張 政，牛 歡，顏培實

（南京農業(yè)大學動物科技學院，江蘇南京210095）

如何緩解夏季高溫的影響，早在上世紀40年代Seath等［1］就報道通過吹風加強水分蒸發(fā)可以緩解家畜的熱應激，提供遮陰［2］、吹風［3］或者是先通過浸濕家畜皮膚然后提供強制吹風［4］亦可以作為防暑技術。向畜舍空氣中噴灑小直徑的水珠促進蒸發(fā)有利于降低環(huán)境溫度，但僅在封閉的玻璃房子內應用［5］，隨后才推廣到畜禽舍內［6］，直到1992年才在奶牛舍中安裝使用［7］。間歇噴淋吹風畜牧場最常用的降溫方法。但由于家畜皮膚一直處于濕潤狀態(tài)，增大了周圍環(huán)境濕度，限制了皮膚蒸發(fā)能力，降低降溫效果［8］。而且由于濕度過大導致畜舍氣味增加，蹄病和沙門氏菌病發(fā)病率升高，生產成本增加［9－10］。

置換通風在保溫隔熱性能較好的民用建筑上應用較多［11－13］。Nielsen等［14］通過計算流體力學模擬和實際測量證明在實驗室（4.2m×3.6m×2.5m）內，纖維風管裝在屋頂上沿墻分布，在很大區(qū)域內能夠形成置換通風氣流組織。Chakroun等［15］研究表明，置換通風冷卻吊頂系統(tǒng)采用個性化蒸發(fā)式冷卻器以較高的送風溫度實現了與低溫送風相近的舒適水平。這些研究表明通過大風量送風可以使降溫幅度有限的冷風機達到置換通風的降溫效果。本試驗旨在研究冷風機－風管系統(tǒng)，采取上置置換通風布置和合理的開口模式進行畜舍降溫，為該將降溫系統(tǒng)推廣使用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點和畜舍

本試驗于2013年8月進行，試驗分為預試驗和正式試驗兩部分。試驗地點為國家肉牛體系高安試驗站，位于江西省宜春市（28.25°N，115.22°E）。該地區(qū)6－9月份平均相對濕度約為50%，溫濕指數（THI）≥74約占72%，7、8月份10∶00－18∶00時間段平均氣溫37℃，最高氣溫40℃，全月THI皆在78以上［16］。隨機選擇兩個相同畜舍，東西走向，長56m，跨度9.3m，檐高3.4m，南北墻高2.7 m。畜舍內南北各14個（4m×3.6m×1.4m）牛欄，牛欄后面各有一個鐵門（寬1.2m，高1.9m）。試驗組采用冷風機－布風管降溫裝置，對照組每個牛欄正上方安裝一臺吊扇，直徑1.2m，距離地面3 m。為了避免舍外氣流對舍內造成影響，試驗組南北墻上方安裝帆布遮蓋，頂部流出15cm開口，對照組南北墻以及四周的門均處于開放狀態(tài)。

1.2 冷風機－風管降溫原理和送風設計

置換通風是將外界新鮮空氣經過冷風機降溫之后變成冷空氣以低速直接送入畜舍內。風速不宜過高，避免對畜舍主導氣流產生影響。冷空氣由密度較大而下沉，沿地面向四周擴散，與畜舍內熱源自由對流，形成熱氣流以煙雨形式向上流動，從而卷吸周圍空氣從上部出舍外。室內主導氣流是依靠熱源產生的上升浮力來驅動房間的氣流流動，這樣在室內形成下低上高的溫度梯度以達到局部降溫的節(jié)能目的，同時形成有害氣體濃度梯度和濕度梯度，提高通風換氣效率［17］。置換通風的設計需滿足下列條件：房間高度不小于2.7m；室內風速不超過0.5m／s；污染源與熱源共存時，冷負荷小于120W／m2，空調區(qū)內不宜有其他氣流組織［18－19］。

圖1為畜舍平面圖。圖中A為冷分機，安裝在畜舍外四個角，距地面2.1m；B為纖維風管，安裝在畜舍內沿墻分布，距地面2.1m。圖2是冷風機和纖維風管實物圖。圖3是畜舍立面示意圖。纖維風管出風口開口傾斜朝下，第一排孔與豎直方向夾角10°。纖維風管上有兩種規(guī)格20排交叉排列出風孔，分別是大孔（big hole）和小孔（small hole）。其中大孔直徑4mm，間距16mm，孔排距14mm。小孔直徑2mm，間距10mm，孔排距9mm。

圖1 冷風機－風管系統(tǒng)平面內布置及各測點平面示意圖Fig.1 Plan arrangement of cooling fan－duct system and sketch of environmental parameter measuring points注：A－冷風機；B－纖維風管；C－風管內所測風速位置，間隔5m；D－環(huán)境溫度，相對濕度，溫室指數，風速測定位置，距墻1m，水平高度分別為0.5m1.0m1.5m；E－氣體測定位置，距食槽0.5m，水平高度0.5m1.0m；F－飼喂走道；G食槽。Notes：A－cooling fan；B－fabric air dispersion；C－measuring points of wind speed in the duct every 5m；D－measuring points of ambient temperature，relative humidity，temperature－h(huán)umidy index，and wind speed，1mfrom the back wall and 0.5m，1.0m，1.5min the height respectively；E－measuring point of Carbon dioxide，Carbon monxide，Dinitrogen oxide and Ammonia 0.5m from trough and 0.5m，1.0min the height respectively；F－feeding aisle；G－trough

圖2 冷風機－風管系統(tǒng)實物圖Fig.2 The photo of cooling fan－duct

1.3 試驗設計

試驗分為預試驗3d和正式試驗7d。每棟舍內各飼養(yǎng)80頭西門塔爾肉牛，從中分別選取12月齡（體重約500kg）成年公牛（steer，S）和5－6月齡（體重約200kg）犢牛（calf，C）各10頭，飼養(yǎng)方式均為拴養(yǎng)。每天09∶00～19∶00打開冷風機－風管降溫系統(tǒng)對畜舍進行降溫，此時關閉畜舍所有門窗，只留有南北墻上方15cm開口，試驗結束即打開門窗。對照組打開吊扇，門和窗一直處于開放狀態(tài)。

圖3 畜舍立面示意圖Fig.3 Facade view of beef cattle barn

1.4 測定指標及方法

試驗期間每天10∶00、14∶00和18∶00分別測量環(huán)境指標和生理指標。圖1為畜舍平面圖。C表示從風管開口到風管尾端每隔5m的測量點，該處用于測量風管內風速以及布風管大、小孔出風口風速。同時在4個纖維風管下方間隔5m，距離后墻1m，分別測量0.5m、1.0m和1.5m三個垂直高度風速。D表示距離后墻1m，水平高度分別為0.5m、1.0m和1.5m，東西方向間隔8m測量點，是環(huán)境溫度（ambient temperature，AT℃）、相對濕度（relative humidity，RH）、溫濕指數（temperaturehumidity index，THI）和風速（wind speed，WS，m／s）測量位置。E表示距離食槽（trough）0.5m，水平高度分別0.5m和1.0m，東西走向間隔8m測量點，是氨氣（Ammonia，NH3，ppm）、二氧化碳（Carbon dioxide，CO2，ppm）、一氧化碳（Carbon monxide，CO，ppm）和一氧化二氮（Dinitrogen oxide，N2O，ppm）測量位置。

1.4.1 環(huán)境指標 試驗采用機械通風干濕表（DHM2A型，天津氣象海洋儀器廠），置于所選取位置3min后讀取其干球溫度（dry ball temperature，Td）和濕球溫度（wet ball temperature，Tw），干球溫度即畜舍內環(huán)境溫度。溫濕指THI＝0.72×（Td＋Tw）＋40.6計算得到。同時通過干濕溫度計上的對照表查出相對濕度。風速由熱球式電風速儀（QDF－2B型，天津氣象海洋儀器廠）在每個位置測得10個數然后取其平均值。氣體測量采用紅外光聲譜氣體檢測儀（INNOVA1412），連續(xù)測定4次取其平均值。

1.4.2 生理指標 （1）呼吸速率（respiration rate，RR）連續(xù)觀察10s內胸廓起伏次數，測量三次取其平均值，然后換算成每分鐘呼吸次數（次／min breath per minute，bpm）。（2）直腸溫度（rectal temperature，RT）將獸用溫度計插入直腸10cm處，5min后讀取示數，每次使用前都用酒精擦干消毒。（3）皮溫（surface temperature，Ts）使用紅外線熱像儀（infrared camera，Fluke TiR1）分別拍攝家畜不同位點的皮膚溫度。采用smartview 3.1軟件算出其各個部位皮溫［平均皮溫（℃）＝0.25× T軀干上部＋0.25×T軀干下部＋0.32×T四肢上部＋0.12× T四肢下部＋0.02×T垂皮＋0.04×T耳部，式中：T為該部位皮膚溫度；系數為所占全身皮膚面積的百分數］。軀干上部和軀干下部各測前后左右4點；四肢上部測前肢肘部外側2點、后肢股部和脛部外側各2點；四肢下部測管部外側4點；垂皮（牛脖子下部）測下部左右2點；耳測右耳上部1點。同部位2點以上取平均數。

1.5 飼養(yǎng)管理

試驗期間肉牛飼糧配方為：玉米為72%、酒糟為13%、麥麩為8%、小蘇打為2%、食鹽為1%、預混料（中農盛達）為4%。每天05∶30和16∶30喂料，自由飲水。

1.6 數據處理

數據采用Excel 2010進行初步整理，使用SPSS 20.0進行數據分析，結果以“平均數±標準誤（Mean±SE）”表示。

2 結果與分析

2.1 試驗畜舍環(huán)境指標對比

2.1.1 試驗畜舍風速分布 風管管道內以及其大、小孔出口風速如圖4所示。在管道內入口處，風速高達9.18m／s，到達風管尾端，風速衰減為1.82m／s。大小孔風速亦分別由5m處的4.65、4.16m／s衰減至尾端的0.73、0.58m／s。管道內和大、小孔風速均隨著距離增大而顯著下降（P＜0.01），管道內風速顯著大于大、小孔風速（P＜0.01）。大孔風速大于小孔風速，兩者之間差異不顯著。

新鮮空氣經過冷風機冷卻變成冷空氣進入纖維風管向前流動。冷空氣在前行過程中會透過大小孔向舍內下沉。分別在距地面0.5m、1.0m和1.5m三個水平方向測量舍內風速（如圖5）。在水平距離進風口5m處位置，三個水平高度風速分別為0.28 0.35 0.24m／s，隨著距離增加三者風速均顯著增大。由圖中可以看出，處于10～20m之間風速顯著大于5m和25m處風速（P＜0.01）。在5m和25m位置處，其風速分別是WS1m＞WS0.5m＞WS1.5m。在10～20m位置處，其風速分別是WS1.5m＞WS1m＞WS0.5m。在10m和15m位置處三者之間均差異極顯著（P＜0.01）。

圖4 風管內及大、小孔出風口風速Fig.4 Wind speed in the duct，and big and small outlet

圖5 試驗畜舍內風速分布Fig.5 Wind speed distribution in the treatment barn

2.1.2 試驗組、對照組和畜舍外的環(huán)境指標對比試驗期間的環(huán)境溫度、相對濕度、溫濕指數和風速，其結果如表1所示。從中可以看出，試驗組環(huán)境溫度均顯著低于對照組（分別低于對照組1.53、2.84和2.39℃），而相對濕度和風速均顯著高于對照組（分別高于對照組15.56%、21.23%和21.69%）。對照組和畜舍外相比較，只有在14∶00，環(huán)境溫度差異極顯著（P＜0.01），相對濕度差異顯著（P＜0.01）。整個試驗期間，溫濕指數只有在14∶00是三者之間才差異顯著（P＜0.01）。

表1 試驗組、對照組和畜舍外的環(huán)境指標Table 1 Environment measurement of the treatment，control and outdoor

將試驗期間14∶00溫度分為高溫：大于35℃；中溫：小于35℃、大于34℃；低溫小于34℃三個層次，其結果如表2所示。與畜舍外相比，在不同溫度條件下，試驗組分別降低5.93℃、4.71℃和2.11℃，對照組分別降低0.44℃、0.92℃和0.16℃。而對照組只在溫度相對較低（34～35℃）時降低環(huán)境溫度1℃左右。

兩組氣體測量結果如表3所示。CO2和NH3分別高于對照組14.44%和14.31%。兩組結果相比較，試驗組各項氣體顯著高于對照組各項氣體（P＜0.01）。由于試驗畜舍四周門窗在試驗期間均處于封閉狀態(tài)，而對照組采用了傳統(tǒng)吊扇通風，而且畜舍四周門窗全部打開，與外界流通性較好，畜舍空氣質量優(yōu)于試驗組。

表2 不同溫度下試驗組、對照組和畜舍外對比Table 2 Comparison of treatment，control and outdoor at different levels of ambient temperature

表3 試驗組與對照組中平均氣體（ppm）Table 3 Average density of different kinds of gas in treatment and control（ppm）

2.2 試驗家畜生理指標對比

14∶00和18∶00，試驗組成年公牛呼吸速率顯著低于對照組（P＜0.01），分別降低了8.77和14.33次／min，如表4。犢牛只在18∶00差異顯著（P＜0.01），試驗組比對照組降低了10.45次／min。不論是在試驗組還是對照組，犢牛呼吸速率顯著低于成年牛公牛（P＜0.01）。從全天來看，試驗組呼吸速率在14∶00低于10∶00和18∶00，而對照組則分別是RR10∶00＜RR14∶00＜RR18∶00。

在14∶00，試驗組成年公牛直腸溫度顯著低于對照組0.74℃（P＜0.01），如表5。在18∶00，試驗組成年公牛和犢牛均顯著低于對照組（P＜0.01），分別為0.51℃和0.45℃。在試驗組14∶00和18∶00以及對照組18∶00，犢牛體溫顯著高于成年公牛（P＜0.01）。其他條件下，犢牛體溫高于成年公牛，差異不顯著。

試驗期間家畜皮溫如表6所示。在10∶00，試驗組犢牛皮溫與對照組相比較差異不顯著（P＝0.053）。除此之外，在每天三個時間，不論是犢牛還是成年公牛，試驗組均顯著低于對照組（P＜0.01）。犢牛不論對照組還是試驗組，犢牛皮溫均高于成年公牛。

表4 試驗組和對照組的呼吸速率比較（次／min）Table 4 Comparison of the RR between treatment and control（bpm）

表5 試驗組和對照組的直腸溫度比較Table 5 Comparison of the RT between treatment and control

3 討 論

3.1 冷風機－風管對畜舍環(huán)境指標的影響

置換通風不僅通風效率高而且又節(jié)能環(huán)保，因此在民用建筑上應用比較廣泛［11－12，14］。上置置換通風降溫模式不但可以提高送風量和風速，可以承擔更大的冷負荷，具有較高的通風換氣效率［20］，還可以有效的避免了家畜破壞和糞尿污染。送風口要求射流在上區(qū)橫向擴散能力小，進入下區(qū)卷吸能力適當增大，速度衰減快，并且送達地面時能滿足置換通風要求［20］。送風口距離墻越近，送風射流卷吸受限，越容易形成與置換通風類似的效果［20］。如果送風口較高，會導致冷空氣下沉過程中與畜舍內熱氣流交換增加，到達工作區(qū)后送風溫度相對較高，因此需要送風口適當低一些。同時又要防止家畜破壞以及糞尿污染。綜合考慮本實驗設計風管沿墻布置，風管下沿距地面高度2.1m，最低出風口與豎直方向夾角10°。

表6 試驗組和對照組的皮溫比較Table 6 Comparion of the TS between treatment and control

舍外新鮮空氣經過冷風機變成冷空氣，沿著纖維風管先前傳送，其風管內和大小孔出口風速隨著距離增大而衰減，如圖4。在前行過程中，一部分冷空氣透過風管上大小孔，沿射流方向風速衰減。本實驗采用開設兩種孔徑風管（直徑分別是2mm和4mm）在相同開口面積和送風量情況下，開設兩種孔徑風管和一種孔徑模（直徑4mm），模擬顯示前者舍內上渦流較小，較多的冷空氣流到舍內下方，氣流分布均勻，而后者渦流較大，冷空氣流到舍內底部的較少［21］。圖5為畜舍內風速分布，10～20m風速顯著高于兩端風速，這也驗證了開設兩種孔徑有利于風速沿著射流方向向兩邊流動，然后形成回流從屋檐開口處流出舍外。從這個角度講，10～20m可以適當增加飼養(yǎng)密度，而兩端要適當降低飼養(yǎng)密度。

冷風機－風管可以顯著降低畜舍環(huán)境溫度，尤其隨著舍外環(huán)境溫度升高，這種降溫效果更加優(yōu)于傳統(tǒng)吊扇降溫。溫濕指數與對照組差異不顯著。由于該系統(tǒng)運行要求密閉性較高，相對濕度和其他氣體含量顯著對照組。但是相對濕度處肉?？梢越邮芊秶?0%～85%。試驗組內CO2和NH3都滿足中華人民共和國行業(yè)標準NY／T388～1999對牛舍空氣質量的要求，CO2不應超過1 500mg／m3，NH3不超過20mg／m3。結合風速分布，冷風機－風管系統(tǒng)從整體上實現置換通風。新鮮冷空氣經過風管流向?；顒訁^(qū)域，然后向四周擴散，實現氣體熱交換，然后經過屋檐出風口排出舍外。這樣在滿足牛的舒適度和空氣質量的要求下，可以減少空調區(qū)的送風量，降低系統(tǒng)輸配能耗，降低畜舍環(huán)境溫度，提高降溫效果。

3.2 冷風機－風管對家畜生理指標的影響

當外界環(huán)境溫度大于27℃或者THI＞74時，家畜將面臨熱應激［22］。甚至有研究表明當外界環(huán)境溫度超多20℃時，家畜的呼吸頻率就開始增加［23］。表2中平均環(huán)境溫度均高于27℃，THI亦超過74，這說明試驗過程中家畜處于熱應激狀態(tài)。牛的正常呼吸速率為20～28次／min［24］。本實驗中不論對照組還是試驗組均高于家畜正常呼吸速率。試驗組呼吸頻率處于50～60次／min，處于輕度熱應激；而對照組高于60次／min，處于中等程度熱應激［25］。14∶00和18∶00試驗組呼吸速率極顯著低于對照組8.77和14.33次／min，說明冷風機－風管降溫系統(tǒng)可以很大程度上降低家畜的呼吸速率。

呼吸速率和直腸溫度是衡量熱應激的直觀指標［26］。呼吸速率升高早于直腸溫度升高，當呼吸代償仍不夠有效維持正常體溫時，直腸溫度才會升高［26］。這也說明呼吸速率是熱調節(jié)的一種模式，而直腸溫度是維持熱平衡的結果［27］。肉牛作為恒溫哺乳動物，具有較強的體溫調節(jié)能力，但在夏季高溫的影響，肉牛的直腸溫度會有所上升［28］。不論14∶00還是18∶00，試驗組直腸溫度均顯著低于對照組。對照組在18∶00平均溫度為39.21℃，處于熱應激狀態(tài)［29］。不論試驗組還是對照組，處于環(huán)境溫度相對較低的18∶00呼吸速率高于環(huán)境溫度相對較高的14∶00。這可能是由于有14∶00到18∶00雖然環(huán)境溫度降低，但是家畜依然從周圍高溫環(huán)境中持續(xù)獲得熱量，這與J.B.Gaughan等［30］的研究一致－呼吸速率滯后于環(huán)境溫度變化。因此在實際生產中，雖然這段時間環(huán)境溫度降低，依然不能忽視這段時間熱應激對家畜影響。

家畜皮膚與環(huán)境直接接觸，皮膚溫度對環(huán)境溫濕度變化最敏感。有研究表明，平均皮膚溫度生理閾值為35℃，THI每上升1個單位，平均皮膚溫度升高0.17℃［31］。在本實驗中，試驗組平均皮溫分別維持在35.56和35.32℃，分別低于對照1.66和1.79℃，差異極顯著（P＜0.01）。冷風機－風管系統(tǒng)很大顯著降低畜舍的環(huán)境溫度，進而降低家畜的平均皮溫。

在整個試驗過程中，不論是對照組還是試驗組，犢牛的體溫高于成年公牛，而呼吸速率低于成年公牛，皮溫與其相接近。推測可能是犢牛較成年公牛更耐熱。因此在夏季高溫，建議畜牧場要側重加強成年家畜的防暑工作。

4 結 論

將冷風機安裝在畜舍外，纖維風管裝在舍內沿墻布置，在風管上開設兩種孔徑，能夠將新鮮冷空氣送到家畜活動區(qū)域，同時帶走畜舍內熱量，顯著降低其環(huán)境溫度，改善空氣質量。冷風機－風管降溫系統(tǒng)能夠顯著降低家畜呼吸速率、直腸溫度和皮溫，極大緩解家畜的熱應激，在南方肉牛舍降溫方面，具有很大的推廣價值。

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