史凌杰 郑炜超,2,3* 李修松 魏永祥 李 浩,2,3 邓森中 吴雪飞
(1.中国农业大学 水利与土木工程学院，北京 100083；
2.农业农村部设施农业工程重点实验室，北京 100083；
3.北京市畜禽健康养殖环境工程技术研究中心，北京 100083；
4.浙江大学 生物系统工程与食品科学学院 杭州 310058；
5.大牧人机械(胶州)有限公司，山东 青岛 266000)
楼房猪舍是一种新的猪舍建筑模式，因节地效果明显近年来得到了广泛应用。相比于传统猪舍，楼房猪舍的通风管理更为复杂，但目前仍多采用平层猪舍的传统纵向通风模式，与楼房建筑的匹配性较差。作为猪舍环境控制的重要手段，良好的通风管理可以有效调控猪舍内的温度、相对湿度和有害气体浓度[1-2]，进而提供适宜猪只生长繁育的环境，避免出现生理指标异常,免疫力下降和死亡率增高等问题[3-5]。
为了更好地解决楼房猪舍通风管理的问题，已有研究对楼房猪舍的通风现状进行分析，并提出改进意见[6-8]。Yeo等[6]认为传统纵向通风模式普遍存在猪舍内温度分布不均的现象，主要表现为湿帘-风机两端纵向温差较大，同时夏季无效通风多，能耗高。Wang等[7]研究发现，楼房猪舍各楼层之间通风量存在差异，且通风量与楼层数存在负相关关系。杨彩春等[8]认为楼房猪舍应构建以楼层为单位的单元化通风系统，可以借助送风管道尝试采用靶向通风系统。靶向通风系统是指在湿帘-风机纵向通风的基础上，安装覆盖猪舍所有栏位的送风管道，采用长直管道进风，并在猪舍内每个栏位的管道处设置出风口的通风系统，具有送风精准、局部降温、受外界因素影响小的优势，能够有效提升通风均匀性[9]。靶向通风系统在牛舍和猪舍中的应用证明，该系统能够有效改善舍内温湿度和风速分布情况，而影响靶向通风系统的关键因素包括管道长度、出风口位置、形状等[10-11]。为有效提高楼房猪舍通风均匀性，解决夏季猪舍内热环境分布不均和通风能耗高等问题，避免出现局部温度过高和猪只热应激现象，探究靶向通风系统在楼房猪舍的适用性，优化楼房猪舍的配套通风系统。
本研究拟以安装有靶向通风系统的楼房式妊娠母猪舍为研究对象，在冬季和夏季对猪舍内风速、通风量、温湿度和猪只应激状况进行测试，研究靶向通风系统在楼房猪舍的应用效果，以期为楼房猪舍靶向通风系统的运用与改进提供参考。
1.1 试验猪舍
本试验在山东省莱州市某楼房猪场进行。选取1间位于5层(顶层)且装有靶向通风系统的妊娠母猪舍作为试验猪舍，分冬季(测试时间为2021年3月3日—3月19日)和夏季(测试时间为2021年7月23日—8月20日)开展测试。
试验猪舍长为64.4 m，宽41.3 m，舍内布局为10列6走道，每舍可容纳620头妊娠母猪。试验猪舍采用单栏定位饲养模式，每列62个栏位，单栏尺寸(长×宽×高)为2 200 mm×6 00 mm×1 100 mm。试验猪舍采用负压通风模式，并且配备靶向通风系统，采用送风管道进风，送风管道与猪舍前端进风走廊连接(图1(a))，进风走廊外侧安装有湿帘用于夏季降温。试验猪舍每列猪栏上方布置1条送风管道，管道截面为900 mm×600 mm的矩形，底部离地高度为1.5 m，送风管道在每个栏位处设置2个出风口，出风口直径为100 mm，从管道处向下延伸100 mm。其中正出风口中心距离栏位前端450 mm，斜出风口与水平面夹角为30°～45°，与正出风口相邻(图1(b))。
1.支撑架；
2.送风管道；
3.正出风口；
4.斜出风口 1.Support frame; 2.Air conduit; 3.Front air outlet; 4.Inclined air outlet图1 送风管道进风口(a)和出风口(b)实物图Fig.1 Physical picture of air inlet (a) and outlet (b) of air conduit
试验猪舍内饲养母猪品种为‘大白’，舍内实际饲养母猪545头，同批次入舍，采用标准化生产工艺，配套机械式干清粪系统和自动饲喂饮水系统，每天喂料2次，分别在9:00—10:00和15:00—16:00进行。
1.2 试验指标及测试方法
1.2.1通风量及风速
测量试验猪舍通风量时，在风机端两侧各确定1个测点(图2(a))[12-13]，对试验猪舍风机端内外两侧静压差进行测试，结合风机性能曲线，计算得到试验猪舍通风量和单位猪只通风量[14-15]。单位猪只通风量的计算公式为：
(1)
测量试验猪舍风速时，在宽度方向选取中心区域(C)、边缘区域(E)和其他区域(O)3种不同区域，在长度方向选取第1、31和62号栏位，共在舍内选取9个栏位(图2(a))，每个栏位又分别取正出风口、斜出风口、送风管道内和猪只生活区域4个(图2(b))，合计36个测点进行测试，其中取正出风口和斜出风口测量结果的平均值后，作为送风管道出风口风速测量结果。以试验猪舍内地面为基准，正出风口、斜出风口采集高度为1.4 m，送风管道内采集高度为1.8 m，生活区域采集高度为0.8 m(图2(b))。
气流不均匀性系数是用于评价猪舍通风模式和风速分布情况的指标[16]，参照民用建筑气流分布性能的评价标准[17]，引入式(2)和(3)计算试验猪舍内气流不均匀性系数：
(2)
(3)
1.2.2温湿度
测量试验猪舍温湿度时，在宽度方向选取中心区域(C)和边缘区域(E)2种不同区域，在长度方向选取第1、31和62号栏位，共在舍内布置6个温湿度测点(图2(a))，高度为0.8 m，用于采集猪只生活区域温湿度，并将中心和边缘区域第1、31和62号栏位平均温湿度分别定义为测点L1、L2和L3的测量结果，用于分析试验猪舍内水平方向温湿度分布情况。夏季试验中，在边缘区域第31号栏位(E31)采集点的正上方高度为1.4和2.0 m处各设置1个测点，合计2个测点，用于采集试验猪舍内不同高度温湿度分布情况，并将E31处0.8、1.4和2.0 m 3个不同高度测点分别定义为H1、H2和H3，用于分析试验猪舍内垂直方向温湿度分布情况。
单位：m Unit: m E1、E31、E62、C1和O1均为各指标测点；
其中，C、E和O表示试验猪舍宽度方向中心、边缘和其他区域；
数字1、31和62表示试验猪舍长度方向每列第1、31和62号栏位。图4和表5同。
E1, E31, E62, C1 and O1 are the measurement points of each indicator; C, E and O are center area, edge area and other area in the width direction of experimental house; 1, 31 and 62 are No.1, 31 and 62 fields in each column in the length direction of experimental house. The same inFig.4 andTable 5.图2 试验猪舍各指标测点(a)及单个猪只栏位风速测点(b)布置示意图Fig.2 Layout diagram of measuring points for each indicator in experimental house (a) and wind speed in single sow field (b)
1.2.3温湿度指数
温湿度指数(Temperature humidity index, THI)，是综合温度和相对湿度的热环境评价指标。当THI为38～74时，表明动物处于舒适区；
THI≤38时，动物处于冷应激状态；
THI为75～78时，动物处于轻度热应激状态；
THI为78～83时，动物处于中度热应激状态；
THI≥84时，动物处于高度热应激状态[18-19]。THI的计算公式为：
THI=(1.8T+32)-[0.55×RH]× [(1.8T+32)-58]
(4)
式中：T为干球温度，℃；
RH为相对湿度，%。
1.3 试验仪器及工况
1.3.1试验仪器
1)压差测量：采用testo 510i型压差计，精度为±(2 Pa+1.5%测量值)，测试3次取平均值。
2)风速测量：采用testo 440型热线风速仪，精度为±(0.03 m/s+4%测量值)，对每个测试点连续监测20 s后自动计算平均值，剔除粗大误差并重复3次再取平均值。
3)温湿度测量：采用HOBO U23-001型温湿度传感器，温度测量精度为±0.18 ℃，湿度测量精度为±2.5%，采集频率为12 次/ h，间隔5 min，24 h连续采集。
1.3.2试验工况
试验猪舍采用自动环境控制器(BH8600，青岛大牧人机械股份有限公司)控制风机运行，冬季舍内目标温度阈值区间设定为18～20 ℃，夏季舍内目标温度阈值区间设定为20～22 ℃。
试验猪舍共配置12台风机，包括10台定频风机(57玻璃钢拢风筒风机，额定风量62 500 m3/h，青岛大牧人机械股份有限公司)，用A表示；
以及2台变频风机(36玻璃钢拢风筒风机，额定风量22 200 m3/h，青岛大牧人机械股份有限公司)，用B表示。
冬季试验共采用2种工况，分别为W1和W2；
夏季试验中共采用3种工况，分别为S1、S2和S3。每种工况对应的运行风机配置见表1。
1.4 数据处理
采用Microsoft Excel 2016软件进行数据处理，采用SPSS 24.0软件进行差异性分析。压差和风速以平均值表示，并采用气流不均匀性系数对风速进行分析。温度、相对湿度和温湿度指数以“平均值±标准差”表示，差异显著性分析采用单因素方差分析，其中差异性系数P<0.05表示差异显著。
表1 不同工况下运行风机配置Table 1 Configuration of fans in operation under different working conditions
2.1 通风量及风速
根据测试得到的试验猪舍风机端内外静压差，结合风机性能曲线(图3)，计算得到试验猪舍通风量和单位猪只通风量，结果见表2。
冬季测试时，试验猪舍风速较小，送风管道出风口和生活区域各测点风速波动范围分别为0.04～0.87 和0.02～0.19 m/s；
夏季测试时，试验猪舍风速较大，送风管道出风口和生活区域各测点风速波动范围分别为1.36～6.26 和0.07～2.59 m/s。
图3 风机性能曲线Fig.3 Fan performance curve
表2 不同工况下试验猪舍内外静压差和单位猪只通风量Table 2 Static pressure difference inside and outside experimental house and individual ventilation rates under different working conditions
冬季和夏季测试结果均显示，试验猪舍送风管道内风速沿长度方向从进风端至排风端呈现递减趋势。送风管道出风口和生活区域各测点风速测试结果见图4。试验猪舍在采用靶向通风系统时，风速沿长度方向存在显著性差异(P<0.05)，宽度方向差异不显著(P>0.05)。
图4 不同工况下试验猪舍送风管道出风口和生活区域各测点风速测试结果Fig.4 Results of wind speed for each measuring point at the air conduit outlet and the living area under different working conditions in experimental house
依据各测点测量结果，采用插值法确定各栏位不同位点的风速，计算得到试验猪舍内气流不均匀性系数，结果见表3。试验猪舍内气流在宽度方向均匀性较好，气流不均匀性系数保持在0.4以下；
长度方向均匀性略差。出风口位点整体均匀性较好，冬季工况较小时，在长度方向上存在一定程度的分布不均；
生活区域位点因出风口角度差异及风速扩散效应，气流更不稳定，整体均匀性较差。
表3 不同工况下试验猪舍内长度和宽度方向气流不均匀性系数Table 3 Non-uniformity coefficient of airflow at length and width directions under different working conditions in experimental house
2.2 温湿度
冬季试验猪舍内猪只生活区域各测点的平均温度为(19.5±0.21) ℃，波动范围18.0～21.5 ℃；
相对湿度为68%±1.4%，波动范围59%～88%。试验猪舍内温度和相对湿度符合妊娠母猪生长环境要求。
夏季试验猪舍内猪只生活区域各测点的平均温度和相对湿度测试结果见图5，其中平均温度为(27.0±1.77)℃，波动范围23.7～31.0 ℃；
相对湿度为81%±7.9%，波动范围58%～94%。夏季试验期间，每天12:00—16:00湿帘水泵开启，其余时段处于关闭状态。
夏季试验猪舍水平与垂直方向的温湿度测试结果见表4。试验猪舍水平方向第1、31和62号栏位处(L1、L2和L3)3个断面内温度全天差异不显著(P>0.05)；
L1和L2处2个断面内相对湿度全天差异不显著(P>0.05)，开启湿帘水泵后，L2和L3处2个断面内相对湿度差异显著(P<0.05)。试验猪舍垂直方向0.8 m高度处(H1)断面内的温度要低于1.4和2.0 m高度处(H2和H3)，且开启湿帘水泵后，H1和H2处2个断面内温度差异显著(P<0.05)；
H1和H2处2个断面内相对湿度全天差异显著(P<0.05)，H2和H3处2个断面内相对湿度全天差异不显著(P>0.05)。
图5 夏季试验猪舍猪只生活区域各测点平均温湿度日变化Fig.5 Diurnal variation of average temperature and relative humidity in summer for each measuring point in the sow field area in experimental house
表4 试验猪舍水平与垂直方向温湿度测试结果Table 4 Results of temperature and relative humidity at horizontal and vertical direction in experimental house
2.3 温湿度指数
根据测试得到的试验猪舍内温湿度数据，计算各测点温湿度指数(THI)平均值及冷热应激程度比例，结果见表5。冬季测试结果表明，各测点处均处于舒适区，试验猪舍内温湿度指数平均值为64.1±2.4，未出现冷应激状态；
夏季试验猪舍内温湿度指数平均值为70.7±2.9，出现轻度和中度热应激的比例为13.3%和0.8%，未出现高度热应激状态。
表5 试验猪舍各测点温湿度指数平均值及冷热应激程度比例Table 5 Mean temperature-humidity index (THI) and the proportion of cold stress and heat stress for each measuring point in experimental house
测试期间，相同通风级别试验猪舍内外全压一致。根据伯努利方程(式(5))和连续性方程(式(6))可以确定，在本研究中，静压对应试验猪舍内外静压差，与动压成负相关关系；
风量对应试验猪舍通风量，截面积对应靶向通风系统进风口面积，风量与截面积、风速成正比关系。
(5)
A×v=Q
(6)
式中：p为静压；
ρ为空气密度；
v为风速；
1/2ρv2表示动压；
A为截面积；
Q为风量。
试验猪舍的静压差和风量测试结果表明，冬季静压差较小，且冬季靶向通风系统进风口面积大于传统通风模式的吊顶进风或小窗进风，因此单位猪只通风量较大；
夏季静压差较大，且夏季靶向通风系统进风口面积与冬季一致，小于传统纵向通风模式的开放式进风口，因此单位猪只通风量较小。
Wang等[7]通过现场测试和CFD模拟发现,采用传统纵向通风系统的楼房式妊娠母猪舍内风速沿长度方向和宽度方向均存在显著差异。本研究在采用靶向通风系统后，试验猪舍内风速分布情况能够明显改善，尤其是在宽度方向，而长度方向存在一定差异，可能的原因是送风管道过长。Moueddeb等[20]指出影响靶向通风舍内气流分布的主要因素包括：风速，静压和动压，管道壁的厚度，出风口的形状、尺寸和布置等。李浩等[21]研究发现，在通风量不变的条件下，随着孔数或孔径的增加，送风管道总出风口面积增大，导致出风口风速下降。当通风级别增加时，出风口和生活区域风速逐渐增大，靠近进风端的栏位处风速和靠近排风端的栏位处风速之间差值减小，气流不均匀性系数呈减小趋势(表3)，试验猪舍内气流分布均匀性提升。因此，靶向通风系统需要进一步完善设计，以更好地实现出风口和生活区域风速沿猪舍长度方向均匀分布。在满足猪只健康生长要求的条件下，适当增大出风口风速能够在一定程度上改善沿猪舍长度方向气流组织的均匀性。同理，在不改变通风级别的情况下，可以通过缩短猪舍长度，减少栏位数量和出风口数量，进而增大出风口风速，提高气流分布均匀性。
猪舍的建筑设计和通风模式会影响猪舍内热湿环境[22]。吴志东等[23]研究表明，冬季猪舍应用靶向通风系统可以兼顾通风与保温的问题。本试验结果同样表明，冬季试验猪舍采用靶向通风系统后，新风经过进风走廊预热，使进风温度较高，能够起到较好的保温效果，可以为猪只提供适宜生长繁育的热环境。高云等[24]现场测试表明楼房猪舍采用传统纵向通风模式，夏季舍内昼夜温差会达到11.6 ℃。本试验结果显示，夏季外界高温环境下，试验猪舍内昼夜温差仅为3.4 ℃，这一结果表明靶向通风系统可以解决猪舍内热环境稳定性不佳的问题。庞进友[25]研究表明靶向通风系统可以有效利用风速，提高猪舍内风速和温度分布均匀度，有效实现夏季降温。Caputo等[9]对比发现采用靶向通风系统可以提高能源利用效率，达到局部环境精准调控的需求。上述研究与本试验结果具有良好的一致性，说明靶向通风系统能够有效改善猪舍内环境。同时，夏季采用靶向通风系统后，能够精准地将新风送至猪只生活区域，让风冷效应得以实现，进而降低猪只生活区域温度，提升湿帘-风机系统降温效果，解决猪舍内热环境分布均匀性不佳的问题。
施正香等[26]提出在提供适宜环境温度的同时，应按猪体不同部位进行局部温度控制，满足猪只舒适的躺卧需求。汪开英等[27]揭示了猪舍内环境与猪只行为之间的关联。靶向通风系统在改善猪舍环境的基础上，能够更好地满足猪只行为表达和生理需求[18-19]。本试验中，通过人工观测也发现，当试验猪舍外部出现高温天气时，舍内猪只依旧能够保持活跃度，存在躺卧、站立等不同姿态，猪只会尝试用头部、鼻部感知风速，并置于风口下，呼吸频率异常的猪只数量较少，应激现象少。吴中红等[11]测试得到传统纵向通风模式猪舍在夏季外界高温环境作用下，猪舍内温湿指数平均值已经处于舒适区的临界值，出现热应激比例高。本研究中试验猪舍内冬季和夏季温湿指数平均值分别为64.1和70.7，处于舒适区，表明靶向通风系统能够提高猪只舒适度，提供更适宜的生长环境。
本研究选取山东省莱州市某楼房猪场中一个装有靶向通风系统的妊娠母猪舍，对猪舍内风速、通风量、温湿度和猪只应激状况进行监测和计算，主要结论如下：
1)靶向通风系统能够精准地将新风送到猪只生活区域，有效提升试验猪舍内气流的分布规律和利用效率，其中栏位处出风口和生活区域风速沿宽度方向均匀性较好(P>0.05)，沿长度方向均匀性较差(P<0.05)。
2)靶向通风系统能够将试验猪舍内温度调控至妊娠母猪适宜的温度范围内，且水平和垂直方向温湿度均匀性较好(P>0.05)，能够有效提升湿帘-风机系统降温效果，降低猪舍通风量需求。
3)靶向通风系统能够有效提升猪只舒适度，试验猪舍内冬季未出现冷应激状态，夏季无热应激状态比例为85.9%，轻度和中度热应激状态分别为13.3%和0.8%，未出现高度热应激状态。
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