計(jì)算和孵化機(jī)

付亞楠 譯自，2018，№ 1：28～32夏俊花 審 張 濤 制圖

除了進(jìn)行充分的翻蛋外，孵化期的首要任務(wù)是控制種蛋的內(nèi)部溫度。因?yàn)檫@個(gè)溫度將會(huì)決定雞蛋胚胎發(fā)育的速度以及胚胎對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需求和供給的平衡，因此準(zhǔn)確且均衡地控制孵化溫度是必需的。第二要?jiǎng)?wù)是要恰當(dāng)?shù)乜刂品趸瘷C(jī)的機(jī)箱在孵化期的相對(duì)濕度(Relative Humidity，RH)。種蛋在孵化過程中需要失去一定數(shù)量的水分以產(chǎn)生氣室，而RH是種蛋水分流失的動(dòng)力。在冷卻能力有限的老式孵化機(jī)中，要產(chǎn)生更多的冷卻效應(yīng)必須要讓水分蒸發(fā)。隨著水分蒸發(fā)的進(jìn)行，孵化機(jī)機(jī)箱中的RH會(huì)發(fā)生改變，因此RH對(duì)溫度控制也很重要。最后但并非最不重要的是，種蛋胚胎發(fā)育需要O2，并且會(huì)產(chǎn)生CO2，所以孵化機(jī)需要進(jìn)行空氣交換以滿足這一要求。

在孵化過程的三個(gè)組成要素(溫度控制、RH調(diào)節(jié)和O2與CO2平衡)中，孵化機(jī)機(jī)箱內(nèi)的通風(fēng)起著重要的作用。雖然我們非常清楚孵化機(jī)機(jī)箱內(nèi)需要有合適的溫度、RH和氣體交換率，并要進(jìn)行正確的控制，但是我們不了解孵化機(jī)在不同孵化階段的正確通風(fēng)速率，并且這經(jīng)常會(huì)成為人們爭(zhēng)論的話題。我們想通過本文將一些指標(biāo)和回歸方程式組合起來，這有助于闡明在我們考慮孵化過程的通風(fēng)量時(shí)需要考慮的不同方面。出于實(shí)用的目的，我們將重點(diǎn)討論孵化機(jī)的通風(fēng)速率等，但是相同類型的回歸方程式也可以用于出雛機(jī)。在我們的方程式中，我們將使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的虛擬孵化機(jī)，該孵化機(jī)可以一次入孵100 00枚平均重量為65 g、受精率為100%的種雞蛋(圖1)。該孵化機(jī)可以采用巷道式或箱體式孵化方式，具體取決于我們討論的主題。

1 基于機(jī)箱中CO2水平的通風(fēng)

讓我們從計(jì)算O2和CO2交換所需的通風(fēng)量開始。為此，我們將重點(diǎn)關(guān)注CO2的產(chǎn)生和控制，因?yàn)檫@是決定通風(fēng)需求的因素，重要程度遠(yuǎn)超過對(duì)O2的控制。如果我們將孵化機(jī)機(jī)箱中的CO2控制在正確的水平上，O2將很可能不會(huì)成為限制因素。

在種蛋胚胎的生長(zhǎng)過程中，種蛋內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)需要被轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)體的組織，這一過程需要O2的參與，并會(huì)產(chǎn)生CO2，而且它們的需要量和生成量或多或少呈固定比率[呼吸指數(shù)(Respiration Quotient，RQ)或RQ值]。O2的攝入量和CO2的產(chǎn)生量與種蛋胚胎的產(chǎn)熱量呈線性關(guān)系。這意味著，我們?nèi)绻婪N蛋胚胎(或按我們的例子是100 000個(gè)種蛋胚胎)的產(chǎn)熱量，就可以利用Brouwer(1965)公式計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)CO2的產(chǎn)生量：產(chǎn)熱量(kJ/h)＝ 5.0×CO2產(chǎn)生量 (L/h)＋ 16.2×耗氧量(L/h)。在正常孵化情況下，RQ＝0.67，氧氣的消耗量為CO2/0.67。研究發(fā)現(xiàn)，一個(gè)種蛋胚胎在18 d的孵化期中大約可產(chǎn)生0.15 W的熱量，或一臺(tái)孵化100 000枚種蛋的孵化機(jī)在18 d的孵化過程中可產(chǎn)生15 kW的熱量。種蛋胚胎每產(chǎn)生1 kW的熱量，其每小時(shí)就能夠產(chǎn)生117 L的CO2。因此，孵化至第18天時(shí)，100 000個(gè)種蛋胚胎每小時(shí)大約產(chǎn)生 1 750 L CO2。

如果我們知道CO2的生成量以及孵化機(jī)機(jī)箱內(nèi)所允許的CO2水平，那么我們就可以計(jì)算出讓孵化機(jī)機(jī)箱中的CO2達(dá)到這一水平時(shí)所需的通風(fēng)速率。如果我們希望CO2的最大濃度為4 000 μL/L，且送入的空氣含500 μL/L的CO2，那么種蛋的胚胎就可以增加4 000 uL/L-500 uL/L＝3 500 μL/L的CO2。μL/L表示百萬分之一，因此每1 000 000份空氣可以增加3 500份的CO2，或者每1 000份空氣增加3.5份的CO2。每立方米的空氣是1 000 L，所以每1 000份空氣增加3.5份CO2也即是每立方米的空氣含3.5 L CO2。孵化機(jī)將產(chǎn)生1 750 L CO2，因此如果種蛋的胚胎要在通過孵化機(jī)的每立方米空氣中添加3.5 L CO2，那么孵化100 000枚受精種蛋的孵化機(jī)在胚胎發(fā)育到18 d時(shí)的通風(fēng)速率必須達(dá)到1 750 L/3.5 L＝500 m3空氣。

如果我們想要讓孵化機(jī)機(jī)箱內(nèi)空氣中的CO2濃度保持在較低的水平上，或進(jìn)入孵化機(jī)機(jī)箱中的空氣含有較高水平的CO2，那么我們顯然需要讓孵化機(jī)有更大的通風(fēng)量。如果我們想把孵化機(jī)機(jī)箱內(nèi)空氣中的CO2含量降低到3 000 μL/L，并且引入的空氣含有1 000 μL/L(因?yàn)槲氲目諝獠⒉皇峭耆迈r)的CO2，那么種蛋的胚胎可以增加3 000 μL/L-1 000 μL/L＝2 000 μL/L的CO2或在每立方米空氣中增加2 L的CO2。由于雞蛋在孵化過程中每小時(shí)仍會(huì)產(chǎn)生1 750 L CO2，那么我們應(yīng)該使孵化機(jī)的通風(fēng)量為1 750 L/2 L＝875 m3。在經(jīng)過半個(gè)孵化期即孵化到第9天時(shí)，種蛋胚胎的個(gè)體還比較小，因此它們的產(chǎn)熱量和CO2生成量也非常小。在孵化期的第9天，種蛋的胚胎產(chǎn)生大約0.022 W的熱量，此時(shí)每臺(tái)孵化機(jī)產(chǎn)生2.2 kW的熱量而不是第18天時(shí)的15 kW熱量。在這一階段，種蛋的胚胎每小時(shí)約產(chǎn)生260 L CO2。如果我們?nèi)匀恍枰狗趸瘷C(jī)機(jī)箱內(nèi)空氣中的CO2含量為4 000 μL/L，并且吸入的空氣仍含有500 μL/L的CO2，那么種蛋胚胎仍然可以讓每立方米的空氣增加3.5 L CO2；但是，由于種蛋的胚胎現(xiàn)在每小時(shí)僅產(chǎn)生260 L CO2，因此孵化機(jī)的通風(fēng)速率大約需要調(diào)整到每小時(shí)260 L/3.5 L≈75 m3空氣。

在巷道式孵化機(jī)中，我們需要根據(jù)種蛋胚胎的平均大小來進(jìn)行通風(fēng)，因?yàn)樾碌娜敕醴N蛋會(huì)連續(xù)不斷地放入孵化機(jī)機(jī)箱中，同時(shí)發(fā)育成熟的胚胎會(huì)被移出孵化機(jī)。如果孵化機(jī)中的產(chǎn)熱量為每個(gè)18 d孵化期的平均值，那么孵化機(jī)的平均產(chǎn)熱量將約為5.4 kW，并且每臺(tái)孵化機(jī)每小時(shí)的CO2生成量為630 L。要達(dá)到4 000 μL/L的CO2含量，這意味著我們必須讓孵化機(jī)每小時(shí)的通風(fēng)量達(dá)到630 L/3.5 L＝180 m3。由于我們并不是每天都向孵化機(jī)中放置新的入孵種蛋，而是每隔3 d～4 d的時(shí)間放入的，因此孵化機(jī)的平均產(chǎn)熱峰值就會(huì)略高些，但理論上180 m3的通風(fēng)量足以達(dá)到4 000 μL/L的CO2含量。我們經(jīng)常在巷道式孵化機(jī)中看到更大的通風(fēng)量，這是因?yàn)樗鼈兊睦鋮s能力通常很有限，這也是CO2水平通常較低的原因。箱體式孵化機(jī)本身也是按巷道式孵化機(jī)的孵化模式操作的，因?yàn)榉趸瘷C(jī)中存在許多處于不同發(fā)育階段的受精種蛋。這意味著在計(jì)算孵化機(jī)的通風(fēng)速率時(shí)，我們可以使用所有孵化機(jī)的平均產(chǎn)熱量和CO2生成量。

2 基于RH水平的通風(fēng)

入孵種蛋產(chǎn)生的水分需要被去除。如果我們知道入孵種蛋水分的產(chǎn)量以及進(jìn)出孵化機(jī)的空氣的水分含量，那么我們就可以計(jì)算出需要多少空氣來去除水分。在采用較低的通風(fēng)速率時(shí)，孵化機(jī)機(jī)箱內(nèi)的RH會(huì)升高；在采用較大的通風(fēng)速率時(shí)，加濕器將能夠彌補(bǔ)孵化機(jī)機(jī)箱內(nèi)低RH的不足。

如果一臺(tái)孵化機(jī)的機(jī)箱放置了100 000枚重量平均為65 g的種雞蛋，那么孵化機(jī)中入孵種蛋的總重量是6 500 kg。入孵種蛋在18 d的孵化期中應(yīng)損失12%的重量，這完全是由于水分流失所致。這些入孵種蛋在18 d內(nèi)損失了780 kg的水，或每小時(shí)失去780 L/18 d/24 h＝1.8 L或1 800 g的水。每升水蒸發(fā)損失的熱量為2 260 kJ，所以蒸發(fā)1.8 L的水需要4.1 MJ的能量。入孵種蛋的比熱為3.4 kJ/kg/℃，所以將6 500 kg的入孵種蛋冷卻1 ℃需要22.1 MJ的能量。因此，因蒸發(fā)水分通過蛋重?fù)p失所導(dǎo)致的熱量損失會(huì)使入孵種蛋的平均溫度下降4.1/22.1＝0.18 ℃。相比之下，如果將相同數(shù)量的水分僅噴灑到10%的入孵種蛋上，這會(huì)使這些種蛋的溫度局部額外下降1.8 ℃，而其余90%的入孵種蛋則完全沒有受到影響。

空氣中的水分含量可以在莫里爾圖中看出，或者使用互聯(lián)網(wǎng)提供的眾多應(yīng)用程序和程序中查看。如果進(jìn)入孵化機(jī)機(jī)箱的空氣溫度為24 ℃、RH為60%，那么在水平面上每立方米空氣將含有13 g的水分。如果孵化機(jī)的孵化箱內(nèi)空氣溫度為37.5 ℃、RH為55%，那么機(jī)箱內(nèi)每立方米的空氣將會(huì)含有24.7 g的水分。這意味著通過孵化機(jī)的每立方米空氣將會(huì)帶來24.7 g-13 g＝11.7 g的水分。如果孵化機(jī)每小時(shí)需要移除1 800 g的水分，那么我們需要對(duì)孵化機(jī)設(shè)置的通風(fēng)量為1 800 g/11.7 g＝154 m3空氣。

在孵化期的后半程，移除CO2所需要的通風(fēng)速率要高于將RH維持在所需水平上的通風(fēng)速率。結(jié)果，孵化機(jī)對(duì)更多的潮濕空氣進(jìn)行了交換，并且開始啟用加濕設(shè)備。如果基于CO水平的通風(fēng)速率為500 m3/h，那么孵化機(jī)需要噴灑多少水分？進(jìn)入孵化機(jī)的空氣含13 g/m的水分，排出孵化機(jī)的空氣含有24.7 g/m3的水分，導(dǎo)致每立方米的空氣損失11.7 g的水分當(dāng)通風(fēng)速率為500 m3/h時(shí)，交換的空氣每小時(shí)可除去500 m3/h×11.7 g/m3＝5 580 g水分。而入孵種蛋每小時(shí)可產(chǎn)生1 800 g水，所以孵化機(jī)每小時(shí)需要噴水5 580 g - 1 800

＝4 050 g，以將RH維持在55%。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)本身不是問題，但是水的蒸發(fā)會(huì)消耗能量。由于這種能量主要由靠近噴霧器的入孵種蛋提供，因此這會(huì)造成孵化機(jī)機(jī)箱內(nèi)的溫度分布不均勻。

如果我們不想在孵化機(jī)內(nèi)噴水，那么當(dāng)孵化機(jī)的通風(fēng)速率提高到150 m3/h～160 m3/以上(位于我們確定的濕度和溫度水平上時(shí)，我們就必須接受孵化機(jī)機(jī)箱內(nèi)空氣RH的下降。如果不額外噴水，孵化機(jī)機(jī)箱內(nèi)空氣的RH就會(huì)下降。當(dāng)孵化機(jī)的通風(fēng)速率達(dá)到500 m3/h，入孵種蛋每小時(shí)產(chǎn)生1 800 g水時(shí)每立方米空氣將會(huì)獲得1 800 g/500 m3/h ＝3.6 g水分。如果進(jìn)入孵化機(jī)機(jī)箱的空氣每立方米含有13 g水分，那么孵化機(jī)機(jī)箱內(nèi)的空氣將會(huì)含有13 g＋3.6 g＝16.6 g的水分。溫度為37.5 ℃且含水量為16.6 g的空氣將會(huì)使RH達(dá)到37%。這一數(shù)值并不完全正確，因?yàn)檩^低的RH會(huì)增加入孵種蛋的水分損失量，并且與入孵種蛋產(chǎn)生1 800 g/h水分不同，它們將會(huì)損失更多的水分，因此孵化機(jī)機(jī)箱內(nèi)空氣的RH不會(huì)下降太劇烈，但會(huì)保持在40%～50%之間。這表明當(dāng)我們根據(jù)機(jī)箱中空氣的CO2水平進(jìn)行通風(fēng)且不希望啟動(dòng)噴霧器時(shí)，我們必須接受孵化期后期孵化機(jī)機(jī)箱內(nèi)空氣的RH相當(dāng)?shù)汀?/p>

3 基于溫度的通風(fēng)

特別是在孵化期的第二階段，我們需要排去入孵種蛋胚胎發(fā)育產(chǎn)生的熱量以避免種蛋過熱，這要求孵化機(jī)具備足夠的冷卻能力。冷卻可以通過三種不同的途徑實(shí)現(xiàn)：在孵化機(jī)中預(yù)置冷卻盤管、蒸發(fā)水分和通過交換空氣(通風(fēng))來散熱。

如果通風(fēng)是孵化機(jī)唯一的冷卻方式，我們可以根據(jù)進(jìn)出孵化機(jī)的空氣所含的能量值來計(jì)算所需的通風(fēng)速率。就像空氣中的水分含量(g/m3)一樣，空氣中的能量含量也可以在莫里爾圖中查到。溫度為24 ℃、RH為60%的孵化機(jī)機(jī)箱空氣含有約45 kJ/m3的能量。在空氣溫度為37.5 ℃、RH為55%的條件下運(yùn)行的孵化機(jī)中，其機(jī)箱中空氣的能量含量約為85 kJ/m3，因此通過孵化機(jī)的空氣每立方米將會(huì)吸收40 kJ的能量。

如果通風(fēng)是唯一的冷卻方式，在18 d的孵化期中，我們需要通過空氣交換除去15 kW的熱量。1 W等于1 J/s，因此15 kW的熱量就等于15 000 W×3 600 h＝54 000 kJ/h。因?yàn)槊苛⒎矫椎目諝鈺?huì)吸收40 kJ的能量，因此如果我們想通過通風(fēng)來去除胚胎產(chǎn)生的熱量，那么我們需要讓一臺(tái)孵化100 000枚種蛋的孵化機(jī)達(dá)到54 000/40＝1 350 m3空氣的通風(fēng)量。

一臺(tái)巷道式孵化機(jī)大約需要移除5.4 kW的熱量，正如在根據(jù)孵化機(jī)機(jī)箱內(nèi)空氣中的CO2水平設(shè)置通風(fēng)速率的那一節(jié)所講述的一樣，5.4 kW的熱量指的是5 400 W×3 600 h＝19 440 kJ/h。由于每立方米的通風(fēng)量增加了40 kJ的能量，這就需要每小時(shí)交換19 440/40＝486 m3的空氣。這種計(jì)算方法對(duì)進(jìn)入孵化機(jī)機(jī)箱的空氣條件相當(dāng)敏感。如果進(jìn)入孵化機(jī)機(jī)箱的空氣不是溫度為24 ℃、RH為60%的空氣，而是溫度為27 ℃、RH為60%的空氣，那么其能量含量將是53 kJ/m3，并且該空氣吸收的能量將是85 kJ/m3-53 kJ/m3＝32 kJ/m3而不是40 kJ/m3。對(duì)于箱體式孵化機(jī)，其18 d孵化期的通風(fēng)量應(yīng)提高到每小時(shí)54 000/32＝1 688 m3的空氣，這約增加了25%。

但是，大多數(shù)現(xiàn)代化孵化機(jī)都配備了除熱用的冷卻盤管。如果我們出于降低機(jī)箱內(nèi)空氣中的CO2含量的目的對(duì)孵化機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，那么我們需要將孵化機(jī)的通風(fēng)速度設(shè)置為500 m3/h。這個(gè)通風(fēng)量會(huì)帶走500×40 kJ＝20 000 kJ的熱量。但是，我們需要移除54 000 kJ的熱量，因此冷卻盤管每小時(shí)應(yīng)該能夠帶走54 000 - 20 000＝34 000 kJ的熱量。

如果我們知道通過冷卻盤管的水流量以及該冷卻盤管的進(jìn)入水和排出水的溫差，我們就可以估算出該冷卻系統(tǒng)的制冷效率。水的比熱能力為4.184 kJ/L/℃。這意味著1 L水需要4.184 kJ的熱量才能使其溫度升高1 ℃。也就是說，如果冷卻盤管的進(jìn)入水和排出水的溫差為10 ℃，并且我們每小時(shí)需要去除34 000 kJ熱量，那么我們每小時(shí)需要的冷卻水流量為34 000 kJ/4 184 kJ/10 ℃＝813 L。

如果冷卻盤管的進(jìn)入水和排出水的溫差只有5 ℃，那么很顯然我們需要讓進(jìn)入冷卻盤管的水量加倍(34 000 kJ/4 184 kJ/5 ℃＝1 625 L/h)。如果我們不希望孵化機(jī)的通風(fēng)量超過降低機(jī)箱內(nèi)空氣中CO2含量所需的量，但是我們沒有給孵化機(jī)配備冷卻盤管，那么我們需要通過蒸發(fā)水分來排出熱量，同樣排出的熱量為34 000 kJ/h。每克水蒸發(fā)需要排放2.25 kJ的熱量，因此我們每小時(shí)需要蒸發(fā)34 000 kJ/2.25 kJ＝15.1 L的水。當(dāng)我們利用500 m3/h的通風(fēng)量排放這一數(shù)量的水時(shí)，那么每立方米的空氣將會(huì)獲得15 100 g/500 m3/h＝ 30.2 g的水。當(dāng)進(jìn)入孵化機(jī)的空氣溫度為24 ℃、RH為60%時(shí)，那么每立方米的空氣會(huì)含有13 g的水分。再加上入孵種蛋產(chǎn)生的水分(1 800 g/h即1 800 g/500 m3＝3.6 g/m3)以及噴霧的水(30.2 g/m3)，孵化機(jī)機(jī)箱內(nèi)空氣中的總含水量為13 g/m3＋3.6 g/m3＋30.2 g/m3＝46.8 g/m3，這一含水量超過100%的RH，顯然在我們需要依靠蒸發(fā)水分進(jìn)行冷卻時(shí)，我們就必須加大通風(fēng)量以獲得可接受的RH水平，或者我們必須接受我們需要啟用冷卻盤管來將入孵種蛋的溫度保持在可接受狀態(tài)下。

4 小結(jié)

孵化期的通風(fēng)是一個(gè)復(fù)雜的問題。然而，通過運(yùn)用針對(duì)這一情況的系統(tǒng)方法和對(duì)物理機(jī)制的基本理解，我們可以讓這個(gè)復(fù)雜的問題簡(jiǎn)單化。這會(huì)將其從一個(gè)黑盒子變成一個(gè)可以用計(jì)算器進(jìn)行分析的系統(tǒng)。該復(fù)雜的因素在于如果我們改變了一個(gè)參數(shù)，它會(huì)影響方程式中的其他部分。如果我們要改變孵化機(jī)機(jī)箱中的CO2水平，我們會(huì)改變孵化機(jī)的通風(fēng)水平，但改變了通風(fēng)就會(huì)影響RH和噴霧器的功能，結(jié)果這將會(huì)改變孵化機(jī)機(jī)箱中的溫度分布。因此，重要的是要考慮不同參數(shù)之間的相互作用，以充分理解此系統(tǒng)的邏輯。