付亞楠

摘 ?要：最佳的雛雞質(zhì)量和最高的孵化率很大程度上取決于我們在孵化機和出雛器內(nèi)創(chuàng)造的環(huán)境條件。當這些條件能夠滿足種蛋胚胎發(fā)育的需求時，種蛋內(nèi)容物轉化為胚胎以及胚胎的發(fā)育都會達到最佳狀態(tài)。結果是我們將能夠孵化出高質(zhì)量的1日齡雛雞。

關鍵詞：雞蛋;胚胎發(fā)育;通風

中圖分類號：S831 文獻標志碼：C 文章編號：1001-0769（2019）05-0041-05

除了進行充分的翻蛋外，孵化期的首要任務是控制種蛋的內(nèi)部溫度。因為這個溫度將會決定雞蛋胚胎發(fā)育的速度以及胚胎對營養(yǎng)物質(zhì)的需求和供給的平衡，因此準確且均衡地控制孵化溫度是必需的。第二要務是要恰當?shù)乜刂品趸瘷C的機箱在孵化期的相對濕度（Relative Humidity，RH）。種蛋在孵化過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力。在冷卻能力有限的老式孵化機中，要產(chǎn)生更多的冷卻效應必須要讓水分蒸發(fā)。隨著水分蒸發(fā)的進行，孵化機機箱中的RH會發(fā)生改變，因此RH對溫度控制也很重要。最后但并非最不重要的是，種蛋胚胎發(fā)育需要O2，并且會產(chǎn)生CO2，所以孵化機需要進行空氣交換以滿足這一要求。

在孵化過程的三個組成要素（溫度控制、RH調(diào)節(jié)和O2與CO2平衡）中，孵化機機箱內(nèi)的通風起著重要的作用。雖然我們非常清楚孵化機機箱內(nèi)需要有合適的溫度、RH和氣體交換率，并要進行正確的控制，但是我們不了解孵化機在不同孵化階段的正確通風速率，并且這經(jīng)常會成為人們爭論的話題。我們想通過本文將一些指標和回歸方程式組合起來，這有助于闡明在我們考慮孵化過程的通風量時需要考慮的不同方面。出于實用的目的，我們將重點討論孵化機的通風速率等，但是相同類型的回歸方程式也可以用于出雛機。在我們的方程式中，我們將使用一個標準的虛擬孵化機，該孵化機可以一次入孵100 000 枚平均重量為65 g、受精率為100%的種雞蛋（圖1）。該孵化機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 ?基于機箱中CO2水平的通風

讓我們從計算O2和CO2交換所需的通風量開始。為此，我們將重點關注CO2的產(chǎn)生和控制，因為這是決定通風需求的因素，重要程度遠超過對O2的控制。如果我們將孵化機機箱中的CO2控制在正確的水平上，O2將很可能不會成為限制因素。

在種蛋胚胎的生長過程中，種蛋內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)需要被轉變?yōu)闄C體的組織，這一過程需要O2的參與，并會產(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個種蛋胚胎）的產(chǎn)熱量，就可以利用Brouwer（1965）公式計算出單位時間內(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，或一臺孵化100 000枚種蛋的孵化機在18 d的孵化過程中可產(chǎn)生15 kW的熱量。種蛋胚胎每產(chǎn)生1 kW的熱量，其每小時就能夠產(chǎn)生117 L的CO2。因此，孵化至第18天時，100 000個種蛋胚胎每小時大約產(chǎn)生1 750 L CO2。

如果我們知道CO2的生成量以及孵化機機箱內(nèi)所允許的CO2水平，那么我們就可以計算出讓孵化機機箱中的CO2達到這一水平時所需的通風速率。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。孵化機將產(chǎn)生1 750 L CO2，因此如果種蛋的胚胎要在通過孵化機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在胚胎發(fā)育到18 d時的通風速率必須達到1 750 L/ 3.5 L=500 m?空氣。

如果我們想要讓孵化機機箱內(nèi)空氣中的CO2濃度保持在較低的水平上，或進入孵化機機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有更大的通風量。如果我們想把孵化機機箱內(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 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （因為吸入的空氣并不是完全新鮮）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。由于雞蛋在孵化過程中每小時仍會產(chǎn)生1 750 L CO2，那么我們應該使孵化機的通風量為1 750 L/2 L=875 m?。在經(jīng)過半個孵化期即孵化到第9天時，種蛋胚胎的個體還比較小，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，此時每臺孵化機產(chǎn)生2.2 kW的熱量而不是第18天時的15 kW熱量。在這一階段，種蛋的胚胎每小時約產(chǎn)生260 L CO2。如果我們?nèi)匀恍枰狗趸瘷C機箱內(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)在每小時僅產(chǎn)生260 L CO2，因此孵化機的通風速率大約需要調(diào)整到每小時260 L/ ? ? 3.5 L≈75 m?空氣。

在巷道式孵化機中，我們需要根據(jù)種蛋胚胎的平均大小來進行通風，因為新的入孵種蛋會連續(xù)不斷地放入孵化機機箱中，同時發(fā)育成熟的胚胎會被移出孵化機。如果孵化機中的產(chǎn)熱量為每個18 d孵化期的平均值，那么孵化機的平均產(chǎn)熱量將約為5.4 kW，并且每臺孵化機每小時的CO2生成量為630 L。要達到4 000 μL/L的CO2含量，這意味著我們必須讓孵化機每小時的通風量達到630 L/3.5 L=180 m?。由于我們并不是每天都向孵化機中放置新的入孵種蛋，而是每隔3 d～4 d的時間放入的，因此孵化機的平均產(chǎn)熱峰值就會略高些，但理論上180 m?的通風量足以達到 ? ? 4 000 μL/L的CO2含量。我們經(jīng)常在巷道式孵化機中看到更大的通風量，這是因為它們的冷卻能力通常很有限，這也是CO2水平通常較低的原因。箱體式孵化機本身也是按巷道式孵化機的孵化模式操作的，因為孵化機中存在許多處于不同發(fā)育階段的受精種蛋。這意味著在計算孵化機的通風速率時，我們可以使用所有孵化機的平均產(chǎn)熱量和CO2生成量。

2 ?基于RH水平的通風

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)量以及進出孵化機的空氣的水分含量，那么我們就可以計算出需要多少空氣來去除水分。在采用較低的通風速率時，孵化機機箱內(nèi)的RH會升高;在采用較大的通風速率時，加濕器將能夠彌補孵化機機箱內(nèi)低RH的不足。

如果一臺孵化機的機箱放置了100 000枚重量平均為65 g的種雞蛋，那么孵化機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)水分通過蛋重損失所導致的熱量損失會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)提供的眾多應用程序和程序中查看。如果進入孵化機機箱的空氣溫度為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。如果孵化機的孵化箱內(nèi)空氣溫度為37.5 ℃、RH為55%，那么機箱內(nèi)每立方米的空氣將會含有24.7 g的水分。這意味著通過孵化機的每立方米空氣將會帶來24.7 g-13 g=11.7 g的水分。如果孵化機每小時需要移除1 800 g的水分，那么我們需要對孵化機設置的通風量為 ? ? ? 1 800 g/11.7 g=154 m?空氣。

在孵化期的后半程，移除CO2所需要的通風速率要高于將RH維持在所需水平上的通風速率。結果，孵化機對更多的潮濕空氣進行了交換，并且開始啟用加濕設備。如果基于CO2水平的通風速率為500 m?/h，那么孵化機需要噴灑多少水分？進入孵化機的空氣含13 g/m?的水分，排出孵化機的空氣含有24.7 g/m?的水分，導致每立方米的空氣損失11.7 g的水分。當通風速率為500 m?/h時，交換的空氣每小時可除去500 m?/h×11.7 g/m?=5 580 g水分。而入孵種蛋每小時可產(chǎn)生1 800 g水，所以孵化機每小時需要噴水5 580 g - 1 800 g ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? =4 050 g，以將RH維持在55%。實現(xiàn)這一目標本身不是問題，但是水的蒸發(fā)會消耗能量。由于這種能量主要由靠近噴霧器的入孵種蛋提供，因此這會造成孵化機機箱內(nèi)的溫度分布不均勻。

如果我們不想在孵化機內(nèi)噴水，那么當孵化機的通風速率提高到150 m?/h～160 m?/h ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?以上（位于我們確定的濕度和溫度水平上）時，我們就必須接受孵化機機箱內(nèi)空氣RH的下降。如果不額外噴水，孵化機機箱內(nèi)空氣的RH就會下降。當孵化機的通風速率達到 ? 500 m?/h，入孵種蛋每小時產(chǎn)生1 800 g水時，每立方米空氣將會獲得1 800 g/500 m?/h =3.6 g水分。如果進入孵化機機箱的空氣每立方米含有13 g水分，那么孵化機機箱內(nèi)的空氣將會含有13 g+3.6 g=16.6 g的水分。溫度為37.5 ℃且含水量為16.6 g的空氣將會使RH達到37%。這一數(shù)值并不完全正確，因為較低的RH會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，它們將會損失更多的水分，因此孵化機機箱內(nèi)空氣的RH不會下降太劇烈，但會保持在40%～50%之間。這表明當我們根據(jù)機箱中空氣的CO2水平進行通風且不希望啟動噴霧器時，我們必須接受孵化期后期孵化機機箱內(nèi)空氣的RH相當?shù)汀?/p>

3 基于溫度的通風

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熱，這要求孵化機具備足夠的冷卻能力。冷卻可以通過三種不同的途徑實現(xiàn)：在孵化機中預置冷卻盤管、蒸發(fā)水分和通過交換空氣（通風）來散熱。

如果通風是孵化機唯一的冷卻方式，我們可以根據(jù)進出孵化機的空氣所含的能量值來計算所需的通風速率。就像空氣中的水分含量（g/m?）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%的孵化機機箱空氣含有約45 kJ/m?的能量。在空氣溫度為37.5 ℃、RH為55%的條件下運行的孵化機中，其機箱中空氣的能量含量約為85 kJ/m?，因此通過孵化機的空氣每立方米將會吸收40 kJ的能量。

如果通風是唯一的冷卻方式，在18 d的孵化期中，我們需要通過空氣交換除去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。因為每立方米的空氣會吸收40 kJ的能量，因此如果我們想通過通風來去除胚胎產(chǎn)生的熱量，那么我們需要讓一臺孵化100 000枚種蛋的孵化機達到54 000/40=1 350 m?空氣的通風量。

一臺巷道式孵化機大約需要移除5.4 kW的熱量，正如在根據(jù)孵化機機箱內(nèi)空氣中的CO2水平設置通風速率的那一節(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量增加了40 kJ的能量，這就需要每小時交換19 440/40=486 m?的空氣。這種計算方法對進入孵化機機箱的空氣條件相當敏感。如果進入孵化機機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/m?，并且該空氣吸收的能量將是85 kJ/m?-53 kJ/m?=32 kJ/m?而不是40 kJ/m3。對于箱體式孵化機，其18 d孵化期的通風量應提高到每小時54 000/32=1 688 m?的空氣，這約增加了25%。

但是，大多數(shù)現(xiàn)代化孵化機都配備了除熱用的冷卻盤管。如果我們出于降低機箱內(nèi)空氣中的CO2含量的目的對孵化機進行通風，那么我們需要將孵化機的通風速度設置為500 m?/h。 ?這個通風量會帶走500×40 kJ=20 000 kJ的熱量。但是，我們需要移除54 000 kJ的熱量，因此冷卻盤管每小時應該能夠帶走 ?54 000 - 20 000=34 000 kJ的熱量。

如果我們知道通過冷卻盤管的水流量以及該冷卻盤管的進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，如果冷卻盤管的進入水和排出水的溫差為10 ℃，并且我們每小時需要去除34 000 kJ熱量，那么我們每小時需要的冷卻水流量為34 000 kJ/4 184 kJ/10 ℃=813 L。

如果冷卻盤管的進入水和排出水的溫差只有5 ℃，那么很顯然我們需要讓進入冷卻盤管的水量加倍（34 000 kJ/4 184 kJ/5 ℃=1 625 L/h）。如果我們不希望孵化機的通風量超過降低機箱內(nèi)空氣中CO2含量所需的量，但是我們沒有給孵化機配備冷卻盤管，那么我們需要通過蒸發(fā)水分來排出熱量，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，因此我們每小時需要蒸發(fā)34 000 kJ/2.25 kJ=15.1 L的水。當我們利用500 m?/h的通風量排放這一數(shù)量的水時，那么每立方米的空氣將會獲得15 100 g/500 m?/h=30.2 g的水。當進入孵化機的空氣溫度為24 ℃、RH為60%時，那么每立方米的空氣會含有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 m?=3.6 g/m?）以及噴霧的水（30.2 g/m?），孵化機機箱內(nèi)空氣中的總含水量為13 g/m?+3.6 g/m?+30.2 g/m?=46.8 g/m?，這一含水量超過100%的RH，顯然在我們需要依靠蒸發(fā)水分進行冷卻時，我們就必須加大通風量以獲得可接受的RH水平，或者我們必須接受我們需要啟用冷卻盤管來將入孵種蛋的溫度保持在可接受狀態(tài)下。

4 ?小結

孵化期的通風是一個復雜的問題。然而，通過運用針對這一情況的系統(tǒng)方法和對物理機制的基本理解，我們可以讓這個復雜的問題簡單化。這會將其從一個黑盒子變成一個可以用計算器進行分析的系統(tǒng)。該復雜的因素在于如果我們改變了一個參數(shù)，它會影響方程式中的其他部分。如果我們要改變孵化機機箱中的CO2水平，我們會改變孵化機的通風水平，但改變了通風就會影響RH和噴霧器的功能，結果這將會改變孵化機機箱中的溫度分布。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。

原題名：Calculators and incubators（英文）

原作者：Ron Meijerhof和Sander Lourens（荷蘭）