摘要
中国东北地区作为生猪养殖潜力增长区，养殖设施工程正向标准化、智能化的趋势发展。通风作为养殖设施工程关键技术之一，是调节密闭式猪舍环境的主要手段。但东北大部分属于严寒地区，猪舍通风与保温之间的矛盾问题突出，针对此问题开展寒区冬季密闭式猪舍通风模式的研究，旨在改善猪舍内环境质量，以保证生猪健康生长。保育阶段仔猪自身免疫还未健全，生长状态易受环境影响;同时，因为保育猪舍空间相对较小，通风与保温之间的矛盾在保育猪舍内反映的更加明显，所以针对寒区冬季保育猪舍环境通风调控进行深入研究，更具有代表性。本文在综合分析各种通风模式基础之上，采用现场调研、数值模拟、数据分析、试验验证等方法，探究管道送风均匀性原理，并创新设计送排风管道组合通风系统，通过性能评价验证送排风管道组合通风系统可以有效调控猪舍环境。主要研究内容和结果如下: (1)试验猪舍环境监测与数据分析 以黑龙江省某规模化生猪养殖场保育猪舍为试验猪舍开展研究。基于LoRa无线通信技术设计环境监测传感器节点，采集舍内温度、湿度、氨气浓度及二氧化碳浓度数据;并利用风致振动压力发电的原理，采用机电耦合方法建模，设计传感器节点自供电系统。以试验猪舍环境监测数据为基础，依据保育猪舍环境控制标准，在舍内环境温度适宜保育猪生长的情况下，确定以二氧化碳浓度和相对湿度作为环境调控输入变量。在数据对比和分析基础之上，确定以二氧化碳浓度为变量进行计算，所得通风量可以满足环境调控需求。通风状态下，舍内温度会受到较大影响，探究影响猪舍环境热平衡主要因素，为后续送排风管道组合换气通风系统设计与优化提供参考依据。 (2)送排风管道组合换气通风理论分析与设计 分析管道均匀通风原理以及影响均匀送风的主要因素，从而提出送排风管道组合换气系统设计思路。利用计算流体动力学(CFD)对猪舍内空气流场进行模拟，分析送排风管道组合换气通风状态下各围栏内空气流场的分布规律，验证通风系统对局部环境调控的可行性。考虑垂直管道送风温度低导致保育猪产生冷应激的问题，设计由连廊预热、热量交换和管道通风加热补偿组成的三级预热通风系统，模拟结果表明预热通风系统可以保证送风温度适宜保育猪生长，为管道通风的实际应用提供了技术保障。 (3)通风系统优化 分析通风管道直径、通风速度和角度对空气流场和温度场的影响规律。利用CFD对猪舍环境进行模拟，探究保育猪背部水平截面和水泥地板中心位置南北垂直截面的空气流场和温度场的分布规律及均匀性。结果表明通风管道直径由0.2m增至0.4m，各围栏气流不均匀性系数普遍增大，但温度场逐渐均匀;送排风管道口风速增大，空气流场分布逐渐均匀，保育猪背部水平截面温度场分布并无明显区别;送风角度对空气流场和温度场分布区域影响较大，但各通风角度设定下，温度均在适宜范围内;送风角度由60°减小至45°，空气流场最大风速区域由水泥地板一侧转移至漏粪地板一侧，更有助于湿气和污浊气体排出。综合对比与分析，通风管道直径为0.3m，送风管道角度为45°，送排风管道口风速分别为1.5m/s和2.0m/s时，空气流场和温度场分布均匀，舍内污浊空气更易排出，且风速和温度适宜保育猪健康成长。 (4)通风模糊控制策略 根据试验猪舍环境数据分析结果，结合模糊控制理论，在舍内环境温度适宜保育猪生长的情况下，以相对湿度和二氧化碳浓度为输入变量，以风机调速方式为输出量，并对控制变量进行模糊化和解模糊化。输入变量KH和KC的量化因子为0.5，输出变量的量化因子为1。根据舍内以围栏为通风单元进行局部控制的需求，建立模糊控制规则。利用MATLAB建立模糊控制系统模型，验证通风变量、变速调控的可行性，为舍内环境通风自动化调控奠定基础。 (5)通风能效评价 为验证送排风管道组合通风系统性能，对试验猪舍进行改造。以对照猪舍和试验猪舍监测数据为基础，将气流不均匀性系数、差异显著性、温湿度指标(THI)、换气效率、能耗、经济性以及保育猪生长状态作为指标，对通风性能进行评价。与对照猪舍比较，在一个保育周期内，试验猪舍保育猪累计增重多2.23kg，饲转率高1.68％。综合评价结果表明，试验猪舍环境数据分别为:温度为22～25℃，湿度为60～70％，二氧化碳浓度为850～1070mg/m3，氨气浓度为0.5～3.0mg/m3，气流不均匀系数低于0.1，更适宜保育猪生长，送排风管道组合换气通风系统长期经济效益明显。
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