李華文, 王淳顥

(1.永信和瑞工程咨詢有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000； 2.上海華建工程建設(shè)咨詢有限公司，上海 201100)

1 引言

隨著社會(huì)發(fā)展水平的提高，人們對(duì)肉類及蛋白質(zhì)攝入需求量急速增加，養(yǎng)豬及其配套產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。目前據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，規(guī)模豬場(chǎng)從2020年初的16.1萬(wàn)家增加到目前的18萬(wàn)家，規(guī)模豬場(chǎng)的新生仔豬數(shù)同比增長(zhǎng)58.8%。2021年豬肉的需求量預(yù)計(jì)為5 159萬(wàn)噸，供應(yīng)量為5 197.05萬(wàn)噸。隨著現(xiàn)代養(yǎng)殖技術(shù)的進(jìn)步，豬舍向大批量、集中、產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)代豬舍發(fā)展，比較有代表性的有廣西楊翔、牧原集團(tuán)、中新開維現(xiàn)代牧業(yè)、正邦集團(tuán)等企業(yè)的養(yǎng)殖場(chǎng)。其中中新開維現(xiàn)代牧業(yè)單棟多層豬舍達(dá)26層，牧原集團(tuán)單個(gè)園區(qū)布置共21棟豬舍(6層)每年可出欄育肥豬210萬(wàn)頭[1]，已具有極大的產(chǎn)業(yè)規(guī)?；，F(xiàn)代豬舍的規(guī)模化、樓房化、智能化，大大降低了生豬養(yǎng)殖成本，提高了生豬養(yǎng)殖效率，獲得了廣泛的應(yīng)用。但在養(yǎng)豬生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)了一系列影響生豬養(yǎng)殖質(zhì)量的問題。其中空氣環(huán)境條件對(duì)豬本身的健康及育肥成長(zhǎng)速度影響極大，而目前豬舍設(shè)計(jì)中通常僅考慮處理舍內(nèi)的通風(fēng)狀況，無(wú)法對(duì)舍內(nèi)空氣溫度、濕度進(jìn)行處理，也無(wú)法提供合理的氣流組織分布以及對(duì)有害氣體的控制；同時(shí)，目前豬舍內(nèi)無(wú)論是處于夏季工況還是冬季工況，都極易出現(xiàn)舍內(nèi)氨氣、硫化氫氣體濃度超標(biāo)，生豬在此環(huán)境下健康狀況堪憂，或減緩成長(zhǎng)，從而造成豬舍產(chǎn)出損失，進(jìn)而影響到對(duì)社會(huì)可持續(xù)且健康的生豬供應(yīng)。為此必須對(duì)豬舍內(nèi)的通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行研究，改善生豬的生長(zhǎng)環(huán)境。

2 現(xiàn)代豬舍通風(fēng)與空調(diào)現(xiàn)狀

因成本原因目前豬舍通常僅有通風(fēng)或無(wú)冷熱源的蒸發(fā)冷原理空調(diào)，無(wú)法精準(zhǔn)控制舍內(nèi)溫度、濕度及污染物濃度等參數(shù)。其布置情況主要有如下形式：

2.1 濕簾降溫橫向通風(fēng)

濕簾降溫橫向通風(fēng)系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)豬舍環(huán)控系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛的一種形式，主要通過在豬舍長(zhǎng)邊兩側(cè)外墻上分別設(shè)置濕簾與風(fēng)機(jī)，滿足環(huán)控需求，其結(jié)構(gòu)參見圖1。此方案由負(fù)壓軸流風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力，使室外空氣通過濕簾處理后進(jìn)入舍內(nèi)，在舍內(nèi)形成置換通風(fēng)氣流組織，進(jìn)而帶走舍內(nèi)余熱與有害氣體。

圖1 濕簾降溫橫向通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

此種方案無(wú)冷熱源且濕簾降溫實(shí)際為等焓加濕降溫過程，其空氣處理過程為：室外空氣狀態(tài)點(diǎn)WX作等焓線至機(jī)器露點(diǎn)LX(送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn))，通過LX點(diǎn)作舍內(nèi)的熱濕比線ε，該線與舍內(nèi)設(shè)計(jì)溫度tNx相交于NX，此為舍內(nèi)空氣狀態(tài)點(diǎn)?？諝馓幚磉^程參見圖2。

圖2 濕簾降溫系統(tǒng)空氣處理過程

空氣處理過程：

因此造成實(shí)際舍內(nèi)空氣環(huán)境不可控，高度依賴實(shí)時(shí)室外空氣條件。同時(shí)，由于豬本身具有對(duì)溫濕度相對(duì)敏感的特性，等焓加濕后舍內(nèi)相對(duì)濕度過高也極易造成養(yǎng)殖生產(chǎn)減產(chǎn)及事故。有關(guān)研究表明，舍內(nèi)溫度每上升1 ℃，豬進(jìn)食量減少40 g，如果舍內(nèi)溫度高出理想溫度5～10 ℃，每日進(jìn)食量則下降200～400 g[2]。若在高溫(28～35 ℃)下持續(xù)，30～60 kg的育肥豬日增重會(huì)下降約21%，料肉比增加了0.23[3]。同時(shí)，舍內(nèi)相對(duì)濕度的增加也直接影響豬本身蒸發(fā)散熱的效率。當(dāng)環(huán)境溫度為35.5 ℃，相對(duì)濕度為55%時(shí)，豬的體溫為34.5 ℃，當(dāng)相對(duì)濕度增加至 65%時(shí)，豬的體溫隨著相對(duì)濕度的變化增加至39.8 ℃，超出了其正常調(diào)節(jié)上限[4]。

2.2 濕簾降溫縱向通風(fēng)

濕簾降溫縱向通風(fēng)系統(tǒng)通常是橫向通風(fēng)系統(tǒng)的補(bǔ)充形式，適用于較小的豬舍場(chǎng)所。其與橫向通風(fēng)系統(tǒng)主要區(qū)別為將橫向通風(fēng)系統(tǒng)中裝于豬舍長(zhǎng)邊兩側(cè)的濕簾與風(fēng)機(jī)改至短邊安裝，其運(yùn)行原理與機(jī)制不變，其結(jié)構(gòu)參見圖3。

圖3 濕簾降溫縱向通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

現(xiàn)代豬舍內(nèi)養(yǎng)殖密度極高，通?？蛇_(dá)到2.23～3.05 m2/頭。舍內(nèi)空間布局緊湊，無(wú)多余空間安裝復(fù)雜的風(fēng)管設(shè)備或留出氣流通道，合理的氣流組織分布設(shè)計(jì)較為困難?？v向通風(fēng)系統(tǒng)由于相較橫向通風(fēng)系統(tǒng)改變了風(fēng)機(jī)與濕簾的位置，室外空氣經(jīng)處理后進(jìn)入舍內(nèi)置換通風(fēng)過程線路較長(zhǎng)，極易造成送風(fēng)氣流組織分布不均勻，后端空氣品質(zhì)下降嚴(yán)重等諸多問題。同時(shí)由于送風(fēng)氣流組織的不合理性，易造成舍內(nèi)局部位置無(wú)法有效排除有害氣體。根據(jù)相關(guān)研究表明，豬本身新陳代謝快，同時(shí)舍內(nèi)主要有害氣體成分來(lái)自豬的糞便、污水、飼料及消化道排出的氣體所形成的氨氣及硫化氫，每頭豬最高排放強(qiáng)度分別約為5.56 g/d及0.8 g/d[5]，需大量穩(wěn)定的新風(fēng)稀釋以降低室內(nèi)有害氣體濃度。此種縱向通風(fēng)模式中，過長(zhǎng)的氣流通道結(jié)合極大的舍內(nèi)養(yǎng)殖密度及豬本身為高強(qiáng)度污染物排放源，放大了該種通風(fēng)模式的缺陷。

3 豬舍通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)新型解決方案

3.1 送風(fēng)形式

不同于常規(guī)豬舍的置換通風(fēng)模式，該方案利用豬舍的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在位于豬舍內(nèi)多道糞溝間位置設(shè)置送風(fēng)管道，在舍內(nèi)欄位與過道間隔處標(biāo)高1 m以下位置設(shè)地面送風(fēng)盒子并安裝風(fēng)口送風(fēng)，其結(jié)構(gòu)示意見圖4。

圖4 送風(fēng)系統(tǒng)剖面示意圖

夏季工況通過空氣處理機(jī)組處理后的干冷空氣以低于2 m/s的風(fēng)速?gòu)牡孛嫠惋L(fēng)盒子風(fēng)口送入舍內(nèi)，設(shè)計(jì)送風(fēng)溫度低于舍內(nèi)設(shè)計(jì)溫度3～6 ℃。使溫度低、密度大的送風(fēng)氣流沿地面擴(kuò)散開來(lái)，使舍內(nèi)1～1.2 m高度以下形成流動(dòng)風(fēng)速小、紊流度低的低溫“空氣湖”區(qū)域[6]，以滿足豬本身活動(dòng)范圍內(nèi)的環(huán)境控制，同時(shí)又可實(shí)現(xiàn)分層空調(diào)效果，對(duì)于豬本身活動(dòng)范圍高度以上的部分溫濕度不進(jìn)行控制。在低溫空氣湖區(qū)域上方形成熱力分層，以節(jié)省投資和運(yùn)行能耗。為保證舍內(nèi)合理的氣流組織分布，系統(tǒng)送風(fēng)量應(yīng)略大于排風(fēng)量，使舍內(nèi)形成微正壓運(yùn)行環(huán)境。

為節(jié)省能源及運(yùn)行費(fèi)用，送風(fēng)系統(tǒng)上的空氣處理機(jī)組除表冷段外還應(yīng)考慮設(shè)置蒸發(fā)冷功能段。在室外空氣焓值符合蒸發(fā)冷運(yùn)行范圍時(shí)，關(guān)閉冷熱源，使用蒸發(fā)冷功能段噴水降溫，采用全新風(fēng)工況運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

冬季工況時(shí)，僅考慮通風(fēng)，不對(duì)溫度進(jìn)行控制。同樣通過地面送風(fēng)盒子風(fēng)口送入新風(fēng)，全新風(fēng)工況運(yùn)行。新風(fēng)量應(yīng)以舍內(nèi)所布置有害物傳感器信號(hào)維持最小為準(zhǔn)。為高效排出有害氣體并防止大量低溫新風(fēng)進(jìn)入舍內(nèi)造成環(huán)境溫度降低，此時(shí)控制系統(tǒng)應(yīng)調(diào)節(jié)送、排風(fēng)機(jī)頻率，使送風(fēng)量略小于排風(fēng)量，舍內(nèi)形成微負(fù)壓運(yùn)行環(huán)境。

在送風(fēng)(新風(fēng))量的設(shè)計(jì)應(yīng)用上，應(yīng)優(yōu)先考慮維持舍內(nèi)空氣衛(wèi)生指標(biāo)的最小送風(fēng)(新風(fēng))量。各類豬舍根據(jù)養(yǎng)殖類型不同，其控制指標(biāo)略有差異，詳見表1[7]。

表1 豬舍空氣衛(wèi)生控制指標(biāo)

送風(fēng)量設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮滿足舍內(nèi)所需稀釋有害氣體最小風(fēng)量以保證舍內(nèi)有害氣體濃度達(dá)標(biāo)，其公式設(shè)計(jì)如下:

(1)

同時(shí)送風(fēng)量也應(yīng)滿足蒸發(fā)冷工況運(yùn)行時(shí)維持舍內(nèi)設(shè)定溫度最小風(fēng)量，其公式設(shè)計(jì)如下:

(2)

式中：qm為所需風(fēng)量，kg/s；∑Q顯為舍內(nèi)余熱，kJ；Cp為比定壓熱容，kJ/(kg·K)；tnx為舍內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，℃；tox為送風(fēng)溫度，℃。

3.2 排風(fēng)形式

排風(fēng)管道同送風(fēng)管道同樣設(shè)置在糞溝間位置，排風(fēng)口安裝于兩側(cè)糞溝側(cè)壁上，貼于漏糞板下，其結(jié)構(gòu)示意見圖5。

圖5 排風(fēng)系統(tǒng)剖切示意圖

排風(fēng)口置于漏糞板以下，糞溝側(cè)壁上方，同時(shí)排風(fēng)口采用防水百葉風(fēng)口，避免因日常地面沖洗時(shí)將水沖入風(fēng)管。舍內(nèi)產(chǎn)生的主要有害氣體硫化氫及二氧化碳與空氣的相對(duì)密度分別為1.19及1.59，均大于空氣比重，因此理想狀態(tài)下硫化氫及二氧化碳產(chǎn)生后會(huì)在舍內(nèi)空間中快速下沉至糞溝處，置于相對(duì)低位的排風(fēng)口可高效排出舍內(nèi)產(chǎn)生的硫化氫及二氧化碳?xì)怏w，同時(shí)又可兼顧處理糞溝內(nèi)排泄物產(chǎn)生的余熱余濕，并阻斷有害氣體上浮至豬的活動(dòng)空間范圍，避免其被豬吸入體內(nèi)。

3.3 回風(fēng)形式

回風(fēng)管道及回風(fēng)口設(shè)置于低溫“空氣湖”區(qū)域及熱力分層以上，并在該區(qū)域形成回風(fēng)區(qū)域，其結(jié)構(gòu)示意見圖6。在經(jīng)空氣處理機(jī)組處理的干冷空氣送入室內(nèi)形成低溫“空氣湖”區(qū)域后，接近熱源(豬、設(shè)備、排泄物等)后的空氣升溫后形成向上的羽流。羽流帶動(dòng)周圍濕熱空氣及比重輕的污染物向上升至溫濕度不進(jìn)行控制的回風(fēng)區(qū)域，從上部回風(fēng)口吸入排出舍內(nèi)。夏季工況時(shí)回風(fēng)經(jīng)空氣處理機(jī)組過濾、吸附粉塵及有害氣體后，與新風(fēng)混合再次送入舍內(nèi)。蒸發(fā)冷及冬季工況運(yùn)行時(shí)，處于機(jī)組回風(fēng)管道入口處的電動(dòng)風(fēng)閥關(guān)閉，使系統(tǒng)為全新風(fēng)工況運(yùn)行。

3.4 廢氣處理

豬舍養(yǎng)殖密度大、廢氣異味大，其中異味主要來(lái)源于舍內(nèi)產(chǎn)生的氨氣及硫化氫。這些惡臭物質(zhì)不僅會(huì)對(duì)空氣、土壤和水體造成嚴(yán)重污染，而且也是傳染病、各棟豬舍間病毒交叉感染和人畜共患病傳播的重要途徑。根據(jù)有關(guān)研究表明，惡臭排放源與受體之間安全距離高達(dá)800 m，而目前國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)園區(qū)因各類條件限制無(wú)法達(dá)到該距離，因此設(shè)置舍內(nèi)廢氣處理系統(tǒng)非常必要。

3.4.1 主要有害氣體分析

氨氣(NH3)是一種無(wú)色、具有強(qiáng)烈刺激性的氣體。其水溶液呈堿性，因此氨氣會(huì)對(duì)黏膜產(chǎn)生強(qiáng)烈刺激性，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生堿灼傷灼痛、眼睛流淚、眼角膜和結(jié)膜發(fā)炎及視覺障礙等狀況。氨氣進(jìn)入呼吸道后則可能出現(xiàn)咳嗽、氣管炎，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)肺水腫、呼吸困難等情況。如果長(zhǎng)期暴露在0.3 mg/L的氨氣中，就會(huì)危害到人畜的健康，而當(dāng)氨氣質(zhì)量濃度大于50 mg/L 時(shí)，人體才會(huì)有感覺[8]。

硫化氫(H2S)是一種無(wú)色但具有強(qiáng)烈臭雞蛋氣味的腐蝕性氣體。當(dāng)硫化氫質(zhì)量濃度達(dá)到0.005 mg/L就可被人體察覺。根據(jù)有關(guān)研究表明，多數(shù)人對(duì)硫化氫的嗅閾值大于100 mg/L，但其危害閾值卻低于100 mg/L。硫化氫會(huì)刺激黏膜，引起眼結(jié)膜炎、鼻炎、氣管炎、咽喉灼痛及肺水腫等不適。另外，硫化氫揮發(fā)到大氣中后會(huì)被氧化成SO2，然后再通過干沉降或氧化作用形成硫酸氣溶膠，產(chǎn)生更大的危害。

3.4.2 廢氣分解處理系統(tǒng)

豬舍廢氣經(jīng)排風(fēng)系統(tǒng)排至舍外后，統(tǒng)一引至廢氣處理系統(tǒng)進(jìn)行除臭工作。廢氣處理系統(tǒng)主要由生物池、噴淋系統(tǒng)、淋水填料及污水凈化裝置等組成，其結(jié)構(gòu)示意見圖7。

圖7 廢氣處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

除臭原理為舍內(nèi)廢氣經(jīng)排風(fēng)管道排至淋水填料，淋水填料前段設(shè)有噴淋裝置，廢氣經(jīng)過噴淋處理后含濕量增大，形成氣液混合狀態(tài)，部分氨氣和粉塵被凝結(jié)在水霧中并隨水流沉入生物池，硫化氫及氨氣等被附著在淋水填料表面的生物菌捕獲，并被分解吸收。實(shí)際應(yīng)用中，為確保生物池中菌種的活性，可視實(shí)際情況增設(shè)水質(zhì)檢測(cè)裝置，系統(tǒng)可根據(jù)環(huán)境自動(dòng)調(diào)整酸堿度及補(bǔ)水量。

4 系統(tǒng)運(yùn)行邏輯

(1)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，采用焓值和溫度控制模式。

當(dāng)空調(diào)季節(jié)室外新風(fēng)焓值大于舍內(nèi)回風(fēng)點(diǎn)焓值時(shí)，采用空調(diào)新回風(fēng)混合運(yùn)行。新風(fēng)閥門開啟，排風(fēng)風(fēng)機(jī)開啟?；仫L(fēng)與新風(fēng)在空氣處理機(jī)組混合段混合后送入舍內(nèi)；

當(dāng)室外新風(fēng)焓值小于舍內(nèi)回風(fēng)混合點(diǎn)焓值且其溫度大于空調(diào)送風(fēng)點(diǎn)溫度時(shí)，采用空調(diào)全新風(fēng)運(yùn)行。排風(fēng)風(fēng)機(jī)打開，回風(fēng)閥門關(guān)閉，排風(fēng)直接排至室外廢棄，室外新風(fēng)經(jīng)空調(diào)器處理后送至舍內(nèi)；

當(dāng)室外新風(fēng)溫度小于空調(diào)送風(fēng)點(diǎn)溫度時(shí)，室外新風(fēng)不經(jīng)冷卻處理，利用空調(diào)器直接送入舍內(nèi)。該運(yùn)行模式下當(dāng)舍內(nèi)溫度低于設(shè)計(jì)溫度后，轉(zhuǎn)而通過舍內(nèi)有害氣體傳感器控制進(jìn)入舍內(nèi)的新風(fēng)風(fēng)量。在低于舍內(nèi)有害氣體濃度限值的前提下，采用最小新風(fēng)量運(yùn)行；

當(dāng)室外空氣焓值小于送風(fēng)焓值，同時(shí)室外空氣含濕量小于送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的含濕量時(shí)[9]，采用全新風(fēng)運(yùn)行，同時(shí)關(guān)閉空調(diào)冷熱源，開啟空氣處理機(jī)組蒸發(fā)冷段噴水降溫。排風(fēng)風(fēng)機(jī)打開，回風(fēng)閥門關(guān)閉，排風(fēng)直接排至室外廢棄。室外新風(fēng)經(jīng)蒸發(fā)冷處理后送至舍內(nèi)，新風(fēng)送風(fēng)量根據(jù)室內(nèi)溫度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。

(2)舍內(nèi)有害氣體濃度超標(biāo)時(shí)，采用室內(nèi)傳感器控制模式。

當(dāng)有害氣體傳感器檢測(cè)到舍內(nèi)有害氣體濃度超標(biāo)時(shí)，首先調(diào)整至全新風(fēng)工況運(yùn)行，排風(fēng)風(fēng)機(jī)打開，回風(fēng)閥門關(guān)閉。此模式運(yùn)行后若舍內(nèi)有害氣體濃度仍然超標(biāo)，則增大送風(fēng)(新風(fēng))量，直至舍內(nèi)有害氣體濃度降至限制范圍內(nèi)。

5 結(jié)論與討論

根據(jù)工民建領(lǐng)域眾多成熟的相關(guān)研究及實(shí)例，結(jié)合現(xiàn)代規(guī)模化豬舍實(shí)際特征與需求，可得出如下結(jié)論：

(1)豬舍地面送風(fēng)方式可得到舍內(nèi)更好的氣流組織分布，在舍內(nèi)形成的分層空調(diào)節(jié)省大量運(yùn)行能耗。

(2)排風(fēng)系統(tǒng)相較傳統(tǒng)方式更匹配舍內(nèi)污染物產(chǎn)生的特點(diǎn)，高效排出舍內(nèi)有害氣體。在滿足舍內(nèi)空氣品質(zhì)要求的前提下大幅降低排氣量以利于節(jié)能，同時(shí)有效防止糞溝內(nèi)有害物質(zhì)上浮二次污染舍內(nèi)空氣。

(3)上部回風(fēng)設(shè)計(jì)可利用自由對(duì)流換熱，避免回風(fēng)對(duì)舍內(nèi)空調(diào)區(qū)域氣流組織造成不利影響，同時(shí)又可兼顧減少舍內(nèi)粉塵及不可過濾有害氣體的循環(huán)。