奶牛飲水溫度控制系統的設計及應用效果分析

趙學東 朱宸萱 齊 飛 李 浩,4 施正香,4*

(1.中國農業大學 水利與土木工程學院,北京 100083;2.農業農村部設施農業工程重點實驗室,北京 100083;3.上海市農業科學院,上海 201106;4.北京市畜禽健康養殖環境工程技術研究中心,北京 100083)

飲用水對奶牛的健康、機體免疫及牛奶的產量極為重要,即使日糧水平差異不大,也可能因為飲水不當造成產奶量下降18%～20%[1-3]。當環境溫度過低時奶牛代謝速率降低,且奶牛冬季的日糧配比中青飼料、多汁飼料和青貯飼料的含量相比其他季節有所減少,攝入的干物質量比重增大[4-6],因此低溫環境下更應該關注奶牛對自由飲水的攝入。冬季影響奶牛飲水量的一個決定性因素就是飲用水溫度,奶牛的飲用水溫度如果長期處于0 ℃以下,會造成奶牛瘤胃功能障礙、流產等,從而導致泌乳的異常[7]。因此,在低溫環境下確保奶牛適宜的飲水溫度,對促進奶牛健康、提高產奶性能有重要意義。

目前奶牛的生產管理中,對奶牛在低溫環境中的飲用水溫度建議為8～15 ℃[8]。國內外研究結果表明,適宜的飲用水溫度對奶牛的生理指標(如直腸溫度和呼吸頻率)、干物質采食量、飲水量、產奶量均有良性影響[6,9-10]。冬季適當提高飲用水溫度,則有助于增加干物質的采食量以及奶牛的體溫維持。Boudon等[11]采用8.5 ℃、10～15 ℃的飲用水溫度,較1.5 ℃飲用水溫度下,奶牛的產奶量分別提高了8.7%和17.7%。Golher等[12]認為,在高海拔溫帶地區的冬季,給奶牛飲用35～40 ℃的熱水不僅有助于保存能量,且能幫助奶牛在冬季保持正常的瘤胃蠕動。Ertugrul等[13]的研究結果表明,在冬季飲用20 ℃的水可使干物質采食量提高6.47%,使產奶量提高9.33%,而飲用12 ℃的水對產奶量無顯著影響。

針對飲用水溫度的控制問題,目前有研究在冬季采用飲水槽加熱的方式[14-15]。例如飲水槽中安裝電加熱棒等,但這種方式易出現漏電現象,且飲水槽暴露在低溫環境中導致保溫效果較差[16]。因此,從來源處直接提高飲用水溫度更適用于規模化奶牛場。空氣源熱泵熱水系統利用逆卡諾循環工作原理,將空氣或者自然環境中的低品位熱能收集,轉化成高品位熱能再釋放至水中用以制取熱水[17-19]。空氣能熱水器通過壓縮機實現氣體熱量的搬運來與水箱產生熱交換[20],從而達到水箱設置的溫度,加熱設施與水槽分離更具安全性,與太陽能加熱設備相比更具穩定性。

本研究擬設計低溫條件下針對規模化奶牛場的飲水加熱系統,對比不同飲水溫度在不同環境溫度下奶牛日均泌乳量的差異,擬合泌乳量曲線并分析影響因素。以期為奶牛場高效、低成本、綠色的飲水系統設計工藝提供理論支持和應用依據。

1 飲水系統

1.1 熱特性分析

為確定供水系統在實際生產中的工作方式,對生產中的熱功率損耗以及電加熱水槽的熱量供給進行研究。電加熱水槽的熱功率計算主要包括:水體表面與空氣的對流熱功率損耗(P1)、水體表面積蒸發的熱功率損耗(P2)、水體與不銹鋼材料的傳導熱功率損耗(P3),當奶牛電加熱水槽所需的加熱功率(P)與水槽的總散熱功率(P損=P1+P2+P3)相等時達到熱平衡,即:

P=P損=METΔ

(1)

式中:M為水體表面積,m2;TΔ為環境溫度與水溫的差值,℃;E為總平衡散熱系數,根據華北地區奶牛場實際情況取經驗值E=20 W/(m2·℃)。

以6牛位,水槽內表面積為1.2 m2的飲水器為例。當舍外溫度為-10 ℃,水溫為10 ℃時,維持水溫需要的持續供熱功率為P=480 W。進而,在水槽對飲用水加熱的狀態下,根據熱量平衡公式Pt=VCTΔ[21]得:

(2)

式中:V為水體體積,L;C為水的比熱容定值,4 200 J/(L·℃);TΔ為加熱前后水溫溫差,℃;t為加熱時間,s。

當6頭奶牛同時飲水,液面高度為20 cm,水槽內1次存水約0.24 m3,水槽內的水1次可供給飲用的時間為2 min,地下水的供水溫度為5 ℃,將飲用水水溫在2 min內提高至15 ℃所需的電加熱水槽的功率為P=84 kW。

綜上,電加熱水槽在生產中提供如此大的功率不符合實際,即奶牛需要大量飲水時,僅使用電加熱水槽的加熱功能制取熱水的效率低下。因此本試驗采取電加熱水槽僅提供保溫作用,在對奶牛飲水系統設計時需要使用另外的設備,即空氣能熱水器對奶牛飲用水的供水溫度進行提升。

1.2 飲水溫度控制系統組成及布置

本試驗所使用的奶牛智能飲水系統包括熱水供應、冷水回流、廢水回收、供水和回水部分,其中奶牛熱水供應部分包括空氣能熱水主機、熱水保溫箱、熱水供水管道、電加熱水槽、冷水回流管道。空氣能熱水器收集空氣中的熱能對經由水管進入熱水器的冷水進行加熱,在供水水箱內設置溫度傳感器控制冷水與熱水配比,并將混合后的熱水儲存在保溫水箱中用于集中供水。當奶牛大量飲水時,管道增壓泵將保溫水箱中的熱水直接輸送到奶牛飲水槽中滿足奶牛飲水需求。當奶牛停止飲水時,電加熱水槽輔助加熱維持飲水槽中飲用水的溫度,可以保證奶牛24 h飲用到溫度為22～25 ℃的熱水。牛舍內各水槽中安裝有溫度傳感器,用于采集水槽中飲用水的溫度,供水管道末端冷水回流,使用磁閥門與管道內溫度傳感器相連,當傳感器檢測管道內水溫<15 ℃時,磁閥門自動開啟,將管道中的冷水回送至供水箱。試驗設計的飲水溫度控制系統見圖1。

圖1 奶牛飲水溫度控制系統Fig.1 Drinking water temperature control system for dairy cow

2 材料與方法

2.1 試驗牛舍

試驗地點位于北京奶牛中心延慶基地,該牛舍為全封閉牛舍,散欄飼養荷斯坦奶牛。擠奶使用全自動智能擠奶機器人自動記錄奶牛編號、擠奶時長、擠奶次數及泌乳量。舍內供水通過地面向下打井的方式取深度170～190 m的地下水,水槽利用水位感應24 h自動上水,內置電加熱,外接線至系統主機,以控制奶牛飲用水的溫度。

2.2 試驗設計

選取同一泌乳牛舍不同區的2組奶牛,記錄試驗組15頭和對照組15頭健康狀況良好的奶牛在試驗期間的整組泌乳情況,并分析試驗前后泌乳量變化。為排除泌乳期對奶牛泌乳量的影響,試驗組和對照組奶牛開始泌乳時間前后不超過1周,以排除泌乳期對奶牛泌乳量的影響,試驗組測量開始時位于泌乳盛期的奶牛占53.3%,對照組占73.3%,其余奶牛均處于泌乳中期。試驗時間為2017-10-01—2018-02-08,根據環境溫度分為3個試驗階段。

階段1:試驗時間為2017-10-01—2017-10-25,環境溫度>15 ℃,為排除奶牛生產性能的差異,在飲水系統運行之前,測試2組奶牛的生產性能。

階段2:試驗時間為2017-10-26—2017-11-24,4 ℃≤環境溫度≤15 ℃,開啟電加熱水槽,加熱溫度設置為20 ℃。

階段3:試驗時間為2017-11-25—2018-02-08,環境溫度<4 ℃,對試驗組和對照組同時開啟電加熱水槽,對試驗組開啟空氣能熱水器,加熱溫度均設置為20 ℃。

3個試驗階段飲水系統工作模式見表1。使用德圖儀器國際貿易有限公司生產的TESTO 175-H1溫濕度傳感器(溫度:量程為-40～55 ℃,精度±0.4 ℃,分辨率0.1 ℃;濕度:量程為0～100%,精度±2%,分辨率0.1%)采集試驗期間環境氣溫,在奶牛飲水槽內安裝溫度傳感器測量水槽的飲用水溫度,對比試驗組與對照組奶牛每天的泌乳量,探究低氣溫環境下飲用水溫度對奶牛泌乳量的影響。

表1 不同試驗階段試驗組和對照組的飲用水加熱模式Table 1 Heating mode of drinking water with experimental and control groups in different experimental stages

2.3 數據處理

采用SPSS Statistics 22.0方差分析中獨立樣本T檢驗法比較各試驗組與對照組間差異顯著性,以P<0.05為顯著性水平,圖表使用Excel制作。

3 結果與分析

3.1 飲水系統不同加熱模式對奶牛泌乳量的影響

3.1.1奶牛初始生產性能分析

階段1期間飲水溫度控制系統不工作,試驗組和對照組的飲用水溫度穩定在15 ℃左右。奶牛泌乳量變化見圖2。

圖2 階段1試驗組和對照組奶牛日均泌乳量變化Fig.2 Average milk yield per day of dairy cow in experimental and control group in experimental stage 1

在相同的環境溫度和飲水溫度下,2組奶牛生產性能有所不同,對照組奶牛日平均泌乳量為(43.7±1.7) kg,試驗組奶牛日平均泌乳量為(39.9±1.5) kg,對照組奶牛日均泌乳量比試驗組高 9.5%,說明對照組奶牛整組的生產性能優于試驗組。2組奶牛泌乳量與環境溫度均不相關(P>0.05),說明在此階段的溫度條件下,奶牛的泌乳量與環境溫度(17.7±2.6 ℃)或飲水溫度無關,水溫對奶牛的泌乳量沒有明顯影響。對照組與試驗組奶牛泌乳量曲線顯著相關(P<0.01),說明2組奶牛的泌乳量變化趨勢相同,進一步證明階段1的環境條件(未進行系統加熱)對2組奶牛泌乳量沒有明顯影響。

3.1.2開啟電加熱水槽提高水溫對奶牛泌乳量的影響

階段2環境平均溫度為(9.2±4.8) ℃,試驗組電加熱水槽開啟,奶牛飲水溫度為(15.5±1.9) ℃,在非頻繁用水時段水溫與環境溫度一致;對照組奶牛的飲水溫度與環境溫度近似,為(8.1±4.6) ℃。

試驗組在開啟電加熱水槽后水溫有明顯提升(圖3(a)),在前期環境溫度沒有大幅下降時可以將水溫控制在17 ℃左右,然而水溫始終達不到預設值20 ℃,且后期環境溫度較低,電加熱水槽對水溫的控制能力下降,因此在低溫環境下需要進一步引入空氣能熱水器對水溫進行調控。

圖3 階段2試驗組和對照組奶牛飲水溫度及日均泌乳量Fig.3 Drinking water temperature and average milk yield per day of dairy cow in experimental and control group in experimental stage 2

對照組奶牛泌乳量整體高于試驗組(圖3(b))。在15 d之前由于試驗組水溫可以維持在17 ℃左右,該組奶牛泌乳量較對照組穩定,尤其是5～13 d這一階段。對比本階段溫度曲線和奶牛泌乳量曲線可知,環境溫度發生突升或突降現象時,奶牛的泌乳量均會受到影響,說明奶牛泌乳行為受環境突變的影響大,奶牛對環境溫度變化較為敏感。后期隨著環境溫度的起伏式下降,電加熱水槽無法持續提供加熱,試驗組和對照組的奶牛泌乳量均呈現明顯波動。試驗組和對照度奶牛日均泌乳量與環境溫度都在P<0.01水平上呈顯著相關,說明本階段當試驗組奶牛僅通過電加熱水槽提高飲水溫度而不引入熱水源,奶牛的泌乳量會受環境溫度的影響。階段2中2組奶牛的泌乳量整體都呈下降趨勢,除了環境溫度這一因素還有很多可能的原因,比如奶牛機體需要額外的能量使飲入的水升溫,從而影響奶牛的部分營養代謝,或者較低的飲用水溫度使奶牛飲水量降低[22-23]。因此,僅用電加熱水槽為奶牛飲用水提供加熱而無熱水源,飲用水的溫度無法維持在較高水平,對奶牛生產性能的提高無作用。

3.1.3恒溫模式下水溫對奶牛泌乳量的影響

階段3試驗組運行飲水加熱系統,即開啟空氣能熱水器和電加熱水槽分別實現供水加熱和飲用水保溫功能,可供給溫度為(22.9±1.4) ℃的飲用水;而對照組僅開啟電加熱水槽為該組奶牛供給(13.9±1.8) ℃的飲用水。

圖4示出2組奶牛在低溫環境下長期飲用不同溫度的飲用水后的泌乳量隨時間的分布以及基本趨勢線。對照組奶牛的泌乳量隨環境溫度的降低呈波動且整體下降趨勢,而試驗組奶牛的泌乳量隨環境溫度降低無明顯下降,日均泌乳量基本趨于穩定。其中,12月23日(階段3第28 d)和次年1月8日(第44 d)環境溫度有大幅降低,對照組的奶牛泌乳量均下降且后續幾天持續大幅波動,而試驗組的奶牛泌乳量未受到較大影響。這說明在環境溫度發生變化時,試驗組奶牛的快速適應能力優于對照組,為奶牛供給更高溫度的飲用水有利于增強奶牛對環境變化的適應能力。而試驗組在12月30日(第35 d)泌乳量驟降驟升,可能的原因是試驗組奶牛周圍的其他環境因素如聲、光或者人為原因使其產生短暫應激,說明影響奶牛泌乳量的因素很復雜,環境溫度是其中一個重要因素但不是決定性因素[24-26]。對比試驗期間溫度變化和奶牛泌乳量的變化,對照組奶牛泌乳量隨環境溫度變化顯著(P<0.01),試驗組奶牛泌乳量隨環境溫度變化不顯著(P>0.05),說明奶牛在低氣溫環境中長期飲用22～25 ℃的熱水可以減少環境溫度對奶牛生產性能的影響。

圖4 階段3試驗組和對照組奶牛的日均泌乳量及變化趨勢Fig.4 Average milk yield per day and variation trend of dairy cow in experimental (a) and control group (b) in experimental stage 3

3個試驗階段整體泌乳量對比見圖5。階段1、階段2和階段3試驗組奶牛的日均泌乳量為(39.9±1.5)、(38.0±1.9)和(37.6±1.2) kg,對照組奶牛的日均泌乳量為(43.7±1.7)、(41.7±2.1)和(37.2±2.7) kg。由于飲用水加熱系統的使用,試驗組奶牛的泌乳量隨環境溫度的降低略有下降,而對照組奶牛的泌乳量隨環境溫度的降低則有明顯的降低,試驗組在階段3較小的標準差也同時證明了試驗組奶牛較對照組更穩定的生理狀態和更強的適應能力。試驗組奶牛初始泌乳量較對照組低,經過3個階段的試驗,最后試驗組的日均泌乳量高于對照組,說明低溫環境下提高奶牛的飲用水溫度可以保證其生產性能不會大幅降低。

圖5 3個試驗階段的奶牛整體泌乳量Fig.5 Overall milk yield of dairy cow in the three experimental stages

3.2 飲水溫度對不同泌乳期奶牛泌乳量的影響

本試驗周期較長,隨著試驗階段的推進,試驗奶牛也在轉變泌乳期。荷斯坦奶牛的泌乳量隨泌乳期變化,泌乳第4周開始至17周劃分為泌乳盛期,18周開始至30周為泌乳中期,31周開始至干奶期為泌乳后期,處于泌乳盛期的奶牛日均泌乳量在最高產奶量80%及以上,轉入泌乳中期后泌乳量隨泌乳時長呈平穩下降趨勢,至泌乳后期變化及波動較大[27-28]。為排除試驗組和對照組奶牛的泌乳期對試驗結果的影響,試驗組和對照組按照產犢時間前后不超過1周的原則選擇奶牛。如圖6(a)所示,對照組泌乳量明顯下降,對其進行線性擬合可得,線性擬合度較高,說明對照組奶牛的平均泌乳量穩定下降,平均每7天下降約0.45 kg;而試驗組奶牛的7日平均泌乳量在試驗期間為(37.3±0.6) kg/d,隨試驗周期變化差異小。試驗期間對照組奶牛的泌乳量與試驗周數呈顯著負相關(P<0.01),說明在低溫條件下為奶牛提供22～25 ℃的熱水能有效提高奶牛生產性能,對提高奶牛生產經濟效益有極大作用。

圖6 試驗組和對照組奶牛7日平均泌乳量Fig.6 Milk yield per 7 days of dairy cow in experimental and control group

進一步探究提高飲用水溫度對不同泌乳時期奶牛的作用效果,將7組奶牛按泌乳周齡劃分為泌乳盛中期和泌乳中后期,分別對比試驗組和對照組奶牛泌乳量在試驗周期內的變化,分析泌乳盛中期和泌乳中后期的泌乳量分布,發現飲水溫度對泌乳盛中期的奶牛影響較泌乳中后期大。如圖6(b)所示,處于泌乳盛中期的奶牛,對照組在試驗期日均泌乳量與試驗周數顯著相關(P<0.01),日均泌乳量按線性分析以每7天下降0.83 kg的速度降低。試驗組奶牛泌乳量未出現明顯下降,7日平均泌乳量維持在(37.0±0.9) kg/d,波動較小。處于泌乳中后期奶牛的泌乳量與周數沒有顯著線性關系,對照組與試驗組在試驗期內7日平均泌乳量分別為(37.8±1.2)和(37.6±0.7) kg/d,較小的標準差說明泌乳中后期的試驗組奶牛的泌乳量相對于對照組更穩定。因此,泌乳盛中期的奶牛受到飲水溫度影響更大,原因可能是奶牛在泌乳盛期營養代謝更加活躍,所需飲水量更大,過低的飲用水溫度導致飲水量下降,進而影響食欲[29-31],因此泌乳盛期的奶牛對飲用水溫度更敏感。根據對照組與試驗組奶牛盛中期、中后期泌乳量的對比,提高奶牛飲用水溫度對增強處于泌乳盛中期的奶牛生產性能效果尤其顯著,對處于泌乳中后期奶牛泌乳量有維持穩定的作用。

3.3 經濟性分析

試驗中空氣能熱機提供的熱水溫度為55～65 ℃,設定供水箱和電加熱水槽的供水溫度為20 ℃。記錄水槽中實際存放的飲用水在不同的氣溫環境中、不同實際用水溫度以及不同控溫方式的溫度,結果見表2。在冬季低溫環境中,該飲水控制系統可以有效地使奶牛頻繁飲水時段飲用水溫度維持在22～25 ℃,在非頻繁飲水時段維持飲用水最低溫度在15 ℃,24 h為奶牛供給熱水。

表2 不同環境溫度、加熱方式和保溫方式下的飲用水溫度Table 2 Temperature of drinking water under different conditions

空氣能熱水器能夠通過吸熱工質獲取空氣熱源,消耗的電能僅僅是壓縮機用來吸收空氣能源所用的能量,如0 ℃環境下,額定輸入功率為15 kW,制熱功率為12 kW,因此熱效率比電加熱水槽、鍋爐等都高[32]。對比不同加溫保溫模式下的耗電量,奶牛場應采取的管理方式是在低氣溫環境中開啟電加熱水槽并設置溫度為15 ℃,日耗電量約19～23 kWh。

調試中結合使用設置為25 ℃的空氣能熱水器和設置為15 ℃的電加熱水槽,飲水系統日耗電量為20～25 kWh,啟用此飲水加熱系統供給約24頭奶牛約增加日耗電量0～6 kWh,按照北京養殖場的電費0.725元/kWh,每日每頭奶牛增加電力成本為0～0.8元。

4 結 論

本研究針對規模化奶牛場設計了飲水溫度控制系統,探究了3個試驗階段(階段1,環境溫度>15 ℃;階段2,4 ℃≤環境溫度≤15 ℃;階段3,環境溫度<4 ℃)下飲水溫度對奶牛泌乳量的影響,并分析了提高飲水溫度對不同泌乳期奶牛泌乳量的促進作用,主要結論如下:

1)低溫環境下為奶牛供給22～25 ℃的熱水后,奶牛全群平均泌乳量隨環境溫度變化不顯著(P>0.05),而飲用溫度為12～15 ℃的水后奶牛全群平均泌乳量隨環境溫度變化顯著(P<0.01),說明飲用22～25 ℃的熱水能夠減少環境溫度變化對奶牛生產性能的不利影響,有助于提高奶牛的生產穩定性,增強奶牛生產性能。

2)低溫下,奶牛飲用水溫度為12～15 ℃時,日均泌乳量平均每7天下降0.45 kg,將飲用水溫度提高至22～25 ℃后奶牛泌乳量維持穩定。在低溫條件下升高奶牛飲用水溫度能在一定程度上提高奶牛生產性能,對處于泌乳盛中期的奶牛生產性能影響尤其顯著,對處于泌乳中后期奶牛泌乳量有維持穩定的作用,有助于提高奶牛生產經濟效益。

3)本研究設計的奶牛飲水溫度控制系統能夠使奶牛頻繁飲水時段飲用水溫度維持在22～25 ℃,僅開啟電加熱水槽后奶牛泌乳量無顯著變化,同時開啟熱水器能顯著提高奶牛生產效率。啟用此飲水加熱系統每日每頭奶牛增加電力成本為0～0.8元。