近年来，我国猪群养殖向标准规模化转变，规模化猪场的环境控制成为目前畜牧养殖业的研究重点和阻碍规模化猪场推广、控制猪群健康高效生长的难点。

通风系统的设计是猪场环境控制的重点。保育阶段猪群(后简称保育猪)由于发育尚不健全和受到断奶应激的影响^[1]，极易受到猪舍热环境和空气质量环境的影响，产生各种疾病。舒适的环境温湿度有利于保育猪的生长速度和生产性能，而非舒适区内的猪只可能会出现采食量减少^[2]，甚至是热应激、腹泻、打斗行为等症状^[3-4]。规模化猪舍虽提高了猪群密度，降低了生产成本，然而猪舍一旦出现传染病，可能就会对整个猪场生产带来沉重打击；高密度的养殖模式也导致了NH₃等影响猪群健康^[5]和生长速度^[6]的有害气体和粉尘产生量显著增加，使得猪舍内空气质量成为直接关系到猪群生长发育的主要外部影响因素之一^[7]。

通风是目前控制猪舍环境温湿度和净化空气，减少有毒有害气体、微生物和粉尘的首选技术措施^[8]。传统猪舍通风方式存在难以同时解决舍内温度和污染物的问题。比如，湿帘风机的方式易造成室内相对湿度高，且受到室外气候影响^[9]，室外高温高湿下可能会引起猪的热应激症状^[10]；传统横纵向通风，气流组织均匀性受猪栏高度和进排风口位置影响较大^[11]且容易造成交叉感染^[12]；垂直通风方式猪舍内流场均匀性较差^[13]；个性化送风虽能够同时解决猪舍气流组织和交叉感染问题^[14]，但其成本较高。Tabase等^[15-16]研究发现，采用地下风道进风、屋顶排风的猪舍，其舍内温湿度分布均匀，但污染物排放效率不高；Bjerg^[17]发现在粪池布置排风风机，会明显降低舍内NH₃浓度，并且将屋顶风机布置到躺卧区上方时，猪舍温度分布更加均匀；李修松等^[18]对地下风道进风、粪坑排风的冬季保育猪舍研究发现，舍内温度分布与污染物排放效率均优于吊顶进风、粪坑排风方式。而在民用建筑中，因层式通风具有送风直达呼吸区、通风效率高、节约能源等优势，近年来获得学者们广泛关注^[19-21]，且相关研究表明，层式通风适用于中小型或带状房间^[21]。基于此思路，本研究团队搭建了利用走道侧围栏挡板作为送风装置的新型环控系统(如图 1所示)，对其性能进行试验测试。

空调系统的动态送风能够在有效提高空调系统节能率的同时营造良好的室内热舒适环境^[22-23]，而既有的猪舍送风参数基本不随室外空气温度变化，导致空调系统运行能耗高、且运行效率低下。现行工业建筑规范中的负荷计算方法^[24]，对于保育猪舍这种猪只生长速度快，散热量变化大，空调系统全新风运行的建筑负荷，须针对不同室外条件与室内猪群发育时间重复建模计算多种工况，步骤繁杂，不便于工程应用。

基于此，本文根据实际猪舍负荷情况，建立了针对保育猪舍的全新风通风空调系统负荷计算模型，以重庆市黔江区某保育猪舍(猪舍平面图见图 2)为研究对象，并以与重庆市畜牧科学院合作搭建试验室测试数据为依据，对该负荷计算模型的正确性和动态送风调控环控方式的可行性进行验证。

1 方法与材料 1.1 负荷简化计算模型

以《规模猪场环境参数及环境管理》^[25]与重庆市畜牧科学院优化推荐的保育猪舍室内环境参数和强制性室内环境参数要求作为负荷计算参考，通过不同周次猪群、不同室外环境参数下室内环境参数要求，实现动态调控。

1.1.1 热平衡计算

由于规模化猪场建筑跨度广、纵深长，导致密集猪群的发热量成为影响室内热环境的主要因素。本文对重庆市黔江区某保育猪场进行实际负荷计算后得到，猪舍内猪群发热量冷负荷占到夏季总冷负荷的95 % 及以上^[26]。为简化计算，本模型中忽略围护结构、照明等因素对室内环境产生的冷热负荷，其合理性分析详见2.1节相关内容。

高温与高湿的结合，会抑制猪的潜热散热，导致猪体内热量堆积引发热应激症状^[27]。有研究^[10]显示，舍内温度32 ℃时，相对湿度50 % 环境下猪的食物摄入量相对于80 % 湿度下增加17.8 %，生长速率增加14.4 %。基于对空气处理能耗与猪只正常生长的权衡，本文建立计算模型过程中，在保证保育猪正常生长发育的前提下，考虑重庆地区气候特征、舍内产湿量与进排风含湿量间的关系，以34 ℃作为舍内温度上限、80 % 作为湿度上限(如表 1所示)。

在本模型中送入猪舍新风承担猪产热等其他冷负荷，热量平衡计算公式如下所示^[28-29]。

猪舍空调系统分别在进风口和排风道处设置送风机与排风机，二者协同工作。风量平衡式如下所示

$ G_{\mathrm{O}}=G_{\mathrm{N}} . $

(1)

式中: $G_{\mathrm{O}}$为进风质量流量, $\mathrm{kg} / \mathrm{s} ; G_{\mathrm{N}}$为排风质量流量, $\mathrm{kg} / \mathrm{s}$。

$ Q_{\mathrm{O}}+Q_{\mathrm{H}}=Q_{\mathrm{N}} . $

(2)

式中: $Q_{\mathrm{O}}$为送风热量, $\mathrm{kW} ; Q_{\mathrm{H}}$为猪群散热量, $\mathrm{kW} ; Q_{\mathrm{N}}$为排风热量, kW。

$ Q_{\mathrm{O}}=G_{\mathrm{O}} h_{\mathrm{O}} . $

(3)

式中：G_O为送风质量流量，kg/s；h_O为送风焓值，kJ/kg。

$ h_{\mathrm{O}}=c t_{\mathrm{O}}+0.001 \times d_{\mathrm{O}} \times\left(2501+1.85 t_{\mathrm{O}}\right) \text {. } $

(4)

式中：c为干空气的平均定压比热，取1.01 kJ/(kg ·℃)；t_O为送风温度，℃；d_O为送风含湿量，g/kg。

$ Q_{\mathrm{N}}=G_{\mathrm{N}} h_{\mathrm{N}} . $

(5)

式中：G_N为排风质量流量，kg/s；h_N为排风焓值，即室内空气焓值，kJ/kg，计算方式参考式(4)。

$ Q_{\mathrm{H}}=n q_{\mathrm{P}}+0.001 \times r_{\mathrm{m}} d_{\mathrm{P}} n / 3600 . $

(6)

式中: $n$为每栏内猪只数目, 头; $q_{\mathrm{P}}$为每头猪散热量, $\mathrm{kW} /$头; $d_{\mathrm{P}}$为每头猪散湿量, $\mathrm{g} /(\mathrm{h} \cdot$头$) ; r_{\mathrm{m}}$为猪群产湿1 kg所对应的潜热产量, $\mathrm{kW} / \mathrm{kg}$。($q_{\mathrm{P}}$、$d_{\mathrm{P}}$取值参考文献[30])

$r_{\mathrm{m}}=2501-2.327 \times t_{\mathrm{p}} . $

(7)

式中：t_P为猪的体温，取38 ℃。

湿量平衡式如下所示

$ d_{\mathrm{N}}=\left(d_{\mathrm{P}} n / 3600+d_{\mathrm{o}} G\right) / G . $

(8)

通过式(1)以及体积流量与质量流量之间关系式，可得

$ G_{\mathrm{N}}=G=G_{\mathrm{O}}=\rho_{\mathrm{O}} V_{\mathrm{O}} . $

(9)

式中：G为送风质量流量，kg/s；ρ_O为送风密度，ρ_O=353/(273+t_O)，kg/m³；V_O为送风体积流量，m³/s。

冷负荷Q_C计算式如下所示

$ Q_{\mathrm{C}}=G \times\left(h_{\mathrm{W}}-h_{\mathrm{o}}\right). $

(10)

式中：h_W为室外新风焓值，kJ/kg。

热负荷Q_R计算式如下所示

$ Q_{\mathrm{R}}=G \times\left(h_{\mathrm{O}}-h_{\mathrm{W}}\right). $

(11)

冬季与过渡季节的室外空气湿度相对较低，此时在适宜的室内温度条件下，湿度本身并不会对猪的生长产生较大的负面影响^[27]，通过调节送风量对室内温度控制，即可满足猪的生长需求。故本模型在冬季和过渡季节工况下重点关注舍内空气温度的变化。

1.1.2 动态调控设定

保育阶段猪只生长较快，发热量变化大，传统环控系统送风参数通常依据保育猪周次发热量参考值设定送风参数，不能充分利用室外新风冷量，导致系统能耗高，或舍内温湿度偏高，不能满足保育猪只生长要求，因此需要实时调控猪舍环境。根据Bjerg等^[31]提出的猪群有效温度方程，如下所示：

$ \mathrm{ET}=t+0.0015(\mathrm{RH}-50) t+(-1.0(42-T)\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\left.\left(v^{0.66}-0.2^{0.66}\right)\right) . $

(12)

式中：ET为有效温度，℃；RH为相对湿度，%；t为空气温度，℃；v为速度，m/s。

通过式(12)可知，若给与猪群生活区域适当风速，能降低猪群体感温度。

因此，本文根据所提的保育猪舍负荷简化计算模型，在保证保育猪舍内环境符合猪只生长要求的前提下，适当提高猪只聚集区风速，耦合室外气象参数，对送风参数动态调控，以减少环控系统能耗。送风参数动态调控逻辑如图 3所示。

1.2 试验设施

本文试验猪舍为与重庆市畜牧科学院合作搭建试验室(如图 4所示)。试验猪舍共2栏，每栏长2.4 m，宽4 m，高2.4 m，栏内地面全为规模猪场常用保育专用塑料漏缝地板，规格1 100 mm×600 mm，漏缝率46 %；试验室四周墙体及屋面均采用150 mm厚复合铝挤塑聚苯乙烯保温隔热材料。

考虑保育猪群生活区域高度与建造成本等因素，试验猪舍利用每栏猪舍的猪栏作为送风口(如图 5所示)，每栏猪舍设2个送风构件(送风角度可调)，尺寸为821 mm×65 mm×900 mm，送风口大小约821 mm×80 mm，高度为700 mm；利用猪舍漏缝板间隙排风，排风口设于粪池上部、漏缝板下部，使得舍内送风流向保育猪只聚集区。

夏季测试时，由于猪瘟疫情，无法使用实际猪群进行测试。以试验室旁蓄水池为冷源，采用人工热源模拟猪群发热，每栏加装2 900 W电加热器模拟第5周次最大密度下保育猪群发热量(在电加热器上方加装铁制格挡，避免电加热器散热量还未对室内热环境产生影响就被送风卷吸带走)，测试送风参数为25 ℃、1 000 m³/h条件下猪舍内的热环境；冬季测试时，测试猪舍每栏20头1周龄保育猪的舍内环境。

1.3 试验方法

由于试验室猪舍两栏布置相同且对称，仅对其中一栏布置测点。试验期间，猪舍内排风机与送风机联动，排风量为送风量的1.1倍，以满足舍内负压要求。

夏季测试时，在舍内0.2、0.4、0.7、1 m高度处布置4层温度、风速测点，2.2 m高度处仅布置温度测点，同一高度平面内设置1~9测点(如图 6所示)。利用JRT07C多通道万向风速仪风速传感器(量程0~5 m/s，精度±(0.03×(1+0.02)m/s))，kanomax 6501-BG智能型环境测试仪(量程-20~70 ℃，精度±0.5 ℃)对风速和温度进行采集。冬季测试时，为防止猪只影响测量准确性和破坏探头，在0 m(漏缝板处)、1、1.5和2 m高度处设置温湿度传感器；同时，设置NH₃、CO₂、PM_2.5和PM10传感器采集室内污染物浓度。温湿度传感器型号：RS-WS-*-2-*(温度：量程-40~80 ℃，精度±0.5 ℃；湿度：量程0~100RH，精度±3 % RH)；CO₂传感器型号：RS-CO₂-*-(量程0~5 000× 10^-6，精度±50×(1+0.03)×10^-6FS)；NH₃传感器型号：RS-NH₃-*-2-*(量程(0~100)×10^-6，精度±8 %)；PM_2.5、PM10传感器型号为：RS-MG111-*-1(量程0~1 000 μg/m³，精度±3 % FS)。测试时间为2021年12月27日至2022年1月4日，进行连续测量。

2 结果与分析 2.1 负荷计算验证

为验证本文提出保育猪舍负荷简化计算方法的正确性，以黔江保育猪舍为例，使用本文提出的全新风通风负荷模型计算得到的逐时冷负荷与天正暖通软件计算得到的猪舍传统夏季逐时逐项冷负荷进行对比，计算结果如表 2所示。

空调系统设计冷负荷通常按照夏季设计日逐时逐项冷负荷的综合最大值确定^[24]。由表 2可知，传统夏季逐时逐项法最大冷负荷为1 498.3 kW，本文提出负荷计算方法最大冷负荷为1 438.4 kW，两者误差仅4.16 %。而2种方法计算冷负荷间有差值的主要原因在于：天正暖通软件计算冷负荷时，考虑了围护结构和照明负荷；本文为简化计算方法，没有考虑负荷构成影响较小的围护结构与照明负荷。此外，由于天正暖通软件计算围护结构和照明负荷时，需要考虑延迟时间、衰减系数等因素，计算结果显示最大冷负荷出现在19：00；而本文采用简化方法，不考虑负荷延迟等因素，主要对负荷值与室外空气焓值^[24]进行了耦合，因而最大冷负荷出现在16：00。但是，2种方法计算总冷负荷值差异小于5 %，对于系统设计，完全可以应用于实际工程。上述结果表明了本文提出的负荷简化计算方法的可行性。

使用1.1节提出的简化负荷计算方法计算夏季设计日不同周次保育猪舍最佳送风参数(如表 3所示)，以传统方法计算负荷值验证最佳送风参数下猪舍室内温湿度的合理性。

结合表 3数据，计算得到排风参数(即室内空气参数)均满足猪舍热环境参数要求，如表 4所示。

结果表明本文所提出的全新风通风负荷计算方法，从工程应用的角度上可用于保育猪舍内的负荷计算。相比规范采用的负荷计算方法，该方法操作简单，计算时长短，更有利于工程上的应用。

2.2 动态调控方法验证

以第5周次保育猪为例，使用表 1、表 3保育猪数据计算不同室外气象参数下动态调控送风参数，结果如表 5所示；以试验猪舍实测验证送风参数的正确性，动态调控方式的可行性。

分析图 7曲线，预测值与实测值间存在一定差值，其主要原因有：首先，由于实验测试持续4 d(保育猪一般以7 d为一个生长周期)，猪群处于迅速生长期，猪群在不同测试日发热量存在差异，而预测值计算时猪群发热量取值固定，造成预测值与实测值间的差异；其次，通风降低舍内温度存在延后性，室外温度测试值与预测计算取值间存在一定差异，而在猪群发热量与送风量不变的前提下，送排风温度差值为定值，预测室内温度与室外温度成正比，因而预测舍内温度与实测值产生差异；同时，由于试验室内仅设2栏保育猪，猪群规模小，围护结构传热量相比猪群发热量不可忽略，因此造成了预测值与实测值的差异。需要说明的是，室外温度在17.5~19 ℃时，由于此波段室外温度并非时间上连续的测量值，而是测试周期(4 d)内不同日的测试数据，对应不同周期的猪群，猪群发热量和环境间的不同导致该段预测值产生较大误差。整体而言，实测值与预测值数据较为吻合，平均相对误差3.4 %，本文所提出的计算方法与送风参数动态调控方式可以应用于实际工程。

2.3 夏季工况测试结果与分析

夏季测试工况下，舍内不同测点温度和风速如图 8所示。根据图 8测试数据，对采集数据进行比较分析，采用温度不均匀系数K_t与速度不均匀系数K_v对试验室温度场、风速场进行评价。不同平面的计算结果如表 6所示。

由图 8数据计算得到，舍内测点平均温度33.6 ℃、1 m及以下平均温度33.5 ℃。2.1节负荷计算验证计算送风25 ℃、1 000 m³/h情况下，第5周次猪栏内温度33.0 ℃、湿度51 %，与实际测试33.5 ℃接近，考虑测试人员与设备等热源影响，可得出本次试验的测试结果与模型计算结果是相符的。

由图 8可以看出，实测猪舍1.0 m高度以下测点温度均低于34 ℃，2.2 m高度处受热空气上升影响，温度较1 m及以下高0.5 ℃。本研究中夏季猪舍内温度上限为34 ℃，因保育猪生活区高度为低于1.0 m的空间，所以舍内环境条件满足猪群生长要求，且充分利用室外新风自然冷源，能够降低环控能耗。此外，猪生活区域(0.2、0.4 m)温度不均匀系数低于0.01、空气流速不均匀系数低于0.5(见表 6所示)，目前猪舍环控文献中大多仅给出猪舍内不同断面的平均温度^[32-33]，参考居住建筑中温度不均匀系数低于0.01被认为是温度分布均匀^[34]，空气流速不均匀性系数均低于0.5被认为是速度均匀^[35]，表明猪舍内保育猪生活区域温度、空气流速分布均是均匀的；对于舍内湿度场，结合表 1与前文计算和夏季测试结果，认为夏季舍内湿度51 % 满足猪群生长舒适要求。

2.4 冬季工况测试结果与分析

冬季由于猪群自身的发热量，通常较小新风量就能获得较好的室内热环境。然而新风的减少势必会导致猪舍通风不佳和舍内污染物浓度增高，引发猪的各种呼吸道疾病和影响猪的生长发育^[36]。因此，保育猪舍冬季需要同时关注舍内的热环境和空气质量参数。

测试期间，室外日平均温度10.7 ℃，日平均温差9.8 ℃。对舍内测点连续采集的温湿度数据进行比较分析。如图 9所示，室内0、1.0、1.5、2.0 m处日平均温度分别为30.1、25.8、25.8和26.1 ℃，日平均温差分别为8、5.1、5.0和4.6 ℃。在室外日均温差达10 ℃工况下，除0 m处受到猪体或排泄物影响测试数据偏大外，其他测点温度均处于猪只适宜温度范围，日平均温差均5 ℃左右，波动较小，猪舍空间空气无明显温度分层。由此可以看出猪群生活区域温度均处于适宜范围，为猪群提供了较好的环境条件。此外，测试期间，舍内相对湿度为50 % 左右，处于适宜水平，有效减少了猪低温下的冷感，抑制细菌微生物繁殖。漏缝板处湿度波动较大，但持续时间较短，对舍内猪群影响小。

冬季连续测试工况下试验室内污染物的浓度与送风量的变化情况如图 10所示，图中给出了GB/T 17824—3中的保育猪舍对应的污染物卫生指标。

由图 10和表 7数据可知，冬季工况下，舍内污染物浓度均远低于国家标准值，NH₃平均浓度低于6 mg/m³、颗粒物平均浓度低于0.2 mg/m³，数据表明以文章负荷简化计算模型实现的动态调控下，猪舍内空气质量是较优的^[36]。

对室内污染物浓度数据进行分析，结合前文相关指标，得出150 m³/h送风条件下，舍内空气质量符合国家标准(如图 11所示)。而冬季舍内由于猪发热量的影响，温度控制较易，只需室内污染物浓度满足要求即可。因而，在本研究的边界条件下，可以认为150 m³/h是冬季工况下每栏猪舍的最小新风量。

值得注意的是，目前规模化猪舍都向着楼房养猪发展，使用传统吊顶送风方式，楼层高度增加，跨度较大时，需同时建设吊顶、送风管道、风机等，会增加猪场建设成本^[37]。实验结果表明，层式通风送风方式是降低上述难点的有效技术手段。其次，本文使用的这种直接在猪群生活区上方空间进行送风的形式相比于吊顶送风具有风程短，环控系统仅对下层猪群生长区域空气进行调节，减少环控系统能耗^[38]，猪群生活区域温湿度分布更加均匀^[17]的优势，通过夏季、冬季试验，实测数据分析验证，说明该送风方式有较好的局部创新性。

3 结论

随着畜牧业生产模式的转变，适合我国国情的规模化猪场环控方式是当前和未来畜牧业研究的热点，也是影响规模化猪场发展和推广的难点。本文提出的全新风通风环控调控手段和计算模型，通过试验测量和猪场实测论证了方案的可行性，结论如下。

1) 基于负荷计算，应用全新风通风计算模型与传统逐时逐项冷负荷计算结果差异小于5 %，该方法操作简单，可应用于工程简化计算。

2) 针对动态调控方法，以计算模型耦合不同室外气象参数下的动态调控策略应用于实际猪舍，调控策略下舍内温度测试值与理论值平均相对误差为3.4 %，且能够满足夏季猪舍温度、风速控制值及均匀性要求，验证了方法的可行性。

3) 调控策略应用在冬季运行工况下，计算每栏最低仅需150 m³/h送风量即可满足舍内空气质量要求，理论送风参数下，测得舍内平均温度26 ℃左右，日平均温差5 ℃，CO₂、NH₃、PM_2.5等污染物浓度均低于国家标准指标。

4) 同时，通过实际测试结果，说明层式通风方式具有能耗低、风程短、猪生活区温湿度分布更均匀的优势。

综上，在本研究提出的保育猪舍负荷简化计算模型及动态调控方式下，可以确保猪群体感温湿度适宜的同时控制污染物浓度。但是，负荷简化计算模型受到猪舍类型、气候区等因素的影响，本文提出的环控计算方式与运行策略的适应性尚待进一步研究。