郝 薇，賈 爽，孫 妍，劉繼軍*，朱躍明

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100193；2.動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100193；3.國(guó)家肉牛牦牛產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系張掖綜合試驗(yàn)站，甘肅張掖 734000）

在北方冬季肉牛生產(chǎn)中，低溫環(huán)境飲水是重要的研究課題之一。在不同溫度條件下肉牛最佳飲水量不同，冬季每采食1 kg 飼料需要飲水3.5 kg[1]。反芻動(dòng)物瘤胃內(nèi)容物正常平均溫度為38～41℃[2-3]。研究表明，奶牛飲用20℃的溫水可使干物質(zhì)采食量提高 6.47%，同時(shí)增加產(chǎn)奶量[4-5]；肉牛飲用溫水可提高日增重及生長(zhǎng)速度，緩解冷應(yīng)激[6]。刁小南等[7]研究表明，冬季每頭肉牛飲用20℃溫水的日增重較飲用4℃冷水提高0.22 kg/d。龐超[8]研究發(fā)現(xiàn)肉牛偏愛飲用14～18℃的溫水[9]。陳昭輝等[10]研究發(fā)現(xiàn)肉牛飲用17℃的溫水增重效果及經(jīng)濟(jì)效益更好。

牛只飲水的加熱方式有很多種，目前常見的形式有燃?xì)饧訜?、直接電加熱、空氣源熱泵和太陽能加熱。太陽能熱水器是將太陽光能轉(zhuǎn)化為熱能的加熱裝置，利用其較高的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到節(jié)能的目的，國(guó)內(nèi)最常用的是真空管式[11]。除了清潔可再生外，太陽能還有污染少、效率高等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣泛。在實(shí)際生產(chǎn)中，為肉牛提供適宜溫度的飲水十分必要，但目前對(duì)肉牛飲水加熱系統(tǒng)的研究較少。本試驗(yàn)探究2 種太陽能加熱和電加熱恒溫飲水系統(tǒng)的應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益，為寒區(qū)牛舍運(yùn)用太陽能加熱恒溫飲水系統(tǒng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)舍樣式和材料 本試驗(yàn)分2 期進(jìn)行，一期試驗(yàn)時(shí)間為2019 年1 月16 日—2 月16 日，二期試驗(yàn)時(shí)間為2019 年12 月12 日—2020 年2 月6 日。其中，一期試驗(yàn)太陽能恒溫飲水系統(tǒng)是在全電加熱系統(tǒng)基礎(chǔ)上改造而成，二期試驗(yàn)太陽能恒溫飲水系統(tǒng)購于北京源創(chuàng)易能新能源科技有限公司。二期試驗(yàn)分為2 個(gè)階段：第一階段為2019 年12 月19 日—12 月23 日，保證試驗(yàn)舍循環(huán)水箱及儲(chǔ)熱水箱內(nèi)水量總計(jì)為5 000 L，對(duì)照舍水箱內(nèi)水量為2 000 L，即試驗(yàn)舍水箱內(nèi)總水量為對(duì)照舍水箱總水量的2.5 倍；第二階段為2019 年12 月24 日—12 月29 日，保證循環(huán)水箱及儲(chǔ)熱水箱內(nèi)水量為容積的一半，總計(jì)2 500 L，對(duì)照舍水箱內(nèi)水量為2 000 L，即試驗(yàn)舍水箱內(nèi)總水量為對(duì)照舍的1.25 倍。試驗(yàn)地點(diǎn)位于甘肅省張掖市甘州區(qū)的國(guó)家肉牛產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系張掖綜合試驗(yàn)站（100.66°E，38.83°N），該地區(qū)年平均氣溫為6.38℃，較為干燥且寒冷，日均太陽輻射量為15.1075 MJ/m2，處于太陽能資源最豐富帶[12]。

2 期試驗(yàn)均選擇2 棟樣式、尺寸、結(jié)構(gòu)相同的有窗牛舍（圖1），其中試驗(yàn)舍采用太陽能加熱恒溫飲水裝置，對(duì)照舍采用電加熱恒溫飲水裝置。試驗(yàn)牛舍均為雙坡式鋼架結(jié)構(gòu)，東西朝向，長(zhǎng)144 m、跨度13 m、檐高3.9 m，舍中間為4.6 m 寬的飼喂通道，兩側(cè)為臥床。南北縱墻上各有8 扇2.0 m×1.4 m 的門通向運(yùn)動(dòng)場(chǎng)；東西兩端墻各設(shè)3 扇門：中間1 扇正對(duì)飼喂走道的雙扇推拉門4.6 m×3.5 m，兩邊對(duì)清糞走道的推拉門2.3 m×3.5 m。牛舍采用自然通風(fēng)，冬季主要通過屋檐下的通氣縫進(jìn)行通風(fēng)換氣。

圖1 牛舍布局（A）及縱剖面圖（B）

1.2 試驗(yàn)牛的選取及飼養(yǎng)管理 在一期試驗(yàn)，試驗(yàn)舍和對(duì)照舍內(nèi)分別飼養(yǎng)230 頭和226 頭平均體重約為550 kg的西門塔爾生長(zhǎng)育肥牛。二期試驗(yàn)中，試驗(yàn)舍和對(duì)照舍均飼養(yǎng)200 頭平均體重約為270 kg 的西門塔爾育肥牛。試驗(yàn)用牛均為拴系飼養(yǎng)，平均采食寬度均為1.2 m/頭。試驗(yàn)期間每天08:00、16:00 飼喂全混合日糧，兩舍內(nèi)飼料成分和飼喂量保持一致。兩舍每天進(jìn)行人工清糞，每周進(jìn)行2 次鏟車清糞。在兩舍內(nèi)分別隨機(jī)選取24 頭生長(zhǎng)狀況相近的健康牛作為樣本，所有牛只每天均使用恒溫飲水杯自由飲水。

1.3 電加熱恒溫飲水系統(tǒng)裝置 對(duì)照舍采用電加熱飲水系統(tǒng)在冬季為牛只提供恒溫飲水，此裝置由加熱水箱、循環(huán)進(jìn)出水管、溫度控制器和飲水杯組成（圖2）。加熱水箱是容積為2 000 L 的圓柱形金屬保溫水桶，通過溫度控制器設(shè)定水箱加熱溫度，由水箱內(nèi)2 個(gè)9 kW 的加熱棒進(jìn)行加熱，水箱內(nèi)浮球閥控制水箱水位。通過循環(huán)進(jìn)出水管將水送至飲水杯內(nèi)，每個(gè)飲水杯內(nèi)都有浮球閥可控制水位，以及時(shí)為牛只補(bǔ)充飲水。為減少熱量損失，避免上凍，水管為雙層結(jié)構(gòu)外部包有保溫材料。飲水杯高度為200 mm，內(nèi)有保溫夾層，不僅方便牛只飲用，還有利于保證杯內(nèi)水溫，減少熱量散失。每棟舍內(nèi)均勻安裝120 個(gè)飲水杯，每2 頭牛共用1 個(gè)飲水杯。

圖2 電加熱飲水系統(tǒng)原理圖

1.4 太陽能恒溫飲水系統(tǒng)裝置與運(yùn)行原理

1.4.1 一期試驗(yàn)太陽能設(shè)備 一期試驗(yàn)舍太陽能加熱器由貯熱水箱、支架、全玻璃真空集熱管、連接導(dǎo)管等組成，如圖3。貯熱水箱為儲(chǔ)水量1 000 L 的圓柱形保溫水桶。140 根長(zhǎng)1.5 m、外徑47 mm 的全玻璃真空太陽能集熱管排成規(guī)則陣列，朝向南方，并與聯(lián)管、尾架和反射器等組裝，與貯熱水箱連接，安裝于牛舍屋頂上方。在安裝太陽能熱水器時(shí)，為獲得冬季最大熱輻射，太陽能集熱器傾角應(yīng)比當(dāng)?shù)鼐暥却?0～15°[13]，張掖地區(qū)緯度為38.93°，該太陽能熱水器安裝角度為45°，基本滿足要求。一期試驗(yàn)太陽能加熱系統(tǒng)與舍內(nèi)電加熱系統(tǒng)相連接，但二者之間未安裝循環(huán)水泵，每日白天經(jīng)過太陽能加熱后，下午將舍內(nèi)電加熱裝置關(guān)閉，飼養(yǎng)員手動(dòng)將太陽能加熱的熱水放至舍內(nèi)電加熱儲(chǔ)水箱與其中原有溫水混合，再由循環(huán)系統(tǒng)將水流入飲水碗中供牛只飲用，之后將太陽能貯熱水箱充滿冷水，再次利用太陽能加熱。當(dāng)遇陰天太陽能加熱效果不好時(shí)，舍內(nèi)采用電加熱方式供牛只恒溫飲水。

圖3 一期試驗(yàn)太陽能恒溫飲水系統(tǒng)原理圖

1.4.2 試驗(yàn)二期太陽能設(shè)備 二期試驗(yàn)舍的太陽能恒溫飲水系統(tǒng)由太陽能集熱器、水箱、水泵、防凍電伴熱帶、控制系統(tǒng)和飲水杯等組成，如圖4 所示。太陽能集熱器選用北京源創(chuàng)易能新能源科技有限公司生產(chǎn)的47×7 陽能集熱60 型全玻璃管集熱器共6 套，每套集熱面積6.2 m2，總集熱面積達(dá)37.2 m2。每套集熱器由60支集熱真空管組成，集熱真空管密集式排列。舍內(nèi)采用雙水箱模式，儲(chǔ)熱水箱容積5 000 L，內(nèi)膽厚0.6 mm、水箱外皮厚0.5 mm，可達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。水箱保溫聚氨酯厚50 mm，可保證水箱水溫一晝夜降溫小于3℃。儲(chǔ)熱水箱為舍內(nèi)原有電加熱飲水系統(tǒng)所用水箱，與對(duì)照舍一致。控制系統(tǒng)可控制溫度、水位及時(shí)間，優(yōu)先利用太陽能，減少其他輔助能源的消耗。

圖4 二期試驗(yàn)太陽能恒溫飲水系統(tǒng)原理圖

二期試驗(yàn)太陽能恒溫飲水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)如下：根據(jù)預(yù)試驗(yàn)將兩試驗(yàn)階段試驗(yàn)舍集熱器設(shè)定溫度調(diào)整為50℃，循環(huán)水箱設(shè)定下限溫度為40℃，上限溫度為45℃，儲(chǔ)熱水箱下限溫度為40℃，上限溫度為45℃；對(duì)照舍電加熱系統(tǒng)設(shè)定加熱溫度為60℃。

1）溫差循環(huán)：當(dāng)集熱器末端的溫度T1 與循環(huán)水箱溫度T2 的溫差T1－T2 ≥5℃（可設(shè)定）時(shí)，太陽能循環(huán)水泵P1 啟動(dòng)，將循環(huán)水箱內(nèi)較低溫度的水打入集熱器，而將集熱器內(nèi)高于水箱溫度的熱水頂入循環(huán)水箱，當(dāng)溫差T1－T2 ≤3℃（可設(shè)定）時(shí)，太陽能循環(huán)水泵P1 停止，如此不斷循環(huán)，從而使循環(huán)水箱中的水溫不斷升高。

2）水箱循環(huán)：當(dāng)儲(chǔ)熱水箱T3 ≤40℃（可設(shè)定）時(shí)，太陽能循環(huán)泵P2 啟動(dòng)，當(dāng)儲(chǔ)熱水箱T3 ≥45℃（可設(shè)定）時(shí)，循環(huán)水泵P2 停止。

3）供水循環(huán)：當(dāng)回水溫度T5 ≤12℃（可設(shè)定）時(shí)，電磁閥M1 打開，太陽能循環(huán)泵P3 啟動(dòng)，當(dāng)回水溫度T5 ≥20℃（可設(shè)定）時(shí)，電磁閥M1 關(guān)閉，循環(huán)水泵P3 停止。

4）防凍循環(huán)：當(dāng)室外太陽能循環(huán)管路水溫T4 ≤5℃（可設(shè)定）時(shí)，太陽能循環(huán)泵P1 啟動(dòng)，當(dāng)循環(huán)管路水溫T4 ≥8℃（可設(shè)定）時(shí)，循環(huán)水泵P1 停止。當(dāng)管路水溫T4 ≤1℃（可設(shè)定）時(shí)，啟動(dòng)設(shè)于室外循環(huán)管路的電伴熱帶，當(dāng)管路溫度T4 ≥8℃時(shí)，電伴熱帶自動(dòng)停止。

5）系統(tǒng)補(bǔ)水：浮球閥自動(dòng)補(bǔ)水。

6）輔助加熱：陰雨天或陽光不足時(shí)，使用循環(huán)水箱內(nèi)電加熱。

1.5 主要儀器 手持溫度儀（Testo635，精度±0.3℃），由德圖儀器國(guó)際貿(mào)易有限公司生產(chǎn)；手持二氧化碳測(cè)定儀（GASTiger2 000-CO2，精度≤±3%）為深圳市萬安迪科技有限公司生產(chǎn)；手持氨氣測(cè)定儀（GT-903-NH3，精度≤±3%）為深圳市科爾諾電子科技有限公司生產(chǎn)；溫濕度自動(dòng)記錄儀（Apresys 179-TH，精度為±0.2℃，±1.8% RH）為艾普瑞上海精密光電有限公司生產(chǎn)。

1.6 測(cè)定方法

1.6.1 水溫和耗電量的測(cè)定 一期試驗(yàn)在牛舍兩側(cè)分別均勻選取12 個(gè)飲水杯，每天08:00、14:00 和20:00 使用手持溫度儀進(jìn)行測(cè)定，15 min 測(cè)定1 次，測(cè)量4 次。每天08:00 和20:00 對(duì)兩牛舍內(nèi)電表進(jìn)行讀數(shù)，計(jì)算兩牛舍每日耗電量。二期試驗(yàn)水溫測(cè)定分為2 個(gè)階段，測(cè)定方法與一期試驗(yàn)相同。

1.6.2 生長(zhǎng)性能測(cè)定 各期試驗(yàn)開始和試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，于相同條件下對(duì)兩牛舍內(nèi)各24 頭樣本牛進(jìn)行稱重，計(jì)算兩舍內(nèi)牛只日增重，剔除異常值后各舍的數(shù)據(jù)可作為本舍肉牛生長(zhǎng)的平均水平。

1.6.3 環(huán)境測(cè)定 二期試驗(yàn)進(jìn)行環(huán)境測(cè)定，在牛舍內(nèi)選取6 個(gè)剖面，該剖面將牛舍平均分割為7 部分，在每個(gè)剖面設(shè)置3 個(gè)測(cè)定點(diǎn)，分別位于牛只站立的位置和飼喂走道的中心，每天08:00、14:00 和20:00 在每個(gè)測(cè)定點(diǎn)距地面高約1.4 m 處利用手持二氧化碳測(cè)定儀和手持氨氣測(cè)定儀測(cè)定該位置的二氧化碳濃度和氨氣濃度。在第2、5 個(gè)剖面上距牛只站立的地面2 m 處懸掛溫濕度自動(dòng)記錄儀測(cè)定舍內(nèi)全天的溫度和相對(duì)濕度，測(cè)定間隔為5 min。舍外放置溫濕度自動(dòng)記錄儀用來測(cè)定舍外溫濕度，測(cè)定間隔為5 min，在舍外溫濕度自動(dòng)記錄儀外附遮蔽物防止太陽輻射的影響。各儀器測(cè)定點(diǎn)布置如圖5。

圖5 測(cè)定點(diǎn)布置圖

1.7 統(tǒng)計(jì)分析 采用SPSS 20.0 數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果以平均值± 標(biāo)準(zhǔn)差表示。P＜0.01 為有極顯著差異，0.01＜P＜0.05 為有顯著差異，P＞0.05 為差異不顯著。

1.8 新型太陽能恒溫飲水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 將兩期試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比得出，當(dāng)太陽能的儲(chǔ)熱罐容量過大時(shí)，其維持溫度需要的用電量便隨之增加。從公司購買太陽能恒溫飲水系統(tǒng)其儲(chǔ)熱水箱容積為5 000 L，但在一期試驗(yàn)以及后續(xù)的計(jì)算中認(rèn)為2 000 L 已經(jīng)保證肉牛正常的飲水需求，因此可以減少用來維持的耗電量。在太陽能恒溫飲水系統(tǒng)的投資成本方面，我們認(rèn)為在電加熱系統(tǒng)基礎(chǔ)上改造的太陽能恒溫飲水系統(tǒng)比從公司購買的整套系統(tǒng)要節(jié)省近30 000 元，且試驗(yàn)結(jié)果分析兩者的飲水溫度無顯著性差異，可為肉牛養(yǎng)殖提供參考。因此在兩期試驗(yàn)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種新型太陽能恒溫飲水系統(tǒng)，即保證恒溫飲水需求，同時(shí)減少投資和最大程度節(jié)省耗電量。具體設(shè)計(jì)為：利用原有電加熱恒溫飲水裝置配套小容量2 000 L儲(chǔ)熱水箱和太陽能自動(dòng)控制恒溫飲水裝置，經(jīng)計(jì)算分析可滿足一棟200 頭均重300～500 kg 的育肥肉牛飲水需求。

2 結(jié)果

2.1 水溫 試驗(yàn)期間各時(shí)刻試驗(yàn)舍和對(duì)照舍內(nèi)水溫情況見表1。一期試驗(yàn)，試驗(yàn)舍和對(duì)照舍飲水杯內(nèi)日平均溫度分別為12.0℃和11.8℃（P＞0.05）。在08:00、14:00和20:00 時(shí)，試驗(yàn)舍和對(duì)照舍飲水杯內(nèi)平均水溫差異均不顯著。

表1 試驗(yàn)期間試驗(yàn)舍與對(duì)照舍飲水杯內(nèi)水溫 ℃

二期試驗(yàn)第一階段，試驗(yàn)舍與對(duì)照舍飲水杯內(nèi)水溫在08:00 時(shí)無顯著差異，而在14:00 和20:00 時(shí)差異極顯著和顯著。第二階段試驗(yàn)舍與對(duì)照舍飲水杯內(nèi)水溫在08:00 時(shí)差異顯著，而在14:00 和20:00 時(shí)差異極顯著。兩階段飲水杯內(nèi)日平均水溫均沒有顯著差異。

2.2 增重 由表2 可知，一期試驗(yàn)中，試驗(yàn)舍與對(duì)照舍牛只初體重和平均日增重均無顯著差異。二期試驗(yàn)中，試驗(yàn)舍樣本牛初體重為272.53 kg，對(duì)照舍樣本牛初體重為271.66 kg（P＞0.05），試驗(yàn)期間試驗(yàn)舍和對(duì)照舍樣本牛平均日增重分別為1.10、1.14 kg/（頭·d）（P＞0.05）。

表2 試驗(yàn)期間各舍肉牛增重

2.3 耗電量 甘肅省農(nóng)業(yè)用電各時(shí)段峰谷電價(jià)見表3。據(jù)此對(duì)2 個(gè)牛舍的耗電情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，一期試驗(yàn)試驗(yàn)舍與對(duì)照舍內(nèi)日平均耗電量分別為185.56、239.71 kW·h（P＜0.01），試驗(yàn)舍的恒溫飲水系統(tǒng)比對(duì)照舍每日節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用23.83 元。

表3 甘肅省農(nóng)業(yè)用電各時(shí)段峰谷電價(jià)

二期試驗(yàn)第一階段試驗(yàn)舍與對(duì)照舍內(nèi)日平均耗電量分別為365.80、404.40 kW·h（P＞0.05），第一階段試驗(yàn)舍的恒溫飲水系統(tǒng)比對(duì)照舍每日節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用17.91元。第二階段試驗(yàn)舍與對(duì)照舍內(nèi)日平均耗電量分別為331.17、409.67 kW·h（P＜0.05），第二階段試驗(yàn)舍的恒溫飲水系統(tǒng)比對(duì)照舍每日節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用37.02 元。第二階段試驗(yàn)舍每日耗電量比第一階段減少34.63 kW·h（P＜0.01）。

2.4 環(huán)境分析

2.4.1 溫濕度指標(biāo) 在二期試驗(yàn)中，試驗(yàn)期間各時(shí)刻試驗(yàn)舍、對(duì)照舍及舍外溫濕度情況如下表4。整個(gè)試驗(yàn)期間舍外日平均溫度為-5.5℃，最低溫度出現(xiàn)在05:00，為-17.5℃。試驗(yàn)舍日平均溫度為1.0℃，對(duì)照舍日平均溫度為1.0 ℃（P＞0.05）。舍外日平均相對(duì)濕度為48.70%，最高相對(duì)濕度為87.43%，出現(xiàn)在09:20。試驗(yàn)舍日平均相對(duì)濕度為66.94%，對(duì)照舍日平均相對(duì)濕度為67.53%（P＞0.05）。各時(shí)刻對(duì)照舍與試驗(yàn)舍溫度、相對(duì)濕度均沒有顯著差異。試驗(yàn)第一和第二階段試驗(yàn)舍內(nèi)日平均溫度、日平均相對(duì)濕度均沒有顯著差異。

表4 二期試驗(yàn)舍內(nèi)外溫濕度

2.4.2 有害氣體 如5 所示，試驗(yàn)期間試驗(yàn)舍CO2 日平均濃度為1 863.7 mg/m3，對(duì)照舍為1 877.4 mg/m3（P＞0.05）；試驗(yàn)舍NH3日平均濃度為0.7 mg/m3，對(duì)照舍為0.6 mg/m3（P＞0.05）。在CIGR 畜禽舍碳酸濃度最大限度以內(nèi)[14]，滿足肉牛生長(zhǎng)需求。

2.5 新型太陽能恒溫飲水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 根據(jù)兩期試驗(yàn)的結(jié)果，設(shè)計(jì)一種新型太陽能恒溫飲水裝置，通過減少太陽能集熱器光板的數(shù)量、減少水箱容量，除去循環(huán)水箱等降低設(shè)備的一次性投入和耗電量。

查閱文獻(xiàn)得知，一頭350～500 kg 的育肥肉牛日均飼喂量10～15 kg 飼料[15]，因此一棟200 頭育肥肉牛日均最大需供應(yīng)約9 000 L 飲用水[16]。甘肅地下水溫約14℃[17]，地下水經(jīng)運(yùn)輸其初始水溫約10℃[8]，設(shè)計(jì)太陽能恒溫飲水的加熱上限溫度為30℃，儲(chǔ)熱水箱容積為2 000 L，則和冷水混合后可提供8 000 L、15℃飲用溫水，在上午太陽光照不足時(shí)采用輔助采用輔助電加熱方式。張掖地區(qū)冬季各月份日均太陽輻射11 月9.97 MJ/m2，12 月8.09 MJ/ m2，1 月8.75 MJ/ m2，2 月11.53 MJ/ m2，冬季日均的太陽輻射量為9.585 MJ/ m2[18]，則根據(jù)下列公式計(jì)算：

表5 二期試驗(yàn)舍內(nèi)外有害氣體情況 mg/m3

式中，AC為直接換熱系統(tǒng)太陽能集熱器的總面積，單位為m2；QW為日均加熱水量，2 000 L；c 為水的定壓比熱容，單位為KJ/(kg·℃)，取4.2；ρ 為水的密度，單位為g/cm3，取1；tend為水箱內(nèi)水的終止設(shè)計(jì)溫度，單位為℃，取30；tL為水的初始溫度，單位為℃，取14；f 對(duì)于該太陽能系統(tǒng)，為太陽能保證率，最新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)建議取0.3～0.8，取0.6；JT 為太陽能集熱器采光面的年均日太陽輻射量，單位為KJ/m2，取9 585；ηcd為太陽能集熱器年均效率，取0.6；ηL為管路及水箱熱損失，取0.1。

因此，建議安裝47×1500×60 型全玻璃管集熱器3 套，每套集熱器集熱面積為6.2 m2，總集熱面積18.6 m2，基本可滿足肉牛飲水需求。

另外，龐超[8]研究發(fā)現(xiàn)牛在夜間飲水量極少，因此設(shè)計(jì)夜間23:00—05:00 加熱上限溫度為20℃，減少因維持水溫而產(chǎn)生的熱損失，節(jié)約用電。

3 討論

3.1 太陽能恒溫飲水系統(tǒng)運(yùn)行效果分析 一期試驗(yàn)中，試驗(yàn)舍與對(duì)照舍飲水杯平均水溫分別為11.99、11.78℃，經(jīng)測(cè)定太陽能熱水器貯熱水箱最高溫度可達(dá)40～45℃，一般情況下可達(dá)到35℃左右。龐超[8]研究發(fā)現(xiàn)，飲水溫度為16～18℃時(shí)牛只的增重效果最佳，為1.69 kg/（d·頭）。本次研究中兩舍內(nèi)水溫分別為11.99℃和11.78℃，無顯著差異，溫度相對(duì)較低于推薦溫度。針對(duì)這種情況，殷威強(qiáng)等[19]認(rèn)為，冬季太陽能的供熱能效較夏季低，為解決冬季太陽能加熱效率低于理想值，可采取將太陽能熱水與燃?xì)鉄崴?lián)的方式，其能源效率高、加熱速度快、使用費(fèi)用低，并且效果優(yōu)于電輔熱加熱器，可用于改進(jìn)一期試驗(yàn)設(shè)備。試驗(yàn)舍內(nèi)，牛只增重有高于對(duì)照舍的趨勢(shì)，分析可能是由于每日下午太陽能貯熱水箱和電加熱水箱中溫水混合后，水溫高于對(duì)照舍水溫1.7℃，促進(jìn)牛只的瘤胃消化代謝導(dǎo)致。

二期試驗(yàn)期間對(duì)照舍電加熱系統(tǒng)設(shè)定溫度為60℃，水箱內(nèi)溫度基本維持在30～35℃，可使飲水杯內(nèi)平均水溫達(dá)到20℃；對(duì)照舍由于電加熱水溫高，故熱水經(jīng)熱水箱至飲水杯損失大量熱，耗能效率比降低，因此可以采用末端加熱的方式。王波等[20]對(duì)電加熱飲水槽優(yōu)化設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)將溫控技術(shù)與保溫材料結(jié)合，采用低電壓24 V 代替220 V 的常用電壓，可保持飲水溫度在10℃以上同時(shí)避免高壓對(duì)牛的損害，節(jié)約能耗約20%。但戚江濤等[21]在極寒冷地區(qū)驗(yàn)證電熱水槽的使用效果，結(jié)果顯示水槽內(nèi)平均水溫為7.2℃，不能滿足肉牛冬季合適的飲水溫度。因此在電加熱水槽的功率等參數(shù)設(shè)定還需要進(jìn)一步探究。試驗(yàn)舍太陽能加熱飲水系統(tǒng)設(shè)定儲(chǔ)熱水箱下限溫度為40℃，上限溫度為45℃，實(shí)際儲(chǔ)熱水箱內(nèi)溫度能達(dá)到40℃，可使飲水杯內(nèi)平均水溫達(dá)到22℃。試驗(yàn)舍太陽能加熱系統(tǒng)水箱的設(shè)定溫度低于對(duì)照舍電加熱系統(tǒng)水箱的設(shè)定溫度，但在2 個(gè)試驗(yàn)階段兩舍飲水杯內(nèi)的日平均水溫、飲水高峰時(shí)段水溫均無顯著差異，說明減少儲(chǔ)水箱容量減少維持溫度的熱量，可提高水杯溫度。

本試驗(yàn)新設(shè)計(jì)的太陽能恒溫飲水系統(tǒng)在原有電加熱飲水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，將上限溫度設(shè)置為30℃上，經(jīng)計(jì)算與冷水混合后可提供8 000 L 溫度達(dá)18℃的飲水，改善了一期試驗(yàn)水溫過低和二期試驗(yàn)一次性投資成本過高的缺點(diǎn)，適用于200 頭均重350～500 kg 肉牛育肥舍使用。

3.2 恒溫飲水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可行性分析 一期試驗(yàn)期間2棟牛舍牛只飼料飼喂量保持一致，因此飼料影響可不予考慮。太陽能熱水器設(shè)備是在全電加熱飲水系統(tǒng)基礎(chǔ)上改造的，購置安裝費(fèi)用為11 000 元，理論使用年限10 年。試驗(yàn)期間試驗(yàn)舍和對(duì)照舍日平均耗電量分別為185.56、239.71 kW·h，將當(dāng)?shù)胤骞入妰r(jià)加權(quán)平均得到平均電價(jià)為0.44 元/kW·h，因此試驗(yàn)舍的恒溫飲水系統(tǒng)比對(duì)照舍每天節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用23.83 元，若每年冬季恒溫飲水系統(tǒng)工作4 個(gè)月，則太陽能恒溫飲水系統(tǒng)每年節(jié)省23.83 元/d×120 d=2 859.12 元，3 年10 個(gè)月即可收回太陽能加熱器的成本費(fèi)用。

二期試驗(yàn)中，設(shè)備購置及安裝費(fèi)用為50 000 元，電加熱系統(tǒng)設(shè)備購置和安裝費(fèi)用為20 000 元，理論使用年限均為20 年，試驗(yàn)期間第一階段試驗(yàn)舍與對(duì)照舍日平均耗電量分別為365.80、404.40 kW·h，第二階段的日平均耗電量分別為331.17、409.67 kW·h。根據(jù)張掖地區(qū)的峰谷時(shí)段電價(jià)計(jì)算可得第一階段試驗(yàn)舍的太陽能恒溫飲水系統(tǒng)可比對(duì)照舍的電加熱飲水系統(tǒng)每日節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用17.91 元，第二階段每日節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用37.02元。按照每年冬季運(yùn)行4 個(gè)月計(jì)算，以第一階段的水箱水量運(yùn)行一年可節(jié)省 2149.20 元，需23 年零1 個(gè)月可收回太陽能加熱系統(tǒng)的投資成本；以第二階段的水箱水量運(yùn)行1 年可節(jié)省4 442.40 元，需11 年零1 個(gè)月可收回太陽能加熱系統(tǒng)的投資成本。

新型太陽能恒溫飲水系統(tǒng)將儲(chǔ)熱水池容量減小至2 000 L，同時(shí)除去3 套全玻璃管集熱器和循環(huán)水箱的情況下可以較二期試驗(yàn)節(jié)約設(shè)備成本約30 000 元。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)結(jié)果顯示，太陽能恒溫飲水系統(tǒng)和電加熱飲水系統(tǒng)對(duì)肉牛提供的飲水溫度無顯著性差異，在甘肅張掖地區(qū)用太陽能恒溫飲水系統(tǒng)代替全電加熱飲水系統(tǒng)是可行的，太陽能恒溫飲水系統(tǒng)水箱總水量為5 000 L 和2 500 L 時(shí)日均可節(jié)省耗電38.60 kW·h 和78.50 kW·h，每個(gè)冬季分別節(jié)省2 149.20 元和4 442.40 元。根據(jù)不同地區(qū)的熱輻射參數(shù)在太陽能恒溫飲水系統(tǒng)中適當(dāng)減少集熱器數(shù)量和儲(chǔ)熱水罐容積可以節(jié)約設(shè)備成本。