內蒙古地區冬季牛舍供暖仿真研究

李旭光　王立東　范立坤　呂艷慧　韓繼興

摘要內蒙古地區的冬季寒冷干燥，為當地牛舍防寒能力帶來了挑戰。針對這一問題，提出2種供暖方式：傳統的煤爐供暖方式與新型的加熱地板供暖方式。以該地區的一所封閉式牛舍為研究對象，借助數值模擬軟件進行模擬分析，比較2種供暖方式的速度場與溫度場，得出加熱地板方式水平面方向溫度場更均勻，豎直面方向上溫度有一個明顯的梯度（下熱上冷），可滿足牛舍舒適感的要求，并在一定程度上節約能源。根據數值模擬的結果，得到加熱地板供暖比傳統的煤爐供暖方式有明顯的優勢，對其傳熱量進行簡單的計算分析，并設計選擇熱水管道鋪設方式，為內蒙古地區的設計施工提供參考。

關鍵詞牛舍防寒能力；供暖方式；數值模擬；計算分析；管道設計

中圖分類號S26文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）19-0214-04

Study on Heating Simulation of Cowshed in Winter in Inner Mongolia

LI Xuguang， WANG Lidong， FAN Likun et al

（Kailu County Livestock Improvement Station in Tongliao City， Tongliao， Inner Mongolia 028400）

AbstractIn response to this question， we offer two heating methods， the traditional heating mode of coal stove and the new type of heating floor for Inner Mongolia cold and dry winter， which has brought challenges to the local cowshed cold capacity. We take the closed cattle house in the area as the research object and compare the velocity field and temperature field of two heating modes with the help of Fluent numerical simulation software. The result is that the temperature field of heating floor mode is more uniform in the horizontal direction， and in the vertical plane direction there is an obvious temperature gradient. It meet the comfort requirements of the cowshed and save energy to a certain extent. According to the numerical simulation results， it is obvious that the heating floor method is better than that of the traditional coal stove heating method. And the heat transfer is calculated and analyzed as well as the hot water pipeline laying method is designed for the later construction.

Key wordsCowshed cold capacity；Heating methods；Numerical simulation；Calculation and analysis；Pipeline design

內蒙古地區農牧資源豐富，肉牛業發展優勢和潛力巨大，然而由于冬季持續時間長、牛舍溫度低、管理不科學等問題，導致肉牛增重慢，嚴重制約當地肉牛業的發展。

內蒙古地區傳統的供暖方式主要是采用暖氣或在舍內生煤爐，其主要缺點是：舍內溫度不均勻，舒適性較差，而且由于采用燃煤，有一定的安全隱患，也不利于環境保護。

地熱采暖是近幾年最為流行的一種采暖方式，將熱水管埋在混凝土中，流動的熱水通過熱水管對地板加熱，被加熱的地板與房間內表面之間再通過對流與輻射傳熱，從而可使牛舍內部溫度達到要求。筆者選取內蒙古地區的一個封閉式牛棚，借助fluent軟件對冬季牛舍煤爐供暖方式和加

熱地板供暖方式進行數值模擬，通過對2種供暖方式的速度場和溫度場進行分析，比較兩者的優劣，為畜牧養殖提供參考。

1模型及邊界條件

所選牛舍為封閉式牛舍，長度為20.0 m，跨度為10.0 m，檐高為3.3 m，雙坡屋頂，南北墻上各有15扇窗（尺寸為1.2 m×0.9 m），窗高1.8 m，西面有扇鐵門（尺寸為2.0 m×1.4 m），中間是寬2.0 m的飼喂走道，肉牛躺臥地面向兩側傾斜，坡度約為3%。牛舍釆用單欄飼養的方式，將牛與牛之間隔離開來，保證了每頭牛的生活空間，根據這些尺寸建立模型圖見圖1。

模型條件設置：

①由于牛舍空間比較大，故忽略牛舍中欄桿、飼槽等其他固體設置的影響。

②牛的散熱對于供暖是有利的，可不用考慮牛自身散熱的影響。

③室外溫度為-20 ℃，牛生長比較適宜的溫度范圍為5～25 ℃，為降低熱量損失，可用空心磚代替普通紅磚來建墻，屋頂采用保溫性能比較好的石棉磚材料，窗子采用加厚玻璃，地板為混凝土材料，由于混凝土硬度大，導熱性能強，對牛四肢關節和蹄的健康發育有不利影響，所以要在上面鋪撒一層2 cm厚的墊料。表1是所用材料的導熱系數以及厚度。④在此次研究中，由于表面溫度為幾十攝氏度，自然對流和輻射散熱量具有相同的量級，需要考慮熱傳導、熱對流和熱輻射3種傳熱方式的耦合作用。

模擬分析中地暖管道的鋪設方式

主要有螺旋型、迂回型以及螺旋迂回型布管方式，如圖2所示。螺旋型布管方式通常可以產生均勻的地面溫度，并可通過調整管間距來滿足局部區域特殊要求，由于采暖螺旋型布管時管道只彎曲了90°，材料所受彎曲應力較小，這也是該研究采用的一種盤管方式。

迂回型布管方式通常產生的溫度一端高一端低，而且布管時管路要彎曲180°，材料所受應力較大，所以只推薦在較狹小的空間內采用。

2模擬結果分析

選取牛舍截面為對象，對2種不同工況下的采暖進行模擬分析，結果見圖3～6。

從流體速度分布平面圖（圖3、4）可以看出，煤爐采暖方式空氣流速較低，速度場不均勻，室內空氣流動較差；加熱地板方式流速均勻且速度梯度相對變化不大，減少流體流動阻力，增強流體流動性。

從溫度云圖（圖5、6）可以看出，在水平方向上加熱采暖地板室內溫度場分布比煤爐供暖方式均勻；在垂直方向上，地板采暖在室內高度方向上溫度分布下熱上冷，有比較明顯的溫度梯度，而煤爐供暖方式高度方向比較均勻，地板采暖的無效熱損比煤爐供暖少很多，可減少能源消耗。

3計算分析

目前地板采暖系統的傳熱分析，地板采暖方式換熱過程可以分為3個階段：其一為管內水與水管強制對流換熱；盤管與地板表面的換熱，為導熱過程；地板表面與房間內表面和室內空氣的換熱過程，為對流和輻射的混合換熱過程，其中以輻射換熱為主。因此，熱交換的綜合傳熱量近似地為將輻射和對流兩部分傳熱量相加而得出。

地板表面的對流傳熱，地板采暖表面對流換熱系數具有下列準則計算方程式：

Nu=0.11（Gr·Pr）13（1）

式中，Nu為努謝爾數，Nu=hlλ；Gr為格拉曉夫數，Gr=gl3aΔtv2；Pr為普朗特數，Pr=va。

煤爐供暖方式和加熱地板供暖方式從模型點（0，5，0）沿高度方向的溫度曲線見圖7。

根據圖7得室溫約為278 K，即5 ℃，空氣的熱物理性質如下：

t為5 ℃，ρ為1.27 kg/m3，Cp為1.005 kJ/（kg·K），λ為2.48 W/（m·K），a為19.40×106 m2/s，μ為13.94×106 kg/（m·s），v為17.4×106 m2/s，Pr為0.706。

g取9.8 m/s2，l取3.5 m代入式（1）計算整理得：

hc=1.18（Tp-Tn）13（2）

式中，Tp為輻射板表面的平均溫度（303 K）；Tn為室內溫度（278 K）。對流傳熱量（qd）可由下式計算：

qd=2.17×（Tp-Tn）1/3=2.17×（303-278）1/3=6.30（W/m2）

輻射傳熱量的計算公式如下：

qf=εσ（T4p-T4f）

式中，qf為輻射換熱量（W/m2）；Tp為輻射板表面的平均溫度；ε為發射率，約為0.87；Tf為平均溫度；σ為斯蒂芬·波爾茲曼常數，為5.67×10-8W/（m2·K4）；由此可得：

qf=4.93×[（Tp100）4-（Tf100）4]=121.08（W/m2）

所以綜合傳熱量：

q=qd+qf=（Tp-Tn）13+4.93×[（Tp100）4-（Tf100）4]=127.38（W/m2）

4結論

應用模擬分析軟件比較它們的速度場與溫度場，得出如下結論：

①速度場。煤爐采暖方式空氣流速較低，速度場不均勻，室內空氣流動較差，加熱地板方式流速均勻。

②溫度場。在水平方向上加熱采暖地板室內溫度場分布比煤爐供暖方式均勻；在垂直方向上，地板采暖在室內高度方向上溫度分布下熱上冷，有比較明顯的溫度梯度，而煤爐供暖方式高度方向上比較均勻，地板采暖的無效熱損比煤爐供暖少很多，可減少能源消耗。

根據數值模擬的結果，得到加熱地板供暖比傳統的煤爐供暖方式有明顯的優勢，對其傳熱量進行簡單地計算，并選擇管道鋪設方式，可對以后施工起指導作用。

經計算分析，綜合傳熱量為127.38 W/m2，可使牛舍內環境舒適，提高牛的產肉率。

參考文獻

[1] 李勝利，蘇華維，王立斌，等.規模奶牛場標準化飼養關鍵技術研究[C]// 中國畜牧獸醫學會養牛學分會2011年學術研討會論文集.北京：中國畜牧獸醫學會，2011.

[2] 李震鐘.家畜環境衛生學附牧場設計[M].北京：農業出版社，1993.

[3] 呂忠海，劉宏波，王桂玲，等.季節對奶牛生產的影響[C]//第九屆全國家畜環境科學討論會論文集.蘇州：中國畜牧獸醫學會，2004：25-26.

[4] 孟祥坤，曹兵海，莊宏，等.慢性冷應激對西門塔爾雜交犢牛免疫相關指標的影響[J].中國農業大學學報，2010，15（6）：65-70.

[5] 王鋒，周宗長.兩種育肥牛舍環境參數測定[J].新疆畜牧業，2005（2）：33-37.

[6] FRASER A F，BROOM D M.Farm animal behaviour and welfare[J].Farm animal behaviour & welfare，1990，96（2）：441-442.

[7] ROUHAMLLEDER C，IBEN C，WAGNER E，et al.Relative importance of factors influencing the prevalence of lameness in Austrian cubicle loosehoused dairy cows[J].Preventive veterinary medicine，2009，92（1/2）：123-133.