發酵床網上養殖肉鴨舍春季環境參數監測及通風策略模擬優化

倪德綱 孟力力 沈建洲 劉建龍 霍連飛 柏宗春 夏禮如

摘要：中國作為世界上肉鴨出產最多的國家，近年一直在提倡對肉鴨進行集約化和規?；B殖。而最近興起的一種新型的發酵床網上養殖模式，通過地面鋪設生物墊料用來發酵分解糞便，能有效避免水禽與糞污的接觸，減少病原微生物的感染與傳播機會，提高鴨舍內的空氣環境質量。對發酵床網上養殖肉鴨舍內的溫濕度進行測試，使用三維建模軟件建立了鴨舍的等比例模型，使用fluent軟件對鴨舍內的氣流場進行環境模擬，為使鴨舍內環境達到適宜肉鴨成長的范圍，使鴨舍內的氣流組織更加均勻，引入了不均勻系數，且以不均勻系數<0.2為目標，針對鴨舍內氣流組織形式不均勻的問題，采用優化通風策略的方法來解決。實地測試數據為，測試期間（2022年3月18日00：00至2022年3月25日00：00），鴨舍內氣溫9.34～23.77℃，舍內外平均溫差6.75℃；舍內平均相對濕度80.66%，低于舍外；對鴨舍的實際情況進行仿真計算后發現，與實地測試數據相比，平均相對誤差僅為3.58%～4.07%，說明該研究所建模型的數值模擬與試驗數據具有很好的一致性。但模擬結果顯示，原有的通風策略并不能滿足鴨舍內氣流組織均勻性的要求，鴨舍后半部分的空氣流動幾乎凝滯。通過增加鴨舍后部的通風面積30%，同時通風小窗面積以重疊60%對稱布置的策略來使外界氣流更充分地同鴨舍內的空氣進行交換，優化后S1、S2、S3平面的溫度范圍分別為12.87～28.03℃、10.13～27.16℃、12.98～24.41℃；優化通風策略后，鴨舍內S1、S2、S3平面的平均風速分別為0.62、0.66、0.56m/s，對比原來的通風策略其氣流場和溫度場更加均勻。本研究結果可為今后類似鴨舍的通風方式及結構的優化設計提供理論支持。

關鍵詞：溫度；流場；發酵床；模擬仿真；鴨舍

中圖分類號：S834.4+6文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）10-0168-08

我國是世界上肉鴨養殖和出欄量最多的國家，同時我國的肉鴨出口量也常年位居世界第一［1］。在這樣的背景下，提高肉鴨的養殖質量，保證肉鴨生長過程的健康就顯得尤為重要。近年來，我國的肉鴨養殖模式不斷朝著規模化、集約化、數字化發展，根據“十四五”要求，嚴格保護農業生產空間和鄉村生態空間，科學劃定養殖業適養、限養、禁養區域。我國目前肉鴨養殖模式主要有傳統散養、地面平養式、層疊籠式和發酵床式4種，其中發酵床進行網上養殖可利用微生物發酵分解肉鴨糞便中的有機質，不僅能降低糞便病原體和寄生蟲卵的數量，還能有效抑制氨氣等臭氣，降低糞便聚積產生的高溫，大大提高了肉鴨的生活和生長環境的質量，減少了肉鴨應激反應出現的概率［2］。而且由于使用高臺網床進行網上養殖，故而可在不打擾鴨子正常作息的情況下使用自動翻耙機來處理板結、失效的墊料，降低了勞動強度和運營成本。由于這些優點，發酵床養殖在全國各地越來越受青睞。

在肉鴨生長過程中，過于明亮的光照、超出一定范圍的溫度、惡劣的空氣質量均會引起肉鴨的應激反應，降低鴨的免疫力，使鴨患上嚴重疾病，甚至死亡。邵坤等研究表明，肉鴨生長的最佳環境相對濕度應在55%～65%之間，肉鴨在1～3日齡時適宜溫度為31～33℃，4～6日齡時適宜溫度為29～31℃，從第1周后，每周下降2～3℃，成熟的鴨苗最佳的環境溫度為18～23℃［3］。王陽等研究表明，蛋雞舍內CO2濃度應維持在5000mL/m3以上［4］；Liang等研究表明，育成期禽舍內NH3濃度應不高于10～15mg/m3［5］。而吳勝等研究表明，良好的通風與均勻的氣流組織能有效降低室內污染物濃度，維持室內適宜的溫濕度［6］。因此，合理的通風策略和鴨舍結構規劃是肉鴨良好品質的重要保障。

計算流體力學（ComputationalFluidDynamics，CFD），是通過軟件建立模型并求解的方式對實際情況進行模擬，這種方法無需花費大量的金錢、勞動成本和時間就能獲得流場數據，因而在進行禽類養殖舍環境研究時被廣泛應用。李建國等采用CFD對層疊式籠養肉鴨舍進行模擬，且驗證了模擬結果與實際相符，并通過改變通風小窗的位置使室內氣流更均勻［7］。程瓊儀等通過CFD方法模擬了縱向通風層疊雞舍進風口內側加設和不加設導流板2種情況，模擬結果驗證表明當進風口設置導流板時，在進風口附近的籠內氣流組織更加均勻［8］。LonghuanDu等采用CFD對雞舍進風口位置進行了優化，發現室內空氣運動的均勻性可防止過多的局部對流熱損失，降低房屋末端溫度［9］。Duan等使用CFD方法建立兔舍有限元模型，設置邊界條件，模擬兔舍內氣流分布［10］。對禽舍現有通風措施的合理性及其自身利弊進行分析，為低氣溫條件下個體或村社的一般規模家兔養殖舍內通風提供了理論依據。Yeo等采用CFD模擬了不同進出風口條件下的豬舍環境，發現在豬舍進風口處增加一個氣流緩沖空間，能在保溫的同時很好地維持空氣溫度分布的均勻性［11］。Tomasell等利用CFD模擬了夏季工況下牛棚的氣流組織，驗證了模型的可靠性［12］。

本研究以江蘇省南京市溧水區某養殖場的一座發酵床網上養殖肉鴨舍為研究對象，基于現場實測和CFD模擬的方法對采用風機加通風小窗通風模式的鴨舍進行氣流和溫濕度分析，試圖找出這種結構的鴨舍在初春最佳的通風模式，使室內氣流組織更加均勻，空氣質量達適宜肉鴨健康生長的水平，為相近地區的發酵床網上養殖模式的鴨舍改善舍內環境提供一些參考的理論依據。

1材料與方法

1.1試驗鴨舍

本研究的試驗鴨舍位于江蘇省南京市溧水區某肉鴨養殖場（31°67′N，119°02′E）。鴨舍示意圖見圖1。由圖1可知，長78.00m，寬16.00m，頂高4.56m。屋面鋪設彩鋼屋面瓦，瓦下鋪設50mm厚的巖棉保溫板，板上做了錫箔防潮貼面并用1mm套塑鋼絲網固定。墻體砌筑材料為50mm厚彩鋼巖棉夾心墻板。鴨舍南北兩側各開有若干通風小窗（0.4m×0.6m），3個1組均勻分布在墻體上部，通過鴨舍北側前后各一的卷簾門（2.5m×2.0m）進入鴨舍內部。鴨舍的東墻均勻布置4個風機，風機葉輪直徑為1.4m，理論通風量為46000m3/h。西墻上安裝3行4列12個濕簾（0.715m×2.190m）。鴨舍采用機械通風方式，由風機和濕簾共同進風，南北兩側通風小窗排風。鴨舍內設有長70m寬約15m的塑料網床，網床離地1.7m，由72m長的工字梁支撐。發酵床上鋪有尼龍網限定鴨的生活區域，并設有送料管和飼喂裝置。地面鋪設生物墊料，由翻耙機定期進行翻耙操作。

1.2試驗方法

本試驗于同一鴨舍飼養的同一批次肉鴨育肥后期（30～36日齡）進行，具體時間為2022年3月18日00：00至2022年3月25日00：00，測試期為初春季節，鴨舍內西側墻上的濕簾未開啟，東側墻有2個風機運行，通風小窗均處于打開狀態，卷簾門處于關閉狀態。將肉鴨舍平分為3個平面S1、S2和S3。其中，S1為網床上料線管位置（距離網床2m），S2為網床平面，S3為肉鴨活動面（距離網床0.4m）；同時在每一平面的相同位置設置溫度測試點，肉鴨鴨舍中間位置東西方向上均勻分布5個溫濕度測點，在鴨舍中間位置的南北方向上均勻分布3個測點，共計7個溫濕度測點，測點布置，由圖1-a可知。同時，在鴨舍南北均勻分布3條線，東西方向均勻分布5條線，在2條線的所有交叉點作為風速的檢測點。選擇了OnsetComputer公司的HOBOUX100-011溫濕度傳感器進行溫度和相對濕度的測量，溫度測量范圍為-20～70℃，精度為±0.2℃，在25℃，相對濕度測量范圍在15%～95%，精度為±（2.5%～3.5%），分辨率0.05%～0.07%。設置傳感器每15min自動記錄1次數據。風速測量采用瑞典SWEMA公司的手持式SwemaAir5熱線風速儀，測量范圍0.1～12.0m/s，測量精度為±（0.04m/s±3%讀數值），分辨率0.1m/s。

1.3數據處理

采用MicrosoftExcel整理試驗數據，采用IBMSPSS進行數據差異顯著性分析，采用Origin進行圖表繪制。

2結果與分析

2.1養鴨舍內外溫濕度分析

供試鴨舍為不透光全封閉式飼養，室內采光依靠人工光源，幾乎無法受到太陽直射，故本試驗忽略太陽輻射照度對鴨舍內部的影響。

由圖2可知連續7d舍內外空氣溫度和相對濕度的日變化。因舍內溫濕度采集點有21處，測試數據較多，故采用平均數作圖。由圖2-a可知，連續7d舍外最低氣溫4.56℃，最高氣溫20.98℃，平均氣溫8.86℃；舍內最低氣溫9.34℃，最高氣溫23.77℃，平均氣溫15.61℃；舍內外平均溫差6.75℃，最大溫差達11.73℃，表明此鴨舍有較強隔絕內外熱交換的能力。由于測試期處于初春時節，且鴨苗處于育成期，天氣回暖鴨舍內溫度已達到前言所述的適宜溫度（18～23℃）。

由圖2-b可知，連續7d舍外空氣相對濕度52.38%～99.10%，平均相對濕度86.80%；舍內空氣相對濕度53.65%～93.45%，平均相對濕度80.66%。鴨舍內外的相對空氣濕度曲線并無太大差異，鴨舍內部相對濕度波動相較于舍外更加穩定，因此更有利于肉鴨的生長，因為減少了它們應激的可能性。

孫培新的研究表明，在20℃的舍溫下60%的相對濕度比80%更適宜肉鴨生長［13］。在本次試驗中，鴨舍內相對濕度在3月19日和3月25日全天均相對較高，維持在80%以上，Shen等研究表明，80%以上的高濕環境容易導致禽類應激［14］，而在本試驗中舍內幾乎所有的高濕環境均由于外部相對濕度較大引起。

2.2養鴨舍內不同平面空間的溫度分析

現以布置在同一平面的傳感器為分組標準將鴨舍內部分為S1、S2、S33個平面。將3個平面的傳感器數據取平均值并作圖，由圖3可知，連續7dS1、S2、S3平面的平均溫度分別為15.70、15.13、15.78℃，平均最大溫度24.63℃。

此外，S1和S3的溫度在7d內的差異皆不顯著，而在3、6、7d的13：00～17：00，S2平面的溫度皆顯著低于S1、S3平面（P<0.05）。

3CFD模擬

3.1控制方程

CFD的工作流程是在建立了數學模型，確定離散化方法后再對劃分好的物理模型網格進行流場計算［15］。流場中的氣流遵循守恒定律，主要包括質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律，如果有多種類型的流體相互作用，系統還要遵守組分守恒定律。本研究模型只將空氣列為研究對象，故忽略

其中，x、y、z是空間坐標系中3個坐標軸；υ、ν、ω是速度矢量在x、y、z3個方向上的分量，m/s；p為流體微元的壓力，Pa；ν為空氣運動黏度，m2/s；ρ為空氣密度，kg/m2。

3.2建立模型

使用Solidworks軟件對鴨舍進行1∶1等尺寸3D模型的構建，由于濕簾不開啟，為計算方便且節省時間，故將其作壁面處理，同時簡化立柱、橫梁和送料管等對氣流影響較小的結構。鴨舍的整體模型見圖4。

同時，由于舍內肉鴨數量眾多，無法忽略其自身發熱對舍內溫度場的影響，董宗耀等在模擬階梯籠式雞舍進風情況時忽略了腿部、尾部和雞冠部分，僅對雞身部分進行建模［16］。林勇等在模擬層疊籠式鴨舍的通風情況時，將鴨和鴨籠及其下的鴨糞傳送層做整體化處理［17］。由于發酵床式鴨舍中鴨是在半開放的網床上生活，故采用對鴨單獨建模的方法。根據鄧書輝等對牛的建模方法［18］對鴨簡化模型（圖5）。

3.3網格劃分與邊界條件

為簡化計算，使用ICEM來畫模型的網格。選擇非結構網格，加密格柵及鴨外表面的網格質量，整體模型的網格單元總數達1023萬，網格單元類型為四面體網格。對鴨子、網床、氣流出入口的網格加密，加密尺寸為15mm。鴨舍模型網格見圖6。

湍流計算選擇κ-ε方法下的Realizable模型，壓力與速度選擇SIMPLEC算法耦合，壓力選擇了PRESTO！模型求解。氣流入口為風機，采用速度型入口，風速為5m/s，溫度290K。出口為兩側外墻上的小窗，采用壓力出口，相對壓力大小為0，鴨棚外壁面設置為恒溫靜止無滑移壁面，溫度大小為300K。鴨子外表面設置為恒溫靜止無滑移壁面，溫度大小為315K，計算采用穩態進行計算，經過1000次迭代計算。各物理量達到收斂狀態。

3.4模擬結果驗證與分析

為驗證本研究所建立的仿真模型和選擇的模擬方法是否正確，提取仿真結果中S1、S2、S3的溫度場與氣流場與試驗所測得的對應數據進行驗證，選取2022年3月23日16：30這一時刻的模擬結果（圖7）。

在仿真結果中提取與傳感器同一位置的數據結果與同時段的傳感器數值比較發現，仿真結果與傳感器實測值基本吻合（圖8）。經過取S1、S2、S3平面上所有測點的平均值進行仿真值和實測值的誤差計算可得到3個平面模擬的準確度平均相對誤差分別為4.07%、3.92%、3.58%，說明模擬仿真的誤差較小，模擬出來的鴨舍內氣流溫度場與實際情況誤差較小，與實際相符。

由圖7-c可知，在鴨生活的平面上，由于鴨舍長度較長，鴨舍后部的氣溫普遍高于前部，氣流從入口進入后開始衰減，所帶來的溫降甚至未達到鴨舍中間部分就從13℃升至17℃，其次由于鴨舍較長，2臺風機距離較近導致了進風后氣流的擴散性不佳，而中后部僅有小窗的開啟為一小塊區域提供了微小的溫降。圖7-b也說明了相同情況，鴨舍靠近進風口位置的部分溫度較后半部分要小得多，由于圖7-b是網床平面S2的情況，鴨子本身產生體熱，所以普遍溫度均比圖7-c高一些。圖7-a中S1平面是在鴨舍中間的料管平面，由于S1平面已經高于進風風機的高度，所以進風處的溫度就已經達到了15℃。由圖7-d可知，在鴨生活的平面上，由于僅有單側進風，且鴨舍長度較長，鴨舍后部氣流幾乎沒有流動性，氣流從入口進入后開始衰減，還未到達中部就降到了0.6m/s以下。在這種情況下，鴨舍內產生的CO2和NH3等污染性氣體很難排出，為得到更好的生活環境，鴨會自發地向鴨舍空氣流動性好的地方聚集，而一旦造成聚集，則必然會降低氣流在右前方的流動性，這樣一來，舍內僅有的氣流流動性好的區域也被破壞。

3.6氣流組織優化

由于原模型兩側的通風小窗對稱布置，因此會導致鴨舍內各部分的氣流對沖而產生氣流指標紊亂，鴨舍左右兩側氣流均僅在出口處受壓力產生流動性，但這樣的壓力不足以使氣流向全域擴散。而78m長的鴨舍僅在一側用風機進風，是無法使氣流在其速度衰減至幾乎不計前擴散至鴨舍后部的，除非使用超大功率風機，但超大功率風機不僅費電，成本增加，且產生噪聲會使鴨產生應激，影響鴨健康生長。同時，如此長的鴨舍依靠南北兩側的每側通風小窗出風也有些捉襟見肘，由圖7-d可知，鴨舍后部南北兩側除通風小窗的位置附近均是氣流低速區域，流速低至0.1m/s。因此，為讓鴨舍內的氣流組織更加均勻，使鴨能在更加適宜的環境下生長，使鴨舍內的溫度更加適宜，在對原來的鴨舍模型進行了優化設計后利用FLUENT再次進行了仿真，對鴨舍前部單側通風模式進行優化，增加后部的通風面積30%，且將入口速度調整為3.5m/s。左右兩側的通風小窗從中間向兩邊以面積重疊60%對稱布置。

優化后S1、S2、S3的溫度場和氣流場見圖9。由圖9-a可知，優化后的S1平面，即鴨生活區域的上方，整體溫度均維持在14～24℃，符合引言部分所述。而大多數生活區域溫度均維持在15.6～17.6℃之間，為鴨提供了適宜的溫度保障。由圖9-b可知，在鴨腳底下的網床平面，由于處于進風平面內，前后部溫度在12～14℃之間，且中間的區域有1/2處于14～18℃之間，提示由地面生物墊料所散發的熱量上升至網床平面時，經換熱，這些低溫會被中和，直到鴨生活平面S3平面（圖9-c），溫度整體升高至18～22℃，是一個適宜鴨生長的溫度?？傮w上來說，優化后的通風策略為鴨舍帶來了更適宜的溫度環境。

將修改通風策略后的氣流場模擬結果與原氣流場比照，由圖9-d可知，優化后鴨舍后部氣流流速明顯增加，且鴨舍左右兩側的氣流流動性也大大加強，整個鴨舍的中后部氣流速度<0.4m/s的區域較優化前減少了1/2以上。在鴨生活平面，風速達0.6m/s區域也比優化前增加了2/3左右。這樣風速在合理范圍內的提高加快了舍內污染物排除，提高與新鮮空氣交換的速率，從而提高了舍內環境質量。但除開鴨舍四角的非生活區域外，舍內中間靠右后方仍有一部分空間的空氣流動<0.4m/s，由于鴨舍過長縱向的長度，若繼續增加風機轉速，則必定犧牲舍內溫度，從而無法達到較好溫度效果。

為對結構優化后的鴨舍內部氣流場均勻性進行評價，引入氣流不均勻性系數

式中：vh為高度為h平面上的平均氣流速度，m/s；vi為第i個測點氣流速度，m/s；n為測點數；Ih為高度為h平面上的氣流不均勻性系數，Ih值越小，氣流分布的均勻性越好。

由以上數據計算得到原結構下鴨舍的S1、S2、S3平面的溫度不均勻系數分別為0.09、0.04、0.05，均勻性良好。但鴨生活平面氣流速度不均勻性系數為1.28；優化后鴨生活平面的氣流不均勻性系數為0.19，氣流均勻性較優化前的氣流均勻性提升了85%。

4討論

本研究對如何提高鴨舍內空氣質量和提供適宜的溫度進行了研究，通過改變通風策略來改變鴨舍內環境。通過計算可知舍內氣流風速和溫度的不均勻系數降低至0.2以下，達較好的通風預期目標。

但由于鴨舍過長這本身的客觀因素限制，舍內仍有一些區域的氣流速度低于0.2m/s，在兼顧鴨舍適宜溫度的前提下，后期可考慮在舍內增加導風裝置引導氣流向低速區域流動，這樣增加室內流動性的方法在很多建筑案例中均有應用。姚家君等通過在鵝舍的主梁下安裝卷膜來做氣流導向，有效提高鵝的活動區域氣流的均勻性和氣流速度［19］。He等發現，增加氣孔是幫助室內溫度均勻分布的關鍵因素［20］。但在本研究中，迫于成本與舍內結構等因素，并未考慮增加導流裝置，后續將展開相關研究。

5結論

本研究測試了發酵床網上養殖肉鴨舍初春季節環境參數變化，構建了鴨舍的CFD模型，驗證了模型的準確性，進一步優化鴨舍的氣流組織，使用增開通風風機，小窗部分對稱布置的方式來優化鴨舍內的氣流，提高了鴨舍內氣流組織的均勻性和肉鴨的生活質量，并將鴨生活區域的溫度控制在合理范圍內。

（1）測試期間，鴨舍內氣溫9.34～23.77℃，舍內外平均溫差6.75℃，在春季氣溫逐漸升高，供試鴨舍保持了較好的溫濕度性能；舍內平均空氣相對濕度80.66%，低于舍外，鴨舍內部相對濕度波動相較于舍外更加穩定，保持干燥的同時減少了細菌等微生物的孳生，有利于肉鴨的健康生長。

（2）為提高模擬的準確性，對溫度和風速進行了模擬仿真，并提取仿真結果中S1、S2、S3的溫度場與氣流場與試驗所測得的對應數據進行驗證，平均相對誤差為3.58%～4.07%。此相對誤差的數值不大，模擬仿真值在很大程度上比較準確地反映了試驗過程中鴨舍內氣流速度的變化趨勢，說明本研究所采用的模擬方法能經得住實際檢驗，為后續鴨舍內的結構優化仿真研究提供了有力保證。

（3）模擬發現優化后模型的S1、S2、S3溫度范圍分別為12.87～28.03℃、10.13～27.16℃、12.98～24.41℃。優化后模型S1、S2、S3的平均風速分別為0.62、0.66、0.56m/s，且較原模型更加均勻。

本研究建立了發酵床網上養殖肉鴨舍的三維模型，可為今后類似鴨舍的通風方式及結構的優化設計提供理論支持和參考依據。

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