加裝大風(fēng)量風(fēng)機(jī)對(duì)夏季濕簾降溫奶牛舍的防暑降溫效果分析

陳昭輝，任方杰，于 桐，湯 漫，蔣瑞祥，劉繼軍，李樹(shù)靜，蘇 昊

·農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程·

加裝大風(fēng)量風(fēng)機(jī)對(duì)夏季濕簾降溫奶牛舍的防暑降溫效果分析

陳昭輝1，任方杰1，于 桐1，湯 漫1，蔣瑞祥1，劉繼軍1※，李樹(shù)靜2，蘇 昊3

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，北京 100193；2.石家莊天泉良種奶牛有限公司，石家莊 050227； 3.北京東石北美牧場(chǎng)科技有限公司，北京 100102）

低屋面橫向通風(fēng)（Low Profile Cross Ventilated，LPCV）牛舍在華北地區(qū)應(yīng)用，引發(fā)高溫高濕問(wèn)題。為解決此問(wèn)題，該研究選擇石家莊某奶牛場(chǎng)的2 棟不同尺寸的LPCV牛舍，加裝數(shù)量不同的軸流風(fēng)機(jī)。結(jié)果表明：軸流風(fēng)機(jī)的工作效率受牛舍跨度以及其安裝位置的影響，30 m跨度牛舍運(yùn)行更穩(wěn)定，風(fēng)速不均勻系數(shù)小于0.20；在74 m跨度牛舍，南側(cè)濕簾端的風(fēng)機(jī)工作效率更高。舍內(nèi)環(huán)境與奶牛生理指標(biāo)評(píng)價(jià)表明：30 m跨度舍加裝軸流風(fēng)機(jī)后，過(guò)簾風(fēng)速為2.17±0.20 m/s，提升45.6%，舍內(nèi)臥欄處風(fēng)速為1.95±0.85 m/s、提升10.8%，進(jìn)風(fēng)量增加418 339.09 m3/h，舍內(nèi)平均溫度為27.7±1.9 ℃，相對(duì)濕度下降9.2%、平均值為（75.9±6.6）%。74 m跨度舍過(guò)簾風(fēng)速為1.96±0.20 m/s，臥欄處平均風(fēng)速為1.62±0.91 m/s，進(jìn)風(fēng)量為1 008 568.80 m3/h，平均溫度為27.7±1.8 ℃，舍內(nèi)平均相對(duì)濕度為（74.6±5.8）%；二棟牛舍內(nèi)平均溫度、相對(duì)濕度、奶牛呼吸頻率與皮膚溫度在加裝軸流風(fēng)機(jī)后無(wú)顯著性差異（>0.05）。綜上，加裝軸流風(fēng)機(jī)可以顯著改善舍內(nèi)環(huán)境，并創(chuàng)造有利于奶牛生存的環(huán)境。

溫度；通風(fēng)；風(fēng)機(jī)；低屋面橫向通風(fēng)；奶牛舍；熱環(huán)境；熱應(yīng)激；優(yōu)化

0 引 言

低屋面橫向通風(fēng)（Low Profile Cross Ventilated，LPCV）牛舍具有節(jié)約占地面積，縮短擠奶廳與牛舍間的距離的特點(diǎn)。Lobeck等的研究表明，只有當(dāng)舍內(nèi)奶牛飼養(yǎng)密度大于7.4 m2/頭時(shí)，有害氣體濃度才會(huì)超過(guò)限定值[1]。華北地區(qū)屬于暖溫帶大陸季風(fēng)氣候區(qū)，每年7－8月份以悶熱少雨天氣為主，相對(duì)濕度在52%～82%[2]。舍外相對(duì)濕度大，影響濕簾冷風(fēng)機(jī)等焓降溫效果，在舍外溫度36.2 ℃，相對(duì)濕度55%的條件下，LPCV牛舍舍內(nèi)溫度降低7.7 ℃，相對(duì)濕度近于飽和[3]。高濕環(huán)境會(huì)使奶牛熱應(yīng)激反應(yīng)加劇[4]。持續(xù)熱應(yīng)激導(dǎo)致奶牛死亡率的上升、乳品質(zhì)下降以及產(chǎn)奶量下降[5]。

LPCV牛舍本身還存在著兩側(cè)風(fēng)速高、中部風(fēng)速低的問(wèn)題，這與舍內(nèi)障礙物導(dǎo)致氣流動(dòng)量損失以及氣流方向的偏移有關(guān)。如飼喂擋墻以及奶牛本身都會(huì)對(duì)氣流的前進(jìn)方向產(chǎn)生影響，使其發(fā)生向上的偏移，容易導(dǎo)致臥欄處風(fēng)速低、環(huán)境不適宜，導(dǎo)致臥欄利用效率低。Zhou等的研究表明，在舍內(nèi)奶牛躺臥處加裝導(dǎo)流板可以顯著提高奶牛躺臥區(qū)域風(fēng)速并降低ETIC（Equivalent Temperature Index for Cattle）值[6]；CFD模擬結(jié)果表明加裝導(dǎo)流板可以使溫度與氣流場(chǎng)的分布均勻性顯著提高[7]。但是，加裝導(dǎo)流板后LPCV牛舍的通風(fēng)阻力呈增加趨勢(shì)[8]，不利于風(fēng)速與風(fēng)量的提升，并會(huì)降低負(fù)壓風(fēng)機(jī)的效率，因此不能完全解決舍內(nèi)氣流分布不均以及風(fēng)速低的問(wèn)題。

低壓大流量軸流風(fēng)機(jī)具有風(fēng)量大、氣流穩(wěn)定、耗能低的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之中。目前關(guān)于軸流風(fēng)機(jī)性能改良的研究較多而關(guān)于其在生產(chǎn)中的應(yīng)用方式與效果的研究較少。如丁濤等的研究發(fā)現(xiàn)，加裝一定長(zhǎng)度的導(dǎo)流罩可以有效抑制葉頂泄漏渦的發(fā)展，增大風(fēng)機(jī)風(fēng)量[9]，盛曉茜等的研究發(fā)現(xiàn)，加裝導(dǎo)流板可以增加風(fēng)機(jī)流場(chǎng)的均勻度，減小風(fēng)機(jī)出口處的風(fēng)壓[10]。若要將軸流風(fēng)機(jī)應(yīng)用于LPCV牛舍內(nèi)部，則需解決2個(gè)問(wèn)題。首先，軸流風(fēng)機(jī)最佳工作靜壓范圍較窄，當(dāng)偏離額定工況時(shí)風(fēng)機(jī)工作效率下降[11]。在實(shí)際生產(chǎn)中，采用改變轉(zhuǎn)速或改變投入運(yùn)行的風(fēng)機(jī)數(shù)量的方式保證軸流風(fēng)機(jī)的工作效率與流量[12]。其次，LPCV牛舍內(nèi)環(huán)境情況較為復(fù)雜，一方面有負(fù)壓通風(fēng)所形成的舍內(nèi)橫向氣流，一方面舍內(nèi)設(shè)施的存在會(huì)對(duì)氣流的運(yùn)動(dòng)方向造成影響，使氣流的動(dòng)量損失。因此，如若在舍內(nèi)加裝軸流風(fēng)機(jī)，必須根據(jù)舍內(nèi)橫向的氣流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，確定安裝位置與安裝角度。

為改善夏季中國(guó)華北地區(qū)的LPCV牛舍舍內(nèi)高溫高濕的環(huán)境狀況，并且解決牛舍環(huán)境均勻度差的問(wèn)題，在牛舍內(nèi)增設(shè)低壓大流量軸流風(fēng)機(jī)，比較增加設(shè)備前后同一牛舍內(nèi)環(huán)境與奶牛生理狀況的變化，評(píng)價(jià)軸流風(fēng)機(jī)用于大跨度LPCV牛舍時(shí)，舍內(nèi)的風(fēng)速分布均勻度以及對(duì)奶牛的影響，為改良LPCV牛舍并促進(jìn)其在華北地區(qū)的實(shí)際應(yīng)用提供解決方案。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)牛舍的選擇與基本情況

選擇河北省石家莊市天泉良種奶牛有限公司的2棟東西走向、砌體結(jié)構(gòu)、彩鋼板雙坡屋頂、濕簾-風(fēng)機(jī)橫向通風(fēng)模式、尺寸不同的LPCV牛舍。1號(hào)舍建筑尺寸為75.0 m×30.0 m×4.2 m，4列臥欄、5列走道。2號(hào)舍建筑尺寸為60.0 m×74.0 m×4.2 m，9列臥欄、11列走道。2棟舍的飼養(yǎng)管理制度相同，均采用TMR（Total Mixed Rations）飼喂。5:00、12:00、18:00和24:00集中擠奶。清糞方式均為刮糞板清糞，每日清糞5～6次。

1號(hào)舍內(nèi)每2 列臥欄中間有通長(zhǎng)導(dǎo)流板，下沿距離地面2.2 m。舍北墻有上下2排負(fù)壓風(fēng)機(jī)，共25臺(tái)。南墻有尺寸為68.0 m×2.5 m×0.15 m的濕簾，濕簾距地1.1 m，設(shè)計(jì)過(guò)簾風(fēng)速為2.5 m/s。2號(hào)舍內(nèi)，濕簾端第1列臥欄上方有通長(zhǎng)導(dǎo)流板，其余每2列臥欄中間有通長(zhǎng)導(dǎo)流板，下沿距離地面2.2 m。舍北墻有上下2 排負(fù)壓風(fēng)機(jī)，共40 臺(tái)。南墻安裝有尺寸為53.0 m×2.7 m×0.15 m的濕簾。濕簾距地0.8 m，設(shè)計(jì)過(guò)簾風(fēng)速為2.5 m/s。2棟舍北墻的負(fù)壓風(fēng)機(jī)型號(hào)均為Munters EM50。

1.2 舍內(nèi)軸流風(fēng)機(jī)選型、安裝及牛舍通風(fēng)量的計(jì)算

根據(jù)LPCV牛舍空氣流場(chǎng)模擬結(jié)果[13]，與預(yù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果，在1號(hào)舍第1、2列臥欄上方導(dǎo)流板的背風(fēng)側(cè)，加裝12 臺(tái)賽科龍風(fēng)機(jī)。在2號(hào)舍的第2、3列與第6、7列臥欄上方導(dǎo)流板的背風(fēng)側(cè)，各加裝9 臺(tái)賽科龍風(fēng)機(jī)，共18臺(tái)。軸流風(fēng)機(jī)安裝在舍內(nèi)，布置如圖1所示。本試驗(yàn)中的軸流風(fēng)機(jī)采用皮帶傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，扇葉直徑1 830 mm，額定功率2 237.1 W，最大風(fēng)量8 600 0 m3/h，風(fēng)機(jī)裝備6塊導(dǎo)流板，用于定向氣流。

LPCV牛舍通風(fēng)量應(yīng)根據(jù)換氣率確定。根據(jù)CFD模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果，推薦夏季換氣率為60 s[14-16]。夏季理論推薦通風(fēng)量的計(jì)算式為式（1）。由于本試驗(yàn)中牛舍的風(fēng)機(jī)端泌乳通道總保持敞開(kāi)，實(shí)際排風(fēng)量無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算，故實(shí)際通風(fēng)量按照濕簾端進(jìn)風(fēng)量計(jì)算，進(jìn)風(fēng)量的計(jì)算式如式（2）。

0=3 600/air（1）

=進(jìn)=3 600p·p（2）

式中0為夏季推薦通風(fēng)量，m3/h；為牛舍體積，m3；air為牛舍換氣率，s；為實(shí)際通風(fēng)量，m3/h；進(jìn)為通過(guò)濕簾的進(jìn)風(fēng)量，m3/h；p為濕簾面積，m2；p為過(guò)簾風(fēng)速，m/s。

注：表示軸流風(fēng)機(jī)，●表示牛舍內(nèi)環(huán)境指標(biāo)測(cè)點(diǎn)。

Note:represents axial flow fan, ●represents measuring points of environmental indicators in cowshed.

圖1 牛舍內(nèi)環(huán)境指標(biāo)測(cè)點(diǎn)平面布置

Fig.1 Plan arrangement of measuring points in cowshed

1.3 試驗(yàn)周期與試驗(yàn)分組

試驗(yàn)周期分別為2017-07-12至2017-07-20，2019-07-17至2019-07-28。2017年夏季試驗(yàn)期間，1號(hào)舍舍內(nèi)飼養(yǎng)128 頭荷斯坦奶牛，未在舍內(nèi)加裝軸流風(fēng)機(jī)，用NAFF1（No AxialFlowFan 1）表示。2019年夏季試驗(yàn)期間，1號(hào)舍內(nèi)飼養(yǎng)144 頭荷斯坦奶牛，已加裝軸流風(fēng)機(jī)，用AFF1（AxialFlowFan 1）表示；2號(hào)舍內(nèi)飼養(yǎng)220 頭荷斯坦奶牛，已加裝軸流風(fēng)機(jī)，用AFF2（AxialFlowFan 2）表示。本試驗(yàn)為探究加裝軸流風(fēng)機(jī)前后對(duì)LPCV牛舍內(nèi)環(huán)境的影響，將處理組NAFF1與AFF1的臥欄處風(fēng)速及相關(guān)環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行比較分析；為探究軸流風(fēng)機(jī)應(yīng)用于大跨度牛舍時(shí)對(duì)舍內(nèi)環(huán)境均勻度的影響，單獨(dú)對(duì)處理組AFF2內(nèi)不同臥欄處的風(fēng)速及相關(guān)環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行比較分析。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 LPCV舍環(huán)境指標(biāo)測(cè)定

測(cè)定指標(biāo)包括溫度、相對(duì)濕度、氨氣濃度、二氧化碳濃度、舍內(nèi)風(fēng)速、濕簾端過(guò)簾風(fēng)速。使用手持溫濕度計(jì)（型號(hào)TES-625，精度±0.3 ℃，±2% RH）在1.2 m高度處手持測(cè)定溫度、相對(duì)濕度，舍內(nèi)CO2濃度測(cè)定采用CO2檢測(cè)儀（型號(hào)TES-1370，精度為±50 mg/L）， NH3測(cè)定采用NH3檢測(cè)儀（SZ-JSA8-NH3，精度為≤±3%）。風(fēng)速的測(cè)定采用熱敏式風(fēng)速儀（型號(hào) MODEL6004，精度為±0.1 m/s），舍內(nèi)風(fēng)速測(cè)點(diǎn)的高度為1.2 m，環(huán)境指標(biāo)的測(cè)定時(shí)間均為每日3 次（8:00、14:00、20:00）。舍內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

1.4.2 溫濕度指數(shù)與奶牛等溫指數(shù)

溫濕度指數(shù)（Temperature Humidity Index, THI），是綜合溫度與相對(duì)濕度評(píng)價(jià)熱環(huán)境的指標(biāo)，式（3）為THI指數(shù)的計(jì)算式[17-19]。本試驗(yàn)利用THI指數(shù)分析評(píng)價(jià)不同時(shí)間牛舍內(nèi)的熱環(huán)境狀況。分析加裝軸流風(fēng)機(jī)前后舍內(nèi)THI指數(shù)的變化趨勢(shì)，以及加裝軸流風(fēng)機(jī)的不同尺寸的牛舍內(nèi)THI指數(shù)的變化趨勢(shì)。

THI=(1.8a+32)?(0.55?0.0055RH)×(1.8a?26)（3）

式中a為室內(nèi)溫度，℃；RH為室內(nèi)相對(duì)濕度，%。

奶牛等溫指數(shù)（Equivalent Temperature Index for Cattle，ETIC）是綜合考慮溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速與太陽(yáng)輻射對(duì)奶牛影響的熱環(huán)境指標(biāo)[18]。其中太陽(yáng)輻射對(duì)于家畜的影響主要分為太陽(yáng)直接輻射、散射輻射與地面的反射[19]，本試驗(yàn)中，LPCV牛舍運(yùn)行過(guò)程中保持全封閉的狀態(tài)，每日僅在正常的飼養(yǎng)管理安排下，東西兩側(cè)的卷簾才部分打開(kāi)，太陽(yáng)直接輻射、散射輻射量可忽略不計(jì)。此外，僅在戶外散養(yǎng)狀態(tài)下地面作為輻射源加以考慮[20]。太陽(yáng)輻射對(duì)于舍內(nèi)奶牛的影響主要體現(xiàn)在圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面吸收太陽(yáng)輻射熱量，經(jīng)傳熱作用后間接影響舍內(nèi)空氣溫度[12]。故不考慮太陽(yáng)輻射量直接對(duì)奶牛的影響。式（5）為ETIC指數(shù)的計(jì)算式。利用ETIC指數(shù)評(píng)價(jià)奶牛臥欄上的熱環(huán)境狀況。分析比較加裝軸流風(fēng)機(jī)前后同一臥欄上ETIC值的差異，以及同一牛舍內(nèi)不同臥欄間ETIC值的差異。

ETIC=a+rh+u+rad（4）

ETIC=a?0.003 8a(100?RH)?0.117 30.707(39.2?a)+

0.000 186a·sr （5）

式中rh為相對(duì)濕度等效空氣溫度，℃；u為室內(nèi)風(fēng)速等效空氣溫度，℃；rad為太陽(yáng)輻射等效空氣溫度，℃；為風(fēng)速，m/s；sr為太陽(yáng)輻射量，W/m2。

1.4.3 生理指標(biāo)指標(biāo)測(cè)定

試驗(yàn)期間，每日1 號(hào)舍隨機(jī)選取20頭牛，2號(hào)舍選取30頭牛測(cè)定體溫和呼吸頻率。

1.4.4 軸流風(fēng)機(jī)工作效率測(cè)定

由于射流出口溫度與室內(nèi)空氣溫度的差值極小，阿基米德數(shù)||＜0.001，故忽略射流彎曲，射流方向?yàn)樵O(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)送風(fēng)方向（與水平地面呈30°夾角）。選取風(fēng)機(jī)射流方向上距出口斷面3.0 m (A)、4.5 m (B)、6.0 m (C)共3個(gè)風(fēng)速測(cè)定平面，測(cè)定高度分別為2.0、1.3、0.5 m；每個(gè)測(cè)定平面內(nèi)取3個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別為A1～A3、B1～B3、C1～C3，其中A2、B2、C2為射流軸心速度測(cè)點(diǎn)，同一平面內(nèi)測(cè)點(diǎn)間隔均為1.0 m。對(duì)測(cè)定平面的平均風(fēng)速以及各個(gè)平面的射流軸心風(fēng)速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將實(shí)測(cè)風(fēng)速與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下（無(wú)外接因素干擾，壓頭接近于無(wú)壓），風(fēng)機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的風(fēng)速進(jìn)行比較，評(píng)價(jià)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況。軸流風(fēng)機(jī)的測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示。1 號(hào)舍共選取4 部互不相鄰的軸流風(fēng)機(jī)；2號(hào)舍每列選取5 部互不相鄰的軸流風(fēng)機(jī)，共10部進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定。測(cè)定時(shí)間為每日8:00、14:00、20:00。

為評(píng)價(jià)沿風(fēng)機(jī)射流軸向方向上的氣流場(chǎng)均勻性，參照民用建筑的氣流分布性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，引入氣體不均勻系數(shù)h[21]，h越小，氣流分布越均勻，即流場(chǎng)均勻性越好。

式中v為第個(gè)測(cè)點(diǎn)的氣流速度，m/s；為測(cè)點(diǎn)數(shù)；v為與風(fēng)機(jī)軸心距離為的平面上的平均氣流速度，m/s。

1.4.5 統(tǒng)計(jì)與分析方法

采用 SPSS Statistics 17.0和Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 軸流風(fēng)機(jī)工作效率評(píng)價(jià)

對(duì)2棟舍共3排軸流風(fēng)機(jī)的射流軸心風(fēng)速進(jìn)行單因素方差分析與多重比較，所得結(jié)果如圖3a所示。1號(hào)舍與2 號(hào)舍的2排風(fēng)機(jī)在平面A處，軸心風(fēng)速分別為2.11、2.55、2.23 m/s；平面B處，軸心風(fēng)速分別為2.00、2.04、1.83 m/s；平面C處，軸心風(fēng)速分別為1.66、1.83、1.46 m/s；平面A至平面C，軸心風(fēng)速分別衰減21.3%、28.2%、34.5%。3個(gè)測(cè)定平面均表現(xiàn)出2號(hào)舍第2、3列臥欄處軸心風(fēng)速最高的規(guī)律，其中平面A、平面C處的方差分析結(jié)果表現(xiàn)出顯著性差異（＜0.05）。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，平面A與平面C的平面平均風(fēng)速分別為3.67和3.45 m/s，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的測(cè)試結(jié)果可知，在本試驗(yàn)條件下，射流核心區(qū)域衰減較快，在距牛舍地面2.0 m高度處射流已經(jīng)進(jìn)入主體段，射流擴(kuò)散作用強(qiáng)，對(duì)周圍空氣的引流作用強(qiáng)。

對(duì)2棟舍共3 排軸流風(fēng)機(jī)的平面平均風(fēng)速進(jìn)行單因素方差分析與多重比較，所得結(jié)果如圖3b所示。1號(hào)舍與2 號(hào)舍的2排風(fēng)機(jī)在平面A處，平面平均風(fēng)速分別為1.66、1.46、1.21 m/s；平面B處，平面平均風(fēng)速分別為1.61、1.17、1.03 m/s；平面C處，平面平均風(fēng)速分別為1.24、1.00、0.91 m/s；平面A至平面C，平面風(fēng)速分別衰減25.3%、31.5%、24.8%。本試驗(yàn)條件下，1號(hào)舍內(nèi)軸流風(fēng)機(jī)的射流斷面平均風(fēng)速相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，距出口斷面30 m處的平面平均風(fēng)速，即1.72 m/s。對(duì)于平面平均風(fēng)速的分析結(jié)果表明，各平面內(nèi)，1號(hào)舍內(nèi)軸流風(fēng)機(jī)的平均風(fēng)速均顯著高于其他2排機(jī)風(fēng)速（＜0.05）；2號(hào)舍第6、7列臥欄處平面平均風(fēng)速最低，并在平面A處顯著低于第2、3列臥欄處風(fēng)機(jī)風(fēng)速（＜0.05）。

為評(píng)價(jià)沿風(fēng)機(jī)射流軸向方向上的氣流場(chǎng)均勻性，對(duì)距風(fēng)機(jī)軸心不同水平距離的3個(gè)截面（?1.0、0、1.0 m）內(nèi)的風(fēng)速不均勻系數(shù)進(jìn)行單因素方差分析與多重比較，所得結(jié)果如圖3c所示。1號(hào)舍與2 號(hào)舍的2排風(fēng)機(jī)在?1.0 m截面處，不均勻系數(shù)分別為0.13、0.25、0.11，在0截面處，不均勻系數(shù)分別為0.20、0.33、0.17，在1.0 m截面處，不均勻系數(shù)分別為0.17、0.19、0.11。各平面均表現(xiàn)出2 號(hào)舍第2、3列臥欄處射流不均勻系數(shù)最高的規(guī)律，其中在?1.0 m、0截面處2 號(hào)舍第2、3列臥欄處射流不均勻系數(shù)顯著高于其他2排風(fēng)機(jī)（＜0.05）。此外，3排風(fēng)機(jī)均表現(xiàn)出軸心區(qū)域（0 截面）不均勻系數(shù)最大，而兩側(cè)較小的規(guī)律。

2號(hào)舍6、7列臥欄處風(fēng)機(jī)的不均勻系數(shù)較低，因?yàn)槠渖淞黠L(fēng)速一直處于相對(duì)最低的狀態(tài)。2號(hào)舍6、7列臥欄處風(fēng)機(jī)的各平面的軸心風(fēng)速與平面風(fēng)速均最低，這說(shuō)明軸流風(fēng)機(jī)的安裝位置會(huì)影響其工作效率。軸流風(fēng)機(jī)具有流量大、壓力低的特點(diǎn)，其最高效率點(diǎn)出現(xiàn)在壓頭接近無(wú)壓自由排出的狀態(tài)，當(dāng)其安裝在舍中部時(shí)，由于壓降的升高會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)射流的出流速度降低[21]，而湍流動(dòng)能的增大，則會(huì)導(dǎo)致流體的動(dòng)量損失增大[22]。

2.2 LPCV牛舍環(huán)境評(píng)價(jià)

將2017-07-12至2017-07-20，2019-07-17至2019-07-28的舍外溫度與相對(duì)濕度進(jìn)行分析比較。2017年試驗(yàn)期間，舍外平均溫度為（31.1±3.25）℃，2019年為（33.3±4.15）℃，兩者沒(méi)有顯著性差異（＞0.05）。2017年試驗(yàn)期間，舍外平均相對(duì)濕度為（60.57±12.1）%，2019年為（56.7±16.9）%，兩者沒(méi)有顯著性差異（＞0.05）。在此條件下，對(duì)LPCV牛舍內(nèi)環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

2.2.1 舍內(nèi)風(fēng)速分布與通風(fēng)量

統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)期間奶牛臥欄上風(fēng)速。比較1號(hào)舍相同臥欄處，加裝軸流風(fēng)機(jī)前與加裝后的風(fēng)速差異，結(jié)果列于表1。處理組NAFF1、AFF1的臥欄處日平均風(fēng)速分別為（1.76±0.70）和（1.95±0.85）m/s。1號(hào)舍內(nèi)從濕簾端至風(fēng)機(jī)端，臥欄上風(fēng)速呈升高的規(guī)律。加裝軸流風(fēng)機(jī)后，1號(hào)舍的4 列臥欄上的風(fēng)速均有提高，其中8:00、20:00時(shí)，處理組AFF1的3、4列臥欄處風(fēng)速顯著高于處理組NAFF1（＜0.05），臥欄處風(fēng)速提升10.8%。

表1 1 號(hào)舍奶牛臥欄處風(fēng)速

注：表中NAFF1表示未加裝軸流風(fēng)機(jī)的1號(hào)舍，AFF1表示加裝軸流風(fēng)機(jī)的1 號(hào)舍；表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。不同小寫字母表示處理組間數(shù)據(jù)差異顯著（＜0.05），下同。

Note: In the table, NAFF1 represents cowshed 1 without axial fan, AFF1 represents cowshed 1 with axial fan; Data in the table are mean ± standard deviation. Different lowercase indicates significant difference between treatments at 0.05 level, the same as below.

統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)期間奶牛臥欄上風(fēng)速。比較2號(hào)舍各臥欄處風(fēng)速的差異并進(jìn)行單因素方差分析與多重比較。結(jié)果列于表2。2號(hào)舍的臥欄處日平均風(fēng)速為（1.62±0.91）m/s。2號(hào)舍從濕簾端至風(fēng)機(jī)端，臥欄上風(fēng)速呈先上升后下降再上升的波浪形分布規(guī)律。加裝了軸流風(fēng)機(jī)的第2、3列與6、7列臥欄處風(fēng)速均相對(duì)上升，即第2、3列臥欄處風(fēng)速大于第1、4、5列處風(fēng)速，第6、7列臥欄處風(fēng)速大于第4、5列處風(fēng)速。其中，各時(shí)刻第2、3列臥欄處風(fēng)速均顯著高于第1列臥欄處風(fēng)速（＜0.05）；第6、7臥欄處風(fēng)速高于第4、5列臥欄處風(fēng)速，20:00時(shí)呈現(xiàn)顯著性差異（＜0.05）；第4、5列臥欄處風(fēng)速較2、3列臥欄處風(fēng)速下降，且8:00、20:00時(shí)呈顯著性差異（＜0.05）。此外，由于第8、9列臥欄靠近負(fù)壓風(fēng)機(jī)，使得其風(fēng)速相較于第6、7列臥欄處風(fēng)速上升，且8:00、20:00時(shí)表現(xiàn)為顯著性上升（＜0.05），這與1號(hào)舍內(nèi)呈現(xiàn)的規(guī)律相同。

表2 加裝風(fēng)機(jī)2 號(hào)舍奶牛臥欄處風(fēng)速

注：表中AFF2表示加裝軸流風(fēng)機(jī)的2號(hào)舍；同一列中，不同小寫字母表示處理組間數(shù)據(jù)差異顯著（＜0.05），下同。

Note: In the table, AFF2 represents cowshed 2 with axial fan, the same as below; In the same column, different lowercase letters indicates significant difference between the treatments at 0.05 level, the same below.

通風(fēng)量的計(jì)算結(jié)果如表3所示。2棟舍的過(guò)簾風(fēng)速均未達(dá)到設(shè)計(jì)過(guò)簾風(fēng)速2.5 m/s。處理組AFF2與AFF1的過(guò)簾風(fēng)速均顯著大于處理組NAFF1（＜0.05）。處理組NAFF1與AFF1的進(jìn)風(fēng)量均大于推薦通風(fēng)量的最大值，加裝軸流風(fēng)機(jī)后，1號(hào)舍舍內(nèi)進(jìn)風(fēng)量提升418 339.09 m3/h。2號(hào)舍進(jìn)風(fēng)量為1 008 568.80 m3/h，大于推薦通風(fēng)量的最低值，但小于最大值。2號(hào)舍進(jìn)風(fēng)量偏小與2號(hào)舍設(shè)計(jì)不當(dāng)有關(guān)。2號(hào)舍面積與所需通風(fēng)量大于1號(hào)舍，但濕簾面積小于1號(hào)舍。過(guò)小的濕簾面積限制了2號(hào)舍的進(jìn)風(fēng)量。1號(hào)舍在加裝軸流風(fēng)機(jī)前，進(jìn)風(fēng)量遠(yuǎn)大于推薦通風(fēng)量的最大值，但舍內(nèi)空氣流速仍然較低，這是因?yàn)樵诟咄L(fēng)量的情況下，LPCV牛舍的通風(fēng)阻力呈增加趨勢(shì)，每當(dāng)氣流通過(guò)導(dǎo)流板，通風(fēng)阻力就會(huì)增大[8]，通風(fēng)阻力增大導(dǎo)致了流體的能量損失，即導(dǎo)致流速的降低。1號(hào)舍在加裝軸流風(fēng)機(jī)后，舍內(nèi)臥欄處風(fēng)速提升，濕簾端過(guò)簾風(fēng)速顯著提升45.6%（＜0.05），進(jìn)風(fēng)量增加。這說(shuō)明加裝軸流風(fēng)機(jī)，在提升了舍內(nèi)空氣流速的同時(shí)，牛舍的通風(fēng)換氣量也顯著提升,而通風(fēng)換氣量的提升得益于軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)形成的紊動(dòng)淹沒(méi)射流對(duì)周圍空氣的擾動(dòng)與引流作用，這還有利于增大濕簾的降溫效率[23]。

表3 通風(fēng)量

2.2.2 舍內(nèi)平均空氣溫度與平均相對(duì)濕度

對(duì)各時(shí)段，處理組NAFF1、AFF1、AFF2的舍內(nèi)空氣溫度、空氣相對(duì)濕度進(jìn)行單因素方差分析與多重比較。所得結(jié)果列于表4。處理組NAFF1、AFF1、AFF2的舍內(nèi)日平均溫度分為（27.4±2.1）、（27.7±1.9）、（27.7±1.8）℃。各時(shí)刻舍內(nèi)平均溫度均表現(xiàn)為處理組AFF2＞AFF1＞NAFF1的規(guī)律，處理組NAFF1與處理組AFF1的舍內(nèi)平均溫度均沒(méi)有顯著性差異，8:00時(shí)處理組AFF2的舍內(nèi)平均溫度顯著高于處理組NAFF1、AFF1（＜0.05）。處理組NAFF1、AFF1、AFF2的舍內(nèi)日平均相對(duì)濕度分別為（83.6±6.0）%、（75.9±6.6）%、（74.6±5.8）%。1號(hào)舍加裝軸流風(fēng)機(jī)后，平均相對(duì)濕度下降9.2%。舍內(nèi)平均相對(duì)濕度均表現(xiàn)為處理組NAFF1＞AFF1＞AFF2的規(guī)律，處理組NAFF1舍內(nèi)平均相對(duì)濕度均顯著高于處理組AFF1、AFF2（＜0.05）。僅8:00時(shí)處理組AFF1的舍內(nèi)平均相對(duì)濕度顯著高于處理組AFF2（＜0.05），14:00與20:00時(shí)2組的平均相對(duì)濕度基本相同。

表4 舍內(nèi)溫度與相對(duì)濕度

2.2.3 THI指標(biāo)評(píng)價(jià)

1號(hào)舍內(nèi)THI指數(shù)橫向分布情況如圖4所示。NAFF1組8:00、14:00、20:00的平均THI分別為76.45±1.62、81.86±2.60、79.13±3.28，日平均THI為79.21±3.60。AFF1組8:00、14:00、20:00的平均THI分別為76.66±2.82、80.85±1.68、78.03±2.45，日平均THI為78.70±2.43。8:00時(shí)刻，舍內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的THI指數(shù)呈處理組AFF1＞NAFF1的規(guī)律，但未呈現(xiàn)顯著性差異（＞0.05）。14:00時(shí)刻，除測(cè)點(diǎn)A處，處理組AFF1的THI指數(shù)略高于處理組NAFF1，其余各點(diǎn)均呈現(xiàn)處理組NAFF1＞AFF1的規(guī)律，且未呈現(xiàn)顯著性差異（＞0.05）。20:00時(shí)刻，舍內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的THI指數(shù)呈處理組NAFF1＞AFF1的規(guī)律，同樣未呈現(xiàn)顯著性差異（＞0.05）。NAFF1組從濕簾端（測(cè)點(diǎn)A）至風(fēng)機(jī)端（測(cè)點(diǎn)F）THI指數(shù)有明顯上升的趨勢(shì)，8:00、14:00、20:00的增加量分別為1.31、1.57、0.82。AFF1組從濕簾端（測(cè)點(diǎn)A）至風(fēng)機(jī)端（測(cè)點(diǎn)F）THI指數(shù)有明顯下降的趨勢(shì)，8:00、14:00、20:00的減少量分別為0.87、0.80、0.98。

2號(hào)舍內(nèi)THI指數(shù)橫向分布情況如圖5所示。8:00、14:00、20:00的平均THI分別為77.92±1.66、80.61±1.93、77.04±2.43，日平均THI為78.47±2.47。14:00時(shí)各測(cè)點(diǎn)的THI指數(shù)顯著高于8:00與20:00（＜0.05）。2號(hào)舍內(nèi)THI指數(shù)分布從濕簾端（測(cè)點(diǎn)A）至風(fēng)機(jī)端（測(cè)點(diǎn)F）呈明顯下降的趨勢(shì)，8:00、14:00、20:00的減少量分別為0.72、1.76、1.71。2號(hào)舍內(nèi)THI值橫向分布表現(xiàn)為臥欄測(cè)點(diǎn)處（B、C、E、G、I）均波動(dòng)下降，飼喂走道測(cè)點(diǎn)處（A、D、F、H、J）均波動(dòng)上升。

當(dāng)72≤THI＜79時(shí)，奶牛處于輕度熱應(yīng)激，當(dāng)79＜THI≤88時(shí)，奶牛處于中度熱應(yīng)激，當(dāng)88＜THI≤99時(shí)，奶牛處于重度熱應(yīng)激[24]。本試驗(yàn)中，各測(cè)點(diǎn)的平均THI最大值為82.39±3.28，LPCV牛舍中沒(méi)有出現(xiàn)導(dǎo)致奶牛嚴(yán)重?zé)釕?yīng)激的極端情況。處理組NAFF1的舍內(nèi)THI值沿氣流方向，平均每米長(zhǎng)度上升0.05，這與鄧書(shū)輝等的CFD模擬結(jié)果，舍內(nèi)THI值沿氣流方向平均每米長(zhǎng)度增加0.03相似[25]。處理組AFF1、AFF2的舍內(nèi)THI值沿氣流方向，平均每米長(zhǎng)度下降0.03、0.02。加裝軸流風(fēng)機(jī)使得舍內(nèi)THI值沿氣流方向的變化趨勢(shì)改變，改善環(huán)境作用效果非常明顯。

2.2.4 ETIC指標(biāo)評(píng)價(jià)

分析比較1 號(hào)舍在裝備軸流風(fēng)機(jī)前后，相同臥欄處ETIC值的大小，判斷加裝軸流風(fēng)機(jī)對(duì)于舍內(nèi)環(huán)境的影響。所得結(jié)果列于表5。處理組NAFF1、AFF1臥欄處日平均ETIC值分別為24.64±2.09、22.71±1.55 ℃。加裝軸流風(fēng)機(jī)后，1號(hào)舍各列臥欄的ETIC指數(shù)均降低。其中8:00、14:00時(shí)第1、2列臥欄處ETIC值極顯著低于加裝前（<0.01）；14:00時(shí)第3、4列臥欄處ETIC值極顯著低于加裝前（<0.01），20:00時(shí)顯著低于加裝前（<0.05）。

表5 1 號(hào)舍奶牛臥欄處ETIC指標(biāo)

注：不同大寫字母表示處理間數(shù)據(jù)差異極顯著（<0.01），下同。

Note: Different uppercase indicate significant and remarkable difference between treatments (<0.01), the same as below.

ETIC值與THI值呈正相關(guān)關(guān)系（2=0.993 2），當(dāng)18 ℃≤ETIC＜20 ℃時(shí)，奶牛處于輕度熱應(yīng)激，當(dāng)20 ℃≤ETIC＜25 ℃時(shí)，奶牛處于中度熱應(yīng)激，當(dāng)25 ℃≤ETIC＜31 ℃時(shí)，奶牛處于重度熱應(yīng)激[26]。處理組NAFF1除8:00時(shí)臥欄上ETIC小于25 ℃，其余各時(shí)刻ETIC均大于25 ℃，說(shuō)明奶牛已經(jīng)處于重度熱應(yīng)激的環(huán)境下，而加裝軸流風(fēng)機(jī)后，處理組AFF1的4 列臥欄處ETIC值均顯著降低（＜0.05）且均小于25 ℃。這說(shuō)明加裝軸流風(fēng)機(jī)對(duì)于改善奶牛躺臥區(qū)域環(huán)境狀況效果顯著。本試驗(yàn)中對(duì)于奶牛皮膚溫度的統(tǒng)計(jì)分析也呈現(xiàn)了相同的結(jié)果。這與Wang等試驗(yàn)中的結(jié)論，ETIC指數(shù)可以用來(lái)解釋79%的皮膚溫度變化的原因相符[18]。

將2號(hào)舍內(nèi)每列臥欄處ETIC值的大小進(jìn)行單因素方差分析與多重比較，判斷不同欄位間的環(huán)境差異。所得結(jié)果列于表6。處理組AFF2臥欄處日平均ETIC值為22.03±1.39 ℃。14:00時(shí)，第8、9列臥欄處ETIC值顯著低于第1列與第4、5列測(cè)點(diǎn)處的值（＜0.05）。各時(shí)刻飼喂走道兩側(cè)臥欄處ETIC值均沒(méi)有顯著性差異，兩側(cè)臥欄處ETIC值的差值的最大值分別為0.63、0.82、0.63 ℃。此外，不同時(shí)刻的ETIC值在2 號(hào)舍內(nèi)的變化趨勢(shì)整體相似，均呈現(xiàn)先降低再升高后降低的趨勢(shì)，并且各時(shí)刻在加裝了軸流風(fēng)機(jī)的第2、3列與第6、7列臥欄處ETIC值均表現(xiàn)出了下降趨勢(shì)，而第4、5列臥欄處ETIC值均大于第2、3、6、7、8、9列處的值。

表6 2 號(hào)舍奶牛臥欄處ETIC指標(biāo)

2.2.5 有害氣體濃度評(píng)價(jià)

對(duì)各時(shí)段，處理組NAFF1、AFF1、AFF2的有害氣體濃度進(jìn)行單因素方差分析與多重比較。所得結(jié)果列于表7。試驗(yàn)期間，各時(shí)刻的NH3質(zhì)量濃度分析結(jié)果呈相同趨勢(shì)，均為處理組AFF2的NH3質(zhì)量濃度極顯著高于處理組NAFF1與AFF1（＜0.01）。各時(shí)刻的CO2質(zhì)量分析結(jié)果也呈相同趨勢(shì)，處理組NAFF1、AFF1與AFF2兩兩之間均呈現(xiàn)極顯著差異（＜0.01）。并且各時(shí)刻均表現(xiàn)為，處理組NAFF1的CO2質(zhì)量濃度最高，處理組AFF1的CO2質(zhì)量濃度最低。試驗(yàn)中3種處理組的CO2與NH3的質(zhì)量濃度均遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最高限度，舍內(nèi)空氣質(zhì)量良好[27]。

表7 NH3與CO2的質(zhì)量濃度

2.3 奶牛生理指標(biāo)分析

對(duì)各時(shí)段，處理組NAFF1、AFF1、AFF2的奶牛皮膚溫度與呼吸頻率，進(jìn)行單因素方差分析與多重比較。所得結(jié)果列于表8。呼吸頻率的比較分析結(jié)果，由高到底依次為處理組NAFF1、AFF1、AFF2，但各時(shí)刻的呼吸頻率均未表現(xiàn)顯著性差異（＞0.05）。各時(shí)刻處理組NAFF1的奶牛皮膚溫度極顯著高于處理組AFF1與AFF2（＜0.01）。

表8 奶牛皮膚溫度與呼吸頻率

3 討 論

3.1 風(fēng)速分析

對(duì)于軸流風(fēng)機(jī)工作性能的討論主要關(guān)注其實(shí)際工作效率情況。1號(hào)舍內(nèi)軸流風(fēng)機(jī)在各平面處平均風(fēng)速最高，并且其射流衰減速度與不均勻系數(shù)遠(yuǎn)低于2號(hào)舍第2、3列臥欄處風(fēng)機(jī)，這說(shuō)明軸流風(fēng)機(jī)在小尺寸的LPCV牛舍內(nèi)工作效率更穩(wěn)定，效果更顯著。2棟舍內(nèi)3排風(fēng)機(jī)的射流不均勻系數(shù)均表現(xiàn)為軸心區(qū)域最大，而兩側(cè)較小的規(guī)律，這與丁濤等的試驗(yàn)結(jié)果相同[28]。而3個(gè)處理組中，處理組AFF2的臥欄處日平均風(fēng)速最低，僅為1.62 m/s，也說(shuō)明了2號(hào)舍由于跨度更大飼養(yǎng)奶牛頭數(shù)更多，而有著比1號(hào)舍更大的通風(fēng)阻力。所以，軸流風(fēng)機(jī)的工作效率受牛舍跨度以及其安裝位置的影響,在大跨度LPCV牛舍，安裝位置靠近濕簾端的風(fēng)機(jī)工作效率更高。

1號(hào)舍、2號(hào)舍均表現(xiàn)出靠近風(fēng)機(jī)端的臥欄處風(fēng)速高于濕簾端，并且在加裝軸流風(fēng)機(jī)后，風(fēng)機(jī)端臥欄處風(fēng)速提升更加顯著。FLUENT軟件模擬結(jié)果同樣顯示出了靠近風(fēng)機(jī)端臥欄處風(fēng)速高于濕簾端的結(jié)果[29]，與本試驗(yàn)一致。2 號(hào)舍內(nèi)臥欄處風(fēng)速分布表現(xiàn)出兩端大，中間小的規(guī)律。在第4、5列臥欄處即第2 列飼喂走道的背風(fēng)側(cè)，風(fēng)速降至最低。這一方面是因?yàn)樾笊嶂胁看嬖谳^強(qiáng)的紊流導(dǎo)致風(fēng)速下降；另一方是因?yàn)閬?lái)風(fēng)側(cè)的空氣在遇到飼喂擋墻后發(fā)生向上的偏轉(zhuǎn)，高風(fēng)速區(qū)域的上移導(dǎo)致測(cè)定高度處風(fēng)速較低。鄧書(shū)輝等的試驗(yàn)中表現(xiàn)出了相同的結(jié)果，即牛舍橫斷面上氣流的高速區(qū)域呈波浪形分布，飼喂走道來(lái)風(fēng)側(cè)的風(fēng)速總是更高[4]。所以，加裝軸流風(fēng)機(jī)后并沒(méi)有顯著改善LPCV牛舍存在的風(fēng)速分布不均的問(wèn)題。研究表明，風(fēng)速分布不均與舍內(nèi)飼喂擋墻與擋風(fēng)板的同時(shí)設(shè)置有關(guān)，分別設(shè)置則不會(huì)造成影響[30]。對(duì)此類LPCV牛舍進(jìn)行改造，可以改變導(dǎo)流板的安裝角度。當(dāng)導(dǎo)流板與通風(fēng)垂直斷面的夾角增大時(shí)，牛舍換氣率與空氣不均勻系數(shù)均降低，而風(fēng)速則表現(xiàn)為先增大后減小[4]，呂潔等的研究表明，當(dāng)導(dǎo)流板與通風(fēng)垂直斷面的夾角為60°時(shí)，牛舍中氣流分布最均勻[31]，但若要獲得最高的風(fēng)速，則應(yīng)適當(dāng)減小導(dǎo)流板與垂直斷面的夾角。

3.2 舍內(nèi)環(huán)境分析

舍內(nèi)空氣溫度與相對(duì)濕度的分析結(jié)果表明，處理組NAFF1表現(xiàn)為非常嚴(yán)重的高溫高濕環(huán)境狀況，舍內(nèi)各時(shí)刻最高平均相對(duì)濕度達(dá)到92.5%。這說(shuō)明利用橫向濕簾通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行等焓降溫，已經(jīng)達(dá)到了極限。即當(dāng)濕度過(guò)大時(shí)，僅利用濕簾冷風(fēng)機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法繼續(xù)改善舍內(nèi)熱環(huán)境狀況。研究表明，相對(duì)濕度為50%～70%的環(huán)境下奶牛感到舒適[32]，而處理組NAFF的舍內(nèi)日平均相對(duì)濕度已達(dá)到83.6%。在張瑞華等的研究中，在上海地區(qū)利用濕簾冷風(fēng)機(jī)降溫，降溫幅度達(dá)到3.01 ℃時(shí)，舍內(nèi)日平均空氣相對(duì)濕度已達(dá)到88.17%[33]。在陳昭輝等的研究中，安裝吊頂改善濕簾降溫牛舍內(nèi)環(huán)境后，舍內(nèi)日平均空氣相對(duì)濕度仍達(dá)到了81.7%[34]。而本試驗(yàn)中，處理組AFF1、AFF2舍內(nèi)日平均空氣相對(duì)濕度僅為75.9%、74.6%。本試驗(yàn)中較低的舍內(nèi)空氣相對(duì)濕度得益于牛舍通風(fēng)量與換氣次數(shù)的提升，加裝軸流風(fēng)機(jī)后1號(hào)舍換氣次數(shù)提升至6.75次/min，2號(hào)舍提升至4.99 次/min。高空氣流通量帶走了舍內(nèi)的水蒸氣，使得舍內(nèi)空氣相對(duì)濕度下降。因此，加裝軸流風(fēng)機(jī)后顯著降低舍內(nèi)相對(duì)濕度（<0.05），有效改善了舍內(nèi)熱環(huán)境，避免奶牛長(zhǎng)期處于高溫高濕的環(huán)境中。

加裝軸流風(fēng)機(jī)使得舍內(nèi)THI值沿氣流方向的變化趨勢(shì)改變，此外，本試驗(yàn)中的3個(gè)不同處理組，日平均THI值呈處理組NAFF1>AFF1>AFF2的規(guī)律，這同樣說(shuō)明加裝軸流風(fēng)機(jī)后，改善了舍內(nèi)熱環(huán)境的高濕高熱狀況，減緩了奶牛熱應(yīng)激。然而，加裝軸流風(fēng)機(jī)后并沒(méi)有顯著改善LPCV牛舍內(nèi)風(fēng)速分布不均的問(wèn)題，飼喂走道兩側(cè)的ETIC值并沒(méi)表現(xiàn)顯著性差異，且差值小于1 ℃。這說(shuō)明加裝軸流風(fēng)機(jī)可以在改善舍內(nèi)熱應(yīng)激環(huán)境的同時(shí)，并不會(huì)導(dǎo)致舍內(nèi)環(huán)境分布不均勻，而對(duì)奶牛造成影響。

本試驗(yàn)中3種處理組舍內(nèi)的有害氣體濃度均遠(yuǎn)低于自然通風(fēng)的牛舍。跟據(jù)Harner等的研究表明，LPCV牛舍的有害氣體排放以含N氣體為主[36]，與本試驗(yàn)結(jié)果相符。陳昭輝等的研究表明，負(fù)壓通風(fēng)牛舍內(nèi)NH3質(zhì)量濃度與相對(duì)濕度呈顯著正相關(guān)關(guān)系[36]，本試驗(yàn)中處理組NAFF1的舍內(nèi)NH3質(zhì)量濃度高于處理組AFF1，但并沒(méi)有顯著性差異。然而，本試驗(yàn)中，各時(shí)刻處理組AFF2的NH3濃度均極顯著大于處理組NAFF1與AFF1（<0.01）。這表明含N類有害氣體濃度的多少主要與LPCV牛舍的面積大小以及飼養(yǎng)奶牛的數(shù)量有關(guān)，而LPCV牛舍容易積累N類有害氣體的問(wèn)題，沒(méi)有通過(guò)加裝軸流風(fēng)機(jī)得到改善。CO2的濃度分析結(jié)果表明，加裝軸流風(fēng)機(jī)后可以極顯著降低舍內(nèi)CO2的含量（<0.01），但隨著牛舍面積的增大與飼養(yǎng)奶牛數(shù)量的增多，CO2濃度仍呈增大趨勢(shì)，在本試驗(yàn)中表現(xiàn)為各時(shí)刻的CO2濃度處理組AFF2＞處理組AFF1。

3.3 奶牛生理指標(biāo)分析

荷斯坦奶牛的呼吸頻率隨溫度的升高而升高，在空氣溫度21～27 ℃時(shí)，急劇上升[37]。只有當(dāng)THI>80時(shí)，高產(chǎn)奶牛的呼吸頻率變化存在顯著性差異[32]。本試驗(yàn)中，3個(gè)處理組各時(shí)刻呼吸頻率沒(méi)有顯著性差異（>0.05），一方面因?yàn)門HI值并沒(méi)有顯著性差異，一方面因?yàn)樯醿?nèi)空氣溫度沒(méi)有顯著性差異。但14:00時(shí)各處理組的奶牛呼吸頻率均顯著高于8:00、20:00（<0.05），這與平均溫度在一天之中的變化規(guī)律相符。因此在舍內(nèi)加裝軸流風(fēng)機(jī)并。不會(huì)導(dǎo)致奶牛呼吸頻率的顯著改變。

空氣溫度并不是影響奶牛皮膚溫度的唯一因素，風(fēng)速對(duì)皮膚溫度的高低有著顯著性影響[38]，而在熱應(yīng)激情況下，相對(duì)濕度則會(huì)對(duì)皮溫會(huì)造成更大的影響[4]。所以，即使各時(shí)刻3 個(gè)處理組的舍內(nèi)溫度差異并不大，但相對(duì)濕度的顯著性差異使得各時(shí)刻奶牛皮溫都表現(xiàn)處極顯著差異（<0.01）。

4 結(jié) 論

1）對(duì)于風(fēng)機(jī)評(píng)價(jià)的結(jié)果表明，軸流風(fēng)機(jī)的工作效率受牛舍跨度以及其安裝位置的影響，1號(hào)舍內(nèi)軸流風(fēng)機(jī)軸心風(fēng)速衰減最少，為21.3%，風(fēng)速不均勻系數(shù)小于0.20；2號(hào)舍內(nèi)，靠濕簾端的風(fēng)機(jī)軸心風(fēng)速與平面平均風(fēng)速更高，但不均勻系數(shù)更大，射流場(chǎng)均勻性差。

2）1號(hào)舍加裝軸流風(fēng)機(jī)后，過(guò)簾風(fēng)速提升45.6%；舍內(nèi)臥欄處風(fēng)速提升10.8%，進(jìn)風(fēng)量增加418 339.09 m3/h。2號(hào)舍濕簾端過(guò)簾風(fēng)速為1.96±0.20 m/s，臥欄處平均風(fēng)速為1.62±0.91 m/s，進(jìn)風(fēng)量為1 008 568.80 m3/h，滿足夏季通風(fēng)需求。

3）1號(hào)舍加裝軸流風(fēng)機(jī)后，平均相對(duì)濕度下降9.2%、為（75.9±6.6）%。2號(hào)舍內(nèi)平均相對(duì)濕度為（74.6±5.8）%。加裝軸流風(fēng)機(jī)使得牛舍內(nèi)THI值沿氣流方向的變化趨勢(shì)改變，改善舍內(nèi)環(huán)境作用顯著。

4）處理組NAFF1、AFF1、AFF2臥欄處日平均ETIC值分別為（24.64±2.09）、（22.71±1.55）、（22.03±1.39）℃，熱應(yīng)激環(huán)境狀況改善明顯。加裝軸流風(fēng)機(jī)后，奶牛呼吸頻率降低、皮膚溫度顯著降低，加裝軸流風(fēng)機(jī)有利于創(chuàng)造適宜奶牛生存的環(huán)境。

[1]Lobeck K M, Endres M I, Janni K A, et al. Environmental characteristics and bacterial counts in bedding and milk bulk tank of low profile cross-ventilated, naturally ventilated, and compost bedded pack dairy barns[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2012, 28(1): 117-128.

[2]張尚印，宋艷玲，張德寬，等. 華北主要城市夏季高溫氣候特征及評(píng)估方法[J]. 地理學(xué)報(bào)，2004，59(3)：383-390.

Zhang Shangyin, Song Yanling, Zhang Dekuan, et al. The climatic characteristics of high temperature and the assessment method in the large cities of Northern China[J]. Acta Geographica Sinica, 2004, 59(3): 383-390. (in Chinese with English abstract)

[3]呂慧潔. 沈陽(yáng)地區(qū)LPCV牛舍通風(fēng)系統(tǒng)的夏季運(yùn)行策略研究[D]. 沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2018.

Lyu Huijie. Research on Operation Strategy of Ventilation System of Low Profile Cross Ventilated Barn in Summer[D]. Shenyang: Shenyang University of Technology, 2018. (in Chinese with English abstract)

[4]鄧書(shū)輝. 低屋面橫向通風(fēng)牛舍環(huán)境數(shù)值模擬及優(yōu)化[D]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

Deng Shuhui. Numerical Simulation and Optimization of Environment in Low Profile Cross Ventilated Dairy Cattle Barn[D].Beijing: China Agricultural University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[5]Bernabucci U, Biffani S, Buggiotti L, et al. The effects of heat stress in Italian Holstein dairy cattle[J]. Journal of Dairy Science, 2014, 97(1): 471-486.

[6]Zhou B, Wang X, Mondaca M R, et al. Assessment of optimal airflow baffle locations and angles in mechanically-ventilated dairy houses using computational fluid dynamics[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2019, 165: 104930.

[7]陳昭輝，馬一暢，劉睿，等. 夏季肉牛舍濕簾風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)系統(tǒng)的環(huán)境CFD模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(16)：211-218.

Chen Zhaohui, Ma Yichang, Liu Rui, et al. Numerical simulation of environmental conditions for fan-pad evaporative cooling system of beef cattle barn in summer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 211-218. (in Chinese with English abstract)

[8]Harner J P, Smith J F, de Haro Marti M, et al. Comprehensive evaluation of a low-profile cross-ventilated freestall barn[C]// Proceeding of the 7thWestern Dairy Management Conference. Reno: Western Dairy Management Conference, 2007: 127-147.

[9]丁濤，趙洋，施正香，等. 導(dǎo)流罩長(zhǎng)度對(duì)農(nóng)用軸流風(fēng)機(jī)性能的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2018，49(12)：135-142，187.

Ding Tao, Zhao Yang, Shi Zhengxiang, et al. Influence of length of shroud on performance of agricultural axial fan[J]. Transactions of The Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(12): 135-142, 187. (in Chinese with English abstract)

[10]盛曉茜，趙玉軍. 軸流風(fēng)機(jī)流場(chǎng)分析及導(dǎo)流板優(yōu)化[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用，2012，25(3)：33-34，37.

Sheng Xiaoxi, Zhao Yujun. The optimization of the axial fan guide plates[J].Mechanical Research Application, 2012, 25(3): 33-34, 37. (in Chinese with English abstract)

[11]劉奇. 軸流風(fēng)機(jī)流動(dòng)特性研究[D]. 蘭州：蘭州交通大學(xué)，2018.

Liu Qi. Study on Flow Characteristics of Axial Flow Fan[D].Lanzhou: Lanzhou Jiaotong University, 2018. (in Chinese with English abstract)

[12]馬承偉. 農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程[M]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2005.

[13]鄧書(shū)輝，施正香，李保明，等. 低屋面橫向通風(fēng)牛舍空氣流場(chǎng)CFD模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(6)：139-146.

Deng Shuhui, Shi Zhengxiang, Li Baoming, et al. CFD simulation of airflow distribution in low profile cross ventilated dairy cattle barn[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(6):139-146. (in Chinese with English abstract)

[14]Harner J P, Smith J F, Millner R. Characteristics of low-profile cross-ventilated freestalls[C]// Proceeding of dairy research 2006. Kansas: Kansas State University. Agricultural Experiment Station and Cooperative Extension Service, 2006: 49-51.

[15]Nasr M A F, El-Tarabany M S. Impact of three THI levels on somatic cell count, milk yield and composition of multiparous Holstein cows in a subtropical region[J]. Journal of Thermal Biology, 2017, 64: 73-77.

[16]Herbut P, Angrecka S . Relationship between THI level and dairy cows' behaviour during summer period[J]. Italian Journal of Animal Science, 2018, 17(1): 226-233.

[17]Ammer S, Lambertz C, Von Soosten D, et al. Impact of diet composition and temperature–humidity index on water and dry matter intake of high‐yielding dairy cows[J]. Journal of Animal Physiology and Animal Nutrition, 2018, 102(1): 103-113.

[18]Wang X S, Gao H D, Gebremedhin Kifle G, et al. A predictive model of equivalent temperature index for dairy cattle (ETIC)[J]. Journal of thermal biology, 2018, 76: 165-170.

[19]Mader T L, Johnson L J, Gaughan J B. A comprehensive index for assessing environmental stress in animals[J]. Journal of Animal Science, 2010, 88(6): 2153-2165.

[20]Mader T L, Davis M S, Gaughan J B. Effect of sprinkling on feedlot microclimate and cattle behavior[J]. International Journal of Biometeorology, 2007, 51(6): 541-551.

[21]Silva R L, Brito S X. Experimental evaluation of energy efficiency and velocity fields on a low-pressure axial flow fan (desktop type)[J]. Energy Efficiency, 2019, 12(3): 1-14.

[22]Yi Q, Koenig M, Janke D, et al. Wind tunnel investigations of sidewall opening effects on indoor airflows of a cross-ventilated dairy building[J]. Energy and Buildings, 2018, 175: 163-172.

[23]Franco A, Valera D L, Pena A, et al. Aerodynamics analysis and CFD simulation of several cellulose evaporative cooling pads used in Mediterranean greenhouse[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2011, 76(2): 218-230.

[24]張利敏. 熱應(yīng)激對(duì)奶牛生產(chǎn)性能、反芻行為及躺臥行為的影響[D]. 西安：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2019.

Zhang Limin. Effects of Heat Stress on Performance, Rumination Behavior and Lying Behavior in Dairy Cows[D].Xi’an: Northwest A&F University, 2019. (in Chinese with English abstract)

[25]鄧書(shū)輝，施正香，李保明，等. 低屋面橫向通風(fēng)牛舍溫濕度場(chǎng)CFD模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(9)：209-214.

Deng Shuhui, Shi Zhengxiang, Li Baoming, et al. CFD simulation of temperature and humidity distribution in low profile cross ventilated dairy cattle barn[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(9): 209-214. (in Chinese with English abstract)

[26]Wang X, Gao H, Gebremedhin K G , et al. Corrigendum to “A predictive model of equivalent temperature index for dairy cattle (ETIC)”[J]. Journal of Thermal Biology, 2018, 82: 252-253.

[27]中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部. 畜禽場(chǎng)環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：NY/T 388－1999[S]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，1999.

[28]丁濤，施正香，楊建寶，等. 開(kāi)放式奶牛舍擾流風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器性能參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(3)：319-327.

Ding Tao, Shi Zhengxiang, Yang Jianbao, et al. Optimization of diffuser parameters of mixing flow fans in open dairy house[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(3): 319-327. (in Chinese with English abstract)

[29]吳亞平. 沈陽(yáng)地區(qū)低屋面橫向通風(fēng)牛舍空氣CFD數(shù)值模擬[D]. 沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2016.

Wu Yaping. CFD Numerical Simulation of the Air of Low Profile Cross Ventilated Barn in Shengyang[D]. Shenyang: Shenyang University of Technology, 2016. (in Chinese with English abstract)

[30]鄧書(shū)輝，施正香，李保明，等. 擋風(fēng)板對(duì)低屋面橫向通風(fēng)牛舍內(nèi)空氣流場(chǎng)影響的PIV測(cè)試[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(1)：188-194.

Deng Shuhui, Shi Zhengxiang, Li Baoming, et al. Influence of baffle on air flow field in low profile cross ventilated cattle barn analysis based on PIV test[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(1):188-194. (in Chinese with English abstract)

[31]呂潔，吳亞平，周勃，等. 低屋面橫向通風(fēng)牛舍傾斜擋風(fēng)板流場(chǎng)數(shù)值模擬[J]. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，37(6)：700-704.

Lv Jie, Wu Yaping, Zhou Bo, et al. Numerical simulation for flow field of sloping wind deflector in low profile cross ventilation cow barn[J]. Journal of Shenyang University of Technology, 2015, 37(6):700-704. (in Chinese with English abstract)

[32]劉影. 基于CFD的牛舍熱環(huán)境模擬、優(yōu)化及制冷系統(tǒng)的研究[D]. 福州：福建農(nóng)林大學(xué)，2018.

Liu Ying. Study on the Indoor Thermal Environmental Simulation and Optimal Design of Cow Building Based on CFD and Study on Refrigeration System[D]. Fuzhou: Fujian Agriculture and Forestry University, 2018. (in Chinese with English abstract)

[33]張瑞華. 奶牛舒適度調(diào)控新技術(shù)的應(yīng)用研究[D]. 南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2017.

Zhang Ruihua. Studies on Application of New Technology for Cow’s Comfort Regulation[D].Nanjing: Nanjing Agricultural University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[34]陳昭輝，熊浩哲，馬一暢，等. 吊頂對(duì)濕簾風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)牛舍環(huán)境及牛生理的影響研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(9)：175-184.

Chen Zhaohui, Xiong Haozhe, Ma Yichang, et al. Influence of ceiling on environment and physiological property of beef in beef cattle barn using tunnel ventilation system with fan-pad evaporative cooling system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(9): 175-184. (in Chinese with English abstract)

[35]Harner J P, Smith J F. Low-profile cross-ventilated freestall facilities-A 2 year summary[C]//Proceeding of the 2008 High Plains Dairy Conference. Albuquerque: High Plains Dairy Conference, 2008: 65-78.

[36]陳昭輝，劉媛媛，吳中紅，等. 噴霧與縱向負(fù)壓通風(fēng)相結(jié)合的封閉牛舍降溫效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(19)：211-218.

Chen Zhaohui, Liu Yuanyuan, Wu Zhonghong, et al. Cooling effects of spraying combined with tunnel negative pressure ventilation in enclosed feedlot barn[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(19): 211-218. (in Chinese with English abstract)

[37]Du Preez J H. Parameters for the determination and evaluation of heat stress in dairy cattle in South Africa[J]. The Onderstepoort journal of veterinary research, 2000, 67(4): 263-271.

[38]Ivana K, Kunc P, Marie K, et al. Evaluation of naturally ventilated dairy barn management by a thermographic method[J]. Livestock Production science, 2002, 77(2/3): 349-353.

Analysis of ventilation and cooling effects of installing axial fans in wet curtain cooling dairy cattle barn

Chen Zhaohui1, Ren Fangjie1, Yu Tong1, Tang Man1, Jiang Ruixiang1, Liu Jijun1※,Li Shujing2, Su Hao3

(1. C,,100193,; 2.,050227,; 3.,100102,)

High temperature and humidity often occur in summer, since one type of dairy cattle barn, the low profile cross ventilated (LPCV) was introduced into North China. This study aims to evaluate the effect of axial flow fan applied in various sizes of LPCV dairy cattle barns, thereby improving the living environment of cattle. A field pre-test was carried out to verify the experimental simulation of air flow field. Low-pressure axial flow fans with large flow were installed at the leeward side of deflectors in two LPCV dairy cattle barns with different sizes. One axial flow fan was equipped with 6 deflectors, the blade diameter of 1 830 mm, the rated power of 2 237.1 W, and the maximum air volume of 86 000 m3/h. The results showed that the working efficiency of axial flow fans depended mainly on the installation position and the span of the cowshed. In the cowshed with a small span, the nonuniformity coefficient of wind speed was less than 0.20. In the cowshed with a large span, the higher working efficiency was achieved in the fans that were installed near the end of the wet curtain, although the nonuniform coefficient was larger with relatively low uniformity of jet field. In cowshed 1, the wind speed of the fan jet decreased by 25.3%, from plane A (3.0 m away from the pole) to plane C (6.0 m away from the pole). In cowshed 2, the wind speed of the fan jet at row 2 to 3 and row 6 to 7 decreased by 31.5% and 24.8%, respectively. An evaluation was obtained on the environmental conditions and physiological indexes of dairy cows after the installation of axial flow fans. In cowshed 1, the wind speed through the wet curtain was (2.17±0.20) m/s, increasing by 45.6%, while the wind speed at the stalls was (1.95±0.85) m/s, increasing by 10.8%, where the intake rate of air increased by 418 339.09 m3/h. In the cowshed, the average temperature was (27.7±1.9)℃, and the average relative humidity was (75.9 ± 6.6)%, decreasing by 9.2%CO2. The average respiratory rate and skin temperature of cows decreased significantly (<0.05). In cowshed 2, the wind speed through the wet curtain was (1.96 ± 0.20) m/s, while the average wind speed at the horizontal fence was (1.62±0.91) m/s, and the air intake rate was 1 008 568.80 m3/h, meeting the needs of ventilation and cooling in summer. In the cowshed, the average temperature was (27.7±1.8)℃, and the average relative humidity was (74.6±5.8)%. There was no significant difference in the average temperature, the average relative humidity, the respiratory rate, and skin temperature of dairy cows in cowshed 1 with axial flow fan (>0.05). Furthermore, the daily average equivalent temperature index for cattle (ETIC) values for the group no axial flow fan 1 (NAFF1), axial flow fan 1 (AFF1), and axial flow fan 2 (AFF2) were 24.64±2.09 ℃, 22.71±1.55 ℃ and 22.03±1.39 ℃, respectively. The temperature-humidity index (THI) value in the barns showed a downward trend from the end of the wet curtain to the fan end, after the installation of axial flow fans. The THI value in the treatment group of AFF1 and AFF2 decreased by 0.03 and 0.02 per meter along the airflow direction, opposite to that before installing the fan. The installation of an axial flow fan can significantly improve the barn environment for the better living of dairy cows.

temperature; ventilation; fan; low profile cross ventilated; dairy cattle barn; thermal environment; heat stress; optimization

陳昭輝，任方杰，于桐，等. 加裝大風(fēng)量風(fēng)機(jī)對(duì)夏季濕簾降溫奶牛舍的防暑降溫效果分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(5)：198-208.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.023 http://www.tcsae.org

Chen Zhaohui, Ren Fangjie, Yu Tong, et al. Analysis of ventilation and cooling effects of installing axial fans in wet curtain cooling dairy cattle barn[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(5): 198-208. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.023 http://www.tcsae.org

2020-09-14

2021-01-23

政府間國(guó)際科技創(chuàng)新合作重點(diǎn)專項(xiàng) SQ2019YFE011773；國(guó)家肉牛牦牛產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-37）

陳昭輝，副教授，研究方向?yàn)樾竽镰h(huán)境工程。Email：chenzhaohui@cau.edu.cn

劉繼軍，教授，研究方向?yàn)橛谛竽镰h(huán)境工程。Email：liujijun@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.023

S823.9+1; S817.3

A

1002-6819(2021)-05-0198-11