王美芝，易 路，劉繼軍，楊樂樂，陳昭輝，吳中紅

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空氣源熱泵用作北京保育豬舍地暖的供暖效果研究

王美芝1，易 路1，劉繼軍1，楊樂樂2，陳昭輝1，吳中紅1※

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，北京 100193； 2. 德州燦欣空調(diào)設(shè)備有限公司，德州 253000）

中國“2+26”城市禁煤供暖，豬場迫切需要找到可以替代燃煤、滿足供暖需求的供暖方式。為了解空氣源熱泵在豬舍地暖的供暖效果，選擇北京豬舍，配置空氣源熱泵設(shè)備，進(jìn)行供暖期間保育豬舍熱環(huán)境效果試驗(yàn)。結(jié)果表明：試驗(yàn)期間，室外最低和最高溫度分別為-11.0和12.1 ℃；在地暖供暖豬舍中，地面溫度與供水溫度、室外溫度都呈正比例相關(guān)關(guān)系，與供暖距離呈反比例線性關(guān)系；在系統(tǒng)供水溫度范圍為30.0～41.0 ℃時(shí)，豬舍無豬單元距離分水器最近（24 m）測點(diǎn)和最遠(yuǎn)（60 m）測點(diǎn)地面溫度為19.1～28.6 ℃；實(shí)際供水溫度平均值較設(shè)定溫度降低1.8～4.0 ℃；距離分水器最近（24 m）測點(diǎn)地面溫度較實(shí)際系統(tǒng)供水溫度下降8.3～13.1 ℃；距離分水器最遠(yuǎn)（60 m）測點(diǎn)較最近測點(diǎn)（24 m）地面溫度下降0.5～1.8 ℃。無豬時(shí)，0.3 m高溫度較地面溫度降低5.0 ℃；距離地面0.3 m以上不同高度溫度變化不明顯。對于北京保育豬舍適宜采用空氣源熱泵地暖供暖，推薦蓄水罐設(shè)定溫度宜為43～32 ℃，實(shí)際供水溫度宜為40.6～29.9 ℃。

熱泵；溫度；保育豬舍；地暖供暖；熱環(huán)境；供水溫度

0 引 言

2013年1－2月京津冀地區(qū)多次遭遇嚴(yán)重的霧霾天氣，此后幾年也多次發(fā)生霧霾事件，中國政府為治理霧霾污染制定了《京津冀及周邊地區(qū)2017年大氣污染防治工作方案》[1]，劃定了包括北京、天津等在內(nèi)的“2+26”城市禁煤供暖區(qū)域。豬舍的耗電量和氣體排放量比人類居住建筑更高[2]。京津冀地區(qū)的豬舍特別是哺乳豬舍和保育豬舍均需要供暖，在禁煤供暖情況下，豬場必須尋找可替代燃煤供暖的清潔能源。其中太陽能供暖[3-6]初期投資高，靜態(tài)投資回收期長，在畜牧中已有相關(guān)研究[7-9]；地源熱泵主要包括水源熱泵和土壤源熱泵。其中，在水源熱泵對豬場的供暖應(yīng)用方面，研究人員主要從節(jié)能減排方面進(jìn)行了評價(jià)[10-12]、水源熱泵技術(shù)在豬場的利用因?yàn)樾枰畡?wù)部門審批不易得以利用。土壤源熱泵技術(shù)在全年供暖量和制冷量不均衡的條件下，熱效率會逐年下降[13-14]。而豬場夏季制冷為減少運(yùn)行費(fèi)用較多利用濕簾-風(fēng)機(jī)降溫，較少利用功率較大的熱泵系統(tǒng)，因此，豬場利用土壤源熱泵主要用來供暖，由于冷熱不均衡的問題使得土壤源熱泵的利用受到限制。有研究表明空氣源熱泵經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、產(chǎn)品成熟、占地面積小并且使用方便[15-17]，但容易受一些條件的限制如易結(jié)霜、受外界環(huán)境影響大等[18-19]。針對此類問題，有人提出了高效抑霜、控霜、低溫運(yùn)行及臟堵診斷技術(shù)等相應(yīng)解決對策[20-21]，其在北方地區(qū)農(nóng)村禁煤供暖中已作為主要的供暖能源選擇，但在豬舍供暖中的熱環(huán)境效果尚未見研究。

人類建筑通常采用1.5 m高度處的溫度作為室內(nèi)溫度，在地面養(yǎng)殖豬舍中，豬每天大部分時(shí)間直接躺臥在地面上，即使豬站起來，其身高所在范圍高度亦較人身高矮，因此，豬所需的環(huán)境溫度實(shí)際主要是地面溫度和豬身高所在范圍內(nèi)溫度。使用地暖時(shí)，地面溫度應(yīng)在豬適宜的溫度范圍內(nèi)，對豬舍進(jìn)行節(jié)能改造可節(jié)能48%～84%[22-23]。相對于熱風(fēng)爐供暖和暖氣片供暖方式，地暖也是節(jié)能的供暖方式。在對豬舍進(jìn)行了圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫節(jié)能改造和豬舍末端供暖方式采用地暖供暖方式后，如何更好地既降低豬舍采暖成本又保證豬適宜的地面溫度，供暖系統(tǒng)控制中設(shè)定供水溫度成為一個(gè)重要問題。豬的生產(chǎn)性能主要依賴于豬舍內(nèi)熱環(huán)境，若豬所在環(huán)境溫度過高或過低均會降低飼料利用效率[24-26]，保育豬特別是在寒冷季節(jié)對室內(nèi)的低溫更敏感，因此中國及其他國家對畜舍的空氣溫度等均有一定要求[27-30]。在禁煤供暖地區(qū)，豬場采用較多的替代燃煤供暖能源為電供暖（包括空氣源熱泵），電供暖在供暖時(shí)對供水溫度的調(diào)控技術(shù)較為成熟使得通過調(diào)控供水溫度來精確調(diào)控豬舍地面溫度成為可能。而在地暖供暖豬舍中，目前尚無相關(guān)研究來確定設(shè)定供水溫度對地面溫度、室內(nèi)不同垂直高度溫度等的影響。

為探討空氣源熱泵在對北京豬舍地暖供暖的熱環(huán)境效果，將空氣源熱泵與豬舍地暖相結(jié)合，試驗(yàn)研究空氣源熱泵供暖時(shí)設(shè)定不同供水溫度對豬舍地面溫度及不同高度的空氣溫度的影響，為豬舍采用空氣源熱泵供暖時(shí)進(jìn)行精確供暖提供供暖設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)豬舍基本情況

空氣源熱泵在北京豬舍供暖的應(yīng)用效果試驗(yàn)選擇在北京順義某養(yǎng)殖場的保育豬舍進(jìn)行。試驗(yàn)豬舍為南北朝向的地面養(yǎng)殖（半漏縫地板半實(shí)體地面）豬舍（42 m× 9.3 m（外圍尺寸））。豬舍為單列單走道（走道寬1.1 m）布置，實(shí)體地面內(nèi)鋪設(shè)地暖供暖，地暖管（直徑20 mm的PE-RT管）在豬欄實(shí)體地面位置（約5.7 m寬）布置為12根進(jìn)水管，12根回水管。供水管布置在北側(cè)，回水管布置在南側(cè)，如圖1所示。

圖1 豬舍地暖管安裝照片（供水管和回水管分別為12根）

該試驗(yàn)豬舍有2個(gè)相通單元，每個(gè)單元有7個(gè)豬欄，每個(gè)豬欄尺寸為3.0 m寬×7.5 m長，每個(gè)豬欄內(nèi)有4個(gè)飲水器和1個(gè)料槽。漏縫地板寬約2.0 m，漏縫地板下為刮糞板糞溝。改造前供暖能源為煤，自然通風(fēng)。南墻、北墻和東墻墻體厚度為0.37 m（磚墻），西墻墻體厚度為0.24 m（磚墻），墻體外側(cè)均做90 mm厚擠塑聚苯板（B1級）作為外保溫，檐口高度2.9 m，雙坡屋頂材料為100 mm厚彩鋼夾芯板。窗戶均為單層塑鋼窗，南、北墻各有14個(gè)窗（南墻13個(gè)2.00 m×1.45 m、1個(gè)1.15 m×1.15 m；北墻14個(gè)1.00m× 0.80 m)；東墻1個(gè)窗（1.18 m×1.07 m）；西墻1個(gè)窗（0.74 m×1.17 m）和1個(gè)木門（0.90 m×1.77 m）。

參照文獻(xiàn)[30]中的飼養(yǎng)密度設(shè)置，每個(gè)豬欄設(shè)計(jì)可飼養(yǎng)32頭豬，共448頭。豬只實(shí)際存欄見表1。其中2017年1月8日晚上豬舍單元2轉(zhuǎn)走豬195頭，單元2成空舍，1月20日轉(zhuǎn)進(jìn)豬只186頭。

表1 試驗(yàn)期間實(shí)際豬只數(shù)量

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.2.1 供暖設(shè)備空氣源熱泵的配置

該試驗(yàn)豬舍供暖熱負(fù)荷為33.0 W/m2，總需12.86 kW，考慮管網(wǎng)輸送效率，取安全系數(shù)為1.3，則熱負(fù)荷需配置16.7 kW（43.3 W/m2）。豬舍原有供暖能源為燃煤熱水鍋爐供暖，因禁止燃煤供暖，選擇可以替代燃煤供暖的空氣源熱泵為豬舍供暖，監(jiān)測該設(shè)備對試驗(yàn)豬舍的熱環(huán)境效果。選擇某廠家超低溫空氣源熱泵機(jī)組(WBC-19.5H-A-S(BC-L1)，5P)，該設(shè)備干球溫度為?7 ℃時(shí)1臺空氣源熱泵（5P）的制熱量為11.2 kW/臺，配置2 臺空氣源熱泵（5P）。

1.2.2 空氣源熱泵供暖系統(tǒng)供水、回水溫度測點(diǎn)布置及工作原理

該空氣源熱泵機(jī)組由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器和防凍電加熱帶（低溫時(shí)有利于壓縮機(jī)的啟動）組成，2個(gè)空氣源熱泵機(jī)組與1個(gè)蓄水罐組成1套空氣源熱泵的供暖系統(tǒng)，其中蓄水罐直徑和高均為1.0 m，供暖系統(tǒng)圖見圖2。蓄水罐上連接有供暖系統(tǒng)控制器，通過此控制器設(shè)定蓄水罐水溫即設(shè)定溫度。為了解供暖系統(tǒng)設(shè)定溫度與系統(tǒng)的實(shí)際供水溫度差別及供水溫度和回水溫度關(guān)系，設(shè)置了空氣源熱泵供暖系統(tǒng)供水和回水溫度監(jiān)測點(diǎn)，見圖2。

注：表示系統(tǒng)供水和回水溫度監(jiān)測點(diǎn)；表示循環(huán)水泵。

空氣源熱泵機(jī)組根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理工作，即設(shè)備運(yùn)行的過程為冷媒在系統(tǒng)中變化的過程。首先，來自蒸發(fā)器的低溫低壓冷媒氣體經(jīng)過壓縮機(jī)（耗用電能），壓縮成成高溫高壓的氣體，高溫高壓的氣體進(jìn)入冷凝器，釋放熱量到被加熱的水中，冷媒釋放熱量后變成低溫高壓的液體，低溫高壓的液體經(jīng)過膨脹閥節(jié)流之后變成低溫低壓的氣液混合態(tài)，低溫低壓的氣液混合態(tài)冷媒再經(jīng)過蒸發(fā)器時(shí)吸收空氣中能量（空氣能）蒸發(fā)，變成低溫低壓的氣體，如此循環(huán)。循環(huán)水被熱泵機(jī)組的循環(huán)泵循環(huán)加熱后進(jìn)入蓄水罐，蓄水罐內(nèi)的熱水作為末端的供水輸送到豬舍給豬舍供暖，其在豬舍內(nèi)循環(huán)后，水溫下降，作為回水輸送到蓄水罐，蓄水罐中水溫降低，降低溫度之后的水再回到冷凝器中，如此循環(huán)。設(shè)備設(shè)定的溫度為蓄水罐水溫，當(dāng)蓄水罐水溫低于設(shè)定值時(shí)，空氣源熱泵運(yùn)行（1臺或2臺），當(dāng)蓄水罐水溫高于設(shè)定值時(shí)，空氣源熱泵設(shè)備停止運(yùn)行。蓄水罐內(nèi)的熱水通過供暖系統(tǒng)循環(huán)泵不間斷為豬舍供暖。

1.2.3 豬舍內(nèi)環(huán)境指標(biāo)測點(diǎn)的布置

2016年11月5日至2016年11月14日將試驗(yàn)豬舍由原有燃煤供暖供水和回水與空氣源熱泵供暖的供水和回水相接。2017年1月3日至2017年1月20日對試驗(yàn)豬舍進(jìn)行供暖的熱環(huán)境監(jiān)測，分成2個(gè)階段：第1個(gè)階段為2017年1月3日至2017年1月8日的帶豬試驗(yàn)（2個(gè)單元）；第2個(gè)階段為2017年1月9日至2017年1月20日的空舍試驗(yàn)（單元2無豬）。圖3為試驗(yàn)各種環(huán)境指標(biāo)測點(diǎn)在試驗(yàn)豬舍的布置圖，其中P1～P6為在豬舍2個(gè)單元都有豬時(shí)的溫度測點(diǎn)，每2個(gè)測點(diǎn)間隔6 m，因豬欄內(nèi)有豬時(shí)不方便在豬欄內(nèi)懸掛儀器，6個(gè)溫度測點(diǎn)均設(shè)置在豬欄邊。試驗(yàn)中保育豬飼養(yǎng)方式為地面養(yǎng)殖，豬白天躺臥和站立的時(shí)間比例分別約為66%和20%，晚上躺臥和站立的時(shí)間比例分別約為89%和5%[31]，普通商品豬（非小型地方豬）保育豬期初身高約在0.3 m之內(nèi)，保育豬期末身高約在0.5 m之內(nèi)，育肥豬期末和后備母豬身高約在0.8 m之內(nèi)，公豬和妊娠母豬身高約在1.2 m之內(nèi)。因此，為了解地暖供暖時(shí)不同階段豬生活區(qū)域高度內(nèi)溫度分布，在有豬的豬舍垂直斷面上（走道邊上），設(shè)置了0.3、0.8和1.2 m高測點(diǎn)。在無豬的單元2豬欄內(nèi)設(shè)置了地面、0.3、0.8和1.2 m高溫度測點(diǎn)。為了解整個(gè)豬舍的溫度、相對濕度、CO2和NH3情況，在豬舍2個(gè)單元共布置2個(gè)測點(diǎn)（1.2 m高）。

注：(P1~P6)表示豬舍2個(gè)單元均有豬時(shí)溫度測點(diǎn)；(I1,I2)表示室內(nèi)溫濕度、CO2和NH3在1.2 m高測點(diǎn)；(T1~T6)表示豬舍單元2內(nèi)無豬時(shí)溫度測點(diǎn)；表示供水管線；表示回水管線。圖中數(shù)字單位為m。

1.3 試驗(yàn)儀器及數(shù)據(jù)的采集

室內(nèi)外CO2濃度、NH3濃度、室內(nèi)外溫濕度、地面溫度分別采用二氧化碳自記儀（北京天建華儀有限公司，EZY-1S，測量范圍0～5 000×10-6，精度±75×10-6）、氨氣自動記錄儀（深圳市科爾諾有限公司，GT-903，測量范圍0~50×10-6，精度≤±3%）、溫濕度自動記錄儀（Apresys 179A-TH，測量范圍0～100%和?40～100 ℃，精度±2%和±0.2 ℃）和輻射熱計(jì)（北京世紀(jì)建通有限公司，JTR09，測量范圍?20～85 ℃，精度<±4%）。其中，室外溫濕度監(jiān)測點(diǎn)采用3個(gè)溫濕度自動記錄儀監(jiān)測?？諝庠礋岜霉┡到y(tǒng)供水、回水溫度采用溫度傳感器（北京昆侖中大有限公司，KZW/P-231，測量范圍0～60 ℃，精度±0.15 ℃）。空氣源熱泵機(jī)組的供回水水管為DN15，循環(huán)水泵的額定流量為50 L/min；空氣源熱泵系統(tǒng)的供回水水管為DN20，循環(huán)水泵的額定流量為110 L/min，功率為0.9 kW，系統(tǒng)供水和回水溫度測點(diǎn)位置距離蓄水罐出水口、回水口位置最遠(yuǎn)為4 m。

試驗(yàn)期間，豬舍內(nèi)溫濕度、CO2及NH3濃度、空氣源熱泵總系統(tǒng)（GS）供回水溫度1 min記錄1次；室外溫濕度和CO2濃度每5 min記錄1次。數(shù)據(jù)均處理為10 min數(shù)據(jù)的平均值。文中數(shù)據(jù)分析采用Excel和SPSS22軟件分析處理。

1.4 蓄水罐設(shè)定溫度

2016年12月20日至2017年4月16日為空氣源熱泵系統(tǒng)供暖的性能測試期，在此期間，為了解不同設(shè)定溫度對系統(tǒng)供水溫度和系統(tǒng)回水溫度的影響，對設(shè)定溫度進(jìn)行了14次調(diào)整，不同時(shí)間段對應(yīng)的蓄水罐設(shè)定溫度見表2。

表2 蓄水罐設(shè)定溫度

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)期間豬舍環(huán)境情況

2.1.1 室內(nèi)、外溫濕度

為了解試驗(yàn)期間（2017年1月3日至1月20日）空氣源熱泵供暖系統(tǒng)對試驗(yàn)豬舍地暖供暖時(shí)豬舍內(nèi)溫度和相對濕度即室外溫濕度情況，將圖3中I1和I2測點(diǎn)（1.2 m高）的溫度和相對濕度數(shù)值分別求取平均值，分別代表室內(nèi)溫度和室內(nèi)相對濕度，室外溫濕度采用3個(gè)室外溫濕度自動記錄儀的平均值，結(jié)果見圖4。

圖4 室內(nèi)、外溫度和相對濕度

由圖4可知，2017年1月3日至1月20日，室外最低溫度和最高溫度分別為?11.0和12.1 ℃，室外最低相對濕度和最高相對濕度分別為23%和100%；室內(nèi)最低溫度和最高溫度分別為18.6和27.9 ℃，室內(nèi)最低相對濕度和最高相對濕度分別為32%和90%。將圖4中溫度和相對濕度數(shù)據(jù)分別求取試驗(yàn)期間平均值，得到豬舍內(nèi)平均溫度和相對濕度分別為(23.9±1.8) ℃和57%±10%；室外平均溫度和相對濕度分別為(?1.1±4.7) ℃和62%±23%。豬舍內(nèi)平均溫度滿足保育豬對環(huán)境溫度的需要（20～25 ℃）[27]。

2.1.2 室內(nèi)、外NH3及CO2濃度

在第1階段2個(gè)單元內(nèi)均有豬時(shí)，單元1、單元2內(nèi)NH3平均濃度分別為(10.4±0.7)×10-6、(7.2±1.8)×10-6；在第2階段單元1有豬、單元2無豬時(shí)，有豬單元1內(nèi)NH3平均濃度為(10.6±0.5)×10-6。2個(gè)階段試驗(yàn)中室內(nèi)NH3濃度均不超過中國豬舍環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)[27]。

在第1階段供暖試驗(yàn)期間，單元1和單元2內(nèi)CO2濃度分別為(1 618±785)×10-6和(3 306±991)×10-6，豬舍內(nèi)CO2濃度最高為6 655×10-6（單元2，1月7日），主要因?yàn)楫?dāng)日下雪完全關(guān)窗，豬舍通風(fēng)不足。在第2階段供暖試驗(yàn)期間，有豬單元1內(nèi)CO2濃度為(2 700± 1 526)×10-6；室外CO2濃度為(400±129)×10-6。為減少空氣質(zhì)量對家畜和工人的健康影響，畜舍內(nèi)CO2濃度最好不超過3 000×10-6[28-29]，豬舍內(nèi)CO2濃度35.1%的時(shí)間超過該濃度限值。試驗(yàn)期間豬舍內(nèi)CO2濃度部分時(shí)間較高主要是由于保育豬抵抗力較低、豬場管理上要求晚上關(guān)窗通風(fēng)量過?。ㄘi舍通風(fēng)為自然通風(fēng)）所致。

2.2 系統(tǒng)供水溫度與地面溫度的關(guān)系

2.2.1 不同系統(tǒng)供水溫度時(shí)地面平均溫度

空氣源熱泵系統(tǒng)地暖供暖時(shí)，設(shè)定溫度將影響系統(tǒng)供水溫度，系統(tǒng)供水溫度將影響豬舍室內(nèi)地面溫度，地面溫度達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)是豬舍環(huán)境控制的基本要求。為了解地面溫度與系統(tǒng)供水溫度的關(guān)系，對豬舍單元2無豬時(shí)（2017年1月10日至2017年1月20日）6個(gè)測點(diǎn)（圖 3中T1～T6）地面溫度求平均值，代表無豬的單元2內(nèi)地面溫度（2G），實(shí)際系統(tǒng)供水溫度與地面溫度關(guān)系見圖 5，并求得系統(tǒng)供水溫度（T）（測點(diǎn)見圖2）與地面溫度（2G）的相關(guān)關(guān)系，見公式（1）。

由公式（1）及圖5可知，單元2無豬時(shí)平均地面溫度（2G）與系統(tǒng)供水溫度（T）極顯著線性相關(guān)。保育豬（體質(zhì)量13.6～34 kg）需要平均地面溫度為29.4～21.1 ℃[30]，由公式（1）可推出，保育豬舍地暖供暖時(shí)，系統(tǒng)供水溫度應(yīng)為43.2～28.6 ℃。

2.2.2 地面溫度與系統(tǒng)供水溫度、不同供暖距離關(guān)系

為了解豬舍內(nèi)不同位置地面溫度（2GP）與系統(tǒng)供水溫度（T）和室外溫度（T）、不同測點(diǎn)距離分水器的距離（D）的關(guān)系，統(tǒng)計(jì)分析（2017年1月10日至2017年1月20日）豬舍無豬的單元2中測點(diǎn)T1、T2、T3、T4、T5和T6（分別距分水器24、30、36、48、54和60 m，見圖3）地面溫度數(shù)據(jù)及對應(yīng)的系統(tǒng)供水溫度（T）、室外溫度（T）和不同測點(diǎn)距離分水器的距離（2P）之間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果見公式（2）。

2GP=0.529T+0.133T?0.0322P+7.952

(2=0.65,=7764,<0.01) （2）

式中2GP代表的是不同距離下各測點(diǎn)的地面溫度，℃；2P為在無豬的單元2中，不同測點(diǎn)距離分水器的距離（本試驗(yàn)距離范圍為24～60 m），m；T為室外環(huán)境溫度，℃。

由公式（2）可知，地面溫度與系統(tǒng)供水溫度和室外溫度正相關(guān)；隨著供暖距離的增加，地面溫度下降。

為了解豬舍室內(nèi)不同位置地面溫度（不同距離）與系統(tǒng)供水溫度（T）和空氣源熱泵系統(tǒng)設(shè)定溫度的關(guān)系，選擇無豬的單元2，取距離分水器最近的測點(diǎn)T1（距離分水器24 m）和最遠(yuǎn)的測點(diǎn)T6（距離分水器60 m）地面溫度，統(tǒng)計(jì)分析2測點(diǎn)地面溫度與系統(tǒng)供水溫度和設(shè)定溫度的關(guān)系，結(jié)果見表3。

表3 不同設(shè)定溫度下系統(tǒng)供水溫度和無豬單元2地面溫度Table 3 System supply water temperature and ground temperature in empty Unit 2 at different setting temperature ℃

由表3可知，在系統(tǒng)供水溫度為30.0～41.0 ℃時(shí)（2017年1月10日至2017年1月20日），豬舍無豬單元2內(nèi)測點(diǎn)T1和T6地面溫度范圍為19.1～28.6 ℃；系統(tǒng)供水溫度平均值較設(shè)定溫度降低1.8～4.0 ℃；測點(diǎn)T1地面溫度平均值較系統(tǒng)供水溫度下降8.3～13.1 ℃；測點(diǎn)T6較T1地面溫度平均值下降0.5～1.8 ℃（2測點(diǎn)距離相差36 m）。表3中設(shè)定溫度為45 ℃時(shí)地面測點(diǎn)T1和T6的平均溫度都較設(shè)定溫度為42 ℃時(shí)低，主要原因?yàn)樵O(shè)定溫度為45 ℃時(shí)沖洗豬圈和消毒造成地面溫度降低。一般情況下，隨著設(shè)定溫度的升高，系統(tǒng)供水溫度升高，同一測點(diǎn)地面溫度升高。由此可見，熱水地暖供暖時(shí)，地暖管內(nèi)熱水從分水器出來循環(huán)時(shí)加熱地面，加熱的地面主要以熱輻射和對流方式向豬舍空氣散熱，室內(nèi)溫度低于地暖管中水的溫度，隨著地暖管的延長，水溫逐漸降低，因此，地面溫度也隨著地暖管距離分水器的距離增大而降低。

因此，為減少距離分水器不同距離時(shí)地面溫差，設(shè)計(jì)地暖時(shí)宜采用回型等布管方式并控制管線長度，且設(shè)置地暖管時(shí)各環(huán)路加熱管長度不超過120 m[32]。

2.3 地面溫度與豬舍不同高度溫度的關(guān)系

2.3.1 有豬豬舍中不同高度溫度

為了解豬舍距離外門較近處、豬舍中間和豬舍距離外門較遠(yuǎn)處不同高度溫度及其和蓄水罐設(shè)定溫度、系統(tǒng)供水溫度的關(guān)系，選取單元1內(nèi)測點(diǎn)P1和P3，單元2內(nèi)測點(diǎn)P6，統(tǒng)計(jì)2017年1月4日11:30至2017年1月9日19:00設(shè)定溫度、系統(tǒng)供水溫度平均值和不同高度溫度平均值（其中單元1在統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)一直有豬，單元2內(nèi)2017年1月9日01:00至2017年1月9日19:00無豬，對應(yīng)的設(shè)定溫度見表2，即2017年1月9日設(shè)定溫度為45 ℃）。豬舍內(nèi)貼近飼喂走道3處測點(diǎn)不同高度處平均溫度、設(shè)定溫度和系統(tǒng)供水溫度結(jié)果見表4。

表4 不同設(shè)定溫度下系統(tǒng)供水溫度和不同測點(diǎn)不同高度溫度 Table 4 System supply water temperature and different height temperature of different measuring points at different setting temperatures ℃

由表4可知，在系統(tǒng)供水溫度為32.5～41.2 ℃時(shí)，試驗(yàn)豬舍有豬時(shí)測點(diǎn)P3和P6（2側(cè)點(diǎn)位于豬舍中間位置，受門口開關(guān)影響較?。┰?.3 m高溫度為19.4～21.5 ℃。測點(diǎn)P1在0.3 m高度處溫度偏低（18.3～19.1 ℃）而測點(diǎn)P6溫度較高（20.9～21.5 ℃），主要原因?yàn)闇y點(diǎn)P1距離外門較近而測點(diǎn)P6距離外門較遠(yuǎn)（測點(diǎn)布置見圖3），工作人員進(jìn)出門及門縫滲透通風(fēng)引起室外寒冷空氣在近門處與室內(nèi)空氣交換較多，從而近外門處0.3 m高溫度較遠(yuǎn)離門處低。表4中數(shù)據(jù)在設(shè)定溫度為45 ℃時(shí)P6測點(diǎn)1.2 m處高度溫度均低于設(shè)定溫度為35、40和42 ℃時(shí)的溫度，主要原因?yàn)樵撛O(shè)定溫度對應(yīng)時(shí)間單元2內(nèi)無豬，該單元內(nèi)無豬時(shí)少了豬的顯熱散熱，因此，1.2 m高處溫度較室外溫度較低；該測點(diǎn)0.3 m高處溫度（21.2 ℃）高于1.2 m處溫度主要原因?yàn)殡m然該單元內(nèi)無豬，但因?yàn)閱卧?和單元2內(nèi)地暖管連續(xù)布置、地暖一直供暖的原因。

2.3.2 無豬豬舍中不同高度溫度

2017年1月10日至2017年1月15日，單元2無豬（門窗關(guān)閉），對該單元內(nèi)T1～T6測點(diǎn)各高度溫度數(shù)據(jù)求平均值，代表該單元的各高度溫度，得到地面溫度、0.3、0.8和1.2 m高處溫度變化趨勢，見圖6。

圖6 2017年無豬單元2不同高度的平均溫度

由圖6可知，試驗(yàn)期間，0.3、0.8和1.2 m高處溫度相差不大。2017年1月10日至2017年1月13日，0.3、0.8和1.2 m高處溫度與地面溫度相差較大，地面溫度高于0.3 m高溫度最大值為12.9 ℃。2017年1月14日至2017年1月15日，地面溫度下降較大，甚至低于0.3 m和0.8 m高處的溫度，主要原因?yàn)樨i舍沖洗地面導(dǎo)致地面大量散熱。為了解不同高度溫度的相對關(guān)系，對圖6中數(shù)據(jù)各高度溫度求試驗(yàn)期間平均溫度，結(jié)果表明，無豬單元2內(nèi)地面、距地面0.3、0.8和1.2 m高處溫度分別為(25.6±2.9)、(20.6±1.9)、(20.6±1.6)和(20.4±1.8) ℃?？梢?，無豬時(shí)，0.3 m高溫度較地面溫度降低幅度明顯（5.0 ℃）；距離地面0.3 m以上不同高度溫度變化不明顯。0.3 m高溫度較地面溫度降低較多的主要原因?yàn)榈孛鏈囟扰c室內(nèi)溫度溫差大，造成地面與室內(nèi)空氣傳熱快而引起0.3 m高度溫度較地面溫度迅速降低，保育豬主要生活在距離地面0.3 m高范圍內(nèi)，該區(qū)域溫度基本滿足中國環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)中保育豬的熱環(huán)境需求（推薦溫度20～25℃）[27]。

2.4 空氣源熱泵地面供暖豬舍環(huán)境溫度控制參數(shù)

2016年12月20日至2017年4月16日空氣源熱泵供暖系統(tǒng)供水、系統(tǒng)回水溫度和蓄水罐設(shè)定溫度如圖7所示，其中，設(shè)定溫度設(shè)定的為蓄水罐水溫。

圖7 空氣源熱泵系統(tǒng)供回水溫度及蓄水罐設(shè)定溫度

由圖7可知，試驗(yàn)期間設(shè)定溫度最高和最低分別為45和33 ℃，對應(yīng)時(shí)間見表2。試驗(yàn)期間，系統(tǒng)供水、系統(tǒng)回水溫度均隨蓄水罐設(shè)定溫度的調(diào)整迅速改變。2017年1月21日12:00至2017年4月16日09:00，設(shè)定溫度維持在42 ℃，但系統(tǒng)供水溫度最大值和最小值分別為39.6和29.2 ℃，系統(tǒng)回水溫度最大值和最小值分別為36.9和28.5 ℃，二者平均值分別為（37.1±1.1）和（34.4±1.2）℃。由此可見，蓄水罐設(shè)定溫度相同時(shí)，系統(tǒng)供水和回水溫度也會隨著室外溫度或其他指標(biāo)的變化而改變，設(shè)定溫度控制器系統(tǒng)中蓄水罐中溫度傳感器的安裝位置以及溫度傳感器的精度也會影響實(shí)際系統(tǒng)供水溫度（本試驗(yàn)中實(shí)際監(jiān)測）與設(shè)定溫度的差異，設(shè)計(jì)合理的自動控制參數(shù)、保證溫度控制器系統(tǒng)的正確安裝及一定精度、精確控制地暖供暖的系統(tǒng)供水溫度及地面溫度很有必要。在設(shè)定溫度（T）為33～45 ℃時(shí)，實(shí)際系統(tǒng)供水溫度（T）為27.0～41.4 ℃。為尋求系統(tǒng)供水溫度和設(shè)定溫度的相關(guān)關(guān)系，對試驗(yàn)期間的系統(tǒng)供水溫度和蓄水罐設(shè)定溫度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見公式（3）。

T=0.986T?2.106 (2=0.72,=13 538,<0.01) （3）

保育舍地面溫度推薦值為29.4～21.1 ℃[30]，即供暖距離最短的地面溫度不超過地面最高要求溫度、供暖距離最長的地面溫度不小于地面最低要求溫度，由公式（3）和公式（2），求得不同室外溫度下保育豬舍適宜的蓄水罐設(shè)定溫度和實(shí)際供水溫度推薦值，見表5。

表5 不同室外溫度下保育豬舍系統(tǒng)供水溫度與蓄水罐設(shè)定溫度推薦值

注：溫度“最高”對應(yīng)保育豬初期階段（體質(zhì)量13.6 kg），而溫度“最低”對應(yīng)保育豬末期階段（體質(zhì)量34 kg）。

Note: “Highest” temperature indicates that nursery pigs were at initial age (body mass 13.6 kg) and “l(fā)owest” temperature indicates that nursery pigs were at end of age (body mass 34 kg).

由表5可知，對于北京保育豬舍，供暖期室外平均溫度0.1 ℃時(shí)，空氣源熱泵設(shè)定溫度宜為43～32 ℃，實(shí)際供水溫度宜為40.6～29.9 ℃（滿足保育豬地面溫度推薦值29.4～21.1 ℃）[30]。表5中數(shù)據(jù)可為豬舍采用空氣源熱泵熱水地暖供暖時(shí)提供自動控制輸入?yún)?shù)。對于其他豬種需要不同的地面溫度時(shí)，可以參考公式（2）與公式（3）求得合適的實(shí)際供水溫度及蓄水罐設(shè)定溫度。

3 結(jié) 論

1）試驗(yàn)期間，室外最低和最高溫度分別為?11.0和12.1 ℃，豬舍內(nèi)1.2 m高最低和最高溫度分別為18.6和27.9 ℃。試驗(yàn)豬舍單元1和單元2內(nèi)CO2濃度分別為(1 618±785)×10-6和(3 306±991)×10-6；NH3濃度分別為(10.4±0.7)×10-6和(7.2±1.8)×10-6。

2）地面溫度與供水溫度、室外溫度都呈正比例線性相關(guān)，但與供暖距離呈反比例線性相關(guān)。

3）在實(shí)際供水溫度為30.0～41.0 ℃時(shí)，豬舍無豬單元距離分水器最近（24 m）測點(diǎn)和最遠(yuǎn)（60 m）測點(diǎn)地面溫度范圍為19.1～28.6 ℃；實(shí)際供水溫度平均值較設(shè)定溫度降低1.8～4.0 ℃；距離分水器最近（24 m）測點(diǎn)地面溫度較實(shí)際供水溫度下降8.3～13.1 ℃；距離分水器最遠(yuǎn)（60 m）測點(diǎn)較最近測點(diǎn)（24 m）地面溫度下降0.5～1.8 ℃（兩測點(diǎn)距離36 m）。無豬時(shí)，0.3 m高溫度較地面溫度降低幅度明顯（5.0 ℃），距離地面0.3 m以上不同高度溫度變化不明顯。

4）對于供暖期室外平均溫度為0.1 ℃的北京保育豬舍，空氣源熱泵地暖供暖的設(shè)定溫度宜為43～32 ℃，實(shí)際供水溫度宜為40.6～29.9 ℃。

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Study on heating effect of air source heat pump for floor heating of nursery pig house in Beijing

Wang Meizhi1, Yi Lu1, Liu Jijun1, Yang Lele2, Chen Zhaohui1, Wu Zhonghong1※

(1.100193; 2.253000,)

With the importance of environmental protection, “2+26” cities in China have been banned from coal heating, and pig farms urgently need to find a low-cost heating way of energy saving and emission reduction. Air source heat pump is a kind of energy saving device by inputting a small amount of highgrade energy (electric energy) to achieve the goal that the heat flows from low-grade thermal energy (air) to high -grade thermal energy (such as water, oil, etc.). As a clean energy, air can be selected as a kind of heating energy but air source heat pump can also be affected by outdoor temperature and related technical factors. In order to understand heating effect of air source heat pump for floor heating of pig house, one nursery pig house in Beijing was selected to be the experimental pig house. The experimental pig house was 42 m long and 9.3 m wide and floor heating area was 42 m×5.7 m. Two air source heat pumps (5P) were installed to the heating system of the nursery pig house with floor heating, and the thermal environment indexes of the heating system were monitored and analyzed. There were 12 pipes for supply water and other 12 pipes for return water in the heating floor. The test was divided into two periods, the equipment performance monitoring period and the pig house thermal environment effect test period. Equipment performance monitoring period: November 20th, 2016-April 16th, 2017. The pig house thermal environment effect test period was divided into two stages. The first stage (January 3rd, 2017-January 8th, 2017): pig house with pig test (two units). The second stage (January 9th, 2017-January 20th, 2017): pig house with no pig test (empty pig unit - unit 2). The results showed that the outdoor minimum and maximum temperatures were -11.0 and 12.1 ℃ during the test period, respectively. In the floor heating pig house, there was a positive linear correlation between the ground temperature and the supply water temperature, the correlation between the ground temperature and the outdoor temperature also indicated a positive linear correlation. However, the correlation between the ground temperature and the heating distance showed a negative correlation. When the actual system supply water temperature was 32.5-41.2 ℃, the 0.3 m height temperature range in the pig house of two units with pigs at measuring point P3 and measuring point P6 (the two measuring points were in the middle of the pig house) was 19.4-21.5 ℃. When the actual system supply water temperature was 30.0-41.0 ℃, the ground temperature range at measuring point T1 (the nearest measuring points to the water distributor, 24 m of distance from the water distributor) and measuring point T6 (the farthest measuring points to the water distributor, 60 m of distance from the water distributor) in the pig house without pigs was 19.1-28.6 ℃. The actual system water supply temperature was 1.8-4.0 ℃ lower than the setting temperature during the test period. During experimental period of stage 2, the ground temperature at measuring point T1 in Unit 2 in the pig house without pigs was lower than the actual supply water temperature by 8.3-13.1 ℃, and the ground temperature of measuring point T6 decreased by 0.5-1.8 ℃ compared with the ground temperature of measuring point T1 and the difference between the two measuring points was 36 m. Moreover, the average temperature at 0.3 m height decreased by 5.0 ℃ compared with the average ground temperature, but there was no obvious change in temperature at different heights above 0.3 m. As for Beijing, the average outdoor temperature was 0.1 ℃ in heating period, the recommended setting temperature and actual supply water temperature for nursery pig house should be 43-32 ℃ and 40.6-29.9 ℃, respectively. The air source heat pump heating system was suitable for the nursery pig houses with floor heating system in Beijing.

heat pump; temperature; nursery pig house; floor heating; thermal environment; supply water temperature

王美芝，易 路，劉繼軍，楊樂樂，陳昭輝，吳中紅. 空氣源熱泵用作北京保育豬舍地暖的供暖效果研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(4)：203－210. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.025 http://www.tcsae.org

Wang Meizhi, Yi Lu, Liu Jijun, Yang Lele, Chen Zhaohui, Wu Zhonghong. Study on heating effect of air source heat pump for floor heating of nursery pig house in Beijing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(4): 203－210. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.025 http://www.tcsae.org

2018-09-05

2019-02-20

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助：畜禽養(yǎng)殖智能裝備與信息化技術(shù)研發(fā)（2018YFD0500700）；生豬產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系北京市創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（BAIC02-2018）

王美芝，副教授，博士，主要從事畜牧工程與畜牧環(huán)境研究。Email：meizhiwang@cau.edu.cn

吳中紅，副教授，博士，主要從事畜禽環(huán)境工程、環(huán)境對家畜生殖發(fā)育的影響方面的研究。Email：wuzhh@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.025

S210.3; S818.9

A

1002-6819(2019)-04-0203-08