樊士冉 張志勇 任學(xué)明 于 奇 蔣福濤 李淑泉

（1新希望六和股份有限公司/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部飼料及畜禽產(chǎn)品質(zhì)量安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610023；2德州市現(xiàn)代生豬養(yǎng)殖技術(shù)創(chuàng)新中心，山東德州 253000；3山東省豬禽健康養(yǎng)殖與疾病診斷技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266000；4山東省陽(yáng)谷縣畜牧局，山東聊城 252300）

豬舍的溫?zé)岘h(huán)境是影響豬只健康的基本要素，適宜的溫?zé)岘h(huán)境對(duì)改善動(dòng)物福利水平與生產(chǎn)成績(jī)至關(guān)重要[1]。豬舍的溫?zé)岘h(huán)境十分復(fù)雜，主要由舍內(nèi)溫度、濕度和通風(fēng)3個(gè)因素相互作用形成[2]。舍內(nèi)溫度是最重要、也是最容易測(cè)得的溫?zé)岘h(huán)境因子。豬只的有效環(huán)境溫度，通常又被稱(chēng)為“體感溫度”。然而豬只實(shí)際的“體感溫度”并不是單純的舍內(nèi)環(huán)境所處的溫度，轉(zhuǎn)換成同等溫度，會(huì)受到氣溫、風(fēng)速與相對(duì)濕度的綜合影響。參照人的“體感溫度”研究，羅伯特·史特德曼（Robert G.Steadman） 在 《A universal scale of apparent temperature》中將人的“體感溫度”的計(jì)算方式概括如下[3]：

其中AT為體感溫度（℃）、T為氣溫（℃）、e為水汽壓（hPa）、V為風(fēng)速（m/s）、RH為相對(duì)濕度（%）。

由式（1）、（2）可看出，相對(duì)濕度越小、風(fēng)速越大時(shí)，能得出較低的“體感溫度”。然而由于豬只形體尺寸、散熱方式等與人類(lèi)相比存在較大差異，對(duì)于豬只的“體感溫度”需要有進(jìn)一步的研究。本文主要研究風(fēng)速對(duì)于豬只散熱情況及有效環(huán)境溫度的影響。

1 豬只散熱方式簡(jiǎn)介

豬只對(duì)外的散熱符合熱量傳遞的基本規(guī)律[4]，主要通過(guò)以下4種方式進(jìn)行散熱。

1.1 傳導(dǎo)散熱

傳導(dǎo)的散熱方式是由于豬與另外的表面物理接觸形成的。由于豬只的核心溫度與所接觸物體（主要是地板）存在溫度差，熱量由豬只內(nèi)部組織傳遞至地板。影響導(dǎo)熱速率的主要因素有豬只核心溫度與地板的溫度差、豬只與地板之間的接觸面積等。

1.2 對(duì)流散熱

對(duì)流散熱是指在氣體或液體中進(jìn)行熱量傳遞的方式。對(duì)流散熱可分自然對(duì)流散熱和強(qiáng)迫對(duì)流散熱2種方式。自然對(duì)流散熱往往自然發(fā)生，是由于溫度不均勻而引起的。強(qiáng)迫對(duì)流散熱是由于外界的影響對(duì)流動(dòng)氣體攪拌而形成的。豬只的對(duì)流散熱的溫度差體現(xiàn)在豬只體表溫度與周?chē)諝庵g。影響豬只對(duì)流散熱的主要因素有：豬只體表與空氣的溫度差、豬舍內(nèi)空氣的速度及豬只與流體的接觸面積。

1.3 輻射散熱

自然界中各個(gè)物體都不停地向空間發(fā)出熱輻射，同時(shí)又不斷地吸收其他物體發(fā)出的熱輻射。發(fā)出熱輻射與吸收熱輻射過(guò)程的綜合結(jié)果就造成了以輻射方式進(jìn)行的物體間的熱量傳遞。熱輻射進(jìn)行能量交換不需要介質(zhì)，在豬只輻射范圍內(nèi)的表面溫度與豬只體表溫度不一致的情況下即會(huì)產(chǎn)生熱輻射。比如豬舍圍墻的溫度低于豬只體表溫度，則豬只通過(guò)熱輻射與圍墻進(jìn)行相應(yīng)的熱交換。

1.4 蒸發(fā)散熱

蒸發(fā)散熱的熱傳遞屬于相變熱的一種，是由水（液相）變?yōu)闅庀啵ㄕ羝┒諢崃康倪^(guò)程。由于豬只的汗腺系統(tǒng)不發(fā)達(dá)，對(duì)于豬只的蒸發(fā)散熱主要伴隨著呼吸進(jìn)行。同樣，目前采用的噴淋降溫，是一種輔助人工蒸發(fā)降溫的方式[5]。影響蒸發(fā)散熱速率的主要因素有豬舍內(nèi)空氣的溫度、相對(duì)濕度、豬的呼吸量等。當(dāng)豬舍周?chē)諝馀c環(huán)境表面溫度接近豬體溫度時(shí)，蒸發(fā)散熱就成為最主要的散熱方式[6]。

豬只對(duì)外散熱的示意圖如圖1所示。

圖1 豬只的散熱方式示意圖

2 風(fēng)速對(duì)豬只散熱影響的計(jì)算

提高豬舍內(nèi)的風(fēng)速對(duì)豬只散熱最主要的意義體現(xiàn)在對(duì)流散熱方面。對(duì)流散熱的計(jì)算可以參照“牛頓冷卻定律”，“牛頓冷卻定律”是溫度高于周?chē)h(huán)境的物體向周?chē)劫|(zhì)傳遞熱量逐漸冷卻時(shí)所遵循的規(guī)律?！芭ｎD冷卻定律”指出，流體與固體壁面之間對(duì)流傳熱的熱流與它們的溫度差成正比[7]。其散熱符合公式：

其中：

Q對(duì)流：經(jīng)對(duì)流的散熱量，單位為W；

其中對(duì)流傳熱系數(shù)指的是流體與固體表面之間的換熱能力。如物體表面與附近空氣溫差1℃，單位時(shí)間（1 s）單位面積上通過(guò)對(duì)流與附近空氣交換的熱量。

對(duì)流傳熱系數(shù)參照Holman在《Heat transfer》一書(shū)中的公式[8]。

其中：

kf：空氣的熱導(dǎo)率，單位W/m·℃；

D：等效的球體的直徑，單位為m；

ρf：空氣的密度，單位為kg/m3；

μf：空氣動(dòng)力粘度，單位為 kg/（m·s）。

根據(jù)以上可知，如果空氣溫度低于豬只的核心溫度，在豬只體表附近快速流動(dòng)的空氣由于熱對(duì)流交換會(huì)形成“風(fēng)冷效應(yīng)”。如取空氣溫度20℃的情況下，相應(yīng)的參數(shù) kf=0.0257 W/m·℃、ρf=1.21 kg/m3、μf=1.83×10-5kg/（m·s），取豬只等效的球體直徑為0.47 m，則在0.2 m/s的風(fēng)速下，對(duì)流傳熱系數(shù)h1=3.8 W/（m2·℃）；當(dāng)風(fēng)速增加為2 m/s時(shí)，對(duì)流傳熱系數(shù)h2=15.2 W/（m2·℃）。對(duì)于100 kg體重的豬只，近似長(zhǎng)度L=1.2 m，直徑D=0.47 m，豬只體表溫度T皮=37℃，則在風(fēng)速0.2 m/s的條件下，豬只經(jīng)對(duì)流的散熱量為36.6 W；當(dāng)風(fēng)速提高至2 m/s時(shí)，豬只經(jīng)對(duì)流的散熱量提升至146 W。

綜合以上數(shù)據(jù)可知，隨著風(fēng)速的增加，對(duì)流傳熱系數(shù)增加，這意味著對(duì)流傳熱速度增加。然而與此同時(shí)，對(duì)流傳熱系數(shù)的增加程度小于風(fēng)速增加的程度，這意味著如果風(fēng)速加倍，并不會(huì)導(dǎo)致對(duì)流傳熱系數(shù)的加倍，甚至在風(fēng)速增加到一定程度，對(duì)流傳熱系數(shù)會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定。

3 風(fēng)速對(duì)豬只有效環(huán)境溫度影響的計(jì)算

上文內(nèi)容研究了風(fēng)速對(duì)豬只散熱的影響，通常情況下隨著風(fēng)速的增加，豬只的散熱量增大。與此同時(shí)，豬只感受到的實(shí)際溫度隨著風(fēng)速的增大而更加涼爽，即豬只有效環(huán)境溫度隨著風(fēng)速的增大而降低。

根據(jù)Bjerg等[9,10]的研究，需要開(kāi)發(fā)一個(gè)有效評(píng)估環(huán)境溫度的計(jì)算公式，公式需充分考慮濕度、風(fēng)速等因素對(duì)畜禽有效環(huán)境的影響。

其中：

c：常數(shù)，與動(dòng)物種類(lèi)、尺寸、密度等因素有關(guān)；

d：溫度常數(shù)，代表風(fēng)速增加有效溫度不再降低的溫度，單位為℃；

tdb：干球溫度，單位為℃；

ν：風(fēng)速，單位為m/s；

e：常數(shù)，代表風(fēng)力強(qiáng)度；

其中：

twb為濕球溫度，單位為℃。

對(duì)于c、d、e的取值問(wèn)題，部分學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)的研究。Bjerg等[9,10]對(duì)Mount[11,12]的研究進(jìn)行分析，針對(duì)3.4～5.8 kg、20～25 kg及60～70 kg等3個(gè)體重段的豬只，分析五個(gè)環(huán)境溫度（35℃、30℃、25℃、20℃和15℃）下，不同風(fēng)速（0.08 m/s、0.35 m/s、0.60 m/s和1.00 m/s）對(duì)豬只散熱的影響。得出在c=-1.0、d=42℃及e=0.66時(shí)豬只的散熱情況與公式有很好的符合性。Bottcher等[13]開(kāi)發(fā)了風(fēng)冷效應(yīng)的計(jì)算表，展示了不同風(fēng)速下的“風(fēng)冷效應(yīng)”數(shù)值，但是作者并沒(méi)有說(shuō)明數(shù)據(jù)的來(lái)源，根據(jù)Bottcher的數(shù)據(jù)c=-0.37、d=44℃、e=1.5有最佳的符合性。根據(jù)Hoff教授在《The Environment in Swine Housing》中的研究數(shù)據(jù)[5]，假定c=-1、d=42℃的情況下，對(duì)于20 kg、50 kg、100 kg的豬，e值分別取0.14、0.12、0.10，有效環(huán)境溫度與環(huán)境溫度有極好的相關(guān)性。根據(jù)Bjerg等[10]的研究，通過(guò)皮膚溫度的建模，確定空氣速度對(duì)緩解炎熱環(huán)境中豬只熱應(yīng)激的潛在影響，結(jié)果表明24℃和空氣速度0.2 m/s的有效溫度與27℃和空氣速度0.6 m/s的組合以及30℃和空氣速度1.9 m/s的組合相同。根據(jù)作者開(kāi)發(fā)的模型，e取值范圍在0.23～0.29之間。

本文取c=-1.0、d=42℃及e=0.66進(jìn)行說(shuō)明，不同環(huán)境溫度下的風(fēng)速導(dǎo)致的“風(fēng)冷效應(yīng)”，見(jiàn)圖2?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著風(fēng)速的增大，“風(fēng)冷效應(yīng)”導(dǎo)致的溫度降低值增大，即隨著風(fēng)速的增大，豬只會(huì)感到更加涼爽。同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境溫度的升高，“風(fēng)冷效應(yīng)”的作用變?nèi)酢?/p>

圖2 風(fēng)速對(duì)有效環(huán)境溫度的影響數(shù)值

4 總結(jié)

豬舍的溫?zé)岘h(huán)境受溫度、濕度、氣流的綜合影響，其中氣流速度對(duì)于豬只的散熱方式有十分重要的影響。本文通過(guò)介紹豬只的散熱方式，計(jì)算了對(duì)流傳熱方式對(duì)風(fēng)速的影響，同時(shí)還計(jì)算了風(fēng)速對(duì)豬只有效環(huán)境溫度的影響。以上分析計(jì)算對(duì)于豬舍的通風(fēng)設(shè)計(jì)有非常重要的指導(dǎo)意義，且對(duì)養(yǎng)殖過(guò)程中環(huán)控系統(tǒng)的控制有非常重要的作用。