保温灯变功率供暖对哺乳仔猪环境调控及节能效果

王美芝，任方杰，臧建军，陈泽鹏，郝 薇，张霞霞，刘继军

保温灯变功率供暖对哺乳仔猪环境调控及节能效果

王美芝，任方杰，臧建军，陈泽鹏，郝 薇，张霞霞，刘继军※

（中国农业大学动物科技学院，北京 100193）

为探究保温灯温度自动控制对哺乳仔猪温度调控和节能效果，选用可控硅作为控制器的控制电路主体，以PID（proportional, integral and derivative）算法的单片机对保温灯进行变功率温度控制。选择北方地区某猪场2 个产房单元（23 头母猪、25 个250 W保温灯/单元），对照单元恒定功率供暖，试验单元保温灯温度自动控制供暖。结果表明，试验期间，产房内平均温度为20.7 ℃，试验单元与对照单元保温灯正下方距离地面0.3 m高处日平均温度在仔猪出生后第1周均为27.4 ℃，第2周分别为27.2和27.5 ℃，第3周分别为26.8和27.4 ℃。试验单元和对照单元保温灯正下方实体地板表面温度的平均值范围分别为29.5～31.0和31.0～30.6 ℃，漏缝地板表面温度的平均值均为22.9～23.0 ℃。哺乳仔猪21 日龄断奶每批次可节能25.4%，试验条件下，保温灯温度自动控制2 个冬季可回收设备成本。试验单元和对照单元保温灯正下方、侧下方实体地板和漏缝地板仔猪躺卧比例分别为40.7%～66.5%、14.4%～33.4%和0.9%～8.7%。结合地暖供暖，在无仔猪保温箱情况下，保温灯温度自动控制系统基本满足哺乳仔猪21日龄内温度需求，不仅节能，而且有利于减少仔猪死亡率并提高日增质量。

自动控制；温度；行为；变功率加热；保温灯；节能；产房；哺乳仔猪

0 引 言

产房中仔猪的死亡是养猪业一大损失，而断奶前仔猪的死亡原因主要是压死，压死的根本原因之一是仔猪的冷应激导致仔猪被母猪压死[1]，目前，猪场普遍养殖的高生长速率选育品种仔猪的脂肪较地方猪梅山猪和欧系大白猪更低因而抵抗寒冷的能力更弱[2]，若仔猪环境温度过低将最终导致死亡[3]。产房中母猪的适宜温度为18～22 ℃，该温度不能满足初生仔猪温度需求（出生第1周需要28～32 ℃）[4]，仔猪需要局部供暖提供所需温度。仔猪局部供暖主要使用仔猪保温灯，目前常用的不同类型仔猪保温灯在功率相同和使用时间相同情况下能耗基本相同[5]。小规模猪场产房中仔猪局部常使用仔猪保温箱，研究表明，出生后48 h内的仔猪更加倾向于躺卧在母猪或者同伴身边而不是躺卧在保温箱内[6]，目前，大规模猪场因此并为便于观察仔猪和便于消毒而偏向于取消仔猪保温箱。有数据表明母猪旁水泥地面在未加热的情况下平均温度为24.0 ℃[7]，该温度对仔猪偏低，为了给仔猪提供适宜的温度，仔猪保温灯是必备的局部供暖设备。目前的保温灯均是恒定功率，随着仔猪日龄的增加，仔猪对温度的需求逐渐下降，而恒定功率保温灯下温度不可调，在Zhang等[8]的试验中，保持满功率运行的保温灯正下方仔猪躺卧率甚至低于保温灯侧下方的躺卧率，保温灯满功率运行即浪费电能又不能为仔猪提供舒适的温度，而且保温灯多余的散热还会增加母猪的热应激程度。

因此，如何在生产中提供仔猪适宜的热环境同时提高仔猪对于保温供暖区域的利用率并降低供暖能耗尤为重要。由于仔猪对于保温供暖区域的利用率不仅受供暖区域热环境的影响，还受到仔猪日龄的增加以及群体社会环境变化[9]的影响，在大规模猪场的产房内，保温灯数量可达24～72个，对每个产栏内仔猪区域温度进行人为精确调整费时费力并难以实现，因此，急需使用温度自动控制方法对仔猪保温供暖区域的热环境进行自动调控。

关于仔猪保温灯温度自动控制方面的研究，于明珠等[10]设计了基于PLC（programmable logic controller）的继电器控制保温灯开闭的控制方法，仅对2个产仔栏保温灯进行了温度控制的温度控制效果试验。同样，刘芳等[11]的仔猪保温灯自动控制试验中也给出了一种继电器控制保温灯开闭的温度控制方案并对比了使用继电器控制与不使用继电器控制对节能的影响。利用继电器频繁的直接开闭电源将会对保温灯造成损伤，降低保温灯使用年限，而且继电器控制方法易造成温度波动，温度波动较大时将对仔猪生产性能造成不利影响[12-14]，Juliana等[15]比较了运用PID算法控制和恒温控制器对保育猪温度控制的节能效果和生产性能，结果表明PID控制方法优于恒温控制器控制方法，但论文未对PID控制方法应用于哺乳仔猪的节能效果进行研究。冯江等[16]研究了利用自适应模糊PID算法对妊娠猪舍温度和通风进行控制的算法，朱伟兴等[17]研究了保育猪舍的环境监控系统，二者均未对哺乳仔猪保温灯局部温度控制进行探讨。

本文设计了基于PID控制算法的哺乳仔猪保温灯局部供暖温度控制系统与不使用温度控制器的仔猪保温灯局部供暖系统的电能消耗、仔猪局部温度和行为的比较试验，以期寻找可以节约产房哺乳仔猪局部供暖的电能消耗而又不影响仔猪成活率的仔猪局部温度控制方案。

1 材料与方法

1.1 试验猪舍基本情况

选择河北省丰宁动物试验基地，在1栋产房内选择相同的2个单元，单元的建筑尺寸为27.0 m×8.0 m× 2.9 m，墙体为240 mm厚砖墙，单元内为2列产床3列走道对尾式布局，设有产床26 个，尺寸为1.8 m×2.2 m，产栏内实体供暖地面、头部漏缝地板和尾部漏缝地板宽分别为1.3、0.3和0.6 m，每侧产床下方铺设水暖管，水暖管保持稳定运行，每2个产床中间隔断处，吊有1个保温灯，保温灯距产床地面高度为0.4 m。产房采用自然通风，并且装配有无动力风帽。全场按1周生产节律组织生产，执行“全进全出”的生产工艺流程，采用干清粪模式，每日清粪3次，母猪提前1周进产房。仔猪出生后立即除去胎盘包膜，系上脐带，放到单独的有干燥粉的保温箱内，15 min后，将仔猪放置到母猪旁的仔猪休息区域，帮助仔猪获得初乳，并在出生后24 h内断尾、剪牙，5 日龄补饲教槽料，28 日龄断奶。

试验单元母猪23 头，总产活仔数240头，断奶仔猪213头。对照单元母猪亦为23头，总产仔数260头，断奶仔猪225头。试验单元与对照单元实际运行保温灯数量均为25个，每个保温灯功率为250 W。试验组装配保温灯温度自动控制系统，根据设定温度自动控制保温灯的运行功率；对照组采用恒定功率供暖。试验期间试验单元与对照单元保温灯24 h开启，试验单元保温灯温度自动控制器保持24 h持续工作。

1.2 试验方法

1.2.1 温度控制方案

保温灯温度自动控制器由温度感应探头、控制单元与控制输出单元组成，温度感应探头接收到的热信号后转化为电信号传入单片机内，单片机接收到的信号并进行PID数据运算处理后，控制可控硅整流器调整输出电压从而调整功率，控制器逻辑控制图如图1所示，可控硅整流器采用过零触发调功方式，对用电设备如保温灯不产生干扰等优点[18]，本套自动控制器可承受保温灯总运行功率为10 000 W。试验单元配备1套温度自动控制器控制整个单元内所有的保温灯，为防止仔猪啃咬，将温度感应探头悬挂在仔猪保温区域上方距产床0.8 m高度处。温度自动控制器共设有5个档位，当温度感应探头感应温度低于设定温度6.0 ℃时，保温灯保持100%的功率输出，感应温度每升高1.0 ℃，保温灯功率下降20%，控制箱上直接显示保温灯的功率输出比例，便于调控监测。仔猪出生至7日龄设置温度为30.0 ℃[4]，之后每周降低2.0 ℃至仔猪21日龄，21日龄至28日龄设置温度不再降低，对照单元每个保温灯保持恒定功率。

图1 温度控制器逻辑控制图

1.2.2 环境数据测定

试验开始和结束时间分别为2018年1月20日和2018年2月9日。因试验仪器有限，试验单元和对照单元内整舍逐时温湿度参考同一时间、同一栋产房内、猪只头数与猪舍建筑和环境控制方式均完全相同的其他单元温湿度自动记录数据。为监测比较试验单元和对照单元整舍环境状况，分别在试验单元和对照单元中间走道均匀设置4个温湿度测点，手动测定舍内温湿度，代表舍内整舍环境状况，舍内整舍温湿度测点的平面分布见图2a。为监测比较试验单元和对照单元产床局部环境状况，分别在试验单元和对照单元2侧设置8 个产床局部温湿度测定区域，测定产床内温湿度。产床内局部温湿度测点平面分布见图2b，由于保温灯辐射中心及周边及不同高度位置温度不均等特点，在保温灯正下方设置2个测点c1和d1、保温灯侧下方设置4个测点a1、b1、e1和f1、漏缝地板处设置2个测点g1和h1测定局部空气温湿度，局部空气温湿度的测点高度为0.3 m（哺乳仔猪站立高度）；在上述8个空气温湿度测点下方对应设置8 个地板温度测点a2、b2、c2、d2、e2、f2、g2和h2；产床内局部温湿度测点的立面见图2c。由于仔猪倾向于在母猪尾部附近躺卧，而几乎不在母猪头部附近躺卧[8]，因此未在头部漏缝地板处布置温湿度测定点。在舍外空旷地带设置1 个测点监测舍外温湿度，舍外温湿度采用温湿度自动记录仪（型号Apresys179-TH，艾普瑞精密光电有限公司，精度分别为±0.3 ℃，±3% RH），温湿度自动记录仪悬挂在百叶箱中，连续测定舍外温湿度，每5 min记录1次数据。试验单元和对照单元内整舍逐时温湿度参考来源的温湿度监测仪器和数据记录时间间隔同舍外。为防止仔猪啃咬温湿度自动记录仪，仅使用手持温湿度计（型号TES-625，精度±0.3 ℃，±2% RH）定时监测产床局部空气温湿度，每个测点每日测3次，测定时间为每日08:00、14:00和20:00。地板温度测温仪采用红外测温仪（型号HT-833，精度±2%），测定时间同产床局部空气温湿度。

注: 表示保温灯，表示产床局部温度和相对湿度测定区域，△表示整舍温度与相对湿度测定点，表示温度自动控制器，—·— 表示控制器与保温灯的连接线，---- 表示地暖管，□表示自动喂料器，■表示产床内温度与相对湿度记录点, a～h表示水平方向上记录点的分布，1、2表示竖直方向上记录点的分布，表示温度感应探头。

1.2.3 行为测定

记录试验单元和对照单元每天08:00、14:00和20:00所有仔猪的行为并统计各个行为仔猪数占单元内所有仔猪数的比例，包括吮乳、活动、保温灯正下方躺卧、保温灯侧下方躺卧、母猪旁躺卧、漏缝地板躺卧。仔猪躺卧行为的判定方式参考Vasdal等的研究[19]，其中躺卧在保温灯辐射范围以内的仔猪记为保温灯正下方躺卧，在保温灯辐射范围以外且在实体地板上躺卧的仔猪记为保温灯侧下方躺卧，身体与母猪接触为在母猪旁躺卧的仔猪。在保温灯辐射边缘区域躺卧的仔猪，若身体大半部分躺卧在辐射区域外或身体与辐射区域外的仔猪接触，则记录为保温灯侧下方躺卧，若身体大半部分躺卧在辐射区域内或身体与辐射区域内的仔猪接触，则记录为保温灯正下方躺卧。记录仔猪行为时，保持安静，并在大部分仔猪处于非吮乳状态时进统计记录。

1.2.4 生产性能分析方法

生产性能的指标测定包括窝产仔数、窝产活仔数、每周的死亡率、哺乳期成活率、仔猪出生质量、断奶质量、平均日增质量。窝产仔数在母猪生产后立即记录，窝产活仔数指窝产仔数减去死胎数，每周的死亡率为1 周内所有的死亡仔猪数与上1 周总活仔数之比，哺乳期成活率为断奶仔猪数与总产活仔数之比，仔猪断奶质量为仔猪在转出产房之前（28 日龄断奶），以单元为单位称质量。

1.2.5 能耗与经济效益分析方法

试验单元与对照单元各安装1块电表，每天记录1次电表数值，计算每只保温灯每天的平均耗电量，每天记录3次控制器显示的保温灯功率输出比例，记录时间为08:00、14:00和20:00，并按周对耗电量与功率进行统计，根据每周的平均耗电量计算试验期间能耗。试验猪场所在地区农用电电价为0.5215元/(kW·h)，根据所节约的电量，计算试验期间安装温度控制系统可节约的电费。1套控制器的市场价格为2 980.0元，按照21 日龄断奶的批次化生产模式，计算猪场投资回收周期。

1.2.6 统计与分析方法

采用 SPSS Statistics 17.0和Excel软件分析舍内整舍环境与产栏内局部区域环境数据、仔猪行为以及生长性能，计算试验单元和对照单元的耗电量。

2 结果与分析

2.1 舍内外温度、相对湿度

将试验期间2018年1月20日—2018年2月9日舍外的温湿度自动记录数据与舍内参考的相同单元的温湿度记录数据以1 h为时间间隔进行统计，求各个时间点的温度与相对湿度的平均值列于图3。

由图3a可知，冬季试验地区舍外昼夜温差较大，1 d之中，舍外平均温度的最高值出现在11:00，为5.6 ℃，最低值出现在07:00，为−19.5 ℃，舍外平均相对湿度的最高值出现在07:00，为60.0%，舍外平均相对湿度的最低值出现在11:00，为12.2%，舍外温度与相对湿度的总体平均值分别为−11.5 ℃和38.8%。由图3b可知，1 d之中，舍内各时刻温度平均值的最高值出现在00:00，为20.9 ℃，最低值出现在09:00～10:00、15:00～16:00和20:00这3 个时段，为20.5 ℃，各时刻平均温度的最大差值为0.4 ℃，08:00和14:00的温度平均值分别为20.7和20.6 ℃，出现该现象的原因与白天饲养员多次进出猪舍有关，而在20:00之后，饲养员进出产房的频率降低，因此，产房舍内各时刻温度表现为白天低晚上高。1 d之中，舍内平均相对湿度的最高值出现在08:00，为62.5%，舍内平均相对湿度的最低值出现在00:00，为61.8%。舍内温度与相对湿度的总体平均值分别为20.7 ℃和62.0%。舍内温度和相对湿度均处于国家环境标准规定的适宜温度（18～22 ℃）与相对湿度（60%～70%）范围[4]。

图3 产房内外平均温度与平均相对湿度

将2018年1月20日—2018年2月9日期间使用手持温湿度计每日3次监测到的试验单元和对照单元产房舍内温湿度，分别按照每次测试时间根据测试日期统计试验单元和对照元的差异性，结果见表1。

表1 产房舍内温度和相对湿度

注：表中数据为平均值±标准差。不同小写字母表示处理间数据差异显著（<0.05），下同。

Note: Data in the table are mean ± standard deviation. Different lowercases indicate significant difference between treatments at 0.05 level, the same as below.

由表1可知，整个试验期间各时段，试验单元与对照单元舍内的温度、相对湿度均差异不显著（＞0.05），由图3b可知，连续监测得到的产房内温度在08:00、14:00和20:00平均值分别为20.7、20.6和20.5 ℃，与每日3次定时测定的试验单元温度差分别为1.3、1.6和1.8 ℃，与对照单元的温度差分别为1.1、1.8和1.8 ℃。以08:00、14:00和20:00求取的日平均温度试验单元与对照单元均为22.2 ℃，该数据与以24 h求取的日平均温度（图3b）20.7 ℃相差1.5 ℃，试验单元舍内温度满足哺乳母猪舒适区的需求（18～22 ℃），对照单元舍内平均湿度略低于舒适区范围（60%～70%）但高于低临界值50%的要求[4]。

2.2 产床内温度、相对湿度

2.2.1 保温灯正下方、侧下方空气温度、相对湿度

将2018年1月20日—2018年2月9日期间在距离产床地面0.3 m，每日测定3次的试验单元与对照单元保温灯正下方与侧下方的空气温度结果分别按照测试时间统计差异性，结果见表2。

由表2可知，仔猪出生后第1周，试验单元与对照单元相比每日3 次测定统计的保温灯正下方与侧下方同一时刻温度均差异不显著（>0.05），试验单元与对照单元保温灯下方温度均不能达到目标温度30 ℃。假设以08:00、14:00和20:00的测定温度平均值作为日平均温度，则仔猪出生后第1周试验单元与对照单元保温灯正下方日平均温度均为27.4 ℃，低于目标温度2.6 ℃，试验单元与对照单元保温灯侧下方日平均温度均为27.0 ℃，低于目标温度3.0 ℃。仔猪出生后第2周，试验单元保温灯在温度自动控制器的控制下，保温灯下方温度下降，各时刻试验单元保温灯正下方温度均极显著低于对照单元（＜0.01），08:00、20:00试验单元保温灯侧下方温度极显著低于对照单元（＜0.01）；试验单元保温灯正下方和侧下方平均温度分别为27.2和26.8 ℃，分别低于目标温度0.8和1.2 ℃；对照单元保温灯正下方和侧下方平均温度分别为27.5和27.2 ℃，分别低于目标温度0.5和0.8 ℃。仔猪出生后第3周，各个时刻试验单元保温正下方温度与侧下方温度均极显著低于对照单元（＜0.01），试验单元保温灯正下方和侧下方平均温度分别为26.8 和26.3 ℃，分别高出目标温度0.8和0.3 ℃，对照单元保温灯正下方和侧下方平均温度分别为27.4和27.1 ℃，分别高于目标温度1.4和0.9 ℃。

表2 保温灯下方空气温度

注：不同大写字母表示处理间数据差异极显著（<0.01），下同。

Note: Different uppercases indicate remarkable difference between treatments at 0.01 level, the same as below.

将2018年1月20日—2018年2月9日期间距离产床0.3 m高度处、每日3次监测到的试验单元与对照单元保温灯正下方与侧下方的相对湿度结果分别按照测试时间统计差异性，结果见表3。

由表3可知，仔猪出生后第1周，保温灯下方相对湿度均差异不显著（>0.05）；仔猪出生后第2周，08:00和14:00试验单元保温灯正、侧下方相对湿度均极显著高于对照单元（＜0.01），20:00保温灯正、侧下方相对湿度均差异不显著（>0.05）；仔猪出生后第3周，各时刻试验单元保温灯下方相对湿度均极显著高于对照单元（＜0.01），试验单元保温灯下方相对湿度满足国家标准要求（低限相对湿度50%）[4]。由表1和表3可见，保温灯下方相对湿度低于舍内相对湿度，可能是由于保温灯下方空气温度高于舍内空气温度，空气温度越高相对湿度越小的缘故。同理，仔猪出生后第2周与第3周试验单元保温灯下相对湿度高于对照单元亦因试验单元保温灯下方空气温度低于对照单元。

2.2.2 保温灯正下方、侧下方、漏缝地板处地板温度

为比较地板不同区域温度差别，将2018年1月20日—2018年2月9日期间每日测定3次监测到的试验单元与对照单元产床内地板温度数据分别按照测试时间统计试验单元与对照单元差异性，结果见表4。

由表4可知，试验期间各个时刻试验单元与对照单元保温灯侧下方实体地板温度与漏缝地板温度均差异不显著（>0.05），仔猪出生后第1周保温灯正下方实体地板温度差异不显著（>0.05），第2周08:00保温灯正下方实体地板温度差异不显著（>0.05），第2周14:00和20:00试验单元保温灯正下方平均温度极显著低于对照单元（＜0.01），第3周08:00试验单元保温灯正下方平均温度显著低于对照单元（＜0.05），第3周14:00和20:00试验单元保温灯正下方平均温度极显著低于对照单元（＜0.01），保温灯正下方地板温度的平均值相差较小标准差较大，可能是因为猪在测定点上躺卧的时间会影响地板温度的测定值，而有猪试验中无法控制在测定前测定点上仔猪活动与躺卧的时间。每日3 次测定统计的试验单元和对照单元保温灯正下方实体地板温度平均值范围分别为29.5～31.0和31.0～30.6 ℃，后者稍高于前者，主要因为前者进行温度调控的结果，二者均高于保温灯下方距离地板0.3 m高处空气温度。虽然保温灯下方仔猪站立时猪背高度温度未达到目标温度，但是地板温度基本达到目标温度要求。试验期间，每日3次测定统计的试验单元和对照单元保温灯侧下方实体地板温度平均值范围分别为28.9～29.5和29.0～29.5 ℃，二者均高于保温灯下方距离地板0.3 m高处空气温度，地板温度接近目标温度要求。保温灯正下方地板温度高于侧下方地板温度，试验单元与对照单元漏缝地板平均温度均为22.9～23.0 ℃，低于保温灯正下方、侧下方空气温度和地板温度，低于仔猪的温度需求（低临界温度27 ℃）[4]。漏缝地板温度不属于仔猪局部温度调控范围，仅为仔猪排泄粪尿临时使用。

2) 采集站集成。各采集站之间通过单模光纤网络连接，在中心控制室增设系统服务器，实现了现场质量流量计集中管理与深度智能诊断监测。

表4 仔猪区域的地板温度

2.3 仔猪行为

为寻求仔猪行为和温度的关系，将2018年1月20日—2018年2月9日期间每日监测3次得到的试验单元与对照单元仔猪不同区域躺卧比例按照日期求平均值，得到逐日的各区域仔猪躺卧比例，如图4所示。

图4 不同区域仔猪躺卧比例

由图4可知，试验单元与对照单元仔猪躺卧均以分布在保温灯正下方为主。随着仔猪日龄的增加，2单元仔猪在保温灯正下方躺卧比例以及母猪旁躺卧比例均呈下降趋势，而保温灯侧下方躺卧率呈上升趋势。试验单元与对照单元保温灯正下方躺卧比例最大值分别为62.1%和66.5%，最小值分别为40.7%和41.7%，平均值分别为49.1%和49.4%；保温灯侧下方躺卧比例最大值分别为29.7%和33.4%，最小值分别为14.4%和15.4%，平均值分别为25.3%和24.1%；母猪旁躺卧比例最大值分别为14.0%和13.8%，最小值分别为2.9%和4.1%，平均值分别为7.3%和8.0%；漏缝地板躺卧率最大值分别为8.7%和7.3%，最小值分别为1.3%和0.9%，平均值分别为4.0%和3.4%。由表4可知，试验期间每日3次测定统计的保温灯正下方实体地板平均温度范围为29.5～31.0 ℃，侧下方实体地板平均温度范围为28.9～29.5 ℃，漏缝地板平均温度范围为22.9～23.0 ℃，由图4可知，保温灯正下方实体地板仔猪躺卧比例为40.7%～66.5%，保温灯侧下方躺卧比例为14.4%～33.4%，漏缝地板躺卧比例为0.9%～8.7%。可见，21 日龄断奶之前的仔猪对地板温度的喜好从高到低顺序分别为29.5～31.0、28.9～29.5和22.9～23.0 ℃，即在本试验3 种区域温度中，主要喜好在地板温度29.5～31.0 ℃的区域躺卧，本文不足之处在于高于31.0 ℃的地板温度本试验未涉及。

2.4 生产性能分析

试验单元与对照单元母猪与仔猪的生产性能如表5所示，其中仔猪断奶质量为仔猪28日龄断奶的质量。

表5 生产性能

由表5可知，2 个单元的平均窝产仔数、平均窝产活仔数、仔猪初生质量均差异不显著（>0.05），主要由于母猪前述生产性能主要受妊娠阶段的环境、营养、疫病及猪本身的影响，仔猪温度调控对母猪生产性能不产生影响。因实际生产中存在频繁的调窝现象，故无法对试验单元和对照单元仔猪每头、每窝断奶质量及日增质量进行差异性统计分析，但试验单元仔猪哺乳期成活率95.8%不低于对照单元成活率93.8%，试验单元仔猪日增质量0.198 kg/(头·d)不低于对照单元仔猪日增质量0.193 kg/(头·d)。因此，保温灯温度自动控制调控温度未对仔猪生产性能产生不利影响，反而具有有利影响。

2.5 节能指标分析

2018-01-20—2018-02-09期间每天记录1次电表数值，每天记录3次控制器显示的保温灯功率输出比例，按每个灯每日的耗电量以及每周的功率输出比例进行统计，结果如表6所示。

表6 保温灯能耗

由表6可知，仔猪出生后第1周，每个保温灯每日平均耗电量以及保温灯平均功率试验单元与对照单元均差异不显著（>0.05），仔猪出生后第2周与第3周，试验单元每个灯每日平均耗电量均极显著低于对照单元（<0.01），保温灯平均功率也均极显著低于对照单元（<0.01）。仔猪出生后第2周，试验单元平均每个保温灯每日可节电1.8 kW·h。仔猪出生后第3周，试验单元平均每个保温灯每日可节电2.7 kW·h。整个试验期间，仔猪哺乳21 d，试验单元每个保温灯每日平均耗电量为4.4 kW·h，对照单元平均耗电量为5.9 kW·h，应用本套控制系统，21日龄断奶可减少25.4%的能耗。试验地区农业用电电价为0.5215 元/(kW·h)，假设每7 d母猪产仔1批，仔猪21 日龄断奶，母猪提前7 d进产房，7 d空舍消毒期，该地区冬季150 d，则1个冬季共生产仔猪4 批，假设每批母猪为23头（保温灯24个），则冬季通过仔猪保温灯温度自动控制每批仔猪可节约电费约24×(5.9−4.4)×21×0.521 5=394.3元，设备2 980元/台，则7.6批即2个冬季可回收设备成本。

3 讨 论

3.1 仔猪生长小环境调控

试验单元与对照单元产房平均温度20.7 ℃，试验单元与对照单元保温灯正下方温度与产房平均温度的温差分别大于4.7 与5.1 ℃，根据高娅俊等[20]的研究，维持一定的温差有助于提高保温区域的利用率。仔猪出生后第1周，试验单元与对照单元250 W保温灯均保持满功率运行，保温灯正下方空气温度最高可达27.6 ℃，这与Vasdal 等[19]试验的结果：在平均温度为20 ℃左右的舍内，250 W保温灯可提供的温度范围为26.0～28.0 ℃相符。中国国家标准规定，出生后1周龄的仔猪生活区域的低临界温度为27.0 ℃，舒适区范围为28.0～32.0 ℃[4]，试验单元与对照单元保温灯正下方空气温度满足低临界温度需求。仔猪出生后第2周与第3周，试验单元保温灯下方温湿度在自动控制器的控制下发生变化，试验单元与对照单元保温灯正下方温度差小于0.8 ℃，侧下方温度差小于1.0 ℃，在Vasdal 等[19]的研究中发现，当区域间温差大于8.0 ℃时仔猪选择躺卧的比例有显著性差异，本试验中，同一区域试验单元与对照单元仔猪的躺卧比例并未表现出显著性差异，主要由于试验单元与对照单元相比，同一区域的温度差较小。在仔猪出生后第1周内，试验单元与对照单元保温灯下方空气温度均不能满足仔猪舒适范围的需要，这与仔猪保温灯区域无保温箱有关，根据Houszka等[21]的报道，在平均温度21.0 ℃的舍内，利用地暖管单独加热，仅当提供3面有墙，配备顶盖并在开口方向加装PVC（polyvinyl chloride）幕帘的保温箱，才能提供29.0 ℃的微环境空气温度，但这种保温箱的成本较高且对产房清洁与饲养管理增加了负担。虽然保温灯下方空气温度偏低，但是试验单元与对照单元在地暖和保温灯综合供暖调控温度情况下，保温灯正下方和侧下方实体供暖地板温度均控制在30.0 ℃和29.5 ℃左右，基本满足仔猪温度需求。

3.2 仔猪行为

随着仔猪日龄的增加，试验单元与对照单元保温灯正下方仔猪躺卧比例呈下降趋势，而保温灯侧下方躺卧比例呈上升趋势，主要因为仔猪随着日龄增加有从温度高的区域转移到温度低的区域休息甚至躺卧在保温灯供暖区域以外的行为表现有关[22]。另一方面根据Fels等[23]的报道，仔猪对于供暖区域面积的需要量与仔猪体质量呈线性相关，因此随着面积的需要量增高，在观察时会有更多的仔猪被统计为在保温灯侧下方躺卧。试验单元与对照单元保温灯正侧下方躺卧率差值最大的日期以及保温灯正下方躺卧率最高的日期均出现在仔猪出生后2 d，在Larsen等[24]的研究中，同样表现为在仔猪出生后72 h内，供暖区域内的躺卧率更高，而出生后第1周的仔猪在保温灯正下方较高的躺卧率，一方面是因为仔猪在躺卧时受群体社会环境的影响很高，根据Vasdal等[25]的报道，仔猪在躺卧时总是倾向于互相紧挨着躺卧，出生后7 d内的仔猪即使在最温暖的区域，也会互相挨在一起，另一方面也说明了初生仔猪对于环境温度的要求高，需要加强仔猪出生后第1周内的饲养管理。仔猪出生后立即放入有干燥粉的保温箱中，15 min后将仔猪放置到母猪旁的休息区域并帮助仔猪获得初乳，这样可显著降低仔猪的死亡率[26]。

试验单元与对照单元漏缝地板处温度较低，试验单元和对照单元漏缝地板上仔猪平均躺卧率仍分别占4.0%和3.4%，根据Hrupka等[27]的报道，这与仔猪宁愿躺卧在寒冷区域的仔猪身旁入睡，也不愿意单独躺卧在温暖区域有关。试验单元与对照单元仔猪在母猪旁的躺卧率均呈现先高后低的趋势，这是因为当仔猪日龄较小时，有很高的倾向挤在母猪身旁[28]，而直到第21 天仍旧有仔猪躺卧在母猪身旁则因为保温灯辐射区域较窄，当躺卧的仔猪数量较多时，部分仔猪便会被迫躺卧在母猪身旁。根据Marchant等[29]的研究，仔猪未能及时吃到初乳以及母猪对仔猪的冲撞和践踏导致仔猪死亡率占到初生仔猪死亡率的50.0%～80.0%，而仔猪躺卧在母猪身旁，有较大的可能性被母猪压死。此外，根据观察记录，仔猪更加倾向于躺卧在母猪乳房一侧，这导致了1个产床内，通常只有一侧供暖区域被利用，利用率较低，因此，建议改进仔猪休息区域实体地板的面积设计，防止母猪压仔的同时，提高保温灯的利用率。

3.3 生产性能与批次化生产

试验单元与对照单元的哺乳仔猪成活率均高于92.0%，满足国家标准要求[30]，对照单元的哺乳仔猪成活率更低，而平均窝产仔数更高，根据Beaulieu等[31]的报道，窝产仔数的增加是导致哺乳期仔猪死亡的主要原因之一。试验单元与对照单元的死胎率均较高，死胎数占仔猪总死亡数的50%以上，根据Rootwelt等[32]的报道，子宫内部的拥挤程度以及胎盘早期的发育是影响妊娠后期仔猪死亡的主要原因。综上所述，对照单元较高的哺乳期死亡率可能主要与窝产仔数以及母猪的体况胎次有关，若要提高哺乳仔猪的成活率，应当加强妊娠母猪的管理，控制母猪的使用年限，做好母猪胎次以及窝产仔数的详细记录，尽量做到同1胎次同1批次。

本试验中的自动控制系统10 000 W最多可同时控制40个250 W辐射型保温灯。对于同一产房内母猪产仔日期超过1周的产房单元，应用本控制方案将会引起仔猪局部区域内温度超过2 ℃的温差，不能对每窝仔猪的生长小环境进行精确调控。然而根据Vermeulen等[33]的研究，当大型猪场按照每批次4周或5周组织生产时，基本可以使生产节律按照计划执行，这意味着同批次的母猪产程会十分紧凑，并且4或5周的批次化生产方式利于扩大每一批次的规模，减少猪场产房的数量[34]，意味着节约成本和劳动力。若按照本套控制方案的最大保温灯控制量进行组织生产，每批次上床母猪40头，共计40个保温灯，则每批次可节约电费657.2元，4.5个批次（北方地区1个冬季）可回收成本。因此，该类型保温灯自动控制系统适用于母猪头数足够多、产子日期接近（最好控制在3 d之内）的产房单元内。

4 结 论

1）试验期间，冬季产房舍内平均温度为20.7 ℃，试验单元与对照单元保温灯正下方距离地面0.3 m高处日平均温度在仔猪出生后第1周均为27.4 ℃，出生后第2周分别为27.2和27.5 ℃，出生后第3周分别为26.8和27.4 ℃。试验期间，试验单元和对照单元保温灯正下方实体地板温度平均值的范围分别为29.5～31.0和31.0～30.6 ℃，试验单元与对照单元漏缝地板平均温度范围均为22.9～23.0 ℃。

2）仔猪8至14日龄间，平均每个保温灯每日可节电1.8 kW·h，14至21 日龄间，平均每个保温灯每日可节电2.7 kW·h，21 日断奶每批次生产可节能25.4%。试验条件下，保温灯自动温度控制2个冬季可回收设备成本。

3）在温度自动控制系统的调控结合热水地面供暖情况下，保温灯正下方实体地板仔猪躺卧比例为40.7%～66.5%，保温灯侧下方躺卧比例为14.4%～33.4%，漏缝地板躺卧比例为0.9%～8.7%。21日龄断奶之前的仔猪对地板温度的喜好从高到低顺序分别为29.5～31.0、28.9～29.5和22.9～23.0 ℃。温度自动控制有利于减少仔猪死亡率并提高日增质量。

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Environmental control and energy saving effect of heat lamp with variable power heating for piglets

Wang Meizhi, Ren Fangjie, Zang Jianjun, Chen Zepeng, Hao Wei, Zhang Xiaxia, Liu Jijun※

(C,,100193,)

Temperature in the creep area for piglets will decrease from birth to weaning. To reduce the consumption of electricity and meet the temperature requirement of piglets from birth to weaning, an experiment of variable power heating system of heat lamp compared with constant power heating system of heat lamp was conducted in a scaled pig farm in Northern China. Two units of farrowing room (one unit with 23 farrowing sows and 25 heat lamps of 250 W) in the pig farm were chosen for this study, except for heat lamps, hot water floor heating was provided for piglets. An automatic control system which was composed of ATS (air temperature sensor) and SCM (single chip microcomputer with PID (proportional, integral and derivative) control) and SCR (silicon controlled rectifiers) was used in the test unit and constant power heating system was used in the control unit. The temperature automatic control system can bear 10 000 W. In the test unit, temperature of 30.0 ℃ was set from piglets birth to the age of 7 days, and then reduce temperature by 2.0 ℃ every week till 21 days after birth. In the control unit, heat lamp was with constant power to heat piglets creep areas. Electricity consumption used in the test unit and control unit was recorded by two ammeters, respectively. Behaviors and temperatures in creep area of piglets were recorded and analyzed. Piglets performance was also recorded and analyzed. It was shown that during the first week after birth, both of the heat lamps in the test unit and in the control unit maintain full power operation, the average temperature right below the heat lamp (0.3 m high from the floor) was 27.4 ℃; during the second week, the average temperature right below the heat lamp for the test unit and the control unit were 27.2 and 27.5 ℃, respectively; during the third week, the average temperature right below the heat lamp for the test unit and control unit were 26.8 and 27.4 ℃, respectively. Floor temperature right below the test unit and control unit were 29.5-31.0 and 31.0-30.6 ℃, respectively. In brief, from birth to 21 days, floor temperature right below the heat lamp, side below the lamp and the slatted floor were 29.5-31.0, 28.9-29.5 and 22.9-23.0 ℃, respectively. Lying rates in different areas of right below the heat lamp, side below the lamp and the slatted floor were 40.7%-66.5%, 14.4%-33.4% and 0.9%-8.7%, respectively. Rates of survival of piglets (28 days weaning) in the test unit and control unit were 95.8% and 93.8%, respectively. Average daily gain of piglets (28 days weaning) in the test unit and control unit were 0.198 and 0.193 kg/(head·d), respectively. Using this kind of variable power heating system, the farrowing room can save 1.8 kW·h per lamp per day from 8 days to 14 days after piglets birth, and 2.7 kW·h per lamp per day from 15 days to 21 days after piglets birth. The energy consumption can be saved by 25.4% each batch of production based on 21 days weaning. On condition of electricity price of 0.5215 yuan/(kW·h), 25 heat lamps with 250 W in one farrowing unit and investment of one set of equipment of temperature automatic control with 2 980 yuan, payback period will be 2 a. The temperature automatic control system of heat lamp can not only save energy but also can improve piglets performance.

automatic control; temperature; behavior; variable-power heating; heat lamp; energy-efficient; farrowing room; piglets

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.023

S818.5; S815.9

A

1002-6819(2019)-15-0182-10

2019-04-27

2019-06-27

国家重点研发—特色地方猪高效安全养殖技术应用与示范（2018YFD0501200）；生猪产业技术体系北京市创新团队项目（BAIC02-2019）。

王美芝，副教授，主要从事畜牧工程与畜牧环境研究。Email：meizhiwang@cau.edu.cn

刘继军，教授，主要从事畜牧工程与畜牧环境研究。Email：liujijun@cau.edu.cn

王美芝，任方杰，臧建军，陈泽鹏，郝薇，张霞霞，刘继军. 保温灯变功率供暖对哺乳仔猪环境调控及节能效果[J]. 农业工程学报，2019，35(15)：182－191. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.023 http://www.tcsae.org

Wang Meizhi, Ren Fangjie, Zang Jianjun, Chen Zepeng, Hao Wei, Zhang Xiaxia, Liu Jijun. Environmental control and energy saving effect of heat lamp with variable power heating for piglets[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(15): 182－191. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.023 http://www.tcsae.org