開孔方案對肉牛舍濕簾冷風機-纖維風管送風降溫效果的影響

吳中紅，劉 玫，張利斌，陳昭輝，劉繼軍，楊食堂

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開孔方案對肉牛舍濕簾冷風機-纖維風管送風降溫效果的影響

吳中紅1,2，劉 玫1,2，張利斌1,2，陳昭輝1,2，劉繼軍1,2※，楊食堂3

（1. 中國農業大學動物科技學院，北京100193； 2. 動物營養學國家重點實驗室，北京100193； 3. 高安市裕豐農牧有限公司，高安330800）

該研究通過纖維風管4種開孔方案設置，結合濕簾冷風機，滿足到達1.3 m高度時，1號、2號、3號及4號風管射流風速分別為1.5、2.3、3.1、3.9 m/s；測量牛舍的環境指標和試驗牛的生理指標，比較緩解熱應激效果，探索較優化的開孔方案。結果表明：測定期間，4個風管區域之間溫度差異不顯著（>0.05），平均比舍外低2.1 ℃（<0.05）；相對濕度均低于85%。試驗牛所在3號風管區域平均風速最高，為1.32 m/s；1號風管區域最低，為0.62 m/s。二氧化碳濃度3號風管區域最低，1號風管區域最高（<0.05）。牛只呼吸頻率3號風管區域最低，為42次/min，1號風管區域最高，為52次/min，肉牛呼吸頻率與試驗區風速顯著負相關。該研究表明，濕簾冷風機-纖維風管系統可有效緩解肉牛熱應激，開孔方案設置滿足到達1.3 m高度時射流風速為3.1 m/s的風管效果最優。

開孔；降溫；風管；濕簾冷風機；射流；肉牛舍

0 引 言

纖維風管也稱纖維空氣分布系統或布袋式風管，是由特殊織物制成的一種集空氣傳輸與分布于一體的送風末端裝置[1-2]，具有價格低廉、送風均勻、質量輕、安裝便利、清洗維護簡單等優點[3-5]。采用纖維風管送風對室內溫度分布及空氣流動速度有重要影響。Nielsen等[6]研究發現，與散流器相比，采用纖維風管作為送風終端時，室內溫度較為舒適，由溫度梯度和吹風感帶來的不適感也更??；使用纖維風管作為送風終端時，送入的新風與室內氣體充分混合，能有效地改善室內空氣質量[7]。Fontanini等[8]為提高管道系統工作效率，比較了溫室中傳統風管和纖維風管的送風效果，發現纖維風管能使室內溫度升高更快，且溫度分布更均勻。目前纖維風管系統在國內外許多場所被使用，如超市、會展中心、工廠車間、養殖場等[9-10]。劉統帥等[9]的試驗表明濕簾冷風機-纖維風管系統結合上置換通風應用到南方封閉式肉牛舍，降溫效果明顯，能顯著緩解牛的熱應激。程瓊儀等[10]將濕簾冷風機-纖維風管系統結合局部射流送風，應用于開放式肉牛舍，能有效改善牛舍環境，提高肉牛夏季生產性能。

纖維空氣分布系統作為送風末端裝置時可以通過孔口的大小、位置及方向的設計調整送風的氣流分布。纖維風管實際送風過程中，影響室內氣流分布的因素分別是：速度、靜壓和全壓、纖維織物材料的特性、風管內外溫度差，其中纖維織物材料的特性包括纖維材料的厚度、孔口的形狀、孔口的尺寸、孔口的布置等[11]。在送風量不變的條件下，隨著送風孔數或孔徑的增加，纖維風管總送風面積增大，布袋風管送風孔出風速度下降[12]；纖維風管直徑越大，其內部的全壓、靜壓越大[13]。為深入研究纖維風管應用，本試驗將濕簾冷風機-纖維風管系統應用于肉牛舍，通過設計不同梯度風速，進行開孔方案設置，比較送風效果和牛的熱應激生理表現，探索優化開孔方案。

1 材料與方法

1.1 冷風機-風管系統

該系統由濕簾冷風機（直接蒸發冷卻空調機）、方變圓入口、纖維風管及鋼繩懸掛組成，以水為冷媒。冷風機由填料、風機、水泵、供水系統、集水箱、自動水位控制器及箱體組成，水泵將循環水送至填料頂部，再經由重力作用潤濕整個填料，風機運行時，室外空氣經由淋水填料降溫增濕進入室內。在出風口處安裝一個方變圓入口，再連接纖維風管作為終端送風系統。

本次試驗中，在肉牛舍兩端墻南北側分別安裝一套濕簾冷風機-纖維風管系統，濕簾冷風機風量為18 000 m3/h，總輸出風壓190 Pa。風機裝于端墻外，高出地面70 cm，濕簾水源為地下水。纖維風管直徑813 mm，長度29 m。風管懸掛于牛頭上方；綜合考慮射流效率和防止牛頂破風管，風管距地高度為1.8 m；試驗舍風管布置如圖1所示。送風速度在1.4與3.0 m/s之間時，室內氣流組織較好[14]；考慮牛舍半開放，易受舍外氣流影響，本試驗設計4條風管出風到達1.3 m高度時射流風速分別為1.5、2.3、3.1、3.9 m/s；分別簡稱為1號風管、2號風管、3號風管、4號風管；4個風管區域分別簡稱為1號區域、2號區域、3號區域、4號區域。1號風管設計風速較低，為避免孔間距太近，小孔風速疊加增大風速，故開5排孔；其他風管開3排孔。如表1所示。

表1 纖維風管開孔方式

注：4條風管開孔鐘點方向均為由風管末端看向風機端。

Note: Clock direction of four air ducts openings are end-view of the duct.

1.2 試驗概況

試驗于2015年7－8月進行，地點為國家肉牛體系高安試驗站，位于江西省宜春市（28.25°N，115.22°E）。據統計該地區7－8月每日溫度較高的時間段為10:00－19:00，此時間段外界平均氣溫約37 ℃，最高氣溫可達40 ℃，平均相對濕度約50%[15]。試驗牛舍東西走向，舍內牛欄為雙列布置，跨度9.3 m，檐高3.4 m，雙坡木屋架無吊頂水泥瓦屋面，南北墻高2.7 m。牛舍長度60 m，南北側各16個牛欄，每欄3.5 m×3.6 m×1.4 m（長×寬×高），牛舍東側有一長4 m的走道。每個牛欄上部設一個洞口（寬3.3 m，高0.7 m，距地面3.6 m）、下部設一個鐵門（高1.9 m，寬1.0 m）。牛舍四側各安裝1套冷風機-纖維風管系統，分為4個試驗處理區域（如圖1）。結合當地氣候條件，設備開啟時間為10:00－19:00，洞口、鐵門均開放。

4個試驗區域各飼養21頭錦江黃牛雜交牛，每區域各挑選6頭體尺、年齡及生理狀況相似、飼養位置相同的錦江黃牛和西門塔爾雜交牛作為試驗牛。試驗期間，試驗牛日糧精粗質量比為1:6，精料配方為：玉米69%，豆粕15%，菜粕8%，預混料4%，小蘇打2%，食鹽2%。每天05:00和16:00各飼喂1次，自由采食、飲水；10:00和18:00人工淸糞，其他管理措施均相同。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 風管出風口水平和垂直方向的風速變化

為驗證風管是否均勻送風，從風管首端有孔處開始，沿風管軸向取10個截面對出風口風速進行測量。為測定風管出孔風速的衰減情況，從有孔處開始，沿射流方向每隔20 cm取一截面測量風速。風速測定采用熱敏式風速儀（型號MODEL6004，精度為±0.1 m/s）。

1.3.2 環境指標測定

測定指標為溫度、相對濕度、風速、NH3和CO2濃度。測定點指標布置如圖1所示。溫濕度連續測定24 h記錄，每5 min記錄1次，測定高度為2.2 m；其余手持測定指標測定時間均為10:00、12:00、14:00、16:00、18:00，測定高度為1.3 m（牛站立高度）和0.7 m（牛躺臥高度）。溫濕度連續測定采用溫濕度自動記錄儀（型號Apresys179-TH，艾普瑞精密光電有限公司，精度分別為±0.3 ℃，±3%RH）；手持測定采用手持溫濕度儀（型號testo 625，精度±0.5 ℃）。風速測定方法見上文。CO2濃度測定采用二氧化碳檢測儀（型號TES-1370，精度為±3%），氨氣測定采用氨氣檢測儀（SZ-JSA8-NH3，精度為≤±3%）。

1.3.3 生理指標測定

生理測定指標包括呼吸頻率、皮溫和直腸溫度。呼吸頻率測定采用人工秒表連續3 min 計數測腹起伏次數[16]。皮溫測定用紅外熱像儀（型號Fluke Ti400，美國福祿克電子儀器儀表公司，精度±0.1℃）對試驗牛的胸腹部拍照，用Smart View3.6軟件分析圖像；測定時間為10:00、12:00、14:00、16:00和18:00。直腸溫度測定用電子體溫計測量（型號MC-347，精度±0.1℃），測定時間為10:00、14:00。

1.4 數據分析

試驗數據均以平均值±標準差表示，采用SPSS20.0統計軟件進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 風管性能測試

圖2為測定期間4條風管各截面出風口的風速大小及冷風沿射流方向風速衰減情況。

a. 水平方向

a. Horizontal direction

由2圖可知，4條風管水平方向上各截面風速均在10.5 m/s以上，始末端風速相差均在1 m/s以內，均勻送風效果良好。在距地1.4 m位置，1號風管、2號風管、3號風管、4號風管射流方向平均風速分別為1.35、2.09、2.97、3.80 m/s，存在明顯梯度，達到試驗設計條件。

2.2 牛舍內環境指標比較

2.2.1 風速及溫濕度

圖3為試驗期間4個降溫處理區域的日平均風速。由圖3可知，冷風機-纖維風管運行期間，4個區域平均風速分別為0.62、0.93、1.32、1.25 m/s，其中3號區域風速最高；且各區域之間差異顯著（<0.05）。

圖4為試驗期間各時刻4個降溫處理區域及舍外溫濕度。從圖4可以看出，試驗牛舍所在地區夏季10:00－18:00舍外平均溫度達34.8℃，采取降溫措施勢在必行。設備運行期間，在12:00－18:00時4個區域溫度均顯著低于舍外（<0.05），最大降幅為3.1 ℃，平均降幅為2.1 ℃（<0.05）；4個降溫處理區域之間差異不顯著（>0.05）。4個區域相對濕度較舍外分別升高11%、15%、10%和13%（<0.05），但均低于85%。以上結果表明冷風機-纖維風管系統能顯著降低舍內溫度，且濕度控制良好，緩解了牛舍的炎熱環境。

2.2.2 二氧化碳濃度

由圖5可知，試驗期間4個區域二氧化碳濃度分別為1 175、1 094、1 035、1 087 mg/m3，其中2號區域與4號區域之間無顯著差異（>0.05），1號區域顯著高于這兩區域（<0.05），3號區域顯著低于這兩區域（<0.05）。3號區域二氧化碳濃度最低，空氣質量最好。

2.2.3 試驗牛生理指標

表2為試驗期間4個降溫處理區域試驗牛各時刻呼吸頻率和直腸溫度。4個區域試驗牛呼吸頻率分別為52、46、42、45次/min，3號區域與4號區域之間差異不顯著（>0.05），且顯著低于1號區域、2號區域（<0.05）；同時2號區域顯著低于1號區域（<0.05）。4個區域試驗牛直腸溫度分別為38.54、38.52、38.50、38.48 ℃，彼此之間差異均不顯著（>0.05）。

表2 測定期間肉牛舍各區域試驗牛各時刻呼吸頻率、皮膚溫度和直腸溫度

注：同行不同字母表示差異顯著（<0.05）。

Note: Means with different lowercases in the same row differ significantly (<0.05).

3 討 論

3.1 降溫處理對舍內環境指標的影響

送風均勻是空氣分布系統的基本要求。纖維空氣分布系統的末端裝置布風管由均勻分布的小孔噴射出風，空氣分布均勻，送風系統簡單、穩定，可實現送風均勻[17]。本試驗4條風管水平方向各截面出風口風速均在10.5 m/s以上，始末端風速相差均在1 m/s以內，均勻送風效果良好。自由射流風速與離出風口距離成反比，與風口有效面積1/2次方成正比[18]。本試驗中通過開孔大小不同達到風速梯度的設計，在距地1.4 m位置，1號風管、2號風管、3號風管、4號風管射流方向平均風速分別為1.35、2.09、2.97、3.80 m/s，存在明顯梯度，達到試驗設計條件。

炎熱環境下，牛舍較為理想的風速為1.0～2.2 m/s[19]。試驗期間，3號區域風速最高，達1.32 m/s；其次是4號區域風速，為1.25 m/s，均滿足上述要求。1號區域風速最低，為0.62 m/s，但仍高于夏季肉牛舍內風速不應低于0.5 m/s這一推薦值[20]。這說明冷風機-纖維風管降溫系統可提高舍內風速，有助于肉牛體表對流傳導散熱，緩解肉牛熱應激；且3號風管在提高降溫區域風速方面效果最好。運行降溫系統后，4個區域溫度降低、濕度升高，有效緩解了牛舍炎熱環境。本試驗4個區域內溫度較舍外平均降低2.1 ℃，說明系統有良好的降溫效果。4個區域內平均相對濕度較舍外高12%，但都在85%以下，處于適宜范圍之內[20]。其中18:00時，舍內濕度增幅最大，這是因為此時試驗牛采食飲水，導致濕度升高。這與本實驗室前期夏季在開放肉牛舍使用冷風機-風管降溫系統配合射流送風進行降溫，試驗舍內溫度較舍外低2.8 ℃，相對濕度高11%的結果相似[10]。張政等[21]研究發現冷風機-風管上置換通風使密閉式試驗牛舍內溫度比舍外低4.3 ℃，相對濕度高22%。本試驗是半開放牛舍，與外界環境熱交換迅速，故本試驗溫度降幅和相對濕度增幅都較密閉式牛舍小，因此，半開放式牛舍的局部降溫和送風效果更為重要。4個降溫處理區域平均溫度無顯著差異，2號區域相對濕度較3號區域高5%，其余各區域之間相對濕度無顯著差異。

測定期間4個區域二氧化碳濃度滿足國際常用的畜禽舍空氣標準，CO2濃度不應超過3 000 mg/m3。3號區域二氧化碳濃度最低，1號區域二氧化碳濃度最高。這是因為氣流能有效排除畜舍內有害氣體[22]，有害氣體排出速率與進入舍內氣流速率成正比[23]。

3.2 降溫處理對試驗牛生理指標的影響

呼吸頻率是用來衡量動物熱應激的一個常用指標。在高溫高濕環境下，動物通過增加呼吸量來加速蒸發散熱[24-25]，因此動物在熱應激狀況下呼吸頻率有所升高。目前尚無權威的肉牛呼吸頻率分級標準，故參考奶牛的研究數據，在正常情況下，奶牛呼吸頻率為20次/min；環境溫度超過25 ℃時，奶牛輕度熱應激，呼吸頻率為50～60次/min；中等程度熱應激時，呼吸頻率為80～120次/min；嚴重熱應激情況下，可達120～160次/min[26-27]。本試驗中除1號區域呼吸頻率為52次/min，處于輕度熱應激狀態外，其余區域試驗牛呼吸頻率均低于50次/min。試驗期間降溫區域內溫度高于32 ℃，但呼吸頻率較低，這是因為風速增加，牛熱應激下限溫度隨之升高。Berman[28]試驗結果也表明，在一定濕度下風速從0.2 m/s增加到1.5 m/s，可使奶牛熱應激下限溫度升高4～10 ℃。4個試驗區域風速越高，試驗牛呼吸頻率越低。空氣流速增加時，有利于減少液滴氣相邊界層的濃度，使液滴邊界層上水蒸氣濃度差增大，蒸發速率變快[29]；王威等[30]發現，應用蒸發式加濕器，通過提高空氣流速可以提高熱濕交換效率，改善室內熱濕環境?；粜P等[31]報道，處于中度熱應激的奶牛隨著風速提高，采食量增加，乳產量、固體校正乳產量顯著升高。West等[32]研究發現，通過升高風速，奶牛體表空氣流速加快，機體代謝熱被迅速帶走，從而降低了高溫對奶牛的影響，有利于奶牛維持一定的生產性能。在高溫高濕條件下，風速越高，牛體周圍冷熱空氣對流越多，牛體散熱更容易，降溫效果越明顯。

當外界環境溫度過高，僅依靠呼吸頻率升高散熱已經不能維持體熱平衡時，直腸溫度則會升高，因此直腸溫度也常用來評定肉牛是否處于熱應激狀態。牛體正常體溫范圍為37.5～39.1 ℃[33]，本試驗中4個區域試驗牛直腸溫度均處于正常范圍中，表明在冷風機-風管系統降溫處理下，肉牛直腸溫度未受到外界高溫環境影響。

4 結 論

風速由高到低分別為開孔方案設置滿足到達1.3 m高度時射流風速為3.1、3.9、2.3、1.5 m/s的風管處理區域試驗牛直腸溫度均在正常波動范圍內，除射流風速為1.5 m/s的風管處理區域試驗牛呼吸頻率處于輕度熱應激狀態外，其余區域試驗牛均無熱應激，且4個試驗區域風速越高，試驗牛呼吸頻率越低。開孔方案設置滿足到達1.3 m高度時射流風速為3.1 m/s的風管處理區域風速最高，風冷效果最好，二氧化碳濃度均最低，試驗牛呼吸頻率最低，改善牛舍環境狀況和緩解肉牛熱應激效果最好。

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Effect of orifice schemes on air supply and cooling performance of wet curtain fan-fiber duct in beef cattle barn

Wu Zhonghong1,2, Liu Mei1,2, Zhang Libin1,2, Chen Zhaohui1,2, Liu Jijun1,2※, Yang Shitang3

(1.100193; 2.100193,; 3.’’330800,)

Fabric air distribution system, one of the terminal equipment in air conditioning system, can achieve uniform linear air supply and affect air jet distribution through unique orifices in the duct. It is widely used in the field of agriculture. In this study,a wet curtain cooling fan-fiber duct system was used in beef cattle barn in summer and designed to meet with jet wind speed at beef standing height (1.3 m from floor) of 1.5, 2.3, 3.1, 3.9 m/s from duct 1, duct 2, duct 3 and duct 4 respectively via different orifice schemes. The study was carried out with Simmental Crossbred Cattle in a semi-open barn. Four wet curtain cooling fans with air volume of 18000 m3/h and total pressure of 190 Pa were used as the cooling source. Four fabric ducts (=0.813 m) connecting with cooling fan were mounted above the feed manager wall with a bottom height of 1.8 m from the floor. The operation time of the cooling system was from 09:00 to 19:00 based on the local environmental conditions and farm management. The zone thermal environmental parameters under the four ducts, and some physiological index of beefs were collected to evaluate the effect in alleviating heat stress and find out the best opening scheme. The results show that there were no significant differences of the average temperature and relative humidity among the four duct cooling zone (>0.05) during the measurement period; the average temperature of the barn decreased by 2.1℃ compared with the outside (<0.05); and the relative humidity in every duct cooling zone was less than 85%. The average wind speed was highest in duct 3 cooling zone (1.32 m/s) and was lowest in duct 1 cooling zone (0.62 m/s) (<0.05). Meanwhile, the average carbon dioxide concentration was lowest in duct 3 cooling zone and was highest in duct 1 cooling zone (<0.05). The beefs’ respiration rate negatively correlated with wind speed, with the lowest respiration rate in duct 3 cooling zone (42 beats/min) and highest in duct 1 cooling zone (52 beats/min). The results show that the application of a wet curtain cooling fan-fiber duct in beef cattle barn was effective in relieving cattle’s heat stress, especially duct with a designed jet wind speed of 3.1 m/s at beef standing height (1.3 m from floor) had the best effect.

orifices;cooling;ducts; wet curtain cooling fan; jet-flow; beef cattle barn

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.24.028

S823.9+2

A

1002-6819(2016)-24-0212-06

2016-04-26

2016-10-17

農業部肉牛牦牛產業技術體系（CARS-38）；公益性行業（農業）科研專項基金南方地區草食家畜舍飼小氣候調控技術研究（201303145）

吳中紅，女，甘肅靜寧人，副教授，研究方向為畜禽環境工程、環境應激與動物生殖發育。北京 中國農業大學動物科技學院，100193。Email：wuzhh@cau.edu.cn

劉繼軍，男，吉林榆樹人，教授，研究方向為畜牧環境工程。北京 中國農業大學動物科技學院，100193。Email：liujijun@cau.edu.cn