【分享】禽舍通风长文：热空气替代加热系统研究——热空气分布

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农业与环境科学学院
乔治亚大学 2009年 第21卷 第2期

热空气替代加热系统研究——热空气分布



在过去的十年中，肉鸡业在降低肉鸡舍总体燃料使用量方面取得了重大进展。

随着全封闭鸡舍、循环风扇、辐射加热器、禽舍屋顶进气口、现代控制器的出现，以及宽体鸡舍的日益普及，许多农场的丙烷使用量已减少了50%或更多。

问题在于，即使燃料使用量可能已经下降，但总体取暖成本却由于一个简单事实而增加：丙烷价格在过去十年中已上涨了两倍以上。

对于许多养殖者而言，如果想对加热成本获得更多控制，他们需要在鸡舍加热所使用的燃料类型上拥有更大的灵活性，因此对替代加热系统的兴趣不断上升。

与过去家禽舍的许多变化一样，替代加热系统不仅需要养殖者进行大量的初期投资，还需要花费相当的时间学习如何最佳地管理这些系统，以优化燃料节约和禽群性能。

这在许多方面与隧道通风概念首次引入家禽业时的情况类似。

在隧道通风之前，夏季通风相对简单。

当天气炎热时，养殖者只需放下帘子并打开循环风扇和喷雾喷头即可，基本就是这样。

但随着隧道通风的应用，不仅需要大量的初期投入，还需要做出更多决策，以便在优化禽群性能的同时，将能源使用量降至最低（即：多少风扇应在什么温度下运行，如何最佳管理隧道帘子的开度等）。

类似地，传统的丙烷加热系统安装成本相对较低，管理和维护也相对简单。

而替代加热系统则相对昂贵，并且在寒冷天气下管理鸡舍温度时要复杂得多。

因此，尽管显著降低加热成本的潜在优势极具吸引力，但必须认识到，只有在系统得到正确管理和维护的情况下，这些成本才会降低。

为进一步了解替代热风加热系统的潜在燃料节约效果及其相关的管理问题，来自乔治亚大学的推广工程师和家禽科学家，以及来自乔治亚州林业委员会的一名工程师，在过去的18个月中对美国乔治亚州东北部一座商业肉鸡农场中一套相当典型的替代热风加热系统进行了研究。

该研究的目标是：

1.评估热风替代加热系统的总体成本效益

2.探索在一栋长500英尺（约152.4 m）的肉鸡舍内均匀分布该系统所产生热风的不同方法

3.量化这些系统对鸡舍整体空气质量和垫料质量的影响

4.记录不同类型生物质燃料的优缺点

5.探索控制热风替代加热系统以实现鸡舍最均匀环境条件的不同方法

该研究所在的农场共有六栋相当典型的40英尺 × 500英尺（约12.2 m × 152.4 m）、通风导流吊顶、隧道通风的鸡舍，建成约七年。

在这六栋鸡舍中，只有四栋被纳入研究。

其中两栋安装了热风替代加热系统，另外两栋作为对照。

在四栋鸡舍中，育雏端均安装了十台辐射育雏加热器（以及三台强制送风炉），非育雏端安装了两台强制送风炉。

四栋鸡舍均配备了一套现代化的家禽舍控制器（Choretronics II），能够控制和监测鸡舍中所有的通风/加热设备。

除标准的六个鸡舍温度传感器外，每栋鸡舍还安装了湿度、燃料使用量、电力消耗以及外界温度传感器。

农场中所有控制器均通过电话调制解调器连接至中央电脑，用于数据收集和远程监控。

所研究的替代加热系统由位于乔治亚州罗马市的 BioFiber Solutions 公司（Biofibersolutions.com）生产。


图1. 生物质替代加热系统

加热单元（BFS-500A - 图1）可向鸡舍提供约400,000 Btu/hr（约117.2 kW）的热量，并能够燃烧木质颗粒或细碎木屑（图2）。

每台设备连接至一个容量为8.5立方码（约6.5 m3）的储料箱，配有可伸缩屋顶，可储存足够燃料以支持设备连续运行两天或更长时间而无需补充（图2）。

燃料通过常规的3.5英寸输料传送轴自动送入炉内。


图2. 燃料储存仓及燃料类型

这些加热炉配备了一台3,500 cfm（ 约 99.1 m?/min）、3 hp（约 2.24 kW）的离心风机，该风机从鸡舍内抽取空气，将其推送通过换热器，并在将空气加热至150–200°F（约65.6–93.3°C）后再送回鸡舍。

热空气通过一条由帘布材料制成的18英寸（约45.7 cm）柔性风管输送至固定安装在天花板顶部的镀锌金属“T形风管”（图3）。


图3. 加热单元空气进气口及将热空气输送至T形风管的柔性风管

这条18英寸“T形风管”向两个方向各延伸约15英尺（约4.6 m），并在“T形”两端各安装一个蝶阀，用于引导鸡舍内热空气的流向（图4和图6）。


图4. T形风管及多孔风管热量输送系统


图6. T形风管蝶阀，用于辅助控制热空气分布

在其中一栋鸡舍中，热空气沿鸡舍长度方向分布，使用连接至中央“T形风管”的18英寸柔性风管，风管上沿长度方向开有一系列直径为2英寸（约5.1 cm）的孔（图4和图8）。


图8. 多孔风管与循环风机热量输送系统运行中的热成像图

位于育雏帘幕侧的18英寸柔性风管连接至第二段短的镀锌风管，该风管同样配备蝶阀，安装在育雏帘幕顶部，用于控制热空气流向非育雏端（图6）。

此外，在柔性风管旁安装了一系列六台18英寸（约 45.7 厘米）、1/15 hp（约 50 瓦）的循环风机，以进一步改善热风分布。

在第二栋试验鸡舍中，来自加热单元的热空气通过一系列八台16英寸（约40.6 cm）、1/4 hp（约 186 W）、2,800 cfm（约79.3 m3/min） 的可调速循环风机（Canarm TF16）从“T形风管”处向外分布，这些风机沿天花板顶部布置（图5和图8）。


图5. T形风管及循环风机热量输送系统

选择这些循环风机是基于其能够将空气推动超过60英尺（约18.3 m），同时在地面产生的气流最小。

一台循环风机安装在育雏帘幕顶部的开口内，用于在放开鸡群前预热非育雏端，以及在整舍放养后帮助空气流向非育雏端（图7）。


图7. 设置在育雏帘内的循环风机，将热空气输送至鸡舍非育雏端

基本加热系统运行方式：

1. 在鸡群饲养的前两周，当鸡舍平均温度低于目标温度1°F（约0.6°C）时，环境控制器会启动替代加热装置。在饲养后期，加热系统的温度偏差值被提高到3°F（约1.7°C）。由于该系统需要一定时间才能开始产生足够的热空气，因此在育雏期间，期望温度与启动替代加热系统的温度偏差必须设置得相对较小。与丙烷系统（图12）几乎可以瞬间产生热量不同，替代加热系统可能需要数分钟才能达到运行温度。因此，即使温度偏差被设定为1°F（ 约 0.556°C），鸡舍温度也可能下降3–4°F（约1.7–2.2°C）才会使加热装置产生足够的热量来阻止鸡舍温度进一步下降（图11）。


图11. 育雏期间配备替代加热系统鸡舍的温度（多孔风管输送系统——左，循环风机输送系统——右）


图12. 育雏期间配备传统辐射育雏器加热系统的对照鸡舍温度

2. 替代加热系统基于鸡舍平均温度运行。这意味着在半舍育雏期间使用三个温度传感器，而在整舍放养期间使用六个温度传感器。

3. 当鸡舍中各自区域的温度低于控制器设定温度4°F（约2.2°C）时，辐射育雏器/强制送风炉将启动。

尽管理论上可以完全不使用丙烷，但从禽群性能的角度考虑，如果替代加热系统在某些区域未能提供足够热量，则现有的丙烷加热系统必须作为备用系统发挥作用。

4. 由于装有替代加热系统的鸡舍中的辐射育雏器本质上仅作为备用热源，因此鸡舍的运行方式需要类似使用强制送风炉进行育雏的鸡舍。在使用辐射育雏器的鸡舍中，当空气温度为90°F（约32.2°C）时，育雏期间的地面温度通常在85–115°F（约29.4–46.1°C）之间（图9）。但使用热风系统时，地面温度更加均匀，且通常略低于空气温度。例如，如果控制器设定为维持90°F的空气温度，则地面温度通常在85–90°F（约 29.4–32.2°C）之间。为确保装有替代加热系统的鸡舍地面温度足够温暖，在进雏时控制器被设定为维持94°F（约34.4°C）的鸡舍温度（图9和图10）。


图9. 鸡龄为2天时，测试鸡舍（右）与对照鸡舍（左）的热成像图


图10. 鸡舍与室外空气的日均温度

5. 在寒冷天气且加热系统长时间运行期间，加热装置的鼓风机会持续运行。尽管加热装置控制器通常会在装置温度降至约100°F（约37.8°C）以下时关闭鼓风机，但养殖者倾向于让其持续运行，以避免每次柔性风管膨胀时惊吓鸡群；此外，这似乎有助于提高鸡舍温度的均匀性。在使用循环风机进行热量分布的鸡舍中，循环风机在整个饲养周期内均以全速连续运行。

6. 在育雏期间，通过调节“T形风管”中的两个蝶阀来微调育雏区域内热空气的分布。在整舍放养前两天，半舍帘幕中的风门被打开，同时“T形风管”中引导热空气朝向育雏端墙的蝶阀被部分关闭。在使用循环风机的鸡舍中，育雏帘幕上的风机被打开，与另一栋鸡舍相同，引导热空气朝育雏端墙的蝶阀被部分关闭。

7. 在整舍放养前一天，半舍帘幕被升起，并将替代加热系统设置为基于全鸡舍温度传感器的平均温度运行。用于引导空气至育雏端墙的“T形风管”蝶阀被关闭，以尽可能将更多热量导向非育雏端，同时非育雏端的强制送风炉也被开启。

8. 在鸡群饲养的前几周，第一阶段排风扇被设置为在控制器设定温度以上3°F（约1.7°C）启动。由于替代加热系统在控制器停止加热请求后仍会继续向鸡舍添加热量（因为鼓风机需要继续运行一段时间以冷却加热装置以避免损坏），加热装置停止运行后仍可能导致鸡舍温度上升数度（图11）。如果将排风扇设置为在设定温度以上仅1–2°F（约0.56–1.11°C）启动，则排风扇会在加热系统停止后不久开始运行以冷却鸡舍，从而导致加热系统再次启动。排风扇与加热系统之间的“拉锯战”将导致过度通风并增加加热成本。在饲养后期，当替代加热系统的温度偏差提高至3°F（约1.7°C）时，第一阶段排风扇的启动温度偏差被降低为2°F（约1.1°C）。

9. Choretronics II 控制器（与许多其他控制器类似）具有一个功能，即当鸡舍温度开始超过设定温度时，自动增加最小通风量。在使用替代加热系统时，该功能必须关闭，因为替代加热系统导致鸡舍温度升高超过设定值时，最小通风量也会增加，从而导致过度通风并增加加热成本。

使用热风替代加热系统的最大挑战是保持鸡舍温度的均匀性。

鸡舍温度的变化将显著降低替代加热系统所带来的节省效果。

基本上，如果整个鸡舍的温度一致，那么备用的丙烷加热系统就不会被调用来加热鸡舍中温度较低的区域；如果丙烷系统从未被使用，加热成本将最小化。

同样，鸡舍温度越均匀，某些过热区域触发排风扇启动的可能性就越小，从而避免鸡舍其他区域变得过冷，导致育雏器开启并增加加热成本。

因此，在许多方面，节省燃料的关键在于热风分配系统。其在鸡舍中分配热量的效果越好，加热鸡舍的成本就越低。

要理解使用单一热源加热整个鸡舍的挑战，可以在鸡满舍的一天尝试将所有育雏器/炉子调节为根据鸡舍内所有温度传感器的平均值运行。

通常情况是，除非鸡舍温度完全均匀，否则某一区域最终会变得过热，而另一区域会变得过冷。

排风扇将开始运转以冷却过热区域，导致冷区变得更冷。

经过一段时间后，尽管“平均”条件看似可接受，但鸡舍的大部分区域并不适合实现最佳的鸡只生产性能，并且你的运营成本将显著增加。

穿孔分配管道和循环风扇系统都能够充分地在鸡舍内分配热量。

如人们所预料的，在250英尺（约76.2米）的育雏区域内分配热空气并不困难。

通过偶尔调节蝶形阀向育雏区两端输送多一点或少一点的热量，养殖者能够将育雏区保持在仅相差几度的范围内，从而使丙烷使用量减少了90%。

需要注意的是，在整个育雏期内能够保持如此均匀温度的部分原因在于鸡舍是完全封闭的，并配备了隔热的风道门。

如果鸡舍是卷帘式侧墙，或完全封闭但使用风道帘布，那么保持鸡舍温度均匀性将更加具有挑战性，燃料节省效果也可能会降低。

能够有效利用替代加热系统来预热非育雏端以及在放鸡后加热非育雏端，使加热成本显著降低。

在我们的研究中，我们通常发现，放鸡后加热鸡舍的成本与鸡半舍饲养时的加热成本相当。

通过在整个鸡群饲养期间有效使用替代加热系统，我们的加热节省实际上翻倍。

分配热量时遇到的最大挑战是在放鸡后的头几天。

由于非育雏端没有使用备用热源，鸡舍的风道风机区域比育雏端低5至10°F（约2.8至5.6°C）。

由于以下两个原因，这不是一个容易解决的问题。

首先，由于替代加热系统位于育雏端，如果不时过热育雏端，就难以充分加热非育雏端。

其次，在鸡只开始移动之前，它们产生的热量往往会加剧育雏端过热的问题。

需要指出的是，尽管在不使育雏端过热的情况下向非育雏端输送热量具有挑战性，但这并不是一个非常艰难的问题。

在经过几天非育雏端强制热风炉的偶尔辅助后，鸡只开始分散，循环风扇系统以及穿孔管道系统基本能够将鸡舍温度均匀性维持在5°F（约2.8°C）以内。

分配系统的成功通过以下事实得到验证：与对照鸡舍相比，使用替代加热系统的鸡舍其丙烷使用量减少了80%或更多。

事实上，在最近一个冬季鸡群（第一周夜间最低温度多日在华氏十几度范围）的饲养期间，总丙烷使用量平均不到75加仑（约≈ 340.96 升）。

在使用替代加热系统时，非常重要的一点是要意识到，为了获得鸡舍其他区域的适宜温度，某些区域的温度有时会比设定值高出几度。

这实际上不应被视为问题。大多数情况下，当我们添加补充热量时，鸡只尚年轻，温度比“目标”温度高几度实际上并不是问题。

例如，如果你有10日龄的鸡只，目标温度为84°F（约28.9°C），鸡只的生产性能会因为鸡舍某一区域为87或88°F（约30.6至31.1°C）而受影响吗？当然不会。

对于幼雏而言，温度低于目标值几度比高于目标值几度危害更大。

事实上，当使用单一热源时，鸡舍内往往会存在5°F（约2.8°C）或略多的温度差。

如果鸡舍中最冷的位置接近目标温度，而不是比目标温度低5°F，那么这种温度差并不会造成危害。

另一个需要牢记的重要一点是，与传统的丙烷加热系统相比，使用替代加热系统时鸡舍温度往往会在每分钟之间出现更大的波动（图11和图12）。

鸡舍温度会出现多大波动取决于替代加热系统的响应时间，以及分配系统将热空气迅速输送到整个鸡舍的能力。

例如，我们测试的替代加热系统在“冷启动”状态下，能够在不到五分钟内向鸡舍输送150°F（约65.6°C）的空气。

这大约是典型丙烷强制送风炉所需时间的四倍。

如前所述，更长的响应时间导致测试鸡舍的温度波动比配备传统丙烷加热系统的鸡舍更大。

尽管四分钟的响应看起来相对较慢，但我们发现仍可接受。

如果响应再更长，无疑更大的温度波动将导致加热成本增加，因为鸡舍会在加热和冷却模式之间反复切换。

虽然确实存在加热单元在鸡舍环境控制器停止加热指令后并不会立即停止产热的情况，有时会导致鸡舍温度超过设定温度一到两度，但我们发现这一问题可以通过对鸡舍环境控制器参数进行轻微调整来轻松管理。

必须认识到，加热空气输送系统的响应时间对于维持鸡舍温度均匀性同样重要。

尽管两种热量输送系统在将热空气分布到整个鸡舍方面表现良好，但循环风机系统似乎比多孔风管系统能够稍快地将热空气输送到鸡舍各处，从而带来更快的加热系统响应时间，并在时间推移中产生更小的温度波动。

需要注意的是，最初用于从T形风管输送热空气的是较小的1/15 hp（约50 瓦）、18英寸（约45.7 cm）风机，这导致较慢的响应时间和更大的鸡舍温度波动。

如果多孔风管系统配备更大的鼓风机，响应时间可能会更短，从而使鸡舍温度更加均匀。

关键在于，无论来自替代加热系统的热空气是通过风管还是循环风机输送，系统都必须经过合理设计，以确保温度最大程度的均匀性和燃料节省。

总之，我们发现一种使用热空气加热鸡舍的替代加热系统可以被设计成将热空气输送到长500英尺（约152.4 m）的家禽舍。

利用这些系统降低加热成本的关键在于：

拥有一个响应时间快的加热系统；

拥有一个能够迅速将燃烧单元产生的热空气输送到整个鸡舍的热空气分布系统；

具备将热空气导向鸡舍内所需位置的方法；

拥有结构紧密且隔热良好的家禽舍；

以及配备一个能够控制家禽舍加热和通风系统所有环节的现代化环境控制器。

来源：poultry times,UGA