奶牛饮水温度控制系统的设计及应用效果分析

赵学东 朱宸萱 齐 飞 李 浩,4 施正香,4*

(1.中国农业大学 水利与土木工程学院,北京 100083;2.农业农村部设施农业工程重点实验室,北京 100083;3.上海市农业科学院,上海 201106;4.北京市畜禽健康养殖环境工程技术研究中心,北京 100083)

饮用水对奶牛的健康、机体免疫及牛奶的产量极为重要,即使日粮水平差异不大,也可能因为饮水不当造成产奶量下降18%～20%[1-3]。当环境温度过低时奶牛代谢速率降低,且奶牛冬季的日粮配比中青饲料、多汁饲料和青贮饲料的含量相比其他季节有所减少,摄入的干物质量比重增大[4-6],因此低温环境下更应该关注奶牛对自由饮水的摄入。冬季影响奶牛饮水量的一个决定性因素就是饮用水温度,奶牛的饮用水温度如果长期处于0 ℃以下,会造成奶牛瘤胃功能障碍、流产等,从而导致泌乳的异常[7]。因此,在低温环境下确保奶牛适宜的饮水温度,对促进奶牛健康、提高产奶性能有重要意义。

目前奶牛的生产管理中,对奶牛在低温环境中的饮用水温度建议为8～15 ℃[8]。国内外研究结果表明,适宜的饮用水温度对奶牛的生理指标(如直肠温度和呼吸频率)、干物质采食量、饮水量、产奶量均有良性影响[6,9-10]。冬季适当提高饮用水温度,则有助于增加干物质的采食量以及奶牛的体温维持。Boudon等[11]采用8.5 ℃、10～15 ℃的饮用水温度,较1.5 ℃饮用水温度下,奶牛的产奶量分别提高了8.7%和17.7%。Golher等[12]认为,在高海拔温带地区的冬季,给奶牛饮用35～40 ℃的热水不仅有助于保存能量,且能帮助奶牛在冬季保持正常的瘤胃蠕动。Ertugrul等[13]的研究结果表明,在冬季饮用20 ℃的水可使干物质采食量提高6.47%,使产奶量提高9.33%,而饮用12 ℃的水对产奶量无显著影响。

针对饮用水温度的控制问题,目前有研究在冬季采用饮水槽加热的方式[14-15]。例如饮水槽中安装电加热棒等,但这种方式易出现漏电现象,且饮水槽暴露在低温环境中导致保温效果较差[16]。因此,从来源处直接提高饮用水温度更适用于规模化奶牛场。空气源热泵热水系统利用逆卡诺循环工作原理,将空气或者自然环境中的低品位热能收集,转化成高品位热能再释放至水中用以制取热水[17-19]。空气能热水器通过压缩机实现气体热量的搬运来与水箱产生热交换[20],从而达到水箱设置的温度,加热设施与水槽分离更具安全性,与太阳能加热设备相比更具稳定性。

本研究拟设计低温条件下针对规模化奶牛场的饮水加热系统,对比不同饮水温度在不同环境温度下奶牛日均泌乳量的差异,拟合泌乳量曲线并分析影响因素。以期为奶牛场高效、低成本、绿色的饮水系统设计工艺提供理论支持和应用依据。

1.1 热特性分析

为确定供水系统在实际生产中的工作方式,对生产中的热功率损耗以及电加热水槽的热量供给进行研究。电加热水槽的热功率计算主要包括:水体表面与空气的对流热功率损耗(P1)、水体表面积蒸发的热功率损耗(P2)、水体与不锈钢材料的传导热功率损耗(P3),当奶牛电加热水槽所需的加热功率(P)与水槽的总散热功率(P损=P1+P2+P3)相等时达到热平衡,即:

P=P损=METΔ

(1)

式中:M为水体表面积,m2;TΔ为环境温度与水温的差值,℃;E为总平衡散热系数,根据华北地区奶牛场实际情况取经验值E=20 W/(m2·℃)。

以6牛位,水槽内表面积为1.2 m2的饮水器为例。当舍外温度为-10 ℃,水温为10 ℃时,维持水温需要的持续供热功率为P=480 W。进而,在水槽对饮用水加热的状态下,根据热量平衡公式Pt=VCTΔ[21]得:

(2)

式中:V为水体体积,L;C为水的比热容定值,4 200 J/(L·℃);TΔ为加热前后水温温差,℃;t为加热时间,s。

当6头奶牛同时饮水,液面高度为20 cm,水槽内1次存水约0.24 m3,水槽内的水1次可供给饮用的时间为2 min,地下水的供水温度为5 ℃,将饮用水水温在2 min内提高至15 ℃所需的电加热水槽的功率为P=84 kW。

综上,电加热水槽在生产中提供如此大的功率不符合实际,即奶牛需要大量饮水时,仅使用电加热水槽的加热功能制取热水的效率低下。因此本试验采取电加热水槽仅提供保温作用,在对奶牛饮水系统设计时需要使用另外的设备,即空气能热水器对奶牛饮用水的供水温度进行提升。

1.2 饮水温度控制系统组成及布置

本试验所使用的奶牛智能饮水系统包括热水供应、冷水回流、废水回收、供水和回水部分,其中奶牛热水供应部分包括空气能热水主机、热水保温箱、热水供水管道、电加热水槽、冷水回流管道。空气能热水器收集空气中的热能对经由水管进入热水器的冷水进行加热,在供水水箱内设置温度传感器控制冷水与热水配比,并将混合后的热水储存在保温水箱中用于集中供水。当奶牛大量饮水时,管道增压泵将保温水箱中的热水直接输送到奶牛饮水槽中满足奶牛饮水需求。当奶牛停止饮水时,电加热水槽辅助加热维持饮水槽中饮用水的温度,可以保证奶牛24 h饮用到温度为22～25 ℃的热水。牛舍内各水槽中安装有温度传感器,用于采集水槽中饮用水的温度,供水管道末端冷水回流,使用磁阀门与管道内温度传感器相连,当传感器检测管道内水温<15 ℃时,磁阀门自动开启,将管道中的冷水回送至供水箱。试验设计的饮水温度控制系统见图1。

图1 奶牛饮水温度控制系统Fig.1 Drinking water temperature control system for dairy cow

2.1 试验牛舍

试验地点位于北京奶牛中心延庆基地,该牛舍为全封闭牛舍,散栏饲养荷斯坦奶牛。挤奶使用全自动智能挤奶机器人自动记录奶牛编号、挤奶时长、挤奶次数及泌乳量。舍内供水通过地面向下打井的方式取深度170～190 m的地下水,水槽利用水位感应24 h自动上水,内置电加热,外接线至系统主机,以控制奶牛饮用水的温度。

2.2 试验设计

选取同一泌乳牛舍不同区的2组奶牛,记录试验组15头和对照组15头健康状况良好的奶牛在试验期间的整组泌乳情况,并分析试验前后泌乳量变化。为排除泌乳期对奶牛泌乳量的影响,试验组和对照组奶牛开始泌乳时间前后不超过1周,以排除泌乳期对奶牛泌乳量的影响,试验组测量开始时位于泌乳盛期的奶牛占53.3%,对照组占73.3%,其余奶牛均处于泌乳中期。试验时间为2017-10-01—2018-02-08,根据环境温度分为3个试验阶段。

阶段1:试验时间为2017-10-01—2017-10-25,环境温度>15 ℃,为排除奶牛生产性能的差异,在饮水系统运行之前,测试2组奶牛的生产性能。

阶段2:试验时间为2017-10-26—2017-11-24,4 ℃≤环境温度≤15 ℃,开启电加热水槽,加热温度设置为20 ℃。

阶段3:试验时间为2017-11-25—2018-02-08,环境温度<4 ℃,对试验组和对照组同时开启电加热水槽,对试验组开启空气能热水器,加热温度均设置为20 ℃。

3个试验阶段饮水系统工作模式见表1。使用德图仪器国际贸易有限公司生产的TESTO 175-H1温湿度传感器(温度:量程为-40～55 ℃,精度±0.4 ℃,分辨率0.1 ℃;湿度:量程为0～100%,精度±2%,分辨率0.1%)采集试验期间环境气温,在奶牛饮水槽内安装温度传感器测量水槽的饮用水温度,对比试验组与对照组奶牛每天的泌乳量,探究低气温环境下饮用水温度对奶牛泌乳量的影响。

表1 不同试验阶段试验组和对照组的饮用水加热模式Table 1 Heating mode of drinking water with experimental and control groups in different experimental stages

2.3 数据处理

采用SPSS Statistics 22.0方差分析中独立样本T检验法比较各试验组与对照组间差异显著性,以P<0.05为显著性水平,图表使用Excel制作。

3.1 饮水系统不同加热模式对奶牛泌乳量的影响

3.1.1奶牛初始生产性能分析

阶段1期间饮水温度控制系统不工作,试验组和对照组的饮用水温度稳定在15 ℃左右。奶牛泌乳量变化见图2。

图2 阶段1试验组和对照组奶牛日均泌乳量变化Fig.2 Average milk yield per day of dairy cow in experimental and control group in experimental stage 1

在相同的环境温度和饮水温度下,2组奶牛生产性能有所不同,对照组奶牛日平均泌乳量为(43.7±1.7) kg,试验组奶牛日平均泌乳量为(39.9±1.5) kg,对照组奶牛日均泌乳量比试验组高 9.5%,说明对照组奶牛整组的生产性能优于试验组。2组奶牛泌乳量与环境温度均不相关(P>0.05),说明在此阶段的温度条件下,奶牛的泌乳量与环境温度(17.7±2.6 ℃)或饮水温度无关,水温对奶牛的泌乳量没有明显影响。对照组与试验组奶牛泌乳量曲线显著相关(P<0.01),说明2组奶牛的泌乳量变化趋势相同,进一步证明阶段1的环境条件(未进行系统加热)对2组奶牛泌乳量没有明显影响。

3.1.2开启电加热水槽提高水温对奶牛泌乳量的影响

阶段2环境平均温度为(9.2±4.8) ℃,试验组电加热水槽开启,奶牛饮水温度为(15.5±1.9) ℃,在非频繁用水时段水温与环境温度一致;对照组奶牛的饮水温度与环境温度近似,为(8.1±4.6) ℃。

试验组在开启电加热水槽后水温有明显提升(图3(a)),在前期环境温度没有大幅下降时可以将水温控制在17 ℃左右,然而水温始终达不到预设值20 ℃,且后期环境温度较低,电加热水槽对水温的控制能力下降,因此在低温环境下需要进一步引入空气能热水器对水温进行调控。

图3 阶段2试验组和对照组奶牛饮水温度及日均泌乳量Fig.3 Drinking water temperature and average milk yield per day of dairy cow in experimental and control group in experimental stage 2

对照组奶牛泌乳量整体高于试验组(图3(b))。在15 d之前由于试验组水温可以维持在17 ℃左右,该组奶牛泌乳量较对照组稳定,尤其是5～13 d这一阶段。对比本阶段温度曲线和奶牛泌乳量曲线可知,环境温度发生突升或突降现象时,奶牛的泌乳量均会受到影响,说明奶牛泌乳行为受环境突变的影响大,奶牛对环境温度变化较为敏感。后期随着环境温度的起伏式下降,电加热水槽无法持续提供加热,试验组和对照组的奶牛泌乳量均呈现明显波动。试验组和对照度奶牛日均泌乳量与环境温度都在P<0.01水平上呈显著相关,说明本阶段当试验组奶牛仅通过电加热水槽提高饮水温度而不引入热水源,奶牛的泌乳量会受环境温度的影响。阶段2中2组奶牛的泌乳量整体都呈下降趋势,除了环境温度这一因素还有很多可能的原因,比如奶牛机体需要额外的能量使饮入的水升温,从而影响奶牛的部分营养代谢,或者较低的饮用水温度使奶牛饮水量降低[22-23]。因此,仅用电加热水槽为奶牛饮用水提供加热而无热水源,饮用水的温度无法维持在较高水平,对奶牛生产性能的提高无作用。

3.1.3恒温模式下水温对奶牛泌乳量的影响

阶段3试验组运行饮水加热系统,即开启空气能热水器和电加热水槽分别实现供水加热和饮用水保温功能,可供给温度为(22.9±1.4) ℃的饮用水;而对照组仅开启电加热水槽为该组奶牛供给(13.9±1.8) ℃的饮用水。

图4示出2组奶牛在低温环境下长期饮用不同温度的饮用水后的泌乳量随时间的分布以及基本趋势线。对照组奶牛的泌乳量随环境温度的降低呈波动且整体下降趋势,而试验组奶牛的泌乳量随环境温度降低无明显下降,日均泌乳量基本趋于稳定。其中,12月23日(阶段3第28 d)和次年1月8日(第44 d)环境温度有大幅降低,对照组的奶牛泌乳量均下降且后续几天持续大幅波动,而试验组的奶牛泌乳量未受到较大影响。这说明在环境温度发生变化时,试验组奶牛的快速适应能力优于对照组,为奶牛供给更高温度的饮用水有利于增强奶牛对环境变化的适应能力。而试验组在12月30日(第35 d)泌乳量骤降骤升,可能的原因是试验组奶牛周围的其他环境因素如声、光或者人为原因使其产生短暂应激,说明影响奶牛泌乳量的因素很复杂,环境温度是其中一个重要因素但不是决定性因素[24-26]。对比试验期间温度变化和奶牛泌乳量的变化,对照组奶牛泌乳量随环境温度变化显著(P<0.01),试验组奶牛泌乳量随环境温度变化不显著(P>0.05),说明奶牛在低气温环境中长期饮用22～25 ℃的热水可以减少环境温度对奶牛生产性能的影响。

图4 阶段3试验组和对照组奶牛的日均泌乳量及变化趋势Fig.4 Average milk yield per day and variation trend of dairy cow in experimental (a) and control group (b) in experimental stage 3

3个试验阶段整体泌乳量对比见图5。阶段1、阶段2和阶段3试验组奶牛的日均泌乳量为(39.9±1.5)、(38.0±1.9)和(37.6±1.2) kg,对照组奶牛的日均泌乳量为(43.7±1.7)、(41.7±2.1)和(37.2±2.7) kg。由于饮用水加热系统的使用,试验组奶牛的泌乳量随环境温度的降低略有下降,而对照组奶牛的泌乳量随环境温度的降低则有明显的降低,试验组在阶段3较小的标准差也同时证明了试验组奶牛较对照组更稳定的生理状态和更强的适应能力。试验组奶牛初始泌乳量较对照组低,经过3个阶段的试验,最后试验组的日均泌乳量高于对照组,说明低温环境下提高奶牛的饮用水温度可以保证其生产性能不会大幅降低。

图5 3个试验阶段的奶牛整体泌乳量Fig.5 Overall milk yield of dairy cow in the three experimental stages

3.2 饮水温度对不同泌乳期奶牛泌乳量的影响

本试验周期较长,随着试验阶段的推进,试验奶牛也在转变泌乳期。荷斯坦奶牛的泌乳量随泌乳期变化,泌乳第4周开始至17周划分为泌乳盛期,18周开始至30周为泌乳中期,31周开始至干奶期为泌乳后期,处于泌乳盛期的奶牛日均泌乳量在最高产奶量80%及以上,转入泌乳中期后泌乳量随泌乳时长呈平稳下降趋势,至泌乳后期变化及波动较大[27-28]。为排除试验组和对照组奶牛的泌乳期对试验结果的影响,试验组和对照组按照产犊时间前后不超过1周的原则选择奶牛。如图6(a)所示,对照组泌乳量明显下降,对其进行线性拟合可得,线性拟合度较高,说明对照组奶牛的平均泌乳量稳定下降,平均每7天下降约0.45 kg;而试验组奶牛的7日平均泌乳量在试验期间为(37.3±0.6) kg/d,随试验周期变化差异小。试验期间对照组奶牛的泌乳量与试验周数呈显著负相关(P<0.01),说明在低温条件下为奶牛提供22～25 ℃的热水能有效提高奶牛生产性能,对提高奶牛生产经济效益有极大作用。

图6 试验组和对照组奶牛7日平均泌乳量Fig.6 Milk yield per 7 days of dairy cow in experimental and control group

进一步探究提高饮用水温度对不同泌乳时期奶牛的作用效果,将7组奶牛按泌乳周龄划分为泌乳盛中期和泌乳中后期,分别对比试验组和对照组奶牛泌乳量在试验周期内的变化,分析泌乳盛中期和泌乳中后期的泌乳量分布,发现饮水温度对泌乳盛中期的奶牛影响较泌乳中后期大。如图6(b)所示,处于泌乳盛中期的奶牛,对照组在试验期日均泌乳量与试验周数显著相关(P<0.01),日均泌乳量按线性分析以每7天下降0.83 kg的速度降低。试验组奶牛泌乳量未出现明显下降,7日平均泌乳量维持在(37.0±0.9) kg/d,波动较小。处于泌乳中后期奶牛的泌乳量与周数没有显著线性关系,对照组与试验组在试验期内7日平均泌乳量分别为(37.8±1.2)和(37.6±0.7) kg/d,较小的标准差说明泌乳中后期的试验组奶牛的泌乳量相对于对照组更稳定。因此,泌乳盛中期的奶牛受到饮水温度影响更大,原因可能是奶牛在泌乳盛期营养代谢更加活跃,所需饮水量更大,过低的饮用水温度导致饮水量下降,进而影响食欲[29-31],因此泌乳盛期的奶牛对饮用水温度更敏感。根据对照组与试验组奶牛盛中期、中后期泌乳量的对比,提高奶牛饮用水温度对增强处于泌乳盛中期的奶牛生产性能效果尤其显著,对处于泌乳中后期奶牛泌乳量有维持稳定的作用。

3.3 经济性分析

试验中空气能热机提供的热水温度为55～65 ℃,设定供水箱和电加热水槽的供水温度为20 ℃。记录水槽中实际存放的饮用水在不同的气温环境中、不同实际用水温度以及不同控温方式的温度,结果见表2。在冬季低温环境中,该饮水控制系统可以有效地使奶牛频繁饮水时段饮用水温度维持在22～25 ℃,在非频繁饮水时段维持饮用水最低温度在15 ℃,24 h为奶牛供给热水。

表2 不同环境温度、加热方式和保温方式下的饮用水温度Table 2 Temperature of drinking water under different conditions

空气能热水器能够通过吸热工质获取空气热源,消耗的电能仅仅是压缩机用来吸收空气能源所用的能量,如0 ℃环境下,额定输入功率为15 kW,制热功率为12 kW,因此热效率比电加热水槽、锅炉等都高[32]。对比不同加温保温模式下的耗电量,奶牛场应采取的管理方式是在低气温环境中开启电加热水槽并设置温度为15 ℃,日耗电量约19～23 kWh。

调试中结合使用设置为25 ℃的空气能热水器和设置为15 ℃的电加热水槽,饮水系统日耗电量为20～25 kWh,启用此饮水加热系统供给约24头奶牛约增加日耗电量0～6 kWh,按照北京养殖场的电费0.725元/kWh,每日每头奶牛增加电力成本为0～0.8元。

本研究针对规模化奶牛场设计了饮水温度控制系统,探究了3个试验阶段(阶段1,环境温度>15 ℃;阶段2,4 ℃≤环境温度≤15 ℃;阶段3,环境温度<4 ℃)下饮水温度对奶牛泌乳量的影响,并分析了提高饮水温度对不同泌乳期奶牛泌乳量的促进作用,主要结论如下:

1)低温环境下为奶牛供给22～25 ℃的热水后,奶牛全群平均泌乳量随环境温度变化不显著(P>0.05),而饮用温度为12～15 ℃的水后奶牛全群平均泌乳量随环境温度变化显著(P<0.01),说明饮用22～25 ℃的热水能够减少环境温度变化对奶牛生产性能的不利影响,有助于提高奶牛的生产稳定性,增强奶牛生产性能。

2)低温下,奶牛饮用水温度为12～15 ℃时,日均泌乳量平均每7天下降0.45 kg,将饮用水温度提高至22～25 ℃后奶牛泌乳量维持稳定。在低温条件下升高奶牛饮用水温度能在一定程度上提高奶牛生产性能,对处于泌乳盛中期的奶牛生产性能影响尤其显著,对处于泌乳中后期奶牛泌乳量有维持稳定的作用,有助于提高奶牛生产经济效益。

3)本研究设计的奶牛饮水温度控制系统能够使奶牛频繁饮水时段饮用水温度维持在22～25 ℃,仅开启电加热水槽后奶牛泌乳量无显著变化,同时开启热水器能显著提高奶牛生产效率。启用此饮水加热系统每日每头奶牛增加电力成本为0～0.8元。

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