高云, 王瑜, 魯斯迪, 雷明剛, 羅俊杰, 黎煊

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生豬健康養(yǎng)殖協(xié)同創(chuàng)新中心， 武漢 430070； 3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院動物醫(yī)學(xué)院， 武漢 430070)

集約化豬舍內(nèi)的熱環(huán)境是影響?zhàn)B豬生產(chǎn)效率的重要因素。豬熱應(yīng)激時，采食量、運動量和生產(chǎn)率均減少，料肉轉(zhuǎn)化率下降[1]；豬冷應(yīng)激時，會增加采食量，增加運動或產(chǎn)生發(fā)抖現(xiàn)象，將攝入的飼料大量轉(zhuǎn)換為熱能來維持體溫恒定，同樣導(dǎo)致料肉轉(zhuǎn)化率下降[2-3]。豬的熱感知與新陳代謝和環(huán)境的熱平衡有關(guān)，受溫濕度、風(fēng)速和熱輻射等多種因素影響。要準確地衡量豬對熱環(huán)境感知情況，評價豬在該熱環(huán)境下的舒適程度，亟需一種比常用的溫濕度指標(temperature and humidity index，THI)[4]更細致且能綜合反映豬在熱環(huán)境下感知的評價指標，將有助于優(yōu)化豬舍內(nèi)環(huán)境控制，改善豬舍內(nèi)的熱環(huán)境。

關(guān)于豬熱舒適性的研究最早開始于20世紀70年代。從最初的單一溫度標準轉(zhuǎn)變?yōu)槟壳俺Ｓ玫臏貪穸染€性組合[5]。汪開英[6]研究了溫濕度指標(THI)不同取值范圍下豬體出現(xiàn)熱應(yīng)激反應(yīng)的情況；吳中紅等[7]研究發(fā)現(xiàn)，不同通風(fēng)模式下豬舍熱環(huán)境參數(shù)對母豬生產(chǎn)性能的影響顯著不同；耿愛蓮等[8]觀測24 h內(nèi)不同時間的風(fēng)速、溫濕度等指標，發(fā)現(xiàn)豬舍人工調(diào)控通風(fēng)方式對育肥豬場環(huán)境的影響更為顯著。上述研究多采用溫度、濕度作為主要評價參數(shù)，部分研究加上風(fēng)速來評價豬舍熱環(huán)境優(yōu)劣。從熱平衡原理上來說，人體與豬熱舒適感都取決于新陳代謝與熱交換。Fanger[9]于1972年建立預(yù)測平均投票模型(predicted mean vote，PMV)，綜合計算人所處環(huán)境的舒適性；Funakoshi等[10]在列車空調(diào)系統(tǒng)中引入人體PMV指標控制；王偉等[11]和楊惠等[12]研究了住宅內(nèi)的人體熱舒適性；在ISO7730標準[13]中，人體熱舒適指標包括環(huán)境因素(空氣干球溫度、水蒸氣分壓力和流速、室內(nèi)物體和壁面的輻射溫度)與自身因素(新陳代謝率和服裝熱阻)兩方面。豬與人體不同，無法用語言來表達對熱環(huán)境的感知，但借鑒人體的熱舒適評價方法，可用豬體新陳代謝率和毛發(fā)熱阻替代人體的新陳代謝率和服裝熱阻，將Fanger的人體主觀反應(yīng)試驗結(jié)論應(yīng)用于豬體，進一步提出更準確的豬熱舒適性評價指標。

豬生活區(qū)的溫度、濕度、風(fēng)速等分布不均勻，導(dǎo)致熱舒適度分布也不均勻,采用CFD模擬方法可分析豬舍的熱環(huán)境分布。目前，CFD技術(shù)被廣泛應(yīng)用于豬舍內(nèi)溫濕度及風(fēng)速流場分析。黃全豐等[14]采用CFD穩(wěn)態(tài)模擬得到機械通風(fēng)室內(nèi)溫度分布云圖；鄧書輝等[15]采用CFD研究低屋面橫向通風(fēng)豬舍氣流場的分布；任守綱等[16]利用CFD方法構(gòu)建了時空變化預(yù)測模型；林加勇等[17]采用標準湍流模型進行網(wǎng)格劃分并通過多孔介質(zhì)等效對漏縫地板進行簡化處理；Wang等[18]通過CFD建模方法虛擬研究了風(fēng)洞對奶牛立臥傳熱的影響。上述研究中，CFD技術(shù)被用于豬舍內(nèi)溫度、濕度和風(fēng)速的分布場模擬，如在此基礎(chǔ)上結(jié)合影響豬舒適感的指標，可對整個豬生活區(qū)熱環(huán)境舒適情況進行評價模擬，更能直觀和準確地反映豬在生活區(qū)的熱環(huán)境感知情況。

本文綜合溫度、濕度、風(fēng)速、平均輻射溫度，毛發(fā)熱阻和新陳代謝率6種因素建立豬體PMV指標綜合評判豬舍的熱舒適性，并以夏季濕簾作用下的豬舍為例用CFD模擬了豬舍的熱舒適性分布，通過在豬舍內(nèi)實地測量來驗證熱環(huán)境評價仿真模型的可行性和準確性，為實現(xiàn)豬舍環(huán)境的精確控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 豬體的熱平衡分析

豬體與周圍環(huán)境的熱交換包括熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射和熱蒸發(fā)四種方式[19-21]。為了維持恒定的體溫，豬體的產(chǎn)熱和散熱需達到平衡。當(dāng)平衡打破時，豬就會感受到冷或者熱。豬體的熱平衡方程與人體熱平衡方程相似，如式(1)所示[22]。

S=M-W-R-C-E-K

(1)

式中，S表示豬體的蓄熱率，M表示豬體的新陳代謝率，W為豬體的運動功率，R為豬體與環(huán)境的輻射換熱率，C為豬體與環(huán)境的對流換熱率，E為豬體由于呼吸、皮膚表面水分蒸發(fā)及出汗與豬舍環(huán)境的潛熱換熱率，K為豬體與地板的熱傳導(dǎo)換熱率，單位均為W·m-2。

1.1.1豬體的新陳代謝率 新陳代謝是豬體維持生命活動的基礎(chǔ)。豬體和人體的體型大小相近，代謝強度近似相等，豬體新陳代謝率表達式[23]如下。

M=21(0.23RQ+0.77)VO2/AD

(2)

式中，RQ為豬體吸入O2的量和排出CO2的量之比，人體靜止時為0.8左右，豬體新陳代謝率和人體靜態(tài)時代謝率相類似，這里取0.8；VO2為0 ℃、101.325 kPa條件下，單位時間消耗O2的體積，mL·s-1；AD為豬體總表面積，m2。

1.1.2豬體的運動功率 豬體運動功率取決于活動強度。相較于人體，豬的活動較少，強度較弱。人體運動效率在不同活動強度下一般為 5 %～10 %[24]，對豬體而言，豬長時間躺臥，運動量小，這里忽略W，取值為0。

1.1.3豬體與地板間的熱傳導(dǎo) 豬每天躺臥時間幾乎可以占到20 h以上，所以躺臥熱傳導(dǎo)交換占熱傳導(dǎo)的主要比例。在躺臥時，豬體熱傳導(dǎo)所產(chǎn)生的熱流量與地面接觸面積和導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)。以育肥豬為例，豬體躺臥時豬體體表20%的面積與地板接觸[25]，地板導(dǎo)熱系數(shù)越低，傳導(dǎo)速率越慢。豬體毛發(fā)表面與地板之間的熱傳導(dǎo)換熱率計算如式(3)所示。

K=λA(Ts-Tf)/(LAD)

(3)

式中，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·℃-1；A表示豬體皮膚表面和地板的接觸面積，m2；Ts為豬體皮膚表面攝氏溫度，℃；Tf為地板底部攝氏溫度，℃；L為地板表面與地板底部之間的距離，m；AD為豬體總表面積，m2。

地板由磚砌成，查表得λ為0.75 W·m-1·℃-1。經(jīng)測量，豬體皮膚表面與地板的接觸面積平均值為0.4 m2，豬體總表面積均值為1 m2。測量結(jié)果結(jié)合計算得豬體皮膚表面溫度為37.6 ℃，地板底部溫度為26.6 ℃，地板表面與地板底部之間的距離為0.25 m。

1.1.4豬體與周圍表面的熱輻射 豬體與周圍表面的熱輻射取決于豬體表面與周圍表面的溫差，輻射換熱公式如式(4)所示[26]。

R=Aeff×εfclσ(tcl4-tr4)/AD

(4)

式中，R表示豬體與環(huán)境的輻射換熱率，即輻射等效熱流密度，W·m-2；Aeff為豬體的有效輻射面積，m2；ε為豬體的平均表面黑度，取0.95；fcl為豬體面積系數(shù)；σ為黑體的輻射常數(shù)，5.67×10-8W·m-2·K-4；tcl為豬體毛發(fā)開氏溫度，K；tr為環(huán)境的平均輻射開氏溫度，K。

豬體有效輻射面積與豬體總表面積的比值在不同的姿勢下會發(fā)生變化，人體有效輻射面積系數(shù)測試結(jié)果的平均值為0.71[27]，故豬體有效輻射面積為豬體總表面積的71% 。

1.1.5豬體與環(huán)境的對流換熱 豬體與環(huán)境之間的熱對流是豬體熱交換的主要方式，熱對流C用牛頓換熱公式計算[28]。

C=fclhc(Tcl-Ta)

(5)

式中，fcl為豬體面積系數(shù)；hc為豬體與環(huán)境的對流換熱系數(shù)，W·m-2·℃-1；Tcl為豬體毛發(fā)攝氏溫度，℃；Ta為環(huán)境攝氏溫度，℃。

1.1.6豬體與環(huán)境的潛熱交換 豬體的皮膚汗腺不發(fā)達，主要通過呼吸排出的水蒸氣進行潛熱交換[29]。氣溫過高時，豬場會向豬體皮膚表面噴灑一定量的水，水蒸發(fā)將帶走豬體的熱量[30-31]。豬體的潛熱(E)交換用式(6)表示[32]。

E=Ediff+Erew+Eres+Cres

(6)

式中，Ediff為豬體皮膚擴散蒸發(fā)散熱率，W·m-2；Erew為豬體排汗蒸發(fā)熱損失率，W·m-2；Eres為豬體呼吸蒸發(fā)熱損失率，W·m-2；Cres為豬體呼吸的顯熱損失率，W·m-2。

1.2 豬舍熱舒適性指標及評價方法

豬體PMV指標(PMVpig)借鑒于人體舒適度指標[33-34]，值越大，豬體就覺得越熱，值越小，豬體就覺得越冷[35-36]。豬體熱舒適感指標PMVpig表示為豬體新陳代謝率和豬體蓄熱率之間關(guān)系，如式(7)所示。

PMVpig=[0.303×exp(-0.036M)+0.028]×S

(7)

式中，PMVpig為豬體PMV指標；S為豬體的蓄熱率，W·m-2,即豬體產(chǎn)熱率與散熱率之間的差值，這一項可由豬體熱平衡方程(8)得出。

S=(M-W)-3.05[5.733-0.007(M-W)-Pa]-0.42[(M-W)-58.2]-1.7×10-2M(5.867-Pa)-0.001 4M(34-Ta)-3.82×10-8fcl(tcl4-tr4)-fclhc(Tcl-Ta)

(8)

式中，Pa為水蒸氣分壓力，kPa；fcl為豬體面積系數(shù)，由毛發(fā)熱阻Icl決定，兩者成正比關(guān)系；hc為對流換熱系數(shù)，W·m-2·℃-1，與環(huán)境風(fēng)速v有關(guān)。其中Tcl豬體毛發(fā)攝氏溫度，測量均值為30 ℃。

根據(jù)Fanger的7級冷熱生理感覺標尺，針對豬體PMV指標同樣地采用7級分度，見表1。

表1 豬體PMV指標的層級分度表Table 1 Hierarchical scale of pig body PMV index

1.3 豬舍熱環(huán)境測量

在豬舍內(nèi)部均勻放置多個無線傳感器節(jié)點實時監(jiān)測豬舍內(nèi)的熱環(huán)境分布，對 CFD 模型進行驗證。每個傳感器節(jié)點裝載溫度、濕度、風(fēng)速、黑球溫度等多個傳感器模塊，可實時測量豬舍內(nèi)的溫濕度、風(fēng)速和平均輻射溫度。

為測試濕簾的降溫效果，選擇在氣溫較高(最高為 35 ℃)的天氣實地測量，于 2018 年 9 月 24 日在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)集約化豬舍進行。豬舍長 25 m,寬 8 m，墻壁為磚和水泥等材料，墻體厚 0.25 m，屋頂用保溫板吊頂，吊頂距離地面高 2.5 m，單一走廊寬 1 m，刮糞池深 0.8 m，半漏縫地板占總豬圈面積的 1/4。舍內(nèi)有兩列豬欄，各有 9 個欄位，結(jié)構(gòu)相同，兩側(cè)共計滿載 18 只豬入欄。南北各開 8 個寬 1.2 m、高1 m 窗戶。

測試時間從早上9點到次日早上9點，測量點選擇距離地面0.6 m且不宜被豬體損壞的豬生活區(qū)，節(jié)點布置如圖1 所示。12 個監(jiān)測節(jié)點對稱布置，編號為1、2、7、8 的4個節(jié)點距離西邊端墻5 m；5、6、11和12號4個節(jié)點距離東邊端墻5 m；中間4個節(jié)點，各節(jié)點與最近的側(cè)墻距離為0.1 m。

1.4 CFD建模與仿真

1.4.1豬舍的網(wǎng)格劃分及豬體模型 豬舍用石膏板吊頂，在機械通風(fēng)模式下，忽略環(huán)境風(fēng)速對舍內(nèi)氣流的影響。采用ANSYS(17.0，美國)軟件ICEM 劃分四面體網(wǎng)格，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)無關(guān)性檢驗，確定網(wǎng)格尺寸為0.01 m，對24.5 m×7.5 m的流體空間進行劃分，自動生成數(shù)量為558 930的網(wǎng)格，網(wǎng)絡(luò)最小角度為63.047°，長寬比為1.215，質(zhì)量為0.972，質(zhì)量較好。風(fēng)機和濕簾等與外界氣流交互處0.1 m距離內(nèi)采取局部加密，靠近墻壁附近的空間區(qū)域也進行漸進加密，增加模型計算的準確性。

豬體與周圍的熱環(huán)境存在相互影響，本文將豬只考慮到計算模型中，采用長方體結(jié)構(gòu)模擬[37-38]，將豬體和地面接觸部分作為豬舍地面的一部分，這樣既保證了建模系統(tǒng)的準確性，又避免運算量過大。

1.4.2湍流模型和多孔介質(zhì)模型 假設(shè)豬舍內(nèi)氣體是常溫、低速、不可壓縮氣體，遵循質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律[39]，不考慮風(fēng)機通風(fēng)過程中的組分變化，采用湍流模型進行流體仿真。

濕簾空氣入口處采用多孔介質(zhì)模型，濕簾通風(fēng)阻尼系數(shù)與經(jīng)過濕簾的風(fēng)速正相關(guān)。豬舍的出風(fēng)口為一排帶風(fēng)筒的風(fēng)機，將風(fēng)扇模型建立成一個無厚度的薄面，壓差與風(fēng)機風(fēng)速正相關(guān)[40]，風(fēng)扇連通域同樣采用多孔介質(zhì)模型，邊緣采用壓力出口定義風(fēng)機出口。

(9)

1.4.4其他邊界條件 豬舍濕簾設(shè)為速度入口邊界，北側(cè)、西北側(cè)、西南側(cè)和南側(cè)風(fēng)速分別為1.38、1.27、1.28、0.94 m·s-1；風(fēng)機出口設(shè)為壓力出口邊界；墻壁設(shè)為壁面邊界，紅磚水泥結(jié)構(gòu)，東、西、南、北墻溫度分別為27.7、29.3、28.6和27.1 ℃；豬體和豬舍頂部為無滑移壁面，豬體溫度37.6 ℃，石膏板吊頂溫度29 ℃。相應(yīng)的材質(zhì)數(shù)據(jù)和模型參數(shù)如表2所示。

表2 材質(zhì)數(shù)據(jù)和模型參數(shù)Table 2 Material data and model parameter

2 結(jié)果與分析

2.1 CFD模擬網(wǎng)格獨立性和可信性驗證

選擇三種不同密度的網(wǎng)格模型來驗證網(wǎng)格獨立性和可信性。設(shè)置模型A、B、C的網(wǎng)格數(shù)量分別為150 565、558 930和855 674。將三種網(wǎng)格模型進行CFD仿真試驗，得到節(jié)點處測量值與仿真值如圖2所示。模型A的仿真值與測量值偏差較大，在9 %左右，而模型B、C的仿真值與測量值相差不大，且偏差都在6 % 以內(nèi)，由此可知，模型B、C滿足網(wǎng)格無關(guān)性和可信性驗證條件，相比之下，模型B網(wǎng)絡(luò)數(shù)量較少，運算量小，故采用模型B進行數(shù)值仿真。

2.2 CFD仿真結(jié)果分析

2018年9月14日13:00，在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)豬舍中進行多點位節(jié)點監(jiān)測實驗，選取Z=0.6 m和Z=1.2 m豬生活區(qū)水平面對比高度水平面進行CFD仿真。

2.2.1溫度場分析 由圖3可以看出，當(dāng)Z=0.6 m時，溫度平均值為24.4 ℃，波動區(qū)間為23.8～26.6 ℃，溫度場分布較為均勻，溫度沿濕簾進風(fēng)口到風(fēng)機逐漸增高，但差異較小，溫度波動控制在2 ℃左右，靠近墻壁區(qū)域溫度較走廊位置高，溫度變化率大，整體降溫效果良好。當(dāng)Z=1.2 m時，溫度平均值為24.2 ℃，波動區(qū)間為22.2 ～28.8 ℃，溫度沿著入風(fēng)口方向逐漸升高，降溫效果不斷減弱，墻角和邊緣處溫度較走廊和靠近入風(fēng)口的地方偏高，整體降溫效果較為均勻。

2.2.2濕度場分析 由圖4可以看出，當(dāng)Z=0.6 m時，濕度整體偏高，均值為73.8%，波動區(qū)間為50%～80%。靠近濕簾入風(fēng)口處濕度值較低，處于50%～60% 之間，過第一個欄位后大部分數(shù)值接近70% 左右，整體來看豬舍該高度水平面上濕度場分布較為均勻，但在豬舍入風(fēng)口處的濕度與整體濕度差別較大。當(dāng)Z=1.2 m時，濕度均值為78%，整體濕度值較豬生活區(qū)水平面有一定的提高，豬舍分布均勻性更為明顯，超過90 % 以上區(qū)域濕度差值在5 % 以內(nèi)，但與Z=0.6 m水平面不同的是靠近濕簾入風(fēng)口處的濕度仿真值較高，濕度偏大。

2.2.3風(fēng)速場分析 由圖5可以看出，當(dāng)Z=0.6 m時，整體風(fēng)速較小，均值為0.25 m·s-1，波動范圍為0～0.5 m·s-1，中間走廊區(qū)域出現(xiàn)渦流現(xiàn)象導(dǎo)致風(fēng)速值上升，在入風(fēng)口處風(fēng)速較小，基本處于無風(fēng)的狀態(tài)，走廊中部由于無柵欄影響風(fēng)速較高，走廊底部風(fēng)速也是較小，存在較大的死角。當(dāng)Z=1.2 m時，風(fēng)速均值為0.50 m·s-1，波動范圍為0～2.0 m·s-1，沿入風(fēng)口向出風(fēng)口方向，風(fēng)速呈現(xiàn)明顯的階梯變化，越靠近入風(fēng)口和出風(fēng)口處，風(fēng)速變化率越大，改變更為劇烈，由于入風(fēng)口的不對稱性，氣流存在偏移，導(dǎo)致一側(cè)風(fēng)速較小，中部區(qū)域氣流則較為均勻，一般在0.4 m·s-1左右。

2.2.4豬體PMV分析 由圖6可以看出，當(dāng)Z=0.6 m時，整體豬體PMV指標較小，均值為0.34，波動范圍為-0.5～+0.5，標準差為0.243，靠近濕簾入風(fēng)口處指標為負數(shù)，說明屬于偏冷狀態(tài)，沿入風(fēng)口向出風(fēng)口方向，指標上升為正值，屬于偏熱狀態(tài)，整體處于熱舒適范圍內(nèi)，但中后部的豬體PMV指標偏高，指標波動較大。當(dāng)Z=1.2 m時，豬體PMV均值為0.63，波動范圍為0.5 ～ 0.8，標準差為0.196，較Z=0.6 m處來說，標準差變小，分布相對均勻，指標整體數(shù)值有所提高，較少出現(xiàn)局部過冷或者過熱的現(xiàn)象。

3 討論

現(xiàn)階段評價豬舍熱環(huán)境的方法主要有兩類:一類是采用諸如THI的多因素指標，另一類是多種單因素指標組合的評價形式。其中THI綜合考慮影響豬舍熱環(huán)境的兩個重要因素溫度和濕度，得到一個簡單多因素評價指標，雖然該指標計算簡便，也能一定程度評價豬舍熱環(huán)境的好壞情況，但沒有將影響豬舍熱環(huán)境的因素考慮全面，具有一定的局限性，而且該指標主要用于豬體熱應(yīng)激的判斷，對較冷熱環(huán)境的評價描述不足。單因素指標多種組合的評價形式也是豬舍熱環(huán)境評價的一個有效手段，其基于層次分析和最優(yōu)化控制策略原理，分析討論得到各熱環(huán)境因素的最佳波動范圍，該類評價方法對于影響熱環(huán)境的因素考慮較為全面，但缺點是不能通過單一指標準確定量判斷豬舍熱環(huán)境的狀況。

對比而言，本文提出的豬體PMV指標評價方法將影響豬舍熱環(huán)境的因素全面考慮，熱環(huán)境的描述評價較THI指標來說范圍擴大，將豬舍冷熱環(huán)境情況都包括在內(nèi)，同時又能通過單一指標定量的對豬舍熱環(huán)境情況作出冷熱判斷，彌補了單因素指標多種組合評價形式下環(huán)境冷熱定量分析判斷的不足。本文引入豬舍熱舒適性的評價指標，對濕簾作用下的豬舍熱環(huán)境進行了仿真分析，結(jié)果證明，豬舍PMV指標可以較好判斷豬舍整體的熱舒適性情況，為將來豬舍環(huán)境控制的優(yōu)化提供強有力的理論依據(jù)。由于該指標是借鑒人體熱舒適性評價方法來進行研究分析的，因此該豬舍熱環(huán)境評價指標也有一定的局限性，存在相對的冷熱誤判，這也是該豬舍熱舒適性評價指標需要不斷完善的地方。