加裝大風量風機對夏季濕簾降溫奶牛舍的防暑降溫效果分析

陳昭輝，任方杰，于 桐，湯 漫，蔣瑞祥，劉繼軍，李樹靜，蘇 昊

·農業生物環境與能源工程·

加裝大風量風機對夏季濕簾降溫奶牛舍的防暑降溫效果分析

陳昭輝1，任方杰1，于 桐1，湯 漫1，蔣瑞祥1，劉繼軍1※，李樹靜2，蘇 昊3

（1. 中國農業大學動物科技學院，北京 100193；2.石家莊天泉良種奶牛有限公司，石家莊 050227； 3.北京東石北美牧場科技有限公司，北京 100102）

低屋面橫向通風（Low Profile Cross Ventilated，LPCV）牛舍在華北地區應用，引發高溫高濕問題。為解決此問題，該研究選擇石家莊某奶牛場的2 棟不同尺寸的LPCV牛舍，加裝數量不同的軸流風機。結果表明：軸流風機的工作效率受牛舍跨度以及其安裝位置的影響，30 m跨度牛舍運行更穩定，風速不均勻系數小于0.20；在74 m跨度牛舍，南側濕簾端的風機工作效率更高。舍內環境與奶牛生理指標評價表明：30 m跨度舍加裝軸流風機后，過簾風速為2.17±0.20 m/s，提升45.6%，舍內臥欄處風速為1.95±0.85 m/s、提升10.8%，進風量增加418 339.09 m3/h，舍內平均溫度為27.7±1.9 ℃，相對濕度下降9.2%、平均值為（75.9±6.6）%。74 m跨度舍過簾風速為1.96±0.20 m/s，臥欄處平均風速為1.62±0.91 m/s，進風量為1 008 568.80 m3/h，平均溫度為27.7±1.8 ℃，舍內平均相對濕度為（74.6±5.8）%；二棟牛舍內平均溫度、相對濕度、奶牛呼吸頻率與皮膚溫度在加裝軸流風機后無顯著性差異（>0.05）。綜上，加裝軸流風機可以顯著改善舍內環境，并創造有利于奶牛生存的環境。

溫度；通風；風機；低屋面橫向通風；奶牛舍；熱環境；熱應激；優化

0 引 言

低屋面橫向通風（Low Profile Cross Ventilated，LPCV）牛舍具有節約占地面積，縮短擠奶廳與牛舍間的距離的特點。Lobeck等的研究表明，只有當舍內奶牛飼養密度大于7.4 m2/頭時，有害氣體濃度才會超過限定值[1]。華北地區屬于暖溫帶大陸季風氣候區，每年7－8月份以悶熱少雨天氣為主，相對濕度在52%～82%[2]。舍外相對濕度大，影響濕簾冷風機等焓降溫效果，在舍外溫度36.2 ℃，相對濕度55%的條件下，LPCV牛舍舍內溫度降低7.7 ℃，相對濕度近于飽和[3]。高濕環境會使奶牛熱應激反應加劇[4]。持續熱應激導致奶牛死亡率的上升、乳品質下降以及產奶量下降[5]。

LPCV牛舍本身還存在著兩側風速高、中部風速低的問題，這與舍內障礙物導致氣流動量損失以及氣流方向的偏移有關。如飼喂擋墻以及奶牛本身都會對氣流的前進方向產生影響，使其發生向上的偏移，容易導致臥欄處風速低、環境不適宜，導致臥欄利用效率低。Zhou等的研究表明，在舍內奶牛躺臥處加裝導流板可以顯著提高奶牛躺臥區域風速并降低ETIC（Equivalent Temperature Index for Cattle）值[6]；CFD模擬結果表明加裝導流板可以使溫度與氣流場的分布均勻性顯著提高[7]。但是，加裝導流板后LPCV牛舍的通風阻力呈增加趨勢[8]，不利于風速與風量的提升，并會降低負壓風機的效率，因此不能完全解決舍內氣流分布不均以及風速低的問題。

低壓大流量軸流風機具有風量大、氣流穩定、耗能低的優點，被廣泛應用于農業生產之中。目前關于軸流風機性能改良的研究較多而關于其在生產中的應用方式與效果的研究較少。如丁濤等的研究發現，加裝一定長度的導流罩可以有效抑制葉頂泄漏渦的發展，增大風機風量[9]，盛曉茜等的研究發現，加裝導流板可以增加風機流場的均勻度，減小風機出口處的風壓[10]。若要將軸流風機應用于LPCV牛舍內部，則需解決2個問題。首先，軸流風機最佳工作靜壓范圍較窄，當偏離額定工況時風機工作效率下降[11]。在實際生產中，采用改變轉速或改變投入運行的風機數量的方式保證軸流風機的工作效率與流量[12]。其次，LPCV牛舍內環境情況較為復雜，一方面有負壓通風所形成的舍內橫向氣流，一方面舍內設施的存在會對氣流的運動方向造成影響，使氣流的動量損失。因此，如若在舍內加裝軸流風機，必須根據舍內橫向的氣流運動規律，確定安裝位置與安裝角度。

為改善夏季中國華北地區的LPCV牛舍舍內高溫高濕的環境狀況，并且解決牛舍環境均勻度差的問題，在牛舍內增設低壓大流量軸流風機，比較增加設備前后同一牛舍內環境與奶牛生理狀況的變化，評價軸流風機用于大跨度LPCV牛舍時，舍內的風速分布均勻度以及對奶牛的影響，為改良LPCV牛舍并促進其在華北地區的實際應用提供解決方案。

1 材料與方法

1.1 試驗牛舍的選擇與基本情況

選擇河北省石家莊市天泉良種奶牛有限公司的2棟東西走向、砌體結構、彩鋼板雙坡屋頂、濕簾-風機橫向通風模式、尺寸不同的LPCV牛舍。1號舍建筑尺寸為75.0 m×30.0 m×4.2 m，4列臥欄、5列走道。2號舍建筑尺寸為60.0 m×74.0 m×4.2 m，9列臥欄、11列走道。2棟舍的飼養管理制度相同，均采用TMR（Total Mixed Rations）飼喂。5:00、12:00、18:00和24:00集中擠奶。清糞方式均為刮糞板清糞，每日清糞5～6次。

1號舍內每2 列臥欄中間有通長導流板，下沿距離地面2.2 m。舍北墻有上下2排負壓風機，共25臺。南墻有尺寸為68.0 m×2.5 m×0.15 m的濕簾，濕簾距地1.1 m，設計過簾風速為2.5 m/s。2號舍內，濕簾端第1列臥欄上方有通長導流板，其余每2列臥欄中間有通長導流板，下沿距離地面2.2 m。舍北墻有上下2 排負壓風機，共40 臺。南墻安裝有尺寸為53.0 m×2.7 m×0.15 m的濕簾。濕簾距地0.8 m，設計過簾風速為2.5 m/s。2棟舍北墻的負壓風機型號均為Munters EM50。

1.2 舍內軸流風機選型、安裝及牛舍通風量的計算

根據LPCV牛舍空氣流場模擬結果[13]，與預試驗實測結果，在1號舍第1、2列臥欄上方導流板的背風側，加裝12 臺賽科龍風機。在2號舍的第2、3列與第6、7列臥欄上方導流板的背風側，各加裝9 臺賽科龍風機，共18臺。軸流風機安裝在舍內，布置如圖1所示。本試驗中的軸流風機采用皮帶傳動的驅動方式，扇葉直徑1 830 mm，額定功率2 237.1 W，最大風量8 600 0 m3/h，風機裝備6塊導流板，用于定向氣流。

LPCV牛舍通風量應根據換氣率確定。根據CFD模擬結果與實測結果，推薦夏季換氣率為60 s[14-16]。夏季理論推薦通風量的計算式為式（1）。由于本試驗中牛舍的風機端泌乳通道總保持敞開，實際排風量無法準確計算，故實際通風量按照濕簾端進風量計算，進風量的計算式如式（2）。

0=3 600/air（1）

=進=3 600p·p（2）

式中0為夏季推薦通風量，m3/h；為牛舍體積，m3；air為牛舍換氣率，s；為實際通風量，m3/h；進為通過濕簾的進風量，m3/h；p為濕簾面積，m2；p為過簾風速，m/s。

注：表示軸流風機，●表示牛舍內環境指標測點。

Note:represents axial flow fan, ●represents measuring points of environmental indicators in cowshed.

圖1 牛舍內環境指標測點平面布置

Fig.1 Plan arrangement of measuring points in cowshed

1.3 試驗周期與試驗分組

試驗周期分別為2017-07-12至2017-07-20，2019-07-17至2019-07-28。2017年夏季試驗期間，1號舍舍內飼養128 頭荷斯坦奶牛，未在舍內加裝軸流風機，用NAFF1（No AxialFlowFan 1）表示。2019年夏季試驗期間，1號舍內飼養144 頭荷斯坦奶牛，已加裝軸流風機，用AFF1（AxialFlowFan 1）表示；2號舍內飼養220 頭荷斯坦奶牛，已加裝軸流風機，用AFF2（AxialFlowFan 2）表示。本試驗為探究加裝軸流風機前后對LPCV牛舍內環境的影響，將處理組NAFF1與AFF1的臥欄處風速及相關環境指標進行比較分析；為探究軸流風機應用于大跨度牛舍時對舍內環境均勻度的影響，單獨對處理組AFF2內不同臥欄處的風速及相關環境指標進行比較分析。

1.4 試驗方法

1.4.1 LPCV舍環境指標測定

測定指標包括溫度、相對濕度、氨氣濃度、二氧化碳濃度、舍內風速、濕簾端過簾風速。使用手持溫濕度計（型號TES-625，精度±0.3 ℃，±2% RH）在1.2 m高度處手持測定溫度、相對濕度，舍內CO2濃度測定采用CO2檢測儀（型號TES-1370，精度為±50 mg/L）， NH3測定采用NH3檢測儀（SZ-JSA8-NH3，精度為≤±3%）。風速的測定采用熱敏式風速儀（型號 MODEL6004，精度為±0.1 m/s），舍內風速測點的高度為1.2 m，環境指標的測定時間均為每日3 次（8:00、14:00、20:00）。舍內測點布置如圖1所示。

1.4.2 溫濕度指數與奶牛等溫指數

溫濕度指數（Temperature Humidity Index, THI），是綜合溫度與相對濕度評價熱環境的指標，式（3）為THI指數的計算式[17-19]。本試驗利用THI指數分析評價不同時間牛舍內的熱環境狀況。分析加裝軸流風機前后舍內THI指數的變化趨勢，以及加裝軸流風機的不同尺寸的牛舍內THI指數的變化趨勢。

THI=(1.8a+32)?(0.55?0.0055RH)×(1.8a?26)（3）

式中a為室內溫度，℃；RH為室內相對濕度，%。

奶牛等溫指數（Equivalent Temperature Index for Cattle，ETIC）是綜合考慮溫度、相對濕度、風速與太陽輻射對奶牛影響的熱環境指標[18]。其中太陽輻射對于家畜的影響主要分為太陽直接輻射、散射輻射與地面的反射[19]，本試驗中，LPCV牛舍運行過程中保持全封閉的狀態，每日僅在正常的飼養管理安排下，東西兩側的卷簾才部分打開，太陽直接輻射、散射輻射量可忽略不計。此外，僅在戶外散養狀態下地面作為輻射源加以考慮[20]。太陽輻射對于舍內奶牛的影響主要體現在圍護結構外表面吸收太陽輻射熱量，經傳熱作用后間接影響舍內空氣溫度[12]。故不考慮太陽輻射量直接對奶牛的影響。式（5）為ETIC指數的計算式。利用ETIC指數評價奶牛臥欄上的熱環境狀況。分析比較加裝軸流風機前后同一臥欄上ETIC值的差異，以及同一牛舍內不同臥欄間ETIC值的差異。

ETIC=a+rh+u+rad（4）

ETIC=a?0.003 8a(100?RH)?0.117 30.707(39.2?a)+

0.000 186a·sr （5）

式中rh為相對濕度等效空氣溫度，℃；u為室內風速等效空氣溫度，℃；rad為太陽輻射等效空氣溫度，℃；為風速，m/s；sr為太陽輻射量，W/m2。

1.4.3 生理指標指標測定

試驗期間，每日1 號舍隨機選取20頭牛，2號舍選取30頭牛測定體溫和呼吸頻率。

1.4.4 軸流風機工作效率測定

由于射流出口溫度與室內空氣溫度的差值極小，阿基米德數||＜0.001，故忽略射流彎曲，射流方向為設計的風機送風方向（與水平地面呈30°夾角）。選取風機射流方向上距出口斷面3.0 m (A)、4.5 m (B)、6.0 m (C)共3個風速測定平面，測定高度分別為2.0、1.3、0.5 m；每個測定平面內取3個測點，分別為A1～A3、B1～B3、C1～C3，其中A2、B2、C2為射流軸心速度測點，同一平面內測點間隔均為1.0 m。對測定平面的平均風速以及各個平面的射流軸心風速進行統計分析，將實測風速與標準測試條件下（無外接因素干擾，壓頭接近于無壓），風機運行產生的風速進行比較，評價風機的運行情況。軸流風機的測點分布如圖2所示。1 號舍共選取4 部互不相鄰的軸流風機；2號舍每列選取5 部互不相鄰的軸流風機，共10部進行試驗測定。測定時間為每日8:00、14:00、20:00。

為評價沿風機射流軸向方向上的氣流場均勻性，參照民用建筑的氣流分布性能的評價標準，引入氣體不均勻系數h[21]，h越小，氣流分布越均勻，即流場均勻性越好。

式中v為第個測點的氣流速度，m/s；為測點數；v為與風機軸心距離為的平面上的平均氣流速度，m/s。

1.4.5 統計與分析方法

采用 SPSS Statistics 17.0和Excel軟件進行數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 軸流風機工作效率評價

對2棟舍共3排軸流風機的射流軸心風速進行單因素方差分析與多重比較，所得結果如圖3a所示。1號舍與2 號舍的2排風機在平面A處，軸心風速分別為2.11、2.55、2.23 m/s；平面B處，軸心風速分別為2.00、2.04、1.83 m/s；平面C處，軸心風速分別為1.66、1.83、1.46 m/s；平面A至平面C，軸心風速分別衰減21.3%、28.2%、34.5%。3個測定平面均表現出2號舍第2、3列臥欄處軸心風速最高的規律，其中平面A、平面C處的方差分析結果表現出顯著性差異（＜0.05）。在標準測試條件下，平面A與平面C的平面平均風速分別為3.67和3.45 m/s，對比標準測試條件下的測試結果可知，在本試驗條件下，射流核心區域衰減較快，在距牛舍地面2.0 m高度處射流已經進入主體段，射流擴散作用強，對周圍空氣的引流作用強。

對2棟舍共3 排軸流風機的平面平均風速進行單因素方差分析與多重比較，所得結果如圖3b所示。1號舍與2 號舍的2排風機在平面A處，平面平均風速分別為1.66、1.46、1.21 m/s；平面B處，平面平均風速分別為1.61、1.17、1.03 m/s；平面C處，平面平均風速分別為1.24、1.00、0.91 m/s；平面A至平面C，平面風速分別衰減25.3%、31.5%、24.8%。本試驗條件下，1號舍內軸流風機的射流斷面平均風速相當于標準測試條件下，距出口斷面30 m處的平面平均風速，即1.72 m/s。對于平面平均風速的分析結果表明，各平面內，1號舍內軸流風機的平均風速均顯著高于其他2排機風速（＜0.05）；2號舍第6、7列臥欄處平面平均風速最低，并在平面A處顯著低于第2、3列臥欄處風機風速（＜0.05）。

為評價沿風機射流軸向方向上的氣流場均勻性，對距風機軸心不同水平距離的3個截面（?1.0、0、1.0 m）內的風速不均勻系數進行單因素方差分析與多重比較，所得結果如圖3c所示。1號舍與2 號舍的2排風機在?1.0 m截面處，不均勻系數分別為0.13、0.25、0.11，在0截面處，不均勻系數分別為0.20、0.33、0.17，在1.0 m截面處，不均勻系數分別為0.17、0.19、0.11。各平面均表現出2 號舍第2、3列臥欄處射流不均勻系數最高的規律，其中在?1.0 m、0截面處2 號舍第2、3列臥欄處射流不均勻系數顯著高于其他2排風機（＜0.05）。此外，3排風機均表現出軸心區域（0 截面）不均勻系數最大，而兩側較小的規律。

2號舍6、7列臥欄處風機的不均勻系數較低，因為其射流風速一直處于相對最低的狀態。2號舍6、7列臥欄處風機的各平面的軸心風速與平面風速均最低，這說明軸流風機的安裝位置會影響其工作效率。軸流風機具有流量大、壓力低的特點，其最高效率點出現在壓頭接近無壓自由排出的狀態，當其安裝在舍中部時，由于壓降的升高會導致風機射流的出流速度降低[21]，而湍流動能的增大，則會導致流體的動量損失增大[22]。

2.2 LPCV牛舍環境評價

將2017-07-12至2017-07-20，2019-07-17至2019-07-28的舍外溫度與相對濕度進行分析比較。2017年試驗期間，舍外平均溫度為（31.1±3.25）℃，2019年為（33.3±4.15）℃，兩者沒有顯著性差異（＞0.05）。2017年試驗期間，舍外平均相對濕度為（60.57±12.1）%，2019年為（56.7±16.9）%，兩者沒有顯著性差異（＞0.05）。在此條件下，對LPCV牛舍內環境指標進行分析評價。

2.2.1 舍內風速分布與通風量

統計試驗期間奶牛臥欄上風速。比較1號舍相同臥欄處，加裝軸流風機前與加裝后的風速差異，結果列于表1。處理組NAFF1、AFF1的臥欄處日平均風速分別為（1.76±0.70）和（1.95±0.85）m/s。1號舍內從濕簾端至風機端，臥欄上風速呈升高的規律。加裝軸流風機后，1號舍的4 列臥欄上的風速均有提高，其中8:00、20:00時，處理組AFF1的3、4列臥欄處風速顯著高于處理組NAFF1（＜0.05），臥欄處風速提升10.8%。

表1 1 號舍奶牛臥欄處風速

注：表中NAFF1表示未加裝軸流風機的1號舍，AFF1表示加裝軸流風機的1 號舍；表中數據為平均值±標準差。不同小寫字母表示處理組間數據差異顯著（＜0.05），下同。

Note: In the table, NAFF1 represents cowshed 1 without axial fan, AFF1 represents cowshed 1 with axial fan; Data in the table are mean ± standard deviation. Different lowercase indicates significant difference between treatments at 0.05 level, the same as below.

統計試驗期間奶牛臥欄上風速。比較2號舍各臥欄處風速的差異并進行單因素方差分析與多重比較。結果列于表2。2號舍的臥欄處日平均風速為（1.62±0.91）m/s。2號舍從濕簾端至風機端，臥欄上風速呈先上升后下降再上升的波浪形分布規律。加裝了軸流風機的第2、3列與6、7列臥欄處風速均相對上升，即第2、3列臥欄處風速大于第1、4、5列處風速，第6、7列臥欄處風速大于第4、5列處風速。其中，各時刻第2、3列臥欄處風速均顯著高于第1列臥欄處風速（＜0.05）；第6、7臥欄處風速高于第4、5列臥欄處風速，20:00時呈現顯著性差異（＜0.05）；第4、5列臥欄處風速較2、3列臥欄處風速下降，且8:00、20:00時呈顯著性差異（＜0.05）。此外，由于第8、9列臥欄靠近負壓風機，使得其風速相較于第6、7列臥欄處風速上升，且8:00、20:00時表現為顯著性上升（＜0.05），這與1號舍內呈現的規律相同。

表2 加裝風機2 號舍奶牛臥欄處風速

注：表中AFF2表示加裝軸流風機的2號舍；同一列中，不同小寫字母表示處理組間數據差異顯著（＜0.05），下同。

Note: In the table, AFF2 represents cowshed 2 with axial fan, the same as below; In the same column, different lowercase letters indicates significant difference between the treatments at 0.05 level, the same below.

通風量的計算結果如表3所示。2棟舍的過簾風速均未達到設計過簾風速2.5 m/s。處理組AFF2與AFF1的過簾風速均顯著大于處理組NAFF1（＜0.05）。處理組NAFF1與AFF1的進風量均大于推薦通風量的最大值，加裝軸流風機后，1號舍舍內進風量提升418 339.09 m3/h。2號舍進風量為1 008 568.80 m3/h，大于推薦通風量的最低值，但小于最大值。2號舍進風量偏小與2號舍設計不當有關。2號舍面積與所需通風量大于1號舍，但濕簾面積小于1號舍。過小的濕簾面積限制了2號舍的進風量。1號舍在加裝軸流風機前，進風量遠大于推薦通風量的最大值，但舍內空氣流速仍然較低，這是因為在高通風量的情況下，LPCV牛舍的通風阻力呈增加趨勢，每當氣流通過導流板，通風阻力就會增大[8]，通風阻力增大導致了流體的能量損失，即導致流速的降低。1號舍在加裝軸流風機后，舍內臥欄處風速提升，濕簾端過簾風速顯著提升45.6%（＜0.05），進風量增加。這說明加裝軸流風機，在提升了舍內空氣流速的同時，牛舍的通風換氣量也顯著提升,而通風換氣量的提升得益于軸流風機運轉形成的紊動淹沒射流對周圍空氣的擾動與引流作用，這還有利于增大濕簾的降溫效率[23]。

表3 通風量

2.2.2 舍內平均空氣溫度與平均相對濕度

對各時段，處理組NAFF1、AFF1、AFF2的舍內空氣溫度、空氣相對濕度進行單因素方差分析與多重比較。所得結果列于表4。處理組NAFF1、AFF1、AFF2的舍內日平均溫度分為（27.4±2.1）、（27.7±1.9）、（27.7±1.8）℃。各時刻舍內平均溫度均表現為處理組AFF2＞AFF1＞NAFF1的規律，處理組NAFF1與處理組AFF1的舍內平均溫度均沒有顯著性差異，8:00時處理組AFF2的舍內平均溫度顯著高于處理組NAFF1、AFF1（＜0.05）。處理組NAFF1、AFF1、AFF2的舍內日平均相對濕度分別為（83.6±6.0）%、（75.9±6.6）%、（74.6±5.8）%。1號舍加裝軸流風機后，平均相對濕度下降9.2%。舍內平均相對濕度均表現為處理組NAFF1＞AFF1＞AFF2的規律，處理組NAFF1舍內平均相對濕度均顯著高于處理組AFF1、AFF2（＜0.05）。僅8:00時處理組AFF1的舍內平均相對濕度顯著高于處理組AFF2（＜0.05），14:00與20:00時2組的平均相對濕度基本相同。

表4 舍內溫度與相對濕度

2.2.3 THI指標評價

1號舍內THI指數橫向分布情況如圖4所示。NAFF1組8:00、14:00、20:00的平均THI分別為76.45±1.62、81.86±2.60、79.13±3.28，日平均THI為79.21±3.60。AFF1組8:00、14:00、20:00的平均THI分別為76.66±2.82、80.85±1.68、78.03±2.45，日平均THI為78.70±2.43。8:00時刻，舍內各測點的THI指數呈處理組AFF1＞NAFF1的規律，但未呈現顯著性差異（＞0.05）。14:00時刻，除測點A處，處理組AFF1的THI指數略高于處理組NAFF1，其余各點均呈現處理組NAFF1＞AFF1的規律，且未呈現顯著性差異（＞0.05）。20:00時刻，舍內各測點的THI指數呈處理組NAFF1＞AFF1的規律，同樣未呈現顯著性差異（＞0.05）。NAFF1組從濕簾端（測點A）至風機端（測點F）THI指數有明顯上升的趨勢，8:00、14:00、20:00的增加量分別為1.31、1.57、0.82。AFF1組從濕簾端（測點A）至風機端（測點F）THI指數有明顯下降的趨勢，8:00、14:00、20:00的減少量分別為0.87、0.80、0.98。

2號舍內THI指數橫向分布情況如圖5所示。8:00、14:00、20:00的平均THI分別為77.92±1.66、80.61±1.93、77.04±2.43，日平均THI為78.47±2.47。14:00時各測點的THI指數顯著高于8:00與20:00（＜0.05）。2號舍內THI指數分布從濕簾端（測點A）至風機端（測點F）呈明顯下降的趨勢，8:00、14:00、20:00的減少量分別為0.72、1.76、1.71。2號舍內THI值橫向分布表現為臥欄測點處（B、C、E、G、I）均波動下降，飼喂走道測點處（A、D、F、H、J）均波動上升。

當72≤THI＜79時，奶牛處于輕度熱應激，當79＜THI≤88時，奶牛處于中度熱應激，當88＜THI≤99時，奶牛處于重度熱應激[24]。本試驗中，各測點的平均THI最大值為82.39±3.28，LPCV牛舍中沒有出現導致奶牛嚴重熱應激的極端情況。處理組NAFF1的舍內THI值沿氣流方向，平均每米長度上升0.05，這與鄧書輝等的CFD模擬結果，舍內THI值沿氣流方向平均每米長度增加0.03相似[25]。處理組AFF1、AFF2的舍內THI值沿氣流方向，平均每米長度下降0.03、0.02。加裝軸流風機使得舍內THI值沿氣流方向的變化趨勢改變，改善環境作用效果非常明顯。

2.2.4 ETIC指標評價

分析比較1 號舍在裝備軸流風機前后，相同臥欄處ETIC值的大小，判斷加裝軸流風機對于舍內環境的影響。所得結果列于表5。處理組NAFF1、AFF1臥欄處日平均ETIC值分別為24.64±2.09、22.71±1.55 ℃。加裝軸流風機后，1號舍各列臥欄的ETIC指數均降低。其中8:00、14:00時第1、2列臥欄處ETIC值極顯著低于加裝前（<0.01）；14:00時第3、4列臥欄處ETIC值極顯著低于加裝前（<0.01），20:00時顯著低于加裝前（<0.05）。

表5 1 號舍奶牛臥欄處ETIC指標

注：不同大寫字母表示處理間數據差異極顯著（<0.01），下同。

Note: Different uppercase indicate significant and remarkable difference between treatments (<0.01), the same as below.

ETIC值與THI值呈正相關關系（2=0.993 2），當18 ℃≤ETIC＜20 ℃時，奶牛處于輕度熱應激，當20 ℃≤ETIC＜25 ℃時，奶牛處于中度熱應激，當25 ℃≤ETIC＜31 ℃時，奶牛處于重度熱應激[26]。處理組NAFF1除8:00時臥欄上ETIC小于25 ℃，其余各時刻ETIC均大于25 ℃，說明奶牛已經處于重度熱應激的環境下，而加裝軸流風機后，處理組AFF1的4 列臥欄處ETIC值均顯著降低（＜0.05）且均小于25 ℃。這說明加裝軸流風機對于改善奶牛躺臥區域環境狀況效果顯著。本試驗中對于奶牛皮膚溫度的統計分析也呈現了相同的結果。這與Wang等試驗中的結論，ETIC指數可以用來解釋79%的皮膚溫度變化的原因相符[18]。

將2號舍內每列臥欄處ETIC值的大小進行單因素方差分析與多重比較，判斷不同欄位間的環境差異。所得結果列于表6。處理組AFF2臥欄處日平均ETIC值為22.03±1.39 ℃。14:00時，第8、9列臥欄處ETIC值顯著低于第1列與第4、5列測點處的值（＜0.05）。各時刻飼喂走道兩側臥欄處ETIC值均沒有顯著性差異，兩側臥欄處ETIC值的差值的最大值分別為0.63、0.82、0.63 ℃。此外，不同時刻的ETIC值在2 號舍內的變化趨勢整體相似，均呈現先降低再升高后降低的趨勢，并且各時刻在加裝了軸流風機的第2、3列與第6、7列臥欄處ETIC值均表現出了下降趨勢，而第4、5列臥欄處ETIC值均大于第2、3、6、7、8、9列處的值。

表6 2 號舍奶牛臥欄處ETIC指標

2.2.5 有害氣體濃度評價

對各時段，處理組NAFF1、AFF1、AFF2的有害氣體濃度進行單因素方差分析與多重比較。所得結果列于表7。試驗期間，各時刻的NH3質量濃度分析結果呈相同趨勢，均為處理組AFF2的NH3質量濃度極顯著高于處理組NAFF1與AFF1（＜0.01）。各時刻的CO2質量分析結果也呈相同趨勢，處理組NAFF1、AFF1與AFF2兩兩之間均呈現極顯著差異（＜0.01）。并且各時刻均表現為，處理組NAFF1的CO2質量濃度最高，處理組AFF1的CO2質量濃度最低。試驗中3種處理組的CO2與NH3的質量濃度均遠低于國家標準規定的最高限度，舍內空氣質量良好[27]。

表7 NH3與CO2的質量濃度

2.3 奶牛生理指標分析

對各時段，處理組NAFF1、AFF1、AFF2的奶牛皮膚溫度與呼吸頻率，進行單因素方差分析與多重比較。所得結果列于表8。呼吸頻率的比較分析結果，由高到底依次為處理組NAFF1、AFF1、AFF2，但各時刻的呼吸頻率均未表現顯著性差異（＞0.05）。各時刻處理組NAFF1的奶牛皮膚溫度極顯著高于處理組AFF1與AFF2（＜0.01）。

表8 奶牛皮膚溫度與呼吸頻率

3 討 論

3.1 風速分析

對于軸流風機工作性能的討論主要關注其實際工作效率情況。1號舍內軸流風機在各平面處平均風速最高，并且其射流衰減速度與不均勻系數遠低于2號舍第2、3列臥欄處風機，這說明軸流風機在小尺寸的LPCV牛舍內工作效率更穩定，效果更顯著。2棟舍內3排風機的射流不均勻系數均表現為軸心區域最大，而兩側較小的規律，這與丁濤等的試驗結果相同[28]。而3個處理組中，處理組AFF2的臥欄處日平均風速最低，僅為1.62 m/s，也說明了2號舍由于跨度更大飼養奶牛頭數更多，而有著比1號舍更大的通風阻力。所以，軸流風機的工作效率受牛舍跨度以及其安裝位置的影響,在大跨度LPCV牛舍，安裝位置靠近濕簾端的風機工作效率更高。

1號舍、2號舍均表現出靠近風機端的臥欄處風速高于濕簾端，并且在加裝軸流風機后，風機端臥欄處風速提升更加顯著。FLUENT軟件模擬結果同樣顯示出了靠近風機端臥欄處風速高于濕簾端的結果[29]，與本試驗一致。2 號舍內臥欄處風速分布表現出兩端大，中間小的規律。在第4、5列臥欄處即第2 列飼喂走道的背風側，風速降至最低。這一方面是因為畜舍中部存在較強的紊流導致風速下降；另一方是因為來風側的空氣在遇到飼喂擋墻后發生向上的偏轉，高風速區域的上移導致測定高度處風速較低。鄧書輝等的試驗中表現出了相同的結果，即牛舍橫斷面上氣流的高速區域呈波浪形分布，飼喂走道來風側的風速總是更高[4]。所以，加裝軸流風機后并沒有顯著改善LPCV牛舍存在的風速分布不均的問題。研究表明，風速分布不均與舍內飼喂擋墻與擋風板的同時設置有關，分別設置則不會造成影響[30]。對此類LPCV牛舍進行改造，可以改變導流板的安裝角度。當導流板與通風垂直斷面的夾角增大時，牛舍換氣率與空氣不均勻系數均降低，而風速則表現為先增大后減小[4]，呂潔等的研究表明，當導流板與通風垂直斷面的夾角為60°時，牛舍中氣流分布最均勻[31]，但若要獲得最高的風速，則應適當減小導流板與垂直斷面的夾角。

3.2 舍內環境分析

舍內空氣溫度與相對濕度的分析結果表明，處理組NAFF1表現為非常嚴重的高溫高濕環境狀況，舍內各時刻最高平均相對濕度達到92.5%。這說明利用橫向濕簾通風系統進行等焓降溫，已經達到了極限。即當濕度過大時，僅利用濕簾冷風機系統已經無法繼續改善舍內熱環境狀況。研究表明，相對濕度為50%～70%的環境下奶牛感到舒適[32]，而處理組NAFF的舍內日平均相對濕度已達到83.6%。在張瑞華等的研究中，在上海地區利用濕簾冷風機降溫，降溫幅度達到3.01 ℃時，舍內日平均空氣相對濕度已達到88.17%[33]。在陳昭輝等的研究中，安裝吊頂改善濕簾降溫牛舍內環境后，舍內日平均空氣相對濕度仍達到了81.7%[34]。而本試驗中，處理組AFF1、AFF2舍內日平均空氣相對濕度僅為75.9%、74.6%。本試驗中較低的舍內空氣相對濕度得益于牛舍通風量與換氣次數的提升，加裝軸流風機后1號舍換氣次數提升至6.75次/min，2號舍提升至4.99 次/min。高空氣流通量帶走了舍內的水蒸氣，使得舍內空氣相對濕度下降。因此，加裝軸流風機后顯著降低舍內相對濕度（<0.05），有效改善了舍內熱環境，避免奶牛長期處于高溫高濕的環境中。

加裝軸流風機使得舍內THI值沿氣流方向的變化趨勢改變，此外，本試驗中的3個不同處理組，日平均THI值呈處理組NAFF1>AFF1>AFF2的規律，這同樣說明加裝軸流風機后，改善了舍內熱環境的高濕高熱狀況，減緩了奶牛熱應激。然而，加裝軸流風機后并沒有顯著改善LPCV牛舍內風速分布不均的問題，飼喂走道兩側的ETIC值并沒表現顯著性差異，且差值小于1 ℃。這說明加裝軸流風機可以在改善舍內熱應激環境的同時，并不會導致舍內環境分布不均勻，而對奶牛造成影響。

本試驗中3種處理組舍內的有害氣體濃度均遠低于自然通風的牛舍。跟據Harner等的研究表明，LPCV牛舍的有害氣體排放以含N氣體為主[36]，與本試驗結果相符。陳昭輝等的研究表明，負壓通風牛舍內NH3質量濃度與相對濕度呈顯著正相關關系[36]，本試驗中處理組NAFF1的舍內NH3質量濃度高于處理組AFF1，但并沒有顯著性差異。然而，本試驗中，各時刻處理組AFF2的NH3濃度均極顯著大于處理組NAFF1與AFF1（<0.01）。這表明含N類有害氣體濃度的多少主要與LPCV牛舍的面積大小以及飼養奶牛的數量有關，而LPCV牛舍容易積累N類有害氣體的問題，沒有通過加裝軸流風機得到改善。CO2的濃度分析結果表明，加裝軸流風機后可以極顯著降低舍內CO2的含量（<0.01），但隨著牛舍面積的增大與飼養奶牛數量的增多，CO2濃度仍呈增大趨勢，在本試驗中表現為各時刻的CO2濃度處理組AFF2＞處理組AFF1。

3.3 奶牛生理指標分析

荷斯坦奶牛的呼吸頻率隨溫度的升高而升高，在空氣溫度21～27 ℃時，急劇上升[37]。只有當THI>80時，高產奶牛的呼吸頻率變化存在顯著性差異[32]。本試驗中，3個處理組各時刻呼吸頻率沒有顯著性差異（>0.05），一方面因為THI值并沒有顯著性差異，一方面因為舍內空氣溫度沒有顯著性差異。但14:00時各處理組的奶牛呼吸頻率均顯著高于8:00、20:00（<0.05），這與平均溫度在一天之中的變化規律相符。因此在舍內加裝軸流風機并。不會導致奶牛呼吸頻率的顯著改變。

空氣溫度并不是影響奶牛皮膚溫度的唯一因素，風速對皮膚溫度的高低有著顯著性影響[38]，而在熱應激情況下，相對濕度則會對皮溫會造成更大的影響[4]。所以，即使各時刻3 個處理組的舍內溫度差異并不大，但相對濕度的顯著性差異使得各時刻奶牛皮溫都表現處極顯著差異（<0.01）。

4 結 論

1）對于風機評價的結果表明，軸流風機的工作效率受牛舍跨度以及其安裝位置的影響，1號舍內軸流風機軸心風速衰減最少，為21.3%，風速不均勻系數小于0.20；2號舍內，靠濕簾端的風機軸心風速與平面平均風速更高，但不均勻系數更大，射流場均勻性差。

2）1號舍加裝軸流風機后，過簾風速提升45.6%；舍內臥欄處風速提升10.8%，進風量增加418 339.09 m3/h。2號舍濕簾端過簾風速為1.96±0.20 m/s，臥欄處平均風速為1.62±0.91 m/s，進風量為1 008 568.80 m3/h，滿足夏季通風需求。

3）1號舍加裝軸流風機后，平均相對濕度下降9.2%、為（75.9±6.6）%。2號舍內平均相對濕度為（74.6±5.8）%。加裝軸流風機使得牛舍內THI值沿氣流方向的變化趨勢改變，改善舍內環境作用顯著。

4）處理組NAFF1、AFF1、AFF2臥欄處日平均ETIC值分別為（24.64±2.09）、（22.71±1.55）、（22.03±1.39）℃，熱應激環境狀況改善明顯。加裝軸流風機后，奶牛呼吸頻率降低、皮膚溫度顯著降低，加裝軸流風機有利于創造適宜奶牛生存的環境。

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Analysis of ventilation and cooling effects of installing axial fans in wet curtain cooling dairy cattle barn

Chen Zhaohui1, Ren Fangjie1, Yu Tong1, Tang Man1, Jiang Ruixiang1, Liu Jijun1※,Li Shujing2, Su Hao3

(1. C,,100193,; 2.,050227,; 3.,100102,)

High temperature and humidity often occur in summer, since one type of dairy cattle barn, the low profile cross ventilated (LPCV) was introduced into North China. This study aims to evaluate the effect of axial flow fan applied in various sizes of LPCV dairy cattle barns, thereby improving the living environment of cattle. A field pre-test was carried out to verify the experimental simulation of air flow field. Low-pressure axial flow fans with large flow were installed at the leeward side of deflectors in two LPCV dairy cattle barns with different sizes. One axial flow fan was equipped with 6 deflectors, the blade diameter of 1 830 mm, the rated power of 2 237.1 W, and the maximum air volume of 86 000 m3/h. The results showed that the working efficiency of axial flow fans depended mainly on the installation position and the span of the cowshed. In the cowshed with a small span, the nonuniformity coefficient of wind speed was less than 0.20. In the cowshed with a large span, the higher working efficiency was achieved in the fans that were installed near the end of the wet curtain, although the nonuniform coefficient was larger with relatively low uniformity of jet field. In cowshed 1, the wind speed of the fan jet decreased by 25.3%, from plane A (3.0 m away from the pole) to plane C (6.0 m away from the pole). In cowshed 2, the wind speed of the fan jet at row 2 to 3 and row 6 to 7 decreased by 31.5% and 24.8%, respectively. An evaluation was obtained on the environmental conditions and physiological indexes of dairy cows after the installation of axial flow fans. In cowshed 1, the wind speed through the wet curtain was (2.17±0.20) m/s, increasing by 45.6%, while the wind speed at the stalls was (1.95±0.85) m/s, increasing by 10.8%, where the intake rate of air increased by 418 339.09 m3/h. In the cowshed, the average temperature was (27.7±1.9)℃, and the average relative humidity was (75.9 ± 6.6)%, decreasing by 9.2%CO2. The average respiratory rate and skin temperature of cows decreased significantly (<0.05). In cowshed 2, the wind speed through the wet curtain was (1.96 ± 0.20) m/s, while the average wind speed at the horizontal fence was (1.62±0.91) m/s, and the air intake rate was 1 008 568.80 m3/h, meeting the needs of ventilation and cooling in summer. In the cowshed, the average temperature was (27.7±1.8)℃, and the average relative humidity was (74.6±5.8)%. There was no significant difference in the average temperature, the average relative humidity, the respiratory rate, and skin temperature of dairy cows in cowshed 1 with axial flow fan (>0.05). Furthermore, the daily average equivalent temperature index for cattle (ETIC) values for the group no axial flow fan 1 (NAFF1), axial flow fan 1 (AFF1), and axial flow fan 2 (AFF2) were 24.64±2.09 ℃, 22.71±1.55 ℃ and 22.03±1.39 ℃, respectively. The temperature-humidity index (THI) value in the barns showed a downward trend from the end of the wet curtain to the fan end, after the installation of axial flow fans. The THI value in the treatment group of AFF1 and AFF2 decreased by 0.03 and 0.02 per meter along the airflow direction, opposite to that before installing the fan. The installation of an axial flow fan can significantly improve the barn environment for the better living of dairy cows.

temperature; ventilation; fan; low profile cross ventilated; dairy cattle barn; thermal environment; heat stress; optimization

陳昭輝，任方杰，于桐，等. 加裝大風量風機對夏季濕簾降溫奶牛舍的防暑降溫效果分析[J]. 農業工程學報，2021，37(5)：198-208.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.023 http://www.tcsae.org

Chen Zhaohui, Ren Fangjie, Yu Tong, et al. Analysis of ventilation and cooling effects of installing axial fans in wet curtain cooling dairy cattle barn[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(5): 198-208. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.023 http://www.tcsae.org

2020-09-14

2021-01-23

政府間國際科技創新合作重點專項 SQ2019YFE011773；國家肉牛牦牛產業技術體系（CARS-37）

陳昭輝，副教授，研究方向為畜牧環境工程。Email：chenzhaohui@cau.edu.cn

劉繼軍，教授，研究方向為于畜牧環境工程。Email：liujijun@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.023

S823.9+1; S817.3

A

1002-6819(2021)-05-0198-11