縱向通風籠養雞舍氣流組織及熱濕環境研究

翟耀芳等

摘要：隨著養殖業向高度集約化方向發展，雞舍內微氣候環境對雞的生產、生活性能有日漸重要的影響。本研究利用多孔介質模型將單個雞籠及其雞體簡化為一個具有相同阻力特性的長方體，采用數值模擬方法研究了密閉式籠養蛋雞舍內的氣流組織及熱濕環境。結果表明：在進口端氣流不穩定，存在渦流，經過一段距離后達到穩定，氣流間相互影響變小；在雞籠范圍內，溫度和濕度沿高度和寬度方向分布較為均勻，溫度沿縱向逐漸上升，相對濕度則逐漸下降。因此，為了使縱向通風能更好發揮作用，必須采取措施改善其氣流組織。

關鍵詞：縱向通風；籠養蛋雞舍；計算流體力學；氣流組織；熱濕環境

中圖分類號： TU264+.7 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）03-0337-06

雞舍內微氣候環境包括氣流組織、溫度、相對濕度等，對雞的生產、生活性能有重要影響。由于養雞業向高密度、集約化發展，目前我國多數集約化蛋雞養殖場存在舍內微環境不穩定、空氣污濁、粉塵較大、缺乏現代化設施、環境控制能力差、存在疾病隱患等問題[1]。通風是密閉式雞舍內環境調控的重要手段，良好的通風對改善舍內熱環境條件和空氣質量，提高雞的健康和生產水平有重要作用。與傳統橫向通風方式相比，縱向通風方式由于具有更高的通風效率、氣流速度，且噪音更低，加上污濁空氣便于集中消毒，相鄰雞舍間交叉污染少，從而在近年來的雞舍設計中得到了廣泛應用。李保明對縱向通風系統的設計與應用進行了研究，分別討論了雞舍縱向通風系統的通風換氣量與舍內風速取值、進氣口面積與位置的確定，風機的選型及其不同季節的運行管理等問題[2]。但調查顯示，采用縱向通風的雞舍并不能達到滿意的效果，主要影響因素包括進風口設計、風機配置及安裝、過流斷面及漏風問題等，這些因素都會影響舍內的氣流組織[3]，因此，研究舍內氣流組織對縱向通風的設計和優化具有重要意義。

目前關于籠養雞舍通風效果的研究主要集中于試驗方法[4-8]。由于安裝測試儀器及設備以及人員進出會影響雞群的生產和生活，導致試驗中監測雞舍數量及舍內監測布點有限，另外監測儀器也存在不可避免的干擾。隨著計算機技術的發展，計算流體力學（computer fluid dynamic，CFD）方法由于能得到計算區域內任意點的相關參數，且后處理組件可以給出可視化結果，直觀反映流速或溫度的變化分布，其應用越來越廣。目前在農業領域，CFD方法在溫室[9]、豬舍[10-12]、牛舍[13]通風系統的研究中得到很好應用；由于平養雞舍內設備較少，計算模型較為簡單，CFD方法也在平養雞舍方面得到推廣[14-16]。而籠養雞舍由于其設備的復雜性，應用CFD方法很少，且一般多采用二維模型[17-18]。本研究采用CFD方法研究中等規模疊層籠養蛋雞舍內的縱向通風系統，分析雞舍內的氣流組織及熱濕環境的三維分布，旨在為疊層籠養蛋雞舍的縱向通風系統設計提供參考。

1 標準雞舍的建立

根據調研及文獻查閱結果，目前蛋雞舍的飼養規模大致可分為3種：起步階段存欄2 000～5 000羽，中等規模飼養階段存欄1萬～5萬羽，大規模飼養階段存欄10萬羽以上，每棟雞舍最大飼養規模的推薦值為1.5萬～2萬羽。本研究將建立1個中等規模、采用縱向通風的標準雞舍，即存欄1萬羽蛋雞，雞舍總長67 m，跨度12 m，檐高3.2 m。雞舍內采用2列4層的雞籠。

1.1 縱向通風系統的設計

通風換氣量根據雞舍內斷面風速進行確定，取斷面風速為1.5 m/s[2]，則雞舍內換氣量為：1.5×12×3.2=57.6 m3/s。采用6臺SFT-No10型號的風機，額定風量為32 100 m3/h，安裝在一側山墻上。進風口面積按風機面積的2倍確定，以減少進氣口阻力，風機和進風口分設在兩側山墻上[2]，具體布置見圖1。

1.2 雞籠和雞體模型的建立

為了計算雞籠和雞體對氣流組織的影響，應盡量使模型與實際情況相符合，但若按雞籠和雞體的實際尺寸建立模型，須要劃分的網格數量很大，迭代過程很長，而且會影響迭代過程的收斂性。目前在模擬障礙物對氣流組織的影響時，多采用多孔介質模型[19-21]。張天柱等在模擬二維雞舍的氣流組織時，也采用了多孔介質模型簡化舍內雞籠對氣流的阻力作用[17]。本研究將單個雞籠簡化為多孔介質模型，設定其阻力系數來表示雞體對空氣流動的阻礙作用。由于雞籠在3個方向上對空氣的阻力特性均不同，所以應分別計算3個方向的阻力系數。

多孔介質模型采用經驗公式定義多孔介質上的流動阻力。從本質上說，多孔介質模型是在動量方程中增加了1個代表動量耗散的源項以模擬多孔介質的作用。源項由2部分組成：黏性損失項，即方程（1）右端第1項；慣性損失項，方程（1）右端第2項。

3 模擬結果

通過計算得出，雞舍內平均風速為1.4 m/s，與前面的理論計算值的相對誤差為6.7%，在可接受范圍內，滿足設計要求。雞舍內平均溫度為31.72 ℃，而從熱應激的角度看，21～26 ℃是雞的舒適環境溫度范圍，26～32 ℃是不太舒適、但能維持正常生理功能的環境溫度范圍，高于32 ℃是雞生理功能區域紊亂的溫度范圍[23]。31.72 ℃的平均溫度可以維持蛋雞的基本生理功能，但為了保證其生產能力，還是應該采取輔助降溫措施將舍內溫度降至25 ℃以下。蛋雞的適宜相對濕度為60%，但相對濕度為45%～70%對蛋雞的生產性能影響不大。本研究計算得出的平均相對濕度為66%，能夠滿足雞生長所需的濕度環境。

3.1 1.5 m高度處的氣流組織及溫度、濕度分布

研究了第3層雞籠中心高度處即1.5 m處的氣流組織及熱濕環境分布。從圖4中可以清晰地看到，在雞舍進風端存在一段距離的渦流，該距離大約為8 m左右，經過這段距離后，流線達到穩定，平直向前；在雞舍末端，由于風機的抽吸作用，流線又匯到一起，最終經由風機流出。通過分析風速矢量圖得出，雞舍內流場的大部分區域氣流分布穩定，相互間干擾較小。

從圖5可以看出，進口端的風速梯度較大，在達到y=18 m 的距離后，風速基本保持不變，中間走廊的平均風速可達1 m/s，兩側走廊的風速高于中間走廊，為1.5 m/s，而在雞所處的位置，風速僅為0.5 m/s。雖然雞舍的平均風速達到 1.4 m/s 左右，基本滿足設計要求，但在雞籠中間部位的風速遠不能滿足斷面風速為1.5 m/s的要求，這可能是由于雞舍前端存在渦流，使一部分新風停滯不前，有效利用的新風量減少，從而減少了斷面風速。因此在設計雞舍縱向通風系統時，

應采取有效措施盡量減少雞舍前端渦流的存在，使通風盡可能被有效利用。

從圖6可以看出，沿長度方向雞舍內溫度逐漸升高。在寬度方向上，雞所處位置由于有熱源存在，溫度相對走廊處的要高，且中間雞籠處的溫度要低于兩側雞籠，這可能是由于雞舍前端存在渦流，而中間位置處渦流范圍較大，氣流分布較為均勻，使得該處溫度梯度較小，即溫升小，導致該部分中間雞籠處溫度低于兩側雞籠，而由于雞舍中部氣流之間相互干擾較小，兩側氣流對中間的影響較小，導致沿雞籠的整個長度方向中間雞籠的溫度都低于兩側雞籠。

從圖7可見，雞舍內相對濕度分布與溫度分布類似，與其不同的是，沿長度方向雞舍內相對濕度逐漸減小。在寬度方向上，雞所在位置的相對濕度低于走廊處的相對濕度，中間雞籠處的相對濕度高于兩側雞籠。相對濕度的大小主要取決于舍內空氣含濕量及溫度。對照溫度分布云圖可以得出，雞的散濕量對舍內相對濕度的影響較小，相對濕度變化主要受溫度的影響，溫度越高，相對濕度越低。

不同高度處水平面的氣流組織及溫度、濕度分布云圖情況類似，因此不詳細列出。

3.2 不同高度處氣流組織分布差異

由于雞舍沿寬度方向是對稱的，所以只對其一半進行研究即可。取3個具有代表性的截面進行研究，分別為x=225 m（第1排雞籠中間位置），x=4.00 m（走道中間位置），x=5.75 m（第2排雞籠中間位置），具體位置如圖8所示。

由于雞舍內通風主要是為了滿足雞的生產生活，因此在長度方向上主要研究雞籠存在的范圍，即y為3～64 m的范圍。從圖9至圖11可以看出，垂直平面x=2.25、5.75 m的充分發展段內，風速沿長度方向即y方向的分布相似。在雞籠存在的高度范圍內，包括z=0.5、1、1.5、2 m，其風速沿長度方向均保持不變，且4個高度處的風速差別不大，平均速度在0.7m/s左右。在x=2.25m的截面處，在其入口端，由于受渦流的影響，風速分布不穩定，部分位置處風速較大，容易給雞造成較強的吹風感，應對這部分氣流組織進行優化，提高雞的舒適性。在x=5.75 m的截面處，其前部分正好處于渦流中心處，風速較小，在y=7 m左右的位置，風速接近于0，這對雞的散熱是不利的，故這部分氣流組織也應進行優化。在 x=4.00 m 處由于沒有安置雞籠，其風速分布與其他2個截面處有所不同。在充分發展段內，風速在高度方向呈上升趨勢，且平均速度高于其他2個截面。2 m高度以下風速低于 2 m/s，不會引起雞的不舒適，故這部分氣流基本滿足要求。

3.3 不同高度處溫度、濕度分布差異

雞舍內溫度分布受到熱源即雞的散熱量以及風速的影響。由圖12-a、圖13-a、圖14-a可見，沿高度方向，雞舍內溫度呈下降趨勢，在雞籠高度范圍內，溫度沿高度方向的梯度較小，這是由于位置較高處的風速較大。在散熱量一定的情況下，風速越大，其帶走的熱量越多，熱量在熱源處累積的量就小，故溫度較低。另外發現，在雞籠高度范圍內的溫度差異不是很大，這與風速的分布是對應的。在y=40 m之后，雞舍溫度達到了32 ℃以上，不能滿足雞的正常生理需求溫度，因此在采取輔助降溫措施時，應將重點放在y=40 m之后的范圍。

從圖12-b、圖13-b、圖14-b中可以看出，沿高度方向，雞舍內相對濕度逐漸升高，這與溫度分布剛好呈相反趨勢，且在雞籠高度范圍內相對濕度分布差異不是很大，這與前述相對濕度受室內溫度影響較大的結果一致。在整個雞舍內相對濕度均能滿足雞舒適生長所需的濕度環境。

4 結論

采用CFD方法研究了縱向通風技術在疊層籠養蛋雞舍

的應用效果。結果表明，雞舍內平均溫度為31.72 ℃，平均相對濕度為66%，平均風速為1.4 m/s，為了滿足雞的正常生產需求，還應采取一定的降溫措施。在雞籠位置范圍內，氣流和熱濕環境在高度和寬度方向分布較為均勻；而沿長度方向溫度升高1.5 ℃，相對濕度降低5%；在氣流達到穩定后走道平均風速為1 m/s，雞籠附近平均風速為0.5 m/s。本研究還發現一些問題：（1）在氣流入口端風速過大，有些地方達到 6 m/s，這對雞的生長極為不利；（2）在2個進風口之間由于存在渦流，使新風的有效利用率下降；（3）若只采用縱向通風技術對雞舍進行降溫，為了滿足雞的正常生理需求，在其他條件不變的情況下，雞舍長度應小于40 m。綜上，在該雞舍內單獨采用縱向通風技術不能滿足雞正常生產所需的溫度環境，還應采取輔助降溫措施。由于氣流對雞舍內熱濕環境的分布具有重要影響，對氣流分布較差的地方應加以改善。

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