楊 禮，杜龍環(huán)，鄭煒超，朱洪強，余春林，邱莫寒，楊朝武通信作者

(1.四川大恒家禽育種有限公司，四川 成都 610066；2.四川大學(xué)，四川 成都 610065；3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京 1000833；4.成都晟興牧業(yè)機械有限公司，四川 成都 610000；5.四川省畜牧科學(xué)研究院動物遺傳育種四川省重點實驗室，四川 成都 610066)

0 引言

隨著畜牧業(yè)向規(guī)?；?、集約化、機械化、智能化方向發(fā)展，溫度、濕度、氣流速度等舍內(nèi)環(huán)境因子根據(jù)飼養(yǎng)品種及階段實現(xiàn)了有效控制，滿足了畜禽生長最佳需求，促進了生產(chǎn)性能的提高，而對舍內(nèi)環(huán)境調(diào)控的能耗在不斷增加。依據(jù)Costantino等對歐洲規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖的研究，環(huán)境調(diào)控所消耗電能在肉雞、蛋雞、奶牛、生豬飼養(yǎng)中分別占全部電能消耗的75.5%、58.9%、27.4%和50.2%[1]。據(jù)聯(lián)合國研究報告，到2050年全球人口將達91.5億，與2017年相比增加22%，動物蛋白質(zhì)消耗量增加幾乎將翻倍[2-3]。糧農(nóng)組織估計與2010年相比，到2050年家禽消費量將增長230%，而同期其他畜產(chǎn)品消費量將增長40%～80%[4]。加之智能化養(yǎng)殖手段及儀器設(shè)備的不斷應(yīng)用，可預(yù)見未來規(guī)?；B(yǎng)殖能耗將會進一步增加。因此，全面掌握畜禽養(yǎng)殖舍能量消耗及搭建預(yù)測模型對養(yǎng)殖場設(shè)計和使用有重要參考價值?；诖吮狙芯拷榻B了一種基于ISO13790標(biāo)準(zhǔn)搭建能耗預(yù)測模型的方法。

1 基本參數(shù)

模型依據(jù)生產(chǎn)需要，以1 h為步長模擬舍內(nèi)外熱量動態(tài)平衡。舍內(nèi)熱源包括畜禽自身產(chǎn)熱、加熱器、舍內(nèi)外導(dǎo)熱及其他機器運轉(zhuǎn)熱量。舍內(nèi)降溫多采用通風(fēng)(濕簾降溫)手段。在不同養(yǎng)殖階段畜禽產(chǎn)熱與體重有關(guān)，相應(yīng)的最佳生長環(huán)境溫度也有所不同。因此，模型以雞日齡體重及散熱量為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其他參數(shù)包括每小時大氣環(huán)境參數(shù)和太陽輻射強度等。

2 計算流程

模型基于步長為1 h的舍外及舍內(nèi)環(huán)境差異決定相關(guān)設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)，包括風(fēng)機、加熱、照明、濕簾、廢物清理、投料等，最終自動預(yù)測環(huán)境調(diào)控的能量消耗，如圖1所示。

圖1 計算流程示意圖

3 動態(tài)熱平衡模型

ISO13790提供了一種動態(tài)熱平衡計算模型，工作原理基于被分析建筑物的熱行為與電阻電容(R-C)模型之間的相似性(見圖2)。φH/C，load是每個步長舍內(nèi)需要的制熱量或制冷量； θair為舍內(nèi)溫度；θsupply為進入舍內(nèi)的空氣溫度，未使用濕簾時，θsupply等于室外溫度θe；θs為舍內(nèi)表面溫度；θm為畜禽舍模型電容質(zhì)點溫度；Hve為熱傳遞系數(shù)；Htr，w為舍內(nèi)玻璃元素?zé)醾鬟f系數(shù)；Htr，op為舍內(nèi)不透明物熱傳遞系數(shù)；為更準(zhǔn)確計算畜禽舍熱質(zhì)量，Htr，op進一步細(xì)分為舍內(nèi)外不透明物體的熱傳導(dǎo)Htr，em及基于養(yǎng)殖舍面積和表面熱傳遞系數(shù)His計算出的Htr，is；Cm是畜禽舍熱容量;φint是畜禽舍內(nèi)部產(chǎn)熱量；φsol是太陽輻熱量。

圖2 動態(tài)熱平衡模型

基于必要模型輸入?yún)?shù)，每一步的舍內(nèi)溫度可根據(jù)下面步驟計算得到(其中φm，tot是該步長內(nèi)總產(chǎn)熱量)，至此，該步長結(jié)束時畜禽舍內(nèi)空氣溫度θair可以被預(yù)測出來。相關(guān)詳細(xì)計算步驟及示例可以參見ISO13790 Annex C。

θt={θt-1×[Cm/3 600-0.5×(Htr，3+Htr，em]+φm，tot}/{Cm/3 600+0.5×(Htr，3+Htr，em)}；

θm=(θm，t+θm，t-1)/2；

θs={Htr，ms×θm+φst+Htr，fen×θe+Htr，1×[θsup+(φia+φH/C，load)/Hve]}/(Htr，ms+Htr，fen+Htr，1)；

θair=Htr，is×θs+Hve×θsup+φia+φH/C，load)/(Htr，is+Hve)。

4 結(jié)論與展望

隨著現(xiàn)代化畜牧業(yè)發(fā)展，養(yǎng)殖能耗成為行業(yè)發(fā)展中需要關(guān)注的話題，在考慮可預(yù)期水土資源消耗及溫室氣體排放問題時，更應(yīng)意識到將有更多的能源用于畜牧業(yè)生產(chǎn)，畜禽養(yǎng)殖舍能耗建模與評估對生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。目前國內(nèi)外在畜禽舍能耗模型的研究較少，國外在早期多使用建筑能耗模擬軟件進行研究，如DOE-2、ENERGPLU、TNSYS、DeST等，但這些軟件都是針對民用、商用、公共建筑而開發(fā)，沒有針對農(nóng)用建筑開發(fā)特定的模塊、功能。畜禽舍與民用、公共建筑遵循相同的傳熱傳質(zhì)原理，但要正確處理動物產(chǎn)熱及通風(fēng)模型[6]。而由于這些軟件具有局限性，國外更多是進行自主開發(fā)能耗模型，本文所介紹的基于ISO13790標(biāo)準(zhǔn)簡化小時模型即是其中一種，可通過實驗手段驗證和改進，對畜禽養(yǎng)殖能耗問題進一步深入研究，實現(xiàn)養(yǎng)殖能耗控制在滿足飼養(yǎng)、環(huán)控合理水平的同時，為農(nóng)業(yè)工程從業(yè)人員和養(yǎng)殖者提供養(yǎng)殖能耗績效參考。