付亞楠 譯自，2018，№ 1：28～32夏俊花 審 張 濤 制圖

除了進(jìn)行充分的翻蛋外，孵化期的首要任務(wù)是控制種蛋的內(nèi)部溫度。因?yàn)檫@個(gè)溫度將會(huì)決定雞蛋胚胎發(fā)育的速度以及胚胎對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需求和供給的平衡，因此準(zhǔn)確且均衡地控制孵化溫度是必需的。第二要?jiǎng)?wù)是要恰當(dāng)?shù)乜刂品趸瘷C(jī)的機(jī)箱在孵化期的相對(duì)濕度(Relative Humidity，RH)。種蛋在孵化過(guò)程中需要失去一定數(shù)量的水分以產(chǎn)生氣室，而RH是種蛋水分流失的動(dòng)力。在冷卻能力有限的老式孵化機(jī)中，要產(chǎn)生更多的冷卻效應(yīng)必須要讓水分蒸發(fā)。隨著水分蒸發(fā)的進(jìn)行，孵化機(jī)機(jī)箱中的RH會(huì)發(fā)生改變，因此RH對(duì)溫度控制也很重要。最后但并非最不重要的是，種蛋胚胎發(fā)育需要O2，并且會(huì)產(chǎn)生CO2，所以孵化機(jī)需要進(jìn)行空氣交換以滿(mǎn)足這一要求。

在孵化過(guò)程的三個(gè)組成要素(溫度控制、RH調(diào)節(jié)和O2與CO2平衡)中，孵化機(jī)機(jī)箱內(nèi)的通風(fēng)起著重要的作用。雖然我們非常清楚孵化機(jī)機(jī)箱內(nèi)需要有合適的溫度、RH和氣體交換率，并要進(jìn)行正確的控制，但是我們不了解孵化機(jī)在不同孵化階段的正確通風(fēng)速率，并且這經(jīng)常會(huì)成為人們爭(zhēng)論的話題。我們想通過(guò)本文將一些指標(biāo)和回歸方程式組合起來(lái)，這有助于闡明在我們考慮孵化過(guò)程的通風(fēng)量時(shí)需要考慮的不同方面。出于實(shí)用的目的，我們將重點(diǎn)討論孵化機(jī)的通風(fēng)速率等，但是相同類(lèi)型的回歸方程式也可以用于出雛機(jī)。在我們的方程式中，我們將使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的虛擬孵化機(jī)，該孵化機(jī)可以一次入孵100 00枚平均重量為65 g、受精率為100%的種雞蛋(圖1)。該孵化機(jī)可以采用巷道式或箱體式孵化方式，具體取決于我們討論的主題。

1 基于機(jī)箱中CO2水平的通風(fēng)

讓我們從計(jì)算O2和CO2交換所需的通風(fēng)量開(kāi)始。為此，我們將重點(diǎn)關(guān)注CO2的產(chǎn)生和控制，因?yàn)檫@是決定通風(fēng)需求的因素，重要程度遠(yuǎn)超過(guò)對(duì)O2的控制。如果我們將孵化機(jī)機(jī)箱中的CO2控制在正確的水平上，O2將很可能不會(huì)成為限制因素。

在種蛋胚胎的生長(zhǎng)過(guò)程中，種蛋內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)需要被轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)體的組織，這一過(guò)程需要O2的參與，并會(huì)產(chǎn)生CO2，而且它們的需要量和生成量或多或少呈固定比率[呼吸指數(shù)(Respiration Quotient，RQ)或RQ值]。O2的攝入量和CO2的產(chǎn)生量與種蛋胚胎的產(chǎn)熱量呈線性關(guān)系。這意味著，我們?nèi)绻婪N蛋胚胎(或按我們的例子是100 000個(gè)種蛋胚胎)的產(chǎn)熱量，就可以利用Brouwer(1965)公式計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)CO2的產(chǎn)生量：產(chǎn)熱量(kJ/h)＝ 5.0×CO2產(chǎn)生量 (L/h)＋ 16.2×耗氧量(L/h)。在正常孵化情況下，RQ＝0.67，氧氣的消耗量為CO2/0.67。研究發(fā)現(xiàn)，一個(gè)種蛋胚胎在18 d的孵化期中大約可產(chǎn)生0.15 W的熱量，或一臺(tái)孵化100 000枚種蛋的孵化機(jī)在18 d的孵化過(guò)程中可產(chǎn)生15 kW的熱量。種蛋胚胎每產(chǎn)生1 kW的熱量，其每小時(shí)就能夠產(chǎn)生117 L的CO2。因此，孵化至第18天時(shí)，100 000個(gè)種蛋胚胎每小時(shí)大約產(chǎn)生 1 750 L CO2。

如果我們知道CO2的生成量以及孵化機(jī)機(jī)箱內(nèi)所允許的CO2水平，那么我們就可以計(jì)算出讓孵化機(jī)機(jī)箱中的CO2達(dá)到這一水平時(shí)所需的通風(fēng)速率。如果我們希望CO2的最大濃度為4 000 μL/L，且送入的空氣含500 μL/L的CO2，那么種蛋的胚胎就可以增加4 000 uL/L-500 uL/L＝3 500 μL/L的CO2。μL/L表示百萬(wàn)分之一，因此每1 000 000份空氣可以增加3 500份的CO2，或者每1 000份空氣增加3.5份的CO2。每立方米的空氣是1 000 L，所以每1 000份空氣增加3.5份CO2也即是每立方米的空氣含3.5 L CO2。孵化機(jī)將產(chǎn)生1 750 L CO2，因此如果種蛋的胚胎要在通過(guò)孵化機(jī)的每立方米空氣中添加3.5 L CO2，那么孵化100 000枚受精種蛋的孵化機(jī)在胚胎發(fā)育到18 d時(shí)的通風(fēng)速率必須達(dá)到1 750 L/3.5 L＝500 m3空氣。

如果我們想要讓孵化機(jī)機(jī)箱內(nèi)空氣中的CO2濃度保持在較低的水平上，或進(jìn)入孵化機(jī)機(jī)箱中的空氣含有較高水平的CO2，那么我們顯然需要讓孵化機(jī)有更大的通風(fēng)量。如果我們想把孵化機(jī)機(jī)箱內(nèi)空氣中的CO2含量降低到3 000 μL/L，并且引入的空氣含有1 000 μL/L(因?yàn)槲氲目諝獠⒉皇峭耆迈r)的CO2，那么種蛋的胚胎可以增加3 000 μL/L-1 000 μL/L＝2 000 μL/L的CO2或在每立方米空氣中增加2 L的CO2。由于雞蛋在孵化過(guò)程中每小時(shí)仍會(huì)產(chǎn)生1 750 L CO2，那么我們應(yīng)該使孵化機(jī)的通風(fēng)量為1 750 L/2 L＝875 m3。在經(jīng)過(guò)半個(gè)孵化期即孵化到第9天時(shí)，種蛋胚胎的個(gè)體還比較小，因此它們的產(chǎn)熱量和CO2生成量也非常小。在孵化期的第9天，種蛋的胚胎產(chǎn)生大約0.022 W的熱量，此時(shí)每臺(tái)孵化機(jī)產(chǎn)生2.2 kW的熱量而不是第18天時(shí)的15 kW熱量。在這一階段，種蛋的胚胎每小時(shí)約產(chǎn)生260 L CO2。如果我們?nèi)匀恍枰狗趸瘷C(jī)機(jī)箱內(nèi)空氣中的CO2含量為4 000 μL/L，并且吸入的空氣仍含有500 μL/L的CO2，那么種蛋胚胎仍然可以讓每立方米的空氣增加3.5 L CO2；但是，由于種蛋的胚胎現(xiàn)在每小時(shí)僅產(chǎn)生260 L CO2，因此孵化機(jī)的通風(fēng)速率大約需要調(diào)整到每小時(shí)260 L/3.5 L≈75 m3空氣。

在巷道式孵化機(jī)中，我們需要根據(jù)種蛋胚胎的平均大小來(lái)進(jìn)行通風(fēng)，因?yàn)樾碌娜敕醴N蛋會(huì)連續(xù)不斷地放入孵化機(jī)機(jī)箱中，同時(shí)發(fā)育成熟的胚胎會(huì)被移出孵化機(jī)。如果孵化機(jī)中的產(chǎn)熱量為每個(gè)18 d孵化期的平均值，那么孵化機(jī)的平均產(chǎn)熱量將約為5.4 kW，并且每臺(tái)孵化機(jī)每小時(shí)的CO2生成量為630 L。要達(dá)到4 000 μL/L的CO2含量，這意味著我們必須讓孵化機(jī)每小時(shí)的通風(fēng)量達(dá)到630 L/3.5 L＝180 m3。由于我們并不是每天都向孵化機(jī)中放置新的入孵種蛋，而是每隔3 d～4 d的時(shí)間放入的，因此孵化機(jī)的平均產(chǎn)熱峰值就會(huì)略高些，但理論上180 m3的通風(fēng)量足以達(dá)到4 000 μL/L的CO2含量。我們經(jīng)常在巷道式孵化機(jī)中看到更大的通風(fēng)量，這是因?yàn)樗鼈兊睦鋮s能力通常很有限，這也是CO2水平通常較低的原因。箱體式孵化機(jī)本身也是按巷道式孵化機(jī)的孵化模式操作的，因?yàn)榉趸瘷C(jī)中存在許多處于不同發(fā)育階段的受精種蛋。這意味著在計(jì)算孵化機(jī)的通風(fēng)速率時(shí)，我們可以使用所有孵化機(jī)的平均產(chǎn)熱量和CO2生成量。

2 基于RH水平的通風(fēng)

入孵種蛋產(chǎn)生的水分需要被去除。如果我們知道入孵種蛋水分的產(chǎn)量以及進(jìn)出孵化機(jī)的空氣的水分含量，那么我們就可以計(jì)算出需要多少空氣來(lái)去除水分。在采用較低的通風(fēng)速率時(shí)，孵化機(jī)機(jī)箱內(nèi)的RH會(huì)升高；在采用較大的通風(fēng)速率時(shí)，加濕器將能夠彌補(bǔ)孵化機(jī)機(jī)箱內(nèi)低RH的不足。

如果一臺(tái)孵化機(jī)的機(jī)箱放置了100 000枚重量平均為65 g的種雞蛋，那么孵化機(jī)中入孵種蛋的總重量是6 500 kg。入孵種蛋在18 d的孵化期中應(yīng)損失12%的重量，這完全是由于水分流失所致。這些入孵種蛋在18 d內(nèi)損失了780 kg的水，或每小時(shí)失去780 L/18 d/24 h＝1.8 L或1 800 g的水。每升水蒸發(fā)損失的熱量為2 260 kJ，所以蒸發(fā)1.8 L的水需要4.1 MJ的能量。入孵種蛋的比熱為3.4 kJ/kg/℃，所以將6 500 kg的入孵種蛋冷卻1 ℃需要22.1 MJ的能量。因此，因蒸發(fā)水分通過(guò)蛋重?fù)p失所導(dǎo)致的熱量損失會(huì)使入孵種蛋的平均溫度下降4.1/22.1＝0.18 ℃。相比之下，如果將相同數(shù)量的水分僅噴灑到10%的入孵種蛋上，這會(huì)使這些種蛋的溫度局部額外下降1.8 ℃，而其余90%的入孵種蛋則完全沒(méi)有受到影響。

空氣中的水分含量可以在莫里爾圖中看出，或者使用互聯(lián)網(wǎng)提供的眾多應(yīng)用程序和程序中查看。如果進(jìn)入孵化機(jī)機(jī)箱的空氣溫度為24 ℃、RH為60%，那么在水平面上每立方米空氣將含有13 g的水分。如果孵化機(jī)的孵化箱內(nèi)空氣溫度為37.5 ℃、RH為55%，那么機(jī)箱內(nèi)每立方米的空氣將會(huì)含有24.7 g的水分。這意味著通過(guò)孵化機(jī)的每立方米空氣將會(huì)帶來(lái)24.7 g-13 g＝11.7 g的水分。如果孵化機(jī)每小時(shí)需要移除1 800 g的水分，那么我們需要對(duì)孵化機(jī)設(shè)置的通風(fēng)量為1 800 g/11.7 g＝154 m3空氣。

在孵化期的后半程，移除CO2所需要的通風(fēng)速率要高于將RH維持在所需水平上的通風(fēng)速率。結(jié)果，孵化機(jī)對(duì)更多的潮濕空氣進(jìn)行了交換，并且開(kāi)始啟用加濕設(shè)備。如果基于CO水平的通風(fēng)速率為500 m3/h，那么孵化機(jī)需要噴灑多少水分？進(jìn)入孵化機(jī)的空氣含13 g/m的水分，排出孵化機(jī)的空氣含有24.7 g/m3的水分，導(dǎo)致每立方米的空氣損失11.7 g的水分當(dāng)通風(fēng)速率為500 m3/h時(shí)，交換的空氣每小時(shí)可除去500 m3/h×11.7 g/m3＝5 580 g水分。而入孵種蛋每小時(shí)可產(chǎn)生1 800 g水，所以孵化機(jī)每小時(shí)需要噴水5 580 g - 1 800

＝4 050 g，以將RH維持在55%。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)本身不是問(wèn)題，但是水的蒸發(fā)會(huì)消耗能量。由于這種能量主要由靠近噴霧器的入孵種蛋提供，因此這會(huì)造成孵化機(jī)機(jī)箱內(nèi)的溫度分布不均勻。

如果我們不想在孵化機(jī)內(nèi)噴水，那么當(dāng)孵化機(jī)的通風(fēng)速率提高到150 m3/h～160 m3/以上(位于我們確定的濕度和溫度水平上時(shí)，我們就必須接受孵化機(jī)機(jī)箱內(nèi)空氣RH的下降。如果不額外噴水，孵化機(jī)機(jī)箱內(nèi)空氣的RH就會(huì)下降。當(dāng)孵化機(jī)的通風(fēng)速率達(dá)到500 m3/h，入孵種蛋每小時(shí)產(chǎn)生1 800 g水時(shí)每立方米空氣將會(huì)獲得1 800 g/500 m3/h ＝3.6 g水分。如果進(jìn)入孵化機(jī)機(jī)箱的空氣每立方米含有13 g水分，那么孵化機(jī)機(jī)箱內(nèi)的空氣將會(huì)含有13 g＋3.6 g＝16.6 g的水分。溫度為37.5 ℃且含水量為16.6 g的空氣將會(huì)使RH達(dá)到37%。這一數(shù)值并不完全正確，因?yàn)檩^低的RH會(huì)增加入孵種蛋的水分損失量，并且與入孵種蛋產(chǎn)生1 800 g/h水分不同，它們將會(huì)損失更多的水分，因此孵化機(jī)機(jī)箱內(nèi)空氣的RH不會(huì)下降太劇烈，但會(huì)保持在40%～50%之間。這表明當(dāng)我們根據(jù)機(jī)箱中空氣的CO2水平進(jìn)行通風(fēng)且不希望啟動(dòng)噴霧器時(shí)，我們必須接受孵化期后期孵化機(jī)機(jī)箱內(nèi)空氣的RH相當(dāng)?shù)汀?/p>

3 基于溫度的通風(fēng)

特別是在孵化期的第二階段，我們需要排去入孵種蛋胚胎發(fā)育產(chǎn)生的熱量以避免種蛋過(guò)熱，這要求孵化機(jī)具備足夠的冷卻能力。冷卻可以通過(guò)三種不同的途徑實(shí)現(xiàn)：在孵化機(jī)中預(yù)置冷卻盤(pán)管、蒸發(fā)水分和通過(guò)交換空氣(通風(fēng))來(lái)散熱。

如果通風(fēng)是孵化機(jī)唯一的冷卻方式，我們可以根據(jù)進(jìn)出孵化機(jī)的空氣所含的能量值來(lái)計(jì)算所需的通風(fēng)速率。就像空氣中的水分含量(g/m3)一樣，空氣中的能量含量也可以在莫里爾圖中查到。溫度為24 ℃、RH為60%的孵化機(jī)機(jī)箱空氣含有約45 kJ/m3的能量。在空氣溫度為37.5 ℃、RH為55%的條件下運(yùn)行的孵化機(jī)中，其機(jī)箱中空氣的能量含量約為85 kJ/m3，因此通過(guò)孵化機(jī)的空氣每立方米將會(huì)吸收40 kJ的能量。

如果通風(fēng)是唯一的冷卻方式，在18 d的孵化期中，我們需要通過(guò)空氣交換除去15 kW的熱量。1 W等于1 J/s，因此15 kW的熱量就等于15 000 W×3 600 h＝54 000 kJ/h。因?yàn)槊苛⒎矫椎目諝鈺?huì)吸收40 kJ的能量，因此如果我們想通過(guò)通風(fēng)來(lái)去除胚胎產(chǎn)生的熱量，那么我們需要讓一臺(tái)孵化100 000枚種蛋的孵化機(jī)達(dá)到54 000/40＝1 350 m3空氣的通風(fēng)量。

一臺(tái)巷道式孵化機(jī)大約需要移除5.4 kW的熱量，正如在根據(jù)孵化機(jī)機(jī)箱內(nèi)空氣中的CO2水平設(shè)置通風(fēng)速率的那一節(jié)所講述的一樣，5.4 kW的熱量指的是5 400 W×3 600 h＝19 440 kJ/h。由于每立方米的通風(fēng)量增加了40 kJ的能量，這就需要每小時(shí)交換19 440/40＝486 m3的空氣。這種計(jì)算方法對(duì)進(jìn)入孵化機(jī)機(jī)箱的空氣條件相當(dāng)敏感。如果進(jìn)入孵化機(jī)機(jī)箱的空氣不是溫度為24 ℃、RH為60%的空氣，而是溫度為27 ℃、RH為60%的空氣，那么其能量含量將是53 kJ/m3，并且該空氣吸收的能量將是85 kJ/m3-53 kJ/m3＝32 kJ/m3而不是40 kJ/m3。對(duì)于箱體式孵化機(jī)，其18 d孵化期的通風(fēng)量應(yīng)提高到每小時(shí)54 000/32＝1 688 m3的空氣，這約增加了25%。

但是，大多數(shù)現(xiàn)代化孵化機(jī)都配備了除熱用的冷卻盤(pán)管。如果我們出于降低機(jī)箱內(nèi)空氣中的CO2含量的目的對(duì)孵化機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，那么我們需要將孵化機(jī)的通風(fēng)速度設(shè)置為500 m3/h。這個(gè)通風(fēng)量會(huì)帶走500×40 kJ＝20 000 kJ的熱量。但是，我們需要移除54 000 kJ的熱量，因此冷卻盤(pán)管每小時(shí)應(yīng)該能夠帶走54 000 - 20 000＝34 000 kJ的熱量。

如果我們知道通過(guò)冷卻盤(pán)管的水流量以及該冷卻盤(pán)管的進(jìn)入水和排出水的溫差，我們就可以估算出該冷卻系統(tǒng)的制冷效率。水的比熱能力為4.184 kJ/L/℃。這意味著1 L水需要4.184 kJ的熱量才能使其溫度升高1 ℃。也就是說(shuō)，如果冷卻盤(pán)管的進(jìn)入水和排出水的溫差為10 ℃，并且我們每小時(shí)需要去除34 000 kJ熱量，那么我們每小時(shí)需要的冷卻水流量為34 000 kJ/4 184 kJ/10 ℃＝813 L。

如果冷卻盤(pán)管的進(jìn)入水和排出水的溫差只有5 ℃，那么很顯然我們需要讓進(jìn)入冷卻盤(pán)管的水量加倍(34 000 kJ/4 184 kJ/5 ℃＝1 625 L/h)。如果我們不希望孵化機(jī)的通風(fēng)量超過(guò)降低機(jī)箱內(nèi)空氣中CO2含量所需的量，但是我們沒(méi)有給孵化機(jī)配備冷卻盤(pán)管，那么我們需要通過(guò)蒸發(fā)水分來(lái)排出熱量，同樣排出的熱量為34 000 kJ/h。每克水蒸發(fā)需要排放2.25 kJ的熱量，因此我們每小時(shí)需要蒸發(fā)34 000 kJ/2.25 kJ＝15.1 L的水。當(dāng)我們利用500 m3/h的通風(fēng)量排放這一數(shù)量的水時(shí)，那么每立方米的空氣將會(huì)獲得15 100 g/500 m3/h＝ 30.2 g的水。當(dāng)進(jìn)入孵化機(jī)的空氣溫度為24 ℃、RH為60%時(shí)，那么每立方米的空氣會(huì)含有13 g的水分。再加上入孵種蛋產(chǎn)生的水分(1 800 g/h即1 800 g/500 m3＝3.6 g/m3)以及噴霧的水(30.2 g/m3)，孵化機(jī)機(jī)箱內(nèi)空氣中的總含水量為13 g/m3＋3.6 g/m3＋30.2 g/m3＝46.8 g/m3，這一含水量超過(guò)100%的RH，顯然在我們需要依靠蒸發(fā)水分進(jìn)行冷卻時(shí)，我們就必須加大通風(fēng)量以獲得可接受的RH水平，或者我們必須接受我們需要啟用冷卻盤(pán)管來(lái)將入孵種蛋的溫度保持在可接受狀態(tài)下。

4 小結(jié)

孵化期的通風(fēng)是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。然而，通過(guò)運(yùn)用針對(duì)這一情況的系統(tǒng)方法和對(duì)物理機(jī)制的基本理解，我們可以讓這個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化。這會(huì)將其從一個(gè)黑盒子變成一個(gè)可以用計(jì)算器進(jìn)行分析的系統(tǒng)。該復(fù)雜的因素在于如果我們改變了一個(gè)參數(shù)，它會(huì)影響方程式中的其他部分。如果我們要改變孵化機(jī)機(jī)箱中的CO2水平，我們會(huì)改變孵化機(jī)的通風(fēng)水平，但改變了通風(fēng)就會(huì)影響RH和噴霧器的功能，結(jié)果這將會(huì)改變孵化機(jī)機(jī)箱中的溫度分布。因此，重要的是要考慮不同參數(shù)之間的相互作用，以充分理解此系統(tǒng)的邏輯。