趙俐辰，郭建軍，趙娟娟，劉愛瑜，邱殿銳，馮 曼，毛 森，高玉紅*

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，河北保定 071001；2.承德市農(nóng)林科學(xué)院，河北承德 067000）

奶牛是一種耐寒怕熱的家畜，當(dāng)夏季環(huán)境溫度超過25℃時，奶牛容易出現(xiàn)熱應(yīng)激反應(yīng)。我國大部分地區(qū)夏季溫度高、持續(xù)時間長，造成奶牛采食量下降，從而導(dǎo)致泌乳量減少、乳蛋白率和乳脂率等乳指標(biāo)下降，嚴(yán)重時奶牛發(fā)生疾病甚至死亡。據(jù)報道，夏季高溫可使奶牛的干物質(zhì)采食量下降14%～50%，受胎率下降36%。為減少熱應(yīng)激造成的負(fù)面影響，國內(nèi)外已經(jīng)采取了相應(yīng)措施，如噴淋+風(fēng)扇的物理降溫設(shè)施。然而，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)是影響奶牛舍隔熱性能的直接因素，如果圍護(hù)結(jié)構(gòu)欠合理，隔熱性能差，僅靠物理降溫很難達(dá)到理想的緩解熱應(yīng)激效果，且增加降溫成本，尤其是屋頂結(jié)構(gòu)，直接影響舍內(nèi)的溫?zé)岘h(huán)境。目前新建的奶牛舍屋頂結(jié)構(gòu)多采用復(fù)合板結(jié)構(gòu)，如聚苯乙烯泡沫夾芯彩鋼復(fù)合板，也有很多老舊奶牛舍仍然采用單彩鋼結(jié)構(gòu)，但隔熱效果較差。為解決單彩鋼屋頂牛舍的奶牛熱應(yīng)激問題，本研究通過對屋頂進(jìn)行簡單改造，即屋頂外表面鋪設(shè)成本較低的鍍鋁層反光膜，同時與復(fù)合板屋頂和單彩鋼屋頂?shù)母魺嵝ЧM(jìn)行對比分析，以期解決實(shí)際生產(chǎn)中奶牛舍屋頂?shù)母魺釂栴}。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)時間和牛場選擇 試驗(yàn)于2020 年夏季（7—8月）于河北保定唐縣某規(guī)?；膛鲞M(jìn)行，試驗(yàn)周期為56 d。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計及飼養(yǎng)管理 選擇3 棟只有屋頂、四周無墻體的開放式牛舍、坐北朝南的鋼架結(jié)構(gòu)奶牛舍，舍尺寸為100 m（長）×31 m（跨度）×5.5 m/13 m（檐高/脊高）。除了屋頂結(jié)構(gòu)，其他結(jié)構(gòu)和設(shè)施完全相同，舍內(nèi)臥床對頭設(shè)置，雙列單走道。每棟舍存欄200 頭泌乳中期的荷斯坦奶牛，產(chǎn)奶量（30.44±3.44）kg，每頭牛占舍面積為15 m。舍1 屋頂為單彩鋼板，厚度1 mm；舍2 屋頂為聚苯乙烯泡沫夾芯彩鋼復(fù)合板，聚苯烯泡沫厚度10 cm，上下彩鋼板厚度1 mm；舍3 單彩鋼屋頂外面鋪設(shè)一層鍍鋁層反光膜，反光膜厚度0.375 mm，單彩鋼板厚度1 mm，3 棟試驗(yàn)舍屋頂?shù)慕ㄖY(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 3 棟試驗(yàn)舍屋頂建筑結(jié)構(gòu)示意圖

舍內(nèi)降溫設(shè)施均為噴淋+風(fēng)扇，風(fēng)扇安裝于臥床及采食通道上方，風(fēng)扇和噴淋間距分別為6 m 和1.5 m，距離地面高度分別為2.1 m 和1.8 m，降溫設(shè)施布置如圖2 所示。當(dāng)外界環(huán)境溫度超過20℃時，開啟風(fēng)扇，當(dāng)舍溫超過25℃時，開啟噴淋，噴淋時間1 min，間歇5 min。

3 棟舍的奶牛飼養(yǎng)管理完全相同，全混合日糧每天飼喂3 次，自由采食，自由飲水，刮糞板機(jī)械化清糞，每隔2 h 清糞1 次。

1.3 檢測指標(biāo)及方法

1.3.1 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度測定 牛舍外圍護(hù)內(nèi)表面（屋頂、料道、承重柱等）溫度采用紅外測溫儀（FLUKE F568-2）進(jìn)行測定。按舍長軸方向均勻選擇3 個截面，每個截面均勻設(shè)置21 點(diǎn)（A1，A2，A3，B1，……，D4）測點(diǎn)分布如圖3 所示。每周連續(xù)檢測3 d，共檢測24 d，檢測時間為每天的早（06:00—07:00）、午（12:00—13:00）和晚（18:00—19:00）。

圖3 奶牛舍結(jié)構(gòu)及外圍護(hù)溫度測點(diǎn)布置

1.3.2 奶牛舍環(huán)境溫濕度的測定 舍內(nèi)外溫濕度均采用連續(xù)檢測法，檢測儀器為法國KTH-350-I 型電子溫濕度記錄儀，測點(diǎn)平面布置如圖2 所示。每棟舍內(nèi)分別于南側(cè)臥床、北側(cè)臥床、中間南北兩側(cè)料道各設(shè)置3 個，舍外在場區(qū)凈道上方1.7 m 處懸掛3 個，懸掛高度（探頭距地面的垂直距離）為1.7 m，每0.5 h 自動記錄溫濕度數(shù)據(jù)，繪制24 h 的溫濕度連續(xù)曲線，每一時刻的均值為所有測點(diǎn)的均值，并按照以下公式計算溫濕指數(shù)（THI）。

圖2 奶牛舍降溫設(shè)施平面布置圖

式中，AT 為環(huán)境溫度（℃）；RH 為相對濕度（%）。

1.4 統(tǒng)計分析 試驗(yàn)結(jié)果以平均值± 標(biāo)準(zhǔn)誤表示，采用SPSS 22.0 統(tǒng)計軟件進(jìn)行方差和相關(guān)性分析，采用Duncan's 法進(jìn)行多重比較，<0.05 表示差異顯著，<0.01 表示差異極顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同建筑材料屋頂奶牛舍的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度日變化 如表1 所示，中午時段，與單彩鋼舍相比，反光膜舍屋頂內(nèi)表面溫度和料道溫度分別降低了10.48℃（<0.01）和1.97℃（<0.05）。早晨時段，屋頂內(nèi)表面溫度單彩鋼舍和復(fù)合板舍之間差異達(dá)到極顯著水平，復(fù)合板舍與反光膜舍表現(xiàn)出顯著性差異。晚上3 類屋頂奶牛舍的各圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度均未表現(xiàn)出顯著性差異。各時段復(fù)合板舍與反光膜舍各圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度差異均未達(dá)到顯著性水平（早晨屋頂溫度除外）。

表1 不同建筑材料屋頂奶牛舍的外圍護(hù)各結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度 ℃

2.2 不同建筑材料屋頂奶牛舍外圍護(hù)各結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度的空間變化

2.2.1 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度的水平變化 如圖4 所示。反光膜舍屋頂陽坡和陰坡溫度均低于單彩鋼舍（<0.01），陽坡溫度降低4.34℃，陰坡溫度降低4.37℃。反光膜舍的料道陽側(cè)和陰側(cè)表面溫度較單彩鋼舍分別低1.57℃（<0.05）和1.17℃（<0.01）。南側(cè)臥床和北側(cè)臥床的表面溫度3 類屋頂奶牛舍均未表現(xiàn)出顯著性差異。

圖4 不同建筑材料屋頂奶牛舍屋頂、料道及臥床表面溫度的水平變化

2.2.2 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度的垂直變化 不同建筑材料屋頂奶牛舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度的垂直變化主要表現(xiàn)為承重柱不同高度（H1-H4）的溫度變化（圖5），各垂直高度處的承重柱溫度3 棟舍之間差異均未達(dá)到顯著水平，但4 個垂直高度處的溫度均表現(xiàn)為復(fù)合板舍、反光膜舍低于單彩鋼舍，不同垂直高度處的復(fù)合板舍/反光膜舍與單彩鋼舍溫差范圍為 0.23～1.28℃。

圖5 不同建筑材料屋頂奶牛舍承重柱表面溫度的垂直變化

2.3 不同建筑材料屋頂奶牛舍的環(huán)境溫濕度動態(tài)變化

2.3.1 奶牛舍環(huán)境溫濕度的晝夜連續(xù)變化 3 棟舍環(huán)境溫濕度的晝夜連續(xù)變化如圖6 所示，3 棟舍的溫度晝夜范圍22.82～31.73℃（單彩鋼舍，均26.61℃）、23.45～30.09℃（復(fù)合板舍，均26.3℃）和23.19～30.10℃（反光膜舍，均26.64℃），舍外晝夜溫度變化范圍為23.15～34.99℃（均28.71℃），各舍的舍內(nèi)、外日均溫和均濕差異均不顯著。從3 棟舍溫濕度比較可以看出，不同舍間的日均溫度和日均濕度均未達(dá)到顯著性水平，但從各時刻溫度和濕度看，尤其是12:30—16:30，復(fù)合板舍與反光膜舍的溫度均低于單彩鋼舍（<0.05），復(fù)合板舍、反光膜舍與單彩鋼舍的溫差范圍為 1.17～1.76℃，且復(fù)合板舍濕度高于單彩鋼舍。

圖6 奶牛舍環(huán)境溫濕度晝夜連續(xù)變化

2.3.2 奶牛舍溫濕指數(shù)的晝夜連續(xù)變化 如圖7 所示，各舍THI 晝夜變化范圍分別為72.10～82.68（單彩鋼舍，均76.96）、73.41～81.48（復(fù)合板 舍，均77.50）和72.82～81.47（反光膜舍，均76.88），各舍THI 日均值顯著低于舍外（均78.96），不同舍THI 日均值未表現(xiàn)出顯著，但10:30—19:00 復(fù)合板舍與反光膜舍的THI低于單彩鋼舍（<0.05）。

圖7 奶牛舍溫濕指數(shù)的晝夜連續(xù)變化

2.4 屋頂內(nèi)表溫度與其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度、舍內(nèi)溫度的相關(guān)性 如表2 所示，屋頂內(nèi)表面溫度與料道表面溫度（<0.01）、承重柱各高度處（H1-H4）表面溫度（<0.05）、舍內(nèi)環(huán)境溫度（<0.01）均表現(xiàn)出顯著線性正相關(guān)關(guān)系，尤其是屋頂表面溫度與舍內(nèi)溫度的相關(guān)系數(shù)高達(dá)r=0.897。從回歸方程可以得到，屋頂內(nèi)表面溫度每升高1℃，環(huán)境溫度可增加0.5℃，料道表面溫度增加0.27℃。當(dāng)中午時段屋頂內(nèi)表面溫度達(dá)46.22（單彩鋼舍）、33.94℃（復(fù)合板舍）和34.46℃（反光膜舍）時，經(jīng)回歸方程計算，舍內(nèi)環(huán)境溫度可達(dá)到34.98（單彩鋼舍）、28.88℃（復(fù)合板舍）和29.14℃（反光膜舍），可見，單彩鋼舍的隔熱效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及復(fù)合板舍和反光膜舍。

表2 屋頂內(nèi)表面溫度與其他外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度、舍內(nèi)溫度的相關(guān)系數(shù)和回歸方程

3 討論

3.1 不同建筑材料屋頂牛舍外圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱效果的評價夏季強(qiáng)烈的太陽輻射可透過外圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響舍內(nèi)的溫?zé)岘h(huán)境，導(dǎo)致舍內(nèi)溫度上升，從而造成奶牛嚴(yán)重的熱應(yīng)激，選擇隔熱性能良好的建筑材料可有效降低舍內(nèi)環(huán)境溫度。鄧?yán)姷仍囼?yàn)表明，采用單層彩鋼板屋頂?shù)呐锷岣魺嵝阅懿?，棚頂表面溫度較高，且升溫快。本試驗(yàn)中的單彩鋼板屋頂厚度僅1 mm，容易導(dǎo)致舍內(nèi)環(huán)境溫度增加。如果將屋頂結(jié)構(gòu)加厚，可使熱傳導(dǎo)效率降低，進(jìn)而降低外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面和舍內(nèi)溫度。本試驗(yàn)中10 cm 厚聚苯乙烯泡沫夾芯彩鋼板屋頂?shù)哪膛Ｉ峋哂辛己玫母魺嵝Ч形鐣r表現(xiàn)最為明顯，尤其是12:00—13:00 這一時段屋頂內(nèi)表面溫度較單彩鋼板奶牛舍低11.50℃，舍內(nèi)溫度低2.21℃，將單彩鋼屋頂進(jìn)行改造，屋頂外表面鋪設(shè)反光膜后，同樣在12:00—13:00 這一時段屋頂內(nèi)表面溫度較單彩鋼板牛舍降低10.48℃，舍內(nèi)溫度降低1.8℃。可見，單彩鋼屋頂外鋪反光膜可有效改善舍內(nèi)的溫?zé)岘h(huán)境。反光膜作為提高反射隔熱效果的建筑材料，已應(yīng)用于構(gòu)筑物或建筑物表面，反光膜材料通常為鋁箔、鍍鋁膜或者鋁塑膜材料，屋頂外鋪設(shè)反光膜可有效改善屋頂?shù)母魺嵝Ч?，起到類似鏡面的作用。本試驗(yàn)中，在原有單彩鋼板屋頂?shù)幕A(chǔ)上外鋪一層鍍鋁層反光膜，屋頂內(nèi)表面日平均溫度較單彩鋼屋頂降低了3.2℃，各外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度均顯著低于單彩鋼奶牛舍。

另外，舍內(nèi)不同空間位置受屋頂輻射熱的影響存在一定差異。料道兩側(cè)的承重柱不同高度處（距離屋頂3～12 m 處）和料道的表面溫度均與屋頂內(nèi)表面溫度存在線性正相關(guān)關(guān)系，越靠近棚頂受到熱輻射的影響越大，這與高騰云等研究結(jié)果基本一致。洪小華等通過對蕪湖地區(qū)鐘樓式奶牛舍夏季溫?zé)岘h(huán)境的測定發(fā)現(xiàn)，舍內(nèi)環(huán)境溫度與屋頂隔熱層輻射熱呈正相關(guān)。本試驗(yàn)中，單彩鋼奶牛舍中午時屋頂內(nèi)表面溫度高達(dá)40℃以上，舍內(nèi)溫度可達(dá)31.73℃，屋頂內(nèi)表面溫度與舍內(nèi)環(huán)境溫度呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.897。從屋頂建筑成本分析，單彩鋼屋頂通過鋪設(shè)反光膜的改造成本較傳統(tǒng)的聚苯乙烯泡沫夾芯彩鋼板屋頂每平米約降低15～20 元，適合單彩鋼屋頂?shù)母脑臁?/p>

3.2 不同建筑材料屋頂圍護(hù)結(jié)構(gòu)牛舍溫?zé)岘h(huán)境的評價外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱保溫性能直接影響畜舍的溫?zé)岘h(huán)境，良好的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計是保障牛舍環(huán)境的重要措施。本試驗(yàn)的3 棟奶牛舍均為敞棚舍，通風(fēng)較好，降溫方式采用噴淋+吹風(fēng)的間歇噴淋模式（噴1min 停5 min）。雖然單彩鋼屋頂鋪設(shè)反光膜或者采用聚苯乙烯泡沫夾芯彩鋼板屋頂有效改善了舍內(nèi)環(huán)境，緩解了奶牛熱應(yīng)激程度，但舍內(nèi)THI 仍然較高，各舍每天THI均大于72。根據(jù)關(guān)于奶牛熱應(yīng)激評價的國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和研究報道，本試驗(yàn)3 棟牛舍中的奶牛均處于熱應(yīng)激狀態(tài)，尤其是單彩鋼板奶牛舍，10:00—19:00 時THI 已超過79，處于中度熱應(yīng)激水平，特別是13:30—15:30 時段，THI 最高，而05:00—06:00 時段相對較低，這種變化趨勢和李宏雙等研究結(jié)果基本一致。因此，鑒于奶牛熱應(yīng)激的現(xiàn)狀，應(yīng)針對不同時間段采取不同的降溫措施或調(diào)整降溫強(qiáng)度，以保持每天奶牛適宜的溫?zé)岘h(huán)境條件，減少因熱應(yīng)激造成的經(jīng)濟(jì)損失。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)結(jié)果顯示，單彩鋼鋪設(shè)反光膜的奶牛舍屋頂可有效提高隔熱性能，降低外圍護(hù)內(nèi)表面溫度和舍內(nèi)環(huán)境溫度，其隔熱效果與聚苯乙烯泡沫夾芯彩鋼板屋頂相似，適用于實(shí)際生產(chǎn)中單彩鋼頂奶牛舍的改造。奶牛舍屋頂內(nèi)表面溫度與其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度、環(huán)境溫度均呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系，因此，選擇隔熱性能良好的屋頂建筑材料可改善舍內(nèi)的溫?zé)岘h(huán)境，利于緩解奶牛熱應(yīng)激。