a Naturally Ventilated Broiler House in the Cold Season Using Computational Simulations[J].Biosystems Engineering，2009，104（6）：106.

[2]BJERG B，SVIDT K，MORSING S，et al. Modeling of a Wall Inlet in Numerical Simulation of Airflow in Livestock Buildings[J].Agricultural Engineering International：CIGR Journal，2014，4（12）：234.

[3]BJERG B，SVIDT K，MORSING S，et al.Modeling of Air Inlets in CFD Prediction of Airflow in Ventilated Animal Houses[J].Computers and Electronics in Agriculture，2014，34（1）：223.

[4]BUSTAMANTE E，CALVET S，TORRES AG，et al.Measurement and Numerical Simulation of Single?sided Mechanical Ventilation in Broiler Houses[J].Biosystems Engineering，2017，160：55.

[5]IKEGUCHI A，ZHANG G，OKUSHIMA L.Numerical Simulation of Parculate Matter Emission from Mechanically Ventilation Swine Bars[J].Transaction of the ASAE，2015，46（6）：1685.

[6]PAPAKONSTANTINOU?K，CHALOULAKOU A，DUCI A.Air Quality in an Underground Garage：Computational and Experimental Investigation of Effectiveness[J].Energy and Building ，2003，6（8）：933.

[7]PHILIP Herman.Modeling of Heat and Carbon Monoxide Emitted from Moving Car in an Underground Car Park[J].Tunneling and Underground Space Technology，2008，1（7）：101.

[8]BETTA Vittorio，CASCETTA Furio，MUSTO Marilena，et al.Numerical Study of the Optimization of the Pitch Angle of an Alternative Jet Fan in a Longitudinal Tunnel Ventilation System[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2009，24（2）：164.

[9]RO KS，MOORE PA，SZOGI AA.Ammonia and Nitrous Oxide Emissions from Broiler Houses with Downtime Windrowed Litter[J].Journal of Environmental Quality，2017，46（3）：498. .

[10]顧華兵，金光鈞，張建平.雞舍的通風技術及其進展[J].中國家禽，2002，24（5）：17.

[11]翟耀芳，張旭，楊潔，等.縱向通風籠養(yǎng)雞舍氣流組織及熱濕環(huán)境研究[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學，2014，42（3）：337.

[12]王陽，石海鵬，王雅韜，等.側墻進風小窗位置對蛋雞舍內(nèi)環(huán)境的影響[J].中國家禽，2016，38（16）：38.

[13]韓星，梁煦，馬克華.華東地區(qū)封閉雞舍內(nèi)熱、濕與污染物散發(fā)量的現(xiàn)場實測研究[J].建筑科學，2013，08（10）：57.

[14]田宇.大型雞舍機械通風濃溫場的數(shù)值分析[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2016：34.

[15]楊其才，劉剛，楊小平.誘導風機在某電廠汽輪機房通風系統(tǒng)的應用[J].建筑熱能暖通空調(diào)，2011，04（11）：68.

[16]秦伯進，陳兵，周文兵，等.一種船舶機艙誘導通風系統(tǒng)：中國CN104139844A[P].2016-01.

[17]何開遠，樊洪明，趙耀華. 地下車庫誘導式通風與風管式通風系統(tǒng)的數(shù)值模擬分析[J].建筑科學，2008，10（19）：85.

[18]陳港，金瑋濤.無風管誘導型通風系統(tǒng)的應用[J].低溫建筑技術，2013，94（4）：82.

[19]周永紅，程小軍.地下車庫誘導通風系統(tǒng)氣流組織研究[J].指令空調(diào)與電力機械，2013，111（27）：25.

[20]顧登峰，張泠，蘭麗，等.一種地下車庫空氣環(huán)境數(shù)值模擬方法[J].制冷與空調(diào)，2015，7（1）：39.