肉鸡舍空气源热泵供暖系统的性能评估：实验测量、计算流体动力学分析与成本对比

《Case Studies in Thermal Engineering》：Performance evaluation of an air source heat pump heating system in broiler houses: Experimental measurements, CFD analysis, and cost comparison

　　

热泵供暖系统已成为各类应用中替代传统化石燃料供暖的可持续且高能效方案。研究人员针对寒冷气候条件下配备空气源热泵（ASHP）的肉鸡舍供暖性能开展研究，首先确定了育雏期保障肉鸡热舒适所需的热容量。在同一农场三栋相同肉鸡舍中，一栋改造为ASHP系统，另两栋沿用燃煤锅炉，在整个养殖周期内进行能耗与成本对比测量。结果表明，相较燃煤系统，ASHP供暖成本最高降低48%，其电耗受室外气温与室内工况显著影响。此外，研究人员采用Ansys Fluent开展系列计算流体动力学（CFD）分析，评估风机盘管机组（FCU）数量与布置对室内热舒适的影响，模拟五种运行场景以考察气流循环与温度均匀性（尤其在门窗及通风扇均开启的降温工况下）。CFD模拟经实验测量验证，揭示了肉鸡舍内多高度、多位置空气温度与速度分布特征。综上，研究发现ASHP可在维持稳定室内环境的同时大幅降低能源成本，且FCU布局优化对实现均匀送风至关重要，凸显了热泵作为现代家禽养殖环保经济供暖方案的潜力。

研究背景方面，建筑与畜禽养殖行业均为温室气体排放重要来源，其中家禽生产因高能耗与化石燃料依赖备受关注，能源成本在肉鸡养殖中位列饲料与人工之后居第三。现有文献虽证实地热热泵、太阳能辅助热泵及混合可再生能源的潜力，但动物舍特别是家禽舍中热泵满足物种特异性温湿度需求的研究仍不充分，且缺乏长期季节性性能与经济性对比。为此，研究人员在土耳其萨卡里亚（Sakarya）某农场以ASHP替换燃煤锅炉，整合实验测量与CFD模拟，评估其技术经济性与热环境调控能力，论文发表于《Case Studies in Thermal Engineering》。

关键技术方法上，研究人员选取同农场三栋结构一致的肉鸡舍（90.3 m × 15 m × 2.1 m，存栏21000羽），其中House 3改装ASHP（含水循环系统、蓄热水箱与室内FCU），House 1与2保留燃煤锅炉，于2024年1月2日进雏起连续记录室内外温度、水温、燃料与电耗及通风参数。热负荷计算采用围护结构传热系数（墙U=0.7 W/m²K、屋顶1.6、地面0.8、窗5.6）与能量平衡方程 m c_p dT_i/dt = Q_supp + Q_sens ? Q_vent ? Q_loss，并以第16日龄（目标26 °C）为设计工况。CFD部分使用Ansys Fluent建立含9台排风扇（2台17000 m³/h、7台39000 m³/h）与82扇小窗的几何模型，设置6台（Case1-4）与7台FCU（Case5）五种布置场景，在开窗与通风扇运行的降温条件下模拟流速与温度场，并与实测温速数据校验。

研究结果部分，引言指出热泵在住宅与商业领域成熟但在动物舍应用稀缺，明确本研究原创性为实验—数值耦合替代燃煤。材料与方法小节给出萨卡里亚气候（年均14.7 °C、最低?14.5 °C）、鸡舍构造与ASHP流程（压缩机—蒸发器—冷凝器—阀，水为载热体），并定义肉鸡热舒适区间（首周30-36 °C，成熟期22 °C）。热负荷计算小节通过能量平衡与围护传热公式得出House 3设计热功率，明确内部显热Q_sens来自肉鸡本体、Q_vent为机械通风失热、Q_loss为围护传热的物理构成。实验测量小节对比全周期数据，显示ASHP电耗随室外温度降低而上升，但单位热量成本低于燃煤，最高节省48%。CFD分析小节中五场景模拟表明：FCU数量由6增至7且优化轴向位置后，鸡舍纵向温度标准差缩小，近地风速更均匀，冷风短路现象减弱；模拟与第16日龄实测点温差小于0.5 °C、速差小于0.1 m/s，验证模型可靠性。成本比较小节核算燃煤（含灰渣处理）与ASHP（含电价）全周期支出，ASHP净节省主要来自能效比（COP）在温和寒潮下维持2.8-3.4。

讨论与结论部分，研究人员指出ASHP在寒冷区肉鸡舍具明确经济与环境优势，其性能受室外气候非线性影响，故需配合室内FCU布局优化与通风调度；CFD可作为低成本的布局预评工具。结论重申：空气源热泵相较燃煤锅炉降低供暖成本至多48%，电耗与室外温度强相关；FCU数量与位置显著改变温度均匀性，七台优化布置优于六台；实验与CFD吻合度高，证明所建框架可推广至家禽舍清洁供暖改造。该研究为从化石燃料转向可持续电力供暖提供了实测—模拟闭环证据，对改善动物福利与农场碳足迹有直接意义。