李 欣，邢啟明，齊 賀，欒冬梅

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

寒冷地區(qū)奶牛場太陽能熱水工程和電熱水槽應(yīng)用效果的研究

李 欣，邢啟明，齊 賀，欒冬梅*

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

為了解決寒冷地區(qū)泌乳牛冬季飲用熱水的問題，設(shè)計(jì)并制作了奶牛場太陽能熱水工程。采用太陽能熱水工程和電熱水槽為泌乳牛提供熱水，通過對泌乳牛飲用冷水和熱水時生產(chǎn)性能和經(jīng)濟(jì)效益的比較，探討寒區(qū)冬季為泌乳牛提供熱水的適宜方式。結(jié)果表明，泌乳牛群呈現(xiàn)出集中式飲水，泌乳牛舍內(nèi)的供水系統(tǒng)應(yīng)該在短時間內(nèi)能夠提供大量的熱水；太陽能熱水工程能夠滿足泌乳牛舍大量、集中供應(yīng)熱水的需求，可用于寒冷地區(qū)的規(guī)?；膛觯浑姛崴劭梢员ＷC水槽不結(jié)冰，但保證不了泌乳牛飲用到適宜的熱水；在舍外氣溫-25.3 ℃、舍內(nèi)氣溫-2～-3 ℃的條件下，太陽能熱水工程可提供14.6 ℃的飲用水，可提高產(chǎn)奶量2.6 kg/頭/d，可增加效益9.0 元/頭/d，電熱水槽可提供7.9 ℃的飲用水，可提高產(chǎn)奶量1.3 kg/頭/d，可增加效益3.55 元/頭/d。

寒區(qū)；飲水溫度；泌乳牛；太陽能熱水工程；電熱水槽

水對于泌乳牛具有特別重要的意義，這不僅是因?yàn)樗诹鑫傅南到膺^程中扮演著十分重要的角色[1]，而且，水也是牛奶中最主要的組成成分[2]。研究表明，冬季給奶牛飲用熱水能夠提高采食量、飲水量和產(chǎn)奶量，同時降低飼料消耗，提高飼料利用率[3-6]。然而，筆者調(diào)查發(fā)現(xiàn)，黑龍江省冬季地下水的溫度只有2～5 ℃。在這種情況下，如果不采取加熱措施，奶牛只能飲用冷水，嚴(yán)重時由于舍溫低、水槽結(jié)冰奶牛根本就喝不到水。目前，規(guī)?；膛鲆话阌秒姛崴蹫槟膛Ｌ峁崴?。但調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前生產(chǎn)中使用的電熱水槽存在以下2方面的問題，一是水溫低，達(dá)不到奶牛的適宜飲水溫度。由于水槽的容量有限，在奶牛集中飲水的時段，常常是3～5 頭奶牛飲水之后，冷水流進(jìn)來水溫就降低了，后面的奶牛根本喝不到熱水；二是電熱水槽的耗電量很大。由于水槽為敞開式，冬季牛舍溫度很低，水槽表面大量散熱，導(dǎo)致水槽耗電量很大。因此，電熱水槽只能保證水槽內(nèi)的水不結(jié)冰、水溫稍高于地下水，滿足不了奶牛冬季飲用熱水的需要。太陽能熱水工程熱效率高、安全、無污染且運(yùn)行費(fèi)用低，非常適合應(yīng)用在太陽光照時間長、用水量大的場所。太陽能熱水工程已成功用于賓館、洗浴及工業(yè)用水，但在養(yǎng)殖領(lǐng)域還鮮有報道。為了解決寒冷地區(qū)泌乳牛冬季飲用熱水的問題，本試驗(yàn)采用太陽能熱水工程和電熱水槽為泌乳牛提供熱水，通過對奶牛飲用冷水和熱水時生產(chǎn)性能和經(jīng)濟(jì)效益的比較，探討寒區(qū)冬季為泌乳牛提供熱水的適宜方式，為提高寒區(qū)奶牛的生產(chǎn)性能和奶牛場的經(jīng)濟(jì)效益提供科學(xué)的管理措施。

1 材料與方法

1.1 飲用水加熱設(shè)備的設(shè)計(jì)與安裝

1.1.1 太陽能熱水工程 太陽能熱水工程由安裝在牛舍屋頂上的太陽能集熱器和安裝在牛舍內(nèi)的保溫水箱、內(nèi)循環(huán)泵、外循環(huán)泵、系統(tǒng)控制箱、供水管道、水槽等組成。太陽能熱水工程示意圖見圖1。

太陽能集熱器由450根真空玻璃集熱管組成。集熱器與水平面成30°安裝在泌乳牛舍的屋頂上。集熱器通過外循環(huán)泵和上下水管與舍內(nèi)的保溫水箱相連。舍外的水管為直徑3.3 cm的鐵管，水管外設(shè)有伴熱帶和保溫材料；舍內(nèi)采用同樣尺寸的PP-R管，每條水管上都設(shè)有控制閥門。

圖1 太陽能熱水工程示意圖Fig.1 Sketch map of the solar warm-water project

根據(jù)Dahlbom提出的泌乳牛飲水量計(jì)算公式，泌乳牛的日飲水量為71.7 L/do頭[7]。60 頭泌乳牛的飲水量為4.3 T/d。因此，設(shè)計(jì)水箱的容積為3 mL，每天上水2次，可完全滿足舍內(nèi)60頭泌乳牛1 d的飲水需求。

保溫水箱由中間填充8 cm厚聚氨酯發(fā)泡保溫層的雙層不銹鋼板制成。水箱放置在泌乳牛舍一端的飼養(yǎng)員休息室內(nèi)。保溫水箱內(nèi)設(shè)有水位傳感器和電加熱棒，電加熱棒用于補(bǔ)充加熱。循環(huán)泵、水位傳感器、電加熱棒、伴熱帶等重要部件通過信號線與系統(tǒng)控制箱相連，溫差循環(huán)、自動上水、補(bǔ)充加熱、防凍伴熱等功能均通過控制箱進(jìn)行操作。

太陽能熱水工程的運(yùn)行過程如下：利用外循環(huán)泵將水輸送到集熱器中，集熱器吸收太陽輻射能使水的溫度升高，當(dāng)集熱器與保溫水箱的水溫達(dá)到設(shè)定的溫差時，集熱器中的熱水自動流入保溫水箱，保溫水箱中的冷水自動上到集熱器。如此循環(huán)，直至水箱內(nèi)的水溫達(dá)到設(shè)定值。此外，當(dāng)水箱中的水溫低于設(shè)定值時，將啟動保溫水箱中的電熱棒進(jìn)行補(bǔ)償加熱。當(dāng)需要為奶牛供水時，手動開啟內(nèi)循環(huán)泵，即可將水箱中的熱水送到奶牛的飲水槽中。

1.1.2 電熱水槽 電熱水槽的尺寸為4.0 m×0.5 m×0.35 m，內(nèi)外表面均為不銹鋼板，內(nèi)部加熱裝置為兩根功率1 500 W的電加熱棒，水槽的保溫材料為玻璃棉。可人工設(shè)置電熱水槽的水溫。

用單相電表記錄試驗(yàn)期間太陽能熱水工程和電熱水槽的耗電量。

1.2 試驗(yàn)牛舍與試驗(yàn)動物

試驗(yàn)地點(diǎn)為黑龍江省青岡縣山東屯荷斯坦奶牛繁育場，該場位于北緯46°52'，東經(jīng)125°42'。試驗(yàn)選用的3棟牛舍均為磚混結(jié)構(gòu)的有窗密閉舍。試驗(yàn)過程中，舍外的平均氣溫為-25.3 ℃，采用太陽能熱水工程、電熱水槽和普通水槽的奶牛舍平均氣溫分別為為-0.8 ℃、-3.6 ℃和-2.5 ℃。每棟牛舍中都飼養(yǎng)50～60頭的泌乳牛，泌乳牛的年齡和體況相近。采用TMR(全混合日糧)飼喂技術(shù)。每日飼喂3次、擠奶三次、清糞兩次。試驗(yàn)時間為2012年11月～2013年1月。

1.3 測定指標(biāo)與方法

每棟舍選取5 頭年齡相近、胎次為2～3胎、體況良好的奶牛進(jìn)行呼吸頻率和體表溫度的測定。測定日15∶00記錄奶牛趴臥時每分鐘的胸廓起伏次數(shù)，連續(xù)測定3 次，取平均值作為奶牛的呼吸頻率，連續(xù)測定3 d。測定日15∶00，在奶牛身體兩側(cè)的胸部和腹部均勻選擇8個測定點(diǎn)，用TI110-E便攜式熱輻射儀測定奶牛的體表溫度，取8個測定點(diǎn)的平均值代表體表溫度，連續(xù)測定3 d。試驗(yàn)期間記錄奶牛每天的產(chǎn)奶量。采用定時但不定量的供水方式，每天供水5次，由水表記錄每棟牛舍的飲水量。利用溫濕度自動記錄儀測量試驗(yàn)期間奶牛的飲水溫度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同飲水設(shè)施的飲水溫度

2012年11月28日～2013年1月17日期間，舍外的日平均氣溫為-25.3 ℃，3種飲水設(shè)施的水溫見表1。由表1可知，太陽能熱水工程的水溫最高，為14.6 ℃，電熱水槽居中，為7.9 ℃，而普通水槽，即地下水的溫度只有2.2 ℃。

2.2 泌乳牛的飲水量和產(chǎn)奶量

飲水溫度對奶牛飲水量和產(chǎn)奶量的影響見表1。由表1可知，飲水溫度對奶牛的飲水量有極顯著影響(P<0.05)。利用太陽能熱水工程和電熱水槽供水時，奶牛的飲水量顯著高于普通水槽，即飲水溫度提高，奶牛的飲水量顯著提高，水溫14.6 ℃時，奶牛每日的飲水量比2.2 ℃時多11 kg。飲水溫度對奶牛的產(chǎn)奶量有顯著影響(P<0.1)。采用太陽能熱水工程時，奶牛能飲用到14.6 ℃溫水，其產(chǎn)奶量達(dá)到32.3 kg/d·頭，顯著高于采用普通水槽、即飲用2.2 ℃地下水，而采用電熱水槽時，奶牛的產(chǎn)奶量雖稍高于采用普通水槽的產(chǎn)奶量，但差異不顯著。

表1 飲水溫度對奶牛飲水量和產(chǎn)奶量的影響Table 1 Effect of drinking water temperature on water intake and milk yield of cows

注：同列數(shù)字不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)，不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Note： In the same column,values with different capital superscripts mean extreme difference(P<0.01),while those with different small letter superscripts mean significant difference(P<0.05).The same below.

2.3 泌乳牛的呼吸頻率和體表溫度

飲水溫度對奶牛呼吸頻率和體表溫度的影響見表2。由表2可知，飲水溫度對奶牛的呼吸頻率和體表溫度沒有顯著影響(P>0.05)。

表2 飲水溫度對奶牛呼吸頻率和體表溫度的影響Table 2 Effect of drinking water temperature on respiratory frequency and skin temperature of cows

3 討 論

3.1 太陽能熱水工程和電熱水槽的升溫效果

太陽能是一種無污染的可再生能源。在太陽能利用的方式中，光-熱轉(zhuǎn)換的技術(shù)最成熟，產(chǎn)品也最多，成本相對較低。在光熱轉(zhuǎn)換中，當(dāng)前應(yīng)用范圍最廣、技術(shù)最成熟、經(jīng)濟(jì)性最好的是太陽能熱水器的應(yīng)用。但單機(jī)太陽能熱水器容量小，滿足不了大型奶牛場對熱水的需求。太陽能熱水工程熱效率高、安全、無污染且運(yùn)行費(fèi)用低，非常適合應(yīng)用在太陽光照時間長、用水量大的場所。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在舍外日平均氣溫為-25.3 ℃的條件下，本次設(shè)計(jì)的太陽能熱水工程基本滿足了奶牛對熱水的需求。即使在陰天太陽輻射特別弱時，開啟電補(bǔ)償加熱，也可保證水箱內(nèi)的水溫在20 ℃以上。試驗(yàn)期間，降雪、陰天等不利天氣約占1/4，因此，太陽能熱水工程的電補(bǔ)償耗電量也只有0.47度/d/頭，電費(fèi)也只有0.25 元/d/頭。此外，由于水箱的內(nèi)外表面為不銹鋼板，中間填充厚度為8 cm聚氨酯發(fā)泡保溫層，水箱保溫性能好，一晝夜保溫水箱內(nèi)水溫的下降幅度只有2～5 ℃。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在舍外的日平均氣溫為-25.3 ℃，舍內(nèi)氣溫為-2～-3 ℃的情況下，電熱水槽需要5 h以上的時間才能將2.2 ℃的冷水加熱到15 ℃。在電熱水槽的實(shí)際使用過程中，當(dāng)奶牛飲水時，低溫的地下水補(bǔ)充進(jìn)水槽，水槽內(nèi)的水溫迅速下降，后面的奶牛只能飲用未加熱到適宜溫度的水。在實(shí)際運(yùn)行過程中，電熱水槽的水溫最高為10 ℃，而奶牛實(shí)際飲用的水，平均溫度只有為7.9 ℃。因此，電熱水槽的加熱速度慢、水溫低，滿足不了奶牛冬季飲用15～20 ℃水的要求。

3.2 奶牛的飲水規(guī)律與供水設(shè)施

對牛群的觀察發(fā)現(xiàn)，泌乳牛的飲水時間與泌乳牛的飼養(yǎng)管理密切相關(guān)。飼喂前與飼喂后、擠奶前與擠奶后是泌乳牛飲水的高峰時間，特別是每天早晨第一次擠奶后，泌乳牛的飲水時間長，飲水量大。這可能與早晨的泌乳量在一天中最多，泌乳牛急需補(bǔ)充水分有關(guān)。本次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，泌乳牛冬季的飲水量因水溫的不同而不同，水溫在2.2～14.6 ℃的范圍時，水溫越高，奶牛的飲水量越大，范圍在68.1～79.1 L/d/頭，這與周玉鳳[6]報道的進(jìn)入泌乳期后的奶牛每天需要50～100 L的水相一致。由此可見，奶牛的飲水量很大，這就要求奶牛場的供水設(shè)施冬季時必須在短時間內(nèi)能夠?yàn)槟膛Ｌ峁┐罅康臒崴拍軡M足全群奶牛的飲水需求，而目前一般電熱飲水槽的容積基本在200～300 L，隨著奶牛的飲用、冷水進(jìn)入水槽后，水槽內(nèi)的水溫很快就下降了，致使后面的奶牛根本就喝不上熱水。

3.3 奶牛適宜的飲水溫度

瘤胃的代謝過程要求一個穩(wěn)定的溫度環(huán)境，這是保證奶牛等反芻動物瘤胃正常發(fā)酵的重要條件。反芻動物瘤胃內(nèi)容物的平均溫度為39 ℃，飲水溫度低會使瘤胃溫度暫時下降，影響瘤胃微生物活性，干擾瘤胃的正常發(fā)酵。研究發(fā)現(xiàn)，氣溫在 12 ℃以下時，給奶牛大量飲用冷水，可降低體溫 1～2 ℃，要恢復(fù)正常體溫，需要消耗體能，產(chǎn)奶量明顯下降[4]。

關(guān)于奶牛適宜的飲水溫度卻存在不同的試驗(yàn)結(jié)果。李軍峰[8]報道，奶牛飲用20、16 ℃的水比 8、12 ℃的水產(chǎn)奶量分別提高 9.33 %、7.10 %；李廣運(yùn)等[9]認(rèn)為，成年奶牛飲水溫度以10～15 ℃為宜；趙廣永等[1]則認(rèn)為，40～45 ℃的水溫較為合適；陳佳琦[10]研究發(fā)現(xiàn)，將水加熱至40 ℃后緩慢倒入水槽，牛在水溫降至10 ℃左右才開始飲用；Monica[11]研究指出，泌乳牛在低溫環(huán)境中，飲用3 ℃的水，每天產(chǎn)奶量為25.39 kg，10 ℃時為25.93 kg，17 ℃時為26.33 kg，24 ℃時為26.09 kg，飲用3 ℃與17 ℃水的產(chǎn)奶量差異極顯著，水溫升高到24 ℃時并未表現(xiàn)出更好的效果。本次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用太陽能熱水工程、飲水溫度提高到14.6 ℃時，奶牛的飲水量和產(chǎn)奶量才顯著高于未加熱的冷水，而用電熱水槽、飲水溫度提高到7.9 ℃時，奶牛的飲水量雖然顯著高于冷水，但產(chǎn)奶量的差異未達(dá)顯著水平。

試驗(yàn)牛場地下水的溫度只有2.2 ℃，因此，非常有必要采取措施提高飲水溫度，以減少其對生產(chǎn)性能的不利影響。

3.4 不同飲水設(shè)施經(jīng)濟(jì)效益分析

太陽能熱水工程和電熱水槽經(jīng)濟(jì)效益分析見表3。根據(jù)設(shè)備的投入和使用年限，按每年需要提供熱水的時間為180 d、每棟舍內(nèi)奶牛頭數(shù)為50頭計(jì)算，太陽能熱水工程和電熱水槽的設(shè)備折舊費(fèi)分別為0.50 元/頭/d和0.22 元/頭/d。根據(jù)耗電量和電價，可以計(jì)算出太陽能熱水工程和電熱水槽的電費(fèi)分別為0.25 元/頭/d和1.11 元/頭/d。本研究中，與飲用未經(jīng)加熱的地下水相比，太陽能熱水工程提供的14.6 ℃的溫水使產(chǎn)奶量提高2.6 kg/頭/d，電熱水槽提供的7.9 ℃的溫水使產(chǎn)奶量提高1.3 kg/頭/d。鮮奶的價格按當(dāng)時的收購價3.75 元/kg計(jì)算，太陽能熱水工程和電熱水槽分別可增加收入9.75元/頭/d和4.88 元/頭/d。增加的收入減去設(shè)備折舊費(fèi)和電費(fèi)后，太陽能熱水工程可增加效益9.0元/頭/d，而電熱水槽可增加效益3.55 元/頭/d。

表3 太陽能熱水工程和電熱水槽經(jīng)濟(jì)效益分析Table 3 Economic profit analysis on solar warm-water project and electric heating water trough

4 結(jié) 論

(1)采食前后和擠奶前后是泌乳牛飲水的高峰期；泌乳牛舍內(nèi)的供水系統(tǒng)應(yīng)該在短時間內(nèi)能夠提供大量的熱水。

(2)太陽能熱水工程是一種高效、節(jié)能、環(huán)保的飲用水加熱方式，能夠滿足泌乳牛舍大量、集中供應(yīng)熱水的需求，可用于寒冷地區(qū)的規(guī)?；膛觯欢姛崴劭梢员ＷC水槽不結(jié)冰，但保證不了奶牛飲用到適宜的熱水。

(3)在舍外氣溫-25.3 ℃、舍內(nèi)氣溫-2～-3 ℃的條件下，太陽能熱水工程可提供14.6 ℃的飲用水，可提高產(chǎn)奶量2.6 kg/頭/d，可增加效益9.0 元/頭/d，電熱水槽可提供7.9 ℃的飲用水，可提高產(chǎn)奶量1.3 kg/頭/d，可增加效益3.55 元/頭/d。

[1]趙廣永,馮仰廉.用短期人工瘤胃發(fā)酵法研究飲水溫度對反芻動物瘤胃發(fā)酵的影響[J].中國畜牧,1996,32(5):8-10.

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[4]邢攸荷.國內(nèi)外提高奶牛產(chǎn)奶量的方法與措施[J].四川畜牧獸醫(yī),2005(5):41.

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[8]李軍峰.飲水溫度對奶牛生產(chǎn)性能的影響[D].陜西楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2008.

[9]李廣運(yùn).預(yù)防奶牛冷應(yīng)激的措施[J].養(yǎng)殖技術(shù)顧問,2009(1):9.

[10]陳佳琦.西北地區(qū)冬季肉牛養(yǎng)殖環(huán)境控制及管理措施研究[J].黑龍江畜牧獸醫(yī),2012(401):6-10.

[11]Monica A.Effects of drinking water temperatures on water intake and milk yield of tied-up dairy cows [J].Livestock Production Science,1985,12(4):329-338.

ApplicationofSolarWarm-WaterProjectandElectricHeatingWaterTroughsinDairyCowFarmsinColdRegion

LI Xin,XING Qi-ming,QI He,LUAN Dong-mei*

(CollegeofAnimalScienceandTechnology,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin,Heilongjiang150030,China)

In order to provide warm drinking water for dairy cows reared in cold regions in winter,a solar warm-water project for dairy farms was designed and manufactured.Warm drinking water was provided for dairy cows by this project as well as electric heating water troughs.Discussions of appropriate ways of giving warm water for dairy cows in cold regions in winter were made by comparing the different performance and economic profits of dairy cows drinking cold water and dairy cows drinking warm water.Results showed that rush hours for water drinking of dairy cows were before and after eating,as well as before and after milking,and water systems inside dairy cows' barns should supply a large amount of warm water in short time.Solar warm-water project could meet the demands of such amount of warm water needed in limited time for dairy cows' barns,and could be applied for dairy farms in cold regions.Although electronic heating water troughs may ensure that water's temperature is above the freezing point,water was colder than optimum drinking water of dairy cows.With an outdoor temperature of -25.3℃ and an indoor temperature of -2～-3 ℃,solar warm-water project was able to supply drinking water with a temperature of 14.6 ℃,which can increase milk yield by 2.6 kg per cow daily,and also earn 9.0 more RMB per cow daily.Electric heating water troughs could contain drinking water with a temperature of 7.9 ℃,increasing milk yield by 1.3 kg per cow daily and earning 3.55 more RMB per cow daily.

cold regions;drinking water temperature;dairy cow;solar warm-water project;electric heating water trough

2013-10-31，

2013-11-28

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃課題(2012BAD12B05)

李 欣(1991-),女，黑龍江人，碩士研究生，主要從事畜禽環(huán)境管理研究。E-mail: lixin461009820@163.com

*[通訊作者]欒冬梅(1963-)，女，黑龍江人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師。E-mail:ldmneau@163.com

S811.6

A

1005-5228(2014)03-0038-05