趙娟娟，車(chē)大璐，趙壽培，王 媛，郝贊艮，張偉濤，高玉紅*

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院，河北 保定 071001；2.衡水志豪畜牧科技有限公司，河北 衡水 053400；3.康地飼料添加劑(天津)有限公司，天津300270；4.河北省畜牧總站，河北 石家莊 050035)

羊舍的建筑結(jié)構(gòu)影響羊群的生產(chǎn)和繁殖性能，尤其是羊舍的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)直接影響其保溫隔熱性能，并與舍內(nèi)的溫?zé)岘h(huán)境密切相關(guān)[1]，合理的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)可減少夏季外界熱量的傳入和冬季舍內(nèi)熱量的散失。一般情況下，羊具較強(qiáng)的耐寒性，但長(zhǎng)期處于低溫環(huán)境的羊群也會(huì)引起機(jī)體熱量的大量散失，導(dǎo)致機(jī)體產(chǎn)熱量增加，進(jìn)而引起日糧能量的利用率降低[2]。近年來(lái)隨著高效健康的羊產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，舍飼半舍飼的飼養(yǎng)模式已經(jīng)逐步成熟，這無(wú)疑對(duì)羊舍外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能提出了更嚴(yán)格的要求，但目前相關(guān)研究很少。魯煜建等[3]通過(guò)增加牛舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻以減少舍飼牛的冷應(yīng)激；趙婉瑩等[4]通過(guò)改進(jìn)牛舍的建筑材料以提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻值。已有研究認(rèn)為，墻體和屋頂選擇不同的建筑材料、不同的厚度，其保溫隔熱效果不同。牛舍屋頂采用傳熱系數(shù)為1.0 W/(m2·K)和6.3 W/(m2·K)的材料時(shí)，舍內(nèi)外溫度差相差1～1.8 ℃。當(dāng)舍外溫度為-20 ℃時(shí)，墻壁厚度分別為 24、37 和 50 cm 的牛舍內(nèi)最低溫度分別為-6.97、-2.03 和 5.57 ℃[5]。本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)冬季4種建筑類(lèi)型羊舍的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻、表面溫度和舍內(nèi)溫度進(jìn)行檢測(cè)及相關(guān)性分析，為羊舍建筑設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)羊舍選擇

本試驗(yàn)于2019年12月份于河北省衡水市武邑縣某規(guī)?；驁?chǎng)進(jìn)行，選擇該場(chǎng)4棟不同建筑類(lèi)型的羊舍，對(duì)羊舍的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度和舍內(nèi)的溫濕度進(jìn)行同期檢測(cè)。飼養(yǎng)品種均為雜交小尾寒羊。羊舍的建筑特點(diǎn)和飼養(yǎng)情況如表1所示。

表1 羊舍建筑特點(diǎn)

1.2 溫濕度檢測(cè)

1.2.1 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度測(cè)定 采用紅外測(cè)溫儀(FLUKE F568-2)對(duì)所選4棟羊舍的外圍護(hù)內(nèi)表面(屋頂兩坡、墻體4個(gè)側(cè)面和地面料道兩側(cè))溫度進(jìn)行測(cè)定，檢測(cè)時(shí)間為每天的早(7:00-8:00)、午(12:00-13:00)和晚(16:00-17:00)，選擇3個(gè)晴天連續(xù)測(cè)量，間隔15 d，檢測(cè)周期為2個(gè)月。對(duì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)、外墻體表面溫度檢測(cè)時(shí)，測(cè)點(diǎn)選擇每棟舍內(nèi)長(zhǎng)軸方向的3個(gè)截面，每個(gè)截面均勻設(shè)置16個(gè)點(diǎn)(A1，A2，A3，B1，……E，F(xiàn))，兩側(cè)山墻各布置8個(gè)點(diǎn)(G1……G8，H1……H8)，舍外各側(cè)墻體的測(cè)點(diǎn)與舍內(nèi)重合，測(cè)點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 紅外測(cè)溫儀測(cè)量點(diǎn)分布圖

1.2.2 舍內(nèi)環(huán)境溫濕度測(cè)定 各羊舍中央分別懸掛3個(gè)溫濕度記錄儀(KTH-350-I，法國(guó))，懸掛高度(探頭距地面的垂直距離)1.5 m，記錄羊舍內(nèi)外溫度和相對(duì)濕度每天24 h的連續(xù)變化，每間隔 0.5 h記錄一次數(shù)據(jù)。連續(xù)2個(gè)月，檢測(cè)結(jié)束后導(dǎo)出數(shù)據(jù)，繪制溫度和相對(duì)濕度的晝夜連續(xù)曲線圖。

1.3 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能參數(shù)測(cè)定

1.3.1 墻體與屋頂總熱阻 根據(jù)文獻(xiàn)[6]中規(guī)定的多層勻質(zhì)材料總熱阻的公式，計(jì)算羊舍的墻體和屋頂總熱阻：

(1)

式中:R0為總熱阻；Rn、R和Rw分別為墻體與屋頂內(nèi)表面、中間及外表面的變換熱阻，單位為(m2·K)/W；an為墻體與屋頂內(nèi)表面的換熱系數(shù)，冬季取8.7 W/(m2·K)；aw為墻體與屋頂外表面的換熱系數(shù)，冬季取23.3 W/(m2·K)；δ1、δ2和δ3分別為材料厚度；λ1、λ2和λ3分別為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，燒結(jié)磚的導(dǎo)熱系數(shù)為0.58 W/(m·K)，水泥砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)0.93 W/(m·K)，聚苯乙烯彩鋼夾芯板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.035 W/(m·K)，彩鋼板的導(dǎo)熱系數(shù)為58.2 W/(m·K)，采光板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.52 W/(m·K)。

1.3.2 墻體與屋頂?shù)臒岫栊?按文獻(xiàn)[6]所示多層勻質(zhì)材料的熱惰性公式，計(jì)算墻體和屋頂?shù)臒岫栊裕?/p>

D=R×S

(2)

D=D1+D2+D3+……+Dn

(3)

式中:D為墻體與屋頂?shù)臒岫栊灾笜?biāo)；R為各材料層的熱阻；S為材料層的蓄熱系數(shù)，其中燒結(jié)磚的蓄熱系數(shù)為7.92 W/(m2·K)，水泥砂漿的蓄熱系數(shù)為11.37 W/(m2·K)，聚苯乙烯彩鋼夾芯板的蓄熱系數(shù)為0.37 W/(m2·K)，彩鋼板的蓄熱系數(shù)為126 W/(m2·K)，采光板的蓄熱系數(shù)為9.25 W/(m2·K)；D1，D2，D3……Dn為各層材料的熱惰性指標(biāo)。

1.3.3 墻體與屋頂?shù)牡拖逕嶙柚?根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50176-2016》[6]中低限熱阻的公式，計(jì)算墻體和屋頂?shù)牡拖逕嶙鑋7-8]，計(jì)算公式如下：

(4)

(5)

式中:Rmin·w和Rmin·r分別為墻體和屋頂?shù)牡拖逕嶙?；ti為冬季舍內(nèi)計(jì)算溫度，單位為℃，舍內(nèi)計(jì)算溫度ti=10 ℃。te為舍外計(jì)算溫度，單位為℃，冬季舍外計(jì)算溫度te可根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性指標(biāo)D值的不同進(jìn)行取值(見(jiàn)表2)。Δt為舍內(nèi)計(jì)算溫度與外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度的允許溫差，墻體和屋頂?shù)脑试S溫差分別為Δtw=ti-td=3.37 ℃，Δtr=0.8×(ti-td)=2.70 ℃[9]，其中td為露點(diǎn)計(jì)算溫度，根據(jù)溫濕度可推算出td=6.63 ℃;Ri為圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面換熱阻，取0.115(m2·K)/W；Re為圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面換熱阻，取0.043(m2·K)/W。

表2 冬季舍外計(jì)算溫度

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 SPSS 19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和Duncan氏法多重比較。以P<0.05為差異顯著，數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤來(lái)表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同建筑類(lèi)型羊舍外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能參數(shù)的比較

由表3可見(jiàn)，有窗密閉舍1墻體和屋頂?shù)臒岫栊跃哂谄渌?棟舍。一般而言，熱惰性越大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性越好。根據(jù)畜舍的保溫要求，畜舍外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總熱阻R0>低限熱阻Rmin。各舍墻體的總熱阻均高于冬季低限熱阻，符合保溫設(shè)計(jì)要求；除了單彩鋼屋頂(舍4)，其他3種舍屋頂?shù)目偀嶙韪哂诙镜拖逕嶙?，基本符合設(shè)計(jì)要求。

表3 不同建筑結(jié)構(gòu)羊舍保溫隔熱性能參數(shù)的比較

2.2 不同建筑類(lèi)型羊舍環(huán)境溫濕度的晝夜連續(xù)變化

從圖2可以看出，不同建筑類(lèi)型羊舍的溫度變化存在一定差異。與舍外溫度比較，4棟舍的晝夜溫差遠(yuǎn)低于舍外，舍外的溫度變化較大，其日溫差高達(dá)20.78 ℃。4棟舍中，有窗密閉舍1的晝夜溫度變化較小，其范圍為4.70～7.42 ℃(平均6.03 ℃)，且每天24 h各時(shí)刻溫度均高于其他3棟舍，日均溫分別比其他舍高4.35 ℃(舍2)、4.39 ℃(舍3)和6.34 ℃(舍4)。半開(kāi)放舍4溫度的日變化最大，為-3.70～5.27 ℃，且舍4溫度處于零下的時(shí)間每天長(zhǎng)達(dá)約15 h。

圖2 不同建筑類(lèi)型羊舍環(huán)境溫度的變化曲線

從圖3可以看出，不同建筑類(lèi)型羊舍的相對(duì)濕度變化也存在一定差異。與舍外比較，4棟羊舍的濕度晝夜?jié)癫钭兓^小，為55.76%～85.35%，遠(yuǎn)低于舍外的晝夜?jié)癫?61.57%)。4棟舍中，有窗舍1的濕度最高，平均為81.95%，其他3棟舍的平均濕度分別為74.69%(舍2)、75.43%(舍3)和72.52%(舍4)。

圖3 不同建筑類(lèi)型羊舍環(huán)境濕度的變化曲線

2.3 不同建筑類(lèi)型羊舍外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面溫度變化

由表4可見(jiàn)，有窗舍1屋頂內(nèi)表面溫度最高，而單彩鋼舍4屋頂溫度最低，尤其是早、晚兩個(gè)時(shí)段，舍1屋頂溫度顯著高于其他3棟舍(P<0.01)，而舍4屋頂溫度顯著低于其他3舍(P<0.01)。從地面和墻體內(nèi)表面溫度看，不同舍間的均溫差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)，其中舍1溫度最高，舍4溫度最低。舍1地面和墻體的溫度顯著高于其他3棟舍(P<0.01)，舍2和舍3地面和墻體內(nèi)表面均溫?zé)o顯著差異(P>0.05)，且舍1各時(shí)間段墻體內(nèi)表面溫度顯著高于其他3舍(P<0.05)。

表4 不同建筑類(lèi)型羊舍不同時(shí)間段的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度

2.4 舍內(nèi)環(huán)境溫度與外圍護(hù)內(nèi)表面溫度之間的相關(guān)性

羊舍的舍溫與外圍護(hù)各結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度之間的相關(guān)性如表5所示。3個(gè)時(shí)間段中，中午所有舍的舍溫與各圍護(hù)結(jié)構(gòu)(屋頂、墻體和地面)內(nèi)表面溫度間均表現(xiàn)出顯著相關(guān)性(P<0.05)(舍2屋頂和地面除外)；4棟舍中，有窗舍1和單彩鋼舍4的舍溫與各圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度之間均表現(xiàn)出顯著相關(guān)性(P<0.05)(舍1的晚上屋頂、早上地面以及舍4的早晚屋頂除外)。

表5 舍內(nèi)環(huán)境溫度與外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度間的相關(guān)性

3 討 論

羊舍的建筑類(lèi)型對(duì)舍內(nèi)溫?zé)岘h(huán)境起著重要作用[10]。一般情況下，舍內(nèi)的環(huán)境溫度隨外界溫度的變化而變化，但舍溫的高低也與外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能密切相關(guān)。本研究中羊舍的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度與舍溫表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性，最高可達(dá)0.952(半開(kāi)放舍屋頂)，尤其是中午，幾乎所有舍的舍溫與屋頂、墻體和地面均表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性。另外，屋頂材料與舍的密閉性直接影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度和舍溫，本文中有窗密閉舍和單彩鋼半開(kāi)放舍的各圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度與舍溫顯著相關(guān)。

已有報(bào)道認(rèn)為，綿羊的最適溫度為-3～23 ℃，等熱區(qū)為21～25 ℃[11]。本研究中有窗密閉舍、花磚墻舍、卷簾舍和半開(kāi)放舍的日均溫分別為6.03 ℃、1.68 ℃、1.63 ℃和-0.32 ℃，但部分羊舍早晚溫度過(guò)低，需要加強(qiáng)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能。一般情況下，冬季不設(shè)保溫設(shè)施的舍內(nèi)熱量來(lái)源于家畜的產(chǎn)熱和舍外的傳入熱，而舍內(nèi)的熱量散失主要通過(guò)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)和通風(fēng)[3，12]，所以外圍護(hù)的建筑材料和結(jié)構(gòu)在畜舍建筑設(shè)計(jì)中非常重要。已有研究表明，墻體在冬季所散失的熱量是畜舍總散熱量的35%～40%[13]。本研究中，4棟舍的墻體(磚+水泥砂漿)總熱阻均高于冬季低限熱阻，基本符合保溫設(shè)計(jì)要求，且有窗密閉舍的墻體厚度(240 mm磚墻+30 mm水泥層)大于其他舍(240 mm磚墻+20 mm水泥層)，使總熱阻值提高了0.011(m2·K)/W，從而提高了有窗密閉舍的保溫性能。從所測(cè)4種類(lèi)型羊舍的環(huán)境溫度和內(nèi)表面均溫發(fā)現(xiàn)，所有羊舍外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面溫度均于早晨最低，隨著環(huán)境溫度的增加，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面溫度和舍內(nèi)溫度也隨之增加。除了建筑類(lèi)型，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料也對(duì)內(nèi)外表面溫度有很大影響，尤其是屋頂[14]。一般情況下，屋頂往往選用導(dǎo)熱系數(shù)小的材料，以緩解夏季外界熱量的傳入和冬季舍內(nèi)熱量的散失。本研究中，有窗密閉舍、花磚墻舍和卷簾舍屋頂均采用聚苯乙烯夾芯復(fù)合彩鋼板，半開(kāi)放舍屋頂采用單彩鋼板，而聚苯乙烯夾芯復(fù)合彩鋼板的蓄熱能力高于單彩鋼板，導(dǎo)致單彩鋼屋頂?shù)目偀嶙璧陀诘拖逕嶙?，其達(dá)不到保溫設(shè)計(jì)要求。因此，單彩鋼屋頂舍早、午、晚的屋頂溫度均低于其他3棟舍(復(fù)合彩鋼板屋頂)，這與鄧?yán)姷萚15]研究一致，說(shuō)明采用聚苯乙烯彩鋼夾芯板作為保溫材料時(shí)，其保溫隔熱效果更好些，同時(shí)也說(shuō)明屋頂?shù)谋夭牧蠈?duì)于羊舍的保溫起著積極的作用?；ùu舍和卷簾舍與有窗密閉舍的屋頂、墻體的總熱阻大致相同，但由于花磚舍和卷簾舍的密閉性較差，通風(fēng)量大于有窗密閉舍，因此羊舍內(nèi)的熱量通過(guò)窗戶、門(mén)散失比較高。洪小華等[16]研究認(rèn)為，棚舍易遭受風(fēng)、雪等外界環(huán)境因素的影響，從而不能形成穩(wěn)定的小氣候，導(dǎo)致舍內(nèi)的溫度難以控制。在外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中地面失熱最少，但是羊只直接接觸地面，因此地面也發(fā)揮著不可忽視的作用。本研究中，有窗密閉舍地面設(shè)有保溫板，溫度顯著高于其他3棟舍。由于有窗密閉舍的密封性較好，再加上舍內(nèi)通風(fēng)不良，從而導(dǎo)致舍內(nèi)濕度增加，每天約16.5 h濕度超過(guò)80%，已超出國(guó)標(biāo)(NY/T 388-1999)，而其他3棟舍濕度相對(duì)較低。寒冷季節(jié)舍內(nèi)濕度較高會(huì)加快動(dòng)物體熱量的散失，造成機(jī)體能量的損失，同時(shí)有助于細(xì)菌的繁殖[17]。因此，有窗密閉舍可適當(dāng)打開(kāi)門(mén)窗，既可去除大量濕氣，又可達(dá)到一定的通風(fēng)效果。

4 結(jié) 論

羊舍外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面溫度直接影響舍內(nèi)的環(huán)境溫度，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面溫度與外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻密切相關(guān)，復(fù)合彩鋼板屋頂?shù)难蛏釅w和屋頂總熱阻高于冬季低限熱阻，符合保溫設(shè)計(jì)要求，但單彩鋼舍的屋頂熱阻則達(dá)不到保溫要求。復(fù)合彩鋼板有窗密閉舍的屋頂、墻體和地面溫度最高，日均溫最高，而單彩鋼半開(kāi)放舍各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面溫度和日均溫均最低。