李 琴，劉 鵬，劉 丹,2，郭 瑤，王美芝，吳中紅

華北冬季密閉兔舍顯熱回收通風系統(tǒng)應用效果研究

李 琴1，劉 鵬1，劉 丹1,2，郭 瑤1，王美芝1，吳中紅1※

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學動物科技學院，動物營養(yǎng)學國家重點實驗室，北京 100193；2. 河南省農(nóng)業(yè)廣播電視學校駐馬店分校，駐馬店 463000）

針對華北地區(qū)常見圍護結(jié)構(gòu)的冬季不供暖密閉種兔舍保溫與通風的矛盾問題，該文通過試驗研究該類型兔舍不通風及運行顯熱回收通風系統(tǒng)（sensible heat recovery ventilation，SHRV）2種狀態(tài)下的舍內(nèi)空氣質(zhì)量、SHRV節(jié)能通風效果，并對比分析了SHRV結(jié)合均勻開孔送風和一端開口送風方式對舍內(nèi)溫度及氣流分布的影響，探究SHRV在該兔舍的適用性。結(jié)果表明，相比于舍內(nèi)不通風狀態(tài)，運行SHRV時，舍內(nèi)平均溫度無顯著波動；運行1 h后NH3和CO2濃度分別從9.9 mg/m3和0.23%下降到4.2 mg/ m3和0.09%，濕度從84%下降到56%適宜水平，舍內(nèi)空氣質(zhì)量改善明顯。在該地區(qū)舍外溫度-6～5 ℃時，SHRV可使新風溫度平均提高3.4 ℃，平均顯熱回收效率和能效比（coefficient of performance，COP）分別為65%和5.1，達到了國家節(jié)能標準（60%和2.5）。比較分析風管一端開口送風與管道均勻開口送風發(fā)現(xiàn)，均勻開口送風可使舍內(nèi)平均風速降低到0.2 m/s以下，減少舍內(nèi)氣流和溫度分層，提高送風均勻性，降低動物冷應激。研究表明，在該地區(qū)常見圍護結(jié)構(gòu)不供暖密閉種兔舍使用SHRV可有效緩解通風與保溫的矛盾，但若要達到更理想的節(jié)能通風效果，需采取適宜的芯體片間距，增加飼養(yǎng)密度、加強畜舍圍護結(jié)構(gòu)的密閉性提高保溫效果。

熱回收；通風；節(jié)能；密閉兔舍；空氣質(zhì)量；華北地區(qū)

0 引 言

針對目前畜牧業(yè)快速發(fā)展引發(fā)的環(huán)境污染和生態(tài)破壞等問題[1-2]，中國出臺了環(huán)控政策嚴格約束畜牧業(yè)的燃煤能源消耗總量和強度，并提出了明確的節(jié)能減排要求。中國華北地區(qū)屬于冬季寒冷氣候，最冷月份1月日平均氣溫為-5～-10 ℃，在節(jié)能減排的大環(huán)境壓力和生產(chǎn)成本制約下，該地區(qū)大部分密閉兔舍冬季通常不供暖。不供暖情況下，密閉種兔舍因飼養(yǎng)密度相對較小，動物產(chǎn)熱負荷低，舍內(nèi)溫度維持在相對較低水平，這種情況下若不通風易導致舍內(nèi)空氣質(zhì)量差，引起兔只疾病頻發(fā)；若采取常規(guī)通風換氣會引起舍內(nèi)溫度大幅波動，造成仔兔死亡率和發(fā)病率增加，經(jīng)濟損失嚴重。因此，該地區(qū)低飼養(yǎng)密度種兔舍亟需一種能有效緩解通風與保溫矛盾的通風方式。

有研究表明舍內(nèi)因通風和冷風滲透而流失的熱量高達48%[3]。熱回收通風系統(tǒng)（heat recovery ventilation，HRV）可通過污風熱量預熱新風，節(jié)能效果顯著，在民用、商業(yè)、工業(yè)建筑中廣泛應用[4-9]。畜舍建筑內(nèi)對通風次數(shù)的要求、動物自身產(chǎn)熱及能被回收利用的熱量均高于民用建筑，因此在畜舍建筑中使用HRV有著更大的潛力。課題組將改進后滿足畜舍用大通風量、低成本的顯熱回收通風設備（sensible heat recovery ventilation，SHRV）在長春、寧波等地的中等飼養(yǎng)密度育肥兔舍使用發(fā)現(xiàn)，運行SHRV對舍內(nèi)溫度無顯著影響，空氣質(zhì)量明顯改善，節(jié)能效果顯著[10-12]。

因此，為解決華北地區(qū)低飼養(yǎng)密度（代表在實際生產(chǎn)中家兔妊娠、哺乳等低密度飼養(yǎng)周期）、不供暖密閉種兔舍冬季的通風與保溫需求問題，本文選取該地區(qū)常見種兔舍，比較分析了舍內(nèi)運行SHRV與不通風時舍內(nèi)溫濕度、有害氣體濃度、運行SHRV時的節(jié)能通風效果，并對比分析了SHRV結(jié)合管道均勻開口送風與管道一端開口送風對舍內(nèi)溫度及氣流分布的影響，探究SHRV在華北等冬季寒冷地區(qū)不供暖密閉種兔舍的適用性。

1 材料與方法

1.1 試驗兔舍

本試驗在山東省淄博市沂源海達兔場進行，試驗兔舍為該地區(qū)常見圍護結(jié)構(gòu)，兔舍尺寸為46 m×12 m×2.5 m（長×寬×檐高），37 cm厚磚墻，南北兩側(cè)各有10扇2.4 m×1.2 m平推窗，塑料薄膜吊頂，陶瓦屋頂。該兔舍夏季采取縱向濕簾風機降溫，濕簾冬季用塑料薄膜封堵，避免冷風滲透。

舍內(nèi)兔籠布置為3列4走道。兔籠為2層階梯式，上層飼養(yǎng)平均體重為1.8 kg的育肥兔1 095只，下層飼養(yǎng)平均體重為5 kg的母兔315只，母兔不帶仔兔。舍內(nèi)無供暖。每日早上機械清糞1次，人工喂料，自由采食，自由飲水。試驗期為2015年12月至2016年1月，為該地區(qū)冬季最寒冷時段。

1.2 試驗設備及運行參數(shù)

熱回收通風設備（HRV）由空氣-空氣熱交換芯體、送風/排風風機、送風管道和固定支架組成[13]。本試驗選用板式空氣-空氣顯熱交換芯體，熱交換芯體尺寸600 mm×600 mm×700 mm，芯體片間距8 mm，芯體熱交換面積為27 m2。每臺風機功率為0.4 kW/h，額定風量3 000 m3/h。參考民用建筑中熱回收芯體的迎面風速值，畜禽舍內(nèi)一般采用4 m/s的迎面風速即可滿足舍內(nèi)的通風需求[14]。由于舍內(nèi)養(yǎng)殖密度較小，不適宜采用換氣次數(shù)計算所需最小通風量，按家兔每千克體重所需的最小通風量1.5～3.0 m3/h來計算[15]，其值為3 772～7 545 m3/h，所以本研究中試驗兔舍配備2套SHRV。

SHRV在舍內(nèi)安裝位置及通風管道的布置見圖1，設備安裝高度為1.5 m。通風管道選用直徑30 cm的鐵皮風管。

1.3 試驗設計

因試驗場地的限制，在同一棟舍的不同時間段進行以下試驗研究：

1）早上7:30舍內(nèi)清糞，同時機械通風30 min，8:00后其他時段門窗緊閉，設為舍內(nèi)不通風狀態(tài)。試驗日期2015.12.18-2015.12.26，舍外平均溫濕度分別為0.28 ℃，77.6%，數(shù)據(jù)采集天數(shù)合計7 d。

2）早上7:30清糞，30 min后，在8:00至16:00間開啟2臺SHRV通風，其他時間門窗緊閉，設為舍內(nèi)運行SHRV狀態(tài)。試驗日期2015.12.28-2016.1.14，舍外平均溫濕度分別為-2.32 ℃，70.9%。數(shù)據(jù)采集天數(shù)合計14 d，選取10 d有效數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)。

為明確SHRV在舍內(nèi)的送風效率，本試驗設置了2種SHRV配套送風方案：1）采用管道一端開口送風，出風口在風管的端頭，出風口面積為0.07 m2；試驗時間2015.12.28-2015.12.31。 2）在新風管道側(cè)壁上均勻開口送風，從新風近端風口到遠端風口依次編號為風口1～7（具體位置見圖1），出風口間隔3 m，每個風口面積為0.03 m2。試驗時間2016.1.1-2016.1.14。2種通風方式通風量均為6 000 m3/h。試驗采用不變徑的風管均勻開口送風，風管全長的靜壓值并不相等，因此理論計算的出風口速度和方向也不相同，只能近似均勻送風。

按照均勻通風設計，根據(jù)公式（1）～（2）確定側(cè)面風口氣流速度0（m/s）和側(cè)面風口面積0（m2）[16-17]。

式中0為管道側(cè)孔的風量，m3/h；為側(cè)孔流量系數(shù)，一般取值0.6[17]；V為管內(nèi)靜壓風速，m/s為空氣質(zhì)量，1.2 kg/m3[17]。P為垂直于管壁的靜壓，Pa。

分別監(jiān)測兔舍不通風狀態(tài)下及運行SHRV通風狀態(tài)下舍內(nèi)溫濕度、有害氣體濃度、風速等指標，對比兔舍內(nèi)熱環(huán)境的差異及SHRV的節(jié)能通風效果，分析SHRV在該地區(qū)低密度飼養(yǎng)兔舍的適用性。

1.4 監(jiān)測指標及測定方法

舍內(nèi)不通風或運行SHRV時環(huán)境指標監(jiān)測：舍內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)測點按照4條走道每條走道中間均勻布置4個測點（見圖1），測點高度在2層兔籠之間，距離地面約1.3 m，分別測定氨氣（NH3，氨氣測定儀，GT-901，精度為0.1×10-6）、二氧化碳（CO2，二氧化碳自動記錄儀，TPJ-26-1，精度為±50×10-6）、舍內(nèi)風速（熱線風速儀，Model 6004，精度為±1%指示值）和溫濕度（溫濕度自動記錄儀，179-TH，Apresys，精度為±3%RH，± 0.3 ℃）。運行SHRV及舍內(nèi)不通風期間，從8:00-16:00每隔1 h記錄1次NH3、CO2及風速值，溫濕度為全天24 h連續(xù)監(jiān)測。

SHRV結(jié)合不同送風方式的舍內(nèi)溫度及氣流監(jiān)測：因南側(cè)走道的舍內(nèi)溫度受太陽輻射影響較大，因此試驗主要測定北側(cè)及中間走道的溫濕度及各走道的風速，測定時間間隔為1 h。中間走道及北側(cè)走道自東向西的4個測定點分別設置為A～D，同時在每個測點的垂直方向上設置2個測定高度即離地面1 和2 m，分別代表上層商品兔籠和下層母兔籠處的溫濕度和風速值。測定SHRV結(jié)合均勻開口送風時風口1～7的溫度及風速。

節(jié)能效果測定指標：在SHRV設備的新風入口、新風出口、污風入口及污風出口各安裝1臺溫濕度自動記錄儀，24 h連續(xù)測定各氣流的溫度，并用熱線風速儀監(jiān)測各個風口的風速，計算新風入口及污風出口風量。用SAILSORS A3P-01差壓計（精度為±3%測定值）測定熱交換芯體兩側(cè)的壓降。

另外，為驗證風量大小對設備顯熱回收效率的影響，在試驗期間選擇1 d將每臺SHRV的風量由3 000 m3/h減少到2 000 m3/h，測定當天8:00-16:00運行時段2臺SHRV各風口的溫濕度、風速及風量，計算其顯熱回收效率。

1.5 SHRV節(jié)能效果評價

其中M、M分別為新風入口、污風出口風量，m3/h；C為空氣比熱，常溫下取1.005 kJ/(kg·℃)，ttt分別為新風入口溫度、新風出口溫度及污風入口溫度，℃。

能效比COP是SHRV的能量回收負荷與設備能耗的比值，計算公式為[20]：

注：x 表示舍內(nèi)溫濕度、氨氣和二氧化碳濃度的測點位置，1~7為新風出口，A~D為北側(cè)過道和中間過道的測點位置

其中為SHRV運行時風機耗能，kW；i為SHRV的能量回收負荷，kW。

1.6 數(shù)據(jù)處理和分析

試驗數(shù)據(jù)用Excel 進行均值處理。差異顯著性采用SPSS 中的單因素方差分析，顯著水平為< 0.05。環(huán)境指標數(shù)據(jù)以各測試期內(nèi)的平均值表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 SHRV結(jié)合不同送風方式對舍內(nèi)氣溫和氣流分布的影響

表1為SHRV結(jié)合管道均勻開口送風與一端開口送風時的舍內(nèi)不同高度處溫度和氣流分布。由表1可知，在垂直方向上，管道均勻開口送風的上、下層平均溫度分別為8.10和8.25 ℃，同一測點上下層最大溫度差為0.62 ℃；而一端開口送風的上、下層平均溫度分別為6.57 ℃和6.87 ℃，同一測點上下層最大溫度差為0.91 ℃，大于均勻開口送風；在水平方向上，均勻開口送風上層測點D到測點A的最大溫差為0.72 ℃，下層最大溫差為0.75 ℃；管道一端開口送風上層測點D到測點A的最大溫差為2.72 ℃，下層最大溫差為1.89 ℃。另外，中間走道4個測點的平均溫度略低于北側(cè)走道，差異不顯著（> 0.05）；一端開口送風中間走道與北側(cè)走道的上、下層平均溫差最大值為0.27 ℃，而均勻開口送風為0.17 ℃?？梢?，在采取管道均勻開口送風時，舍內(nèi)氣溫在垂直方向和水平方向上的分布均勻性明顯優(yōu)于一端開口送風。

對比表1中的一端開口送風和均勻開口送風時的舍內(nèi)氣流分布結(jié)果可知，采取一端開口送風時中間走道和北側(cè)走道的上層平均風速分別為0.11和0.29 m/s，差異顯著（<0.05）；均勻開口送風的平均風速分別為0.09和0.17 m/s，無顯著差異（>0.05）。一端開口送風在水平方向上的氣流分布差異大于均勻開口送風，2種通風方式下，兔舍中間走道的上層風速均低于北側(cè)走道。采用一端開口送風時，氣流速度在垂直方向存在明顯分層，上、下層平均風速分別為0.20和0.07 m/s，差異顯著（<0.05）；而均勻開口送風時，垂直方向上上、下層平均風速分別為0.13和0.04 m/s，差異顯著（<0.05），但上下層風速差異小于一端開口送風。

表1 不同送風方式時舍內(nèi)溫度及氣流分布

注：同行不同大寫字母表示同一送風方式同一高度不同走道的值差異顯著，同列不同小寫字母表示同一走道不同送風方式在不同高度的值差異顯著（<0.05）。

Note: Different uppercase letters in the same row indicates significant differences in the values of different aisles at the same height for same air supply mode, and different lowercase letters in the same column indicates significant differences in the values of the same aisle at different heights for different air supply mode (<0.05).

另外，本試驗監(jiān)測了均勻開口送風中各個風口的風速和溫度，結(jié)果如圖2 。由圖2可知送風管近端（風口1）到末端（風口7）新風出口的溫度略有升高，約升高0.5 ℃。在風口開孔面積一樣的情況下，風速從風口1～風口4有逐漸增加的趨勢，風口5～風口7略有降低。本試驗中采用的是不變徑風管上均勻開設一定數(shù)量且面積相等的側(cè)口進行送風，風速分布均勻。另外在新風送風過程中并沒有出現(xiàn)明顯的升溫現(xiàn)象，對舍內(nèi)氣溫分布的均勻性不會產(chǎn)生影響。而一端開口送風時水平方向及垂直方向上的新風溫度及氣流速度都存在明顯差異，為避免兔子冷應激、保證SHRV送風效率等，本研究后面試驗主要針對SHRV結(jié)合均勻開口送風方式開展。

注：風速曲線上不同小寫字母表示差異顯著，溫度曲線上不同大寫字母表示差異顯著（P <0.05）。

2.2 SHRV結(jié)合均勻開口送風對環(huán)境指標的影響

圖3 為白天不通風和SHRV結(jié)合均勻開口通風時舍內(nèi)有害氣體及溫濕度變化情況。由圖3可知：白天不通風時，由于兔舍在早上7:30清糞的同時會開啟機械通風，夜間積累的有害氣體及濕氣被排出，避免了清糞時有害氣體濃度過高對舍內(nèi)兔只健康的影響?；谶@種生產(chǎn)情況，會出現(xiàn)如圖3a、圖3b所示的監(jiān)測結(jié)果，即清糞后舍內(nèi)的溫濕度及有害氣體濃度比與其他時間的低。在舍內(nèi)門窗緊閉后，隨著舍內(nèi)溫度的逐漸升高，有害氣體在舍內(nèi)逐漸積累，NH3濃度從7.28 mg/m3上升，到12點達到高峰值15.02 mg/m3，之后其濃度在13.96～14.20 mg/m3波動；CO2濃度從0.15%上升至0.33%后，平均值維持在0.33%。測試結(jié)果表明，冬季密閉種兔舍在白天不通風的情況下，舍內(nèi)溫度會維持在一定范圍內(nèi)，但舍內(nèi)NH3和CO2濃度卻易上升到高濃度水平，對舍內(nèi)兔只健康產(chǎn)生危害。

早上8:00開始運行SHRV時，監(jiān)測到NH3、CO2和濕度分別為9.91 mg/m3，0.23%和84%，持續(xù)運行SHRV通風，3 h后NH3和CO2濃度分別下降到4.24mg/m3和0.09%，下降幅度分別為57.21%和60.86%；到16:00，舍內(nèi)的NH3和CO2平均濃度分別維持在4.42 mg/m3和0.10%的水平，有害氣體揮發(fā)量與排出量處于動態(tài)平衡，舍內(nèi)空氣質(zhì)量改善效果明顯；舍內(nèi)濕度從84%下降到56%適宜水平。

圖3 兔舍內(nèi)環(huán)境指標在白天不通風和SHRV結(jié)合均勻開口通風時的變化

白天不通風和SHRV結(jié)合均勻開口通風時舍外日平均溫度分別為0.28 ℃和-2.32 ℃，舍內(nèi)日平均溫度分別為8.91 和8.11 ℃。由此可見，舍外溫度的降低并未明顯影響SHRV運行時的溫度效果，舍內(nèi)日平均溫度無明顯下降，說明運行SHRV通風有利于維護舍內(nèi)溫度的穩(wěn)定。

2.3 運行SHRV對舍內(nèi)溫度降幅的影響

圖4為8:00-16:00運行SHRV時舍內(nèi)溫度波動情況。由圖4可知，當兔舍8:00開始運行SHRV通風，舍內(nèi)平均溫度在45 min內(nèi)從6.71 ℃下降至6.24 ℃，降幅為0.47 ℃，之后舍內(nèi)平均溫度隨著舍外溫度的升高而升高?？梢姡\行SHRV未明顯造成舍內(nèi)溫度大幅下降，不會對舍內(nèi)動物造成明顯的冷應激。

注：虛線框為設備運行時間8:00-16:00

2.4 SHRV結(jié)合均勻開口送風的節(jié)能效果分析

圖5為SHRV結(jié)合均勻開口送風時對新風溫度的影響，舍內(nèi)外溫差與SHRV能耗比及顯熱回收效率的變化關系。

從圖5中可以看出，新風經(jīng)過SHRV后平均溫度由2.3 ℃預熱到5.7 ℃，提高3.4 ℃。在舍外溫度為-6～5 ℃時，SHRV的顯熱回收效率在55%~75%之間，平均顯熱回收效率為65%。由公式（4）計算出SHRV的平均熱回收負荷為4.3 kW，平均能效比為5.1，達到節(jié)能標準要求。圖5b結(jié)果顯示，能效比隨著舍內(nèi)外溫差變化而變化，當白天出現(xiàn)舍外氣溫高于室內(nèi)或當舍外氣溫大于6 ℃時，舍內(nèi)外溫差變小，溫差減小到2.1 ℃，SHRV能效比低于2.5，此時使用SHRV不經(jīng)濟。本測試中將SHRV的風量由3 000 m3/h降為2 200 m3/h后，SHRV的平均顯熱回收效率為68%。從理論上來說，減少風量降低熱交換芯體內(nèi)的氣流速度，有利于新風和污風之間的熱量傳遞，從而提高設備的顯熱回收效率。從試驗結(jié)果來看，當風量降幅為27%時，顯熱回收效率僅提高3%。參考文獻[19]計算熱回收芯體的片間距為8 mm時SHRV的理論顯熱回收效率為60%，運行過程中測得平均顯熱回收效率為65%，相對誤差值為8%。SHRV運行時測定熱交換芯體的迎面風速為4.70 m/s，理論計算的壓降約為160 Pa，測定2臺熱回收通風設備運行的壓降分別為140和139 Pa，相對誤差為12.5%。理論計算中所用常數(shù)易受設備材質(zhì)和加工工藝的影響，進而導致顯熱回收率或壓降的理論計算值與實際產(chǎn)生值有小幅度的誤差。

圖5 SHRV結(jié)合均勻開口送風的節(jié)能效果

3 討 論

3.1 SHRV結(jié)合一端開口和均勻開口送風對送風溫度及風速分布的影響

由試驗結(jié)果可知，SHRV結(jié)合一端開口送風運行時，由于新風從一端集中送到舍內(nèi)，新風端（圖1中點D）最先與低溫的新鮮空氣混合，溫度較低；排風端（圖1中點A）壓力小于新風端，新風向排風端流動，不斷與舍內(nèi)原有的空氣混合，因此會出現(xiàn)新風端氣溫低、排風端氣溫高的趨勢。由于送風口附近的氣流速度快，再加上這種溫度分布會降低附近的動物體感溫度，會加重兔子冷應激。相比于一端開口送風，均勻開口送風可減少舍內(nèi)水平方向和垂直方向上的氣流速度差異，有利于將低溫冷空氣均勻地送到舍內(nèi)各個位置，從而使舍內(nèi)上下層溫度分布更加均勻，提高整棟兔舍環(huán)境的舒適度。在冬季寒冷氣候下，降低舍內(nèi)風速能夠降低通風對動物體感溫度的影響。一端開口送風的兔舍內(nèi)上層風速較大，對上層的育肥兔生長有一定的影響；均勻開口送風時，上層風速小，能夠降低送風帶來的冷應激反應。

總體來說，相比于一端開口送風，SHRV結(jié)合管道均勻開口送風更有利于在舍內(nèi)形成均勻的空氣對流，減小舍內(nèi)垂直方向和水平方向上的溫度分層，取得較好的通風效果。除本研究中的不變徑管道均勻開口送風外，也可將SHRV結(jié)合以下2種均勻送風方式進行通風： 1）風管全長上靜壓不變，沿長度方向送風管道橫截面逐漸縮小而出風口面積不變，保證出風速度相同（圖6a）； 2）風管全長上靜壓變化，沿長度方向送風管道橫截面不變而出風口面積逐漸縮小，保證出風量相同（圖6b）。

圖6 實現(xiàn)均勻送風的不同管道結(jié)構(gòu)

3.2 SHRV結(jié)合均勻開口送風對舍內(nèi)溫度及有害氣體濃度的影響

華北地區(qū)不供暖低密度種兔舍采取2層籠養(yǎng)時，通常下層飼養(yǎng)母兔和未斷奶的仔兔，上層飼養(yǎng)育肥兔。下層的仔兔被毛少，體溫調(diào)節(jié)能力差，低溫會影響其成活率；上層的育肥兔對冷環(huán)境的耐受能力更高。密閉舍內(nèi)沒有通風時，會出現(xiàn)上層氣溫高、下層氣溫低的現(xiàn)象，這與實際生產(chǎn)的需求相沖突。若采用常規(guī)機械縱向通風，平均風速會高于冬季兔舍內(nèi)風速不超過0.2 m/s的通風要求[15]，兔子體感溫度降低，同時冬季進行機械縱向通風的溫度調(diào)控經(jīng)濟成本高[21-22]。而如果舍內(nèi)不通風，舍內(nèi)高濃度的NH3會刺激兔子的上呼吸道，造成呼吸疾病多發(fā)；雖然CO2一般不對兔子健康造成直接危害，但當濃度超過0.25%時，兔子生長發(fā)育會受阻，免疫力降低，CO2濃度作為舍內(nèi)空氣質(zhì)量的衡量指標，其值高于0.15%說明舍內(nèi)通風不足，空氣質(zhì)量低下。

運行SHRV時，新風被污風熱量預熱后均勻地送入舍內(nèi)，其平均溫度比機械通風方式或自然通風方式送入舍內(nèi)的新風溫度要高，對舍內(nèi)兔子冷應激的影響小。SHRV在舍外低溫條件下增加了舍內(nèi)通風量且維持舍內(nèi)的適宜溫度，可有效排出舍內(nèi)的有害氣體，使其維持在適宜的水平范圍內(nèi)，保證兔子的健康生長發(fā)育，緩解了冬季低密度不供暖種兔舍的通風與保溫矛盾。

3.3 SHRV的節(jié)能效果

有研究表明，冬季畜舍內(nèi)若不使用熱回收通風系統(tǒng)進行舍內(nèi)通風時，其舍外臨界溫度為-5 ℃；使用熱回收通風時舍外臨界溫度為-12 ℃[23]，若想在嚴寒工況下即舍外氣溫降低到-15 ℃時運行熱回收通風，新風需提前預熱后再進入熱交換芯體，以防止芯體結(jié)冰，影響設備的運行[11, 23-24]。華北地區(qū)最冷月份1月的日平均氣溫為-5～-10 ℃，舍外溫度滿足低密度飼養(yǎng)不供暖種兔舍采取SHRV進行舍內(nèi)通風的-12 ℃臨界溫度要求。通常板式熱交換器的顯熱效率為50%～80%[25-26]，當風機功率固定時，熱回收效率隨著熱交換芯體片間距逐漸增大，出現(xiàn)先上升后下降的變化；當熱交換芯體片間距或者風機功率同時增大時，熱回收效率降低[27]。因此適中的熱交換芯體片間距有利于提高SHRV的顯熱回收效率。有研究表明，熱回收芯體片間距為6 mm的SHRV在冬季東北兔舍運行時可使新風溫度提高14 ℃，平均顯熱效率達到73%[11]。本研究中將相同參數(shù)的SHRV熱交換芯體片間距增加為8 mm時，新風平均溫度僅提高3.4 ℃，平均顯熱效率為65%，雖達到了國家節(jié)能標準[28]，但效果仍不夠理想。綜上可知，SHRV的材質(zhì)及片間距等參數(shù)對顯熱回收率的影響大于運行工況，此時造成顯熱回收效率差異的主要因素為熱交換芯體片間距（表2）。通常在嚴寒地區(qū)應用SHRV時，為避免熱交換芯體結(jié)冰會適當增大熱交換芯體片間距，但在本研究氣候條件下，增大熱交換芯體片間距，減少了熱交換面積，熱回收效率降低。因此，若想SHRV在該地區(qū)應用取得更好的熱回收效率，可根據(jù)工況條件將熱交換芯體片間距降低到4～6 mm。

當熱回收通風系統(tǒng)的能耗比大于2.5時，使用熱回收通風系統(tǒng)具有節(jié)能效果[20]。在不供暖密閉種兔舍運行SHRV的平均能效比為5.1，雖達到了節(jié)能效果，但能量回收量不高。影響舍內(nèi)熱量平衡的因素主要有舍內(nèi)產(chǎn)熱、圍護結(jié)構(gòu)保溫性能及冷風滲透。在2.7只/m2飼養(yǎng)密度的試驗情況下，單位面積內(nèi)兔子產(chǎn)熱量為0.027 kW，此時舍內(nèi)的平均溫度為7.6 ℃（表3）；而本文試驗兔舍滿載時飼養(yǎng)密度為3.5只/m2，單位面積內(nèi)兔子產(chǎn)熱量為0.036 kW，增加飼養(yǎng)密度會提高該類種兔舍的舍內(nèi)溫度。此外，圍護結(jié)構(gòu)良好的保溫隔熱性能是保證舍內(nèi)溫度穩(wěn)定的關鍵因素，圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能與建筑材料的熱阻有直接關系。通過計算得知該地區(qū)常見兔舍類型的外圍護結(jié)構(gòu)熱阻值較低（表4），易導致兔舍內(nèi)熱量向舍外流失。通過舍內(nèi)外CO2濃度差預測舍內(nèi)通風量的模型計算出舍內(nèi)通風量約為6 620 m3/h[29-31]，而研究中SHRV提供的實際通風量為6 000 m3/h，說明舍內(nèi)有通過門窗或者清糞洞口、濕簾洞口滲透進來的冷風量，冷風滲透會進一步降低舍內(nèi)溫度。單位面積內(nèi)動物產(chǎn)熱量低、圍護結(jié)構(gòu)保溫性能不理想、部分冷風滲透等綜合因素造成兔舍內(nèi)溫度低，在該氣候條件下，舍內(nèi)外溫差減小，從而導致SHRV的能效比值低，熱回收量效果不夠理想。

表2 不同熱回收芯體片間距對SHRV顯熱回收效率的影響

表3 不同飼養(yǎng)密度兔子的產(chǎn)熱量比較

注：a. 以動物產(chǎn)熱量為熱源時的舍內(nèi)平均溫度。

Note: a. The mean indoor temperature is obtained when only heat production source is animal.

表4 兔舍外圍護結(jié)構(gòu)的熱阻值

因此，在該地區(qū)氣候條件下，不供暖密閉種兔舍應用SHRV時，若要達到更理想的節(jié)能通風效果，除選用適當?shù)钠g距外，同時需要提高畜舍飼養(yǎng)密度以增加單位面積產(chǎn)熱量（盡量使舍內(nèi)達到滿載狀態(tài)，本研究類型兔舍的滿載飼養(yǎng)密度為3.5只/m2），加強圍護結(jié)構(gòu)保溫和密閉性，避免冷風滲透，保證舍內(nèi)的適宜溫度。

4 結(jié) 論

1）在垂直方向上，SHRV結(jié)合管道一端開口送風的同一測點上下層最大溫度差為0.91 ℃，而均勻開口送風為0.62 ℃；在水平方向上，均勻開口送風測點D到測點A的最大溫差為0.75 ℃；管道一端開口送風上層測點D到測點A的最大溫差為2.72 ℃。同時一端開口送風、均勻開口送風上下層平均風速差分別為0.13和0.09 m/s，可見均勻開口送風的送風效果好于一端開口送風。

2）在不供暖密閉種兔舍，白天不通風和SHRV結(jié)合均勻開口通風時舍外日平均溫度分別為0.28 ℃和-2.32 ℃，舍內(nèi)日平均溫度分別為8.91、8.11 ℃。白天不通風時，舍內(nèi)NH3和CO2濃度可分別達到15.02 mg/m3、0.33%，易危害兔子健康；SHRV 結(jié)合管道均勻開口送風不顯著降低兔舍內(nèi)平均溫度，運行3 h后使舍內(nèi)NH3和CO2平均濃度維持在4.24 mg/m3、0.09%，舍內(nèi)濕度從84%下降到56%適宜水平；該通風方式有效緩解該地區(qū)低密度種兔舍通風與保溫的矛盾。

3）在華北地區(qū)冬季舍外氣溫處于-6～5 ℃時，SHRV可使新風入口溫度提高3.4 ℃，平均顯熱回收效率為65%，平均能耗比為5.1，達到節(jié)能標準要求。

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Application effect of sensible heat recovery ventilation system in closed rabbit house of North China in winter

Li Qin1, Liu Peng1, Liu Dan1,2, Guo Yao1, Wang Meizhi1, Wu Zhonghong1※

(1.100193,2.463000,)

The contradiction between heat preservation and ventilation usually exists in enclosed breeding rabbit houses without heating in North China during winter. The morbidity and mortality rate of young rabbits in this style barn with low feeding density increased if the temperature fluctuated greatly due to conventional ventilation. In this study, a sensible heat recovery ventilation system (SHRV) is developed to solve these problems. The air quality, energy-saving and ventilation effect of SHRV operation or without ventilation in rabbit house during daytime are studied. Meanwhile, the distribution of the temperature and airflow of SHRV with uniform openings air supply or at the end of duct in the rabbit house are compared and analyzed. An enclosed breeding rabbit house without heating rearing 315 rabbit does and 1 095 fattening rabbits was used as experimental rabbit house. The experiments were carried out from December 2015 to January 2016. Two SHRV were installed and operated from 8:00 am to 16:00 pm. The results showed that when no ventilation existed in rabbit house, the average indoor temperature was 8.91 ℃, the concentration of NH3and CO2increased from 7.28 mg/m3and 0.33% to 15.02 mg/m3and 0.33% respectively with the increase of indoor temperature, and this indoor environmental condition during daytime is harmful to the health of rabbits. No significant fluctuation of indoor temperature was found when SHRV with uniform opening air supply in the rabbit house, the average indoor temperature was 8.11 ℃, meanwhile, the concentration of NH3and CO2dropped from 9.91 mg/m3and 0.23% to 4.24 mg/ m3and 0.09% respectively after the SHRV working for 3 hours, and maintained of 4.42 mg/m3and 0.10%, the relative humidity in rabbit house was decreased from 84% to 56%. When the outdoor temperature fluctuated within –6－5 ℃, the temperature of supply air was increased by 3.4 ℃ after passing through the heat exchanger of SHRV, the average sensible heat recovery efficiency and the coefficient of performance of SHRV were 65% and 5.1 respectively, which reached the national standard of energy-saving with the value of 60% and 2.5 respectively. Compared with air supplying at the end of duct, SHRV with uniform openings air supply will reduce the average wind speed below 0.2 m/s, the temperature difference and wind speed difference were lower than that of SHRV with uniform openings air supply. SHRV can resolve the contradiction between heat preservation and ventilation usually existed in enclosed breeding rabbit houses with common building envelope without heating in North China. At the same time, in order to achieve a more ideal energy-saving ventilation effect of SHRV in this situation, it is necessary to use appropriate plate pitch, increase feeding density and strengthen the airtightness of building envelope to improve insulation effect of houses.

heat recovery; ventilation; energy conservation; breeding rabbit houses; air quality; North China

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.018

S81

A

1002-6819(2019)-10-0140-08

2018-11-18

2019-02-02

國家兔產(chǎn)業(yè)技術體系（CARS-43-D-1）

李 琴，科研助理，主要從事畜禽環(huán)境調(diào)控研究。Email：crystal_stefer@126.com

吳中紅，教授，主要從事畜禽環(huán)境調(diào)控研究。Email：wuzhh@cau.edu.cn

李 琴，劉 鵬，劉丹，郭 瑤，王美芝，吳中紅.華北冬季密閉兔舍顯熱回收通風系統(tǒng)應用效果研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2019，35(10)：140－147. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.018 http://www.tcsae.org

Li Qin, Liu Peng, Liu Dan, Guo Yao, Wang Meizhi, Wu Zhonghong.Application effect of sensible heat recovery ventilation system in closed rabbit house of North China in winter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(10): 140－147. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.018 http://www.tcsae.org