规模化保育猪舍自然通风对猪仔生长环境及健康的影响研究

刘晨晨 鲁祥友 张虎 苏文博 舒云祥

摘要 以农村地区的保育舍为研究对象，运用计算流体力学（CFD）模拟技术对冬季采用横向自然通风的保育舍进行速度场、温度场和颗粒物分布的模拟分析，研究同种通风方式下不同窗户开度猪舍内部的环境质量，并提出优化建议。模拟结果显示：横向自然通风猪舍气流死区较多，但仔猪周围小部分区域的温度和风速值并不能满足国标的要求，影响部分猪只正常的生长发育;对于大跨度的横向自然通风，窗户开度影响颗粒物的排出效果。窗户开度增大，颗粒物的排出效果虽有提升但并不明显，同时也加剧了颗粒物向相邻区域的扩散，最终大部分颗粒物在热升力作用下分布在屋顶周围。该研究结果为夏热冬冷地区冬季自然通风猪舍的结构设计和气流组织优化提供了理论指导。

关键词 保育猪舍;CFD模拟;横向自然通风;颗粒物;窗户开度

中图分类号 TU264+.3  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）11-0198-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.11.050

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effects of Natural Ventilation on the Growth Environment and Health of Piglets in Large-scale Nursery Piggery

LIU Chen-chen， LU Xiang-you， ZHANG Hu et al

（School of Environment and Energy， Anhui Jianzhu University， Hefei， Anhui 230601）

Abstract Taking nursery piggery in rural areas as research object， CFD simulation technology was used to simulate and analyze the velocity field， temperature field and particulate matter distribution of nursery piggery with transverse natural ventilation in winter. The environmental quality inside pig houses with different window openings under the same ventilation mode was studied， and some optimization suggestions were proposed. The simulation results showed that there were more areas with no air circulation under transverse natural ventilation， and the temperature and wind speed values in a small area around the piglets did not meet the requirements of the national standards， which affected the normal growth and development of some pigs. For large-span transverse natural ventilation， the size of the window opening affected the discharge effect of particulate matters. When the window opening was increased， the discharge effect of particulate matter was improved but it was not obvious.  It also intensified the diffusion of particulate matters to the adjacent area. Finally， most particles were distributed around the roof under the action of thermal lift. This study provided theoretical guidance for the structural design and air distribution optimization of piggery with natural ventilation in winter in the areas with hot summer and cold winter.

Key words Nursery piggery;CFD simulation;Transverse natural ventilation;Particulate matters;Window opening

近年來，农村中小规模猪舍的数量不断增加，越来越多的农民开始从事养猪业。然而，由于缺乏科学管理和对流行疫病的防控（尤其在非洲猪瘟和新冠肺炎疫情的双重影响下），养猪农户遭受巨大的经济损失。我国养猪最大的短板就是过度依赖药物和疫苗。研究发现，疫苗和抗菌药物并不能完全保证保育猪群不被病毒和细菌感染，而非洲猪瘟病毒也尚无安全、有效的疫苗[1-2]。

为降低猪场的疫病风险，目前国内多数龙头企业和大中型猪场在技术上采用新风系统和空气过滤系统[3]，管理上在猪场设置生物安全设施[4]，定期接种优质疫苗，进行科学饲养与管理。然而，出于经济利益的考虑，目前在我国冬冷夏热的农村地区，绝大多数中小规模猪舍在冬季均采用横向自然通风的方式来降低猪舍内病原微生物的浓度，从而达到提高室内空气质量、减少猪只疫病发生的目的[5]。

近年来，计算流体力学（CFD）技术被广泛应用在计算机模拟和分析研究上[6]。王鹏鹏等[7]对猪舍横向自然通风的温度场和速度场进行模拟研究，结果发现横向通风猪舍气流死区较多，不利于污染物的排出。周丹[8]利用CFD技术对仔猪舍的自然通风进行分析，结果发现猪舍内气流分布不够均匀，部分区域有害气体浓度超过仔猪生长的健康限值。杨晓飞[9]通过对相同开窗方式下开孔率不同的猪舍进行CFD模拟分析，发现开孔率与舍内进气量呈正相关。Norton等[10]通过对自然通风的鸡舍进行模拟研究，结果发现进风口的面积对舍内气流的均匀性有影响。Pereira等[11]研究了室內不同送风方式对颗粒物分布及排出效果的影响。在冬季，猪只之间由于热趋性而频繁近距离接触，若出现单个携病毒猪只，很容易造成群体感染，因此研究猪舍内致病菌及病毒的传播、分布和排出效果具有重要意义。笔者对某县保育猪舍在横向自然通风下的舍内温度、速度进行实测，利用Fluent软件模拟不同窗户开度下气溶胶颗粒的分布，研究新风量对室内微生物去除效果的影响[12]。

1 猪舍概况及CFD理论

1.1 猪舍概况及简化后的物理模型

2020年12月21日对保育猪舍进行测量，此为中小规模保育舍，饲养保育仔猪2 400余头（考虑到非洲猪瘟的影响，可能饲养密度略有降低），每头仔猪平均体重约14 kg。猪舍长60 m，宽19 m，檐高2.5 m，舍脊高1.5 m;舍内沿东西向设2列猪栏，每列12个单元，单元尺寸为8.75 m×4.75 m×0.60 m，每个单元饲养100头断奶仔猪，猪栏中间留有1.5 m宽的走道，走道两端各有1.26 m宽的闲置空间。舍内南北墙上每个单元栏各有4个推拉窗，且居中对称分布，尺寸为1.00 m×0.75 m，距地面1.30 m。冬季通过调整推拉窗的开度进行适度自然通风，单元栏距地面1.2 m处各悬有150 W的动物养殖专用取暖保温灯。由于保育舍在冬季采用的是横向自然通风，所以测点进行对称设置，设置在猪群上方0.4 m处，将测点布置在4、9、16、21号栏，并在走道两端的闲置空间布置4个测点。保育猪舍实拍图如图1～2所示。

由于单元栏围栏较低，气流阻力较小，对气流分布的影响可忽略不计，所以建模时将两侧围栏忽略。冬季仔猪由于热趋性而聚集在一起，使用长方体模型的体积代替每个单元栏内的仔猪总体积，降低建模难度。由于猪舍的外围护结构和屋顶均用绝热材料进行处理，所以在边界条件设置时将外围护结构、屋顶和地面按绝热处理[13]。简化后的猪舍二维平面图和三维模型图如图3～4所示。

1.2 数学模型

流体的流动需满足质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程三大方程;离散相颗粒在流场中的受力遵守牛顿第二定律，通过力平衡方程可预测颗粒的运动轨迹。

1.2.1 质量守恒方程（也称连续性方程）。

ρt+（ρu）x+（ρv）y+（ρw）z=0（1）

式中，ρ为流体密度;u、v、w分别为速度在x，y，z方向的分量。

1.2.2 动量守恒方程（也称Navier-Stokers方程）。

（ρu）t+ div （ρuU）=-px

+τxxx+

τyxy+

τzxz+Fx（2）

（ρv）t+ div （ρvU）=-py

+τxyx+

τyyy+

τzyz+Fy（3）

（ρw）t+ div （ρwU）=-pz

+τxzx+

τyzy+

τzzz+Fz（4）

式中，p为流体微团上的压力;τxx、τxy、τxz等为作用在流体微团上黏性应力的分量;Fx、Fy、Fz为流体微团上的体积力。

1.2.3 能量守恒方程。

（ρT）t+ div （ρUT）=- div kCp grad T+ST（5）

式中，Cp为定压比热容;T为热力学温度;k为流体的导热系数;ST为黏性耗散项 。

1.2.4 颗粒力平衡方程。

mp d p d t=mp-pTr+mp（ρp-ρ）ρp+（6）

式中，mp为颗粒的质量;为连续相的速度;p为颗粒速度;ρ为连续相的密度;ρp为颗粒的密度;为附加力;mp-pTr为颗粒阻力（曳力）;Tr为颗粒的弛豫时间。

1.3 物理条件的设置

对保育舍内的气溶胶颗粒进行模拟追踪，气溶胶颗粒的体积分数小于10%，即相当于离散的颗粒弥散在连续空气流中，属于拉格朗日两相流。选用离散型模型对气溶胶颗粒进行模拟，在2、5、9、12号单元栏靠近南窗且高度0.4 m处设置4个颗粒喷射口。

湍流模型选用SST k-omega模型，它在近壁面处采用k-omega模型，主流区采用k-ε 模型，具备很好的精度，使模拟准确度有所提升[14]。

1.4 边界条件的设置

1.4.1 连续相边界条件。

依据当地的主导风向，将北侧窗户定义为入口，进风口设置为“velocity-inlet”。根据测量结果求取平均值后，定义温度281.15 K（8 ℃），风速 1.4 m/s;将南侧窗户定义为出口，出风口设置为“pressure-outlet”;猪体设置为恒温无滑移壁面，表面温度311.15 K（38 ℃）;围护结构按绝热处理。

1.4.2 离散相边界条件。

离散相的进出口壁面条件设置为“Escape”。为了分析通风对气溶胶颗粒扩散的影响，设置其他壁面的边界条件为“Reflect”，即假设颗粒与壁面碰撞后完全反弹。

1.5 模拟值验证

模拟结果的准确性通常反映选用模型的合理性。采用相对误差来衡量模拟结果的精确性，可为模拟研究提供理论依据。

如图5所示，温度模拟值与实测值的相对误差为2.7%～8.9%，相对误差均在15%范围内，温度场的模拟值与实际值吻合度较高。从图6可以看出，速度场的模拟值偏离实际值较大且有4个测点模拟值与实测值的相对误差超过了15%的限值，相对误差为7%～26%，但模拟曲线与实测曲线的走势相近。这可能是因为实测当天入口风速过大或测量仪器的使用不当。

综上所述，SST K-omega模型选用得当，可用于预测横向自然通风下猪舍的温度场和速度场。

2 模拟结果分析

依据GB/T 17824.3—2008《规模猪场环境参数及环境管理标准》，保育舍冬季最小通风量为 0.3 m3/（h·kg）。以最小通风量 0.3 m3/（h·kg）为例，计算单个进风口面积[15]：

总通风量 Q =0.35×14×2 400=11 760（m3/h）

总进风口面积 A=Q /（3 600×1.4）=2.33（m2）

单个进风口面积 a=A /6=0.39（m2）

分别以单扇窗户1/2开度、3/2扇窗全開为进风口，模拟横向自然通风窗户不同开度下的温度场、速度场及颗粒物的排出效果[16]。

2.1 单扇窗户1/2开度下的模拟结果

2.1.1 温度场分布云图。从图7可以看出，猪舍内的温度为281～311 K，温度分布均匀。低温主要分布在进风口周围，垂直方向上分层现象较为明显，取暖灯上部的温度为294～299 K。保育仔猪周围温度为290～296 K，正对进风口

处的仔猪迎风温度最低，达到290 K。由于猪体散热和取暖灯的辐射作用，猪体两侧冷空气的温度逐渐上升，靠近南墙侧的单元栏内仔猪周围温度最大，约为296 K。

2.1.2 速度场分布云图。

从图8可以看出，在风压的作用下气流从北侧窗口进入，形成的气流束向下贴近地面向前运动且速度不断减小，最后通过排风口排出舍外;取暖灯上部存在小范围气流死区，大部分区域保持着较小的风速（0.04～0.12 m/s）。保育仔猪周围风速为0～0.6 m/s，正对进风口处的仔猪迎面平均风速为0.41 m/s，距离南墙越近，风速越小，猪体周围风速大部分在0.2 m/s左右。

2.1.3 颗粒物分布扩散图。

由图9可以看出，初始阶段颗粒物在原地以一定速度喷出后很快衰减并累积，随着室外气流的不断涌入，大部分颗粒开始跟随气流向前运动，但只有小部分到达南墙（原因是猪舍南北跨度较大，自然通风的气流速度在运动过程中衰减很大，难以保证室内的通风效果，颗粒物的排出效果也较差）;大部分颗粒在猪体和取暖灯共同形成的热升力作用下漂浮在屋顶处[17]。一小部分颗粒经猪体的反弹向北墙运动，到达南墙的颗粒一小部分经窗户排出室外，一部分漂浮在空中以极小的速度在周围无规则运动。

从模拟结果来看，横向自然通风在小跨度猪舍内通风效果较好，可以控制路径上的颗粒物不向两侧扩散，避免污染其他区域。热升力的作用使颗粒物大量聚集在屋顶处，自然通风产生的气流束无法将屋顶处的颗粒物带走，这使得自然通风的效果更差，这与国标GB/T 17824.3—2008中规定的跨度小于10 m的猪舍宜采用自然通风，并设地窗和屋顶风帽相一致。

2.2 在3/2扇窗全开情况下的模拟结果

由图10可知，猪体呼出的颗粒物跟随室外涌入的气流束向前运动的同时，也向四周进行扩散，经排风口排出小部分颗粒，大部分颗粒仍然在热升力的作用下漂浮在屋顶处，颗粒物的排出效果比单扇窗户1/2开度下要好，总体上颗粒物的运动规律及分布与图9相似。但是，窗户开度的增加加剧了颗粒物向四周的扩散，污染了其他区域，同时也并不能有效排出颗粒物。

3 结论与建议

（1）通过对大跨度猪舍横向自然通风温度场和速度场的模拟发现，正对进风口处的猪体周围风速过大，超过了冬季保育仔猪周围风速最适值（0.2 m/s），容易使仔猪产生吹风感，同时温度也略低于国标规定的最适温度（20～25 ℃），不利于猪群的生长发育[18]。建议可在正对进风口的猪体前方放置挡风板（长度和高度视具体情况而定），避免气流的直射或设置热回收送风系统和增大取暖灯的发热功率，既有利于节能，又能满足仔猪对周围温度环境的要求。

（2）对于大跨度的横向自然通风，合适的窗户开度既能满足新风量的要求，又能控制颗粒物向四周扩散;窗户开度加大，颗粒物的排出效果虽有提升但并不明显，同时也加剧了颗粒物向相邻区域的扩散;又加上猪体散热和取暖灯辐射的双重作用，大部分颗粒物最终漂浮在屋顶附近。建议在屋顶两侧设置天窗或通风管作为排风口，利用风压和热压的作用将舍内颗粒物排出[19]。

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