复合保温卷帘改善寒区开放式牛舍冬季热湿环境

赵婉莹，张 琦,2，施正香※



复合保温卷帘改善寒区开放式牛舍冬季热湿环境

赵婉莹1，张 琦1,2，施正香1※

（1. 中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083；2. 苏州赛诺沃机械科技有限公司，苏州 215215）

针对北方寒区卷帘牛舍冬季舍内温度过低、影响奶牛健康和生产的现状，该文结合黑龙江地区的气候特点，以牛舍温度不低于-5 ℃为设计目标，通过对卷帘材料的传热性能、厚度和面密度等进行测试，研究筛选了2种传热系数小于1.23 W/(m2×℃)的复合保温卷帘：1号白色保温卷帘（白色涤纶布+珍珠棉+喷胶棉+珍珠棉+白色涤纶布，1.01 W/(m2×℃)）和2号灰色保温卷帘（PE编织布+喷胶棉+针刺棉毡+镀铝PE编织布，0.89 W/(m2×℃)）。将2种保温卷帘分别安装在同一栋试验舍内，以原有的单层卷帘牛舍为对照舍进行了为期2个月的现场应用效果试验。试验结果表明，2种保温卷帘的透光性存在显著差异（<0.05），但保温效果不存在显著差异（0.05）；试验舍和对照舍在两侧卷帘开启25 cm、南侧开启25 cm和两侧封闭3种工况下，试验舍的平均温度和相对湿度均显著高于对照舍和舍外（<0.05），其舍内平均温度范围是-12.45～-16.70 ℃，平均相对湿度范围是88.53%～97.73%。因此，新型保温卷帘虽然比单层卷帘具有更好的保温性能，但是奶牛依旧处于低温高湿的状况下，表明只改善卷帘的保温性能并不能保证使寒区奶牛舍内温度高于最低温度的要求，寒区应慎重采用可封闭开放式的牛舍建筑形式。

环境调控；温度；传热系数；保温卷帘；奶牛舍；冬季保温

0 引 言

奶牛对寒冷具有较强的耐受性，可以耐受一定的低温而保持产奶量不变。但是奶牛若长期处于低温环境中，牛体大量散失热量，抵抗力降低，日粮能量利用效率降低[1-2]，福利状况降低[3-4]。相关研究表明，当温度低于−5℃，奶牛产奶量开始下降，并且低温条件会造成畜舍内粪便结冰，严重影响奶牛的行走以及清粪等生产管理活动的进行[5]。在中国，作为奶牛主要优势区域的北方地区，冬季牛舍普遍存在温度低、湿度高和空气质量差等问题[6-7]，这种环境对奶牛生产潜能的正常发挥有很大影响。为了缓解牛舍的不利状况，通常可采用人工管理和建筑工程措施。其中，人工管理方面主要通过一些日常管理来缓解奶牛的冷应激，例如提高饮水温度[8-9]等；而工程上，主要采用提高牛舍围护结构的热阻[10]、调整建筑材料[11-12]等措施。

目前，中国北方地区的牛舍主要分为有窗密闭舍和可封闭开放舍2种。有窗密闭舍能够形成稳定的舍内小气候条件，利于冬季防寒保暖，但是也存在造价高、夏季通风不足的缺点。可封闭开放式牛舍部分围护结构安装活动卷帘，其通风效果好，且造价低廉[13]。近年来可封闭开放式牛舍在规模化牛场建设中应用越来越普遍，但使用的多为单层卷帘系统。由于北方地区冬季气候寒冷，单层卷帘系统的保温能力十分有限，只能起到防风的作用，不能从根本意义上解决其冬季保温问题[14]。而保温卷帘大多用于温室，在日光温室上覆盖保温卷帘可以有效地减少热量散失，维持室内适宜温度与均匀性[15]。养殖场建筑保温改造主要是添加墙体保温层、调整牛舍建筑形式及进行屋顶改造等[16-19]，但对于有窗密闭式牛舍来说，卷帘所占据的外围护结构的比例较大，散热量较高，但是对于使用保温卷帘以改善舍内环境状况的研究目前还较少。

因此，有必要结合北方地区牛场生产的实际情况，对牛舍冬季保温卷帘系统进行改进，开发适用于奶牛舍的保温卷帘，为以后奶牛舍冬季保温技术的研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验奶牛舍概况

本试验在黑龙江克东和平原生态牧场的两栋相同的可封闭开放式卷帘泌乳牛舍内进行，一个是试验舍，另一个是对照舍。牛舍为东西走向，南北两侧设置卷帘系统，其东西长度为204.5 m，南北跨度为36.5 m，檐高4.6 m，脊高10.6 m。其南北两侧均有1.7 m高的砖墙，檐口以下有0.6 m高玻璃丝棉彩钢夹芯板，中间为2.2 m的洞口，洞口处设卷帘系统，由卷帘进行覆盖，屋面为100 mm厚的玻璃丝棉彩钢夹芯板。牛舍内可饲养600头450 kg的奶牛。

1.2 牛舍新型保温卷帘的筛选

牛舍新型保温卷帘的筛选主要是借鉴日光温室上保温被的做法，对现有的保温材料进行检测，通过不同的组合筛选出一种能够满足冬季保温需求的新型保温卷帘。

1.2.1 筛选保温卷帘的指标和方法

合适的保温卷帘需要具有合适的传热性能、厚度及面密度，测试指标和方法如下：

1）传热性能测试：卷帘材料的传热性能主要是利用静态热箱法的原理，使用覆盖材料保温性能测试台进行测试，得到单层材料和不同组合保温卷帘的传热系数。

2）厚度测试：将保温卷帘试样放在平板上，用（5± 0.1）kg质量、底平面为150 mm×150 mm的方板，放置在保温卷帘上，测量保温卷帘压实后的厚度，保温卷帘试样的4个边各测一个值，取平均数。

3）面密度测试：测量保温卷帘结构质量、宽度、长度，按照公式计算单位面积质量：

式中为单位面积质量，g/m2；m为保温被结构质量，g；为保温被长度，m；为保温被宽度，m。

1.2.2 试验牛舍保温卷帘筛选的理论依据

对试验牛舍进行热平衡分析，根据能量守恒定律，牛舍的热平衡方程为[20]：

式中Q为补充供热量（牛舍采暖系统热负荷），W，牛舍不采用供暖措施，即该值为0；Q为设备（电机与照明等）发热量，W，该值一般不大，往往忽略不计；Q为奶牛的显热散热量，W；Q为围护结构（门、窗、墙、地面、屋顶等）传热耗热量，W；Q为通风空气的显热损失，W；Q为牛舍内因水分蒸发消耗的显热量，W，该值在Q中已经考虑了，故不单独进行计算。

奶牛的显热散热量Q的计算公式为[21]

式中为畜禽舍内畜禽的头数，600头；q是每头畜禽的显热散热量，W/头。

q的计算公式为

式中t为冬季舍内计算温度，℃，设计舍内温度为-5 ℃；¢为奶牛体质量，kg。

外围护结构（门、窗、墙、地面、屋顶等）传热耗热量Q的计算公式为

式中x为高度附加率，%，该值为0[22]；为温差修正系数，外墙、平屋顶、地面以及与室外相同的楼板等的取值为1.00；为围护结构传热系数，W/(m2×℃)；为围护结构的面积，m2；t为舍外空气温度，℃；x为朝向修正率，%，（围护结构朝向为北、东北、西北时，该值为0～10%，朝向为东和西时，该值为−5%，朝向为东南和西南时，该值为−10%～−15%，朝向为南时，该值为−15%～−30%）；x为风力附加率，%，该值为0[22]。

通风空气的显热损失Q的计算公式为：

在冬季，奶牛舍最小通风量应该按照排除多余的水汽的通风量进行计算，公式如下：

式中为奶牛冬季产生水汽量，kg/s；d为舍内空气的含湿量，取值2.47´10-3kg/kg；d为舍外空气的含湿量，取值0.50´10-3kg/kg。

根据上述公式和当地的室外计算温度t=-28 ℃，得到该牛舍围护结构在不同舍内温度要求时的总传热系数，如表1所示。

表1 试验舍卷帘传热系数计算表

对于试验舍来说，想要在冬季舍内达到-5 ℃，需要卷帘的传热系数不高于1.23 W/(m2×℃)。而经测试，单层卷帘的传热系数为9.175 W/(m2×℃)，不能达到冬季舍内保温的要求。则需要挑选出一种传热系数更低的保温卷帘。

1.2.3 试验牛舍保温卷帘的筛选

日光温室保温被主要是由3层材料组合而成，借鉴其构成，用于可封闭开放式牛舍冬季保温的卷帘也将由3层组成，分别为表层覆盖材料、芯层保温材料和底层覆盖材料。在实验室条件下对选用的材料性质进行检测，选用材料及检测结果见下表2。在固定材料长度和宽度的条件下，面密度随着厚度的变化而变化，为了保证卷帘的传热系数，在实际选择卷帘材料时会根据实验室测试材料的基本参数适当调整其厚度。

表2 各种表层覆盖材料的基本参数

新型保温卷帘主要用于冬季牛舍的保温，应具有良好的保温隔热性能；卷帘也不易太厚，要利于卷放；又因为卷帘在冬季时要经常卷放以调整通风口的大小，还要具备较轻的质量。综合考虑，最终选定了2种组合保温卷帘，一种是具有一定透光性的白色保温卷帘，另一种为综合性能良好但不透光的灰色保温卷帘。分别记为1号保温卷帘（白色涤纶布（76 g/m2）+珍珠棉（86 g/m2）+喷胶棉（228 g/m2）+珍珠棉（86 g/m2）+白色涤纶布 （76 g/m2））和2号保温卷帘（PE编织布（116 g/m2）+喷胶棉（114 g/m2）+针刺棉毡（900 g/m2）+镀铝PE编织布（140 g/m2）），其传热系数分别为1.01、0.89 W/(m2×℃)，均小于1.23 W/(m2×℃)。以1号和2号保温卷帘为试验舍卷帘理论计算舍内温度时，得到舍内温度为−5 ℃。

1.3 新型保温卷帘在牛舍的安装

在试验舍分别安装1号和2号保温卷帘，C1～C4为牛舍原有单层卷帘安装位置，现将1号保温卷帘安装在C1和C2的位置，2号保温卷帘安装在C3和C4的位置，如图1a。新型保温卷帘安装图如图1b所示，安装完成效果图如图1c所示。

经计算，牛舍的最小通风量为134 m3/s。经测试，当地风速平均值为1.4 m/s，则牛舍的通风口面积为96.12 m2，理想状态下，牛舍两侧卷帘需开启25 cm左右。又因为牛舍的密封性不好，冷风渗透比较严重，而且，白天铲车清粪时门经常开启，所以不需要开启25 cm就可以满足冬季通风量的要求。故选择了两侧卷帘开启25 cm、南侧卷帘开启25 cm和两侧卷帘封闭3种工况进行保温卷帘应用效果的测试。

1.4 试验仪器及布点

1.4.1 试验仪器

采用TESTO 175-H1温湿度传感器（测量范围：−40～55 ℃，0～100%RH；精度：±0.4 ℃，±2%RH；分辨率：0.1 ℃，0.1%RH，德图仪器国际贸易（上海）有限公司，上海）（如图1d所示）、Apresys 179-TH温湿度传感器（测量范围：−40～100 ℃，0～100%RH；精度：±0.3 ℃，±3%RH；分辨率：0.01 ℃，0.01%RH，艾普瑞上海精密光电有限公司，上海市）和HOBO自动气象站（测量范围：−40～75 ℃，0～100%RH；精度：±0.7 ℃，±3%RH；分辨率：0.4 ℃，0.5%RH，广州市俊凯科技有限公司，广州市）进行舍内外温湿度的记录。采用台湾泰仕手持式TES-1332A照度计（精度：±3% rdg ± 0.5% f.s.（<10 000 lx），±4% rdg ± 10 dgts（>10 000 lx）；取样率：2次/s）进行光照度测试。

注：C1, C2, C3, C4均为牛舍卷帘安装位置。

1.4.2 试验布点

使用温湿度传感器连续监测舍内温湿度，仪器安装在1.5 m牛体高度处；使用手持式照度计监测舍内1.5 m高度处的光照度。监测位点图1a所示，对照舍和试验舍监测位点相同。

选择冬季最冷月进行试验监测，时间为1月至2月。两侧封闭工况下的舍内温湿度获得有效数据时间为1月19日至1月22日；南侧开启25 cm工况下的舍内温湿度获得有效数据时间为1月23日至1月26日；两侧开启25 cm工况下的舍内温湿度获得有效数据时间为1月28日至2月5日。光照度采集时间为1月19日至1月22日的08:00-12:00。数据采集均间隔1 h。

1.5 数据分析

使用Excel、AutoCAD作图，使用SPSS17.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 新型保温卷帘的筛选

1号和2号保温卷帘的传热系数分别为1.01和0.89 W/(m2×℃)，较单层卷帘（9.175 W/(m2×℃)）分别降低了88.97%和90.27%。当舍内温度为−5 ℃时，理论计算使用单层卷帘的牛舍围护结构单位建筑面积耗热量为 40.24 W/m2，使用新型保温卷帘为23.35 W/m2，其单位建筑面积耗热量降低了42%。由此可知，更换新型保温卷帘可以较大程度的降低建筑物耗热量。

2.2 两种保温卷帘的保温效果比较

在试验牛舍两侧封闭工况下，本试验对1号和2号保温卷帘区域监测的每小时温度值进行处理分析，结果如图2。

图2 两种保温卷帘牛舍的温度对比图

结果表明1号和2号卷帘内牛舍的温度变化趋势和舍外基本相同，1号和2号卷帘牛舍内温度相差不大。对1号和2号卷帘内牛舍温度进行方差分析可知，1号卷帘牛舍的平均温度为（−14.6±2.66） ℃，2号卷帘牛舍的平均温度为（−15.3±2.10） ℃。1号卷帘牛舍平均温度比2号卷帘牛舍平均温度高0.7 ℃，但是2种卷帘牛舍的平均温度之间不存在显著差异（=0.11）。这表明，2种保温卷帘的保温效果基本一致。

2.3 不同工况下舍内温湿度状况

由于2种保温卷帘保温效果一致，因此可将试验舍作为一个整体进行分析。在试验期间，监测获得试验舍、对照舍及舍外的温湿度。将多天的数据进行分析，得表3。将数据进行平均，得到一天中舍内外温湿度随时间变化的曲线，得图3。

表3 三种工况下的温湿度表

注：不同小写字母表示同一工况下同列数据差异显著（<0.05）。

Note: Different lowercases indicate significant difference among the same columns in the same condition, at 0.05 level.

表3描述了试验期间的温湿度的平均值、最高值和最低值。在这3种工况下，试验舍平均温度和相对湿度均显著高于对照舍和舍外（<0.05）。两侧开启25 cm工况下，试验舍平均温度较对照舍提高了1.8 ℃，相对湿度提高了7.94%；南侧开启25 cm工况下，试验舍平均温度较对照舍提高了1.9 ℃，相对湿度提高了5.75%；两侧封闭工况下，试验舍平均温度较对照舍提高了2.6 ℃，相对湿度提高了4.11%。可知，在两侧封闭工况下试验舍提高舍内温度幅度最大，提高相对湿度幅度最小，即效果最好。试验期间，舍外相对湿度的平均值在75%～80%之间，由此可知，该地区的湿度是非常高的，而牛舍内由于牛体自身产生大量水汽和通风不足导致舍内相对湿度高于80%，不适于奶牛的正常生产。但是试验舍内温度一直维持在-17～-12 ℃之间，畜舍若再进行大量自然通风会导致舍内温度更低。

由图3可知，在这3种工况下，试验舍温度普遍要高于对照舍和舍外，且变化趋势一致。舍外温度在07:00左右取得最小值，然后温度开始上升，到下午14:00左右达到峰值，随后逐渐下降。试验舍和对照舍内的最低温度出现在08:00左右，较舍外稍有停滞。在这3种工况下，在舍内温度提高的同时，试验舍内的相对湿度也明显要高于对照舍及舍外，在两侧封闭工况下，试验舍内相对湿度最高，部分原因是由于相对于另外2种工况下，此时舍外相对湿度也是最高的。

图3 三种工况下温湿度图

2.4 新型保温卷帘系统的光环境测试

对3种卷帘区域上的光照度进行记录分析，结果表明：单层卷帘牛舍上的光照度显著高于1号卷帘和2号卷帘（<0.05），同时，1号卷帘的光照度显著高于2号卷帘（<0.05）。由此表明卷帘透光性为：单层卷帘（（263 1.25±153 3.91）lx）>1号卷帘（（266.00±124.29）lx）> 2号卷帘（（75.53±43.17 lx））。

3 讨 论

1）2种保温卷帘保温效果评价

理论计算将单层卷帘更换为保温卷帘可使建筑耗热量降低42%，提高建筑物围护结构的保温性能是可以降低建筑物耗热量的，在民用建筑和猪舍方面的研究较 多[23-24]。1号和2号保温卷帘的传热系数差异不大，保温效果也没有显著性差异，但是1号卷帘区域平均温度比2号卷帘区域高0.7 ℃，可能是因为1号卷帘区域内的光照度（266.00 lx）显著高于2号卷帘（75.53 lx），1号卷帘区域在白天会得到更多的太阳辐射。卷帘透光性为：单层卷帘>1号卷帘>2号卷帘，但是单层卷帘舍内温度却显著低于试验舍，由此说明在冬季太阳辐射在一定程度上会影响保温材料对舍内保温的效果。

2）围护结构封闭状况对舍内温度的影响

在温室生产中，利用保温被来改善温室环境条件的研究有很多[25-26]。在畜禽生产中，在冬季提高畜舍围护结构保温性能，能够提高舍内温度[23,27]。理论上，试验采用保温卷帘来改善舍内环境，是可以起到一定作用的。在该试验中，提高了奶牛舍的卷帘保温性能，在相同通风量条件下，试验舍内温度显著高于对照舍，与其他研究结果基本一致。尽管在确定牛舍保温卷帘时要求的舍内温度应不低于-5 ℃，但实际测试中并没有达到理论计算值，其原因可能是：①实际生产中，牛舍大门基本处于敞开状态，无法实现良好的气流组织，牛舍通风换气量高于冬季最小通风量要求；②牛舍设计中，主要考虑了卷帘的可卷放性，卷帘和墙壁之间没有进行紧密性连接，导致严重的冷风渗透，在很大程度上影响了卷帘保温性能的发挥。

3）保温卷帘引起舍内湿度升高的原因

评价奶牛冬季冷应激的主要方式是风冷指数，影响奶牛冬季冷应激的主要指标为温度和风速。有研究表明当温度从−20 ℃上升到0时，空气容纳水分的能力从0.22 g/kg上升至0.84 g/kg[28]。即当温度升高时，空气中容纳水分的能力也会上升，湿度自然会有所增加。有研究表明在舍内温度为4℃时，使用合适的通风系统和具有较好保温性能的建筑围护结构可以有效地控制舍内湿度[27]。在冬季为保障奶牛舍良好的环境条件，应该在提高建筑围护结构的同时，增加一定量的通风。

4）可封闭开放式牛舍在寒区应用的可行性

郑万萍等研究表明在中国寒区奶牛场泌乳牛舍建筑以有窗式、矮墙卷帘式为主，其中有窗式牛舍适宜在寒区使用，单层卷帘的矮墙卷帘牛舍保温性能较差，不适用于寒区[14]。本研究表明在寒区可封闭开放舍将单层卷帘更换为保温卷帘后，由于卷帘自身的特性，依旧难以保证其适宜的舍内环境。但是若实现卷帘和墙壁之间的紧密型连接，减少畜舍内的冷风渗透，同时加强舍内生产管理，理论上是可以使舍内温度满足奶牛正常生产的需求。

4 结论和建议

1）对奶牛舍卷帘进行改造时，建议选用透光性好且传热系数较低的新型保温卷帘，理论计算新型保温卷帘可使建筑耗热量降低42%。

2）在两侧开启25 cm、南侧开启25 cm和两侧封闭3种工况下，平均温度和相对湿度均为试验舍>对照舍>舍外，试验舍平均温度（−16.70、−12.45、−14.95 ℃）和相对湿度（92.06%、96.40%、99.38%）均显著高于对照舍和舍外（<0.05），但试验舍依旧处于低温高湿的状况下。

3）只改善卷帘的保温性能并不能保证使寒区奶牛舍维持良好的最低温度要求，同时还要注意保温卷帘与墙壁之间的紧密型连接，以及适宜的生产管理方式。寒区应慎重采用可封闭开放式的牛舍建筑形式。

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Complex insulation shutter improving winter thermal and humidity environment of open-ended cowshed in cold region

Zhao Wanying1, Zhang Qi1, 2, Shi Zhengxiang1※

(1100083,;2215215,)

The health and production status of dairy cows was affected by low temperature in winter in the cold regions in the north of china. If cows are kept in low temperature for a long time, it will lose a lot of heat, the resistance decreases, and the energy utilization efficiency of the diet decreases, the welfare condition decreases. According to the climate character in Heilongjiang province and the design target is not less than –5 ℃ in test cowshed, this experiment analyzed heat transfer coefficient of single-layer shutter and compared the heat transfer coefficient, surface density and thickness of combination of different materials that can be used to make up new composite insulation shutters. This experiment made some kinds of composite insulation layers, and then selected 2 new insulation shutters from those and conducted a field experimental study in a cattle farm in Heilongjiang province. The determined 2 new combined insulation shutters were the white insulation shutter (white polyester cloth + pearl cotton + spraying-bonded wadding + pearl cotton + white polyester cloth, 1.01 W/(m2·℃)) and grey insulation shutter (PE intertexture cloth + spraying-bonded wadding + needled cotton felt + Aluminized PE intertexture cloth, 0.89 W/(m2·℃)). The study choice one cowshed in a farm as tested house. This cowshed was installed the two insulation shutters on east and west sides adopting the symmetrical installation of north and south which spilt the house into two parts. Then, this study choices the other same cowshed with single-layer shutter as control house. The experiment compared the temperature, humidity and illumination of test house and control house. The results showed that there was significant difference in illumination between the 2 new insulation shutters (<0.05) and no difference in temperature (>0.05), thus the illumination of shutters is a important factor in practical production. However, the illumination of the 2 new insulation shutters were significantly lower than the single-layer shutter (<0.05). On the three working conditions that the south and north shutter both opened 25cm, only the south opened 25cm and both sides closed, the average temperature and relative humidity (RH) in tested house were significantly higher than that of control house and outside (<0.05). The average temperature range in tested house, control house and outside are −12.45-−16.70 ℃, −14.38-−18.50 ℃ and −16.16-−21.56 ℃, respectively, and the average relative humidity range are 88.53%-97.73 %, 82.78%-93.62% and 74.75%-79.24 %, respectively. So, though the new combined insulation shutters have better thermal insulation performance than single-layer shutter, the cowshed is still in the low temperature and high humidity conditions. This paper suggests that in order to ensure the good environmental conditions of the cowshed in winter, we should continue to improve the building envelope at the same time and improve the ventilation system to dehumidifying the air. When we choose the insulation shutter, we should pay attention on its airtight with the wall around. In conclusion, the form of open-ended cowshed with insulation layers should be cautiously adopted in cold areas.

environmental control; temperature; heat transfer coefficient; insulation shutter; cowshed; heat preservation in winter

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.026

S823.9

A

1002-6819(2018)-21-0215-07

2018-04-16

2018-07-25

现代农业（奶牛）产业技术体系（CARS-36）

赵婉莹，主要从事畜禽养殖工艺与环境研究。Email：zhaowanying0418@foxmail.com

施正香，教授，博士生导师，主要从事畜禽养殖工艺与环境研究。Email：shizhx@cau.edu.cn

赵婉莹，张 琦，施正香. 复合保温卷帘改善寒区开放式牛舍冬季热湿环境[J]. 农业工程学报，2018，34(21)：215－221. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.026 http://www.tcsae.org

Zhao Wanying, Zhang Qi, Shi Zhengxiang. Complex insulation shutter improving winter thermal and humidity environment of open-ended cowshed in cold region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(21): 215－221. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.026 http://www.tcsae.org