畜禽废弃物资源化与碳中和

Valorization of Livestock Waste and Carbon Neutrality

专 辑 文 章 介 绍

·第三篇·

　　▎论文ID

　　Ammonia dispersion from multi-floor versus standard single-floor pig production facilities based on computational fluid dynamics simulations

　　采用计算流体力学模拟多层及标准单层猪舍的氨气扩散

　　发表年份：2023年

　　第一作者：辛宜聪

　　通讯作者：刘德钊

　　✉：dezhao_l@163.com

　　作者单位：浙江大学农业生物环境工程研究所，农业农村部设施农业装备与信息化重点实验室，浙江省农业智能装备与机器人重点实验室

　　Cite this article :  

　　Yicong XIN, Li RONG, Gunther SCHAUBERGER, Dejia LIU, Xiusong LI, Zhihua YANG, Songming ZHU, Dezhao LIU. AMMONIA DISPERSION FROM MULTI-FLOOR VERSUS STANDARD SINGLE-FLOOR PIG PRODUCTION FACILITIES BASED ON COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS SIMULATIONS. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(3): 374‒389 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023501

·文 章 摘 要·

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　　最近，多层猪舍的集约化畜牧生产引起了广泛的关注。而这种集约化的多层猪舍所排放的污染物给当地环境带来了新的挑战。为了比较多层猪舍和单层猪舍排放空气污染物（如氨气）的扩散情况，本文基于计算流体力学三维模型模拟研究了氨气的扩散距离和浓度梯度，主要研究夏季1.5 m高度（近似人体吸入的高度）的风速、风向和排放源浓度的影响。结果表明，在Z = 1.5 m平面上，多层猪舍的氨气扩散距离远大于单层猪舍。当风向为67.5°、风速为2 m·s_‒1、排放源浓度为20 ppmv时，多层猪舍的扩散距离可达1380 m。根据本研究中模拟的源浓度为20 ppmv，为避免对居民造成影响，多层养猪场应设置在距离居民区1.4 km的地方。本研究的结果对未来多层猪舍的发展具有指导意义。

·文 章 亮 点·

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　　1.对比了多层猪舍与标准单层猪舍的氨气扩散情况。

　　2.多层猪舍的氨气扩散距离更远。

　　3.评估了风向、风速和排放源对氨气扩散的影响。

　　4.氨气在多层猪舍的东、西院落有积累的趋势。

　　5.较高的风速可能是庭院中氨气积累较多的原因。

·Graphical abstract·

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·研 究 内 容·

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　　▎引言

　　2021年，中国肉类消费总量接近1亿吨，占全球总量的27%。中国畜牧业的标准生产模式跟不上日益增长的肉类供应需求。随着产业的集约化，集约化的畜牧生产设施数量逐渐增加。多层猪舍在中国的运用非常迅速，并且没有对潜在的环境影响进行详细的研究，例如空气污染物的扩散。

　　氨气是畜牧生产相关的标志性污染物。氨气的扩散会对环境空气质量产生负面影响，进而增加人类呼吸道疾病的发病率。因此，有必要研究多层猪舍的氨气扩散情况，为其日益广泛的采用提供指导。然而，建筑物上方大气边界层中的气流本身就很复杂。计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）方法在计算域中的每一点上都能提供复杂几何形状建筑物周围若干参数（如风速、温度、湿度和浓度）的分布信息，是研究多层和单层建筑物中污染物扩散情况的一种既经济又有前途的工具。

　　因此，本研究旨在以氨气为目标气体，基于具有代表性的多层和单层猪舍的实际尺寸进行三维CFD模拟。由于夏季通风率和潜在扩散距离增加，因此模拟针对夏季进行。本研究的目的主要是通过利用CFD模型：（1）研究具有代表性的多层和单层猪舍之间的氨气扩散差异；（2）评估风向、风速和氨气排放源浓度对氨气扩散的影响；（3）分析多层猪舍的氨气扩散距离。

　　▎材料与方法

　　1.仿真方法验证

　　本研究采用风洞测量进行验证，几何模型如图1所示。纯氦气体作为示踪气体从圆形中心屋顶的通风口释放。根据实验结果进行CFD模拟，并将模拟的速度和纯氦浓度与实验结果进行了比较。采用了可实现的k−ε湍流模型和可扩展的壁面函数，本文最终采用了中等网格。

图1 验证几何模型。

　　2.CFD建模

　　所选的多层猪舍建筑的长、宽、高分别为118 m、62 m和21 m。根据实际尺寸将大楼简化为一个长方体。基于验证仿真中网格离散化的经验，将多层和单层猪舍的计算域离散为非结构化四面体网格。以风向为67.5°的计算域为例，网格细节如图2所示。

图2 (a) 多层猪舍计算域的三种不同计算域的网格离散化；(b) 多层猪舍；(c) 计算域。

　　▎结果与讨论

　　1. 验证

　　如图3所示，模拟结果与经验数据基本吻合。但在图3 (b) 近地面逆流中，模拟的负速度大于实验的负速度。

图3 速度的模拟结果和实验结果：(a) 立方体顶面（X/Hb = 0）中心线上；(b) 立方体后面（X/Hb = 1）中心线上。

　　2.结果分析

　　如图4所示，最低的氨气浓度为1.5 ppmv，多层猪舍（图4 (a)）和单层猪舍（图4 (b)）模拟的最高氨气浓度分别为7.68 ppmv和19.3 ppmv。尽管排放源的浓度为20 ppmv，但多层猪舍的排放源距离地面21 m，进而在西侧堆场1.5 m高度的氨气浓度仅为7.68 ppmv。

图4 当风向为67.5°，风速为2 m·s_‒1，排放源的氨气浓度为20 ppmv时，氨气浓度（ppmv）在Z = 1.5 m平面上的分布：(a) 多层猪舍；(b) 单层猪舍。

　　如图5 (a) 所示，西侧庭院的氨气浓度高于建筑物周围区域，这意味着在多层猪舍中氨气会在庭院中积聚。如图5 (b) 所示，这两个堆场可能存在漩涡，因此氨气不容易随风消散。

图5 多层猪舍的Y = 31 m平面：(a) 氨气浓度分布；(b) 速度矢量分布。

　　从图4和图6中可以看出，在调查的风向下，多层猪舍的扩散距离总是远大于单层猪舍。此外，风向为135°的堆场中氨气浓度最高，为10.8 ppmv，高于风向为67.5°的7.68 ppmv和风向为90°的4.79 ppmv。

图6 不同风向、风速为2 m·s_‒1、排放源的氨气浓度为20 ppmv时，氨气浓度（ppmv）在Z = 1.5 m平面上的分布：(a) 90°，多层猪舍；(b) 135°，多层猪舍；(c) 90°，单层猪舍；(d) 135°，单层猪舍。

　　表1的结果表明，风速为2 m·s_‒1时，风向为67.5°的扩散距离为1.38 km，是三个风向中最远的。然而，风向为90°和135°时的扩散距离分别为1.35 km和1.32 km，与1.38 km相比只是稍短一些。氨气的扩散距离随着排放源浓度的降低而明显减小。

表1 不同风向、风速和排放源浓度下的氨气扩散距离

　　▎结论

　　本研究结果表明：在Z = 1.5 m处，多层猪舍的氨气扩散距离远大于单层猪舍，且氨气可以在多层猪舍的院子内积累；在不同风向下，氨气均沿优势风向扩散，但风向对扩散距离的影响不显著。氨气浓度和扩散距离随风速的增大而减小，但风速越高越容易引起庭院内氨气的积累。随着排放源浓度的降低，氨气浓度和扩散距离显著减小，排放源浓度的降低可以显著减小扩散距离。如果氨气源浓度控制在20 ppmv以下，则多层养猪场应位于距离居民区至少1.4 km的地方，以确保当地居民不受氨气味道的影响。

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