寒冷地区冬季牛舍通风参数及应用效果研究

于 桐，陈昭辉，任方杰，刘继军*，张国梁

（1.中国农业大学动物科学技术学院，动物营养学国家重点实验室，北京 100193；2.吉林省农业科学院，吉林公主岭 130033）

动物的生产力20%取决于遗传，40%～50%取决于饲料，30%～40%取决于环境条件[1]。环境条件的改善可有效提高饲料效率和动物生产力。有研究表明，寒冷地区冬季牛舍有窗式钟楼通风，平均风速为0.10～0.15 m/s，空气湿度大于80%，舍内二氧化碳（CO2）和氨气（NH3）等有害气体浓度高，甚至舍内墙壁结有20～50 mm 厚的冰霜[2-3]。经调研发现，吉林地区畜舍冬季舍内平均温度在5～6℃，舍外平均温度-14.4～-19.10℃，舍内外温差远远大于国际农业和生物系统工程委员会（CIGR）建议的3～5℃[4]。而冬季牛舍过度保温则通风不足、湿度过大，易引起牛不同程度的患有皮肤、感冒等疾病，导致生产性能下降，严重影响牛场的生产效益[5]。同时潮湿的环境会使牛只被毛以及皮肤的隔热性能下降，显著增加非蒸发散热量。因此，在冬季，畜舍需要适当的通风来排出有害气体和降低空气湿度。一般寒冷地区有窗牛舍采用檐下通风口和屋脊热压自然通风的模式，但由于舍内外温差大、湿度高导致通风口结冰、减小通风口面积，畜舍通风不足。同时热压自然通风模式自身受舍内外温差和舍外风力影响较大，难以控制实际畜舍通风量。而冬季畜舍的国内外通风量参考计算标准较多，如CIGR 三大平衡计算[4]、美国中西部手册[6]及国内常用设计推荐值[1]，但究竟多少通风量适合我国北方有窗牛舍仍需深入研究。因此，本试验针对寒冷地区冬季有窗牛舍采用屋顶机械负压通风模式在不同通风量计算标准条件下，通过实际畜舍试验，比较畜舍内环境差异，选择最优的通风参数。

1 材料与方法

1.1 牛舍基本情况和饲养管理 2019年1月20日—2月4日，在吉林省公主岭市吉林省农业科学院畜牧科学分院的牛场（国家肉牛产业技术体系公主岭综合试验站）进行试验。

试验舍南北朝向布置，南侧有运动场。畜舍为砌体结构有窗牛舍，彩钢板双坡屋顶，屋顶均匀分布4 个边长为0.5 m 方形钟楼通风口。畜舍宽10 m，长46 m，檐口高3.35 m，舍内西侧有一个长6 m 饲料间和休息室。北墙均匀布置15 个窗户，南墙除门外均匀布置11 个窗户，东山墙2 个窗户。窗台高0.9 m，窗户尺寸1.2 m×1.9 m。南面四扇铁门，尺寸为1.6 m×2.25 m，西山墙铁门为3.5 m×2.8 m。舍内为水泥地面，卧床两侧宽3.3 m，无垫料。卧床向清粪走道方向倾斜，坡度为1.5%，以利排尿。清粪走道宽度为2.0 m，由中间向两边倾斜，坡度为1%，排水沟宽0.3 m，深0.3 m。栏杆将畜舍均匀分为4 个小栏，无料槽、饮水设施。

试验牛04:30—05:00 出舍到运动场，自由采食、电加热水槽饮水；16:30—17:00 回舍无饲喂饮水。每天饲喂2 次（04:30—05:00 和13:30—14:00）。舍内和运动场均为人工清粪。

1.2 试验动物及日粮 选用试验舍内共有育肥牛68 头，平均体重均450 kg，饲养密度为5.28 m2/头。粗饲料为麦草，约15 kg/（头·d），精料约2.94 kg/（头·d），精料配方见表1。

1.3 试验通风量确定和风机控制程序设计 试验期间4个钟楼通风口安装4 个定频风机，风量为1 800 m3/h，尺寸为0.5 m×0.5 m，用来改善冬季夜晚有窗牛舍舍内空气环境质量。试验期为15 d，每3 d为一个试验阶段，风机由风机控制器按照不同通风量人工设定周期统一开启或关闭。风机控制器位于饲料间内。

表1 精料营养成分

1.4 通风量标准及计算方法 美国中西部手册通风量标准为0.056 m3/（h·kg）[6]，而国内荐冬季肉牛舍通风量值为0.10 m3/（h·kg）[1]。

根据Pedersen[7]三大平衡计算，其中，CO2平衡计算法：

水汽平衡计算法：

式中，Vmoist为以水汽平衡计算的通风量，单位为m3/h；L为牛体的潜热产生量，单位为W；为牛的活动系数，为1；hvap为水汽携带潜热量，单位为J/kg；Hind为舍内绝对湿度，单位为kg/m3；Hout为舍外绝对湿度，单位为kg/m3。

热量平衡计算法：

式中，Vheat为以热量平衡计算的通风量，单位为m3/h；S为牛体的显热产生量，单位为W；Aheat为牛的活动系数，为1；Strans为牛舍外围护结构传热量，单位为W；Srad为牛舍辐射传热量，单位为W；hsp为空气比热，单位为J/（kg·K）；ρ为空气密度，单位为kg/m3；Tind为舍内温度，单位为℃；Tout为舍外温度，单位为℃。

1.5 环境指标测定

1.5.1 温湿度、CO2、NH3环境指标的测定 试验期间，舍内纵长方向取2 个等分点，横宽向取2 个等分点，如图1。按照布点悬挂自动环境记录探头，同时每天同点手持测定16:30（牛进舍前）、20:30、00:30 和4:30（牛出舍前）距地1.2 m 处舍内CO2、NH3、温度及湿度指标。

自动记录仪连续测定温湿度、CO2、NH3，悬挂位置距离牛舍地面高度1.8 m。试验舍平面布置图及环境指标测点水平示意图见图1。

1.5.2 风速的测定 由于风机为定频风机，取3 d 测定16:30 空舍关风机、空舍开风机和20:30、00:30 和04:30 有牛开风机时风速。风速测点水平示意图见图2，测点高度0.8 m 和1.2 m[6]，详见图3。

1.5.3 试验仪器 试验仪器见表2。

1.6 统计分析 试验数据中环境数据采用SPSS 21.0 统计软件进行单因素方差分析。采用Tukey s-b 方法对各组间平均数进行多重比较，结果表示为平均值±标准差。

2 结果

表2 试验仪器

2.1 通风量计算 根据国内和美国中西部手册推荐值可得通风量分别3060 m3/h 和1 713.6m3/h。通风量三大平衡计算方法是基于牛只自身产热量的通风量计算方法，而2002 年CIGR[4]手册中给出最新的肉牛代谢热相关公式。其中肉牛20℃时代谢总热量计算公式（4）：

式中，Φtot为20℃环境中的肉牛总产热量，单位为W；m为肉牛体重，为450 kg；Y2为肉牛平均日增重，为0.8 kg/d；M为摄入干物质能量含量，由于试验牛未集中栓系育肥选10 MJ/kg[4]。

Φtot=744.09 W

肉牛代谢总热量温度校正计算：

肉牛代谢显热产热量计算：

肉牛代谢潜热产热量计算：

试验期间由于肉牛仅夜晚进舍，为方便测量环境指标不关闭牛舍夜间灯光，且多次有人进出干扰牛的正常活动行为。所有牛的活动系数如和Aheat取值均为1。

二氧化碳平衡计算中热量单元hpu（动物20℃时1 000 W总代谢热）的CO2产生量系数取值为0.185 m3/（h·hpu），根据式⑴计算可得：VCO2=3816.29 m3/h

hvap为水汽携带潜热量，可以根据室内温度Tind通过公式（8）：

由于肉牛适宜舍内相对湿度为80%，取试验阶舍内环境实测平均温度Tind=5℃，舍外平均温度Tout=-10℃，舍外相对湿度取45.4%，则根据公式（9）可得绝对湿度：

Hind=5.44×10-3kg/m3，Hout=1.07×10-3kg/m3，则根据式（2）计算可得Vmoist=4387.56 m3/h

由于牛群仅在夜晚进入牛舍，因此太阳热辐射Srad记为0 W。其中牛舍外围护结构传热量Strans可根据公式（10）计算获得：

式中，Ab为牛舍外围护结构或地面面积，m2；U为牛舍外围护结构或地面传热系数，单位为W/（m2·K），Strans=1273.81W。

空 气 比 热hsp取1.01×103J/(kg·K)；空 气 密 度ρ为1.293 kg/m3。根据式（3）计算可得：Vheat=3830.17 m3/h。

2008 年Curt Gooch 研究建议牛舍冬季通风换气次数一般应为6 次/h[8]。因此风机运转周期T=10 min，根据通风换气计算量和风机总通风量比值计算风机开启和关闭的时间，计算公式（11）：

由于同等条件下美国中西部手册推荐通风量值最小，和其他几种计算方式获得通风量值差距较大，此次试验中未进行现场测定。

根据上述公式则可计算出不同通风计算标准下畜舍总通风量和风机控制开启、关闭时间如表3。

表3 风机控制程序设计

2.2 温度、湿度 不同通风量试验阶段舍内外温湿度各个时刻变化见图4。与16:30 空舍相比，牛进舍后舍内温湿度迅速提升然后趋于稳定，20:30、00:30 和04:30 基本没有显著差异。试验期间即使舍外温度低至-13.2℃，舍内温度仍可保持在5.3℃，畜舍保温效果较好。P1～P5 试验阶段的舍内温度在00:30 和04:30 无显著差异，相对湿度00:30 时P1～P5 不存在显著差异。P1～P5 舍内外平均温度、湿度见表4，舍内温度仅P5阶段高于其他试验阶段（P＞0.05），P3 湿度显著低于其他试验阶段。

表4 舍内外P1～P5 试验阶段平均温度、湿度

2.3 风速分布 不同试验阶段不同时刻舍内风速变化如表5 所示。16:30 空舍、关风机时无论0.8 m 还是1.2 m 平均风速都为0.02 m/s，属于无风状态[9]。其他时间点无论0.8 m 或1.2 m，A1/B1/C1 和A2/B2/C2 位 置 风 速 与A/B/C 存在显著差异。除16:30 空舍、关风机外其他时间点所有测点位置1.2 m 和0.8 m 风速存在显著差异。A/B/C 测点1.2 m 和0.8 m 平均风速分别为1.36、0.81 m/s。A1/B1/C1 和A2/B2/C2 位置1.2 m 高度平均风速分别为0.07、0.06 m/s；0.8 m 高度平均风速分别为0.08、0.07 m/s，均小于0.1 m/s，同样属于无风状态[9]。表5 表明A、B、C风速测点之间不同时刻的风速，3 个位置平均风速0.8 m和1.2 m 处均有显著差异（P＜0.05）。

2.4 CO2和NH3P1～P5 阶段舍内各个时刻CO2和NH3浓度变化如图5。CO2在牛进舍后迅速升高，在20:30时浓度到达最高点。根据相关规定畜舍内CO2浓度最大阈值为1 500 ppm（mg/m3）[10]，P1～P5 试验阶段CO2浓度均超过限值。

NH3浓度则随着牛进舍时间的增长而增加，在04:30 时达到最大值。且P5 试验阶段04:30 舍内NH3浓度和其他处理有显著差异。根据相关规定畜舍内NH3浓度阈值为26 ppm[10]，试验期间NH3浓度均未超过限值。表6 显示P3 试验阶段CO2和NH3浓度均显著小于其他试验阶段。

2.5 舍内牛只行为 在试验期间观察到各个时刻牛只站立和躺卧行为统计如表7，P1 和P5 阶段20:30 舍内牛只情况见图6。P1～P5 试验阶段随着牛进舍时间的增长，地面泥泞程度的增加，站立牛只数目增加。同时刻比较，随着风量的增加，牛只在00:30 躺卧百分比变化明显，P5 相较于P1 阶段的5.4% 增加了90.2%（P＜0.05）。但04:30 舍内牛只站立比例均达到了92% 以上，没有显著差异。

表5 牛舍内各时刻风速 m/s

表6 牛舍内P1～P5 试验阶段CO2 和NH3 平均浓度 ppm

表7 牛舍内P1～P5 试验阶段不同时刻牛只行为百分比 %

3 讨 论

3.1 通风量计算 本研究结果发现，通风量的计算依据不同，冬季牛舍的推荐通风量大小差距较大。美国中西部手册推荐通风量＜环境卫生学推荐通风量＜CO2平衡通风量＜水汽平衡通风量＜热量平衡通风量。本试验中热平衡计算方式所得通风量明显大于其他计算方式所得结果，接近CO2平衡计算方式所得通风量的2.17 倍。可能是由于试验牛舍为提高畜舍保温性能使用37 砌体墙体作为围护结构，但是这种围护结构较为广泛的应用于寒冷地区的畜舍[2,11-12]，因此热量平衡计算所得通风量具有一定的参考价值。

一般畜舍的通风换气量以CO2平衡计算为主，主要是CO2不受温度湿度的影响。2005 年Blanes[7]研究认为通过CO2平衡计算获得通风量平均比实测通风量低8%，水汽平衡计算获得通风量比实测通风量低9%；Li[13]和Xin[14]则认为，CO2间接法估算的通风量与直接法测定的通风量无显著差异；Samer 等[15]认为水汽平衡法在冬季表现出可靠的结果，在夏季表现一般；热平衡法在夏季、冬季均不可靠；CO2平衡法有时会因气体混合不均与其他原因存在差异。本试验中以CO2平衡计算为标准计算通风量的试验阶段较其他试验阶段舍内日平均湿度、NH3浓度和CO2浓度显著较低，因此更推荐使用CO2平衡作为冬密闭牛舍通风计算标准。

在计算中由于人工测点对畜舍内牛群活动的干扰，将所有牛的活动系数如和Aheat取值均为1，一定程度上减少了CO2平衡计算所得通风量的值。同时人工干扰和灯光改变牛群正常夜晚的活动水平，造成牛只代谢产热总量和排泄量的增加。而不同文献对CO2平衡计算通风量公式中hpu 的CO2产生量系数有不同推荐值，Pedersen 等[16]1998 年推荐舍饲肉牛CO2产生量系数为0.185 m3/（h·hpu）；CIGR[4]推荐舍饲肉牛CO2产生量系数为0.185 m3/（h·hpu）；Pedersen 等[17]推荐舍饲奶牛CO2产生量系数为0.20 m3/（h·hpu）；Edouard 等[18]推荐舍饲奶牛CO2产生量系数为0.20、0.22、0.24 m3/（h·hpu）。本试验取常规值0.185 m3/（h·hpu），通过试验发现不能满足实际生产需求。因此后面设计取值推荐选取0.20、0.22、0.24 m3/（h·hpu）。

通风控制程序根据2008 年Gooch[8]建议的6 次/h换气次数设计，但试验舍内环境指标改善不明显。2014年王美芝等[19]的研究表明，保温窗牛舍在通风率为10～15 次/h 可以达到舍内外温差在3.8～8.8℃和3.7～7.6℃，更接近CIGR 推荐冬季舍内外温差3～5℃[4]。在同等通风量的条件下，改善通风换气次数可能会有效改善舍内环境。

3.2 环境指标 试验期间，舍外P2 阶段温度和其他阶段存在显著差异，基本外部环境一致。但是舍内温度、相对湿度、CO2和NH3浓度并没有随着通风量的增加而降低。舍内相对湿度P1～P5 均达到了90%以上，高于牛舍建议湿度80%。

CO2对家畜没有毒害作用，但当其浓度过高时会造成动物缺氧，如果长期处在这样的环境，会影响动物的健康和生产性能[9]。虽然试验期间舍内CO2浓度没有达到病变或致死浓度，但是P1～P5 浓度均大于1 500 ppm，因此P1～P5 的阶段通风量都没有满足畜舍需求。

舍内风速在风机正下方A/B/C 和风机北侧A1/B1/C1 和南侧A2/B2/C2 位置风速有显著差异，A1/B1/C1和A2/B2/C2 位置风速在1.2 m 和0.8 m 均小于0.1 m/s，属于无风状态。一般冬季适宜风速范围为0.1～0.2 m/s，不超过0.25 m/s。当风速高于0.2 m/s 会带走过多热量，对牛舍保温不利；同时低于0.1 m/s 则通风不足，不利于及时带走湿气和有害气体[20]。因此，舍内风速分布的不均和过小可能导致舍内气流不均匀性，从而不能有效地降低舍内CO2和NH3浓度，以及将舍内的湿气排出舍外。

同时有研究表明，实体地面牛舍加12 h 人工清粪一次畜舍，伴随通风量的增加舍内NH3浓度也会增加[21]，是由于地面的粪尿中所含有的氨被气流扰动加速了其挥发的速度。但是舍内NH3浓度除P3 阶段外，NH3浓度没有显著差异，甚至有随着通风量增加下降趋势，也可以说明舍内通风气流分布不均。

3.3 牛只行为 躺卧休息是牛必不可少的行为。Jensen 等[22]试验表明，强迫禁止牛躺卧其体内的生长激素含量会明显下降、血浆皮质醇水平升高，其他与应激相关的指标会发生明显变化，从而影响牛的生长。Tucker 等[23]研究表明，一般情况下牛会每天躺卧休息8～16 h；而Chen 等[24]研究表明，当舍内地面泥泞程度严重时，牛只每天仅躺卧3.2 h。

通过试验期间观察，伴随着通风量的增加00:30 时躺卧数量变化明显，但是随着牛只在舍内的停留时间增加，地面泥泞程度增加，04:30 基本没有牛只躺卧。00:30 时刻躺卧数目的增加主要是由于风机的开启提高了舍内地面的干燥程度，促进了牛只的躺卧行为。这一结果也与2018 年Giorgio 等[25]分析吊扇提高地面干燥程度从而促进奶牛躺卧数量一致。

4 结 论

1）国内推荐通风量值和三大平衡计算通风量值均不能满足寒冷地区有窗牛舍通风需求。

2）CO2平衡通风量计算比较适合作为低温高湿牛舍通风量计算依据。但CO2平衡计算中hpu 的CO2产生量系数取0.185 m3/（h·hpu）过小，可以取0.20、0.22、0.24 m3/（h·hpu）。

3）通风虽然没有显著改善舍内CO2和NH3浓度，但是加强了舍内地面的干燥程度，增加了牛只的躺卧比例。