緩解奶牛熱應激的噴淋水滴粒徑研究

丁 濤 孫寶璽,2 施正香,3 王宗倫,2 姚春霞,2 張馳也,2

(1.中國農業大學水利與土木工程學院， 北京 100083; 2.北京市供水管網與安全節能中心， 北京 100083; 3.農業部設施農業工程重點實驗室， 北京 100083)

緩解奶牛熱應激的噴淋水滴粒徑研究

丁 濤1孫寶璽1,2施正香1,3王宗倫1,2姚春霞1,2張馳也1,2

(1.中國農業大學水利與土木工程學院， 北京 100083; 2.北京市供水管網與安全節能中心， 北京 100083; 3.農業部設施農業工程重點實驗室， 北京 100083)

為探討夏季緩解奶牛熱應激噴淋水滴粒徑對降溫效果的影響，通過現場實驗測試了3種平均噴淋水滴粒徑(0.829、0.947、1.127 mm)緩解奶牛熱應激效果。實驗中利用熱像儀采集奶牛體表溫度，同時測定呼吸頻率、直腸溫度生理指標，并在此基礎上利用Merkel焓差理論分析計算奶牛噴淋降溫換熱量。結果表明，噴淋過程中，3種粒徑(0.829、0.947、1.127 mm)在奶牛脖頸區域平均降溫為0.7、1.1、0.9℃，腹部區域平均降溫為0.7、1.4、1.5℃，平均呼吸頻率分別降低0.6、4.2、2.1次/min；噴淋結束后，3種粒徑在奶牛脖頸區域平均降溫為0.2、0.4、0.6℃，腹部區域平均降溫為0.1、0.5、0.6℃，平均呼吸頻率降低-0.4、1.4、1.2次/min。噴淋前后奶牛直腸溫度均控制在穩定范圍內，且平均噴淋水滴粒徑0.947 mm和1.127 mm低于0.829 mm時的奶牛平均直腸溫度。3種平均噴淋水滴粒徑對應的奶牛單位時間換熱量分別為417.4、469.9、430.4 W，其中0.947 mm平均噴淋水滴粒徑下換熱量最大。因此，平均噴淋水滴粒徑0.947 mm更適用于夏季奶牛噴淋降溫。

奶牛; 噴淋水滴粒徑; 熱應激

引言

夏季高溫是導致奶牛熱應激的直接因素。熱應激狀態會使奶牛采食量下降、呼吸頻率和心率增加，產奶量降低，嚴重時可能導致奶牛死亡[1-4]。在多種降溫方式中，噴淋降溫被認為是降溫效果最直接、明顯的方式之一[5]，在養殖場得到廣泛的應用。

國內外學者在噴淋降溫緩解奶牛方面做了大量研究，首先，有學者針對噴淋降溫系統中噴嘴組合方案、噴嘴優化選擇和噴淋水滴特性等方面進行研究[6-9]；其次有學者針對噴淋時長、間隔時間對降溫效果的影響進行了試驗評估[10]；蔡景義等[11]和劉海林等[12]分別從呼吸頻率、直腸溫度、心率、產奶量、血液指標不同角度來衡量噴淋通風方式對緩解奶牛熱應激的效果；此外，在噴霧降溫方式中吳武平等[13]和丁露雨等[14]對肉牛的直腸溫度、呼吸頻率和日增產量進行了測定。但目前噴淋降溫研究還未涉及噴淋現場奶牛換熱量和平均噴淋水滴粒徑對緩解熱應激的效果分析。

針對以上問題，本文通過現場實驗測試研究奶牛噴淋降溫的效果。選取3種平均噴淋水滴粒徑性能良好的噴頭(日本池內9060、9080、90100)[9]，利用熱像儀記錄奶牛體表溫度，溫濕度記錄儀、風速儀分別記錄測試環境溫濕度和風速，基于焓差理論計算噴淋條件下的奶牛體表和周圍空氣之間的換熱量，建立平均噴淋水滴粒徑與噴淋前、后奶牛呼吸頻率、體表溫度、直腸溫度和換熱量之間的關系，明確平均噴淋水滴粒徑對奶牛熱應激緩解效果的影響，為實際生產提供理論指導。

1 材料與實驗測試方法

1.1 實驗地點及對象

2016年7月1日—7月31日在天津市神馳農牧發展有限公司奶牛養殖場進行。奶牛舍為開放式成年泌乳牛舍，南北走向，左右兩側為對稱布局。牛舍長度171 m，單跨5.9 m，共計29跨，單側寬度為13 m。舍內風機為新型擴散器擾流風機[15]，額定電壓380 V，額定功率0.4 kW，額定轉速700 r/min。頸枷位置風機均勻布置，相鄰風機間距12 m。風機工作時間為08:00—17:00。奶牛舍整體布置如圖1所示。

圖1 奶牛舍平面及立面示意圖Fig.1 Plan view and facade view diagrams of cow barn

圖2 現場實驗測試Fig.2 Photos of experiment

1.2 實驗測試方法

牛舍呈對稱分布，實驗測試中選取奶牛舍右側作為研究區域(圖2a所示)，將該區域內的噴淋設備更換為實驗室內測試研究的日本池內9060、9080、90100型號的噴頭(圖2b所示)。噴頭位于頸枷上方0.3 m處，串聯于供水管路中。相鄰噴頭間距1.2 m(圖1所示)。現場噴淋管路壓力為0.1 MPa，經LPM激光雨滴譜儀測得在0.1 MPa下3種噴頭的平均噴淋水滴粒徑分別為：0.829、0.947、1.127 mm[16]。奶牛舍噴淋制度為噴淋2 min，間歇7 min，周期性循環。實驗測試中采用3個時間節點：噴淋前，即噴淋開始前3 min；噴淋時，即噴淋期間；噴淋后，即噴淋結束后3 min。

1.2.1風速測試方法

利用熱線式風速儀測定測試區域風速，每5 s讀取一次數值，讀取10次取平均值作為測定位置的風速值。

1.2.2生理指標測試方法

生理指標包括奶牛體表溫度、直腸溫度和呼吸頻率。測試期間，每次測定1頭奶牛在噴淋前、噴淋時、噴淋后3個時刻的生理指標，實驗測試由3人同時進行，分別負責測定同一時刻的奶牛體表溫度、直腸溫度、呼吸頻率。實驗過程中為防止因奶牛走動而對采集數據造成影響，開啟頸枷鎖，將奶牛限制于噴淋測試區域。數據采集之后結束對該奶牛的測試，選取另一頭奶牛作為下一個測試對象，同一平均噴淋水滴粒徑下隨機測定30頭奶牛。更換不同噴頭后，重復上述測定，在不同平均噴淋水滴粒徑、不同噴淋時刻下測試奶牛的生理指標。在噴淋前、噴淋時和噴淋后這3個時刻分別利用秒表記錄奶牛的腹部起伏次數作為呼吸頻率[17]；用熱像儀(型號S6，上海熱像機電科技股份有限公司，測溫范圍為-20～650℃，熱像儀測試數據顯示至0.1℃，測量精度為±2%)記錄噴淋過程中奶牛體表溫度紅外成像分布圖；利用電子直腸溫度計(K-028 SY型，莆田市科麗電子有限公司，精度為±0.1℃,范圍為32～42.9℃)測量奶牛直腸溫度。

1.2.3環境指標測試方法

環境指標包括溫度、濕度。溫濕度記錄儀(型號U14-001，北京天諾基業科技有限公司，溫度精度±0.2℃，濕度精度±2.5%)布置于頸枷上方，用于記錄實驗測試環境的溫度和濕度。

2 計算方法

2.1 體表溫度測試方法

由于奶牛體表各個區域對溫度變化敏感程度不同，利用熱像儀將記錄的溫度成像圖分為2個區域：脖頸區域和腹部區域(如圖3所示)。在脖頸區域平均選取6個點位，取其平均值作為脖頸處的溫度；同樣在腹部區域平均選取12個點位，取其平均值作為腹部處的溫度。同一時刻同一區域拍攝記錄4次，最后取其平均值作為最終溫度結果。

圖3 體表溫度點位布置圖Fig.3 Layout points of skin temperature

2.2 換熱量計算方法

利用換熱量衡量奶牛降溫效果以及緩解熱應激程度。奶牛體內的熱量Q通過導熱方式傳導到奶牛表皮層，經過空氣和奶牛體表水膜之間的對流換熱將熱量傳遞到空氣中，達到緩解奶牛熱應激的效果。熱交換過程中包含了導熱、對流傳熱和傳質過程。

相關學者通過分析整個傳熱傳質過程來確定對流換熱量與蒸發換熱量的數值[18-20]，但是這些計算公式中物理量取值要依賴個體情況，以及迭代計算造成的復雜性，使得公式應用具有一定的局限性。本文采用Merkel焓差計算公式，將換熱過程從能量焓角度進行整體計算，簡化計算過程，現場實驗測試所需的物理量容易測量，可行性高，適用于實際應用。計算公式推導過程如下[21]：

單位時間內水與空氣的顯熱交換量

dQα=α(t-θ)dF

(1)

單位時間內水與空氣的潛熱交換量

dQβ=γwβx(x″-x)dF

(2)

水和空氣的總換熱量為

dQ=dQα+dQβ=[α(t-θ)+γwβx(x″-x)]dF

(3)

式中α——空氣與水表面的接觸散熱系數，℃t——水體表面飽和空氣邊界層溫度，℃θ——主體空氣干球溫度，℃γw——水的汽化潛熱，kJ/kgβx——以含濕量差為基準的空氣與水表面間的散質系數，kg/(m3·s)

x″——飽和空氣邊界層水蒸氣質量比，kg/kg

x——主體空氣層中的水蒸氣質量比，kg/kg

dF——空氣與水體的接觸面積，m2

根據劉易斯關系式，在空氣與水的熱質交換中，其顯熱交換系數與潛熱交換系數之比為一常數，即βx=α/cp(其中cp為濕空氣的比熱容)。將水的汽化潛熱用水蒸氣的焓值代替，同時濕空氣的比熱容用1.01+1.84x″代替，有

dQ=βx[(1.01+1.84x″)(t-θ)+

(2 500+1.84θ)(x″-x)]dF=βx(i″-i)dF

(4)

式中i″——水體表面飽和空氣邊界層空氣的焓值，kJ/kg

i——主體空氣層空氣的焓值，kJ/kg

3 結果與分析

在每種噴淋水滴粒徑下，實驗測試30頭奶牛的生理指標和換熱量并對數據進行分析處理，結果以平均值±標準差表示，采用SPSS軟件分析各因素數據之間的顯著性差異[22]。

3.1 奶牛體表溫度

利用熱像儀采集奶牛體表溫度，結果如圖4所示。圖中按照體表溫度布置圖選取溫度代表點。

奶牛體表溫度變化情況如表1所示。奶牛脖頸區域和腹部區域中，噴淋時刻的降溫效果顯著，3種平均噴淋水滴粒徑下降溫范圍在0.7～1.5℃之間；待噴淋結束一段時間后，體表溫度開始回升，但仍然低于噴淋前的溫度，降溫效果延續，降溫區間在0.1～0.6℃之間。

實驗選用成年泌乳牛，近似認為實驗個體間生理狀況相同，不存在因為個體差異而導致結果發生改變的現象。實驗測試表明對于奶牛脖頸區域和腹部區域，大粒徑0.947 mm、1.127 mm平均噴淋水滴粒徑下比0.829 mm平均噴淋水滴粒徑下降溫更大，降溫效果更加明顯；但0.947 mm和1.127 mm平均噴淋水滴粒徑之間降溫效果相近，并不存在顯著性差異。所以降溫效果存在一定范圍之內隨平均噴淋水滴粒徑增大而降溫效果增加的現象，而超過該范圍，降溫效果并不存在顯著性差異，即平均噴淋水滴粒徑增大的情況下并未有顯著的降溫效果差異。表中溫差Ⅰ為噴淋前溫度與噴淋時溫度之差；溫差Ⅱ為噴淋前溫度與噴淋后溫度之差。

圖4 奶牛體表溫度圖Fig.4 Images of dairy cow skin temperature

區域粒徑/mm噴淋前溫度/℃噴淋時溫度/℃噴淋后溫度/℃溫差Ⅰ/℃溫差Ⅱ/℃0.82935.6±0.5a34.9±0.7a35.4±0.7a0.7±0.5a0.2±0.6a脖頸0.94736.0±1.0a35.0±1.0a35.7±0.8a1.1±0.8a0.4±0.7a1.12735.5±0.7a34.6±0.5a34.9±0.5a0.9±0.8a0.6±0.8a0.82935.7±0.8a35.0±0.9a35.6±0.8a0.7±0.5a0.1±0.6a腹部0.94736.2±1.0a34.9±0.8a35.8±0.8a1.4±0.8b0.5±0.7a1.12735.6±0.9a34.0±0.7a35.0±0.6a1.5±0.8b0.6±1.0a

注:表中同列不同字母表示在P<0.01水平上差異顯著。

3.2 奶牛直腸溫度

由于奶牛是恒溫動物，正常生理狀況下其直腸溫度不會因外界因素改變而發生較大波動，其直腸溫度在噴淋降溫條件下僅為小幅度改變。奶牛的直腸溫度正常范圍為37.5～39.5℃。由表2數據可以得到在噴淋前和噴淋后，0.947 mm平均噴淋水滴粒徑下奶牛的直腸溫度均低于0.829 mm、1.127 mm平均噴淋水滴粒徑下的直腸溫度(在P<0.05水平有顯著性差異)，且在正常直腸溫度范圍內。

表2 3種平均噴淋水滴粒徑下平均奶牛直腸溫度Tab.2 Average rectal temperature under three average spraying droplet diameters

注:表中同列不同字母表示在P<0.05水平上差異顯著。

3.3 奶牛呼吸頻率

不同平均噴淋水滴粒徑下奶牛呼吸頻率變化情況如表3所示。在3種平均噴淋水滴粒徑下，相比噴淋前的呼吸頻率，噴淋時分別降低0.6、4.2、2.1次/min(即差值Ⅰ)；相比噴淋前的呼吸頻率，噴淋后分別降低-0.4、1.4、1.2次/min(即差值Ⅱ)。從表3的數值可以發現在0.947 mm平均噴淋水滴粒徑條件下，呼吸頻率降低程度大于0.829 mm、1.127 mm平均噴淋水滴粒徑，對于降低奶牛呼吸頻率具有明顯的效果，并且相較0.829 mm平均噴淋水滴粒徑具有顯著性差異。噴淋結束后，在0.829 mm平均噴淋水滴粒徑下呼吸頻率較噴淋前有所上升，而0.947 mm和1.127 mm平均噴淋水滴粒徑下呼吸頻率仍低于噴淋前。因此，平均噴淋水滴粒徑0.947 mm相比0.829、1.127 mm，對降低奶牛呼吸頻率具有更好的效果，更適合于奶牛噴淋降溫中采用。

表3 3種平均噴淋水滴粒徑下平均奶牛呼吸頻率Tab.3 Average respiration rate under three average spraying droplet diameters

注:表中同列不同字母表示在P<0.01水平上差異顯著。

3.4 奶牛換熱量

采用Merkel焓差理論計算換熱量。其中，假定奶牛體表附近空氣近似為飽和空氣邊界層，取奶牛體表溫度作為飽和空氣溫度，并且該區域為水蒸氣飽和區域；奶牛舍內空氣溫度、濕度通過HOBO溫濕度記錄儀采集；采用熱線風速儀測量奶牛站立區域的風速大小作為掠過奶牛體表的風速大小。現場風機正常開啟條件下，在1.5 m高度處平均風速u=1.52 m/s；當量直徑d=0.8 m；奶牛表皮面積As=2.1 m2。3種平均噴淋水滴粒徑下奶牛平均換熱量如表4所示。

表4 3種平均噴淋水滴粒徑下奶牛平均換熱量Tab.4 Average heat exchange under three average spraying droplet diameters

注:表中同列不同字母表示在P<0.05水平上差異顯著。

奶牛體表和空氣之間的換熱過程包括導熱、對流以及熱質交換，既有顯熱也有潛熱換熱量。采用Merkel焓差理論，基于能量守恒綜合計算了熱交換過程中的換熱量，且公式中的各個物理量可以通過實驗測試得到，便于工程計算。

從表4可以看出，當平均噴淋水滴粒徑為0.947 mm和1.127 mm時，平均換熱量均高于0.829 mm，說明大粒徑下換熱顯著；但在0.947 mm平均噴淋水滴粒徑下平均換熱量又高于1.127 mm下的換熱量，說明換熱量并非隨平均噴淋水滴粒徑增大而線性增長，存在著最佳平均噴淋水滴粒徑。這是由于0.947 mm的水滴粒徑形成的水膜鋪展后能夠與奶牛體充分接觸，加速了換熱過程，尤其是蒸發傳遞的潛熱交換(Merkel焓差理論能準確計算潛熱交換量)，所以在溫度、濕度相差不明顯時，0.947 mm平均噴淋水滴粒徑下的換熱量高于其它粒徑下的換熱量。

4 分析與討論

通過上述結果可知，在噴淋時選用0.947 mm和1.127 mm平均噴淋水滴粒徑相比0.829 mm要取得良好的效果：在降低直腸溫度、體表溫度、呼吸頻率、換熱量等方面均存在著顯著性差異，能一定程度上有效緩解奶牛熱應激效應，為奶牛提供了更為適宜的環境。大粒徑水滴具有相對較大的表面積，與體表接觸時更易在其表面進行鋪展，進而覆蓋在體表上的水膜面積愈大，使水膜與體表有充分接觸，利于通過水膜進行蒸發以及對流換熱，加速了整個傳熱傳質過程，從而降低奶牛體表溫度，達到緩解奶牛熱應激的效果。

相比1.127 mm平均噴淋水滴粒徑，0.947 mm的呼吸頻率降低程度更顯著、換熱量更大，表明降溫效果并非隨著粒徑不斷增大而增加，而是存在最佳噴淋水滴粒徑。因為水滴粒徑增大，滴落到奶牛體表后，會由于重力慣性以及較大的水滴動能使水滴順腹部流下，沒有在奶牛體表形成水膜或者充分與奶牛體表接觸，反而減弱了整個熱交換過程。此外在滿足緩解奶牛熱應激狀態的同時，水滴粒徑增大反而增加了污水生產量。因此，在奶牛物理降溫過程中選用噴頭時，應考慮在噴頭工作壓力下所形成的水滴粒徑，選取合理粒徑范圍內的噴頭。在現場實驗條件下，本研究得到的適宜平均噴淋水滴粒徑為0.947 mm。

5 結論

(1)噴淋過程中，3種平均噴淋水滴粒徑(0.829、0.947、1.127 mm)下在奶牛脖頸區域平均降溫分別為0.7、1.1、0.9℃；腹部區域平均降溫分別為：0.7、1.4、1.5℃；噴淋結束后，在奶牛脖頸區域平均降溫分別為0.2、0.4、0.6℃；腹部區域平均降溫分別為：0.1、0.5、0.6℃。0.947 mm和1.127 mm平均噴淋水滴粒徑相比0.829 mm對體表降溫效果更加顯著。

(2)3種平均噴淋水滴粒徑下，噴淋前后奶牛直腸溫度均控制在穩定范圍內，且在平均噴淋水滴粒徑0.947 mm下奶牛平均直腸溫度低于0.829、1.127 mm，更好地緩解了奶牛熱應激。

(3)噴淋過程中，3種平均噴淋水滴粒徑下平均呼吸頻率分別降低為0.6、4.2、2.1次/min；噴淋結束后，平均呼吸頻率降低-0.4、1.4、1.2次/min。其中平均噴淋水滴粒徑0.947 mm對降低呼吸頻率最為顯著，其次為1.127 mm。在噴淋結束后，平均噴淋水滴粒徑0.829 mm條件下呼吸頻率有所上升，沒有達到預期的效果。

(4)3種平均噴淋水滴粒徑下奶牛單位時間平均換熱量分別為417.4、469.9、430.4 W；其中0.947 mm平均噴淋水滴粒徑下換熱量最大，換熱效果最明顯。綜合以上結論分析，確定適宜的平均噴淋水滴粒徑為0.947 mm。

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InvestigationonSprayingDropletDiameterforAlleviatingHeatStressofCows

DING Tao1SUN Baoxi1,2SHI Zhengxiang1,3WANG Zonglun1,2YAO Chunxia1,2ZHANG Chiye1,2

(1.CollegeofWaterResourcesandCivilEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083，China2.BeijingEngineeringResearchCenterofSafetyandEnergySavingTechnologyforWaterSupplyNetworkSystem,Beijing100083,China3.KeyLaboratoryofAgriculturalEngineeringinStructureandEnvironment,MinistryofAgriculture,Beijing100083,China)

The effect of relieving heat stress of cows was verified by three kinds of average spraying droplet diameter (SDD) (0.829 mm,0.947 mm and 1.127 mm) through field test. In the test, the body surface temperature of dairy cow was collected by thermal imager; the respiratory rate and physiological index of rectal temperature were measured at the same time. Based on this, the theory of enthalpy difference of Merkel was used to calculate the heat transfer of spraying cooling. The results showed that during the process of spraying, for three kinds of SDD (0.829 mm,0.947 mm and 1.127 mm), the average reductions of temperature were 0.7℃, 1.1℃ and 0.9℃ in the region of neck; in the region of abdominal, the average reductions of temperature were 0.7℃,1.4℃ and 1.5℃, respectively; and the average respiratory rates were decreased by 0.6, 4.2 and 2.1 times per minute, respectively. After spraying, for three kinds of SDD, the average reductions of temperature were 0.2℃, 0.4℃ and 0.6℃ in the region of neck; in the region of abdominal, the average reductions of temperature were 0.1℃, 0.5℃ and 0.6℃, respectively, and the average respiratory rates were decreased by -0.4, 1.4 and 1.2 times per minute, respectively. The rectal temperature was controlled within the stable range before and after spraying. The average rectal temperatures under SDD of 0.947 mm and 1.127 mm were lower than that under SDD of 0.829 mm. Under three kinds of SDD, the heat exchanges of cows in unit time were 417.4 W, 469.9 W and 430.4 W, respectively, which showed that heat exchange reached the maximum under SDD of 0.947 mm. In summary, the SDD of 0.947 mm was more suitable for the cooling of dairy cows in summer.

dairy cow; average spraying droplet diameter; heat stress

S817.3； S852.2

A

1000-1298(2017)09-0264-06

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.09.033

2017-01-05

2017-04-17

國家自然科學基金項目(31402115)、國家奶牛產業技術體系項目(CARS-37)、中央高校基本科研業務費專項資金項目(2015SYL001)和國家級大學生創新性計劃項目(201610019072)

丁濤(1974—)，女，副教授，博士，主要從事流體動力學和農業生物環境研究，E-mail: dingtao@cau.edu.cn