含有害气体的育雏鸡舍小气候模型构建与仿真

王立杰，温鹏*，魏征，耿玉旗，李丽华，3，霍利民，3*

（1.河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071000；2.科畅电气有限公司，河北 保定 071000；3.农业农村部肉蛋鸡养殖设施工程重点实验室，河北 保定 071000）

蛋鸡的育雏期环境调控［1-4］在鸡只全生命周期养殖中尤为关键，关系到鸡只的成活率和蛋鸡产量。密闭的育雏鸡舍是一个独立的小气候环境系统［5］，主要包括温度、湿度、有害气体浓度（NH3和CO2）、通风等因素。合理的温湿度环境是维持鸡只体温恒定的重要条件［6］，而有害气体浓度的高低是影响鸡只健康或病害的关键因素［7］，通风能够有效的改善舍内空气质量和舍内热湿平衡［8］。构建小气候环境模型能够精准的模拟出舍内环境逐时状况［9-10］，使舍内环境调控更加精确、合理，从而实现更健康高效的鸡只养殖生产。

在畜禽舍环境模型构建方法领域，Xie 等［11］根据猪舍环境特点建立猪舍内小气候环境模型，对舍内温湿度进行模拟及验证，实现了热湿环境的逐时动态模拟，得到模拟值与实测值变化一致。Wang 等［12］构建新的通风系统模型，通过控制通风量的大小，实现鸡舍内生长所需的温湿度环境。有害气体作为影响家禽健康生长的主要因素之一，也有学者进行了相关研究。李春梅等［13］综述了鸡舍有害气体对家禽健康生长的影响机制。程龙梅等［14］研究表明有害气体浓度的升高会导致清粪次数和通风次数的增加，从而导致舍内温湿度平衡发生改变。孙建忠［15］研究了畜禽舍内有害气体浓度对畜禽健康以及环境的影响。结果表明，有害气体浓度过高会降低鸡只的免疫力，诱发鸡群感染疾病，使得养殖生产效率降低，同时对养殖人员的健康也造成了不良影响。王悦等［16］根据CO2平衡原理，对笼养蛋鸡舍内的NH3和颗粒物的排放通量进行估算，研究结果可为畜禽养殖NH3和颗粒物排放清单的编制提供基础参数。

综上可知，现有的研究大多探究畜禽舍内温湿度、有害气体以及通风量等单独环境因素的模型构建或仿真模拟［17］，而充分考虑温湿度、有害气体以及通风量等环境因素之间的耦合关系，构建育雏鸡舍内小气候环境仿真模型的相关研究较少。本研究以密闭式育雏鸡舍为研究对象，在Matlab Simulink 中构建较为完善的育雏鸡舍小气候环境仿真模型，实现对育雏鸡舍内环境更全面、精准的模拟，旨在为育雏鸡舍建筑设计与舍内小气候环境调控提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验育雏鸡舍

试验地点为河北省保定市易县某养鸡场育雏鸡舍，每栋鸡舍长63 m、宽11.5 m、高4 m（其中：屋脊高0.8 m）；每栋鸡舍的饲养量为30 000 只海兰褐雏鸡，舍内地面由水泥筑建而成，四周是砖墙和水泥构造。鸡舍大门位于西侧，通风窗距离地面的高度为1.5 m，每2 个通风窗间隔为3.5 m，南北两侧各有12 个（1 m×1 m）通风窗，对称分布着24 个通风窗。鸡舍屋顶上部均匀排列着10 个通风换气口（0.5 m×0.5 m），鸡舍内均匀分布着3 列4层的半阶梯笼，饮水方式采用乳头自动饮水系统，采用自动喂料机投喂饲料，育雏鸡1～2 周龄时期饲喂次数约为5～6 次，3 周龄之后每天早中晚各饲喂1 次，且逐渐增加饲料量；育雏鸡1 周龄鸡舍每日光照时长要大于20 h，2～3 周龄鸡舍光照时长每日减少0.5 h，逐渐从20 h 减少到13 h，4 周龄之后可进行自然光照。鸡舍南北两侧的过道宽度为0.9 m，中间过道宽度为1.2 m，每列鸡笼的正下方放有宽度为0.6 m，深度为0.1 m 的粪板，舍内采用刮粪板的清粪方式，1 d1 次和2 d1 次的清粪时间为每天下午3：00-4：00，1 d 两次的清粪时间为每天的上午9：00-10：00 和下午的4：00-5：00，每次清粪时长不等，约为25～45 min。该试验基地根据育雏鸡舍地理位置和气候的不同，1 周龄育雏鸡舍采取最小通风模式；2～3 周龄育雏鸡舍采取过渡式通风模式；4 周龄及其以后育雏鸡舍采用纵向通风模式，育雏鸡舍结构见图1。

图1 育雏鸡舍采样点位置分布示意图Fig.1 Distribution diagram of sampling points in broiler chicken house

1.2 试验设备和主要仪器

舍内采用CLHS0.35 型全自动数控锅炉（额定功率为0.35 MW）进行暖气供暖，供暖建筑面积约为724.5 m2，出/回水温度为85 ℃/60 ℃。东侧安装4 个大风机和1 个小风机，小风机为1 m×1 m，大风机为1.3 m×1.3 m，单台小风机主要适用于育雏期间，标定风量为38 000 m3·h-1，风机额定功率为1 kW。鸡舍采用LED 节能灯泡进行补光，每列有24 盏白、18 盏黄灯泡，规格范围在5～50 W，光照时长根据育雏鸡日龄需求进行光照。鸡舍内南北两侧对称分布着11 个串联相接的长为0.6 m、宽为0.6 m、厚度为0.05 m 的暖气片，每2 个窗户之间放置1 个暖气片，西侧大门两边对称串联4 个暖气片，东侧每2 个大风机之间放置1 个暖气片。舍内共布置了9 个温湿度传感器，分别放置于距离地面高度为1.4 m 的北侧、中间以及南侧的半阶梯笼侧边。在相同的位置附近也放置了9 个型号为GD400 的四合一环境气体检测仪。风速仪主要测量鸡舍东侧4 个大风机、1 个小风机的风速以及舍内温湿度传感器位置的风速，采集仪器规格参数见表1。育雏鸡舍内结构、各设备分布和传感器测点位置见图1。

表1 试验仪器表Table 1 List of experimental equipment

1.3 环境数据采集

试验环境数据采集于2020 年8 月19 日至9 月14 日进行，共计27 d。主要测量育雏鸡不同日龄时期舍内外环境数据，包括温度、湿度以及有害气体浓度，采样频率为10 min，由于舍内H2S 浓度较低，对于小气候模型的构建影响较小，可忽略不计。利用excel 2021 软件，将27 d 环境数据整理成4 周龄环境数据，数据以（平均值±标准差）表示，育雏鸡不同周龄时期舍内外部分环境数据见表2。

表2 育雏鸡不同周龄时期舍内与舍外部分环境数据Table 2 Partial environmental data inside and outside of the broiler chicken house at different ages

1.4 育雏鸡舍内小气候环境模型分析

育雏鸡舍小气候环境受外界环境、围护结构、通风系统、暖气加热、舍内地面、粪便等影响，从而改变舍内热湿环境和有害气体浓度。因此本文通过构建温湿度逐时仿真模型、NH3浓度逐时仿真模型、CO2浓度逐时仿真模型，并将3 个模型串联起来搭建成整个育雏鸡舍小气候环境模型，模拟育雏鸡舍内小气候环境，舍内小气候环境模拟见图2。

图2 育雏鸡舍小气候环境模拟图Fig.2 Simulation of microclimate environment of broiler chicken house

1.4.1 舍内温度逐时动态仿真模型

育雏鸡舍内的热量交换主要受太阳辐射、暖气加热、鸡只产热、鸡舍围护结构、舍内地面、通风量大小、外界环境温度的影响。根据热力学第一定律可得，育雏鸡舍内的逐时动态热量交换方程，如式（1）所示［11，18］：

式中，ρ为空气密度，单位为kg·m-3；V 为鸡舍体积，单位为m3；cp为空气比热容，单位为J·kg-1·℃-1；ti为鸡舍内空气温度，单位为℃；Qs、Qh和Qc分别为育雏鸡舍单位时间内从太阳辐射、暖气加热、鸡只显热产热量，单位为W；Qv、Qw和Qg分别为育雏鸡舍单位时间内通风量、围护结构和地面散失的热量，单位为W；Qo为灯泡照明产热、电器设备发热以及缝隙散热的总热量，单位为W，由于这些热量较小不影响模型的建立，可忽略不计。

太阳辐射产生的热量Qs，如式（2）所示：

式中，Ks为围护结构的辐射转换系数；Sw为屋顶吸收太阳辐射能量的有效面积，单位为m2；Ir为太阳的辐照强度，单位为W·m-2。

暖气加热产生的热量Qh，如式（3）所示：

式中，n为暖气片的个数；Ah为每个暖气片的散热表面积，单位为m2；Uh为暖气片的传热系数，单位为W·m-2·℃-1；th为暖气表面的温度，单位为℃。

根据国际农业与生物系统工程学会（CIGR）发表的研究结果，蛋鸡所产生的总热量Qb，如式（4）所示［19］：

式中，蛋鸡总产热量Qb为显热量Qc与潜热量QL之和，显热量是鸡只产热量的主要来源；M为鸡只的总重量，单位为kg；Y为鸡只的产蛋量，育雏鸡产蛋量取值为0。

则育雏鸡显热产热量Qc，如式（5）所示：

舍内通风散失的热量Qv，如式（6）所示：

式中，L为舍内的通风量，单位为m3·s-1；t0为舍外环境温度，单位为℃。

舍内围护结构散热量Qw，如式（7）所示：

式中，kw为鸡舍围护结构传热系数，传热系数一般与材料和厚度有关，单位为W·m-2·℃-1；tw为鸡舍围护结构外表面温度，单位为℃；Ri和R0分别为鸡舍围护结构内、外换热系数，单位为m2·K·W-1；Fs为鸡舍围护结构的表面积，单位为m2。

舍内地面散失的热量Qg，如式（8）所示：

式中，hg为舍内地面的换热系数，单位为W·m-2·℃-1；Sg为舍内地面的有效表面积，单位为m2；tg为舍内地面温度，单位为℃。

1.4.2 舍内湿度逐时动态仿真模型

育雏鸡舍内的含湿量主要来源于鸡只的产湿量、舍内通风排湿量以及舍内各表面散湿量。根据能量平衡原理可知，育雏鸡舍内湿度动态平衡方程如公式（9）所示：

式中，di为舍内空气中的含湿量，单位为kg·kg-1；Wc为育雏鸡的产湿量，单位为kg·s-1；Wd为舍内各表面的散湿量，单位为kg·s-1，可忽略不计；Wv为舍内的通风排湿量，单位为kg·s-1。

育雏鸡的产湿量Wc可以根据鸡只体表潜热产热量Ql来计算，如式（10）所示：

式中，γ为水蒸气的汽化潜热，单位为J·kg-1；Qc为育雏鸡体表总产热量（总产热量为显热量Qt与潜热量Ql之和）；潜热量Ql是育雏鸡体表散失的热量以水汽的形式挥发到舍内空气中，单位为W。

育雏鸡的显热量Qt可以根据育雏鸡体表总产热量Qc计算得到，如式（11）所示［12］：

通风排湿量Wv可按公式（11）计算：

式中，ds为舍外空气中的含湿量，单位为kg·kg-1。

若育雏鸡舍内装有湿帘，则需要考虑舍外空气经湿帘加湿后的舍外空气含湿量dc，单位为kg·kg-1；则式（12）的ds应换为dc，经湿帘加湿后的空气含湿量可通过降温效率η的数学模型得到，如式（13）所示：

式 中 ，η为 降 温 效 率［20］，公 式 为，单位为%；一般鸡舍湿帘常用的 换 热 系 数［21］为hv=12.283 05v0.69922。α为 加 湿帘的表面积，单位为m2；h为空气与所选的湿帘材料表面上的水之间的蒸发换热系数，单位为W·m-2·℃-1；L为所选湿帘材料的厚度，单位为m；vs为经过湿帘表面的风速，单位为m·s-1；tm和tn分别表示舍外空气干球温度和湿球温度，单位为℃。

1.4.3 舍内NH3浓度逐时仿真模型

舍内影响育雏鸡生长的有害气体主要为NH3和CO2。NH3是会挥发且易溶于水的有害气体，挥发的本质都是游离的液态从粪便表面向空气传输的过程，挥发过程可利用惠特曼和刘易斯提出的“双膜理论”进行分析。利用双膜理论原理，NH3从粪便挥发的量，等于游离子转移系数与溶液膜和空气膜浓度差的乘积。因此，本文将建立NH3浓度挥发机理模型，模拟舍内NH3浓度，粪便表面挥发的NH3速率如式（14）所示［22］：

式中，Va为粪便中NH3从溶液表面挥发的速率，单位 为mol·s-1；δ为NH3挥 发 的 总 传 质 系 数，单 位 为m·s-1；S为NH3挥发的总面积，单位为m2；[NH3](aq)为溶液中液相膜游离的NH3浓度，单位为mol·m-3；[NH3](g)为空气中NH3浓度，单位为mol·m-3。

刚开始舍内未有粪便产生时，舍内空气中的NH3浓度要比溶液中的NH3浓度小得多，所以式（13）中的空气NH3浓度可忽略不计，而溶液中的[NH3]()aq可以由公式（15）表示为［23］：

式中，[TAN]()NH3为溶液中NH3的氨根离子与游离的氨浓度总和。所以式（14）可以改写成式（16）所示：

当浓度差达到一定的值时，NH3会从粪便的气相膜层挥发到空气中，挥发的速率取决于大气压、舍内空气的温度以及舍内空气的风速大小。1942年Haslam 等人建立了NH3总传质系数，如式（17）所示［22］：

式中，HN为亨利常数，用于描述溶液中气液结合面物质浓度的问题，本文亨利常数的计算公式为HN=1384×1.053293-T，亨利常数为无量纲；式中KG=5310×(3.28v)0.8T-1.4；KL=5.31×10-7T4；v为溶液表面的风速，单位为m·s-1；T为舍内空气温度，单位为K。

总的氨（硫）浓度[TAN]()NH3决定NH3的生成和挥发过程。鸡的粪便短时间内是个不断积累的过程，假设粪便的浓度均匀，则总的氨（硫）浓度[TAN](NH3 )逐时变化如式（18）所示：

式中，λ为浓度修正系数，由于粪便内的NH3的浓度不同，且随着时间的变化粪便中含有的NH3的浓度也不断改变；而粪便中NH3气体的挥发主要受舍内温度的影响［24］，因此，通过线性回归的方法拟合出浓度修正系数与舍内温度的关系式为λ=-0.105T+5.635，U为t时 刻 的 粪 便NH3的浓 度，单 位 为mol·m-3；V为 鸡 粪 坑 内 表 层 粪 便 体积，单位为m3。

1.4.4 舍内CO2浓度逐时仿真模型

CO2作为育雏鸡舍内有害气体的一部分，它的浓度大小主要受通风量大小的影响。由于育雏鸡的生长受温度的影响较大，而通风量的大小主要受温度变化的影响，所以通过舍内温度的变化来确定通风量的大小，进而确定舍内CO2浓度的变化。则通风量的计算如式（19）所示［25］：

式 中，VR 为 通 风 量 的 大 小，单 位 为m3·h-1·kg-1；m为每只育雏鸡的质量，单位为kg。

为了计算育雏鸡舍内的CO2浓度，可通过CO2平衡法与VR 之间的关系进行计算，如式（20）所示：

式中，Co和Ci分别为育雏鸡舍内CO2浓度和舍外空气中CO2浓度，单位为mg·m-3；VCO2为育雏鸡舍内CO2产 生 速 率，单 位 为m3·h-1或m3·min-1；ρCO2为CO2的密度（1.977 kg·m-3）。

为了计算出舍内CO2的浓度Co，则先要确定CO2的产生速率VCO2。育雏鸡舍内的CO2主要来源于鸡只的呼吸和粪便中含有少量的CO2，根据国际农业与生物系统工程学会（CIGR）发表的研究结果，可得到CO2产生速率计算公式，如式（21）所示［13］：

式中，fc是育雏鸡活动产生的热量变化系数（由于育雏鸡活动量较小，本研究中fc=1），N为育雏鸡舍内鸡只的总数量，单位为只；THP 为单位时间内每只育雏鸡的总热量；RQ 为呼吸熵，取值为0.8；KCO2为CO2的排放调整系数，根据清除粪便的次数以及舍内其他活动量来调整，由于育雏鸡粪便排量少，清除粪便次数较少，因而KCO2取值为1。

在本研究中，育雏鸡的THP 选用CIGR 的公式来计算，如式（22）所示［12］：

式中，由于育雏鸡日龄27 d 前舍内温度在25 ℃以上，当舍内环境温度低于25 ℃时，需通过产热修正系数KTHP=0.02(T-25)+1 来调整。

1.5 育雏鸡舍小气候模型整体结构

本研究建立的育雏鸡舍小气候模型输入数据包括外部环境数据（例如，空气温度、空气湿度）、鸡舍的热特性、建筑物的几何特性、动物生理（例如，日龄、体重、体表产热）和边界条件（例如，设定的室内温度、最小通风量、最大通风量），通过设定的时间步长，确定所需的边界条件、热得/热损失和鸡舍围护结构的热行为，可以在给定室内气候控制所需的加热负荷的情况下求解能量平衡。此外，在每个时间步长内，通过确定通风量的大小，能够求解出温湿度平衡和有害气体平衡（NH3和CO2），在时间步长结束时更新舍内小气候。图3提供了一个流程图来展示整个仿真过程，其中包括计算路径、反馈路径、时间步长i的输入和输出示例。

图3 育雏鸡舍内小气候环境模型仿真结构图Fig.3 Simulation structure of microclimate environment model in broiler chicken house

1.6 试验方案

育雏鸡最关键的生长周期为前1～4 周（约28 d），为了探究育雏鸡生长前4 周小气候环境的特性，分别选取2 组气温差别较大的典型日，收集典型日2020 年8 月19 日（1 日龄）和典型日2020 年9 月12 日（25 日龄）以及整个育雏鸡生长4 周期8 月19 日至9 月14 日为时27 d 的小气候环境数据，基于Matlab2021b Simulink 建立育雏鸡舍小气候环境仿真模型，对育雏鸡舍内小气候环境进行模拟，并通过误差分析验证模型的准确性。

其中典型日1 日龄设定为最暖日，该日外界环境温度最高，通风量最小，育雏鸡需要的热量也最多。典型日25 日龄设定为最冷日，是因为该日在试验期间内外界环境温度最低，昼夜温差较大。考虑到典型日的气候条件对舍内热湿平衡和有害气体浓度变化的影响程度较大，对育雏鸡1 日龄和25 日龄进行仿真模拟目的是：在不同气候环境和日龄条件下，明确主要调控的仿真模块对象和输入端，确保构建的小气候仿真模型能够在误差允许的范围内模拟出真实的舍内小气候环境，同时在遇到其他特殊典型日时，该模型也能够精准的模拟出舍内小气候环境。

1.7 育雏鸡舍小气候环境模型的建立

在已建立的育雏鸡舍内温度、湿度以及有害气体浓度数学模型的基础上，使用Matlab2021b Simulink 建立育雏鸡舍小气候环境仿真模型，包含温度、湿度以及有害气体浓度逐时动态仿真模型3个部分。育雏鸡舍内小气候环境仿真模型见图4。

图4 育雏鸡舍内小气候环境逐时动态仿真模型图Fig.4 Hourly dynamic simulation model of microclimate environment in broiler chicken house

2 结果与分析

2.1 1 日龄育雏鸡舍内小气候环境模拟验证

育雏鸡1 日龄，舍外环境平均温度为27.5 ℃，当日舍外最高温度为34 ℃，最低温度为23 ℃。舍内需要通过暖气加热进行升温，采用刮粪板清粪方式，由于1 日龄舍内粪便量较少未进行清粪处理，同时正午时分室外环境温度最高，鸡舍温度高于上限温度，此时舍内打开侧风口进行最小通风，当温度降低到下限温度时，时长约为25～40 min，通风关闭。由于1 日龄育雏鸡对舍内温度需求较高为33～36 ℃，舍内由粪便产生的有害气体浓度相对较少，因此在最小通风模式下，通风频率一般为每隔4～5 h 通风换气1 次。通过统计9 个测点的平均值作为舍内环境数据的实测值，采样间隔为10 min，共计144 个采样点，1 日龄育雏鸡舍内小气候环境模拟值与实测值的对比结果见图5。

图5 1 日龄育雏鸡舍内小气候环境模拟值与实测值对比图Fig.5 Comparison of simulated and measured microclimate environment in a 1-day-old broiler chicken house

由图5 可知，1 日龄育雏鸡舍内温度、湿度以及有害气体浓度模拟值与实测值的变化趋势一致，温度与湿度呈负相关，受舍内温度和正午通风影响NH3和CO2浓度24 h 变化趋势相似。由图5a 可知，由于外界环境温度较高，舍内温度24 h 内的变化幅度较小，表明外界环境温度较高以及昼夜温差较小时，舍内温度易调控。由图5b 可知，由于1 日龄舍内通风量较小，舍内相对湿度较高，在通风后舍内相对湿度降低幅度较小，表明该日相对湿度大小主要受舍内温度的影响。

由图5c 和5d 可知，在正午和傍晚前后受通风和进食的影响，有害气体浓度发生改变，在进食后，受饲料和粪便产量增加的影响，有害气体浓度逐渐升高，在通风后，舍内有害气体浓度逐渐降低。由图5c 可知，CO2主要受通风影响且浓度最高。同时由于舍内温度较高，该期间未进行清粪处理，有害气体的挥发主要受温度影响，浓度的变化与温度的变化趋势相似。因此，在外界环境温度相对较高的典型日（1 日龄）中，可以看出有害气体浓度大小主要受温度的影响，在舍内温度达到峰值时，有害气体浓度也变得较高，可在温度达到峰值时开启通风。建议该日可通过增加清粪次数，降低舍内有害气体浓度。

2.2 25 日龄育雏鸡舍内小气候环境模拟验证

育雏鸡只25 日龄环境需求相对较低，该日舍外环境平均温度为22.5 ℃，舍外最高温度为30 ℃，最低温度为18 ℃，舍内需要通过暖气加热进行保温。25 日龄需要对舍内进行清粪处理，采用刮粪板清粪时完成1 次清粪的时间约25 min，清粪频率为1 d 2 次，最低为1 d 1 次。同时，舍内的通风次数和通风量增加，此时舍内打开纵风口和纵风机进行纵向通风，通风前将舍内温度升高2～3 ℃，当温度降低到下限温度时，时长约为35～55 min，通风关闭。由于25 日龄育雏鸡对舍内温度需求相对较低为21～24 ℃，舍内由粪便产生的有害气体浓度增加，因此在纵向通风模式下，通风频率一般为每隔3～4 h 通风换气1 次。25 日龄育雏鸡舍内小气候环境模拟输出值与实测值的对比结果见图6。

图6 25 日龄育雏鸡舍内小气候环境模拟值与实测值对比图Fig.6 Comparison of simulated and measured microclimate environment in a 25-day-old broiler chicken house

由图6 可知，25 日龄育雏鸡舍内温度、湿度以及有害气体浓度模拟值与实测值的变化趋势一致，温度与湿度呈负相关，受清粪和通风影响，舍内NH3和CO2浓度24 h 变化趋势相似。由图6a 可知，由于正午时分外界环境温度比舍内设定的温度高，所以在正午时分即使增加通风量和通风次数，舍内温度仍然处于逐渐升温状态，当外界温度低于舍内设定温度时，通风量和通风次数增加导致舍内温度呈现逐渐下降趋势。由图6b 可知，随着25 日龄舍内通风量和通风次数增加，舍内相对湿度变化幅度较大，在通风后舍内相对湿度逐渐降低，表明该日相对湿度大小主要受通风量的影响。

由 图6c 和6d 可 知，NH3和CO2浓 度 主 要 受 通风和进食的影响，随着25 日龄育雏鸡的饲料和粪便增加，舍内NH3浓度升高，而CO2浓度随着通风次数的增加明显降低，表明该日CO2浓度对舍内小气候环境调控影响较小。同时由于舍内温度相对较低，有害气体的挥发产生受温度影响较小，受清粪次数的增加影响较大。有害气体的浓度变化趋势与湿度的变化相似，与温度变化趋势相反。表明该日舍内有害气体的浓度同舍内相对湿度一样主要受通风的影响。因此，在外界环境温度相对较低且昼夜温差较大的典型日（25 日龄）中，可以看出有害气体浓度大小主要受通风量的影响，在舍内温度达到谷值时，有害气体浓度变得较高，可在温度达到谷值时开启通风，同时增加暖气加热量，防止舍内温度降低过快。建议该日可通过增加通风次数，降低舍内有害气体浓度。

为了验证典型日1 日龄和25 日龄在误差允许的范围内同样适用于本文搭建的育雏鸡舍小气候环境模型，对1 日龄和25 日龄的育雏鸡舍小气候环境仿真模拟值与实测值进行误差分析，包括最大误差（Emax）、平均绝对误差（MAE）、均方根误差（RMSE）以及决定系数（R2），误差分析结果见表3。

表3 典型日育雏鸡舍小气候环境模拟误差分析表Table 3 Analysis table of simulation error of the microclimate environment in broiler chicken house on selected days

由表3 可知，典型日中的温度、湿度以及有害气体浓度的最大误差值较小，且平均绝对误差在10%以内，同样均方根值也在误差允许范围内，其中CO2的均方根误差达到了77.63 mg·m-3，均方根值主要受数值大小影响，数值越大均方根值越大。温度、湿度、NH3以及CO2的决定系数值都在0.85以上。因此，本文所建立的育雏鸡舍小气候环境模型准确度较高，在外界环境变化较大时仍能够准确的模拟出舍内环境。

2.3 27 天育雏鸡舍内小气候环境模拟验证

通过对育雏鸡舍1 日龄和25 日龄小气候环境模型模拟验证，确定了该模型具有较高的准确性，为了继续验证创建的育雏鸡舍小气候环境模型的可行性和实用性，将对育雏鸡舍为期27 d 的小气候环境进行模拟验证。在育雏期27 d 内，舍外最高温度为34.5 ℃，最低温度为18 ℃，舍外平均温度为26.4 ℃。由于27 d 内外界环境温度相对育雏鸡舍内室温仍然较低，整个周期有暖气供暖，供暖大小由舍内温度大小决定。随着育雏鸡日龄的增加，舍内粪便产量增加，清粪次数也随之增加，为了确保舍内有害气体浓度在合理的范围内，需要增加舍内通风量和通风次数，舍内通风方式由最小通风方式转变为过渡式通风方式，再转变为纵向通风方式。27 d 育雏鸡舍内小气候环境模拟值与实测值的对比结果见图7。

图7 27 天育雏鸡舍内小气候环境模拟值与实测值对比图Fig.7 Comparison of simulated and measured values of microclimate environment in a broiler chicken house within 27 days

由图7 可知，育雏鸡舍内27 d 的温度、湿度、CO2和NH3浓度模拟值与实测值变化趋势一致，温度与湿度呈负相关，随着日龄的增加舍内温度、湿度、NH3浓度、CO2浓度逐渐降低。由图7b 可知，在9 月3 日、9 月7 日和9 月11 日舍内相对湿度变化较大，是由于这3 天出现阴雨天气。9 月3 日，舍内为了保温降低通风量，导致舍内湿度减少，9 月7 日和9 月11 日，由于阴雨天气外界湿度增加，此时随着育雏鸡日龄增加，保温需求小于通风需求，通风换气时，舍内湿度增加。如图7c 所示，在育雏鸡低日龄阶段，由于舍内需保温加热，通风量很小，导致舍内CO2浓度最高；随着日龄增加，通风量也增加，CO2浓度逐渐降低。由图7d 可知，在育雏鸡前2 日龄阶段，鸡舍产生的粪便量较少，舍内的NH3浓度很低；但随着日龄增加，育雏鸡进食量增加，舍内的粪便量增加同时舍内通风量也相对较少，导致前10 日龄舍内的NH3浓度最高。10 日龄以后，通风量和通风次数的增加，舍内的NH3浓度逐渐减少。由 图7c 和7d 可 知，在9 月3 日、9 月7 日 和9 月11 日这3 天出现阴雨天气，舍内通风量需减少，未进行清粪处理，导致舍内CO2、NH3浓度增加，因此，NH3浓度对育雏鸡舍内生长环境影响最大，CO2浓度次之。对27 d 育雏鸡舍小气候环境模拟值进行误差分析见表4。

表4 27 天育雏鸡舍小气候环境模拟误差分析表Table 4 Microclimate environment simulation error analysis for a 27-day old broiler chicken house

由表4 可知，育雏鸡舍小气候环境仿真模型决定系数相对较高，方根误差值和最大误差值相对较小。其中CO2浓度最大误差为443.2 mg·m-3，主要与阴雨天通风量减少有关，但模拟的平均绝对误差仍在10%以内。这表明，本文所构建的育雏鸡舍小气候环境模型的准确性得到了验证，能够精准模拟育雏鸡舍内的小气候环境。

2.4 清粪、舍内通风和有害气体浓度变化分析

鸡舍内的有害气体主要来源于粪便的挥发，为了解不同清粪频率对舍内有害气体浓度影响，采用刮粪板清粪方式，清粪频率为2 d 1 次、1 d 1 次和1 d 2 次。在4 个不同周龄时期下选取同日龄数据进行分析，采用excel 整理数据，用SPSS 软件中的LSD 法进行多重比较，试验结果用（平均值±标准差）表示，见表5。

表5 不同清粪频率对舍内NH3和CO2浓度的影响Table 5 The influence of different excrement frequency on the concentration of NH3 and CO2 in the house

由表5 可知，刮粪板清粪运行频率对不同周龄时期舍内NH3浓度存在显著影响，对CO2浓度无显著影响。其中2 d 1 次清粪时NH3浓度最高，1 d 1次清粪时NH3浓度次之，1 d 2 次清粪时NH3浓度最低。由于1 周龄时期舍内粪便量产生较少，舍内未采取1 d 两次的清粪频率。

为了评估不同通风模式对舍内有害气体浓度变化的影响，先通过仿真模型计算温度控制与通风控制之间的补偿系［26］，解决“保温和通风”之间的矛盾后，再通过计算舍内有害气体浓度的降低率（通风前后有害气体浓度的差值与通风前有害气体浓度的比值），确保通风后舍内有害气体浓度降低到育雏鸡生长要求。在实验期间，记录通风时间点和时长，对测得的舍内温度数据进行分析计算，得出不同通风模式下育雏鸡舍内温度补偿系数（表6）。

表6 不同通风模式下育雏鸡舍内温度补偿系数Table 6 Temperature compensation coefficient of broiler chicken house under different ventilation modes

由表6 可知，当舍内开启通风时，舍内风速增大，舍内负压也随之降低，通风散热量增加，温度变化值大。为了合理的降低有害气体浓度，确定了各通风模式下的温度补偿系数，可以看出不同通风模式下的温度补偿系数不同，通风量越大，温度补偿系数越大。

在确定各通风模式下通风量的大小和温度补偿系数的基础上，分析计算舍内有害气体浓度的降低率。选取2021 年8 月19 日 至9 月14 日3 种通风模式下连续约30 min 的舍内有害气体浓度降低率情况，时间为正午前舍内通风。不同通风模式下育雏鸡舍内有害气体浓度降低率见表7。

表7 不同通风模式下育雏鸡舍内有害气体浓度降低率Table 7 Reduction rate of harmful gas concentrations in broiler chicken house under different ventilation modes

由表7 可见，在3 种通风模式下，由于纵向通风模式的通风量较大，有害气体浓度降低率最大，舍内CO2和NH3浓度分别减少了48%、52%，温度变化值为2.6 ℃；过渡式通风模式的通风量适中，有害气体浓度降低率次之，舍内CO2和NH3浓度分别减少了35%、38%，温度变化值为1.6 ℃；最小通风模式的通风量最小，有害气体浓度降低率最小，舍内CO2和NH3分别减少了12%、29%，温度变化值为0.7 ℃。3 种通风模式下，舍内有害气体浓度都降低到了育雏鸡生长环境要求范围内。由此可说明，本文所建立的育雏鸡小气候环境模型，能够较好的模拟出舍内有害气体浓度，提高仿真精度。

3 讨论

近年来，国内外通过数学模型分析畜禽舍内

通风模式的选择影响着舍内温湿度以及有害气体浓度，不同外界气候和日龄情况下舍内的通风模式也不一样［28-29］。本研究在3 种不同通风模式下，计算出舍内有害气体浓度降低率和温差。研究结果显示，3 种通风模式都能有效的降低舍内有害气体浓度，其中纵向通风模式下有害气体浓度降低率最高，但通风前后舍内温差较大，最小通风模式下舍内通风前后温差较小，但有害气体浓度降低率最小。因此，建议在舍内外温差较小时，多环境因子分布规律及产生机理而构建舍内小气候仿真模型的研究越来越多［25-26］。对小气候仿真模型的模拟能够判断不同日龄舍内各环境因素之间的耦合性，为舍内环境调控提供试验方案。

清粪会影响舍内环境质量，而小气候模型的构建需考虑清粪的影响［27］。在固定通风频率条件下，当清粪频率增加时，舍内温度和有害气体浓度降低，湿度略微升高。在1 d 两次运行频率下舍内温度和有害气体浓度显著低于其他运行频率，在2 d 一次运行频率下舍内有害气体浓度显著高于其他运行频率，在2 d 一次和1 d 一次运行频率下温度和湿度差异不显著。研究结果显示，增加清粪频率会降低舍内有害气体浓度，但由于清粪期间进行通风，也会导致舍内温度降低。因此，为了避免清粪期间因通风而导致舍内温度下降过快，可通过加快传送带运作速率来减少清粪时间。同时随着雏鸡周龄增加，在不过度改变舍内温湿环境的前提下当舍内外温差较小时可适当增加清粪频率，以期进一步降低舍内有害气体浓度。开启纵向通风模式，在舍内外温差较大时，开启过渡式通风模式。同时受北方地理位置和气候的影响，试验期间外界环境湿度变化值较小，因此本研究未考虑模型在不同通风模式下的湿度补偿系数大小，但南方多潮湿阴雨天气，需考虑湿度补偿系数对模型带来的影响。同时因模型在仿真过程中采用日常下的通风模式和固定通风频率，导致模拟通风量大于阴雨天的实际通风量，进而造成CO2浓度模拟值偏低。因此后续研究可通过添加通风模糊控制模型，根据阴雨天气下气体浓度差和湿度差设置模糊规则，对通风量进行模糊抉择，进一步优化模型。

对于单独的热湿环境模型、有害气体模型而言，其环境因素单一、模拟的偶然性较大，无法准确模拟舍内动态环境。本研究所构建的小气候仿真模型相对于尔梦伟［18］和梁超［19］的研究，增加了有害气体浓度仿真模型。温度模拟值平均误差降低到了0.72%，湿度模拟值平均误差降低到了1.7%，表明因育雏鸡舍小气候多环境因素互相耦合、影响，故模型构建计及有害气体后精准度更高，实现了更为全面的、精准的仿真模拟。不同小气候环境模型误差对比见表8。

表8 不同小气候环境模型误差对比表Table 8 Error comparison table of different microclimate environment models

本试验中未采集到舍内PM2.5和PM10环境数据，可在后续试验中考虑添加颗粒物排放模型（PM2.5和PM10），以期进一步完善舍内小气候环境模型。

4 结论

本研究针对育雏鸡舍构建了计及有害气体的小气候环境仿真模型，并进行了仿真验证。结果表明，温度、湿度以及有害气体浓度的模拟值与实测值变化趋势一致，同时验证了不同典型日下仿真模型的伸缩性；经多种误差分析表明，本研究所构建的温度、湿度仿真模型的精准度在计及有害气体后得到了进一步提高，有害气体浓度仿真模型的误差在合理范围内。证实了本研究所构建的育雏鸡舍小气候环境仿真模型的有效性与可靠性，研究结果可为舍内小气候环境的模拟与调控提供理论指导。