LPCV牛舍濕簾風機自動溫度控制系統設計

呂慧潔 李景琦 丁蕊 曹明

摘? 要：通過對沈陽地區某LPCV牛舍（低屋面橫向通風牛舍）增設濕簾風機降溫系統，并針對其通風系統的夏季運行方案增設自動溫度控制系統，達到對牛舍室外溫度、噴淋水水溫、舍內溫度、過簾溫度及相關設定值等參數進行實時監測的功能，根據通風系統運行方案進行自動溫度控制調節，實時顯示設備運行狀態和故障報警，以便于牛舍通風系統的管理，及時了解舍內現狀并發現問題，同時該自動溫度控制系統可廣泛應用于其他同類型濕簾風機降溫系統的控制設計。

關鍵詞：低屋面橫向通風牛舍;濕簾風機系統;自動控制

中圖分類號：O35

低屋面橫向通風牛舍（Low profile cross ventilated，LPCV）廣泛應用于國內外大型奶牛場[1]，其通風系統大多采用濕簾風機降溫系統，該系統在室外相對濕度較低時可有效的降低舍內溫度、減緩奶牛的熱應激以達到高產的目的[2]，目前國內外濕簾風機系統主要采用人工控制的方法，由于人工控制存在效率較低、耗時耗力、響應延時等問題，因此本文以沈陽地區夏季濕簾風機降溫系統運行方案為研究對象，對該濕簾風機系統設計自動監測和溫度控制系統，達到自動溫度調節控制的功能。

1 沈陽地區某LPCV牛舍夏季通風系統運行方案概述

根據國內部分學者對沈陽地區LPCV牛舍通風系統在夏季設計工況、極端最熱工況和部分工況的研究結果[3-5]，得到沈陽地區LPCV牛舍濕簾風機降溫系統在夏季全部工況條件下的運行方案，其中濕簾噴淋水溫的控制策略為：當室外溫度tw小于等于23℃時，風機系統全開，濕簾的噴淋水系統應處于關閉狀態;當tw大于23℃而不大于31.4℃時，風機系統全開，濕簾噴淋水系統開啟，噴淋水系統的水溫應為20℃可滿足舍內奶牛的舒適性要求;當tw大于31.4℃而不大于34℃時，風機系統全開，濕簾噴淋水水溫設定為18℃（18℃的噴淋水應由市政常溫水和低溫井水混合而得）;當tw超過34℃且不超過36.1℃時，風機系統全開，濕簾噴淋水水溫設定為16℃即可。夏季濕簾噴淋水的全部運行參數如表1.1所示。

2 濕簾降溫系統設計

濕簾風機降溫系統主要由濕簾、大風量風機、循環式噴淋水系統和自動溫控系統等組成。濕簾是由設計成特殊角度的纖維紙粘結而成，相鄰兩層濕簾紙波紋傾斜方向相反，形成一系列相互交錯的通道。噴淋水自上而下流過濕簾紙，在濕簾紙上形成水膜，而波紋狀的濕簾紙則為空氣和水提供了足夠大的接觸面積。濕簾降溫系統通過水與空氣的熱濕交換，借助高溫下水分蒸發將空氣中的顯熱吸收，轉變為水蒸氣中的潛熱來達到降溫的目的，可使室內空氣溫度降低7℃～15℃[6]。

基于夏季濕簾降溫系統的運行方案，對濕簾降溫系統進行了改進，增設了自動控制系統，增加了深井輸水系統，目的是在室外溫度大于31.4℃時，向蓄水池輸送低溫井水，降低濕簾循環水的水溫，以保證濕簾風機系統的降溫效果。改進后的濕簾系統水循環示意圖如圖2.1所示。

3 自動溫度控制系統設計方案

為了實時、準確地監測和溫度控制，需要實時監測和利用LPCV牛舍內外的溫度等參數，進而確定濕簾風機系統的運行參數，根據通風系統的運行方案自動控制風機系統的啟閉和濕簾循環水系統的水泵啟閉。具體的設計方案如下：

（1）在LPCV牛舍舍內距地高1.2m處（溫度最不利點）設置溫度傳感器TT1，作用時實時監測舍內溫度滿足奶牛的舒適性要求，否則將指示濕簾噴淋水系統采取開啟相應水泵控制循環水水溫;

（2）在舍內濕簾位置附近安裝溫度傳感器TT2，實時監測空氣過簾溫度，為監測濕簾降溫效率提供數據;

（3）在舍外進風側距濕簾5～10m、距地面1m位置高度安裝溫度傳感器TT3，為濕簾風機溫控系統實時提供室外溫度數據，作為啟動不同運行調節方案的依據;

（4）在蓄水池底端安裝溫度傳感器TT4，根據TT3和TT4的數值控制深井輸水的啟停，通過深井水和噴淋循環水的混合確保濕簾噴淋水水溫達到運行方案設定值;

（5）在蓄水池內設置液位傳感器LT1（溢流限位）、LT2（液位上限）、LT3（液位下限）控制補水泵啟閉;在蓄水池外設置深井輸水系統，為蓄水池提供低溫井水;

（6）深井外距離地面1m高度處設置高位水箱，深井泵向高位水箱輸送井水，通過水箱為蓄水池提供低溫井水;水箱內設置液位傳感器LT4（溢流限位）、LT5（液位上限）、LT6（液位下限）控制深井泵啟閉。

自動溫度控制系統的總體框架包括信息采集、網絡傳輸、智能分析和遠程控制四個部分，框架圖如圖3.1所示，自動溫度控制原理如圖3.2所示。

根本沈陽地區某LPCV牛舍的夏季通風系統運行方案，確定其濕簾風機自動溫度控制系統功能的主要控制內容包括：

（1）利用防水溫度傳感器實時對LPCV牛舍舍內的最不利位置的溫度、過簾溫度、室外環境溫度和蓄水池的水溫，為控制中心提供基礎數據以控制啟動對應的濕簾風機通風系統運行方案;

（2）當溫度傳感器TT3監測到的室外溫度超過23℃且不超過31.4℃時，潛水泵和電動閥開啟，濕簾噴淋水系統運行，室外空氣通過濕簾蒸發降溫，達到降溫目的;通過水流開關FS3監測水流狀態，流量過小或斷流則自動報警，并控制補水泵進行工作;

（3）當溫度傳感器TT3監測到室外溫度大于31.4℃且不超過34℃時，控制中心將循環噴淋水溫設定為18℃，通過溫度傳感器TT4監測噴淋水溫，當噴淋水溫度高于18℃時，電動閥開啟，通過高位水箱向蓄水池輸送低溫井水直至蓄水池水溫達到18℃并保持，濕簾降溫系統的工作處于動態平衡中;通過水流開關FS2監測水流狀態，流量過小或斷流則自動報警并自動停止水箱向蓄水池輸水;

（4）當溫度傳感器TT3監測到的室外溫度超過34℃并小于等于36.1℃時，控制中心將循環噴淋水溫設定為16℃，通過溫度傳感器TT4監測噴淋水溫，當溫度高于16℃時，電動閥開啟，通過高位水箱向蓄水池輸送低溫井水直至蓄水池水溫達到16℃并保持，濕簾降溫系統的工作仍處于動態平衡中;通過水流開關FS2監測水流狀態，流量過小或斷流則自動報警并自動停止水箱向蓄水池輸水;

（5）風機系統在沈陽地區的LPCV牛舍通風系統運行方案中，整個夏季全數全天都應保持運行狀態，如涉及到其他地區運行方案，可對控制系統進行適當調整;

（6）液位傳感器LT3檢測到蓄水池水位達到下限時，補水泵開啟向蓄水池補水，補水來自LPCV牛舍的生活給水系統;水流開關FS1開啟確認補水泵及電動閥是否正常工作;

（7）液位傳感器LT2檢測到蓄水池水位達到上限時，補水泵關閉，水流開關FS1關閉，電動閥關閉;

（8）液位傳感器LT1檢測到蓄水池水位達到溢流高度時，向控制中心發出報警信號，需人工檢查排除故障，此時水通過溢流管排至排水系統中;

（9）液位傳感器LT6檢測到高位水箱水位達到下限時，深井泵開啟向水箱補水，補水來自低溫井水;水流開關FS4開啟確認深井泵及電動閥是否正常工作;

（10）液位傳感器LT5檢測到高位水箱水位達到上限時，深井泵關閉，水流開關FS4關閉，電動閥關閉;

（11）液位傳感器LT4檢測到高位水箱水位達到溢流高度時，向控制中心發出報警信號，需人工檢查排除故障，此時水通過溢流管排至排水系統。

4 自動溫控系統優勢分析與應用

（1）系統在自動控制濕簾風機系統工作的同時可實現實時顯示和記錄當前室外溫度、噴淋水水溫、舍內溫度、過簾溫度及相關設定值，設備運行狀態顯示及故障報警，方便管理和及時發現問題、了解舍內現狀。

（2）自動溫度控制系統的能耗低、壽命長、靈敏度高、響應速度快、工作穩定高效、環控能力強，能夠將舍內環境溫度始終保持在奶牛熱舒適度范圍內。

（3）濕簾風機自動溫控系統除可以應用于LPCV牛舍，國內外很多雞舍、豬舍的大型養殖廠均可采用濕簾風機系統進行降溫，減少牲畜的熱應激，提高舒適性，還可以廣泛應用于南方的紡織工廠、織造車間的濕簾風機系統內，降低能耗、提高車間空氣質量和舒適度。

參考文獻：

[1] 鄧書輝，施正香，李保明，趙淑梅，丁濤，鄭萬萍.低屋面橫向通風牛舍空氣流場CFD模擬[J].農業工程學報，2014，30（06）：139-146.

[2] 顏志輝，施正香，王朝元，許立新.大跨度橫向機械通風奶牛舍環境狀況的分析與思考[J].中國畜牧雜志，2012，48（16）：43-46.

[3] 呂慧潔. 沈陽地區LPCV牛舍通風系統的夏季運行策略研究[D].沈陽工業大學，2018.

[4] 吳亞平. 沈陽地區低屋面橫向通風牛舍空氣CFD數值模擬[D].沈陽工業大學，2016.

[5] 張瓊. 低屋面橫向通風牛舍地域適應性研究[D].沈陽工業大學，2017.

[6] 傅春泉， 徐蘇凌， 張建中. 濕簾冷風機降溫在南方奶牛舍中的應用[J]. 中國奶牛， 2011， 07期：54-56.