不同圍護結構材料對豬的福利養殖的模擬分析

彭 輝，贠慧星

（1.山西農業大學工學院，山西太谷 030801；2.山西農業大學城鄉建設學院，山西太谷 030801）

近幾年，隨著我國養豬業的迅速發展[1]，福利養殖的理念[2-6]也被引入到我國。豬的福利養殖就是要給豬提供舒適安全的生活環境，保證豬生活健康和自由[7-8]。在我國現在的發展基礎上，如何在綠色農業的發展條件下，達到福利養殖的目的成為一大難題。袁月明等[9]基于Ecotect選擇長春地區豬舍不同的建筑朝向進行光熱模擬，分析試驗豬只對建筑的熱工需求，達到滿足豬的福利養殖的需求；馮博[10]通過既有住宅建筑節能改造，應用Ecotect進行改造給豬的福利養殖的研究提供了經驗。馮海林等[11]利用基于BIM技術的Ecotect軟件對建筑的熱工性能的研究，進一步促進了對豬舍的圍護結構模擬分析。

圍護結構的保溫隔熱性能主要影響豬舍內的溫度，進而對豬的養殖有一定影響[12-14]。太原地區屬于夏天炎熱、冬天寒冷的地區，墻壁的保溫隔熱性能有重要的意義。

本研究就是通過選取豬舍的幾種圍護結構材料，通過建模，進行熱環境分析，選取最優圍護結構材料，給豬的福利養殖提供一個適宜的生活環境，提高豬的生產性能，增強豬的抵抗力[15]，改善豬肉品質。

1 材料和方法

1.1 材料

本研究選取的是育肥豬舍，是北方豬舍的典型結構。育肥豬舍選址在太原市郊區，豬舍朝向南偏東，豬舍長66.9 m，寬7.2 m，高3 m，設計飼養豬的數量是360頭。表1是豬舍圍護結構材料的基本參數。

表1 豬舍圍護結構材料的相關參數

1.2 試驗設計

豬舍的熱環境分析就是得出舍內多種擾動作用下的舍內的熱環境參數。本研究進行熱環境分析主要包括逐時得熱失熱分析、溫度分布分析、逐時溫度分析、逐月度日分析[16]等幾個方面。

本研究主要采用以下3種方案進行模擬分析和比較，因為傳熱系數是指在穩定傳熱條件下，圍護結構內外兩側空氣溫度差為1℃，單位時間內單位面積傳遞的熱量，所以，3種方案主要對比傳熱系數的不同。方案1：墻體的材料由外到內是由10mm的灰泥、50 mm的巖棉保溫層、240 mm的磚墻、10 mm的灰泥構成，傳熱系數是0.51 W/（m2·K）[17]；方案2：墻體的材料由外到內是10 mm的灰泥、240 mm的磚墻、10 mm的灰泥構成，傳熱系數是1.79 W/（m2·K）；方案3：墻體的材料是40 mm的鋼筋混凝土構成的，傳熱系數是3.17 W/（m2·K）。由于本研究主要是為了進一步分析墻體的圍護材料對于豬的福利養殖的影響，所以，3種方案的屋頂圍護材料統一選擇性能較好的彩鋼夾芯板，它由內到外是由1 mm的鋼板、100 mm巖棉、1 mm的鋼板構成，傳熱系數是0.04 W/（m2·K）；地板都是由100 mm的混凝土地板構成，傳熱系數是0.88 W/（m2·K）；窗戶選擇的是單層玻璃鋁框材質，傳熱系數是6 W/（m2·K）。

1.3 模擬分析

Autodesk Ecotect Analysis是一款設計及分析的軟件[18]。Ecotect Analysis模擬太陽輻射、日照、采光、熱工等，結合這些模擬結果進行分析可以達到研究目的。

本研究主要使用Ecotect Analysis 2010進行分析，分析的方法采用準入法。在正式進行熱環境分析之前，還要進行建模、材質的設置、熱環境設置和導入氣象數據等步驟[19]，主要設置包含4個方面[18]：（1）模型。在進行熱工環境分析時，Ecotect Analysis必須要恰當地簡化模型，根據經驗簡化，同時要保證模型空間密閉，相鄰模型的空間的材質可選項不沖突等。（2）材質的設置。Ecotect Analysis的熱環境分析采用了準入法，Ecotect Analysis能夠自動計算部分物理參數，如本研究中材質的傳熱系數。（3）熱環境設置。室內熱環境的系統設置是熱環境分析的基礎，同樣會對模型的熱環境模擬結果產生影響。（4）氣象數據。氣象數據是進行熱環境模擬的先決條件。一般選擇使用由科學家制作完成的典型氣象數據，本研究選擇的是太原地區的氣象數據。

2 結果與分析

2.1 逐時得熱失熱分析

逐時得熱失熱分析就是分析豬舍某一天通過圍護結構從外界得到的熱量和室內向外界散失的熱量的逐時數據。本研究通過采用3種不同方案分析不同圍護結構的逐時得失熱。

由圖1可知，因為選擇的日期是最冷日，所以，圍護結構一整天都是在失熱，16：00—20：00圍護結構失熱速率加快，之后圍護結構失熱速率降低。3種方案中方案1和方案2的圍護結構得失熱的數據相似，但方案1要優于方案2，是因為第1種方案中的墻體結構中加了一層保溫層，第3種方案的圍護結構的得失熱的變化量比較大，這種情況不利于豬的福利養殖。總體來看，磚墻結構的保溫隔熱性能要優于混凝土結構，因為在冬天通過圍護結構得失熱最小，一天之內得失熱波動最小有利于豬的生活，所以，方案1最有利于實現豬的福利養殖。

2.2 逐時溫度分析

逐時溫度分析就是分析豬舍某一天的逐時溫度變化。通過溫度的詳細變化比較分析對豬的養殖影響。本研究選擇的比較日期是冬天最冷日。

由圖2可知，在冬天不加熱的情況下，3種方案在 12：00—20：00，舍內溫度高于舍外溫度，8：00—12：00低于舍外溫度；方案3的溫度全天波動最大，從10：00開始舍內溫度開始上升，一直持續到17：00，這期間溫度達到全天最高溫度，17：00之后溫度開始下降；方案1和方案2的溫度波動情況十分相似，相對于方案3，前2種溫度的波動情況就比較平緩，但是在一天之中大部分時間的溫度低于方案3。結合豬的生活習慣，在寒冷天氣的情況下，溫度波動對豬養殖有比較大的影響，所以，方案1和方案2的圍護結構比較好。

2.3 溫度分布分析

溫度分布分析就是豬舍溫度分布的詳細數據。通過分析豬舍的全年溫度分布，研究環境溫度對豬養殖的影響。

由圖3可知，在夏季不制冷，冬天不加熱的情況下，3個方案的溫度分布的百分比大致相同。在0℃周圍和大于30℃時，方案3的溫度分布的百分比明顯高于其他2種方案，方案1和方案2的溫度分布比例非常相近，過低的溫度和過高的溫度分布比例比較高，這種情況不利于豬的正常生活；本研究選擇育肥豬的舒適溫度范圍是15～23℃[20]，從舒適溫度的分布比例來看，方案3在舒適溫度的區間內分布比較均衡，方案1和方案2在舒適溫度的區間內分布有差別，總的來看，在舒適溫度的范圍內，方案3舒適溫度分布所占的比例要比前2種方案所占的比例高。

2.4 逐月度日分析

逐月度日分析分為采暖度日分析和制冷度日分析。采暖度日分析就是當豬舍外日平均溫度低于年內的加熱溫度限制時，豬舍需要加熱取暖的天數；制冷度日分析就是當豬舍外日平均溫度高于年內的加熱溫度限制時，豬舍需要制冷降溫的天數。因為在進行分析之前設定了舍外氣象數據與采暖制冷的溫度的極限值，所以，3個不同方案的采暖制冷的天數是一樣的，如表2所示。逐月度日分析主要分析一年之中豬舍的總得失熱分析。

表2 豬舍逐月度日數

由圖4可知，3種方案一年總得失熱的趨勢大致相同，從1月份總得失熱都在增加，直到5月份總得失熱開始下降；1—3月，11—12月前2個方案的總熱量損失大于第3個方案的總熱量損失。從分析得到的數據可以得出，寒冷月份前2種方案的總得熱大于第3種方案，所以，前2種方案的情況有利于豬的養殖。

3 結論

本研究通過對山西省太原市郊區典型豬舍不同方案的圍護結構的熱環境分析，結果表明，在豬舍的圍護結構中添加保溫隔熱材料，并且在結構表面涂抹建筑涂料，更有利于實現豬的福利養殖。通過利用Ecotect對不同方案的豬舍進行多種分析研究得出，方案1的保溫隔熱性能比其他2種方案表現更好。表明豬舍圍護結構的傳熱能力比較差的、圍護結構的保溫隔熱能力好的方案，可以減小圍護結構得失熱百分比，有效提高舍內舒適溫度時間的比例，在自然條件下，更容易實現豬的福利養殖。