不同围护结构材料对猪的福利养殖的模拟分析

彭 辉，贠慧星

（1.山西农业大学工学院，山西太谷 030801；2.山西农业大学城乡建设学院，山西太谷 030801）

近几年，随着我国养猪业的迅速发展[1]，福利养殖的理念[2-6]也被引入到我国。猪的福利养殖就是要给猪提供舒适安全的生活环境，保证猪生活健康和自由[7-8]。在我国现在的发展基础上，如何在绿色农业的发展条件下，达到福利养殖的目的成为一大难题。袁月明等[9]基于Ecotect选择长春地区猪舍不同的建筑朝向进行光热模拟，分析试验猪只对建筑的热工需求，达到满足猪的福利养殖的需求；冯博[10]通过既有住宅建筑节能改造，应用Ecotect进行改造给猪的福利养殖的研究提供了经验。冯海林等[11]利用基于BIM技术的Ecotect软件对建筑的热工性能的研究，进一步促进了对猪舍的围护结构模拟分析。

围护结构的保温隔热性能主要影响猪舍内的温度，进而对猪的养殖有一定影响[12-14]。太原地区属于夏天炎热、冬天寒冷的地区，墙壁的保温隔热性能有重要的意义。

本研究就是通过选取猪舍的几种围护结构材料，通过建模，进行热环境分析，选取最优围护结构材料，给猪的福利养殖提供一个适宜的生活环境，提高猪的生产性能，增强猪的抵抗力[15]，改善猪肉品质。

1 材料和方法

1.1 材料

本研究选取的是育肥猪舍，是北方猪舍的典型结构。育肥猪舍选址在太原市郊区，猪舍朝向南偏东，猪舍长66.9 m，宽7.2 m，高3 m，设计饲养猪的数量是360头。表1是猪舍围护结构材料的基本参数。

表1 猪舍围护结构材料的相关参数

1.2 试验设计

猪舍的热环境分析就是得出舍内多种扰动作用下的舍内的热环境参数。本研究进行热环境分析主要包括逐时得热失热分析、温度分布分析、逐时温度分析、逐月度日分析[16]等几个方面。

本研究主要采用以下3种方案进行模拟分析和比较，因为传热系数是指在稳定传热条件下，围护结构内外两侧空气温度差为1℃，单位时间内单位面积传递的热量，所以，3种方案主要对比传热系数的不同。方案1：墙体的材料由外到内是由10mm的灰泥、50 mm的岩棉保温层、240 mm的砖墙、10 mm的灰泥构成，传热系数是0.51 W/（m2·K）[17]；方案2：墙体的材料由外到内是10 mm的灰泥、240 mm的砖墙、10 mm的灰泥构成，传热系数是1.79 W/（m2·K）；方案3：墙体的材料是40 mm的钢筋混凝土构成的，传热系数是3.17 W/（m2·K）。由于本研究主要是为了进一步分析墙体的围护材料对于猪的福利养殖的影响，所以，3种方案的屋顶围护材料统一选择性能较好的彩钢夹芯板，它由内到外是由1 mm的钢板、100 mm岩棉、1 mm的钢板构成，传热系数是0.04 W/（m2·K）；地板都是由100 mm的混凝土地板构成，传热系数是0.88 W/（m2·K）；窗户选择的是单层玻璃铝框材质，传热系数是6 W/（m2·K）。

1.3 模拟分析

Autodesk Ecotect Analysis是一款设计及分析的软件[18]。Ecotect Analysis模拟太阳辐射、日照、采光、热工等，结合这些模拟结果进行分析可以达到研究目的。

本研究主要使用Ecotect Analysis 2010进行分析，分析的方法采用准入法。在正式进行热环境分析之前，还要进行建模、材质的设置、热环境设置和导入气象数据等步骤[19]，主要设置包含4个方面[18]：（1）模型。在进行热工环境分析时，Ecotect Analysis必须要恰当地简化模型，根据经验简化，同时要保证模型空间密闭，相邻模型的空间的材质可选项不冲突等。（2）材质的设置。Ecotect Analysis的热环境分析采用了准入法，Ecotect Analysis能够自动计算部分物理参数，如本研究中材质的传热系数。（3）热环境设置。室内热环境的系统设置是热环境分析的基础，同样会对模型的热环境模拟结果产生影响。（4）气象数据。气象数据是进行热环境模拟的先决条件。一般选择使用由科学家制作完成的典型气象数据，本研究选择的是太原地区的气象数据。

2 结果与分析

2.1 逐时得热失热分析

逐时得热失热分析就是分析猪舍某一天通过围护结构从外界得到的热量和室内向外界散失的热量的逐时数据。本研究通过采用3种不同方案分析不同围护结构的逐时得失热。

由图1可知，因为选择的日期是最冷日，所以，围护结构一整天都是在失热，16：00—20：00围护结构失热速率加快，之后围护结构失热速率降低。3种方案中方案1和方案2的围护结构得失热的数据相似，但方案1要优于方案2，是因为第1种方案中的墙体结构中加了一层保温层，第3种方案的围护结构的得失热的变化量比较大，这种情况不利于猪的福利养殖。总体来看，砖墙结构的保温隔热性能要优于混凝土结构，因为在冬天通过围护结构得失热最小，一天之内得失热波动最小有利于猪的生活，所以，方案1最有利于实现猪的福利养殖。

2.2 逐时温度分析

逐时温度分析就是分析猪舍某一天的逐时温度变化。通过温度的详细变化比较分析对猪的养殖影响。本研究选择的比较日期是冬天最冷日。

由图2可知，在冬天不加热的情况下，3种方案在 12：00—20：00，舍内温度高于舍外温度，8：00—12：00低于舍外温度；方案3的温度全天波动最大，从10：00开始舍内温度开始上升，一直持续到17：00，这期间温度达到全天最高温度，17：00之后温度开始下降；方案1和方案2的温度波动情况十分相似，相对于方案3，前2种温度的波动情况就比较平缓，但是在一天之中大部分时间的温度低于方案3。结合猪的生活习惯，在寒冷天气的情况下，温度波动对猪养殖有比较大的影响，所以，方案1和方案2的围护结构比较好。

2.3 温度分布分析

温度分布分析就是猪舍温度分布的详细数据。通过分析猪舍的全年温度分布，研究环境温度对猪养殖的影响。

由图3可知，在夏季不制冷，冬天不加热的情况下，3个方案的温度分布的百分比大致相同。在0℃周围和大于30℃时，方案3的温度分布的百分比明显高于其他2种方案，方案1和方案2的温度分布比例非常相近，过低的温度和过高的温度分布比例比较高，这种情况不利于猪的正常生活；本研究选择育肥猪的舒适温度范围是15～23℃[20]，从舒适温度的分布比例来看，方案3在舒适温度的区间内分布比较均衡，方案1和方案2在舒适温度的区间内分布有差别，总的来看，在舒适温度的范围内，方案3舒适温度分布所占的比例要比前2种方案所占的比例高。

2.4 逐月度日分析

逐月度日分析分为采暖度日分析和制冷度日分析。采暖度日分析就是当猪舍外日平均温度低于年内的加热温度限制时，猪舍需要加热取暖的天数；制冷度日分析就是当猪舍外日平均温度高于年内的加热温度限制时，猪舍需要制冷降温的天数。因为在进行分析之前设定了舍外气象数据与采暖制冷的温度的极限值，所以，3个不同方案的采暖制冷的天数是一样的，如表2所示。逐月度日分析主要分析一年之中猪舍的总得失热分析。

表2 猪舍逐月度日数

由图4可知，3种方案一年总得失热的趋势大致相同，从1月份总得失热都在增加，直到5月份总得失热开始下降；1—3月，11—12月前2个方案的总热量损失大于第3个方案的总热量损失。从分析得到的数据可以得出，寒冷月份前2种方案的总得热大于第3种方案，所以，前2种方案的情况有利于猪的养殖。

3 结论

本研究通过对山西省太原市郊区典型猪舍不同方案的围护结构的热环境分析，结果表明，在猪舍的围护结构中添加保温隔热材料，并且在结构表面涂抹建筑涂料，更有利于实现猪的福利养殖。通过利用Ecotect对不同方案的猪舍进行多种分析研究得出，方案1的保温隔热性能比其他2种方案表现更好。表明猪舍围护结构的传热能力比较差的、围护结构的保温隔热能力好的方案，可以减小围护结构得失热百分比，有效提高舍内舒适温度时间的比例，在自然条件下，更容易实现猪的福利养殖。