樓房養豬空氣過濾系統設計與應用

秦 翀，葉 菁

（上海潔斐然環境技術有限公司，上海 松江 201615）

土地成本在集約化養殖總成本中占比越來越高，尤其是在城鎮化大背景之下，如何顯著提高土地利用率、攤平綜合成本、提高土地畝均產出等是整個行業都在考慮的問題。

2019年12月17日，自然資源部、農業農村部在《自然資源部農業農村部關于設施農業用地管理有關問題的通知》中明確指出：“養殖設施允許建設多層建筑”[1]，這一通知成為向空間要“土地”，探索樓房養豬的政策支持。

既有的平房養豬經驗是否適用于樓房養豬項目、在樓房養豬的空氣過濾器系統設計中需要注意哪些問題、如何在應用中逐步實現樓房養豬的空氣過濾器標準化等是當下亟待解決并落實的問題。

1 樓房養豬概念

早在20世紀70年代，在我國哈爾濱就出現了“樓房養豬”的雛形。在那個“普通人都住不起樓房”的時期，當地建造了一棟二層樓房用來養豬，一度引起不小的爭議，這個項目雖然后來也因各種原因下馬，但應算是開創了國內“樓房養豬”的先河[2]。

進入21世紀，立體式“樓房養豬”模式在黑龍江、浙江、河北、遼寧、福建等省份都有落地，但多數是平房養殖的簡單疊加、屬“樓層疊加”，其并未創造穩定的經濟產值，未能形成規模、模式或標準。

隨著時代發展的需要，樓房養豬將成為我國部分地區養殖生產的剛需，并對未來養殖模式帶來很多改變和技術革新。

2 樓房養豬空氣過濾系統的必要性

2.1 通風量對養殖動物的影響

通風量對豬只的影響，體現在豬舍溫度，特別是豬只體感溫度的變化上。以生長豬為例，最佳環境溫度在15～21 ℃，若通風量不足將導致溫度升高，空氣質量變差，易引起豬只疾病，死亡率隨著上升。有研究表明，當環境溫度高于21 ℃時，室內溫度每升高1 ℃，每天豬的采食量就會減少60～100 g（100 kg 體重的豬平均日采食量會降低103.6 g）[3]；反之，如果過度通風，溫度降低，豬的采食量提高，但日增重會降低，同樣也易引起豬只疾病，不僅增加藥物成本，死亡率也會上升。通風量通過改變環境溫度、空氣質量從而直接影響采食量、增重率、患病率來影響養殖收益。

相比于地面一層，樓房養豬應該額外考慮在每天以及不同季節，高層因為承受的日照時間和承受的季風吹掃，從而對高層墻內溫度帶來平房養豬所沒有的部分溫差變化。

2.2 樓房養豬是否需要空氣過濾系統

養殖空氣過濾系統是為養殖生物場所提供潔凈空氣保障的措施。根據明尼蘇達大學豬病根除中心（SEDC）獸醫內科學博士Scott Dee& Andrea Pitkin在明尼蘇達州中西部實驗站模擬4個豬舍進行為期一年的活體感染的試驗研究表明，在人工接種PRRS（豬藍耳?。┴i舍的110 m半徑范圍內，無生物安全措施的豬舍全年有66%的時間被感染PRRS所籠罩；中級生物安全豬舍（設有密閉式房舍、紗網+濕簾）全年有31%的時間被感染PRRS所籠罩；而安裝有空氣過濾的高級生物安全豬舍密閉式房舍（紗網+濕簾+空氣過濾+“雙重互鎖門”負壓通道）則全年未感染PRRS，本試驗證實空氣過濾系統至少可在一個足球場的范圍內有效阻隔PRRS傳播。此外，丹麥DTU國家獸醫研究所、丹麥技術大學與歐盟非洲豬瘟參考實驗室也在聯合研究中證明ASFV（非洲豬瘟）亦可以通過空氣有效傳播[4]。

現有樓房養豬目前最高到15層，頂層養殖舍與地面相對高度只有45 m左右，這個高度對防疫隔離并無價值。樓房養豬通道相互連接，豬只需要轉場和出欄，相對于平房養殖，這會帶來額外的風險。因此，樓房養豬不僅同樣需要空氣過濾系統，因為疊加屬性，其空氣過濾系統在生物安全隔離方面比平層養豬要考慮的細節問題更多，也更具難度。

3 樓房養豬空氣過濾系統設計的主要內容

3.1 過濾效率的選擇

養殖業第一個空氣過濾系統誕生在20世紀90年代的法國布列塔尼公豬站，此后，在2005-2010年間，美國有41個養殖場建設空氣過濾系統。中國的養殖空氣過濾系統發軔于2008年前后，同樣也是首先應用于公豬站，均采用物理過濾法過濾相應粒徑的病毒，各常見病毒的幾何尺寸如表1所示。

大氣塵埃中，粒徑小于1 um的塵粒占總數量的99.9%，養殖畜禽易感病毒均依附于塵粒隨氣流傳播，重量大的塵粒會沉降，重量輕的長時間浮游于空氣中。大氣塵埃懸浮時間如表2所示。

可見，空氣中數量占比99.9%的微顆?？梢栽诖髿庵衅￠L達幾天甚至一個多月，病毒恰恰就附著在這些微顆粒上隨氣流散播，過濾系統能起到阻斷病原空氣途徑傳播的原理就是：使用適合用戶需求的過濾器材，捕集微粒，從而將下游空氣中的病原降低到致病濃度以下。

表1 各常見病毒的幾何尺寸

表2 大氣塵埃懸浮時間

那么，到底該需要采用多大效率的過濾器，才可以將微粒病原濃度降低至致病濃度以下呢？基于明尼蘇達豬病根除中心Scott Dee博士的實驗研究結論，通過對過去十年來國外、國內豬場過濾系統的調研統計結果亦證實：大部分豬場采用L6過濾器（根據樣品實測為歐標的F9，美標為Merv15）作為主過濾器；在被認為高風險的豬場，采用了更高級別的L9過濾器（根據樣品實測為歐標E11，美標為Merv16）為主過濾器；采用G4（Merv8）級別的初級過濾器作為主過濾器（Merv15/16）的保護過濾器（預過濾），來延長價格昂貴的主過濾器的使用壽命，可以有效保護豬舍免于遭受各種病毒的侵襲，各過濾等級劃分如表3所示。

就病毒的空氣傳播途徑而言，空氣過濾裝置理論上可長效地將微粒濃度降低至病原致病濃度以下，從而完成保障生物安全的使命。過濾器在整個使用壽命周期內穩定的過濾效率、過濾墻本身數年如一日的結構密封性（不透風）是這個使命得以實現的先決條件。

3.2 空氣過濾系統與通風模式

氨空氣過濾器的布局數量影響著初始投資、運維費用等用戶特別關注的問題。簡單來說，通風量越大，需要布局的空氣過濾器數量就越多，初始投資和運維費用也就越高；同時，空氣過濾器在更換維護時，數量越多其操作時間也就越長，對豬場的空氣路徑防疫風險也就越高。然而，部分用戶或設計方通常將空氣過濾設施作為單一的設備放置在豬場整體設計之后額外考慮，這就對空氣過濾設施的布局造成諸多制約條件，同時，成本又是用戶非常敏感的因素，結果導致用戶雖然追求到了很便宜的單價，但購買了整場并不合理甚至無效的設施。

通過對近年來全國南北各處養殖場的實地調研情況顯示，因為各地氣候條件的不同、飼養經驗的不同、建筑結構特點的不同，所以通風量的需求也就各不一樣，從而誕生了各具特點的通風模式：

1）從送風結構上來劃分，大體分為水平通風、垂直通風、底部通風的通風模式；2）從空氣壓力結構上來劃分，大體分為正壓、微正壓、負壓的通風模式；3）從降溫特點上來劃分，大體分為濕膜降溫、空調降溫的通風模式；4）從過濾的形式來劃分，大體分為全季節過濾、季節性分路通風的通風模式。

為了更直觀表達部分通風模式與空氣過濾配合的特點，見表4所示，各通風模式示意圖如圖1所示。

表3 各過濾等級劃分

表4 部分通風模式與空氣過濾配合的特點

以隧道式負壓通風模式為例，空氣管理系統由擋沙網過濾、防疫主過濾墻（G4初效+L6/9高效主過濾器）、濕膜水簾、舍內設施、風機（氣流的動力來源）組成。

擋沙網過濾墻設置于空氣過濾主墻前端，外框采用不銹鋼制成，多層網格，具備擋沙、防塵、擋鳥、防蚊功能。當表面積累大量灰塵雜物時，可取下后用高壓風/水槍反向沖洗。

防疫主過濾墻是病原攔截的主件，初效過濾器為主過濾器提供保護作用，可延長高效過濾器的使用壽命。G4初效預過濾器和L6/9主過濾器分別如圖2和圖3所示。

風機與過濾系統兼容的匹配應考慮以下幾個方面：

第一，明確豬舍內風速/風量需求，如表5所示。第二，在能滿足風量需求的前提下，通風系統各環節所產生的空氣阻力，如表6所示。

表5 豬舍內風速/風量需求

表6 通風系統各環節所產生的空氣阻力

第三，根據上一步所計算空氣阻力，驗核風機在所處工況下所提供的風量是否能滿足風量需求，如表7所示。

第四，根據風機馬達所處工況的電氣參數，評估是否有超載的可能，如表8所示。

3.3 豬場整體規劃與空氣過濾系統設計的關系

就目前畜牧養殖行業而言，空氣過濾防疫系統尚未在大范圍得以真正有效建立，部分從業人員對空氣生物安全防護的重要性和必要性尚未獲得充分了解，某些豬舍安置了空氣過濾器系統，但在效率穩定性、密封性方面存在隱患，并帶來截面風速匹配的問題，初始投資增加了，運行費用也上升了，但系統并不能真正有效地起到生物安全防護的作用，安全防護作用不可靠，并且會影響到豬只的采食和增重。某些豬舍前期甚至未將過濾系統納入整體規劃，后期再想加入改建，由于客觀條件限制，改擴建難度加大，增加不必要的資金投入。樓房養殖尤其如此，占用欄位空間很不情愿，向外延擴展又困難，高空作業難度極大。

因此，將空氣過濾系統預先納入整體規劃，采用空氣過濾系統切斷疫病空氣傳播途徑，從而實現送風生物安全防護是最有效、經濟的選擇。

4 推行樓房養豬空氣過濾系統標準化中面臨的主要問題和對策

4.1 區域氣候的差異與建筑特點的差異

中國幅員遼闊，南北氣候差異巨大，黑龍江部分地區冬季氣溫低至零下40 ℃，且濕度也較低，而長江以南夏季氣溫高達38 ℃，且濕度較高。除地域和四季溫度差異以外，各養豬場所處周邊環境也不盡相同，農田、山區、河流、湖泊、工廠、機場等都對樓房養豬空氣過濾存在著各種各樣的影響。

同時，就中國目前的豬場建設而言，空氣過濾防疫系統尚未普及，各供應商的技術和設備力量也良莠不齊，養殖從業者與工程實施方都難以對空氣過濾這個細分行業進行必要和充分地了解，多數豬場未將空氣過濾系統納入整體規劃，導致后期添加空氣過濾系統時將受到極大的客觀條件限制，甚至增加不必要的資金投入。尤其是樓房養殖，在沒有預留建設空間時，因無法向外延擴展，可能需要占用和犧牲部分欄位空間作為空氣過濾系統的建設，此外對風道的布局和施工也增加了不可預測的難度。

表7 育肥單元風機風量驗核

表8 風機電功參數（取值380V/70Pa時）

因此，在設計中，除了需要在整體規劃設計時考慮通風模式的結構和風機靜壓需求之外，以下幾點需要在設計中優先考慮：

第一，以區域氣候大數據為依據，進行“一對一”方案設計，將區域氣候、溫度對過濾系統的影響降到最低。比如考慮冰凍、雨水、臺風、高溫、高濕氣象等等，合理規劃通風需求與溫度需求，對四季溫差大的標地項目應該設計、設置精準的風量調節措施，且按需選擇過濾器材質。

第二，在豬場整體規劃設計時，應考慮周邊環境對豬舍的影響。要充分考慮外部自然季風/氣流走向是否會造成倒灌，吸風口風向是否會增加風機工作負擔，廢氣排放方向與外部氣流是否會形成合流影響吸風品質等。

第三，風道的設計需合理利用建筑空間，比如下層通風管道與上層排糞通道共用同一個建筑平層。

第四，充分考慮空氣過濾的檢修更換操作空間，空氣過濾數量按需規劃，不宜過多，檢修通道盡可能便捷，但不可過度占用空間，同時為操作人員提供登高作業安全防護措施。

第五，需要考慮便捷的物料上樓通道或措施。

4.2 各養殖企業豬場設計模式布局方法存在差異，管理方式也各不相同

部分養殖企業在實際使用中，形成了具有各自偏好的豬舍結構和布局方式，通風模式也有區別，比如：金新農鐵力公豬站采用負壓垂直通風、上海祥欣種公豬育種中心采用水平負壓通風、天兆武勝公豬站采用特有的余氏通風模式。在空氣過濾系統規劃設計中可以根據各場舍的不同特點，充分考慮工況和能耗，來調整過濾方案，不同的空氣過濾系統設計思路所帶來的過濾效果和運用能耗、維護費用是完全不同的。以樓房養豬育肥+保育混合同層為例來看，如表9所示。

同時，各豬場在營運管理上存在著差異，在規劃設計中應充分考慮各場舍、各樓層之間的相對獨立性，比如，可增加“雙重互鎖門”負壓通道，甚至風淋室，將疫病傳播隱患和負面影響降低。

4.3 如何避免額外的運營和維護成本

一個合理經濟的空氣過濾系統方案應針對不同用戶的具體工況，綜合考慮初始投資和營運成本，在獲得防疫安全的基礎上獲得最優化結果?？諝膺^濾器的有效性、穩定性、可靠性、過濾系統的施工搭建質量及耐久性直接決定系統的有效性，過濾系統和風機之間的搭配不當，要么影響送風量從而直接影響產出效益，要么帶來經年累月的能耗損失。

用戶可以結合自身需要，制訂一些監測空氣過濾效果的管理規程，通過使用專業儀器定期監測空氣品質，持續了解空氣過濾系統的運行狀態，依次判斷過濾系統的有效性，以及決定是否需要更換維護。

空氣過濾器的生產看上去門檻不高，但空氣過濾技術，依然是一個存在壁壘和know how的專業，全球都有不少學者憑借對這門技術的某些課題的研究獲得自己的博士學位。在非洲豬瘟肆虐之下，就跟新冠疫情之下的口罩市場一樣，空氣過濾器就是口罩，當需求在短時間內的劇增勢必造成供應側的短暫繁榮，在風口熱情和資本本身沖動的裹挾之下，某些倉促出現未經驗證的過濾系統，不僅不能帶來有效防疫，還因為沒有全面考慮養殖場風量需求和設備工況，影響到場內的通風效果，并給養殖用戶帶來不小的經濟損失。

表9 樓房養豬育肥+保育空氣過濾器布局及能耗差異

5 總結

對樓房養殖來說，考慮屬地氣候特點、結合自身管理特性、考慮層間影響、并給未來預留一定的調整彈性，通過采用長期有效可靠的空氣過濾防疫系統，把握初始投資和營運費用之間的平衡，是可以保證雖然增加了投資，但依然可以獲得良好的經濟效益和產出回報。