太阳能恒温饮水系统代替电加热饮水系统的应用效果研究

郝 薇，贾 爽，孙 妍，刘继军*，朱跃明

（1.中国农业大学动物科学技术学院，北京 100193；2.动物营养学国家重点试验室，北京 100193；3.国家肉牛牦牛产业技术体系张掖综合试验站，甘肃张掖 734000）

在北方冬季肉牛生产中，低温环境饮水是重要的研究课题之一。在不同温度条件下肉牛最佳饮水量不同，冬季每采食1 kg 饲料需要饮水3.5 kg[1]。反刍动物瘤胃内容物正常平均温度为38～41℃[2-3]。研究表明，奶牛饮用20℃的温水可使干物质采食量提高 6.47%，同时增加产奶量[4-5]；肉牛饮用温水可提高日增重及生长速度，缓解冷应激[6]。刁小南等[7]研究表明，冬季每头肉牛饮用20℃温水的日增重较饮用4℃冷水提高0.22 kg/d。庞超[8]研究发现肉牛偏爱饮用14～18℃的温水[9]。陈昭辉等[10]研究发现肉牛饮用17℃的温水增重效果及经济效益更好。

牛只饮水的加热方式有很多种，目前常见的形式有燃气加热、直接电加热、空气源热泵和太阳能加热。太阳能热水器是将太阳光能转化为热能的加热装置，利用其较高的转化效率达到节能的目的，国内最常用的是真空管式[11]。除了清洁可再生外，太阳能还有污染少、效率高等优势，应用前景广泛。在实际生产中，为肉牛提供适宜温度的饮水十分必要，但目前对肉牛饮水加热系统的研究较少。本试验探究2 种太阳能加热和电加热恒温饮水系统的应用效果和经济效益，为寒区牛舍运用太阳能加热恒温饮水系统提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验舍样式和材料 本试验分2 期进行，一期试验时间为2019 年1 月16 日—2 月16 日，二期试验时间为2019 年12 月12 日—2020 年2 月6 日。其中，一期试验太阳能恒温饮水系统是在全电加热系统基础上改造而成，二期试验太阳能恒温饮水系统购于北京源创易能新能源科技有限公司。二期试验分为2 个阶段：第一阶段为2019 年12 月19 日—12 月23 日，保证试验舍循环水箱及储热水箱内水量总计为5 000 L，对照舍水箱内水量为2 000 L，即试验舍水箱内总水量为对照舍水箱总水量的2.5 倍；第二阶段为2019 年12 月24 日—12 月29 日，保证循环水箱及储热水箱内水量为容积的一半，总计2 500 L，对照舍水箱内水量为2 000 L，即试验舍水箱内总水量为对照舍的1.25 倍。试验地点位于甘肃省张掖市甘州区的国家肉牛产业技术体系张掖综合试验站（100.66°E，38.83°N），该地区年平均气温为6.38℃，较为干燥且寒冷，日均太阳辐射量为15.1075 MJ/m2，处于太阳能资源最丰富带[12]。

2 期试验均选择2 栋样式、尺寸、结构相同的有窗牛舍（图1），其中试验舍采用太阳能加热恒温饮水装置，对照舍采用电加热恒温饮水装置。试验牛舍均为双坡式钢架结构，东西朝向，长144 m、跨度13 m、檐高3.9 m，舍中间为4.6 m 宽的饲喂通道，两侧为卧床。南北纵墙上各有8 扇2.0 m×1.4 m 的门通向运动场；东西两端墙各设3 扇门：中间1 扇正对饲喂走道的双扇推拉门4.6 m×3.5 m，两边对清粪走道的推拉门2.3 m×3.5 m。牛舍采用自然通风，冬季主要通过屋檐下的通气缝进行通风换气。

图1 牛舍布局（A）及纵剖面图（B）

1.2 试验牛的选取及饲养管理 在一期试验，试验舍和对照舍内分别饲养230 头和226 头平均体重约为550 kg的西门塔尔生长育肥牛。二期试验中，试验舍和对照舍均饲养200 头平均体重约为270 kg 的西门塔尔育肥牛。试验用牛均为拴系饲养，平均采食宽度均为1.2 m/头。试验期间每天08:00、16:00 饲喂全混合日粮，两舍内饲料成分和饲喂量保持一致。两舍每天进行人工清粪，每周进行2 次铲车清粪。在两舍内分别随机选取24 头生长状况相近的健康牛作为样本，所有牛只每天均使用恒温饮水杯自由饮水。

1.3 电加热恒温饮水系统装置 对照舍采用电加热饮水系统在冬季为牛只提供恒温饮水，此装置由加热水箱、循环进出水管、温度控制器和饮水杯组成（图2）。加热水箱是容积为2 000 L 的圆柱形金属保温水桶，通过温度控制器设定水箱加热温度，由水箱内2 个9 kW 的加热棒进行加热，水箱内浮球阀控制水箱水位。通过循环进出水管将水送至饮水杯内，每个饮水杯内都有浮球阀可控制水位，以及时为牛只补充饮水。为减少热量损失，避免上冻，水管为双层结构外部包有保温材料。饮水杯高度为200 mm，内有保温夹层，不仅方便牛只饮用，还有利于保证杯内水温，减少热量散失。每栋舍内均匀安装120 个饮水杯，每2 头牛共用1 个饮水杯。

图2 电加热饮水系统原理图

1.4 太阳能恒温饮水系统装置与运行原理

1.4.1 一期试验太阳能设备 一期试验舍太阳能加热器由贮热水箱、支架、全玻璃真空集热管、连接导管等组成，如图3。贮热水箱为储水量1 000 L 的圆柱形保温水桶。140 根长1.5 m、外径47 mm 的全玻璃真空太阳能集热管排成规则阵列，朝向南方，并与联管、尾架和反射器等组装，与贮热水箱连接，安装于牛舍屋顶上方。在安装太阳能热水器时，为获得冬季最大热辐射，太阳能集热器倾角应比当地纬度大10～15°[13]，张掖地区纬度为38.93°，该太阳能热水器安装角度为45°，基本满足要求。一期试验太阳能加热系统与舍内电加热系统相连接，但二者之间未安装循环水泵，每日白天经过太阳能加热后，下午将舍内电加热装置关闭，饲养员手动将太阳能加热的热水放至舍内电加热储水箱与其中原有温水混合，再由循环系统将水流入饮水碗中供牛只饮用，之后将太阳能贮热水箱充满冷水，再次利用太阳能加热。当遇阴天太阳能加热效果不好时，舍内采用电加热方式供牛只恒温饮水。

图3 一期试验太阳能恒温饮水系统原理图

1.4.2 试验二期太阳能设备 二期试验舍的太阳能恒温饮水系统由太阳能集热器、水箱、水泵、防冻电伴热带、控制系统和饮水杯等组成，如图4 所示。太阳能集热器选用北京源创易能新能源科技有限公司生产的47×7 阳能集热60 型全玻璃管集热器共6 套，每套集热面积6.2 m2，总集热面积达37.2 m2。每套集热器由60支集热真空管组成，集热真空管密集式排列。舍内采用双水箱模式，储热水箱容积5 000 L，内胆厚0.6 mm、水箱外皮厚0.5 mm，可达到饮用水标准。水箱保温聚氨酯厚50 mm，可保证水箱水温一昼夜降温小于3℃。储热水箱为舍内原有电加热饮水系统所用水箱，与对照舍一致。控制系统可控制温度、水位及时间，优先利用太阳能，减少其他辅助能源的消耗。

图4 二期试验太阳能恒温饮水系统原理图

二期试验太阳能恒温饮水系统运行参数如下：根据预试验将两试验阶段试验舍集热器设定温度调整为50℃，循环水箱设定下限温度为40℃，上限温度为45℃，储热水箱下限温度为40℃，上限温度为45℃；对照舍电加热系统设定加热温度为60℃。

1）温差循环：当集热器末端的温度T1 与循环水箱温度T2 的温差T1－T2 ≥5℃（可设定）时，太阳能循环水泵P1 启动，将循环水箱内较低温度的水打入集热器，而将集热器内高于水箱温度的热水顶入循环水箱，当温差T1－T2 ≤3℃（可设定）时，太阳能循环水泵P1 停止，如此不断循环，从而使循环水箱中的水温不断升高。

2）水箱循环：当储热水箱T3 ≤40℃（可设定）时，太阳能循环泵P2 启动，当储热水箱T3 ≥45℃（可设定）时，循环水泵P2 停止。

3）供水循环：当回水温度T5 ≤12℃（可设定）时，电磁阀M1 打开，太阳能循环泵P3 启动，当回水温度T5 ≥20℃（可设定）时，电磁阀M1 关闭，循环水泵P3 停止。

4）防冻循环：当室外太阳能循环管路水温T4 ≤5℃（可设定）时，太阳能循环泵P1 启动，当循环管路水温T4 ≥8℃（可设定）时，循环水泵P1 停止。当管路水温T4 ≤1℃（可设定）时，启动设于室外循环管路的电伴热带，当管路温度T4 ≥8℃时，电伴热带自动停止。

5）系统补水：浮球阀自动补水。

6）辅助加热：阴雨天或阳光不足时，使用循环水箱内电加热。

1.5 主要仪器 手持温度仪（Testo635，精度±0.3℃），由德图仪器国际贸易有限公司生产；手持二氧化碳测定仪（GASTiger2 000-CO2，精度≤±3%）为深圳市万安迪科技有限公司生产；手持氨气测定仪（GT-903-NH3，精度≤±3%）为深圳市科尔诺电子科技有限公司生产；温湿度自动记录仪（Apresys 179-TH，精度为±0.2℃，±1.8% RH）为艾普瑞上海精密光电有限公司生产。

1.6 测定方法

1.6.1 水温和耗电量的测定 一期试验在牛舍两侧分别均匀选取12 个饮水杯，每天08:00、14:00 和20:00 使用手持温度仪进行测定，15 min 测定1 次，测量4 次。每天08:00 和20:00 对两牛舍内电表进行读数，计算两牛舍每日耗电量。二期试验水温测定分为2 个阶段，测定方法与一期试验相同。

1.6.2 生长性能测定 各期试验开始和试验结束时，于相同条件下对两牛舍内各24 头样本牛进行称重，计算两舍内牛只日增重，剔除异常值后各舍的数据可作为本舍肉牛生长的平均水平。

1.6.3 环境测定 二期试验进行环境测定，在牛舍内选取6 个剖面，该剖面将牛舍平均分割为7 部分，在每个剖面设置3 个测定点，分别位于牛只站立的位置和饲喂走道的中心，每天08:00、14:00 和20:00 在每个测定点距地面高约1.4 m 处利用手持二氧化碳测定仪和手持氨气测定仪测定该位置的二氧化碳浓度和氨气浓度。在第2、5 个剖面上距牛只站立的地面2 m 处悬挂温湿度自动记录仪测定舍内全天的温度和相对湿度，测定间隔为5 min。舍外放置温湿度自动记录仪用来测定舍外温湿度，测定间隔为5 min，在舍外温湿度自动记录仪外附遮蔽物防止太阳辐射的影响。各仪器测定点布置如图5。

图5 测定点布置图

1.7 统计分析 采用SPSS 20.0 数据分析软件进行数据分析，结果以平均值± 标准差表示。P＜0.01 为有极显著差异，0.01＜P＜0.05 为有显著差异，P＞0.05 为差异不显著。

1.8 新型太阳能恒温饮水系统设计 将两期试验结果对比得出，当太阳能的储热罐容量过大时，其维持温度需要的用电量便随之增加。从公司购买太阳能恒温饮水系统其储热水箱容积为5 000 L，但在一期试验以及后续的计算中认为2 000 L 已经保证肉牛正常的饮水需求，因此可以减少用来维持的耗电量。在太阳能恒温饮水系统的投资成本方面，我们认为在电加热系统基础上改造的太阳能恒温饮水系统比从公司购买的整套系统要节省近30 000 元，且试验结果分析两者的饮水温度无显著性差异，可为肉牛养殖提供参考。因此在两期试验基础上设计一种新型太阳能恒温饮水系统，即保证恒温饮水需求，同时减少投资和最大程度节省耗电量。具体设计为：利用原有电加热恒温饮水装置配套小容量2 000 L储热水箱和太阳能自动控制恒温饮水装置，经计算分析可满足一栋200 头均重300～500 kg 的育肥肉牛饮水需求。

2 结果

2.1 水温 试验期间各时刻试验舍和对照舍内水温情况见表1。一期试验，试验舍和对照舍饮水杯内日平均温度分别为12.0℃和11.8℃（P＞0.05）。在08:00、14:00和20:00 时，试验舍和对照舍饮水杯内平均水温差异均不显著。

表1 试验期间试验舍与对照舍饮水杯内水温 ℃

二期试验第一阶段，试验舍与对照舍饮水杯内水温在08:00 时无显著差异，而在14:00 和20:00 时差异极显著和显著。第二阶段试验舍与对照舍饮水杯内水温在08:00 时差异显著，而在14:00 和20:00 时差异极显著。两阶段饮水杯内日平均水温均没有显著差异。

2.2 增重 由表2 可知，一期试验中，试验舍与对照舍牛只初体重和平均日增重均无显著差异。二期试验中，试验舍样本牛初体重为272.53 kg，对照舍样本牛初体重为271.66 kg（P＞0.05），试验期间试验舍和对照舍样本牛平均日增重分别为1.10、1.14 kg/（头·d）（P＞0.05）。

表2 试验期间各舍肉牛增重

2.3 耗电量 甘肃省农业用电各时段峰谷电价见表3。据此对2 个牛舍的耗电情况进行统计发现，一期试验试验舍与对照舍内日平均耗电量分别为185.56、239.71 kW·h（P＜0.01），试验舍的恒温饮水系统比对照舍每日节省运行费用23.83 元。

表3 甘肃省农业用电各时段峰谷电价

二期试验第一阶段试验舍与对照舍内日平均耗电量分别为365.80、404.40 kW·h（P＞0.05），第一阶段试验舍的恒温饮水系统比对照舍每日节省运行费用17.91元。第二阶段试验舍与对照舍内日平均耗电量分别为331.17、409.67 kW·h（P＜0.05），第二阶段试验舍的恒温饮水系统比对照舍每日节省运行费用37.02 元。第二阶段试验舍每日耗电量比第一阶段减少34.63 kW·h（P＜0.01）。

2.4 环境分析

2.4.1 温湿度指标 在二期试验中，试验期间各时刻试验舍、对照舍及舍外温湿度情况如下表4。整个试验期间舍外日平均温度为-5.5℃，最低温度出现在05:00，为-17.5℃。试验舍日平均温度为1.0℃，对照舍日平均温度为1.0 ℃（P＞0.05）。舍外日平均相对湿度为48.70%，最高相对湿度为87.43%，出现在09:20。试验舍日平均相对湿度为66.94%，对照舍日平均相对湿度为67.53%（P＞0.05）。各时刻对照舍与试验舍温度、相对湿度均没有显著差异。试验第一和第二阶段试验舍内日平均温度、日平均相对湿度均没有显著差异。

表4 二期试验舍内外温湿度

2.4.2 有害气体 如5 所示，试验期间试验舍CO2 日平均浓度为1 863.7 mg/m3，对照舍为1 877.4 mg/m3（P＞0.05）；试验舍NH3日平均浓度为0.7 mg/m3，对照舍为0.6 mg/m3（P＞0.05）。在CIGR 畜禽舍碳酸浓度最大限度以内[14]，满足肉牛生长需求。

2.5 新型太阳能恒温饮水系统设计 根据两期试验的结果，设计一种新型太阳能恒温饮水装置，通过减少太阳能集热器光板的数量、减少水箱容量，除去循环水箱等降低设备的一次性投入和耗电量。

查阅文献得知，一头350～500 kg 的育肥肉牛日均饲喂量10～15 kg 饲料[15]，因此一栋200 头育肥肉牛日均最大需供应约9 000 L 饮用水[16]。甘肃地下水温约14℃[17]，地下水经运输其初始水温约10℃[8]，设计太阳能恒温饮水的加热上限温度为30℃，储热水箱容积为2 000 L，则和冷水混合后可提供8 000 L、15℃饮用温水，在上午太阳光照不足时采用辅助采用辅助电加热方式。张掖地区冬季各月份日均太阳辐射11 月9.97 MJ/m2，12 月8.09 MJ/ m2，1 月8.75 MJ/ m2，2 月11.53 MJ/ m2，冬季日均的太阳辐射量为9.585 MJ/ m2[18]，则根据下列公式计算：

表5 二期试验舍内外有害气体情况 mg/m3

式中，AC为直接换热系统太阳能集热器的总面积，单位为m2；QW为日均加热水量，2 000 L；c 为水的定压比热容，单位为KJ/(kg·℃)，取4.2；ρ 为水的密度，单位为g/cm3，取1；tend为水箱内水的终止设计温度，单位为℃，取30；tL为水的初始温度，单位为℃，取14；f 对于该太阳能系统，为太阳能保证率，最新的国家标准建议取0.3～0.8，取0.6；JT 为太阳能集热器采光面的年均日太阳辐射量，单位为KJ/m2，取9 585；ηcd为太阳能集热器年均效率，取0.6；ηL为管路及水箱热损失，取0.1。

因此，建议安装47×1500×60 型全玻璃管集热器3 套，每套集热器集热面积为6.2 m2，总集热面积18.6 m2，基本可满足肉牛饮水需求。

另外，庞超[8]研究发现牛在夜间饮水量极少，因此设计夜间23:00—05:00 加热上限温度为20℃，减少因维持水温而产生的热损失，节约用电。

3 讨论

3.1 太阳能恒温饮水系统运行效果分析 一期试验中，试验舍与对照舍饮水杯平均水温分别为11.99、11.78℃，经测定太阳能热水器贮热水箱最高温度可达40～45℃，一般情况下可达到35℃左右。庞超[8]研究发现，饮水温度为16～18℃时牛只的增重效果最佳，为1.69 kg/（d·头）。本次研究中两舍内水温分别为11.99℃和11.78℃，无显著差异，温度相对较低于推荐温度。针对这种情况，殷威强等[19]认为，冬季太阳能的供热能效较夏季低，为解决冬季太阳能加热效率低于理想值，可采取将太阳能热水与燃气热水串联的方式，其能源效率高、加热速度快、使用费用低，并且效果优于电辅热加热器，可用于改进一期试验设备。试验舍内，牛只增重有高于对照舍的趋势，分析可能是由于每日下午太阳能贮热水箱和电加热水箱中温水混合后，水温高于对照舍水温1.7℃，促进牛只的瘤胃消化代谢导致。

二期试验期间对照舍电加热系统设定温度为60℃，水箱内温度基本维持在30～35℃，可使饮水杯内平均水温达到20℃；对照舍由于电加热水温高，故热水经热水箱至饮水杯损失大量热，耗能效率比降低，因此可以采用末端加热的方式。王波等[20]对电加热饮水槽优化设计，发现将温控技术与保温材料结合，采用低电压24 V 代替220 V 的常用电压，可保持饮水温度在10℃以上同时避免高压对牛的损害，节约能耗约20%。但戚江涛等[21]在极寒冷地区验证电热水槽的使用效果，结果显示水槽内平均水温为7.2℃，不能满足肉牛冬季合适的饮水温度。因此在电加热水槽的功率等参数设定还需要进一步探究。试验舍太阳能加热饮水系统设定储热水箱下限温度为40℃，上限温度为45℃，实际储热水箱内温度能达到40℃，可使饮水杯内平均水温达到22℃。试验舍太阳能加热系统水箱的设定温度低于对照舍电加热系统水箱的设定温度，但在2 个试验阶段两舍饮水杯内的日平均水温、饮水高峰时段水温均无显著差异，说明减少储水箱容量减少维持温度的热量，可提高水杯温度。

本试验新设计的太阳能恒温饮水系统在原有电加热饮水系统的基础上进行改造，将上限温度设置为30℃上，经计算与冷水混合后可提供8 000 L 温度达18℃的饮水，改善了一期试验水温过低和二期试验一次性投资成本过高的缺点，适用于200 头均重350～500 kg 肉牛育肥舍使用。

3.2 恒温饮水系统经济可行性分析 一期试验期间2栋牛舍牛只饲料饲喂量保持一致，因此饲料影响可不予考虑。太阳能热水器设备是在全电加热饮水系统基础上改造的，购置安装费用为11 000 元，理论使用年限10 年。试验期间试验舍和对照舍日平均耗电量分别为185.56、239.71 kW·h，将当地峰谷电价加权平均得到平均电价为0.44 元/kW·h，因此试验舍的恒温饮水系统比对照舍每天节省运行费用23.83 元，若每年冬季恒温饮水系统工作4 个月，则太阳能恒温饮水系统每年节省23.83 元/d×120 d=2 859.12 元，3 年10 个月即可收回太阳能加热器的成本费用。

二期试验中，设备购置及安装费用为50 000 元，电加热系统设备购置和安装费用为20 000 元，理论使用年限均为20 年，试验期间第一阶段试验舍与对照舍日平均耗电量分别为365.80、404.40 kW·h，第二阶段的日平均耗电量分别为331.17、409.67 kW·h。根据张掖地区的峰谷时段电价计算可得第一阶段试验舍的太阳能恒温饮水系统可比对照舍的电加热饮水系统每日节省运行费用17.91 元，第二阶段每日节省运行费用37.02元。按照每年冬季运行4 个月计算，以第一阶段的水箱水量运行一年可节省 2149.20 元，需23 年零1 个月可收回太阳能加热系统的投资成本；以第二阶段的水箱水量运行1 年可节省4 442.40 元，需11 年零1 个月可收回太阳能加热系统的投资成本。

新型太阳能恒温饮水系统将储热水池容量减小至2 000 L，同时除去3 套全玻璃管集热器和循环水箱的情况下可以较二期试验节约设备成本约30 000 元。

4 结论

本试验结果显示，太阳能恒温饮水系统和电加热饮水系统对肉牛提供的饮水温度无显著性差异，在甘肃张掖地区用太阳能恒温饮水系统代替全电加热饮水系统是可行的，太阳能恒温饮水系统水箱总水量为5 000 L 和2 500 L 时日均可节省耗电38.60 kW·h 和78.50 kW·h，每个冬季分别节省2 149.20 元和4 442.40 元。根据不同地区的热辐射参数在太阳能恒温饮水系统中适当减少集热器数量和储热水罐容积可以节约设备成本。