基于能質(zhì)平衡的密閉豬舍內(nèi)小氣候環(huán)境模擬與驗證

謝秋菊，Ji-Qin Ni，包 軍，劉洪貴

基于能質(zhì)平衡的密閉豬舍內(nèi)小氣候環(huán)境模擬與驗證

謝秋菊1,2,3，Ji-Qin Ni4，包 軍2，劉洪貴2

（1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部生豬養(yǎng)殖設(shè)施工程重點實驗室，哈爾濱 150030；2. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150030；3. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)電氣與信息學(xué)院，大慶 163319；4. Department of Agricultural and Biological Engineering, Purdue University，West Lafayette，IN 47907，USA）

良好的豬舍內(nèi)小氣候可以顯著提高豬的生長性能和健康水平，然而由于豬舍內(nèi)小氣候受地域、季節(jié)、飼養(yǎng)數(shù)量等因素影響，難以實現(xiàn)可靠的預(yù)測及控制。該文基于能量及質(zhì)量平衡方程，建立熱量、濕度交換模型，以實際監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用多元非線性回歸方法（multiple nonlinear regression method）確定模型中的部分參數(shù)，建立適用于北方夏季密閉式豬舍環(huán)境模擬模型。對夏季北向背陰面和南向朝陽面的2個豬舍內(nèi)溫度及濕度進行模擬及驗證，結(jié)果表明，南北2個朝向的豬舍內(nèi)溫度、濕度模擬與實測值變化趨勢一致，溫度最大誤差為2.4 ℃，最大相對誤差為9.2%，決定系數(shù)分別為0.836 9和0.786 9；舍內(nèi)相對濕度最大誤差為13.34%，最大相對誤差為49.66%，決定系數(shù)分別為0.912和0.899 7。研究結(jié)果可為密閉式豬舍內(nèi)環(huán)境調(diào)控及能量需求提供參考。

環(huán)境控制；溫度；濕度；密閉式豬舍；能量平衡；熱量交換

0 引 言

密閉式豬舍內(nèi)環(huán)境是一個獨立的小氣候系統(tǒng)，包括溫度、濕度、有害氣體濃度、光照、通風(fēng)等諸多舍內(nèi)環(huán)境因素。豬舍內(nèi)環(huán)境溫度是維持豬恒定體溫的重要外部條件，直接影響豬的熱平衡[1]。濕度影響豬的蒸發(fā)散熱，從而影響豬的體溫調(diào)節(jié)[2-3]。氨氣（NH3）是豬舍內(nèi)的重要污染物之一，主要由舍內(nèi)的飼料殘渣和糞便等經(jīng)微生物或酶分解產(chǎn)生，NH3濃度長時間過高會引發(fā)呼吸系統(tǒng)疾病[4-5]。在密閉式豬舍中，由于飼養(yǎng)密度大、舍內(nèi)空氣流通性差，通風(fēng)換氣可以將舍外新鮮空氣引入舍內(nèi)，改善舍內(nèi)空氣質(zhì)量，排除舍內(nèi)多余的熱、濕、粉塵、有害氣體等[1]。

豬舍內(nèi)小氣候系統(tǒng)受舍內(nèi)生產(chǎn)活動和舍外環(huán)境的影響。舍內(nèi)生產(chǎn)活動包括飼養(yǎng)、豬的數(shù)量及生長、代謝物和廢料等的分解、舍內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)與各環(huán)境因素之間相互耦合作用。舍外環(huán)境因素包括太陽輻射、舍外空氣溫度、濕度等。在規(guī)?；B(yǎng)豬生產(chǎn)中，豬舍內(nèi)小氣候調(diào)控是針對影響豬舍內(nèi)各環(huán)境因素的設(shè)備及生產(chǎn)過程的控制。研究表明，良好的豬舍內(nèi)小氣候環(huán)境可以顯著提高豬的生長性能和健康水平[6-7]，因此，在規(guī)?；B(yǎng)豬生產(chǎn)中豬舍內(nèi)小氣候的作用及環(huán)境控制受到廣泛的關(guān)注[8-11]。

Seo等對商業(yè)豬舍內(nèi)的溫度、氣流等環(huán)境因素建立了CFD模型，用于不同季節(jié)的通風(fēng)控制[12]；基于自動控制模型及算法建立的豬舍自動溫度控制平臺，實現(xiàn)精確的哺乳母豬舍、仔豬舍內(nèi)溫度控制[13-15]；Stinn對美國西部繁育豬舍內(nèi)環(huán)境進行了監(jiān)測及控制實驗[16]。然而，在實際環(huán)境控制中，由于豬舍內(nèi)小氣候環(huán)境受不同地域及舍內(nèi)豬的飼養(yǎng)數(shù)量等多種因素影響，隨機性較強，舍內(nèi)環(huán)境控制策略不同，難以實現(xiàn)精確測量及控制。利用計算機仿真技術(shù)構(gòu)建豬舍內(nèi)小氣候模擬及動態(tài)模型是優(yōu)化舍內(nèi)環(huán)境控制、降低能耗切實可行的方法。目前，這些模擬主要采用CFD模型模擬通風(fēng)[17-18]、溫/濕度場分布規(guī)律[19-24]、豬體散熱[12,19,24-25]；通過數(shù)字模擬及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)[26-28]、環(huán)境控制所需的能耗[29-31]、溫/濕度模擬及控制[32-33]。以上這些舍內(nèi)溫/濕度、通風(fēng)等的模擬及控制主要關(guān)注于單一的溫/濕度或通風(fēng)模擬、優(yōu)化及控制，而忽略了由于舍外天氣影響、不同通風(fēng)條件下舍內(nèi)溫/濕度變化、豬產(chǎn)熱產(chǎn)濕、豬的活動量等因素相互作用而導(dǎo)致的舍內(nèi)小氣候變化以及由此引發(fā)的能量消耗問題。

本文綜合考慮影響豬舍內(nèi)溫度、濕度小氣候變化的因素，基于能量及質(zhì)量平衡方程，以豬舍作為一個小氣候系統(tǒng)建立精確的熱量交換、濕度變化模型，以夏季實際監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對建立的豬舍內(nèi)溫度、濕度小氣候環(huán)境在不同通風(fēng)模式下進行模擬及驗證，對不同朝向的豬舍耗能進行對比，以期為豬舍內(nèi)小氣候環(huán)境優(yōu)化控制提供可靠參考。

1 豬舍內(nèi)小氣候環(huán)境分析

密閉豬舍是由磚、保溫板等為圍護結(jié)構(gòu)的一個封閉空間。豬舍內(nèi)環(huán)境受圍護結(jié)構(gòu)、豬、舍內(nèi)地面、加熱系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等的影響。建立豬舍內(nèi)溫度、濕度小氣候環(huán)境模型可以預(yù)測豬舍內(nèi)環(huán)境變化。本文在實際監(jiān)測的舍內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立以能量平衡及質(zhì)量平衡為基礎(chǔ)的熱交換模型和濕度變化模型。

1.1 舍內(nèi)熱量平衡分析

豬舍內(nèi)的熱量交換主要包括熱輻射、熱對流和熱傳導(dǎo)3種顯熱交換和蒸發(fā)傳熱的潛熱交換。如圖1所示。豬舍圍護結(jié)構(gòu)將舍內(nèi)外空氣分開，由于舍內(nèi)外溫度不同，圍護結(jié)構(gòu)與舍外空氣進行熱量交換，圍護結(jié)構(gòu)還吸收太陽輻射熱量，圍護結(jié)構(gòu)的材質(zhì)及厚度對熱量傳遞有重要影響。舍內(nèi)加熱器、通風(fēng)系統(tǒng)、舍內(nèi)地面、豬體表面及呼吸系統(tǒng)等通過舍內(nèi)空氣對流、輻射散熱以及蒸發(fā)散熱形成熱量交換。

圖1 豬舍熱量交換示意圖

根據(jù)能量平衡方程，密閉式豬舍中儲存熱量的變化率等于單位時間內(nèi)豬舍內(nèi)得到的熱量與豬舍散失的熱量之差[34-35]，如式（1）所示。

太陽輻射熱量Q的計算如公式（2）所示。

式中為圍護結(jié)構(gòu)輻照轉(zhuǎn)換系數(shù)；S為接受太陽輻射能量的圍護結(jié)構(gòu)的面積，m2；I為太陽輻照度，W/m2。

舍內(nèi)空氣從加熱器吸收的熱量Q的計算如公式（3）所示。

式中T為加熱器的表面溫度，℃；m為單位時間內(nèi)加熱的空氣質(zhì)量，kg/s。可以看出，加熱器表面溫度越高，舍內(nèi)溫度上升速度將會越快。當(dāng)加熱器處于關(guān)閉狀態(tài)時，Q= 0。

舍內(nèi)空氣與豬體表皮膚進行熱量交換，包括豬體表輻射熱交換和豬體表與空氣的對流熱交換[36]，如公式（4）[37-38]所示。

豬體表溫度受舍內(nèi)溫/濕度的影響，根據(jù)文獻[40]，舍內(nèi)溫度每增加1 ℃，豬體表溫度增加0.25 ℃。在舍內(nèi)相對溫度達到80%時，平均豬體表溫度較濕度較低時的體表溫度低。舍內(nèi)相對溫度為50%～80%時，可由線性回歸模型得到舍內(nèi)溫度與豬體表溫度之間的關(guān)系[40]，如式（5）所示。

式中，，為回歸系數(shù)；RH為相對濕度，%；為 殘差。

豬舍圍護結(jié)構(gòu)散熱是由高溫一側(cè)的圍護結(jié)構(gòu)傳向低溫一側(cè)，與圍護結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面與外表面的溫度差、傳熱時間、傳熱面積有關(guān)。圍護結(jié)構(gòu)散熱量Q的計算如公式（6）所示[35]。

式中k為圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，與圍護結(jié)構(gòu)材料及厚度相關(guān)，W/（m2·℃）； t和t分別為圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面和外表面溫度，℃；F為圍護結(jié)構(gòu)的面積，m2。

豬舍通風(fēng)口與舍外空氣交換將會損失熱量，其大小受通風(fēng)效率的影響，通風(fēng)口散失熱量Q如式（7）所示。

式中為舍內(nèi)通風(fēng)量，m3/s；0為舍外溫度，℃。

地面與舍內(nèi)空氣的對流熱交換Q的計算如式（8）所示。

式中S為地面面積，m2；h為地面換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；T為地面溫度，℃。由于本豬舍是漏縫地板，地面溫度可近似等于下方糞坑空氣溫度。

豬舍內(nèi)潛熱包括由豬體表面及呼吸系統(tǒng)、舍內(nèi)糞便、糞坑、食槽等引起的水汽蒸發(fā)傳熱。根據(jù)質(zhì)量平衡方程豬舍內(nèi)的潛熱公式如式（9）[16]所示。

式中Q為舍內(nèi)潛熱產(chǎn)生率，W；MP為舍內(nèi)產(chǎn)濕率，kg/s；h為水的汽化潛熱，2.427×106J/kg。

1.2 舍內(nèi)空氣濕度平衡分析

豬舍內(nèi)的水汽主要來自豬體表面以及呼吸過程，地面、糞坑、水槽及其他潮濕表面蒸發(fā)出的水汽。假定舍內(nèi)空氣是水汽分布均勻的理想氣流，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，豬舍內(nèi)產(chǎn)生的水汽量等于消散的水汽量，則舍內(nèi)水汽的動態(tài)平衡方程如公式（10）所示[36, 41-42]。

式中左邊項等于舍內(nèi)產(chǎn)濕率MP，()為舍內(nèi)空氣在時刻時的含濕量，kg/kg；H和H分別為每頭豬和舍內(nèi)各種表面水汽蒸發(fā)量，kg/s；e為由通風(fēng)口排出的空氣的含濕量，kg/s，可由公式（11）計算得到。

豬體蒸發(fā)的水汽量H受溫度、濕度等環(huán)境因素影 響[25,40]，根據(jù)不同的溫/濕度范圍可用分段函數(shù)描述，如公式（12）所示。

式C為在特定濕度范圍內(nèi)的常量；Z為在特定濕度范圍內(nèi)的回歸系數(shù)；IPTRH為在每個濕度范圍下的溫度轉(zhuǎn)折點；此公式中特定相對濕度分別為50%，65%，80%。溫度范圍為16～32 ℃。C，Z和IPTRH在不同濕度下的取值如表1所示[40]。在實際應(yīng)用中，豬舍內(nèi)相對濕度并不只是對應(yīng)50%，65%，80%這3個特定值，因此，將實際豬舍的相對濕度以50%，65%，80%為分界點劃分為（0，50%），(50%，65%)和（65%，80%）3個范圍。

豬舍中各潮濕表面的水汽蒸發(fā)量H按照不同的飼養(yǎng)條件和豬舍建筑來估算。本試驗研究的豬舍是水泥漏縫地面，地面下方是1.8 m深的糞坑，H可以近似用下方深坑的空氣含濕量與舍內(nèi)空氣含濕量的差來計算得到；對于其他干清糞方式的豬舍需要在接近地面處安裝相對濕度傳感器，通過計算舍內(nèi)空氣含濕量與地面潮濕面的含濕量差來近似估算。

表1 不同濕度下豬體蒸發(fā)水汽量函數(shù)中各參數(shù)值

注：C，Z和IPTRH分別為在特定濕度范圍內(nèi)的常量、回歸系數(shù)和溫度轉(zhuǎn)折點。

Note：C,Zand IPTRHis constant, regression coefficient and turning point of temperature within a certain humidity range, respectively.

由于豬舍內(nèi)、外濕度是以相對濕度的形式進行采集的，但是由于公式（10）和（11）中采用的是含濕量，所以需要將相對濕度與含濕量進行換算，如式（13）和式（14）。

用式（10）～式（14）可以對豬舍內(nèi)空氣濕度變化情況進行動態(tài)分析。根據(jù)給定的舍內(nèi)初始溫度、相對濕度等參數(shù)，根據(jù)公式（14）求出初始溫度相應(yīng)的水蒸汽飽和分壓力P，然后根據(jù)公式（13）用飽和分壓力P和初始相對濕度求出含濕量，再根據(jù)公式（10）用含濕量和各含濕量載荷求出下一時刻的含濕量，依此反復(fù)求解得到不同時刻的含濕量。

2 豬舍內(nèi)小氣候環(huán)境模擬

在對豬舍內(nèi)小氣候環(huán)境模擬時，假設(shè)豬舍滿足以下條件：

1）豬舍是一個封閉的時變系統(tǒng)；

2）舍內(nèi)地面溫度等于下方糞坑空氣溫度；

3）處于南面中間位置的豬舍小間只有南面墻和對應(yīng)的房頂吸收太陽輻射能量；處于北面最西側(cè)的小間只有西面墻接受太陽輻射能量。

根據(jù)豬舍內(nèi)環(huán)境熱量和空氣濕度平衡分析，在Matlab Simulink中建立小氣候環(huán)境模擬模型，包括豬舍內(nèi)熱量交換模擬和濕度變化模擬2個部分，分別有2個輸出變量SimT和SimRH，動態(tài)反映豬舍內(nèi)的熱量與溫度變化情況。在Simulink仿真模塊中使用積分計算和帶有四階龍格庫塔方法的ode4解析器對豬舍內(nèi)環(huán)境熱量平衡進行仿真模擬。初始時刻設(shè)置為=0，模擬運算時采用固定時間步長1 min，ode45解析器的收斂誤差設(shè)置為10-5。其中子模塊Temp用于模擬豬舍內(nèi)熱量交換；Tsim用于實現(xiàn)將舍內(nèi)熱量進行積分運算得出模擬的舍內(nèi)溫度；子模塊Humid用于模擬豬舍內(nèi)溫度變化；子模塊Qsh用于模擬豬的呼吸系統(tǒng)、體表以及舍內(nèi)各種潮濕表面蒸發(fā)的潛熱量，它連接著熱量交換和濕度變化模擬模塊。豬舍內(nèi)熱量交換模擬模塊的輸出變量SimT，同時作為濕度變化模擬模塊的輸入變量，濕度模擬模塊Humid的輸出量Out MP作為潛熱模塊Qsh的輸入量。TScope 和RHScope分別用于對比顯示溫度的模擬值與測量值和相對濕度的模擬值與測量值。各輸入變量取值來源為監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

為了比較豬舍內(nèi)熱/濕小氣候模擬結(jié)果與實際豬舍運行時采集的環(huán)境數(shù)據(jù)的接近程度，需要對豬舍內(nèi)小氣候模擬結(jié)果進行驗證。以舍內(nèi)溫度（Tsim）、相對濕度（RHsim）作為模擬輸出，與實際監(jiān)測的豬舍內(nèi)溫度（Troom）、相對溫度（RHroom）數(shù)據(jù)進行對比，對豬舍內(nèi)的熱量交換、豬舍內(nèi)含濕量變化模型進行驗證。

3.1 驗證豬舍及數(shù)據(jù)監(jiān)測

本文的豬舍內(nèi)小氣候環(huán)境模擬驗證數(shù)據(jù)來源于普渡大學(xué)動物研究教育中心[43]。該豬舍位于美國印第安那州西拉法葉市，地處大陸性濕潤氣候，四季分明，1月份氣溫最低，平均溫度為-7.2 ℃，平均濕度為69%；7月份溫度最高，平均溫度為29.4 ℃，平均濕度為71%。

豬舍結(jié)構(gòu)類型為鋼木混結(jié)構(gòu)，通風(fēng)類型為密閉式機械通風(fēng)。通過豬舍東西兩側(cè)的進風(fēng)口將舍外新鮮空氣送入舍內(nèi)，然后通過棚頂和過道入口送入12個南北朝向的小間內(nèi)。豬舍結(jié)構(gòu)和小間內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示[44-45]。

每個小間長度為11 m，寬度為6.1 m，高為2.7 m，可以容納60頭育肥豬，中間由過道分隔，內(nèi)部建有雙列鋼質(zhì)圍欄，每列有6個豬欄，每個小間內(nèi)墻上安裝 有2個直徑分別為356 mm（V4E35, Multifan, Bloomington, IL, USA）和508 mm（V4E50, Multifan, Bloomington, IL, USA）的恒速風(fēng)機，用于舍內(nèi)通風(fēng)換氣；在每個小間內(nèi)安裝有天然氣加熱器（Guardian 60, L.B. White Co. Onalaska, WI, USA）用于冬季加熱；在豬欄中間距離地面1.5 m處安裝有相對濕度傳感器（HX92BC, Omega, Atlanta, GA, USA），用于舍內(nèi)相對濕度測量；在直徑為356 mm的風(fēng)機前1 m處、儲糞池的排風(fēng)口處、過道天花板空氣入口處、距離豬舍地面1.5 m高處和天然氣加熱器的熱風(fēng)出口處5個位置安裝T型熱電耦分別監(jiān)測不同位置的溫度；小間內(nèi)墻上風(fēng)機所受壓力通過量程為[-250～+250]Pa的氣壓測量儀(260, Setra Systems, Inc.,)測得。

小間內(nèi)是水泥漏縫地板，地板下有1.8 m深的儲糞池，在儲糞池外墻上部有2個直徑為250 mm的變速風(fēng)機（P4E30, Multifan）處于不間斷運行狀態(tài)，為每間豬舍提供最小量通風(fēng)，糞池風(fēng)機的通風(fēng)率由風(fēng)速儀直接測量得到[45]。

圖2 豬舍結(jié)構(gòu)與小間照片

豬的活動量是通過安裝在每個小間墻上的紅外活動量傳感器（Visonic SRN 2000 Detector, Visonic Inc., Bloomfield, CT, USA），將探測的紅外光線信號轉(zhuǎn)換成電壓信號測量并且記錄得到[46]。

豬舍每個小間內(nèi)的2個墻上風(fēng)機運行通過單獨的開/關(guān)信號進行控制，當(dāng)舍內(nèi)溫度超過設(shè)定值時開啟，當(dāng)舍內(nèi)溫度低于或等于設(shè)定溫度值時關(guān)閉。風(fēng)機運行狀態(tài)時間長度以占相應(yīng)時間的百分比值來記錄（例如：在1 min內(nèi)如果風(fēng)機運行30 s，則用50%表示風(fēng)機運行狀態(tài)所占的時間長度比值。）

在距離豬舍南側(cè)70 m的開闊地安裝有Davis 6152 Wireless Vantage Pro2氣象站（Davis Instruments, Hayward, CA, USA），對舍外空氣溫度、相對濕度、太陽輻射等天氣數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。部分天氣數(shù)據(jù)來源于距離豬舍5 km的普渡大學(xué)園藝研究與教育中心。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性、豬舍建筑樣式特點等，本文選取2個南北朝向的小間2和小間11，從2015年8月27日至9月30日的舍內(nèi)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)以及舍外天氣監(jiān)測數(shù)據(jù)確定小氣候環(huán)境模型模型參數(shù)（2015年8月27日至30日和9月2日至9月30日）及模型驗證（2015年8月31日至9月1日），數(shù)據(jù)采集間隔為1 min。

實際監(jiān)測結(jié)果表明，豬舍外空氣溫度、相對濕度和太陽輻射日平變化范圍分別為（21±6.6）℃、70.3%±3%和（197.1±261.1）W/m2；小間2和小間11內(nèi)空氣溫度為（22.7±1.1）℃、空氣相對濕度分別為45.7%±6%和50.1%±3.1%、糞坑溫度分別為（25.6±2）℃和（24.6±2.9）℃、通風(fēng)口溫度分別為（22±5）℃和（21.5±4.9）℃、風(fēng)扇靜壓力分別為（-12.8±7）和（-12±5.1）Pa、豬的活動量分別為（0.8±0.2）V（電壓）和（0.4±0.3）V、356 mm風(fēng)扇運行時間分別為36.6%±45.8%和82.8%±32.9%、508 mm風(fēng)扇運行時間分別為57.2%±42.9%和72.8%±41%，如圖3所示。

圖3 小間2 和小間11以及豬舍外環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)

通風(fēng)率包括舍內(nèi)墻上風(fēng)機的通風(fēng)率和糞坑風(fēng)機通風(fēng)率，墻上風(fēng)機的通風(fēng)率是通過持續(xù)測量風(fēng)機運行狀態(tài)、小間內(nèi)靜壓力以及后期風(fēng)機測量模型[10]間接計算得到。小間2 和小間11的通風(fēng)率分別為8 691.7±5 543.6和14 003.3±189 m3/min。

3.2 模型參數(shù)確定

然而，在模型中有些參數(shù)并不是常量，這些參數(shù)通過正常的數(shù)學(xué)方法難以計算得到，因此，將公式（2）～（9）代入公式（1）中，合并整理得到舍內(nèi)熱量變化的多元非性線方程，如公式（15）所示。

表2 豬舍小氣候環(huán)境模擬模型的參數(shù)

3.3 模擬結(jié)果驗證

分別選取2015年8月31日至9月1日連續(xù)2 d監(jiān)測的2個南北朝向的小間2和小間11內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)以及舍外的天氣數(shù)據(jù)，對豬舍內(nèi)熱濕小氣候模型進行驗證。

3.3.1 溫度模擬驗證

豬舍內(nèi)小氣候環(huán)境模擬輸出的舍內(nèi)空氣溫度和實際測得的豬舍內(nèi)空氣溫度對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 舍內(nèi)溫度模擬值與實測值對比

從圖4中可以看出，小間2和小間11豬舍內(nèi)的空氣溫度模擬數(shù)據(jù)與實測溫度數(shù)據(jù)變化趨勢一致，能夠真實反映夏季最大通風(fēng)模式下豬舍內(nèi)溫度變化情況。小間2和小間11舍內(nèi)實測溫度波動情況相近，變化范圍分別為21.2～26.2 ℃和21.2～26.4 ℃；模擬溫度變化范圍分別為20～25.1 ℃和20.8～26 ℃。

模擬結(jié)果表明，小間2和小間11模擬溫度與實測溫度的最大誤差分別為2.0和2.4℃，最小誤差為0 ℃，最大相對誤差分別為9.2%和8.7%，平均誤差分別為0.469 3和0.767 6 ℃，標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為1.015 5和1.443 8 ℃；決定系數(shù)2分別為0.836 9和0.786 9。本研究建立的豬舍內(nèi)熱環(huán)境變化模擬模型對溫度的模擬輸出與實測溫度誤差較小，能夠很好地反應(yīng)舍內(nèi)溫度變化情況。

3.3.2 濕度模擬驗證

豬舍內(nèi)小氣候環(huán)境模擬輸出的相對濕度和實際測得的豬舍內(nèi)相對濕度對比結(jié)果如圖5所示。

從圖5和圖3 g對比可以看出，由于夏季氣溫較高，豬舍內(nèi)開啟了最大通風(fēng)模式，356和508 mm的風(fēng)機基本都保持運行狀態(tài)，因此，小間 2和小間11內(nèi)的相對濕度值較低且變化較小，分別為23.4%～51.5%和24.8%～54.8%；同時，由于中午舍內(nèi)溫度較高，通風(fēng)處于最大模式，舍內(nèi)相對濕度在中午顯著降低。小間2和小間11內(nèi)的相對濕度模擬值與實測相對濕度值的變化趨勢基本一致，最大誤差分別為13.34%和10.5%，最小誤為0，最小平均誤差為3.63%和3.35%，最大相對誤差分別為49.66%和20.82%，標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為6.96%和4.69%；相關(guān)性系數(shù)2分別為0.912和0.899 7。

圖5 舍內(nèi)相對濕度模擬值與實測值對比

根據(jù)豬舍內(nèi)環(huán)境控制經(jīng)驗及養(yǎng)殖環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)[47]，豬舍內(nèi)溫度是最為重要的環(huán)境指標(biāo)，相對濕度的重要性稍次于舍內(nèi)溫度，所以可以允許相對濕度具有稍微大一些變化。因此，從豬舍內(nèi)相對濕度模擬結(jié)果上來看，本研究建立的相對濕度模擬值能夠反應(yīng)舍內(nèi)實際相對濕度變化情況。

3.4 舍內(nèi)通風(fēng)及能耗分析

炎熱的夏季有效消除豬舍內(nèi)多余的熱量，是舍內(nèi)環(huán)境控制的首要任務(wù)，通風(fēng)散熱是最為有效的舍內(nèi)降溫手段之一。因此，通風(fēng)耗能是夏季豬舍內(nèi)環(huán)境控制中最大的能量消耗。根據(jù)公式（1）可知，夏季豬舍內(nèi)的熱量主要來源于豬體表面散熱和太陽輻射，在豬舍建筑材料、設(shè)計、結(jié)構(gòu)、舍外環(huán)境溫度、濕度、太陽輻射等條件相同的情況下，舍內(nèi)豬的數(shù)量及體質(zhì)量決定了舍內(nèi)熱量的多少，舍內(nèi)通風(fēng)要主要根據(jù)舍內(nèi)產(chǎn)熱量大小來決定風(fēng)機的運行情況。

圖6為2015年8月30日至9月1日連續(xù)3 d的小間2和小間11內(nèi)的墻上風(fēng)機運行情況，根據(jù)文獻[43]所述方法對墻上風(fēng)機啟停進行控制。在此期間，小間2內(nèi)的豬的體質(zhì)量為14.4～16.3 kg，數(shù)量為146頭；小間11內(nèi)豬的體質(zhì)量為97.8～101.2 kg，數(shù)量為58頭。從圖6a可以看出，小間 2內(nèi)直徑356 mm的墻上風(fēng)機在夜間22：00以后處于關(guān)閉狀態(tài)，上午10：00至晚上9：00之間2個風(fēng)機處于最大風(fēng)量運行狀態(tài)，小間2內(nèi)的通風(fēng)量為33.13～9 746.3 m3/min。從圖6 b可以看出，小間11內(nèi)的2個墻上風(fēng)機一直處于運行狀態(tài)，達到最大通風(fēng)量12 999 m3/min。因此，盡管小間2處于朝陽面，通常接受太陽輻射較多，小間11處于北面背陰面，但是，由于小間11內(nèi)豬總產(chǎn)熱量遠大于小間2，加之小間11西面墻在下午時接受太陽輻射較多，所以，小間11的2個墻上風(fēng)機一直處于運行狀態(tài)，達到了最大通風(fēng)量。

小間2與小間11墻上風(fēng)機總運行時間分別為86.09和144 h，運行時間比約為3:5；耗電量分別為28.55和43.92 kW·h。因此，小間11的夏季豬舍內(nèi)環(huán)境通風(fēng)電量消耗是小間2的1.5倍。在豬舍設(shè)計時要充分考慮豬舍的朝向以及舍內(nèi)豬的總量引起的舍內(nèi)通風(fēng)散熱能耗的增加。

圖6 墻上風(fēng)機運行時間比例

4 結(jié) 論

本文綜合考慮了基于能量和質(zhì)量平衡方程建立豬舍內(nèi)溫度、濕度動態(tài)方程，可以有效地反映舍內(nèi)溫/濕度變化動態(tài)。結(jié)合實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過MNRM確定了模型中的模擬參數(shù)。研究結(jié)果表明：

1）夏季2個南北朝向的豬舍小間內(nèi)模擬溫度、相對濕度變化與實測溫度、相對度變化趨勢一致，模擬溫度和實測溫度決定系數(shù)分別為0.836 9和0.786 9；模擬相對濕度和實測相對濕度決定性系數(shù)分別為0.912和0.899 7。溫度最大誤差2.4 ℃，溫度最大相對誤差為9.2%；相對濕度最大誤差為13.34%，相對溫度最大誤差為49.66%。較好地反映了舍內(nèi)溫度、濕度變化情況，可以作為密閉式豬舍內(nèi)環(huán)境調(diào)控的基礎(chǔ)模型。

2）夏季密閉式豬舍內(nèi)通風(fēng)及能耗分析表明，小間11夏季豬舍內(nèi)環(huán)境通風(fēng)電量消耗是小間2的1.5倍，因此在豬舍環(huán)境控制時需要將豬舍的朝向及飼養(yǎng)豬的大小與數(shù)量作為首要考慮因素，消除舍內(nèi)多余熱量，降低舍內(nèi)溫度。

在本文提出的豬舍內(nèi)小氣候環(huán)境模擬模型中，不僅包括舍內(nèi)通風(fēng)引起的熱量交換計算，而且包括了舍內(nèi)加熱控制引起的熱量交換，因此，本模型同樣適用于冬季豬舍內(nèi)小氣候環(huán)境模擬。

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Simulation and verification of microclimate environment in closed swine house based on energy and mass balance

Xie Qiuju1,2,3, Ji-Qin Ni4, Bao Jun2, Liu Honggui2

(1.,,150030,; 2.,,150030,; 3.,,163319,; 4.,,,47907,)

Microclimate of swine house is a time-varying and nonlinear system affected by the interaction of internal production and external environment factors, and has an important effect on the pig’s growth performance and health status. Among multiple environmental factors, indoor air temperature affects the heat balance of the pig body and plays an important role to maintain the constant body temperature. Humidity influences the evaporation of the pig body and therefore a body’s thermoregulation. So, the indoor temperature and humidity are payed much attention by many researchers in the past decades in order to maintain a suitable indoor environment for pigs. Simulation of indoor microclimate is an effective way to provide a precision control strategy. Some researches on swine house environment control are conducted based on indoor air temperature and ventilation using traditional and automatic control method. However, in practice, it is difficult to realize an accurate microclimate control and prediction in a swine house due to some influences such as different regions that swine house located, seasons, raised number of pigs, and most simulations and models for swine house environment only focused on single environment factor such as temperature, humidity or airflow using computational fluid dynamics (CFD), the comprehensive interaction among the multiple factors and the energy consumptions are neglected. In this study, a thermal exchange model based on energy balance equations and a humidity variation model based on mass balance equations are developed for a closed swine house, the factors such as weather, heat dissipation, heat acquisition, building structure, building ventilation and pigs in the swine house are considered. Based on the one month's measured data of 1 minute resolution of room 2 on the south side and room 11 on the northwest corner in the swine house, some parameters of the simulation model were determined by using multivariate non-linear regression model (MNRM). Two days measured data are randomly selected to validate the model simulations from two rooms in hot summer. The energy consumptions of the two rooms are also analyzed and compared. Results show that the simulation and measurement values for both rooms agree well, the maximum temperatures error is 2.4 ℃, the maximum relative error is 9.2% for the two rooms, and the coefficient of determination is 0.836 9 for room 2 and 0.786 9 for room 11. The maximum relative humidity error is 13.34% and the maximum relative error is 49.66% for the two rooms, the coefficient of determination is 0.912 for room 2 and 0.899 7 for room 11.The power consumption of room 11 is 1.5 times that of room 2 because room 11 has extra heat produced by the pigs and a sidewall as part of the west wall of the building. The dynamic microclimate models based on the energy and mass balance equations can be used for simulations of basic environment control and energy requirement in closed swine houses.

environmental control; temperature; humidity; closed swine house; energy balance; thermal exchange

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.019

S2

A

1002-6819(2019)-10-0148-09

2018-09-30

2019-02-12

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部生豬養(yǎng)殖設(shè)施工程重點實驗室開放課題；國家生豬產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-35）；黑龍江省青年科學(xué)基金項目（QC2013C065）；黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)成、引進人才科研啟動基金（XDB-2016-21）。

謝秋菊，教授，博士，主要從事畜舍環(huán)境控制研究。Email：xqj197610@163.com

謝秋菊，Ji-Qin Ni，包 軍，劉洪貴.基于能質(zhì)平衡的密閉豬舍內(nèi)小氣候環(huán)境模擬與驗證[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(10)：148－156. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.019 http://www.tcsae.org

Xie Qiuju, Ji-Qin Ni, Bao Jun, Liu Honggui. Simulation and verification of microclimate environment in closed swine housebased on energy and mass balance[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(10): 148－156. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.019 http://www.tcsae.org