保溫燈變功率供暖對哺乳仔豬環境調控及節能效果

王美芝，任方杰，臧建軍，陳澤鵬，郝 薇，張霞霞，劉繼軍

保溫燈變功率供暖對哺乳仔豬環境調控及節能效果

王美芝，任方杰，臧建軍，陳澤鵬，郝 薇，張霞霞，劉繼軍※

（中國農業大學動物科技學院，北京 100193）

為探究保溫燈溫度自動控制對哺乳仔豬溫度調控和節能效果，選用可控硅作為控制器的控制電路主體，以PID（proportional, integral and derivative）算法的單片機對保溫燈進行變功率溫度控制。選擇北方地區某豬場2 個產房單元（23 頭母豬、25 個250 W保溫燈/單元），對照單元恒定功率供暖，試驗單元保溫燈溫度自動控制供暖。結果表明，試驗期間，產房內平均溫度為20.7 ℃，試驗單元與對照單元保溫燈正下方距離地面0.3 m高處日平均溫度在仔豬出生后第1周均為27.4 ℃，第2周分別為27.2和27.5 ℃，第3周分別為26.8和27.4 ℃。試驗單元和對照單元保溫燈正下方實體地板表面溫度的平均值范圍分別為29.5～31.0和31.0～30.6 ℃，漏縫地板表面溫度的平均值均為22.9～23.0 ℃。哺乳仔豬21 日齡斷奶每批次可節能25.4%，試驗條件下，保溫燈溫度自動控制2 個冬季可回收設備成本。試驗單元和對照單元保溫燈正下方、側下方實體地板和漏縫地板仔豬躺臥比例分別為40.7%～66.5%、14.4%～33.4%和0.9%～8.7%。結合地暖供暖，在無仔豬保溫箱情況下，保溫燈溫度自動控制系統基本滿足哺乳仔豬21日齡內溫度需求，不僅節能，而且有利于減少仔豬死亡率并提高日增質量。

自動控制；溫度；行為；變功率加熱；保溫燈；節能；產房；哺乳仔豬

0 引 言

產房中仔豬的死亡是養豬業一大損失，而斷奶前仔豬的死亡原因主要是壓死，壓死的根本原因之一是仔豬的冷應激導致仔豬被母豬壓死[1]，目前，豬場普遍養殖的高生長速率選育品種仔豬的脂肪較地方豬梅山豬和歐系大白豬更低因而抵抗寒冷的能力更弱[2]，若仔豬環境溫度過低將最終導致死亡[3]。產房中母豬的適宜溫度為18～22 ℃，該溫度不能滿足初生仔豬溫度需求（出生第1周需要28～32 ℃）[4]，仔豬需要局部供暖提供所需溫度。仔豬局部供暖主要使用仔豬保溫燈，目前常用的不同類型仔豬保溫燈在功率相同和使用時間相同情況下能耗基本相同[5]。小規模豬場產房中仔豬局部常使用仔豬保溫箱，研究表明，出生后48 h內的仔豬更加傾向于躺臥在母豬或者同伴身邊而不是躺臥在保溫箱內[6]，目前，大規模豬場因此并為便于觀察仔豬和便于消毒而偏向于取消仔豬保溫箱。有數據表明母豬旁水泥地面在未加熱的情況下平均溫度為24.0 ℃[7]，該溫度對仔豬偏低，為了給仔豬提供適宜的溫度，仔豬保溫燈是必備的局部供暖設備。目前的保溫燈均是恒定功率，隨著仔豬日齡的增加，仔豬對溫度的需求逐漸下降，而恒定功率保溫燈下溫度不可調，在Zhang等[8]的試驗中，保持滿功率運行的保溫燈正下方仔豬躺臥率甚至低于保溫燈側下方的躺臥率，保溫燈滿功率運行即浪費電能又不能為仔豬提供舒適的溫度，而且保溫燈多余的散熱還會增加母豬的熱應激程度。

因此，如何在生產中提供仔豬適宜的熱環境同時提高仔豬對于保溫供暖區域的利用率并降低供暖能耗尤為重要。由于仔豬對于保溫供暖區域的利用率不僅受供暖區域熱環境的影響，還受到仔豬日齡的增加以及群體社會環境變化[9]的影響，在大規模豬場的產房內，保溫燈數量可達24～72個，對每個產欄內仔豬區域溫度進行人為精確調整費時費力并難以實現，因此，急需使用溫度自動控制方法對仔豬保溫供暖區域的熱環境進行自動調控。

關于仔豬保溫燈溫度自動控制方面的研究，于明珠等[10]設計了基于PLC（programmable logic controller）的繼電器控制保溫燈開閉的控制方法，僅對2個產仔欄保溫燈進行了溫度控制的溫度控制效果試驗。同樣，劉芳等[11]的仔豬保溫燈自動控制試驗中也給出了一種繼電器控制保溫燈開閉的溫度控制方案并對比了使用繼電器控制與不使用繼電器控制對節能的影響。利用繼電器頻繁的直接開閉電源將會對保溫燈造成損傷，降低保溫燈使用年限，而且繼電器控制方法易造成溫度波動，溫度波動較大時將對仔豬生產性能造成不利影響[12-14]，Juliana等[15]比較了運用PID算法控制和恒溫控制器對保育豬溫度控制的節能效果和生產性能，結果表明PID控制方法優于恒溫控制器控制方法，但論文未對PID控制方法應用于哺乳仔豬的節能效果進行研究。馮江等[16]研究了利用自適應模糊PID算法對妊娠豬舍溫度和通風進行控制的算法，朱偉興等[17]研究了保育豬舍的環境監控系統，二者均未對哺乳仔豬保溫燈局部溫度控制進行探討。

本文設計了基于PID控制算法的哺乳仔豬保溫燈局部供暖溫度控制系統與不使用溫度控制器的仔豬保溫燈局部供暖系統的電能消耗、仔豬局部溫度和行為的比較試驗，以期尋找可以節約產房哺乳仔豬局部供暖的電能消耗而又不影響仔豬成活率的仔豬局部溫度控制方案。

1 材料與方法

1.1 試驗豬舍基本情況

選擇河北省豐寧動物試驗基地，在1棟產房內選擇相同的2個單元，單元的建筑尺寸為27.0 m×8.0 m× 2.9 m，墻體為240 mm厚磚墻，單元內為2列產床3列走道對尾式布局，設有產床26 個，尺寸為1.8 m×2.2 m，產欄內實體供暖地面、頭部漏縫地板和尾部漏縫地板寬分別為1.3、0.3和0.6 m，每側產床下方鋪設水暖管，水暖管保持穩定運行，每2個產床中間隔斷處，吊有1個保溫燈，保溫燈距產床地面高度為0.4 m。產房采用自然通風，并且裝配有無動力風帽。全場按1周生產節律組織生產，執行“全進全出”的生產工藝流程，采用干清糞模式，每日清糞3次，母豬提前1周進產房。仔豬出生后立即除去胎盤包膜，系上臍帶，放到單獨的有干燥粉的保溫箱內，15 min后，將仔豬放置到母豬旁的仔豬休息區域，幫助仔豬獲得初乳，并在出生后24 h內斷尾、剪牙，5 日齡補飼教槽料，28 日齡斷奶。

試驗單元母豬23 頭，總產活仔數240頭，斷奶仔豬213頭。對照單元母豬亦為23頭，總產仔數260頭，斷奶仔豬225頭。試驗單元與對照單元實際運行保溫燈數量均為25個，每個保溫燈功率為250 W。試驗組裝配保溫燈溫度自動控制系統，根據設定溫度自動控制保溫燈的運行功率；對照組采用恒定功率供暖。試驗期間試驗單元與對照單元保溫燈24 h開啟，試驗單元保溫燈溫度自動控制器保持24 h持續工作。

1.2 試驗方法

1.2.1 溫度控制方案

保溫燈溫度自動控制器由溫度感應探頭、控制單元與控制輸出單元組成，溫度感應探頭接收到的熱信號后轉化為電信號傳入單片機內，單片機接收到的信號并進行PID數據運算處理后，控制可控硅整流器調整輸出電壓從而調整功率，控制器邏輯控制圖如圖1所示，可控硅整流器采用過零觸發調功方式，對用電設備如保溫燈不產生干擾等優點[18]，本套自動控制器可承受保溫燈總運行功率為10 000 W。試驗單元配備1套溫度自動控制器控制整個單元內所有的保溫燈，為防止仔豬啃咬，將溫度感應探頭懸掛在仔豬保溫區域上方距產床0.8 m高度處。溫度自動控制器共設有5個檔位，當溫度感應探頭感應溫度低于設定溫度6.0 ℃時，保溫燈保持100%的功率輸出，感應溫度每升高1.0 ℃，保溫燈功率下降20%，控制箱上直接顯示保溫燈的功率輸出比例，便于調控監測。仔豬出生至7日齡設置溫度為30.0 ℃[4]，之后每周降低2.0 ℃至仔豬21日齡，21日齡至28日齡設置溫度不再降低，對照單元每個保溫燈保持恒定功率。

圖1 溫度控制器邏輯控制圖

1.2.2 環境數據測定

試驗開始和結束時間分別為2018年1月20日和2018年2月9日。因試驗儀器有限，試驗單元和對照單元內整舍逐時溫濕度參考同一時間、同一棟產房內、豬只頭數與豬舍建筑和環境控制方式均完全相同的其他單元溫濕度自動記錄數據。為監測比較試驗單元和對照單元整舍環境狀況，分別在試驗單元和對照單元中間走道均勻設置4個溫濕度測點，手動測定舍內溫濕度，代表舍內整舍環境狀況，舍內整舍溫濕度測點的平面分布見圖2a。為監測比較試驗單元和對照單元產床局部環境狀況，分別在試驗單元和對照單元2側設置8 個產床局部溫濕度測定區域，測定產床內溫濕度。產床內局部溫濕度測點平面分布見圖2b，由于保溫燈輻射中心及周邊及不同高度位置溫度不均等特點，在保溫燈正下方設置2個測點c1和d1、保溫燈側下方設置4個測點a1、b1、e1和f1、漏縫地板處設置2個測點g1和h1測定局部空氣溫濕度，局部空氣溫濕度的測點高度為0.3 m（哺乳仔豬站立高度）；在上述8個空氣溫濕度測點下方對應設置8 個地板溫度測點a2、b2、c2、d2、e2、f2、g2和h2；產床內局部溫濕度測點的立面見圖2c。由于仔豬傾向于在母豬尾部附近躺臥，而幾乎不在母豬頭部附近躺臥[8]，因此未在頭部漏縫地板處布置溫濕度測定點。在舍外空曠地帶設置1 個測點監測舍外溫濕度，舍外溫濕度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），溫濕度自動記錄儀懸掛在百葉箱中，連續測定舍外溫濕度，每5 min記錄1次數據。試驗單元和對照單元內整舍逐時溫濕度參考來源的溫濕度監測儀器和數據記錄時間間隔同舍外。為防止仔豬啃咬溫濕度自動記錄儀，僅使用手持溫濕度計（型號TES-625，精度±0.3 ℃，±2% RH）定時監測產床局部空氣溫濕度，每個測點每日測3次，測定時間為每日08:00、14:00和20:00。地板溫度測溫儀采用紅外測溫儀（型號HT-833，精度±2%），測定時間同產床局部空氣溫濕度。

注: 表示保溫燈，表示產床局部溫度和相對濕度測定區域，△表示整舍溫度與相對濕度測定點，表示溫度自動控制器，—·— 表示控制器與保溫燈的連接線，---- 表示地暖管，□表示自動喂料器，■表示產床內溫度與相對濕度記錄點, a～h表示水平方向上記錄點的分布，1、2表示豎直方向上記錄點的分布，表示溫度感應探頭。

1.2.3 行為測定

記錄試驗單元和對照單元每天08:00、14:00和20:00所有仔豬的行為并統計各個行為仔豬數占單元內所有仔豬數的比例，包括吮乳、活動、保溫燈正下方躺臥、保溫燈側下方躺臥、母豬旁躺臥、漏縫地板躺臥。仔豬躺臥行為的判定方式參考Vasdal等的研究[19]，其中躺臥在保溫燈輻射范圍以內的仔豬記為保溫燈正下方躺臥，在保溫燈輻射范圍以外且在實體地板上躺臥的仔豬記為保溫燈側下方躺臥，身體與母豬接觸為在母豬旁躺臥的仔豬。在保溫燈輻射邊緣區域躺臥的仔豬，若身體大半部分躺臥在輻射區域外或身體與輻射區域外的仔豬接觸，則記錄為保溫燈側下方躺臥，若身體大半部分躺臥在輻射區域內或身體與輻射區域內的仔豬接觸，則記錄為保溫燈正下方躺臥。記錄仔豬行為時，保持安靜，并在大部分仔豬處于非吮乳狀態時進統計記錄。

1.2.4 生產性能分析方法

生產性能的指標測定包括窩產仔數、窩產活仔數、每周的死亡率、哺乳期成活率、仔豬出生質量、斷奶質量、平均日增質量。窩產仔數在母豬生產后立即記錄，窩產活仔數指窩產仔數減去死胎數，每周的死亡率為1 周內所有的死亡仔豬數與上1 周總活仔數之比，哺乳期成活率為斷奶仔豬數與總產活仔數之比，仔豬斷奶質量為仔豬在轉出產房之前（28 日齡斷奶），以單元為單位稱質量。

1.2.5 能耗與經濟效益分析方法

試驗單元與對照單元各安裝1塊電表，每天記錄1次電表數值，計算每只保溫燈每天的平均耗電量，每天記錄3次控制器顯示的保溫燈功率輸出比例，記錄時間為08:00、14:00和20:00，并按周對耗電量與功率進行統計，根據每周的平均耗電量計算試驗期間能耗。試驗豬場所在地區農用電電價為0.5215元/(kW·h)，根據所節約的電量，計算試驗期間安裝溫度控制系統可節約的電費。1套控制器的市場價格為2 980.0元，按照21 日齡斷奶的批次化生產模式，計算豬場投資回收周期。

1.2.6 統計與分析方法

采用 SPSS Statistics 17.0和Excel軟件分析舍內整舍環境與產欄內局部區域環境數據、仔豬行為以及生長性能，計算試驗單元和對照單元的耗電量。

2 結果與分析

2.1 舍內外溫度、相對濕度

將試驗期間2018年1月20日—2018年2月9日舍外的溫濕度自動記錄數據與舍內參考的相同單元的溫濕度記錄數據以1 h為時間間隔進行統計，求各個時間點的溫度與相對濕度的平均值列于圖3。

由圖3a可知，冬季試驗地區舍外晝夜溫差較大，1 d之中，舍外平均溫度的最高值出現在11:00，為5.6 ℃，最低值出現在07:00，為?19.5 ℃，舍外平均相對濕度的最高值出現在07:00，為60.0%，舍外平均相對濕度的最低值出現在11:00，為12.2%，舍外溫度與相對濕度的總體平均值分別為?11.5 ℃和38.8%。由圖3b可知，1 d之中，舍內各時刻溫度平均值的最高值出現在00:00，為20.9 ℃，最低值出現在09:00～10:00、15:00～16:00和20:00這3 個時段，為20.5 ℃，各時刻平均溫度的最大差值為0.4 ℃，08:00和14:00的溫度平均值分別為20.7和20.6 ℃，出現該現象的原因與白天飼養員多次進出豬舍有關，而在20:00之后，飼養員進出產房的頻率降低，因此，產房舍內各時刻溫度表現為白天低晚上高。1 d之中，舍內平均相對濕度的最高值出現在08:00，為62.5%，舍內平均相對濕度的最低值出現在00:00，為61.8%。舍內溫度與相對濕度的總體平均值分別為20.7 ℃和62.0%。舍內溫度和相對濕度均處于國家環境標準規定的適宜溫度（18～22 ℃）與相對濕度（60%～70%）范圍[4]。

圖3 產房內外平均溫度與平均相對濕度

將2018年1月20日—2018年2月9日期間使用手持溫濕度計每日3次監測到的試驗單元和對照單元產房舍內溫濕度，分別按照每次測試時間根據測試日期統計試驗單元和對照元的差異性，結果見表1。

表1 產房舍內溫度和相對濕度

注：表中數據為平均值±標準差。不同小寫字母表示處理間數據差異顯著（<0.05），下同。

Note: Data in the table are mean ± standard deviation. Different lowercases indicate significant difference between treatments at 0.05 level, the same as below.

由表1可知，整個試驗期間各時段，試驗單元與對照單元舍內的溫度、相對濕度均差異不顯著（＞0.05），由圖3b可知，連續監測得到的產房內溫度在08:00、14:00和20:00平均值分別為20.7、20.6和20.5 ℃，與每日3次定時測定的試驗單元溫度差分別為1.3、1.6和1.8 ℃，與對照單元的溫度差分別為1.1、1.8和1.8 ℃。以08:00、14:00和20:00求取的日平均溫度試驗單元與對照單元均為22.2 ℃，該數據與以24 h求取的日平均溫度（圖3b）20.7 ℃相差1.5 ℃，試驗單元舍內溫度滿足哺乳母豬舒適區的需求（18～22 ℃），對照單元舍內平均濕度略低于舒適區范圍（60%～70%）但高于低臨界值50%的要求[4]。

2.2 產床內溫度、相對濕度

2.2.1 保溫燈正下方、側下方空氣溫度、相對濕度

將2018年1月20日—2018年2月9日期間在距離產床地面0.3 m，每日測定3次的試驗單元與對照單元保溫燈正下方與側下方的空氣溫度結果分別按照測試時間統計差異性，結果見表2。

由表2可知，仔豬出生后第1周，試驗單元與對照單元相比每日3 次測定統計的保溫燈正下方與側下方同一時刻溫度均差異不顯著（>0.05），試驗單元與對照單元保溫燈下方溫度均不能達到目標溫度30 ℃。假設以08:00、14:00和20:00的測定溫度平均值作為日平均溫度，則仔豬出生后第1周試驗單元與對照單元保溫燈正下方日平均溫度均為27.4 ℃，低于目標溫度2.6 ℃，試驗單元與對照單元保溫燈側下方日平均溫度均為27.0 ℃，低于目標溫度3.0 ℃。仔豬出生后第2周，試驗單元保溫燈在溫度自動控制器的控制下，保溫燈下方溫度下降，各時刻試驗單元保溫燈正下方溫度均極顯著低于對照單元（＜0.01），08:00、20:00試驗單元保溫燈側下方溫度極顯著低于對照單元（＜0.01）；試驗單元保溫燈正下方和側下方平均溫度分別為27.2和26.8 ℃，分別低于目標溫度0.8和1.2 ℃；對照單元保溫燈正下方和側下方平均溫度分別為27.5和27.2 ℃，分別低于目標溫度0.5和0.8 ℃。仔豬出生后第3周，各個時刻試驗單元保溫正下方溫度與側下方溫度均極顯著低于對照單元（＜0.01），試驗單元保溫燈正下方和側下方平均溫度分別為26.8 和26.3 ℃，分別高出目標溫度0.8和0.3 ℃，對照單元保溫燈正下方和側下方平均溫度分別為27.4和27.1 ℃，分別高于目標溫度1.4和0.9 ℃。

表2 保溫燈下方空氣溫度

注：不同大寫字母表示處理間數據差異極顯著（<0.01），下同。

Note: Different uppercases indicate remarkable difference between treatments at 0.01 level, the same as below.

將2018年1月20日—2018年2月9日期間距離產床0.3 m高度處、每日3次監測到的試驗單元與對照單元保溫燈正下方與側下方的相對濕度結果分別按照測試時間統計差異性，結果見表3。

由表3可知，仔豬出生后第1周，保溫燈下方相對濕度均差異不顯著（>0.05）；仔豬出生后第2周，08:00和14:00試驗單元保溫燈正、側下方相對濕度均極顯著高于對照單元（＜0.01），20:00保溫燈正、側下方相對濕度均差異不顯著（>0.05）；仔豬出生后第3周，各時刻試驗單元保溫燈下方相對濕度均極顯著高于對照單元（＜0.01），試驗單元保溫燈下方相對濕度滿足國家標準要求（低限相對濕度50%）[4]。由表1和表3可見，保溫燈下方相對濕度低于舍內相對濕度，可能是由于保溫燈下方空氣溫度高于舍內空氣溫度，空氣溫度越高相對濕度越小的緣故。同理，仔豬出生后第2周與第3周試驗單元保溫燈下相對濕度高于對照單元亦因試驗單元保溫燈下方空氣溫度低于對照單元。

2.2.2 保溫燈正下方、側下方、漏縫地板處地板溫度

為比較地板不同區域溫度差別，將2018年1月20日—2018年2月9日期間每日測定3次監測到的試驗單元與對照單元產床內地板溫度數據分別按照測試時間統計試驗單元與對照單元差異性，結果見表4。

由表4可知，試驗期間各個時刻試驗單元與對照單元保溫燈側下方實體地板溫度與漏縫地板溫度均差異不顯著（>0.05），仔豬出生后第1周保溫燈正下方實體地板溫度差異不顯著（>0.05），第2周08:00保溫燈正下方實體地板溫度差異不顯著（>0.05），第2周14:00和20:00試驗單元保溫燈正下方平均溫度極顯著低于對照單元（＜0.01），第3周08:00試驗單元保溫燈正下方平均溫度顯著低于對照單元（＜0.05），第3周14:00和20:00試驗單元保溫燈正下方平均溫度極顯著低于對照單元（＜0.01），保溫燈正下方地板溫度的平均值相差較小標準差較大，可能是因為豬在測定點上躺臥的時間會影響地板溫度的測定值，而有豬試驗中無法控制在測定前測定點上仔豬活動與躺臥的時間。每日3 次測定統計的試驗單元和對照單元保溫燈正下方實體地板溫度平均值范圍分別為29.5～31.0和31.0～30.6 ℃，后者稍高于前者，主要因為前者進行溫度調控的結果，二者均高于保溫燈下方距離地板0.3 m高處空氣溫度。雖然保溫燈下方仔豬站立時豬背高度溫度未達到目標溫度，但是地板溫度基本達到目標溫度要求。試驗期間，每日3次測定統計的試驗單元和對照單元保溫燈側下方實體地板溫度平均值范圍分別為28.9～29.5和29.0～29.5 ℃，二者均高于保溫燈下方距離地板0.3 m高處空氣溫度，地板溫度接近目標溫度要求。保溫燈正下方地板溫度高于側下方地板溫度，試驗單元與對照單元漏縫地板平均溫度均為22.9～23.0 ℃，低于保溫燈正下方、側下方空氣溫度和地板溫度，低于仔豬的溫度需求（低臨界溫度27 ℃）[4]。漏縫地板溫度不屬于仔豬局部溫度調控范圍，僅為仔豬排泄糞尿臨時使用。

2) 采集站集成。各采集站之間通過單模光纖網絡連接，在中心控制室增設系統服務器，實現了現場質量流量計集中管理與深度智能診斷監測。

表4 仔豬區域的地板溫度

2.3 仔豬行為

為尋求仔豬行為和溫度的關系，將2018年1月20日—2018年2月9日期間每日監測3次得到的試驗單元與對照單元仔豬不同區域躺臥比例按照日期求平均值，得到逐日的各區域仔豬躺臥比例，如圖4所示。

圖4 不同區域仔豬躺臥比例

由圖4可知，試驗單元與對照單元仔豬躺臥均以分布在保溫燈正下方為主。隨著仔豬日齡的增加，2單元仔豬在保溫燈正下方躺臥比例以及母豬旁躺臥比例均呈下降趨勢，而保溫燈側下方躺臥率呈上升趨勢。試驗單元與對照單元保溫燈正下方躺臥比例最大值分別為62.1%和66.5%，最小值分別為40.7%和41.7%，平均值分別為49.1%和49.4%；保溫燈側下方躺臥比例最大值分別為29.7%和33.4%，最小值分別為14.4%和15.4%，平均值分別為25.3%和24.1%；母豬旁躺臥比例最大值分別為14.0%和13.8%，最小值分別為2.9%和4.1%，平均值分別為7.3%和8.0%；漏縫地板躺臥率最大值分別為8.7%和7.3%，最小值分別為1.3%和0.9%，平均值分別為4.0%和3.4%。由表4可知，試驗期間每日3次測定統計的保溫燈正下方實體地板平均溫度范圍為29.5～31.0 ℃，側下方實體地板平均溫度范圍為28.9～29.5 ℃，漏縫地板平均溫度范圍為22.9～23.0 ℃，由圖4可知，保溫燈正下方實體地板仔豬躺臥比例為40.7%～66.5%，保溫燈側下方躺臥比例為14.4%～33.4%，漏縫地板躺臥比例為0.9%～8.7%。可見，21 日齡斷奶之前的仔豬對地板溫度的喜好從高到低順序分別為29.5～31.0、28.9～29.5和22.9～23.0 ℃，即在本試驗3 種區域溫度中，主要喜好在地板溫度29.5～31.0 ℃的區域躺臥，本文不足之處在于高于31.0 ℃的地板溫度本試驗未涉及。

2.4 生產性能分析

試驗單元與對照單元母豬與仔豬的生產性能如表5所示，其中仔豬斷奶質量為仔豬28日齡斷奶的質量。

表5 生產性能

由表5可知，2 個單元的平均窩產仔數、平均窩產活仔數、仔豬初生質量均差異不顯著（>0.05），主要由于母豬前述生產性能主要受妊娠階段的環境、營養、疫病及豬本身的影響，仔豬溫度調控對母豬生產性能不產生影響。因實際生產中存在頻繁的調窩現象，故無法對試驗單元和對照單元仔豬每頭、每窩斷奶質量及日增質量進行差異性統計分析，但試驗單元仔豬哺乳期成活率95.8%不低于對照單元成活率93.8%，試驗單元仔豬日增質量0.198 kg/(頭·d)不低于對照單元仔豬日增質量0.193 kg/(頭·d)。因此，保溫燈溫度自動控制調控溫度未對仔豬生產性能產生不利影響，反而具有有利影響。

2.5 節能指標分析

2018-01-20—2018-02-09期間每天記錄1次電表數值，每天記錄3次控制器顯示的保溫燈功率輸出比例，按每個燈每日的耗電量以及每周的功率輸出比例進行統計，結果如表6所示。

表6 保溫燈能耗

由表6可知，仔豬出生后第1周，每個保溫燈每日平均耗電量以及保溫燈平均功率試驗單元與對照單元均差異不顯著（>0.05），仔豬出生后第2周與第3周，試驗單元每個燈每日平均耗電量均極顯著低于對照單元（<0.01），保溫燈平均功率也均極顯著低于對照單元（<0.01）。仔豬出生后第2周，試驗單元平均每個保溫燈每日可節電1.8 kW·h。仔豬出生后第3周，試驗單元平均每個保溫燈每日可節電2.7 kW·h。整個試驗期間，仔豬哺乳21 d，試驗單元每個保溫燈每日平均耗電量為4.4 kW·h，對照單元平均耗電量為5.9 kW·h，應用本套控制系統，21日齡斷奶可減少25.4%的能耗。試驗地區農業用電電價為0.5215 元/(kW·h)，假設每7 d母豬產仔1批，仔豬21 日齡斷奶，母豬提前7 d進產房，7 d空舍消毒期，該地區冬季150 d，則1個冬季共生產仔豬4 批，假設每批母豬為23頭（保溫燈24個），則冬季通過仔豬保溫燈溫度自動控制每批仔豬可節約電費約24×(5.9?4.4)×21×0.521 5=394.3元，設備2 980元/臺，則7.6批即2個冬季可回收設備成本。

3 討 論

3.1 仔豬生長小環境調控

試驗單元與對照單元產房平均溫度20.7 ℃，試驗單元與對照單元保溫燈正下方溫度與產房平均溫度的溫差分別大于4.7 與5.1 ℃，根據高婭俊等[20]的研究，維持一定的溫差有助于提高保溫區域的利用率。仔豬出生后第1周，試驗單元與對照單元250 W保溫燈均保持滿功率運行，保溫燈正下方空氣溫度最高可達27.6 ℃，這與Vasdal 等[19]試驗的結果：在平均溫度為20 ℃左右的舍內，250 W保溫燈可提供的溫度范圍為26.0～28.0 ℃相符。中國國家標準規定，出生后1周齡的仔豬生活區域的低臨界溫度為27.0 ℃，舒適區范圍為28.0～32.0 ℃[4]，試驗單元與對照單元保溫燈正下方空氣溫度滿足低臨界溫度需求。仔豬出生后第2周與第3周，試驗單元保溫燈下方溫濕度在自動控制器的控制下發生變化，試驗單元與對照單元保溫燈正下方溫度差小于0.8 ℃，側下方溫度差小于1.0 ℃，在Vasdal 等[19]的研究中發現，當區域間溫差大于8.0 ℃時仔豬選擇躺臥的比例有顯著性差異，本試驗中，同一區域試驗單元與對照單元仔豬的躺臥比例并未表現出顯著性差異，主要由于試驗單元與對照單元相比，同一區域的溫度差較小。在仔豬出生后第1周內，試驗單元與對照單元保溫燈下方空氣溫度均不能滿足仔豬舒適范圍的需要，這與仔豬保溫燈區域無保溫箱有關，根據Houszka等[21]的報道，在平均溫度21.0 ℃的舍內，利用地暖管單獨加熱，僅當提供3面有墻，配備頂蓋并在開口方向加裝PVC（polyvinyl chloride）幕簾的保溫箱，才能提供29.0 ℃的微環境空氣溫度，但這種保溫箱的成本較高且對產房清潔與飼養管理增加了負擔。雖然保溫燈下方空氣溫度偏低，但是試驗單元與對照單元在地暖和保溫燈綜合供暖調控溫度情況下，保溫燈正下方和側下方實體供暖地板溫度均控制在30.0 ℃和29.5 ℃左右，基本滿足仔豬溫度需求。

3.2 仔豬行為

隨著仔豬日齡的增加，試驗單元與對照單元保溫燈正下方仔豬躺臥比例呈下降趨勢，而保溫燈側下方躺臥比例呈上升趨勢，主要因為仔豬隨著日齡增加有從溫度高的區域轉移到溫度低的區域休息甚至躺臥在保溫燈供暖區域以外的行為表現有關[22]。另一方面根據Fels等[23]的報道，仔豬對于供暖區域面積的需要量與仔豬體質量呈線性相關，因此隨著面積的需要量增高，在觀察時會有更多的仔豬被統計為在保溫燈側下方躺臥。試驗單元與對照單元保溫燈正側下方躺臥率差值最大的日期以及保溫燈正下方躺臥率最高的日期均出現在仔豬出生后2 d，在Larsen等[24]的研究中，同樣表現為在仔豬出生后72 h內，供暖區域內的躺臥率更高，而出生后第1周的仔豬在保溫燈正下方較高的躺臥率，一方面是因為仔豬在躺臥時受群體社會環境的影響很高，根據Vasdal等[25]的報道，仔豬在躺臥時總是傾向于互相緊挨著躺臥，出生后7 d內的仔豬即使在最溫暖的區域，也會互相挨在一起，另一方面也說明了初生仔豬對于環境溫度的要求高，需要加強仔豬出生后第1周內的飼養管理。仔豬出生后立即放入有干燥粉的保溫箱中，15 min后將仔豬放置到母豬旁的休息區域并幫助仔豬獲得初乳，這樣可顯著降低仔豬的死亡率[26]。

試驗單元與對照單元漏縫地板處溫度較低，試驗單元和對照單元漏縫地板上仔豬平均躺臥率仍分別占4.0%和3.4%，根據Hrupka等[27]的報道，這與仔豬寧愿躺臥在寒冷區域的仔豬身旁入睡，也不愿意單獨躺臥在溫暖區域有關。試驗單元與對照單元仔豬在母豬旁的躺臥率均呈現先高后低的趨勢，這是因為當仔豬日齡較小時，有很高的傾向擠在母豬身旁[28]，而直到第21 天仍舊有仔豬躺臥在母豬身旁則因為保溫燈輻射區域較窄，當躺臥的仔豬數量較多時，部分仔豬便會被迫躺臥在母豬身旁。根據Marchant等[29]的研究，仔豬未能及時吃到初乳以及母豬對仔豬的沖撞和踐踏導致仔豬死亡率占到初生仔豬死亡率的50.0%～80.0%，而仔豬躺臥在母豬身旁，有較大的可能性被母豬壓死。此外，根據觀察記錄，仔豬更加傾向于躺臥在母豬乳房一側，這導致了1個產床內，通常只有一側供暖區域被利用，利用率較低，因此，建議改進仔豬休息區域實體地板的面積設計，防止母豬壓仔的同時，提高保溫燈的利用率。

3.3 生產性能與批次化生產

試驗單元與對照單元的哺乳仔豬成活率均高于92.0%，滿足國家標準要求[30]，對照單元的哺乳仔豬成活率更低，而平均窩產仔數更高，根據Beaulieu等[31]的報道，窩產仔數的增加是導致哺乳期仔豬死亡的主要原因之一。試驗單元與對照單元的死胎率均較高，死胎數占仔豬總死亡數的50%以上，根據Rootwelt等[32]的報道，子宮內部的擁擠程度以及胎盤早期的發育是影響妊娠后期仔豬死亡的主要原因。綜上所述，對照單元較高的哺乳期死亡率可能主要與窩產仔數以及母豬的體況胎次有關，若要提高哺乳仔豬的成活率，應當加強妊娠母豬的管理，控制母豬的使用年限，做好母豬胎次以及窩產仔數的詳細記錄，盡量做到同1胎次同1批次。

本試驗中的自動控制系統10 000 W最多可同時控制40個250 W輻射型保溫燈。對于同一產房內母豬產仔日期超過1周的產房單元，應用本控制方案將會引起仔豬局部區域內溫度超過2 ℃的溫差，不能對每窩仔豬的生長小環境進行精確調控。然而根據Vermeulen等[33]的研究，當大型豬場按照每批次4周或5周組織生產時，基本可以使生產節律按照計劃執行，這意味著同批次的母豬產程會十分緊湊，并且4或5周的批次化生產方式利于擴大每一批次的規模，減少豬場產房的數量[34]，意味著節約成本和勞動力。若按照本套控制方案的最大保溫燈控制量進行組織生產，每批次上床母豬40頭，共計40個保溫燈，則每批次可節約電費657.2元，4.5個批次（北方地區1個冬季）可回收成本。因此，該類型保溫燈自動控制系統適用于母豬頭數足夠多、產子日期接近（最好控制在3 d之內）的產房單元內。

4 結 論

1）試驗期間，冬季產房舍內平均溫度為20.7 ℃，試驗單元與對照單元保溫燈正下方距離地面0.3 m高處日平均溫度在仔豬出生后第1周均為27.4 ℃，出生后第2周分別為27.2和27.5 ℃，出生后第3周分別為26.8和27.4 ℃。試驗期間，試驗單元和對照單元保溫燈正下方實體地板溫度平均值的范圍分別為29.5～31.0和31.0～30.6 ℃，試驗單元與對照單元漏縫地板平均溫度范圍均為22.9～23.0 ℃。

2）仔豬8至14日齡間，平均每個保溫燈每日可節電1.8 kW·h，14至21 日齡間，平均每個保溫燈每日可節電2.7 kW·h，21 日斷奶每批次生產可節能25.4%。試驗條件下，保溫燈自動溫度控制2個冬季可回收設備成本。

3）在溫度自動控制系統的調控結合熱水地面供暖情況下，保溫燈正下方實體地板仔豬躺臥比例為40.7%～66.5%，保溫燈側下方躺臥比例為14.4%～33.4%，漏縫地板躺臥比例為0.9%～8.7%。21日齡斷奶之前的仔豬對地板溫度的喜好從高到低順序分別為29.5～31.0、28.9～29.5和22.9～23.0 ℃。溫度自動控制有利于減少仔豬死亡率并提高日增質量。

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Environmental control and energy saving effect of heat lamp with variable power heating for piglets

Wang Meizhi, Ren Fangjie, Zang Jianjun, Chen Zepeng, Hao Wei, Zhang Xiaxia, Liu Jijun※

(C,,100193,)

Temperature in the creep area for piglets will decrease from birth to weaning. To reduce the consumption of electricity and meet the temperature requirement of piglets from birth to weaning, an experiment of variable power heating system of heat lamp compared with constant power heating system of heat lamp was conducted in a scaled pig farm in Northern China. Two units of farrowing room (one unit with 23 farrowing sows and 25 heat lamps of 250 W) in the pig farm were chosen for this study, except for heat lamps, hot water floor heating was provided for piglets. An automatic control system which was composed of ATS (air temperature sensor) and SCM (single chip microcomputer with PID (proportional, integral and derivative) control) and SCR (silicon controlled rectifiers) was used in the test unit and constant power heating system was used in the control unit. The temperature automatic control system can bear 10 000 W. In the test unit, temperature of 30.0 ℃ was set from piglets birth to the age of 7 days, and then reduce temperature by 2.0 ℃ every week till 21 days after birth. In the control unit, heat lamp was with constant power to heat piglets creep areas. Electricity consumption used in the test unit and control unit was recorded by two ammeters, respectively. Behaviors and temperatures in creep area of piglets were recorded and analyzed. Piglets performance was also recorded and analyzed. It was shown that during the first week after birth, both of the heat lamps in the test unit and in the control unit maintain full power operation, the average temperature right below the heat lamp (0.3 m high from the floor) was 27.4 ℃; during the second week, the average temperature right below the heat lamp for the test unit and the control unit were 27.2 and 27.5 ℃, respectively; during the third week, the average temperature right below the heat lamp for the test unit and control unit were 26.8 and 27.4 ℃, respectively. Floor temperature right below the test unit and control unit were 29.5-31.0 and 31.0-30.6 ℃, respectively. In brief, from birth to 21 days, floor temperature right below the heat lamp, side below the lamp and the slatted floor were 29.5-31.0, 28.9-29.5 and 22.9-23.0 ℃, respectively. Lying rates in different areas of right below the heat lamp, side below the lamp and the slatted floor were 40.7%-66.5%, 14.4%-33.4% and 0.9%-8.7%, respectively. Rates of survival of piglets (28 days weaning) in the test unit and control unit were 95.8% and 93.8%, respectively. Average daily gain of piglets (28 days weaning) in the test unit and control unit were 0.198 and 0.193 kg/(head·d), respectively. Using this kind of variable power heating system, the farrowing room can save 1.8 kW·h per lamp per day from 8 days to 14 days after piglets birth, and 2.7 kW·h per lamp per day from 15 days to 21 days after piglets birth. The energy consumption can be saved by 25.4% each batch of production based on 21 days weaning. On condition of electricity price of 0.5215 yuan/(kW·h), 25 heat lamps with 250 W in one farrowing unit and investment of one set of equipment of temperature automatic control with 2 980 yuan, payback period will be 2 a. The temperature automatic control system of heat lamp can not only save energy but also can improve piglets performance.

automatic control; temperature; behavior; variable-power heating; heat lamp; energy-efficient; farrowing room; piglets

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.023

S818.5; S815.9

A

1002-6819(2019)-15-0182-10

2019-04-27

2019-06-27

國家重點研發—特色地方豬高效安全養殖技術應用與示范（2018YFD0501200）；生豬產業技術體系北京市創新團隊項目（BAIC02-2019）。

王美芝，副教授，主要從事畜牧工程與畜牧環境研究。Email：meizhiwang@cau.edu.cn

劉繼軍，教授，主要從事畜牧工程與畜牧環境研究。Email：liujijun@cau.edu.cn

王美芝，任方杰，臧建軍，陳澤鵬，郝薇，張霞霞，劉繼軍. 保溫燈變功率供暖對哺乳仔豬環境調控及節能效果[J]. 農業工程學報，2019，35(15)：182－191. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.023 http://www.tcsae.org

Wang Meizhi, Ren Fangjie, Zang Jianjun, Chen Zepeng, Hao Wei, Zhang Xiaxia, Liu Jijun. Environmental control and energy saving effect of heat lamp with variable power heating for piglets[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(15): 182－191. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.023 http://www.tcsae.org