鮑恩財 林勇 趙偉 葉成智 閆俊書 宦海琳 孫雪峰 鄒吉寶

摘要：本研究旨在探討最小通風模式對層疊籠養(yǎng)肉鴨舍內環(huán)境參數(shù)的影響。選擇秋季肉鴨育肥后期（32～35日齡）進行試驗，通過檢測鴨舍內溫度、濕度、風速、NH3質量濃度、CO2質量濃度，構建鴨舍CFD模型，模擬并分析溫度場與氣流場分布特征。結果表明：連續(xù)測試4 d，舍外溫度6.31～26.12 ℃，舍內氣溫15.98～24.85 ℃;舍外相對濕度13.74%～91.49%，舍內相對濕度28.94%～79.68%;舍內風速波動范圍0.30～0.81 m/s，CO2與NH3質量濃度變化范圍分別為1 462～2 798 mg/m3、0.05～0.87 mg/m3。模擬試驗鴨舍溫度場與氣流場，模擬仿真值與實測值間相對誤差為0.8%～1.3%，說明所建CFD模型數(shù)值模擬與試驗數(shù)據(jù)間高度吻合。每層鴨籠水平剖面溫度場與氣流場分布模擬結果分別揭示了各層面縱向中部溫度均高于兩端區(qū)域，以及各層中部至風機處氣流流速均大于其他區(qū)域;此外，南北兩側對稱分布通風小窗進入氣流形成對沖并匯聚，致使氣流分布不均。該研究可為層疊籠養(yǎng)鴨舍結構優(yōu)化設計與環(huán)境調控提供參考。

關鍵詞：層疊籠養(yǎng);肉鴨;環(huán)境參數(shù);溫度;氣流

中圖分類號：S817文獻標識碼：A文章編號：1000-4440（2020）03-0648-08

Mensuration and analysis of environmental parameters in cascading cage-rearing meat duck house with minimum ventilation in the autumn

BAO En-cai1，LIN Yong1，ZHAO Wei2，YE Cheng-zhi2，YAN Jun-shu2，HUAN Hai-lin2，SUN Xue-feng2，ZOU Ji-bao3

（1.Institute of Agricultural Facilities and Equipment， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Protected Agriculture Engineering in the Middle and Lower Reaches of Yangtze River， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing 210014， China;2.Institute of Animal Science， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Crop and Animal Integrated Farming， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing 210014， China;3.Ecolovo， Xintai 271200， China）

Abstract：The study aimed to detect the effects of minimum ventilation mode on the environmental parameters in the cascading cage-rearing meat duck house. During the latter finishing period of meat duck （32-35 d）in the autumn， temperature， humidity， wind speed， CO2 mass concentration and NH3 concentration were measured， and CFD model of duck house was conducted to simulate and analyze the distribution pattern of temperature and airflow. The results showed that the outside air temperature was 6.31-26.12 ℃， and the inside air temperature varied from 15.98 ℃ to 24.85 ℃ during four consecutive days of testing. The relative humidity outside the house was 13.74%-91.49%， and the inside relative humidity was 28.94%-79.68%. The air speed in the house was 0.30-0.81 m/s， and the mass concentrations of CO2 and NH3 were 1 462-2 798 mg/m3 and 0.05-0.87 mg/m3， respectively. The relative error between simulated and measured results in temperature and wind speed was 0.8%-1.3%， which indicated the high agreement between the digital simulation of the constructed model and the experimental results. Simulated results along horizontal profile of each tier cage showed that inside air temperature at central region of each layer was higher than that in the forepart and back from longitudinal angle， while airflow velocity from the middle of each layer to the fan was higher than other areas. Furthermore， airflow field was uneven due to incoming airstream which from bilateral symmetry window run into each other and gathered. And this study can provide references for the optimization design and environmental regulation of cascading cage-rearing duck house.

Key words：cascading cage-rearing;meat duck;environmental parameters;temperature;airflow

近年來，為節(jié)約養(yǎng)殖用地資源、提升標準化健康養(yǎng)殖水平，養(yǎng)鴨產業(yè)圍繞層疊籠養(yǎng)新模式進行不斷的實踐與創(chuàng)新[1-2]。肉鴨層疊籠養(yǎng)借鑒肉雞多層立體籠養(yǎng)，多采用三層直立式籠具，每層鴨籠下方均設有自動傳送帶，并實現(xiàn)喂料、飲水以及環(huán)境控制等方面的自動化管理[3-4]。層疊籠養(yǎng)肉鴨舍采取密閉飼養(yǎng)，設施裝備排布密集，人工調控通風方式是管理該集約化養(yǎng)殖環(huán)境的最重要手段[5-6]。若氣流不暢則易導致溫度分布不均、濕度升高以及空氣污濁，嚴重影響動物的生產性能與健康狀況。目前，鴨舍仍缺乏成熟、有效的通風策略可供參考[6-11]。

計算流體力學（Computational fluid dynamics，CFD）可數(shù)字化三維穩(wěn)態(tài)模擬畜禽養(yǎng)殖氣流場與溫度場，是快速評估與優(yōu)化畜禽舍內環(huán)境控制的有效手段[12-14]。Kic等[15]通過現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)實測與CFD模擬，獲得肉雞舍夏季與冬季特定通風策略下氣流場與溫度場分布規(guī)律，為雞舍結構合理設計與環(huán)境優(yōu)化提供了科學依據(jù)。姚家君等[6]采用CFD方法對反季節(jié)鵝舍進行氣流場模擬與評估分析，提出并驗證了梁下添加卷膜可優(yōu)化舍內氣流。目前，圍繞特定通風模式下層疊籠養(yǎng)肉鴨舍內各環(huán)境參數(shù)的變化特性，進行CFD氣流場模擬還鮮有報道。

本研究以層疊式籠養(yǎng)肉鴨舍為研究對象，對最小通風模式下鴨舍內溫濕度，氣流，CO2及NH3質量濃度進行分析，運用CFD進行溫度與氣流組織模擬分析，旨在為層疊式籠養(yǎng)肉鴨舍環(huán)境控制設計與通風策略制定提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1供試鴨舍

1.1.1鴨舍結構試驗鴨舍位于山東省新泰市益客集團生態(tài)肉鴨科研基地（35°30′N，117°27′E）。鴨舍坐北朝南，長80.0 m，寬13.0 m，屋脊高4.0 m，檐高2.6 m（圖1）。鴨舍上部等距設有11個輕型鋼主梁，屋面鋪設100 mm厚彩鋼聚苯乙烯夾芯板，內側面噴涂30 mm聚氨酯發(fā)泡保溫材料。墻體由240 mm空心磚砌筑，內側抹15 mm厚水泥砂漿。鴨舍西側設有3.0 m長的倉儲室，通過推拉門（高2.30 m×寬2.18 m）與養(yǎng)殖區(qū)隔離。鴨舍南北側墻分別均勻設置24個通風小窗（長560 mm×高360 mm），小窗下邊緣距離地面高度為1.94 m。南北側墻的西段與中段分別安裝大（長11.0 m×高1.5 m）、?。ㄩL6.0 m×高1.5 m）2種降溫濕簾，濕簾凸出外側墻體500 mm，濕簾下邊緣距離地面高度為0.9 m。通風小窗與濕簾風口啟閉均通過100 mm厚彩鋼聚苯乙烯夾芯板來控制。東山墻安裝兩排風機，上排2臺風機，葉輪直徑1.0 m，理論風量為20 000 m3/h;下排6臺風機，葉輪直徑1.38 m，理論風量為42 000 m3/h（圖2）。

1.1.2養(yǎng)殖設施如圖3所示，鴨舍內設有5列3層式層疊籠具，每列長69.80 m、寬1.00 m，高2.02 m，每層含67個重復鴨籠（長1 000 mm×寬1 000 mm×高400 mm）。育肥中后期，單個鴨籠飼養(yǎng)肉鴨15只。每層鴨籠下方安裝糞便收集傳送帶，鴨籠底部距離傳送帶高度由上至下依次為260 mm、260 mm與300 mm。鴨舍內共有6個過道，每過道寬度由側墻至舍內中部依次為1.395 m、1.250 m、1.100 m（南北側對稱）。此外，配備大型行車式自動喂料系統(tǒng)、歪嘴球閥式自動飲水系統(tǒng)，以及全自動水暖鍋爐循環(huán)加溫系統(tǒng)。

1.1.3通風模式供試鴨舍采用負壓縱向通風，進風口為通風小窗，同時結合企業(yè)生產實踐與當?shù)貧夂蛟O計最小通風模式。

“×”表示溫濕度測點位置，“○”表示風速、CO2質量濃度、NH3質量濃度測點位置。

“×”表示溫濕度測點位置，“○”表示風速、CO2與NH3質量濃度測點位置。

設定秋季鴨舍通風的目標溫度為20.1 ℃，當舍內溫度≤20.1 ℃時執(zhí)行最小通風量，即選擇4號和7號2臺風機間歇式運行：開150 s，停150 s，再開150 s，如此循環(huán)往復。

當舍內氣溫>20.1 ℃時即切換為3號、5號和8號風機間歇式運行，開50 s，停250 s，再開50 s，如此循環(huán)往復;溫度每升高0.1 ℃，3臺風機多運行25 s，如舍內氣溫為20.3 ℃時，則3臺風機開100 s，停200 s，再開100 s，如此循環(huán)往復。

當舍內氣溫=21.1 ℃時，則3號、5號和8號風機連續(xù)運行。

當舍內氣溫>21.1 ℃且≤22.1 ℃，則在3號、5號和8號風機連續(xù)運行的基礎上，打開1號或2號風機。

當舍內氣溫>22.1 ℃，開啟4臺大風機，即3號、5號、6號和8號風機。

1.2試驗設計

選擇同批次櫻桃谷肉鴨育肥后期（32～35日齡）進行試驗，即2018年10月21日00∶00至25日00∶00。測試期為秋季，未啟用加溫設備，鴨糞收集傳送帶每天早晚自動清糞2次。溫濕度測點共計5個，分別為由北向南第二列第三層與第四列第一層鴨籠中部的2個測點，以及第三列第二層鴨籠起始、正中與末端的3個測點（圖1，圖3）。采用HOBO UX100-011型溫濕度記錄儀（美國Onset公司產品）進行測量，溫度量程：-20～70 ℃，精度為±0.2 ℃;相對濕度量程為：1%～95%，精度為±2.5%。鴨舍外空曠地帶架設小型氣象站，同步監(jiān)測溫濕度。上述儀器測試時間均設置間隔為10 min。

鴨舍由北向南選擇第一列第三層、第三列第二層以及第五列第一層處縱向均布5個點，共計15個點用于監(jiān)測風速、CO2質量濃度、NH3質量濃度（圖1，圖3）。選用Testo425熱敏風速儀（德國Testo公司產品）測量風速，測量范圍0～20 m/s，分辨率0.01 m/s。采用MS400-3便攜式檢測儀（深圳逸云天公司產品）測定CO2質量濃度、NH3質量濃度，分辨率均為0.1 mg/m3。上述儀器記錄數(shù)據(jù)的時間均為每天9∶00、12∶00、15∶00、18∶00、21∶00。

2結果與分析

2.1舍內外溫濕度

因鴨舍內溫濕度測點較多，故采用平均數(shù)作圖（圖4）。如圖4a所示，4 d測試期間舍外氣溫6.31～26.12 ℃，平均氣溫15.46 ℃;舍內氣溫15.98～24.85 ℃，平均氣溫20.37 ℃。舍內外平均溫差4.91 ℃，最大溫差12.72 ℃。如圖4b所示，舍外最低相對濕度13.74%，最高相對濕度91.49%，平均相對濕度57.05%;舍內最低相對濕度28.94%，最高相對濕度79.68%，平均相對濕度59.72%。舍內相對濕度變化趨勢與幅度與舍外基本保持一致。

2.2舍內風速、CO2質量濃度、NH3質量濃度

舍內風速、CO2質量濃度、NH3質量濃度測點共有15處，因監(jiān)測數(shù)據(jù)較多，采用東西方向同一列采集數(shù)據(jù)的平均數(shù)進行作圖，由北向南第一列第三層、第三列第二層以及第五列第一層分別記為N1、N2和N3。如圖5a所示，連續(xù)4 d平均風速波動范圍依次為0.41～0.81 m/s、0.30～0.72 m/s、0.35～0.60 m/s。試驗期間，第1 d 9∶00 N1平均風速為0.63 m/s，顯著高于N2（P<0.05），其余各組間無顯著差異（P>0.05）;第2 d 21∶00、第3 d 9∶00 N1平均風速最高，且均顯著高于N3（P<0.05），其余各組間無顯著差異（P>0.05）。

由圖5b可知，連續(xù)4 d舍內N1、N2、N3 CO2質量濃度呈現(xiàn)波浪形振蕩，約每日12∶00時CO2質量濃度處于或接近低谷，CO2質量濃度峰值多處于21∶00或21∶00～9∶00，期間N1、N2、N3平均CO2質量濃度變化范圍依次為1 564～2 519 mg/m3、1 462～2 798 mg/m3、1 804～2 491 mg/m3;此外，第1 d 9∶00 N2平均CO2質量濃度顯著高于N1和N3（P<0.05），其余時間段各組間均無顯著差異（P>0.05）。圖5C所示，N1、N2與N3 4 d內平均NH3質量濃度范圍分別為0.32～0.85 mg/m3、0.05～0.75 mg/m3、0.16～0.87 mg/m3，且監(jiān)測期間各組間均無顯著差異（P>0.05）。

a：10月21日0∶00;b：10月21日12∶00;c：10月22日0∶00;d：10月22日12∶00;e：10月23日0∶00;f：10月23日12∶00;g：10月24日0∶00;h：10月24日12∶00;i：10月25日0∶00。

a：10月21日09∶00;b：10月21日21∶00;c：10月22日09∶00;d：10月22日21∶00;e：10月23日09∶00;f：10月23日21∶00;g：10月24日09∶00;h：10月24日21∶00。

2.3氣流場與溫度場CFD仿真模擬

2.3.1鴨舍模型建立為全面展示鴨舍內主要環(huán)境參數(shù)的分布特征，本研究對溫度與風速進行三維數(shù)值模擬。該模擬將熱空氣簡化為不可壓定常流，流場中氣體的流動需遵守質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律以及組分守恒定律[16]。運用Unigraphics軟件按實際鴨舍尺寸等比例創(chuàng)建3D幾何模型，且計算模型考慮通風期間溫度與濕度的相對變化。為方便研究，將不開啟的濕簾、鴨籠與食槽等結構進行簡化處理，忽略其對氣流的影響。試驗期間肉鴨養(yǎng)殖量巨大，對氣流會產生一定的影響，故將每列每層鴨籠、鴨糞傳送帶分別進行整體處理，以不同的多孔介質形式給出，計算對氣體阻礙的影響。

2.3.2網(wǎng)格劃分如圖6所示，采用ICEM-CFD對鴨舍整體進行網(wǎng)格劃分，整個模型網(wǎng)格最大邊長設置為50 mm，對籠具、鴨糞多孔介質域與鴨舍域交界面進行適當?shù)木W(wǎng)格加密，加密尺寸為3 mm，網(wǎng)格膨脹系數(shù)為1.4，整體模型單元數(shù)為6 389 884。

2.3.3邊界條件根據(jù)熱工學理論基礎，舍內空氣滿足以下氣體狀態(tài)方程：

式中：P為流體壓力;R為摩爾氣體常數(shù)，空氣取值287.06;T為流體溫度。由該公式可知，常溫條件下空氣密度變化極小，故采用idea-gas對鴨舍內空氣進行處理，并作為常物性對待，不考慮空氣溫度、黏度等隨壓力的變化。

采用馬赫爾數(shù)來判別流體是否為壓縮流體，如下式所示：

將本試驗鴨舍內風速代入式中，得出M<0.3，因此將舍內氣體歸類為不可壓縮流體。

此外，本試驗鴨舍CFD模型采用標準k-ε湍流模型。

2.3.4CFD模型驗證

為驗證建立的鴨舍仿真模型計算的正確性，將仿真模擬值與實測值進行比對，結果如圖7所示：室內溫度、風速模擬仿真值與實測值的變化趨勢一致，平均相對誤差分別為0.8%與1.3%，表明數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測有較好的吻合度。

a：10月21日0∶00;b：10月21日12∶00;c：10月22日0∶00;d：10月22日12∶00;e：10月23日0∶00;f：10月23日12∶00;g：10月24日0∶00;h：10月24日12∶00;i：10月25日0∶00。

a1：10月21日09∶00;b1：10月21日21∶00;c1：10月22日09∶00;d1：10月22日21∶00;e1：10月23日09∶00;f1：10月23日21∶00;g1：10月24日09∶00;h1：10月24日21∶00。

2.3.5鴨舍溫度分布CFD模擬

針對試驗鴨舍內每層鴨籠，本研究模擬出相應高度的水平剖面溫度分布圖。如圖8所示，沿通風方向舍內各層面中部溫度高于兩端區(qū)域，尤其第1～2層中部至風機口，溫度呈現(xiàn)總體下降趨勢，且鴨籠處溫度總體高于過道。

2.3.6鴨舍風速分布CFD模擬

圖9顯示了本試驗鴨舍內每層鴨籠對應的水平剖面氣流分布圖。鴨舍內縱向氣流呈現(xiàn)不均勻特性，每層中部至風機口處的氣流流速均大于其他區(qū)域，鴨舍中部呈現(xiàn)較明顯的阻滯;此外，舍內第三層通過南北兩側的通風小窗進入的氣流呈現(xiàn)對沖效應，且舍內縱向中間風速高于兩側。

3討論

隨著現(xiàn)代養(yǎng)禽業(yè)集約化程度的提高，環(huán)境因素影響動物生長與健康愈發(fā)顯著[17-20]。本研究圍繞最小通風模式對秋季立體籠養(yǎng)鴨舍內環(huán)境質量影響進行研究。結合生產實踐與研究報道，育成期肉禽的最適生長溫度為18～24 ℃，理想相對濕度為60%～70%[3，17]。本研究測試期間，鴨舍內平均溫度為15.98～24.85 ℃，基本與最適溫度范圍相符，且舍內溫度波動幅度小于舍外環(huán)境，說明鴨舍密閉效果較好;但舍內相對濕度為28.94%～79.68%，相對濕度長期過低（<40%）或過高（>75%）易影響舍內空氣質量，同時對家禽生長性能、抗氧化能力與免疫功能產生不利的影響，因此養(yǎng)鴨過程中需采取一定的保濕或除濕措施來調節(jié)舍內濕度水平[17，21]。下一步將研究恒溫恒濕技術在層疊式籠養(yǎng)肉鴨舍的應用，提高鴨舍內環(huán)境溫濕度調控水平。

通常增大風速可進一步排除舍內污濁空氣。本研究中鴨舍采取側小窗進風、縱向通風的模式，并結合舍內氣溫實施最小通風模式，試驗期間鴨舍內風速波動范圍0.30～0.81 m/s。吳艷等在四層層疊式籠養(yǎng)鴨舍環(huán)境參數(shù)研究中開啟12～14臺風機，平均風速波動范圍0.33～2.77 m/s，通風策略不同應該是其風速與本研究有差異的主要原因[2]。CO2主要源于肉鴨呼吸與糞便的釋放，是反應舍內空氣新鮮程度的重要指標，通常與舍內風速呈顯著負相關，且相關研究推薦傳送帶清糞式禽舍內CO2質量濃度控制上限為5 000 mg/m3[22-23]。本研究鴨舍測試期間CO2平均質量濃度變化范圍為1 462～2 798 mg/m3，尚處在合理范圍內，且呈現(xiàn)中午低晚上高的波浪形振蕩，應與夜晚溫度較低而開啟最小通風有關。此外，測試期間NH3質量濃度在0.05～0.87 mg/m3內波動，日常清糞結合有效通風可有效降低NH3質量濃度[24]。

本研究采用CFD對試驗鴨舍進行溫度與風速三維數(shù)值模擬，進一步深入分析舍內溫度與氣流的分布特性。試驗期間，舍內各層面縱向中部的溫度高于兩端區(qū)域，分布較為不均，多層立體籠具導致氣流阻滯應是造成肉鴨所產熱量在鴨舍中部匯聚的原因，這在氣流分布圖中也得到一定的驗證。此外，鴨舍內第三層南北兩側通風小窗因對稱分布導致進入氣流發(fā)生對沖，進而匯聚并致使中間氣流流速高于兩側。因此，可考慮通過調整通風小窗位置、立體籠具層高等措施來進一步優(yōu)化鴨舍內氣流的循環(huán)流通，并維持溫度與氣流分布更加均勻。

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（責任編輯：陳海霞）