中国西北地区肉牛舍冬季建筑热环境系统设计

王美芝，陈昭晖，李晓晨，刘继军

（中国农业大学 动物科技学院，动物营养学国家重点实验室，北京100193）

随着我国肉牛产业的发展，肉牛养殖将逐渐向规模化方向发展，加强肉牛生产基地建设是引导肉牛养殖的适度规模化经营的重要措施［1］。肉牛产量、品质与饲料配方、养殖模式，疫病及牛舍饲养环境密切相关。在中国北方寒冷地区的牛舍设计研究中，研究人员多从冬季提高舍内温度有利于肉牛日增重方面推荐对牛舍采用一定的保温措施［2-4］。但是冬季牛舍过度保温可引起舍内通风不足、湿度过大，从而引起牛不同程度的患有皮肤、感冒等疾病，生产性能下降，严重影响牛场的生产效益［5］，温暖而湿度大的条件利于霉菌、细菌、腐朽菌的滋生，引起牛舍结构中的木质腐朽和铁质腐蚀［6］。中国新建大型牛舍的主体结构材料以钢结构为主，因此，该种结构的牛舍应避免过度潮湿，即牛舍冬季不应过度保温。

西北地区甘肃酒泉附近拟建一存栏7800头规模的肉牛养殖基地，该地区冬季室外平均风速2.1 m／s，极端最低温度-29.8℃，12月、1月和2月平均气温-7.0℃、-10.0℃和-3.2℃。西北产区是中国肉牛四大优势产区之一，该地区肉牛养殖基地的肉牛生产是中国肉牛生产量的重要来源，而规模化的肉牛养殖基地牛舍的冬季饲养环境主要取决于牛舍建筑形式和通风率。肉牛怕热不怕冷。九十年代的热应激曾经造成美国中西部肉牛场数千头肉牛死亡［7］，但是在风速为0.1 m／s，被毛厚度为10 mm情况下，500 kg和150 kg体重的肉牛的低临界温度可分别低至-20℃和-5℃［8-9］。肉牛舍的冬季舍内温度应比舍外高3～5℃之内，如果高于3～6℃，则应加大冬季通风率［6］。有研究表明，由于牛体自身散热作用，丹麦舍饲牛舍舍内平均温度一般比舍外高1～3℃，舍内温度升高、通风不足将引起舍内湿度增大［10］。牛舍有害气体排放还是一种重要的农业排放源［11］，其中的NH3排放可导致生态系统富营养化并危害人类健康［12］，而牛舍内的NH 3和CH4的排放量随 温度的升 高而升 高［10，13-14］，因此，牛舍内冬季温度不宜过高。牛舍建筑形式及通风设计方案将直接影响建成后的牛舍冬季环境，为保证建成后的大型肉牛舍冬季环境满足一定的要求，必须能够预测建成后舍内的冬季环境，以便根据预测结论确定最佳设计方案。

在建筑及环境控制领域，20世纪60年代中期就开始了对建筑环境及控制系统动态模拟的研究。如今，清华大学DEST已陆续在中国国内、欧洲、日本、香港等国家和地区开始得到应用。DEST主要应用于建筑及空调系统辅助设计、建筑节能评估和科研领域研究，其中自然室温的热过程模拟计算是其基本功能之一。自然室温的基本问题是对于给定的建筑物，给出在不同的气象条件下、不同的使用状况下，建筑物内温度的变化情况，在此基础上，就可以预测不同的建筑设计与围护结构形式可能形成的室内温度状况，根据温度需求确定建筑设计方案和进行围护结构的选择，并根据建筑造价估算选择建筑设计方案。肉牛舍为不供暖建筑，肉牛舍的冬季舍内自然室温预测的过程即给定肉牛舍的冬季舍内温度要求，然后根据不同的建筑设计方案预测肉牛舍冬季舍内温度，根据预测结果结合温度控制目标选择牛舍建筑设计方案。DeST-C中建筑物热特性计算的核心模块BAS，可以对建筑物的温度进行详细的逐时模拟，BAS的核心算法采用基于建筑热平衡的状态空间法。DeST建立了利用实测的逐日气象数据模拟生成全年逐时气象数据的气象模型-Medpha，Medpha的基础数据来源于我国194个气象台站自建站以来约50年的实测逐日数据（包括气温、湿度、太阳辐射、风速风向、日照小时数和大气压力）［15-16］。本文以清华大学开发的建筑环境系统模拟分析软件DeST-C（商用版）为工具，模拟分析不同牛舍围护结构及通风率下牛舍的冬季温度，根据肉牛对温度和通风的要求并考虑到投资确定牛舍冬季建筑热环境设计方案。

1 材料与方法

1.1 建筑模型

该养殖基地牛舍建筑形式采用中国传统的钟楼式建筑形式，夏季、春季和秋季牛舍为开放式拴系牛舍。为减少冬季舍外风速对舍内牛只的影响并适当提高舍内温度，特设计增加窗户材料封闭牛舍。

牛舍南北朝向，东、西山墙上各有5个铁门，门高为3.6 m，3个饲喂走道的门宽为4.0 m，另外2个清粪走道的门宽为3.0 m。牛舍的建筑尺寸为90.0 m长，24.0 m宽，牛舍墙体为370 mm砖墙，墙体一侧的窗户高为2.6 m，长为87.0 m，窗台高度为0.9 m，钟楼式屋顶的窗户高度为1.0 m，长度为87.0 m，屋顶天窗采光面积为地面面积的8%，即1.4 m宽×4.6 m长×30个＝193.2 m2。其中钟楼屋顶窗户和南墙和北墙上的窗户可选用卷帘窗户或者悬窗，冬季关闭卷帘或悬窗，卷帘和悬窗可保留一定缝隙保持自然通风。牛舍断面图见图1。

图1 大型肉牛舍断面图Fig.1 Cross section of beef cattle house

1.2 模拟试验设计

1.2.1 牛舍地点及取向 计算中住宅地点选取为甘肃酒泉，牛舍朝向为南北朝向。DeST-C在模拟计算时牛舍的外部环境参数引用自带的酒泉的气象参数。

1.2.2 牛舍的热源 牛舍内热源主要为肉牛的产热，肉牛的总产热量由显热量和潜热组成。肉牛产生的显热量是加热舍内空气的热量部分，显热量以总产热量的百分比计算，肉牛的总产热量计算公式［4］为：

式中：Φ为肉牛总产热量（W）；m为肉牛体重（kg）；Y2为日增重（0.7-1.1 kg／d）；M 为饲料能量（10 MJ／kgdrymatter）。试验牛舍中牛的体重范围为350 kg～500 kg，平均体重按照m＝425 kg计算。

肉牛的日增重假定为0.9 kg／d，则一头体重为425 kg的肉牛总产热量Φtot＝754 W。显热量占总产热量的比例取64%［4］，则每头肉牛的显热量为483 W。

试验牛舍内肉牛分4列栓系饲养，1.2 m宽1头，牛舍长90.0 m，该舍内装满牛时数量为300头。1.2.3 牛舍的通风率 肉牛舍的通风量在夏季应为60～90次／h，冬季至少应为10次／h［5］。通过示踪气体法牛舍自然通风的研究表明，在较小风速情况下（小于1 m／s），通风率平均为10～20次／h［17］。牛舍的自然通风量随舍外气象条件的变化而变化，模拟试验设计中，牛舍的通风率按照5次／h，10次／h和15次／h三种设置。

1.2.4 牛舍的围护结构 牛舍的围护结构中，墙体为370 mm砖墙，牛舍的屋顶材料设计三种传热系数，分别为0.4 W／（m2·K）、1.0 W／（m2·K）和6.3 W／（m2·K）。牛舍的窗户（屋顶天窗、钟楼屋顶的窗户、南墙和北墙上的窗户）设计两种可选材料，其中一种窗户材料为普通的塑料膜，厚度为0.4 mm，其传热系数为6.3 W／（m2·K），另外一种窗户材料为保温性能较好的聚碳酸酯中空板，具有抗冲击和寿命长的特点［18］，其厚度为10 mm，传热系数为2.6 W／（m2·K）。牛舍的地面采用实体地面-混凝土地面。实体地面牛舍的NH3排放量低于露缝地板的NH3排放量［19］，并便于使用机械清粪，实现粪尿分离，减少粪污处理难度。模拟试验中，首先假定牛舍地面、墙体和屋顶材料不变，其中屋顶的传热系数取1.0 W／（m2·K），分别模拟计算保温牛舍（聚碳酸酯中空板-阳光板）和非保温牛舍（普通塑料膜）两种牛舍在三种通风率情况下的舍内温度，模拟计算中，牛舍各部位的窗户和天窗材料统一为一种建筑材料。然后假定牛舍的地面、墙体、窗户材料、通风率不变，其中窗户为不保温材料，通风率为10次／h，模拟计算屋顶材料在三种传热系数情况下的舍内温度。

牛舍围护结构各种材料的热工性能见表1。牛舍围护结构的构造及传热系数见表2。在表2中，屋顶材料中彩钢夹芯板仅列出聚苯板，因聚苯板为易燃材料，实际设计及施工中可以选择岩棉等防火性能较好的材料。

表1 牛舍常用建筑材料的热物理性能［20］Table 1 Thermophysical property index of common construction materials of cattle house

表2 牛舍围护结构类型及传热系数Table 2 Types and heat transfer coefficients of cattle house envelopes

1.2.5 窗户材料的遮阳系数 实际工程中，只有窗户的传热系数K，遮阳系数Sc，无法获取窗户材料的具体参数，对建筑热过程的模拟采用选择一种热工性能与已知参数相同的窗户替代。窗户的遮阳系数SC指整个窗户的垂直入射的辐射热透过率与3 mm单玻窗的垂直辐射热透过率T0的比值，T0取0.87［16］，则：

假设新建牛舍塑料材质窗户材质的辐射热透过率即太阳能得热系数SHGC＝0.739，则窗户的遮阳系数SC＝0.85，模拟试验中窗户的遮阳系数和太阳能得热系数分别取SC＝0.85和SHGC＝0.739。

2 结果与分析

2.1 牛舍窗户保温性能、通风率对牛舍冬季自然室温、舍内外温度差的影响

假设牛舍屋顶的传热系数为1.0 W／（m2·K），对分别采用保温窗户、非保温窗、冬季通风率分别为5次／h、10次／h、15次／h的牛舍1-2月份的自然室温进行了模拟计算，计算模拟结果见图2～5。

图2 非保温窗牛舍不同通风率舍内日平均温度Fig.2 Daily average temperature in beef cattle house with uninsulated windows

图4 不同通风率保温窗牛舍舍内外日平均温度差Fig.4 Daily average temperature difference between indoor and outdoor temperatures at different ventilation rate in beef cattle house with insulated windows

由图2可知，非保温窗牛舍在通风率分别为5次／h、10次／h和15次／h时，1～2月份的日平均温度最低值分别为-7.4℃、-12.3℃ 和-14.4℃，1～2月份共59 d时间内，非保温窗牛舍在通风率分别为5次／h、10次／h和15次／h时，牛舍内日平均温度低于0℃的天数分别为15 d、33 d和39 d。可见，牛舍的通风率对牛舍内的日平均温度影响较大，通风率由10次／h降低为5次／h时，日平均温度的最低值可增加4.9℃，通风率由10次／h增加为15次／h时，日平均温度的最低值可降低2.1℃。即使在通风率15次／h时，舍内日平均温度最低值仍然高于肉牛的低临界温度要求。

由图3可知，该地区1～2月的舍外日平均温度为-19.6～2.9℃，在牛舍通风率为10次／h时，牛舍窗户采用不保温材料和保温材料时，1～2月的舍内日平均温度分别为-11.6～-8.7℃和-12.3～-8.2℃，牛舍采用保温窗和不保温窗相比，1～2月份舍内日平均温度相差仅0.5～1.2℃，可见，窗户材料由不保温材料改为保温材料时，舍内温度的增加较通风率由10次／h改为5次／h时少。

图3 保温窗、非保温窗、舍外日平均温度（通风率10次／n）Fig.3 Inner and outer daily average temperature of beef cattle house with insulated and uninsulated windows at the ventilation rate of 10 air changes h-1

图5 不同通风率非保温窗牛舍舍内外日平均温度差Fig.4 Daily average temperature difference between indoor and outdoor temperatures at different ventilation rate in beef cattle house with uninsulated windows

由图4可知，牛舍窗户采用保温材料时，在通风率为5次／h、10次／h和15次／h时，1～2月的舍内外温差分别为9.4～14.2℃、5.4～8.8℃和3.8～6.4℃；由图5可知，牛舍窗户采用非保温材料时，在通风率为5次／h、10次／h和15次／h时，1～2月的舍内外温差分别为8.8～12.2℃、5.2～7.6℃和3.7～5.4℃。

2.2 屋顶保温性能对牛舍冬季舍内外温差的影响

假设牛舍窗户为非保温窗户，冬季牛舍通风率为10次／h，对屋顶传热系数分别为0.4 W／（m2·K）、1.0 W／（m2·K）和6.3 W／（m2·K）的牛舍在1～2月的自然室温进行了模拟计算，并求出舍内外温度差，见图6。

图6 不同传热系数屋顶非保温窗牛舍舍内外温度差（通风率10次／h）Fig.6 Daily average temperature difference between indoor and outdoor temperatures at ventilation rate of 10 air changes h-1 in beef cattle house with different heat transfer coefficients of roof with uninsulated windows

由图6可知，在牛舍窗户为非保温窗户，冬季牛舍通风率为10次／h时，屋顶传热系数分别为0.4 W／（m2·K）、1.0 W／（m2·K）和6.3 W／（m2·K）为0.4 W／（m2·K）的牛舍在1～2月的舍内外温度差分别为5～8℃、5～7.6℃和4～5.8℃，可见，牛舍屋顶采用传热系数分别为0.4 W／（m2·K）和1.0 W／（m2·K）的材料时，舍内外温差几乎没有差别，而牛舍屋顶采用传热系数分别为1.0 W／（m2·K）和6.3 W／（m2·K）的材料时，舍内外温度差相差1～1.8℃。若以舍内外温度差以3～5℃为宜并且牛舍通风率至少为10次／h为牛舍冬季环境控制目标，则单层彩钢板作为牛舍屋顶材料即可。

2.3 牛舍窗户材料的选取

牛舍窗户采用保温材料时，可以选用的材料主要为聚碳酸酯中空板，通过询价，10 mm厚国产材料约45元／m2，进口原材料约为76元／m2，本研究中确定其价格为60元／m2。非保温窗主要选用0.4 mm厚塑料膜，其价格为5元／m2。据此价格和牛舍窗户面积进行不同材料牛舍窗户投资比较（见表3）。由表3可知，模拟试验牛舍窗户材料采用保温材料的投资是采用不保温材料的投资的12倍。而窗户采用保温材料和不保温材料时，舍内温度相差不大。因此，在不考虑阳光板与塑料膜使用年限差异的情况下，对该地区牛舍窗户的材料选用建议采用非保温材料。因聚碳酸酯中空板质量轻、保温好、抗冲击、寿命长，并考虑到为施工方便和保证屋面材料的承重要求，建议屋顶天窗材料选用阳光板，墙体和钟楼屋顶上的窗户可选用塑料膜。在中国传统的牛舍建造中，牛舍窗户采用阳光板时一般采用悬窗，采用塑料膜时一般采用卷帘窗。因此，对该地区大型肉牛舍窗户推荐采用塑料膜卷帘窗，屋顶天窗采用聚碳酸酯中空板材料。

表3 牛舍窗户材料及价格Table 3 Costs of different types of windows of cattle house

3 讨 论

在中国西北地区冬季中，不论是通风率5次／h、10次／h和15次／h，牛舍内的日平均温度均有不同天数低于0℃，据此，可推断肉牛舍内饮水管路可能冻结，需要对牛舍内饮水采取工程措施进行加热。牛舍内饮水可采用太阳能热水器电辅助加热恒温水箱为牛供水［21］。

参考CIGR中肉牛舍温度控制目标，即冬季舍内温度应比舍外高3～5℃之内，如果高于3～6℃，则应加大冬季通风量［6］，建议肉牛舍窗户材料采用非保温材料，舍内冬季通风率取10～15次／h。因自然通风牛舍通风率不易控制，即窗户开启的缝隙多大时通风率可达10～15次／h及相关的舍内外温度差相差3～5℃不确定，可以通过示踪气体试验确定通风率［17，22］，或根据舍内外悬挂温度计观察舍内外温度差［5］确定窗户开启缝隙大小，或根据流体力学原理对牛舍进行通风模拟试验确定［23］。

聚苯板干密度为30 kg／m3，假设聚苯板价格300元／吨，在不计屋顶挑檐面积并假定彩钢板或者彩钢夹芯板所有钢板厚度相等的情况下，该栋牛舍屋顶（除天窗外）面积约为1 967 m2，则90 mm彩钢夹芯板屋顶较单层彩钢夹芯板和35 mm厚彩钢夹芯板增加的聚苯板价格约为1590元和990元，综合考虑屋顶投资和舍内温度，屋顶材料也可采用传热系数为1.0 W／（m2·K）的彩钢夹芯板，这样牛舍冬季通风率可以适当大于10次／h。

4 结论与建议

通过对牛舍自然室温的模拟试验，在牛舍屋顶传热系数为1.0 W／（m2·K）时，可得以下结论：（1）非保温窗牛舍在通风率分别为5次／h、10次／h和15次／h时，1～2月份的日平均温℃最低值分别为-7.4℃、-12.3℃ 和-14.4℃。舍内日平均温度最低值高于肉牛低临界温度-20℃。在该地区冬季中，通风率为5～15次／h时，牛舍内饮水管路均可能冻结，需要对牛舍内饮水采取工程措施进行加热；（2）在通风率为10次／h时，中国西北地区冬季牛舍窗户采用不保温材料和保温材料时，1～2月的舍内日平均温度分别为-11.6～-8.7℃、-12.3～-8.2℃。非保温材料窗和保温材料相比，1～2月份舍内日平均温度相差仅0.5～1.2℃，牛舍窗户由不保温材料改为保温材料时，舍内温度的增加幅度较通风率由10次／h改为5次／h时少；（3）牛舍窗户采用保温材料时，在通风率为5次／h、10次／h和15次／h时，1～2月的舍内外温差分别为9.4～14.2℃、5.4～8.8℃和3.8～6.4℃。牛舍窗户采用非保温材料时，在通风率为5次／h、10次／h和15次／h时，1～2月的舍内外温差分别为8.8～12.2℃、5.2～7.6℃和3.7～5.4℃。

参考CIGR牛舍环境建造标准，提出以下牛舍设计与建造的建议：（1）中国西北地区肉牛舍窗户材料采用非保温材料，屋顶材料可采用单层彩钢板或者传热系数为1.0 W／（m2·K）的彩钢夹芯板，舍内冬季通风率取10～15次／h；（2）在不考虑聚碳酸酯中空板-阳光板与塑料膜使用年限差异的情况下，中国西北地区肉牛舍屋顶天窗材料选用阳光板，墙体和钟楼屋顶上的窗户选用塑料膜卷帘窗。

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