李 坤，劉 磊，程磊東，許吉澤，尹寶全，南松劍

(中國農業(yè)大學煙臺研究院，山東煙臺 264670)

出于管理上的方便以及基于提高土地、房屋利用率和勞動生產率的要求，目前，我國蛋雞主要采用籠養(yǎng)模式，肉雞也逐漸往疊層籠養(yǎng)方向發(fā)展，高密度層疊式籠養(yǎng)逐漸成為規(guī)模化養(yǎng)雞場的主流模式[1-2]。在籠養(yǎng)雞生產過程中，由于飼養(yǎng)密度大，籠內通風不暢造成的問題主要有兩方面：一是籠內高密度聚集的雞只自身產生大量體熱不能及時有效排除，導致籠內溫度過高；二是糞便及飼料等分解發(fā)酵釋放的熱量、蒸發(fā)出的水汽及釋放的氨氣、硫化氫等有害氣體得不到及時有效排除[3-4]。兩者均不是靠整體通風能夠有效解決的。溫度和有害氣體濃度過高，雞只會出現(xiàn)各種不適，采食量下降、增重緩慢、免疫力下降，甚至出現(xiàn)消化道疾病或呼吸性堿中毒等現(xiàn)象，對生產影響顯著[5]，改善高密度籠養(yǎng)雞舍籠內通風問題是一項亟待解決的實際生產問題。

太陽能通風是利用太陽能強化自然通風，從而改善室內熱環(huán)境的一種節(jié)能通風模式，在減少建筑能耗和保護環(huán)境上優(yōu)于傳統(tǒng)的自然通風和機械通風，在許多建筑場合已經得到有效應用[6-7]。其主要的結構形式包括太陽能通風墻、太陽能煙囪、雙層玻璃幕墻、中庭通風、太陽能空氣集熱器等[8]。該設計采用主動式太陽能通風墻系統(tǒng)，與籠內末端送風管道相結合，系統(tǒng)由蓋板、集熱墻體(集熱板)、儲熱裝置、風機、管道、籠內送風末端共同組成，采用自動化控制。在籠養(yǎng)雞舍中利用太陽能通風墻進行籠內局部通風，作為整舍縱向通風系統(tǒng)的輔助，能耗較低，既能提供新鮮空氣、改善籠內環(huán)境，又能用于冬季籠內局部增溫。

1 風機-太陽能系統(tǒng)和送風末端設計

風機太陽能系統(tǒng)主要由空氣過濾網、軸流風機、太陽能通風墻和電磁閥組成，該系統(tǒng)將風機與太陽能通風墻相結合，風機安裝在電磁閥3處并經通風管道向空氣通道內輸送經過過濾網的空氣，并從電磁閥2或4進入舍內通風管道，通道1做成豎直向上的煙囪形，壓減小，有利于通道內氣體排出。太陽能通風墻安裝在雞舍原有墻體的外側，蓄熱材料與隔熱材料用有機黏結劑黏合為一體，并用水泥砂漿黏結在原有墻體上?？諝馔ǖ劳ㄟ^管道與舍內舍外連通，管道上的電磁閥作為開關控制管道的開通與隔絕。對該系統(tǒng)設計了3種運行模式。

1.1運行模式1該模式可用于雞舍的夏季籠內輔助通風(圖1)，關閉電磁閥1和2，開啟風機和電磁閥3、4，舍外空氣由風機抽取，從4進入舍內風管，空氣不經太陽能加熱，直接輸送至雞舍籠內送風末端。

1.2運行模式2由圖2可見，關閉風機，關閉電磁閥2和3，開啟電磁閥1和4，籠內末端的熱空氣進入通風管道，熱空氣上升后經煙囪1排出，完成籠內污濁空氣的排出，改善了舍內空氣質量，部分減少室內風機的排風負荷。此種方式在舍內溫度大于舍外溫度時，通風換氣的效果更好、更明顯?？捎糜陲L機關閉時雞舍夏季的通風(考慮到冬季雞舍需要保暖，換氣不必像夏季一樣勤，故一般不用于冬季通風)。

1.3運行模式3由圖3可見，開啟風機和電磁閥2和3，關閉電磁閥1和4，舍外空氣經過濾后由風機抽取，經太陽能通風墻加熱后從電磁閥通道2進入舍內風管，再輸送至雞舍各處。該模式可用于冬季雞舍的籠內增溫送風。

圖1 風機-太陽能風墻系統(tǒng)運行模式1Fig.1 Operation mode 1 of fan solar wind wall system

圖2 風機-太陽能風墻系統(tǒng)運行模式2Fig.2 Operation mode 2 of fan solar wind wall system

圖3 風機-太陽能風墻系統(tǒng)運行模式3Fig.3 Operation mode 3 of fan solar wind wall system

1.4末端通風系統(tǒng)結構設計該部分由通風管道和通風板組成。通風板為中空板，寬度略寬于雞籠縱深，下端均勻開布通風孔，可根據(jù)雞舍籠架長度而分段拼接，置于每層雞籠的上方，對于采用刮板式清糞系統(tǒng)的雞舍，通風板其上也可作為承糞板用。通風板每節(jié)相連，構成一個整體，可拆卸清洗和自由組裝。送風管道置于通風板的縱向一側，有送風孔連接送風管道和送風板。將經過太陽能通風墻、臭氧發(fā)生器和空氣加濕器處理的外界空氣送入通風總管，然后總管的氣流均勻分配給各支管，各支管與通風板側面的通風孔相連，使氣流分配給雞籠的各層通風板，經通風板下端的通風孔吹向下層雞籠，完成籠內送風。末端通風板系統(tǒng)結構示意圖見圖4。

圖4 送風管道和雞籠上部中空通風板系統(tǒng)結構示意Fig.4 The structure of air supply duct and upper ventilation system in chicken cage

2 自動控制部分設計

自動控制部分主要包括通風運行模式控制和空氣凈化處理系統(tǒng)控制2個部分。

2.1通風運行模式自動控制策略如前所述，該設計的通風運行模式主要包括3種。雞場可以根據(jù)當?shù)貙嶋H氣候情況及舍內溫度情況設定合理的溫度閾值和風速閾值，來完成各模式的自動作業(yè)，見圖5。

2.2空氣處理系統(tǒng)自動控制策略該設計的空氣凈化處理系統(tǒng)主要由臭氧發(fā)生器、過濾網和加濕器組成。過濾網主要目的是過濾室外空氣中的灰塵等固體雜質。

2.2.1臭氧發(fā)生器。臭氧發(fā)生器主要用于去除雞舍內產生的氨氣、硫化氫等有害氣體，多余的臭氧易分解成氧氣，但臭氧濃度過高也將影響雞只的健康。因此，系統(tǒng)通過加入氨氣、硫化氫傳感器實時檢測雞舍內有害氣體的濃度，當濃度超過設定閾值(系統(tǒng)默設為15 mg/L)后，啟動臭氧發(fā)生器和風機，將產生的臭氧送至籠內。為防止臭氧濃度過高對雞只的影響，系統(tǒng)采用2種措施進行處理：一是臭氧發(fā)生器采用間歇式工作；二是通過臭氧傳感器實時檢測雞舍內臭氧濃度，當臭氧濃度超過閾值(系統(tǒng)默設為50 mg/L)后臭氧發(fā)生器停止工作。

2.2.2加濕系統(tǒng)。加濕系統(tǒng)是在雞舍內空氣較干燥時開始工作，通過通風管道將加濕后的干凈空氣輸送到雞舍各處。當雞舍內的濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)低于設定閾值時(系統(tǒng)默設濕度為55%)，根據(jù)室外溫度選擇啟動加濕系統(tǒng)和通風模式1或模式3。

2.3自動控制流程設計系統(tǒng)提供自動和手動2種控制模式?？刂屏鞒桃妶D5所示。

手動控制模式下，通過手動選擇啟動風機還是利用太陽能通風墻模式進行通風。如果選擇啟動風機，系統(tǒng)將根據(jù)室外溫度與設定閾值之間的比較自動選擇啟動通風模式1還是模式3；如果選擇不啟動風機，則采用太陽能通風墻模式(即通風模式2)進行通風。系統(tǒng)還設計了一鍵啟閉所有通風模式的按鈕，此時系統(tǒng)將關閉所有電磁閥、風機、加濕器、臭氧發(fā)生器等設備。

圖5 系統(tǒng)自動控制流程Fig.5 Automatic control flow of the system

圖5中：InT 為通過雞舍內部溫度傳感器采集舍內實時溫度值；InT_d為雞舍內溫度閾值，當實時值高于該閾值時表示需要啟動通風設備，系統(tǒng)默認值為25 ℃；OutT為通過雞舍外部溫度傳感器采集外部環(huán)境的實時溫度值；OutT_d為雞舍外溫度閾值，當實時值低于該閾值時表示室外溫度較低，系統(tǒng)將進入冬季模式運行，系統(tǒng)默認值為18 ℃；InH為通過雞舍內部濕度傳感器采集舍內實時濕度值；InH_d為雞舍內濕度閾值，當實時值低于該閾值時表示舍內濕度較低，需要啟動加濕設備，系統(tǒng)默認值為55%；InW為通過雞舍內部風速傳感器采集舍內實時風速值；InW_d為雞舍內風速閾值，當?shù)陀谠撻撝禃r表示需要啟動風機進行通風，系統(tǒng)默認值為1.6 m/s；NH3為通過雞舍內部氨氣傳感器采集舍內實時氨氣濃度值；NH3_d為雞舍內氨氣濃度閾值，當高于該閾值時表示需要臭氧發(fā)生器對空氣進行凈化，系統(tǒng)默認值為15 mg/L；O3為通過雞舍內部氨氣傳感器采集舍內實時臭氧濃度值；O3_d為雞舍內臭氧濃度閾值，當高于該閾值時表示舍內臭氧濃度過高，系統(tǒng)默認值為50 mg/L。

圖5中“閾值校正”是指當用戶沒有輸入或者輸入不符合邏輯的閾值時，系統(tǒng)自動將該閾值恢復為系統(tǒng)默認值。

另外，通風模式1和通風模式3均內置2個時間繼電器，一個為運行時間控制繼電器Timer1，一個為停止時間控制繼電器Timer2。當該模式啟動后，運行時間控制繼電器Timer1開始工作，鎖定通風模式直至到達設定時間，然后啟動停止時間控制繼電器Timer2，使系統(tǒng)保持在停止通風狀態(tài)直至設定時間。然后，系統(tǒng)再次根據(jù)用戶選擇和傳感器狀態(tài)進行選擇運行模式。如果想中途切換工作模式或通風方式，需先按“關閉通風”按鈕，然后再重新打開，使系統(tǒng)復位。

2.4交流接觸器工作設計在該系統(tǒng)的實際應用過程中，風機和加濕器的運行均采用交流接觸器來控制啟動/停止。交流接觸器的基本原理如圖6所示。

圖6 交流接觸器的原理Fig.6 Principle of AC contactor

如圖6中，虛線框內部分為交流接觸器的內部結構示意圖。其主觸點一端接交流電源，一端接被控制的電機或設備的電源輸入端，該系統(tǒng)中為臭氧發(fā)生器或風機的電源輸入端。如圖6所示，當開關K閉合時，線圈上電，銜鐵被吸合，交流接觸器的主觸頭閉合，從而接通電源使設備上電，臭氧發(fā)生器或風機投入運行。另外，主觸頭閉合的同時，交流接觸器的輔助觸頭K1、K2也相應動作。其中，K1為常開觸點，K2為常閉觸點。K1的開關狀態(tài)與設備的運行狀態(tài)相同。因此，該系統(tǒng)中采用交流接觸器的常開觸點K1作為設備的運行狀態(tài)輸入。其中，閉合為TURE，斷開為FALSE。

3 結語

該設計方案具有以下創(chuàng)新點及優(yōu)勢：①首次嘗試在雞舍中運用太陽能通風墻，既可通風，又可供暖，且利用太陽能，節(jié)能環(huán)保。②利用管道送風系統(tǒng)進行均勻送風，解決了局部通風不良的問題。③設計了一種風管與糞板相結合的新型通風板，多節(jié)可拆卸，便于清洗。④利用傳感器實時監(jiān)測雞舍內有害氣體濃度、舍內外溫濕度及風速，利用可編程邏輯控制器(PLC)實現(xiàn)雞舍環(huán)境的精準調控和通風模式的自動選擇和啟閉。

該設計充分解決了雞舍內局部通風問題，實現(xiàn)了均勻送風、凈化雞舍空氣、降低了氨氣等有毒氣體濃度的目的，將雞舍局部環(huán)境進行優(yōu)化，改善雞舍內通風情況，為肉雞提供健康良好的生長環(huán)境，保證肉雞產品質量，提高生產效益。同時提高了通風系統(tǒng)的操作方便性與環(huán)境調控的準確性，處理作用高效，實現(xiàn)了集成和部分自動化控制。考慮了處理效率及制造成本，能夠提高產品質量和經濟效益，在肉雞養(yǎng)殖生產中擁有廣闊的市場應用前景。