寒区奶牛场太阳能热水工程和电热水槽的应用效果硕士学位论文.docx

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寒区奶牛场太阳能热水工程和电热水槽的应用效果硕士学位论文

硕士学位论文

寒区奶牛场太阳能热水工程和电热水槽的

应用效果

ClassifiedIndex：

Code：

10224

Confidential（yes/no）：

NO：

1005328

DissertationfortheMasterDegree

ApplicationEffectofSolarWaterHeatingSystemsEngineeringandElectricHeatingTroughforDairyFarminColdRegion

Candidate:

XingQiming

Supervisor:

Prof.LuanDongmei

DegreeCategory:

MasterofAgriculture

College:

NortheastAgriculturalUniversity

Firstleveldiscipline:

Animalhusbandry

Secondleveldiscipline:

LivestockSystemManagement

HarbinChina

June2013

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

CONTENTS

3.3Feedintakeandwaterintakeofcows25

独　创　声　明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

（注：

如没有其他需要特别声明的，本栏可空）或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

　　学位论文作者签名：

　日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。

本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

（保密的学位论文在解密后适用本授权书）

学位论文作者签名：

日期：

年月日

导　师　　签　名：

日期：

年月日

摘要

为改善黑龙江省冬季奶牛养殖的福利状况，提高奶牛的生产性能，本试验测定和评价了寒冷地区奶牛舍的环境状况，并通过安装太阳能热水工程和电热水槽来进行对比试验，研究饮水温度对奶牛生理机能和生产性能的影响。

试验结果表明：

（1）试验牛舍均出现低温高湿且有害气体浓度大的现象，未能满足奶牛的最佳生长环境。

建议加强外围护结构的保温效果和采用在舍内设专用进气口和屋顶排气管来增加舍内的通风换气量；

（2）与饮用2.2℃的冷水相比，奶牛饮用7.9和9.6℃的温水时，日采食量显著提高了3.6和4.2kg（P＜0.05），日饮水量显著提高了9.2和11.6L（P＜0.05），日产奶量分别提高了1.0和1.8kg，但差异不显著（P＞0.1），乳脂率提高了0.05%和0.14%，但差异不显著（P＞0.05），乳蛋白和体细胞数则几乎没有变化；（3）与饮用2.2℃的冷水相比，奶牛饮用14.6℃的温水，日采食量显著提高了4.6kg（P＜0.05），日饮水量显著提高了11L（P＜0.05），日产奶量显著提高了2.6kg（P＜0.1），乳蛋白显著提高了0.22%（P＜0.05），乳脂率提高了0.16%，但差异不显著（P＞0.05）；（4）饮水温度对奶牛的呼吸频率和体表温度没有显著的影响；（5）使用太阳能热水工程、奶牛饮用14.6℃的温水时，每头牛每天增加效益9.27元；使用电热水槽、奶牛饮用7.9℃的温水时，每头牛每天增加效益3.64元；（6）与电热水槽相比，太阳能热水工程是一种高效、节能、环保的饮用水加热方式，应用在寒冷地区的规模化奶牛场，可以带来可观的经济效益，值得大力推广。

关键词：

牛舍；奶牛；饮水温度；生产性能；经济效益

ApplicationEffectofSolarWaterHeatingSystemsEngineeringandElectricHeatingTroughforDairyFarminColdRegion

Abstract

InordertoimprovethewelfareofthedairycowandtoincreaseproductionperformanceofdairycowduringwinterinHeilongjiangProvince,anexperimentwasconductedtodetermineandevaluatetheenvironmentofcowhouse,andtoresearchtheinfluenceofthewatertemperatureonphysiologicalfunctionandproductionbyusingsolarwaterheatingsystemsengineeringandelectricheatingtrough.Theresultsshowedthat:

（1）Acommonphenomenonwaslowertemperature,highhumidityandhighconcentrationofharmfulgasesinallcowhouses,andthatcouldnotmeettheoptimumenvironmentforthegrowingofcow.Itissuggestedthattheinsulationofcowhouseshouldbestrengthenedandspecialairinletandairoutletflueshouldbeusedinordertoincreaseventilationofcowhouse.

（2）Comparedwithdrinking2.2℃warmwater,whenwatertemperaturewas7.9℃and9.6℃respectively,dailyfeedintakeincreaseby3.6and4.2kg（P＜0.05）,dailywaterintakeincreasedby9.2and11.6L（P＜0.05）,dailymilkproductionincreasedby1.8and1.0kg（P＞0.1）,andbutter-fatincreasedby0.14%and0.05%（P＞0.1）,buttherewasnosignificanteffectonlactoproteinandSCC.（3）Comparedwithdrinking2.2℃warmwater,whenwatertemperaturewas14.6℃,dailyfeedintakeincreaseby4.6kg（P＜0.05）,dailywaterintakeincreaseby11L（P＜0.05）dailymilkproductionincreasedby2.6kg（P＜0.1）,lactoproteinincreasedby0.22%（P＜0.05）,butter-fatincreasedby0.16%（P＞0.05）.（4）Therewerenosignificanteffectofwatertemperatureonrespiratoryfrequencyandsurfacetemperatureofdairycows.（5）Whensolarwaterheatingsystemsengineeringwasusedand14.6℃warmwaterwasofferedtodairycow,￥9.27/dcouldbeobtainedforeverycow,andwhenelectricheatingtroughwasusedand7.9℃warmwaterwasofferedtodairycow,￥3.64/dcouldbeobtainedforeverycow.（6）Comparedwithelectricheatingtrough,solarwaterheatingsystemsengineeringwasanefficient,energyconservationandenvironmentallyfriendlywayofwaterheating,anditwouldbeprofitablewhenitwasusedinintensivedairyfarmincoldregion,anditwouldbeworthpromoting.

Keywords:

cowhouse;dairycow;watertemperature;productionperformance;economicbenefit

Candidate:

XingQiming

Speciality:

LivestockSystemManagement

Supervisor:

Prof.LuanDongmei

1前言

1.1黑龙江省奶牛业的现状与发展

改革开放以来，随着我国畜牧养殖业的发展和农业机械化水平的不断提高，奶牛产业已经成为发展国民经济的重要产业之一。

作为奶牛产业的主产品—牛奶的消费水平也日益增高。

而奶业的健康平稳发展，对于改善人民膳食结构，提高全民素质，推动国民经济增长，优化农村产业结构和协调城乡发展，都具有十分重要的意义。

奶牛养殖业是生产环节多，周期长，产业关联度高的大型畜牧行业。

我国是世界上的养牛大国，2004年的存栏量近1.35亿头，其中奶牛存栏量约900万头，位居世界第五位[1]，到2010年达到1600万头，已成为世界第三大产奶国，仅次于美国、印度[2]。

我国奶牛养殖业正处于快速、健康的增长期，必将朝着质量型、稳定型、集约型、节粮型的绿色畜牧业目标迈进。

图1-1近年来我国奶牛存栏量的变化趋势

Fig.1-1ChangetrendofChinesecow’amountinrecentyears

1.1.1黑龙江省奶牛产业的发展现状

黑龙江省是全国奶牛存栏量超过百万头的大省，存栏量、鲜奶产量及乳制品产量均列全国前三位。

2010年黑龙江奶牛存栏量为239万头，比2003年的120万头增长近一倍。

经过多年发展，黑龙江省奶牛业已经基本形成“一区两带”的区域化发展格局：

中部奶牛主产区，西部奶牛生产带和东部奶牛开发带。

其中奶牛主产区以双城、肇东、安达、杜蒙和富裕县为主；西部奶牛生产带以滨州铁路沿线的十几个大型牧区，如大庆林甸、甘南、讷河等为主体，这一生产的确立，成为了全省最大的奶牛繁育基地；东部奶牛开发带以海林、密山、东宁等十几个山区为主体，充分发挥草原生态环境的优势，大力发展绿色健康奶，建成全省最大的优质奶源基地。

此外，黑龙江省在大力发展本省知名乳制品企业，如完达山、龙丹、红星的同时，引进国内外先进企业，如蒙牛、伊利、雀巢等，推动生产方式向着规模化、标准化、专业化、产业化发展。

图1-2近年来黑龙江省奶牛存栏量统计

Fig.1-2StatisticsofcowvolumeinrecentyearsinHeilongjiangProvince

1.1.2黑龙江省奶牛产业发展的优势

黑龙江作为全国的畜牧大省，在奶牛养殖产业有着得天独厚的发展优势，主要体现在自然和社会资源、行业管理服务以及政府政策等方面。

黑龙江省幅员辽阔，总面积约45.4万平方公里，可利用土地面积居全国之首，总耕地面积和可开发的土地后备资源均占全国十分之一以上，农民人均经营耕地达到全国平均水平的3倍。

全省现有耕地990.5万公顷，面积广阔且土壤肥沃，有机质含量高，适合大规模种植青贮玉米，水稻，小麦等农作物。

另外，黑龙江省草原面积达433万公顷，是禾本科牧草，（如羊草、苏丹草、无芒雀麦等）和豆科牧草，（如苜蓿、草木樨等）的主要产地，草质优良、营养价值高，为畜牧业的发展提供了充足、优质的物质基础。

黑龙江省是著名的老工业基地，同时又是全国的农业大省，社会经济基础好，生产者群体素质高，农户人均收入潜力较高，自筹资金能力强，交通便利，为奶牛业的大发展提供了良好的社会经济环境。

在行业管理方面，黑龙江省有从业人员近万人，拥有省、市、县和乡畜牧技术服务体系。

市、县有畜牧服务中心，乡镇和村屯有畜牧综合服务室，可为养奶牛户提供从良种繁育、防疫灭病、饲料生产到科学饲养管理等一系列技术服务。

全省奶牛采用特一级企业生产的精液进行人工授精配种，从国外引进优良荷斯坦奶牛进行纯种繁育以及与地方黄牛进行杂交并长期选育，部分地区建立奶牛品种改良中心，利用先进的胚胎移植技术获得大量的良种后代。

奶牛饲料实行科学配方，秸秆等粗饲料均经加工、青贮后喂饲。

黑龙江省还定期组织进行大规模防疫工作，给奶牛产业的健康发展提供了有力的保障。

为促进黑龙江省奶牛业的迅速发展，从2008年开始，国家出台多项扶持奶牛业发展的补贴政策，小到冷冻精液的选取，大到农业机械的采买，加大力度促进黑龙江省畜牧业的发展，力争把畜牧业建成黑龙江省农业经济的“半壁江山”，近年又提出加快发展，振兴奶业，对黑龙江省农村经济产业结构进行战略性调整的重大决策，制订了《黑龙江省千万吨奶工程规划》，并出台了建设奶站、青贮饲料地、资金投入等一系列振兴奶业的扶持政策。

1.1.3黑龙江省奶牛产业发展的制约因素

虽然黑龙江省奶牛产业发展的优势和潜力巨大，但也面临着严峻的考验。

限制黑龙江奶牛业发展的主要因素有生产方式落后、技术体系不完善、冬季环境恶劣、管理水平低等。

黑龙江省奶牛养殖业仍处于较低水平，“小、散、低”的局面没有扭转，养殖的粗放性问题没有得到根本解决。

虽然黑龙江省的奶牛存栏数目巨大，但饲养规模小，且分散在千家万户，生产专业化程度低。

据调查，黑龙江省奶牛饲养的主体，散户占70%以上，如黑龙江奶牛养殖工厂化程度比较高的农垦八五一一农场，奶牛存栏量接近15000头，但散户饲养就超过了10000头[3]，而且在黑龙江省，散户奶牛的养殖规模也很小，一般在3~5头，很少超过10头，生产方式也很落后，绝大多数的散户还是采用人工饲喂，人工清粪的生产方式，毫无生产效率可言。

由于规模小，生产方式和设施又落后，奶农的经济效益很差，往往会出现“卖了奶的钱刚够买饲料”的情况，由于本身资金少，积蓄能力又弱，就会影响奶农持续发展的能力。

黑龙江奶牛产业技术体系不完善主要表现在饲料加工、疾病防治和粪便处理等方面。

目前黑龙江省很多养殖户仍用农作物秸秆作为粗饲料喂牛，青贮、苜蓿等高品质粗饲料缺少，致使精粗比严重失衡，无法满足奶牛的营养需要。

在疾病控制方面，据调查，黑龙江省42%的养殖户一年内奶牛发生过肢蹄病、布病和乳房炎等疾病。

饲养设施条件的简陋和管理水平的低下，加之养殖户对奶牛疾病防控意识的淡薄，使奶牛发生疾病的机率增加，严重影响奶牛的健康和生产性能。

粪便处理是奶牛饲养过程中出现的又一问题，由于黑龙江省奶牛养殖分散且生产化程度低，大部分奶牛养殖户缺少良好的清粪排尿系统，对粪便的利用率低，同时造成了生态环境的破坏，严重制约着奶牛养殖业的可持续发展。

寒区的奶牛养殖业发展受季节影响很大，冬季奶牛的环境和饲养管理工作存在很多问题。

黑龙江地处我国最北部，冬季漫长而寒冷，冰冻期长达5个月，平均气温为-19℃，平均相对湿度为70%，一月份气温最低，为-30.9℃~-14.7℃。

外界空气温度低，对舍内小环境造成很大的影响，冬季牛舍平均温度都在零下，很多牛场管理不善，舍内温度达到零下十几度，甚至更低。

泌乳牛生长的最适宜温度为16~20℃，泌乳牛舍温度高于24℃或低于-4℃，会使产奶量下降[4]。

陈林（2009）通过测定中国西北地区肉牛舍内环境指标表明，冬季牛舍内-9.6℃的平均温度很难满足肉牛的生长要求[5]。

奶牛虽然比较耐寒，但在低温的环境下，会表现为食欲增加，生长停滞，代谢增加，饲料转化率下降[6]，如果环境温度持续低于下限临界温度，对牛的健康及其不利，年龄大的牛还可能发生僵硬甚至冻死的现象[7]。

为了保证牛舍内的温度不低于冰点，确保水槽不冻冰和清粪工作的顺利进行，寒冷地区冬季时牛舍往往封闭较严密[8]，于是新的问题就会产生——牛舍的通风严重不足，舍内通风效率低，通风不均匀，使得舍内水汽、污染物不能及时排出，带来的后果是舍内空气的相对湿度增加，有害气体浓度严重超标[9]。

研究表明，舍内相对湿度在55%~85%时，对奶牛的直接影响不大，但一旦高于90%对奶牛危害十分严重[10]，使奶牛极易患由真菌引起的疾病。

严寒气候条件下通风不足带来的另外一个突出问题是牛舍的有害气体浓度超标。

牛舍的有害气体浓度超标是构成危害家畜健康的重要因素之一，其中氨气对家畜的危害最大。

长期生活在低浓度的氨气环境中，会使家畜的免疫功能明显下降，影响家畜的生产性能[11]。

Jones等（2004）的研究表明，当畜舍内氨气浓度达到10~15mg/m3时，会使家畜的抵抗力大幅度下降[12]。

降低畜舍内相对湿度和有害气体浓度的唯一方法就是通风。

奶牛舍要进行充分的通风，必然会引起舍内温度的下降，粪尿也会发生结冰的现象，使舍内环境更加恶劣，同时也给生产管理带来了很大的不便。

黑龙江省奶牛养殖业冬季饲养管理的另一突出问题是奶牛冬季的饮水。

奶牛的产奶量受饮水量的影响很大，饮水对保持奶牛的健康状况和获得高产奶量的重要程度不亚于饲养技术，即使饲养技术没有问题，仅仅因为饮水的问题，就会使奶牛的产奶量降低15%~20%[13]。

由于对饮水重要性的认识不充分，加之资金投入不足和管理粗放，很多奶牛养殖户冬季给奶牛直接饮用自来水或井水，水温很低，只有2~5℃，外界气温很低时，水里还会出现冰碴，奶牛直接饮用带有冰渣的冷水，极易引起消化不良，进而产生各种肠胃疾病，使产奶量严重下降。

冷水进入奶牛体内加热至体温，需要消耗饲料总能量的15%，为了维持体温，奶牛就会多吃饲料，造成饲料利用率的下降，营养物质的消化吸收也受到影响，从而造成奶牛生产性能的下降[14]。

1.1.4寒区冬季牛舍环境控制与饲养管理的研究进展

我国北方地区冬季寒冷，奶牛养殖以舍饲为主，牛舍内小环境的控制和管理是满足奶牛生长需要、提高生产性能的关键措施。

黑龙江省奶牛养殖主要采用以下几种牛舍：

一种为半开放式牛舍，三面有墙，一面敞开，小型养殖户一般采用这种牛舍。

半开放舍冬季的舍温控制方法是将敞开部分封闭形成密闭舍，以达到保温隔热的目的。

封闭的方式有很多，最常见的是用塑料膜封闭。

实践证明，使用塑料膜可使半开放舍温度比舍外提高10℃左右[15]。

陈艳珍（2003）研究表明，外界气温为-9.5℃时，使用双层塑料膜和单层塑料膜的舍内温度分别是1.4℃和-0.2℃[16]。

塑料膜的材质对舍内温度也有一定影响，研究发现，使用聚氯乙烯和聚乙烯塑料膜要比使用普通塑料膜，舍内温度高2~4℃。

中等规模的牛场一般采用封闭式牛舍，即通过墙体，屋顶等围护结构形成全封闭状态的畜舍形式。

这种牛舍通常采用双坡式屋顶，墙体两侧有窗，用于采光和通风，冬季需要加以封闭。

封闭式牛舍的保温性能很大程度上取决于外围护结构的设计。

在外围护结构中，损失热量最多的是屋顶和天棚，其次是墙壁和地面，屋顶和墙壁可散失畜舍内70%以上的热量[17]。

栾冬梅等[18]（2004）通过对屋顶用彩钢保温夹芯板作为保温材料的牛舍进行环境测定表明，0.6mm的彩钢夹芯板保温性能良好，在舍外温度为零下十几度的条件下，舍内大部分时间温度都在8~10℃。

吕礼良等[19]研究表明，砖混结构牛舍的墙壁厚度对舍内温度有影响，墙壁厚度分别为24、37、50cm的畜舍舍内最低温度分别是-6.9、-2.0、5.6℃。

封闭式牛舍地面一般采用混凝土，保温性能较差，冬季可在地面铺设垫草，来增加热阻值，达到保温隔热效果。

双坡式封闭牛舍冬季密封性好，但通风效果不好，舍内湿度过大，可在屋顶或屋檐处设通风口进行自然通风。

黑龙江省大规模奶牛养殖场采用一种大型的封闭式牛舍，因屋顶形状类似一个钟楼，也称钟楼式牛舍。

这种牛舍跨度大，脊高可达十米左右，屋顶上增设双侧或单侧的天窗，还设有采光带；南北两侧墙壁设有卷帘，加强了通风和采光的效果。

钟楼式牛舍如果举架过低，通风换气的效果会受到影响；举架过高，又不利于保温，且冬季时雪覆盖在很高的屋顶上不容易清理，冰雪还会融化成水滴沿着天窗的缝隙落入舍内地面，增大了舍内湿度，使舍内小环境更加复杂。

钟楼式牛舍冬季除了做好对墙壁的卷帘或门窗的封闭以外，屋顶的保温隔热设计也是不可忽略的重要问题。

在国外寒冷地区的畜舍建筑中，通常采用泡沫多聚苯乙烯、聚苯乙烯、矿棉、玻璃纤维等作为保温隔热材料。

虽然不同国家和地区的气候条件不同，冬季畜舍使用的保温隔热材料也有差异，但畜舍设计过程中都必须进行必要的保温隔热设计。

M.Manninen（2008）指出在芬兰寒冷的冬季，采用绝热舍饲来应对复杂多变的天气[20]。

目前在美国和丹麦等一些奶牛养殖业发达的国家出现了一种新型的自然通风牛舍。

由于饲养规模较大，这种牛舍跨度一般为30~40m，牛舍的檐高4m左右。

冬季采用自然通风，屋顶设有排风口，在屋檐下留取宽度为30~60cm的通气缝，用来排出舍内污浊和潮湿的空气。

进行通风时，风由屋檐处进入舍内，直接导向屋顶方向与上部暖空气进行混合，既减少了冷风直接吹向牛体的机会，又稀释和净化了舍内污浊的空气。

对这种牛舍来说，充足的上部空间和通风屋脊是保证良好通风效果的重要条件。

Kavolelis等[21]（2004）通过方程推理出，当冬季舍外气温从20℃降到-20℃时，要相应地减小85%的排风口面积。

一般要求通风屋脊的宽度为牛舍跨度的1/60，而檐下通风口的宽度又为通风屋脊的一半[22][23]，这样既能保证通风，又不会导致舍内温度过低。

这种新型自然通风