Abluftreinigung, Stallklimabeurteilung und steuerung in Schweinemastställen

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1 REG RVV Tierwohl Neue haltungstechnische Entwicklungen in der Nutztierhaltung dargestellt am Beispiel der Mastschweinehaltung Hausstette, 24. Abluftreinigung, Stallklimabeurteilung und steuerung in Schweinemastställen Bernhard Feller Landwirtschaftskammer Nordrhein-Westfalen

2 Stallklima Der Begriff Stallklima kennzeichnet die Umweltbedingungen von Tieren und Menschen in Ställen. Stallklima ist das Zusammenspiel von Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftgeschwindigkeit, Temperatur der Bodenund Wandoberflächen sowie der Wärmeleitfähigkeit der Liegefläche. Das Stallklima wird beeinflußt durch die Zusammensetzung der Luft aus Gasen, Stäuben, Bioaerosolen und weiteren chemischen und biologischen Faktoren.

3 Ziele der Stallklimatisierung Tiergesundheit Tierwohlbefinden Tierleistung Arbeitsplatzqualität Umwelt Gesunderhaltung; Gesundheitsprophylaxe Tierschutz; Tierkomfort als Qualitätskriterium biologische Tierleistungen: Tageszunahmen; Futterverwertung; Umrauschquote; Zahl der aufgezogenen Ferkel; etc. Staubgehalt; Schadgasgehalt; Temperatur Geruch; klimarelevante Gase Einhaltung gesetzlicher Grenzwerte Energieeffizienz überschüssige Wärme, Feuchtigkeit, CO 2 und andere Schadgase abführen, Sauerstoff mit wenig Strom für Ventilation zuführen, wenig Heizenergie aufwenden, eventuell Kühlung

4 Anforderung des Tierhalters an das Stallklima Luftqualität: Luftgeschwindigkeit: Temperatur: Technik/Bauweise: Bedienung: Alarmeinrichtung: Arbeitsschutz: möglichst geringer Gehalt an Schadgasen (MAK Wert NH 3 : 50 ppm; CO 2 : ppm; H 2 S: 5 ppm) und Staub zugfreie Luftführung auf Zentral- und Kontrollgängen angenehme Temperaturen im Arbeitsbereich einfach zu bedienen und zu pflegen einfach und übersichtlich zu bedienen akustische, optische und fernmeldetechnische Alarmgebung

5 Anforderung des Mastschweines an das Stallklima Luftqualität: Luftgeschwindigkeit: Temperatur: Technik/Bauweise Bedienung Alarmeinrichtung möglichst geringer Gehalt an Schadgasen (Grenzwert NH 3 : 20 ppm; CO 2 : ppm; H 2 S: 5 ppm) und Staub? keine Zugluft, wenn die Raumtemperatur deutlich geringer als die Körpertemperatur ist Faustregel: Temperaturunterschied > 5 K vermeiden Nur bei höheren Temperaturen (> 30 C) kann die Luftgeschwindigkeit im Tierbereich erhöht werden, um dadurch zusätzliche Kühleffekte zu nutzen. je nach Alter, Gewicht, Gesundheitszustand, Futteraufnahme, Stallbauform,

6 Anforderungen an Lüftungsanlagen Anpassen der Luftraten an den Lüftungsbedarf Regelung, Gruppenschaltung, Einzelabsaugung, Zentralabsaugung, Abstimmung Ventilator und Regelung Regelverfahren: Spannungsregelung, Frequenzregelung, EC-Technik Optimierung der Zu- und Abluftkanäle Umlenkungen, Sauberkeit, Dämmung Sauberkeit der Lüftungsanlage leichte Pflege und Reinigung, Zu- und Ablufteinrichtungen Energiesparende Stall- und Lüftungskonzepte Dimensionierung, Kennlinien, Motorentechnologie, Bauform, Flügelform, etc. Wärmehaushalt des Stalles Bauform, Dämmung, Tierbesatz

7 Einflüsse auf das Stallklima - durch Aussenklima: Temperatur Luftfeuchtigkeit Wind Sonneneinstrahlung -durch den Tierbesatz: Wärmeproduktion Wasserdampf Gase Futteraufnahme, Leistung Atmung, Verdunstung CO 2, NH 3, H 2 S - durch Stallbau: Standort Gebäudeausrichtung, geographische Lage Bauausführung umbauter Raum, Wärmedämmung Lüftungsanlage Zuluftführung, Abluftführung, Heizung bzw. Kühlung

8 Regelkreis Stallklima Regel-/Steuergrößen Lufttemperatur rel. Luftfeuchte Schadgase (NH 3, CO 2 ) Staub, Bioaerosole Tierverhalten/-aktivität Physiologie, Zuwachs Regelmodell physikalisch qualitativ Verhalten Sensor Istwert Regelgerät Sollwert A. Häussermann, verändert Stellgröße Luftvolumenstrom Heizung/Kühlung Be-/Entfeuchtung Entstaubung Regelmethode stufenlos proportional, usw.

9 Regelmodell Physikalische Kriterien (Empfehlungen, DIN, TierSchutzNutzTV) Temperatur ( C) Luftfeuchtigkeit (%, g/kg, g/m³) Luftgeschwindigkeit (m/s) Luftwechsel (m³/h) Qualitative Kriterien (DIN, TierSchutzNutzTV, TierhaltErlasse, TA-Luft) Luftzusammensetzung N 2, O 2, CO 2 usw. (%, ppm, g/kg) Schadstoffkonzentrationen NH 3, CH 4, N 2 O, usw. (mg/kg, ppm) Staubgehalt der Luft Keimgehalt der Luft (KBE/m³) Geruchsintensität (GE) Kriterium Verhalten vom Tier Futtermengen, Futterintervalle, Fresszeiten, Fressdauer Tränkemengen, Tränkeintervalle, Zeit, Dauer liegen, ruhen, spielen, erkunden,. (Aufenthaltsort, -dauer) Suhle, Dusche, Temperaturwahl Laute, Problem: Erfassung Interpretation Einzeltier Tiergruppe Technikfehler Regelgröße?

10 Regelmodell Erfassung Temperatur: Schadgase: robuste, universell im Stall einsetzbare Fühler, kaum Drift, hohe Genauigkeit Regelgröße: Luftrate, Zuheizen, Kühlen praxisgerechte Fühler kaum vorhanden, Querempfindlichkeiten, geringe Standfestigkeiten, Verschmutzung, starke Drift, hoher Wartungsaufwand Regelgröße: Luftrate Problem: Feuchtigkeit: praxisgerechte Fühler selten, Verschmutzung, hoher Wartungsaufwand Regelgröße: Luftrate, Zuheizen, Befeuchten Staub/Bioaerosole: keine kontinuierliche Messwerterfassung Tierverhalten: Steuerung über Kopplung mit Fütterungscomputer, optische Erfassung und Bildanalyse in Echtzeit über Liegeverhalten etc. denkbar Regelgröße?

11 Liegeverhalten als Stellgröße für Stallklimaparameter?

12 Lüftung und Heizung Temperatur: Luftqualität: Luftfeuchtigkeit: Luftgeschwindigkeit: Alter des Tieres, Gesundheitszustand, Umweltgestaltung, Futteraufnahme Gehalt an Schadgasen und Keimen Ammoniak CO 2 H 2 S (<20 ppm) (<3.000 ppm) (<5 ppm) 60 bis 80% rel. Feuchte Sommerluftrate (0,2 m/s; bis 0,6 m/s oder mehr?) Winterluftrate (max. 0,2 m/s) Lüftungssystem

13 Regelgrößen - Regelung bedeutet auch: man kann/muss eingreifen Temperatur: Optimalbereich : Ventilatordrehzahl ändern zu kalt: heizen mehrere Standardverfahren zu warm: kühlen mehrere Verfahren (Wasser verdunsten, Pads, Erd-WT,. ) Feuchte: Optimalbereich : zu trocken: zu feucht: befeuchten mit Wasser bedingt (Luftwechsel, EntfeuchtungsWP) was sind sinnvolle Grenzwerte? Gaskonzentrationen: messtechnisch aufwändig einige gesetzliche Grenzwerte - aber deshalb vernünftig? relevant für Emissionen und Immissionen im Stall eingreifen: positiv für Mensch + Tier: Fütterung, Lüftungssystem, vernebelte Substanzen außerhalb des Stalles: besser Verteilen durch Kaminhöhe + Abluftgeschwindigkeit, Abluftreinigung Eingriffe im Sinne von kurzfristig anpassen? aber Steuerung, Überwachung, Controlling?

14 Temperaturen für Schweineställe strohlose Aufstallung Sauen mit Ferkel Tierart im Ferkelliegebereich Empfehlung C C DIN Optimal Rechenwerte Winter Abgesetzte Sauen 20 C Tragende Sauen in Gruppenhaltung 18 C Tragende Sauen in Einzelhaltung 20 C Abgesetzte Ferkel C Mastschweine C

15 Temperaturschwankungen im Tag-Nacht-Rhythmus Sommerluftrate Solltemperatur zu niedrig gewählt Zu eng eingestellter Regelbereich oder zu geringe Spreizung Solltemperatur anheben Regelbereich anpassen Absenkautomatik aktivieren Temperaturfühler An der Stalldecke, im Zuluftbereich, im Bereich von Wärmequellen Temperaturunterschied zum Kontrollthermometer Fühler in Tierbereichsnähe anbringen Kalibrierung des Fühlers

16 Zuluftsysteme im Schweinestall Porendecke Schlitzlüftung Schlitzlüftung Futterganglüftung unterflur cm cm cm cm cm Nasenlüftung Lochplattenkanal Zuluftverteiler Strahllüftung cm cm

17 Fehlerquellen in Lüftungsanlagen Undichtigkeiten im Stallgebäude Falsche Dimensionierung der Zuluft Ungleichmäßige Luftströmungen Ungenügende Abluftvolumenströme Unzureichende Pflege und Wartung der Lüftungsanlage Falsche Reglereinstellung

18 Falschluft vermeiden Beispiel: Spalt von 100 cm² - 1 Meter lang, 1 cm breit rund 100 m³ Falschluft pro Stunde dies entspricht einer ausreichenden Mindestluftrate für: 50 Absatzferkel oder 20 Mastläufern

19 Einfache Bedienung und Kontrolle

20 Berechnungsbeispiel: falsche Luftrate Angaben in m³/h je Tier Tierart Empfehlung Minimum Luftrate Empfehlung Maximum Luftrate DIN Temperatur zone I DIN Temperatur zone II Sauen mit Ferkel Leere und tragende Sauen Ferkel bis 30 kg Abteile je 500 Mastplätze Mastschweine Temperaturzone I: >26 C; ΔT = 2 Kelvin ; Temperaturzone II: <26 C; ΔT = 3 Kelvin Max.-Luftrate: Min.-Luftrate: Ventilator: m³/h je Abteil m³/h je Abteil 91er mit m³/h bei 50 Pa Minimalluftrate ca m³/h Annahme: überhöhte Abluftrate von m³/h pro Abteil an 10 % der Jahresstunden

21 geregelte Klappe ohne Klappe Einstellungen am Klimacomputer gemessene Luftmenge Einstellungen am Klimacomputer gemessene Luftmenge Klappe Ventilator Klappe Ventilator 20% 20% 13% Abteil 2 50% 50% 51% 100% 100% 100% 20% 20% 13% 100% 3% 17% 100% 10% 24% Abteil 3 100% 20% 33% 50% 50% 55% 100% 50% 57% 100% 100% 100% 100% 100% 100%

22 Strahllüftung auf hohe Luftgeschwindigkeiten angewiesen: Lufgeschwindigkeit: minimum: 1,0 m/s maximum: 4,0 m/s 1:4 Luftrate: minimum: 7 m³/h maximum: 110 m³/h 1:16 d.h. im Winter müssen Öffnungen verschlossen werden, um die Eintrittsgeschwindigkeit optimal zu halten Raumtiefe max. vierfache Raumhöhe Lufteintritt direkt unter der Decke: Nutzung des Coandaeffekts Strömungshindernisse vermeiden: Lampen unter der Decke, Fütterung, etc. Kostengünstig bei großen Stallbauten, Bau von Zuluftkanälen entfällt bei Zuluft direkt von außen: geringe Strömungswiderstände

23 Einflüsse auf den Stromverbrauch des Ventilators Motorentechnologie Drehzahl Flügelform, -anzahl, -anstellwinkel Stabilität der Lüfterflügel Bauform Regelung 230V/400V; Asynchron/EC-Technik Druckstabilität Luftleistung; Wirkungsgrad Wirkungsgrad, Luftleistung Spaltmaß; Rohreinbauventilator elektronisch; elektrisch; frequenzgesteuert Ziehl Abegg Ziehl Abegg DeVrie DeVrie

24 Möglichkeiten zur Kühlung von Ställen

25 Stalltemperatur bei unterschiedlichem Lüftungsniveau (Mastschweine 100 kg, hohes Futterniveau) Maximum Lüftung Außentemperatur Stalltemperatur 80 m³/h 30,0 C 32,8 C 100 m³/h 30,0 C 32,4 C 120 m³/h 30,0 C 32,2 C J. Peijnenburg, DLV 1998

26 Der Chill-Effekt oder gefühlte Temperatur Ist- Temperatur C Relative Luftfeuchte % Temperaturwahrnehmung bei unterschiedlichen Luftgeschwindigkeiten m/s 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2, ,2 26,6 24,4 23,3 22,2 29, ,5 26,6 24,4 22,8 21,1 20, ,8 21,1 20,0 17,7 16,6 R. Barnwell, Pittsburg 2002

27 Kühleffekt einer befeuchteten Ziegelwand

28 Kühlwirkung eines Erdwärmetauschers C Temperatur nach dem Tauscher Temperatur unter der Bodenplatte Temperatur der Außenluft Temperatur 50 cm unter dem Rohr

29 Lüftung: 75 bis 90 % Stalldecke: 15 bis 20 % Fenster: 3% Wärmeproduktion der Tiere plus eventuell Zusatzheizung Wand: 3 5 %

30 Einsatz von Luft-Luft-Wärmetauschern In Ferkelaufzuchtställen ist der Einsatz schon heute durchaus sinnvoll und kosteneffizient. Der WT dient nicht nur der Erwärmung im Winter, sondern sollte auch zur Minderung von Temperaturdifferenzen im Sommer eingesetzt werden.

31 Derzeitige rechtliche Grundlagen für die Forderung nach Abluftreinigung 1. TA-Luft: Erfüllung von Schutzanforderungen (bundesweit) nur in Bezug auf den entsprechenden Schadstoff (z. B. Geruch, NH 3 ) Minderung nur bis zum Erreichen der Schutzansprüche unabhängig ob Bauschein- oder BImSchG-Genehmigung 2. Filtererlasse: Erfüllung von Vorsorgeanforderungen (länderspezifisch) Niedersachsen, Nordrhein-Westfalen & Schleswig-Holstein Minderung aller drei Schadstoffe (Geruch, NH3 & Staub) in vorgegebenem Maß (wie Zertifizierung) Nur bei BImSchG-Genehmigungen der Spalte G

32 Struktur der Schweinehaltung in D und ausgewählten Bundesländern 2014 Bayern Niedersachsen Sachsen-Anhalt Deutschland Ferkelerzeugung Betriebe bis ,59% ,42% 87 42,22% ,47% bis ,99% ,11% 40 19,26% ,25% ab ,43% 179 5,47% 79 38,52% 688 4,28% gesamt ,00% ,00% ,00% ,00% Sauen bis ,41% ,68% 883 0,57% ,30% bis ,92% ,62% ,19% ,55% ab ,67% ,70% ,24% ,15% gesamt ,00% ,00% ,00% ,00% Schweinemast Betriebe bis ,75% ,00% ,01% ,20% bis ,99% ,93% 43 8,54% ,10% ab ,26% 501 6,07% 92 18,45% ,71% gesamt ,00% ,00% ,00% ,00% Mastschw. bis ,61% ,30% ,00% ,39% bis ,71% ,49% ,90% ,09% ab ,68% ,21% ,10% ,51% gesamt ,00% ,00% ,00% ,00% Spandau, 2015 *= Da die letzte, vorliegende Vollerhebung aus 2010 stammt, wurden die Zahlen für 2014 unter Berücksichtigung der Viehzählungsergebnisse hochgerechnet!

33 1.) Von t Ammoniak in 2011 stammen ca t aus der Landwirtschaft! 2.) Bei 70%iger Ammoniakreduzierung der geschätzten BImSchG-Bestände ergibt sich eine Minderung von ca t durch die Ab-luftreinigung! 3.) Dies enspricht einer Min-derung der Gesamt-NH 3 -Emissionen von knapp 3%! 2,2 Mio Sauen x 20% Sauen x 7,3kg x 80% x 70% = t NH 3 17,5 Mio Mastschweine x 35% 5,775 Mio. MS x 3,6kg x 80% x 70% = t NH 3 10% dunkler Rest = t NH 3 Spandau, 2015 gesamt = t NH 3

34 Bundesweite Nachrüstung von Abluftreinigung über z.b. TA-Luft 1.) Bei derzeitigen BImSchV-Bestandsgrenzen werden bei einer Nachrüstung bundesweit weniger als 5% der Schweinemast- und Ferkelerzeugerbetriebe betroffen sein! 2.) Bezogen auf den derzeitigen Sauenbestand von knapp 2,2 Mio. Sauen werden über die Abluftreinigung etwa 20% des Sauenbestandes erreicht! 3.) In der Schweinemast liegt der Anteil der nach BImSchG genehmigten Tierplätze bundesweit hingegen bei etwa 35%! 4.) Während süddeutsche Bundesländer durch eine Nachrüstungspflicht kaum betroffen würden, liegt der Prozentsatz in den neuen Bundesländern am höchsten, die Gesamtzahl der betroffenen Betriebe und Bestände ist jedoch in Niedersachsen am höchsten!

35 Zusammenfassung Temperatur ist wichtigste Größe, geeignete Sensoren vorhanden, Standort und Kalibrierung am Tierverhalten kann verbessert werden Feuchtesensor wäre wünschenswert zur Regelung, nahezu zwingend als Grenzwertgeber bei Befeuchtung/Kühlung (Schad)Gassensoren bringen kaum Fortschritt für die Stallklimatisierung NH 3 -sensoren lediglich für Überwachung gesetzlicher Werte, aber Sinn? für Praxiseinsatz derzeit zu aufwändig und zu teuer, zudem ein Mehr an Heizung + CO 2 ALARM ist wichtig

36 Ausblick intelligente Regelungskonzepte, Verknüpfung mit Wetter, Bauphysik, Tiergewicht und Fütterung, Tierverhalten,, ist wünschenswert, dann aber nachvollziehbar, einfach und transparent für den Anwender Kühlungswirkung für die Sommersituation Stall - Konzepte zur Reduzierung der Wärmelastsituation in Mastställen (Jalousie-Ställe, ) Weg von der Einheitstemperatur: Klimareize schaffen Mikroklimazonen zur Heizung und Kühlung

37 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit... Bayrischer Rundfunk