恒溫牛舍----中國大型規(guī)模牧場發(fā)展方向
恒溫牛舍----中國大型規(guī)模牧場發(fā)展方向
低屋面橫向通風(fēng)牛舍(LPCV)
中博農(nóng)正在為飛鶴建設(shè)中國首座恒溫牛舍，計劃將于2009年12月底完成全部工程的建設(shè)。
一、引言
第一棟低屋面橫向通風(fēng)牛舍（LPCV）于2005年秋建造于美國南達(dá)科他州， 其建筑型式和管理模式目前已在美國7個州被普遍認(rèn)可，另外10個州也在考慮采用這種模式。LPCV的概念現(xiàn)在已經(jīng)擴(kuò)展到相當(dāng)于8－24列自由臥欄的牛舍跨度，但大多數(shù)牧場選擇12－16列型式。
圖1所示為8列式LPCV牛舍端視圖。牛舍一面?zhèn)葔ε渲谜舭l(fā)板，另一面?zhèn)葔Π惭b風(fēng)機(jī)。圖2所示為尾對尾8列式LPCV牛舍的平面工藝布局，這種設(shè)計相當(dāng)于把兩個4列式牛舍并在一起。LPCV牛舍或隧道通風(fēng)牛舍的優(yōu)勢是通過牛舍的風(fēng)速是穩(wěn)定的，舍內(nèi)最大通風(fēng)率時的風(fēng)速一般低于13km/h，而冬季風(fēng)速則可降低到3.2km/h以下。
在2006年針對LPCV牛舍舍內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行了研究。從舍內(nèi)三個取樣點(diǎn)采集的樣品中對懸浮顆粒含量的分析結(jié)果為：牛舍東端78.2ppm，牛舍中部74.8ppm，牛舍西端94.8ppm。這些值比雞舍和豬舍塵埃濃度低10－100倍（Jerez等，2006），也低于美國國家標(biāo)準(zhǔn)（150ppm）。這些空氣樣本采集自使用沙子做臥床墊料的LPCV牛舍，使用干牛糞或鋸末等有機(jī)墊料的牛舍空氣懸浮顆粒濃度是否會升高還有待于進(jìn)一步研究。
試驗表明，LPCV牛舍中散發(fā)的有害氣體以含氮?dú)怏w（NH3，NO2，NO）為主。在春季試驗的最低通風(fēng)率（11900m3/分鐘）下，氨氣濃度和散發(fā)速度最高。試驗測定的氨氣平均濃度（春季＝1219±5ppb，夏季＝1117±4ppb）遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于自然通風(fēng)散欄式牛舍（36－51ppm）。
圖1. 8列式LPCV散欄式牛舍剖視圖
圖2. 8列式LPCV散欄式牛舍平面工藝圖（牛舍長度根據(jù)養(yǎng)殖容量確定）
表1. 800頭容量的LPCV牛舍平均有害氣體濃度
二、LPCV牛舍工藝設(shè)計
LPCV牛舍的優(yōu)點(diǎn)包括：低屋面、占地面積小、奶牛往返擠奶廳的行走距離短、可控制光照以及良好的奶牛養(yǎng)殖環(huán)境和人員工作環(huán)境，但必須根據(jù)不同地區(qū)的具體條件進(jìn)行針對性設(shè)計。下面概述LPCV牛舍建設(shè)的一些工藝設(shè)計問題。
1、牛舍跨度
在炎熱季節(jié)，通風(fēng)率（即舍內(nèi)空氣全部更新的時間）應(yīng)為60－120秒，即風(fēng)機(jī)每60－120秒鐘就要把舍內(nèi)空氣完全排出，更換為舍外新鮮空氣。而冬季需要降低舍內(nèi)通風(fēng)率，在北達(dá)科他州800頭容量的LPCV牛舍冬季的通風(fēng)率一般為180－240秒。冬季通風(fēng)率必須能夠最大限度降低舍內(nèi)濕度和有害氣體如氨氣的濃度，以免損害奶牛健康。這個地區(qū)對牛舍通風(fēng)率的管理依據(jù)是舍內(nèi)氨氣濃度而不是溫度，這就使其牛舍的通風(fēng)率高于其它地區(qū)的牧場。
LPCV牛舍的跨度范圍在60－150m，表觀上可以分為8列式、10列式、12列式、16列式、24列式。表2所示為側(cè)墻配置3m高蒸發(fā)板的情況下，不同跨度牛舍空氣通過蒸發(fā)板的不同速率和牛舍換氣時間的關(guān)系。設(shè)備供應(yīng)商建議空氣通過蒸發(fā)板的最大速率為122m/分鐘，超過122m/分鐘會降低蒸發(fā)板的效率。牛舍通風(fēng)率初始設(shè)定應(yīng)為120秒以下；跨度超過91m時，根據(jù)蒸發(fā)板通氣率，牛舍通風(fēng)率可以在180－240秒之間。蒸發(fā)板通氣率加快會使其降溫效率下降，導(dǎo)致舍內(nèi)溫度升高。
表2.牛舍跨度和空氣通過蒸發(fā)板速率對通風(fēng)率影響的比較（秒）
堪薩斯州的奶牛專家在2007年夏季對四個LPCV牛舍進(jìn)行了評估，表3是對7月17日到8月16日期間牛舍內(nèi)各區(qū)域溫度升高情況的總結(jié)。數(shù)據(jù)表明，隔板之間溫度平均升高0.320C，牛舍橫向每米跨度溫度平均升高0.01670C/m，相當(dāng)于每30m牛舍跨度溫度升高0.5560C。由于使用蒸發(fā)板降溫系統(tǒng)造成的舍內(nèi)高濕度，每30m牛舍跨度的溫濕度指數(shù)（THI）約升高1個單位。
表3.2007年夏季4個LPCV牛舍隔板間和單位跨度溫度平均升高情況
2、牛舍山墻門設(shè)計
第一棟LPCV牛舍對應(yīng)舍內(nèi)每條功能通道都設(shè)置有山墻門，以便于飼喂和清糞設(shè)備進(jìn)出，也可在備用發(fā)電機(jī)故障等突發(fā)情況下用以緊急通風(fēng)或奶牛的應(yīng)急出口。配置山墻門考慮的重點(diǎn)是建造投資和維修費(fèi)用，多數(shù)人選擇只配置對應(yīng)飼喂通道的山墻門，相當(dāng)于牛舍每4列自由臥欄（假定自由臥欄為四列式布置）山墻門從10個減少到2個。這種設(shè)計需要在牛舍兩端各延長一定的空間來滿足小型機(jī)械和運(yùn)沙車等設(shè)備進(jìn)出牛通道的需要，但不適于牽引式車輛使用。
還有一種設(shè)計是只在一端山墻配置飼喂通道門，另一端設(shè)置機(jī)械設(shè)備緩沖區(qū)，讓牽引式車輛從一端進(jìn)入牛舍，在另一端橫穿牛舍退出。這就使牛舍的山墻門從每8列自由臥欄20個或4個減少到2個，但這種設(shè)計會減少舍內(nèi)自由臥欄的有效配置數(shù)量。確定山墻門配置需要權(quán)衡原始投資和維修成本與舍內(nèi)自由臥欄減少的關(guān)系。如果充分利用舍內(nèi)空間配置自由臥欄，就應(yīng)該對應(yīng)每條通道全部配置山墻門，在舍內(nèi)不增加額外緩沖空間的情況下，這種設(shè)計會使每欄位平均占有牛舍面積減少5－10％。
3、牛舍隔熱保溫
對屋面和墻體進(jìn)行隔熱處理可以減少夏季輻射熱對牛舍的影響，防止冬季舍內(nèi)發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。自然通風(fēng)的散欄式牛舍一般不做隔熱處理，但屋面坡比為1/3，使熱空氣不斷上升并從敞開的屋脊散發(fā)到舍外。而LPCV牛舍是通過風(fēng)機(jī)把熱空氣排出舍外的，在夏季通風(fēng)率必須足夠高，以保證舍內(nèi)溫度不會明顯升高。冬季由于牛舍通風(fēng)率降低，濕熱空氣在接觸低溫金屬表面時會發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象，露滴又會滴落在牛舍地面上。
屋面采用復(fù)合保溫板時在接縫處需要進(jìn)行密封處理，否則由于奶牛呼出的濕氣和尿液蒸氣，接縫處會受到牛舍空氣中高濕度的腐蝕而變形，最終使隔熱材料與鋼板分離，出現(xiàn)鋼板結(jié)露現(xiàn)象；拖拉機(jī)在舍內(nèi)作業(yè)時排出的熱廢氣也會加重這類問題。根據(jù)需要采用不同的噴涂隔熱材料可以避免這些問題的發(fā)生。另外也可以考慮采用剛性隔熱板材。
4、牛舍清糞工藝
目前大多數(shù)LPCV牛舍采用刮板＋水沖的清糞工藝，刮板將糞便刮到中央糞道，再用水把摻有沙子的牛糞尿沖到分沙系統(tǒng)。由于擠奶廳的高效率和奶牛往返擠奶廳距離較短，其他清糞方式?jīng)]有足夠的時間清運(yùn)這么大牛舍里的糞便。
以飼養(yǎng)量3300頭的泌乳牛舍為例，配置72位轉(zhuǎn)盤式擠奶廳，每天3次擠奶，每小時進(jìn)出擠奶廳的奶牛頭數(shù)平均463頭；假定使用直徑2.4m橡膠輪胎做刮糞板，行進(jìn)速度8km/h，刮糞效率為60％（除去開門和返回時間），操作人員1名，奶牛排糞量為頭日68kg。設(shè)計方案一：奶牛分12群，每群275頭，占舍長度186m，每群奶牛日排糞量為18.7噸。這樣，在每天二次清糞管理的情況下，每群通道每次清糞時間需要42分鐘，而每群每班擠奶時間為36分鐘。設(shè)計方案二：奶牛分8群，每群412頭，占舍長度275m，每群日排糞量28噸，清糞時間需要90分鐘，而每群擠奶時間只需要54分鐘。這二種設(shè)計方案下，一個清糞工都是不可能在一群奶牛擠奶結(jié)束前完成清糞工作的，因而就要考慮配備二個清糞工或?qū)嵭腥吻寮S制。如果采用三次清糞制，方案一每群的清糞時間可以減少到28分鐘，方案二可以減少到62分鐘。配備二名清糞工適合方案二，因為即使采用三次清糞制，清糞時間仍然超過擠奶時間。這個例子說明在選擇擠奶廳和設(shè)計牛群大小的時候，必須重點(diǎn)考慮清糞方式，特別是使用橡膠輪胎做清糞刮板的情況下。另外，由于在刮板清糞操作中沒有時間彈性，所以對清糞工的管理要求也非常關(guān)鍵。
使用沙子做臥床墊料的牛舍，采用水沖式清糞工藝需要至少2％的地面坡度，如果牛舍與地面同坡度，就要限制牛舍跨度以規(guī)避雨雪荷載的影響。另外，由于蒸發(fā)板必須盡可能水平安裝以保證其正常工作，所以對于采用水沖式清糞的牛舍就要求在地面有坡度的情況下屋脊線接近水平，即牛舍側(cè)墻不是同一高度，這樣就可以緩解雨雪荷載的壓力和避免蒸發(fā)板的安裝問題。
由于傳統(tǒng)的看法是8個泌乳牛群配置一座擠奶廳，所以LPCV牛舍的跨度設(shè)計傾向于122m（16列式）。擴(kuò)大單個牛群的奶牛數(shù)量就會增加牛舍長度，必要時可以考慮把泌乳牛分成12群，以保證足夠的時間進(jìn)行清糞和臥欄維護(hù)工作。
5、牛舍光照設(shè)計
在沒有自然光照的情況下，合理設(shè)計人工光照對于LPCV牛舍非常重要。研究表明，10－15尺燭光（fc）照度對泌乳牛是必需的（Dahl,2001）。使用金屬鹵素?zé)魰r，安裝高度取決于燈具底部與工作面之間的距離。散欄式牛舍工作面定義在自由臥欄隔欄頂部或地面以上約1.2m。金屬鹵素?zé)粢话惆惭b高度為3.6－6m。LPCV牛舍配置熒光燈的安裝高度在1.8－3.6m比較合適，每群配置二排熒光燈，相當(dāng)于每列自由臥欄一排。
每套燈具配置二根2.4m的熒光燈管，安裝高度為混凝土地面以上約3m，安裝間隔約6m，安裝位置在頸枷上方。圖3的光照值為牛舍橫向10個測定點(diǎn)的平均值，牛舍平均光照為27.9fc（9.9－44.8fc）。除靠近蒸發(fā)板和風(fēng)機(jī)的臥欄外，其它區(qū)域的光照都在或超過建議的照度范圍。燈管（燈泡）的照度隨著使用時間的延長會下降，特別是在燈具上沾滿灰塵和污物時。補(bǔ)充光照也方便員工在舍內(nèi)進(jìn)行工作。
光照設(shè)計必須能夠滿足不同生產(chǎn)階段奶牛的需要，如泌乳牛需要長周期，而干奶牛需要短周期。適當(dāng)?shù)墓庹账綄ΡＷC人員安全有效地工作也是必需的。
圖3. 8列式LPCV散欄式牛舍橫向區(qū)域光照分布
6、擠奶中心
建造LPCV牛舍的主要挑戰(zhàn)之一是牛舍的通風(fēng)系統(tǒng)如何與擠奶中心（擠奶廳和待擠廳）作為整體來設(shè)計。自然通風(fēng)的散欄式牛舍配置擠奶廳一般采用“T”或“H”型布局，而蒸發(fā)降溫的牛舍需要封閉，在舍內(nèi)設(shè)置隔板用于增加奶牛休息區(qū)域的氣流速度。但待擠廳不適合設(shè)置隔板，因為待擠廳里配置有趕牛器等設(shè)備。另外，大多數(shù)待擠廳是凈跨設(shè)計，如果安裝隔板就必須增加結(jié)構(gòu)立柱。風(fēng)機(jī)工作時如果在牛舍或擠奶廳距離風(fēng)機(jī)最近處有進(jìn)氣口，就會在小區(qū)域形成空氣對流，影響蒸發(fā)降溫效果。奶牛進(jìn)出擠奶廳和牛舍的過程也會影響蒸發(fā)降溫系統(tǒng)的作用。
目前認(rèn)為待擠廳還是適合采用自然通風(fēng)設(shè)計，通過風(fēng)機(jī)和噴淋系統(tǒng)進(jìn)行降溫。擠奶廳通風(fēng)設(shè)計必須考慮擠奶員和奶牛舒適度。
7、通風(fēng)設(shè)計
LPCV牛舍目前普遍的通風(fēng)設(shè)計是通過配置在進(jìn)風(fēng)口的蒸發(fā)板來控制的。蒸發(fā)板生產(chǎn)商建議空氣通過蒸發(fā)板的最大流速為122m3/m2/分鐘，一般設(shè)計值為106－114m3/m2/分鐘。安裝3m高蒸發(fā)板需要4-4.3m的側(cè)墻高度。如果不安裝蒸發(fā)板，開敞側(cè)墻的空氣流速就會增加。
LPCV牛舍風(fēng)機(jī)的最大工作靜壓應(yīng)該控制在3.8mm水柱以下。了解靜壓的概念對于在春秋季節(jié)控制風(fēng)機(jī)開啟數(shù)量很關(guān)鍵。如果進(jìn)氣空間不足，靜壓就會增加，造成風(fēng)機(jī)空轉(zhuǎn)。LPCV牛舍與擠奶廳之間的通道如果不封閉，即使蒸發(fā)板關(guān)閉也存在進(jìn)氣空間。關(guān)于是否在冬季關(guān)閉蒸發(fā)板還有很多爭議；如果不封閉蒸發(fā)板，那么增加運(yùn)轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)數(shù)量不會增加靜壓。如果冬季關(guān)閉蒸發(fā)板，就需要另外的進(jìn)氣口。經(jīng)驗的做法是每臺風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)下需要4.6m2進(jìn)氣空間。
8、冬季通風(fēng)
LPCV牛舍冬季如何控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)行尚沒有標(biāo)準(zhǔn)可依，目前各牧場都有自己的操作方法，但歸結(jié)起來主要是兩種模式：第一種是降低通風(fēng)率（關(guān)閉風(fēng)機(jī)）防止地面糞便凍結(jié)；這種方法可以預(yù)防奶牛跛行問題，但會造成舍內(nèi)氨氣濃度升高。另外，由于舍內(nèi)溫度升高導(dǎo)致舍內(nèi)外溫差增大，使舍內(nèi)濕度相應(yīng)增加，在沒有進(jìn)行保溫處理的金屬表面如屋面檁條等會出現(xiàn)水凝現(xiàn)象。第二種是根據(jù)進(jìn)氣口溫度來控制運(yùn)轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)的數(shù)量，這種方式的特點(diǎn)是限定在低于設(shè)定溫度時運(yùn)轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)的最少數(shù)量；但是當(dāng)舍外溫度進(jìn)一步下降時仍會有一定數(shù)量的風(fēng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)，使舍內(nèi)溫度繼續(xù)降低，造成地面糞便凍結(jié)。
盡管存在不同意見，但大多數(shù)專家傾向于把冬季最大通風(fēng)率設(shè)定為8分鐘。與8列式牛舍冬季的風(fēng)機(jī)運(yùn)行程序相比，16列式牛舍需要二倍的風(fēng)機(jī)數(shù)量，增加的通風(fēng)量要求側(cè)墻進(jìn)風(fēng)口面積比8列式牛舍增加一倍；同時，由于進(jìn)風(fēng)口必須通過更多的空氣以滿足8分鐘通風(fēng)率的需要，造成牛舍進(jìn)風(fēng)側(cè)60m舍內(nèi)空間的氣溫較低。冬季在保證足夠通風(fēng)率的情況下，16列式牛舍空氣升溫速度就不會像8列式牛舍那樣快。在非常寒冷的氣候條件下，16列式LPCV牛舍靠近進(jìn)風(fēng)口通道上的糞便大多會凍結(jié)。另一個問題是雪天對進(jìn)風(fēng)口的管理措施，如果開敞進(jìn)風(fēng)口，雪必然會被吸入舍內(nèi)；使用蒸發(fā)板可以防止雪進(jìn)入牛舍，卻會降低其使用壽命。
冬季牛舍進(jìn)風(fēng)口應(yīng)該位于側(cè)墻上部，使進(jìn)入牛舍的空氣在接觸奶牛和地面前有升溫的時間。也可以采用卷簾覆蓋蒸發(fā)板，這就使進(jìn)風(fēng)口處于蒸發(fā)板中部，隨著靜壓增加上卷簾可以自動調(diào)整，增加進(jìn)風(fēng)口大小。如果采用單卷簾，應(yīng)該從上向下卷，始終使進(jìn)風(fēng)口處于側(cè)墻上部。還有一種選擇方案是在使用單卷簾的情況下，在卷簾上方留出45－60cm開口。如果在蒸發(fā)板下方設(shè)置進(jìn)風(fēng)口會使冷空氣直接接觸奶牛和通道地面，并且在冰雪覆蓋進(jìn)風(fēng)口時將不得不提高進(jìn)風(fēng)口位置。
9、通風(fēng)設(shè)計：隔板的作用
LPCV牛舍內(nèi)部工藝布置與自然通風(fēng)牛舍非常相似，只是舍內(nèi)增設(shè)隔板將氣流從上部空間導(dǎo)向奶牛休息區(qū)域。最初建造的一些LPCV牛舍都配置了隔板，而新建的LPCV牛舍傾向于取消隔板，以降低造價和維修成本。隔板可以使自由臥欄處的氣流速度從3.2－4.8km/h提高到9.6－12.8km/h，這取決于隔板數(shù)量。由于清糞車操作可能會意外損壞隔板，有的牛舍在回轉(zhuǎn)通道和轉(zhuǎn)群通道處選擇厚帆布做隔板，以降低損壞的可能。
隔板下部空間的作用是調(diào)節(jié)通過牛舍和每個隔板時的氣流速度，表現(xiàn)為氣流突遇隔板時靜壓的變化，類似于空速管原理。為使風(fēng)機(jī)的靜壓最小化，提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率，隔板設(shè)計是關(guān)鍵。從實際使用效果和考慮到對奶牛的影響，隔板距離地面高度不能低于2.1m。另外，在不設(shè)置隔板的LPCV牛舍要達(dá)到8km/h或以上的氣流速度并不經(jīng)濟(jì)，因為至少需要增加一倍的風(fēng)機(jī)，導(dǎo)致夏季運(yùn)行成本增加。LPCV牛舍是否設(shè)置隔板，必須考慮原始投資與日常運(yùn)行成本的關(guān)系。
10、蒸發(fā)板與高壓噴霧的比較
蒸發(fā)降溫是讓熱空氣通過高壓水霧或濕表面實現(xiàn)的，在空氣溫度下降的同時空氣濕度升高。理論上講，在空氣濕度100％或飽和狀態(tài)下可以使溫度達(dá)到最低，大多數(shù)設(shè)計者認(rèn)為，如果空氣經(jīng)過蒸發(fā)板時濕度能夠提高到75％，就可以保證進(jìn)入舍內(nèi)的空氣溫度降到足夠低。空氣通過蒸發(fā)板時的降溫是由于相對濕度的作用，如果兩股氣流溫度相同但相對濕度不同，那么低濕度氣流降溫幅度會高于高濕度氣流。由于舍外氣溫在變化，所以通過蒸發(fā)板進(jìn)入舍內(nèi)的空氣溫度也在變化。
夏季消除奶牛熱應(yīng)激問題需要用水，不論采用低壓噴淋還是蒸發(fā)降溫系統(tǒng)。目前的LPCV牛舍更傾向于采用蒸發(fā)降溫系統(tǒng)，也有個別牧場安裝使用高壓噴霧降溫系統(tǒng)。蒸發(fā)降溫系統(tǒng)設(shè)計的前提是假定空氣沒有增加或損失熱量，降溫效果是由空氣吸納水分的能力決定的。較低的相對濕度會增加空氣降溫幅度。蒸發(fā)板和高壓噴霧是目前常用的二種增加空氣濕度的方法。高壓噴霧系統(tǒng)是向氣流中噴射微小霧滴，而蒸發(fā)板是將水噴在纖維材料上，空氣通過纖維材料的孔隙時接觸并帶走水分。圖4所示是從2007年7月17日到8月16日對一個LPCV牛舍蒸發(fā)板的降溫能力測定結(jié)果，測定數(shù)據(jù)為牛舍蒸發(fā)板側(cè)第一個隔板處和環(huán)境之間每小時的平均溫差。在下午，蒸發(fā)板可以將氣溫降低4.4-7.20C，這是由于下午隨著空氣相對濕度下降使蒸發(fā)板的降溫能力增強(qiáng)。
圖4.LPCV散欄式牛舍不同位置每小時平均溫度（2007.7.17－8.16）
三、結(jié)論
LPCV散欄式牛舍的設(shè)計和使用還處于初期認(rèn)識階段，但這類牛舍很明顯可以帶給養(yǎng)牛者很多潛在的效益，其中一個好處就是在一年中的任何季節(jié)都可以對奶牛環(huán)境進(jìn)行人為控制，目前看來最大的問題是LPCV牛舍的冬季管理。LPCV牛舍具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ侠淼淖龇☉?yīng)該是針對特定的氣候條件進(jìn)行設(shè)計?？茖W(xué)設(shè)計的目的仍然是滿足養(yǎng)牛者對生產(chǎn)效益和奶牛舒適度的需要。
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