呂慧潔 李景琦 丁蕊 曹明

摘? 要：通過對(duì)沈陽地區(qū)某LPCV牛舍（低屋面橫向通風(fēng)牛舍）增設(shè)濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)，并針對(duì)其通風(fēng)系統(tǒng)的夏季運(yùn)行方案增設(shè)自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)，達(dá)到對(duì)牛舍室外溫度、噴淋水水溫、舍內(nèi)溫度、過簾溫度及相關(guān)設(shè)定值等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能，根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行方案進(jìn)行自動(dòng)溫度控制調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和故障報(bào)警，以便于牛舍通風(fēng)系統(tǒng)的管理，及時(shí)了解舍內(nèi)現(xiàn)狀并發(fā)現(xiàn)問題，同時(shí)該自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于其他同類型濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：低屋面橫向通風(fēng)牛舍;濕簾風(fēng)機(jī)系統(tǒng);自動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：O35

低屋面橫向通風(fēng)牛舍（Low profile cross ventilated，LPCV）廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外大型奶牛場(chǎng)[1]，其通風(fēng)系統(tǒng)大多采用濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)在室外相對(duì)濕度較低時(shí)可有效的降低舍內(nèi)溫度、減緩奶牛的熱應(yīng)激以達(dá)到高產(chǎn)的目的[2]，目前國內(nèi)外濕簾風(fēng)機(jī)系統(tǒng)主要采用人工控制的方法，由于人工控制存在效率較低、耗時(shí)耗力、響應(yīng)延時(shí)等問題，因此本文以沈陽地區(qū)夏季濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)運(yùn)行方案為研究對(duì)象，對(duì)該濕簾風(fēng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)和溫度控制系統(tǒng)，達(dá)到自動(dòng)溫度調(diào)節(jié)控制的功能。

1 沈陽地區(qū)某LPCV牛舍夏季通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行方案概述

根據(jù)國內(nèi)部分學(xué)者對(duì)沈陽地區(qū)LPCV牛舍通風(fēng)系統(tǒng)在夏季設(shè)計(jì)工況、極端最熱工況和部分工況的研究結(jié)果[3-5]，得到沈陽地區(qū)LPCV牛舍濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)在夏季全部工況條件下的運(yùn)行方案，其中濕簾噴淋水溫的控制策略為：當(dāng)室外溫度tw小于等于23℃時(shí)，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)全開，濕簾的噴淋水系統(tǒng)應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài);當(dāng)tw大于23℃而不大于31.4℃時(shí)，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)全開，濕簾噴淋水系統(tǒng)開啟，噴淋水系統(tǒng)的水溫應(yīng)為20℃可滿足舍內(nèi)奶牛的舒適性要求;當(dāng)tw大于31.4℃而不大于34℃時(shí)，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)全開，濕簾噴淋水水溫設(shè)定為18℃（18℃的噴淋水應(yīng)由市政常溫水和低溫井水混合而得）;當(dāng)tw超過34℃且不超過36.1℃時(shí)，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)全開，濕簾噴淋水水溫設(shè)定為16℃即可。夏季濕簾噴淋水的全部運(yùn)行參數(shù)如表1.1所示。

2 濕簾降溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)主要由濕簾、大風(fēng)量風(fēng)機(jī)、循環(huán)式噴淋水系統(tǒng)和自動(dòng)溫控系統(tǒng)等組成。濕簾是由設(shè)計(jì)成特殊角度的纖維紙粘結(jié)而成，相鄰兩層濕簾紙波紋傾斜方向相反，形成一系列相互交錯(cuò)的通道。噴淋水自上而下流過濕簾紙，在濕簾紙上形成水膜，而波紋狀的濕簾紙則為空氣和水提供了足夠大的接觸面積。濕簾降溫系統(tǒng)通過水與空氣的熱濕交換，借助高溫下水分蒸發(fā)將空氣中的顯熱吸收，轉(zhuǎn)變?yōu)樗魵庵械臐摕醽磉_(dá)到降溫的目的，可使室內(nèi)空氣溫度降低7℃～15℃[6]。

基于夏季濕簾降溫系統(tǒng)的運(yùn)行方案，對(duì)濕簾降溫系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，增設(shè)了自動(dòng)控制系統(tǒng)，增加了深井輸水系統(tǒng)，目的是在室外溫度大于31.4℃時(shí)，向蓄水池輸送低溫井水，降低濕簾循環(huán)水的水溫，以保證濕簾風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的降溫效果。改進(jìn)后的濕簾系統(tǒng)水循環(huán)示意圖如圖2.1所示。

3 自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為了實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)和溫度控制，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和利用LPCV牛舍內(nèi)外的溫度等參數(shù)，進(jìn)而確定濕簾風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行方案自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的啟閉和濕簾循環(huán)水系統(tǒng)的水泵啟閉。具體的設(shè)計(jì)方案如下：

（1）在LPCV牛舍舍內(nèi)距地高1.2m處（溫度最不利點(diǎn)）設(shè)置溫度傳感器TT1，作用時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)舍內(nèi)溫度滿足奶牛的舒適性要求，否則將指示濕簾噴淋水系統(tǒng)采取開啟相應(yīng)水泵控制循環(huán)水水溫;

（2）在舍內(nèi)濕簾位置附近安裝溫度傳感器TT2，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣過簾溫度，為監(jiān)測(cè)濕簾降溫效率提供數(shù)據(jù);

（3）在舍外進(jìn)風(fēng)側(cè)距濕簾5～10m、距地面1m位置高度安裝溫度傳感器TT3，為濕簾風(fēng)機(jī)溫控系統(tǒng)實(shí)時(shí)提供室外溫度數(shù)據(jù)，作為啟動(dòng)不同運(yùn)行調(diào)節(jié)方案的依據(jù);

（4）在蓄水池底端安裝溫度傳感器TT4，根據(jù)TT3和TT4的數(shù)值控制深井輸水的啟停，通過深井水和噴淋循環(huán)水的混合確保濕簾噴淋水水溫達(dá)到運(yùn)行方案設(shè)定值;

（5）在蓄水池內(nèi)設(shè)置液位傳感器LT1（溢流限位）、LT2（液位上限）、LT3（液位下限）控制補(bǔ)水泵啟閉;在蓄水池外設(shè)置深井輸水系統(tǒng)，為蓄水池提供低溫井水;

（6）深井外距離地面1m高度處設(shè)置高位水箱，深井泵向高位水箱輸送井水，通過水箱為蓄水池提供低溫井水;水箱內(nèi)設(shè)置液位傳感器LT4（溢流限位）、LT5（液位上限）、LT6（液位下限）控制深井泵啟閉。

自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)的總體框架包括信息采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、智能分析和遠(yuǎn)程控制四個(gè)部分，框架圖如圖3.1所示，自動(dòng)溫度控制原理如圖3.2所示。

根本沈陽地區(qū)某LPCV牛舍的夏季通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行方案，確定其濕簾風(fēng)機(jī)自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)功能的主要控制內(nèi)容包括：

（1）利用防水溫度傳感器實(shí)時(shí)對(duì)LPCV牛舍舍內(nèi)的最不利位置的溫度、過簾溫度、室外環(huán)境溫度和蓄水池的水溫，為控制中心提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以控制啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的濕簾風(fēng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行方案;

（2）當(dāng)溫度傳感器TT3監(jiān)測(cè)到的室外溫度超過23℃且不超過31.4℃時(shí)，潛水泵和電動(dòng)閥開啟，濕簾噴淋水系統(tǒng)運(yùn)行，室外空氣通過濕簾蒸發(fā)降溫，達(dá)到降溫目的;通過水流開關(guān)FS3監(jiān)測(cè)水流狀態(tài)，流量過小或斷流則自動(dòng)報(bào)警，并控制補(bǔ)水泵進(jìn)行工作;

（3）當(dāng)溫度傳感器TT3監(jiān)測(cè)到室外溫度大于31.4℃且不超過34℃時(shí)，控制中心將循環(huán)噴淋水溫設(shè)定為18℃，通過溫度傳感器TT4監(jiān)測(cè)噴淋水溫，當(dāng)噴淋水溫度高于18℃時(shí)，電動(dòng)閥開啟，通過高位水箱向蓄水池輸送低溫井水直至蓄水池水溫達(dá)到18℃并保持，濕簾降溫系統(tǒng)的工作處于動(dòng)態(tài)平衡中;通過水流開關(guān)FS2監(jiān)測(cè)水流狀態(tài)，流量過小或斷流則自動(dòng)報(bào)警并自動(dòng)停止水箱向蓄水池輸水;

（4）當(dāng)溫度傳感器TT3監(jiān)測(cè)到的室外溫度超過34℃并小于等于36.1℃時(shí)，控制中心將循環(huán)噴淋水溫設(shè)定為16℃，通過溫度傳感器TT4監(jiān)測(cè)噴淋水溫，當(dāng)溫度高于16℃時(shí)，電動(dòng)閥開啟，通過高位水箱向蓄水池輸送低溫井水直至蓄水池水溫達(dá)到16℃并保持，濕簾降溫系統(tǒng)的工作仍處于動(dòng)態(tài)平衡中;通過水流開關(guān)FS2監(jiān)測(cè)水流狀態(tài)，流量過小或斷流則自動(dòng)報(bào)警并自動(dòng)停止水箱向蓄水池輸水;

（5）風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在沈陽地區(qū)的LPCV牛舍通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行方案中，整個(gè)夏季全數(shù)全天都應(yīng)保持運(yùn)行狀態(tài)，如涉及到其他地區(qū)運(yùn)行方案，可對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整;

（6）液位傳感器LT3檢測(cè)到蓄水池水位達(dá)到下限時(shí)，補(bǔ)水泵開啟向蓄水池補(bǔ)水，補(bǔ)水來自LPCV牛舍的生活給水系統(tǒng);水流開關(guān)FS1開啟確認(rèn)補(bǔ)水泵及電動(dòng)閥是否正常工作;

（7）液位傳感器LT2檢測(cè)到蓄水池水位達(dá)到上限時(shí)，補(bǔ)水泵關(guān)閉，水流開關(guān)FS1關(guān)閉，電動(dòng)閥關(guān)閉;

（8）液位傳感器LT1檢測(cè)到蓄水池水位達(dá)到溢流高度時(shí)，向控制中心發(fā)出報(bào)警信號(hào)，需人工檢查排除故障，此時(shí)水通過溢流管排至排水系統(tǒng)中;

（9）液位傳感器LT6檢測(cè)到高位水箱水位達(dá)到下限時(shí)，深井泵開啟向水箱補(bǔ)水，補(bǔ)水來自低溫井水;水流開關(guān)FS4開啟確認(rèn)深井泵及電動(dòng)閥是否正常工作;

（10）液位傳感器LT5檢測(cè)到高位水箱水位達(dá)到上限時(shí)，深井泵關(guān)閉，水流開關(guān)FS4關(guān)閉，電動(dòng)閥關(guān)閉;

（11）液位傳感器LT4檢測(cè)到高位水箱水位達(dá)到溢流高度時(shí)，向控制中心發(fā)出報(bào)警信號(hào)，需人工檢查排除故障，此時(shí)水通過溢流管排至排水系統(tǒng)。

4 自動(dòng)溫控系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)分析與應(yīng)用

（1）系統(tǒng)在自動(dòng)控制濕簾風(fēng)機(jī)系統(tǒng)工作的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示和記錄當(dāng)前室外溫度、噴淋水水溫、舍內(nèi)溫度、過簾溫度及相關(guān)設(shè)定值，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示及故障報(bào)警，方便管理和及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、了解舍內(nèi)現(xiàn)狀。

（2）自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)的能耗低、壽命長、靈敏度高、響應(yīng)速度快、工作穩(wěn)定高效、環(huán)控能力強(qiáng)，能夠?qū)⑸醿?nèi)環(huán)境溫度始終保持在奶牛熱舒適度范圍內(nèi)。

（3）濕簾風(fēng)機(jī)自動(dòng)溫控系統(tǒng)除可以應(yīng)用于LPCV牛舍，國內(nèi)外很多雞舍、豬舍的大型養(yǎng)殖廠均可采用濕簾風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行降溫，減少牲畜的熱應(yīng)激，提高舒適性，還可以廣泛應(yīng)用于南方的紡織工廠、織造車間的濕簾風(fēng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，降低能耗、提高車間空氣質(zhì)量和舒適度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄧書輝，施正香，李保明，趙淑梅，丁濤，鄭萬萍.低屋面橫向通風(fēng)牛舍空氣流場(chǎng)CFD模擬[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（06）：139-146.

[2] 顏志輝，施正香，王朝元，許立新.大跨度橫向機(jī)械通風(fēng)奶牛舍環(huán)境狀況的分析與思考[J].中國畜牧雜志，2012，48（16）：43-46.

[3] 呂慧潔. 沈陽地區(qū)LPCV牛舍通風(fēng)系統(tǒng)的夏季運(yùn)行策略研究[D].沈陽工業(yè)大學(xué)，2018.

[4] 吳亞平. 沈陽地區(qū)低屋面橫向通風(fēng)牛舍空氣CFD數(shù)值模擬[D].沈陽工業(yè)大學(xué)，2016.

[5] 張瓊. 低屋面橫向通風(fēng)牛舍地域適應(yīng)性研究[D].沈陽工業(yè)大學(xué)，2017.

[6] 傅春泉， 徐蘇凌， 張建中. 濕簾冷風(fēng)機(jī)降溫在南方奶牛舍中的應(yīng)用[J]. 中國奶牛， 2011， 07期：54-56.