赵娟娟，车大璐，赵寿培，王 媛，郝赞艮，张伟涛，高玉红*

(1.河北农业大学 动物科技学院，河北 保定 071001；2.衡水志豪畜牧科技有限公司，河北 衡水 053400；3.康地饲料添加剂(天津)有限公司，天津300270；4.河北省畜牧总站，河北 石家庄 050035)

羊舍的建筑结构影响羊群的生产和繁殖性能，尤其是羊舍的外围护结构直接影响其保温隔热性能，并与舍内的温热环境密切相关[1]，合理的外围护结构可减少夏季外界热量的传入和冬季舍内热量的散失。一般情况下，羊具较强的耐寒性，但长期处于低温环境的羊群也会引起机体热量的大量散失，导致机体产热量增加，进而引起日粮能量的利用率降低[2]。近年来随着高效健康的羊产业发展趋势，舍饲半舍饲的饲养模式已经逐步成熟，这无疑对羊舍外围护结构的保温隔热性能提出了更严格的要求，但目前相关研究很少。鲁煜建等[3]通过增加牛舍围护结构的热阻以减少舍饲牛的冷应激；赵婉莹等[4]通过改进牛舍的建筑材料以提高围护结构热阻值。已有研究认为，墙体和屋顶选择不同的建筑材料、不同的厚度，其保温隔热效果不同。牛舍屋顶采用传热系数为1.0 W/(m2·K)和6.3 W/(m2·K)的材料时，舍内外温度差相差1～1.8 ℃。当舍外温度为-20 ℃时，墙壁厚度分别为 24、37 和 50 cm 的牛舍内最低温度分别为-6.97、-2.03 和 5.57 ℃[5]。本试验通过对冬季4种建筑类型羊舍的外围护结构热阻、表面温度和舍内温度进行检测及相关性分析，为羊舍建筑设计提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验羊舍选择

本试验于2019年12月份于河北省衡水市武邑县某规模化羊场进行，选择该场4栋不同建筑类型的羊舍，对羊舍的外围护结构表面温度和舍内的温湿度进行同期检测。饲养品种均为杂交小尾寒羊。羊舍的建筑特点和饲养情况如表1所示。

表1 羊舍建筑特点

1.2 温湿度检测

1.2.1 外围护结构内表面温度测定 采用红外测温仪(FLUKE F568-2)对所选4栋羊舍的外围护内表面(屋顶两坡、墙体4个侧面和地面料道两侧)温度进行测定，检测时间为每天的早(7:00-8:00)、午(12:00-13:00)和晚(16:00-17:00)，选择3个晴天连续测量，间隔15 d，检测周期为2个月。对外围护结构的内、外墙体表面温度检测时，测点选择每栋舍内长轴方向的3个截面，每个截面均匀设置16个点(A1，A2，A3，B1，……E，F)，两侧山墙各布置8个点(G1……G8，H1……H8)，舍外各侧墙体的测点与舍内重合，测点分布如图1所示。

图1 红外测温仪测量点分布图

1.2.2 舍内环境温湿度测定 各羊舍中央分别悬挂3个温湿度记录仪(KTH-350-I，法国)，悬挂高度(探头距地面的垂直距离)1.5 m，记录羊舍内外温度和相对湿度每天24 h的连续变化，每间隔 0.5 h记录一次数据。连续2个月，检测结束后导出数据，绘制温度和相对湿度的昼夜连续曲线图。

1.3 外围护结构保温隔热性能参数测定

1.3.1 墙体与屋顶总热阻 根据文献[6]中规定的多层匀质材料总热阻的公式，计算羊舍的墙体和屋顶总热阻：

(1)

式中:R0为总热阻；Rn、R和Rw分别为墙体与屋顶内表面、中间及外表面的变换热阻，单位为(m2·K)/W；an为墙体与屋顶内表面的换热系数，冬季取8.7 W/(m2·K)；aw为墙体与屋顶外表面的换热系数，冬季取23.3 W/(m2·K)；δ1、δ2和δ3分别为材料厚度；λ1、λ2和λ3分别为材料的导热系数，烧结砖的导热系数为0.58 W/(m·K)，水泥砂浆的导热系数0.93 W/(m·K)，聚苯乙烯彩钢夹芯板的导热系数为0.035 W/(m·K)，彩钢板的导热系数为58.2 W/(m·K)，采光板的导热系数为0.52 W/(m·K)。

1.3.2 墙体与屋顶的热惰性 按文献[6]所示多层匀质材料的热惰性公式，计算墙体和屋顶的热惰性：

D=R×S

(2)

D=D1+D2+D3+……+Dn

(3)

式中:D为墙体与屋顶的热惰性指标；R为各材料层的热阻；S为材料层的蓄热系数，其中烧结砖的蓄热系数为7.92 W/(m2·K)，水泥砂浆的蓄热系数为11.37 W/(m2·K)，聚苯乙烯彩钢夹芯板的蓄热系数为0.37 W/(m2·K)，彩钢板的蓄热系数为126 W/(m2·K)，采光板的蓄热系数为9.25 W/(m2·K)；D1，D2，D3……Dn为各层材料的热惰性指标。

1.3.3 墙体与屋顶的低限热阻值 根据《民用建筑热工设计规范GB 50176-2016》[6]中低限热阻的公式，计算墙体和屋顶的低限热阻[7-8]，计算公式如下：

(4)

(5)

式中:Rmin·w和Rmin·r分别为墙体和屋顶的低限热阻；ti为冬季舍内计算温度，单位为℃，舍内计算温度ti=10 ℃。te为舍外计算温度，单位为℃，冬季舍外计算温度te可根据围护结构的热惰性指标D值的不同进行取值(见表2)。Δt为舍内计算温度与外围护结构内表面温度的允许温差，墙体和屋顶的允许温差分别为Δtw=ti-td=3.37 ℃，Δtr=0.8×(ti-td)=2.70 ℃[9]，其中td为露点计算温度，根据温湿度可推算出td=6.63 ℃;Ri为围护结构内表面换热阻，取0.115(m2·K)/W；Re为围护结构外表面换热阻，取0.043(m2·K)/W。

表2 冬季舍外计算温度

1.4 数据处理

采用 SPSS 19.0对数据进行单因素方差分析和Duncan氏法多重比较。以P<0.05为差异显著，数据均以平均值±标准误来表示。

2 结果与分析

2.1 不同建筑类型羊舍外围护结构保温隔热性能参数的比较

由表3可见，有窗密闭舍1墙体和屋顶的热惰性均高于其他3栋舍。一般而言，热惰性越大，围护结构的热稳定性越好。根据畜舍的保温要求，畜舍外围护结构的总热阻R0>低限热阻Rmin。各舍墙体的总热阻均高于冬季低限热阻，符合保温设计要求；除了单彩钢屋顶(舍4)，其他3种舍屋顶的总热阻高于冬季低限热阻，基本符合设计要求。

表3 不同建筑结构羊舍保温隔热性能参数的比较

2.2 不同建筑类型羊舍环境温湿度的昼夜连续变化

从图2可以看出，不同建筑类型羊舍的温度变化存在一定差异。与舍外温度比较，4栋舍的昼夜温差远低于舍外，舍外的温度变化较大，其日温差高达20.78 ℃。4栋舍中，有窗密闭舍1的昼夜温度变化较小，其范围为4.70～7.42 ℃(平均6.03 ℃)，且每天24 h各时刻温度均高于其他3栋舍，日均温分别比其他舍高4.35 ℃(舍2)、4.39 ℃(舍3)和6.34 ℃(舍4)。半开放舍4温度的日变化最大，为-3.70～5.27 ℃，且舍4温度处于零下的时间每天长达约15 h。

图2 不同建筑类型羊舍环境温度的变化曲线

从图3可以看出，不同建筑类型羊舍的相对湿度变化也存在一定差异。与舍外比较，4栋羊舍的湿度昼夜湿差变化较小，为55.76%～85.35%，远低于舍外的昼夜湿差(61.57%)。4栋舍中，有窗舍1的湿度最高，平均为81.95%，其他3栋舍的平均湿度分别为74.69%(舍2)、75.43%(舍3)和72.52%(舍4)。

图3 不同建筑类型羊舍环境湿度的变化曲线

2.3 不同建筑类型羊舍外围护结构的内表面温度变化

由表4可见，有窗舍1屋顶内表面温度最高，而单彩钢舍4屋顶温度最低，尤其是早、晚两个时段，舍1屋顶温度显著高于其他3栋舍(P<0.01)，而舍4屋顶温度显著低于其他3舍(P<0.01)。从地面和墙体内表面温度看，不同舍间的均温差异均达显著水平(P<0.05)，其中舍1温度最高，舍4温度最低。舍1地面和墙体的温度显著高于其他3栋舍(P<0.01)，舍2和舍3地面和墙体内表面均温无显著差异(P>0.05)，且舍1各时间段墙体内表面温度显著高于其他3舍(P<0.05)。

表4 不同建筑类型羊舍不同时间段的外围护结构内表面温度

2.4 舍内环境温度与外围护内表面温度之间的相关性

羊舍的舍温与外围护各结构内表面温度之间的相关性如表5所示。3个时间段中，中午所有舍的舍温与各围护结构(屋顶、墙体和地面)内表面温度间均表现出显著相关性(P<0.05)(舍2屋顶和地面除外)；4栋舍中，有窗舍1和单彩钢舍4的舍温与各围护结构温度之间均表现出显著相关性(P<0.05)(舍1的晚上屋顶、早上地面以及舍4的早晚屋顶除外)。

表5 舍内环境温度与外围护结构内表面温度间的相关性

3 讨 论

羊舍的建筑类型对舍内温热环境起着重要作用[10]。一般情况下，舍内的环境温度随外界温度的变化而变化，但舍温的高低也与外围护结构保温隔热性能密切相关。本研究中羊舍的外围护结构内表面温度与舍温表现出显著的相关性，最高可达0.952(半开放舍屋顶)，尤其是中午，几乎所有舍的舍温与屋顶、墙体和地面均表现出较强的相关性。另外，屋顶材料与舍的密闭性直接影响围护结构内表面温度和舍温，本文中有窗密闭舍和单彩钢半开放舍的各围护结构内表面温度与舍温显著相关。

已有报道认为，绵羊的最适温度为-3～23 ℃，等热区为21～25 ℃[11]。本研究中有窗密闭舍、花砖墙舍、卷帘舍和半开放舍的日均温分别为6.03 ℃、1.68 ℃、1.63 ℃和-0.32 ℃，但部分羊舍早晚温度过低，需要加强外围护结构的保温性能。一般情况下，冬季不设保温设施的舍内热量来源于家畜的产热和舍外的传入热，而舍内的热量散失主要通过外围护结构和通风[3，12]，所以外围护的建筑材料和结构在畜舍建筑设计中非常重要。已有研究表明，墙体在冬季所散失的热量是畜舍总散热量的35%～40%[13]。本研究中，4栋舍的墙体(砖+水泥砂浆)总热阻均高于冬季低限热阻，基本符合保温设计要求，且有窗密闭舍的墙体厚度(240 mm砖墙+30 mm水泥层)大于其他舍(240 mm砖墙+20 mm水泥层)，使总热阻值提高了0.011(m2·K)/W，从而提高了有窗密闭舍的保温性能。从所测4种类型羊舍的环境温度和内表面均温发现，所有羊舍外围护结构的内表面温度均于早晨最低，随着环境温度的增加，外围护结构的内表面温度和舍内温度也随之增加。除了建筑类型，外围护结构材料也对内外表面温度有很大影响，尤其是屋顶[14]。一般情况下，屋顶往往选用导热系数小的材料，以缓解夏季外界热量的传入和冬季舍内热量的散失。本研究中，有窗密闭舍、花砖墙舍和卷帘舍屋顶均采用聚苯乙烯夹芯复合彩钢板，半开放舍屋顶采用单彩钢板，而聚苯乙烯夹芯复合彩钢板的蓄热能力高于单彩钢板，导致单彩钢屋顶的总热阻低于低限热阻，其达不到保温设计要求。因此，单彩钢屋顶舍早、午、晚的屋顶温度均低于其他3栋舍(复合彩钢板屋顶)，这与邓利军等[15]研究一致，说明采用聚苯乙烯彩钢夹芯板作为保温材料时，其保温隔热效果更好些，同时也说明屋顶的保温材料对于羊舍的保温起着积极的作用。花砖舍和卷帘舍与有窗密闭舍的屋顶、墙体的总热阻大致相同，但由于花砖舍和卷帘舍的密闭性较差，通风量大于有窗密闭舍，因此羊舍内的热量通过窗户、门散失比较高。洪小华等[16]研究认为，棚舍易遭受风、雪等外界环境因素的影响，从而不能形成稳定的小气候，导致舍内的温度难以控制。在外围护结构中地面失热最少，但是羊只直接接触地面，因此地面也发挥着不可忽视的作用。本研究中，有窗密闭舍地面设有保温板，温度显著高于其他3栋舍。由于有窗密闭舍的密封性较好，再加上舍内通风不良，从而导致舍内湿度增加，每天约16.5 h湿度超过80%，已超出国标(NY/T 388-1999)，而其他3栋舍湿度相对较低。寒冷季节舍内湿度较高会加快动物体热量的散失，造成机体能量的损失，同时有助于细菌的繁殖[17]。因此，有窗密闭舍可适当打开门窗，既可去除大量湿气，又可达到一定的通风效果。

4 结 论

羊舍外围护结构的内表面温度直接影响舍内的环境温度，外围护结构的内表面温度与外围护结构热阻密切相关，复合彩钢板屋顶的羊舍墙体和屋顶总热阻高于冬季低限热阻，符合保温设计要求，但单彩钢舍的屋顶热阻则达不到保温要求。复合彩钢板有窗密闭舍的屋顶、墙体和地面温度最高，日均温最高，而单彩钢半开放舍各围护结构的内表面温度和日均温均最低。