Gestaltung und Management von Stallklima und Beleuchtung Aspekte der Energieeffizienz

Transkript

1 Gestaltung und Management von Stallklima und Beleuchtung Aspekte der Energieeffizienz Dipl.- agr.- Ing. Thomas Heidenreich Quelle: St. Pache LfULG, Ref.: 92 Autor: Thomas Heidenreich

2 Zu- und Abluftsysteme Zuluftquerschnitt in Abhängigkeit von Tierbesatz, Firsthöhe und Sommertemperaturrate Zu-bzw. Abluftquerschnitt in m³ 35 H=5 m Trauf-First-System H H=7 m H=9 m H=5 m 20 H=7 m H=9 m Temperaturzone < 26 C Temperaturzone > 26 C GV Quelle: ALB Bayern

3 Tauf-First-Lüftung ohne Firstabdeckung

4 Winterprobleme im Milchviehstall

5 Winterprobleme im Milchviehstall

6 Wärmeproduktion und Wasserdampfabgabe einer Hochleistungskuh (10000 kg Milch je Jahr) im ersten Laktationsdrittel Umgebungstemperatur in C Gesamtwärmeproduktion in Watt Wärmeabgabe (sensible Wärme) in Watt Wasserdampfproduktion (latente Wärme) in g/h -10 ca ca ca ca ca ca

7 Winterluftraten für Milchkühe in m³/h und Kuh (700 kg LM) ; Außentemperatur 10 C Leistungsgruppe Mindestluftrate Warmstall 15 C Leistung in kg Durchschnitt 1.Lakt. -drittel 2.Lakt. -drittel 3.Lakt. -drittel Trockensteher Mindestlufttrate 10 C Stall Mindestluftrate 10 C Stall Mindestlufttrate 5 C Stall Mindestlufttrate 0 C Stall 0 C Außentemp. 7 C Stalltemp. DIN (45 kg) 87 (30 kg) 67 (15 kg) Tatsächliche Luftraten liegen zwischen 200 m³/kuh*h und 340 m³/kuh* Stunde!

8 Empfohlene Zu- und Abluftflächen für Milchkühe Leistung kg Milch/Jahr, Auftriebshöhe 8 m Wärmegedämmter Stall 15 C innen, -10 C Außen Winterlüftung theoretisch Außenklimastall 10 C innen, -10 C Außen 0,01 m² 0,012 m² Außenklimastall 0 C innen, -10 C Außen Winterlüftung real Außenklimastall 7 C innen, 0 C Außen 0,04 m² 0,12 m² Empfohlene Abluftfläche: 0,12 m² je Kuh ~ 50 cm Firstschlitz

9 Wärmeproduktion und Wasserdampfabgabe einer Hochleistungskuh (10000 kg Milch je Jahr) im ersten Laktationsdrittel Umgebungstemperatur in C Gesamtwärmeproduktion in Watt Wärmeabgabe (sensible Wärme) in Watt Wasserdampfproduktion (latente Wärme) in g/h -10 ca ca ca ca ca ca

10 Luftraten für Hochleistungskühe (700 kg LM) nach CIGR Leistungsgruppe Mindestluftrate in m³/h Leistung in kg Durchschnitt 1.Lakt. -drittel 2.Lakt. -drittel 3.Lakt. -drittel Trockensteher Sommerluftrate in m³/h 30 C, delta t = 3 K DIN C, delta t = 3 K

11 Empfohlene Zu- und Abluftflächen für Milchkühe Leistung kg Milch/Jahr, Außenwindgeschwindigkeit 1 m/s einzeln stehend Queranströmung Wärmegedämmter Stall von anderen Gebäuden beeinflusst bzw. ungünstige Lage 0,4-0,5 m² 0,5-0,8 m² einzeln stehend Queranströmung Außenklimastall von anderen Gebäuden beeinflusst bzw. ungünstige Lage 0,8 1,0 m² 1,0 1,2 m²

12 Material: Formen der Jalousielüftung Gewebefolien, Thermofolien Windbrechnetze Platten (Hohlkammerprofile) Folienschlauchsysteme aufblasbar Öffnungsrichtung: von oben öffnend von unten öffnend von oben u. unten öffnend mittig nach oben und unten öffnend Öffnungsart: Steuerung: Verschieben Aufwickeln Falten Handkurbel stellmotorisch von Hand, stellmotorisch temperaturabhängig gesteuert stellmotorisch temperatur- und windgeschwindigkeits-- abhängig gesteuert

13 Vor- und Nachteile verschiedener Curtainssysteme Vorteile: sehr einfaches Wickelsystem (preiswert) Wände bis ca. 2,70 m 1 Nachteile: von unten öffnend (Zugerscheinung) ungenügende Straffung der Folie 2 Vorteile: einfaches Wickelsystem Wände bis ca. 2,70 m 2 Nachteile: von unten öffnend (Zugerscheinung) Führungsschiene für Antrieb notwendig 3 Vorteile: zuerst von oben öffnend einfache Regelung 3 Nachteile: sehr hoher Verschleiß energieaufwendig

14 Vor- und Nachteile verschiedener Curtainssysteme Vorteile: einfaches System straffe Folie, Hohlkammerprofile möglich geringer Verschleiß von oben öffnend 4 Nachteile: nur halbe Wandhöhe öffnend freier Bereich nach unten notwendig 5 Vorteile: sehr einfaches System von oben öffnend 5 Nachteile: schnelle Verschmutzung der Folie hoher Verschleiß der Folie flatternde Folie bei teilweiser Öffnung 6 Vorteile: von oben öffnend Wandhöhe bis ca. 2,70 m geringer Folienverschleiß 6 Nachteile: bewegliche untere Welle notwendig 3 Patente

15 Jalousiesysteme mit teilweiser Wandöffnung Gewebefolie Hohlkammerprofil

16 Jalousiesysteme mit vollständiger Wandöffnung

17 Vor- und Nachteile verschiedener Curtainssysteme Seilzug Folie 7 Vorteile: zuerst von oben öffnend geringer Folienverschleiß straffe Folie 7 Nachteile: sehr aufwendig Zwei Antriebe notwendig 8 Vorteile: zuerst von oben öffnend geringer Folienverschleiß straffe Folie 8 Nachteile: sehr aufwendig zwei Antriebe notwendig 9 Vorteile: von oben öffnend straffe Folie, geringer Verschleiß Öffnungshöhen über 2 m 9 Nachteile: -

18 Jalousien zweigeteilt Quelle: Arntjen

19 Jalousie von unten oder von oben öffnend, doppelt gewickelt

20

21 Querlüftung im Milchviehstall

22 Melkdurchschnitt und Zellzahl (MLP) im Jahr 2006 in einem Praxisbetrieb in Sachsen-Anhalt kg Milch Zellzahl, 1000/ml Milch Zellen Quelle: Th. Engelhard, Iden Monat

23 TU-Ergebnisse im Bestand der LLFG Iden 55 % TU März April Mai Juni Juli August September Quelle: Th. Engelhard, Iden Besamungsmonat

24 Wärmeeintrag durch ungedämmte Dächer und resultierende Luftrate je Kuh Temperatur über Dach C W/Kuh bei 10 m² Dachfläche Luftrate in m³/kuh*h Theoretisch notwendige Luftraten für Kuhställe Stall ohne wärmegedämmte Decke Stall mit wärmegedämmter Decke Durchschnitt 1. Lakt. -drittel 2. Lakt. -drittel 3. Lakt. -drittel Trockensteher

25 Strahlungstemperatur eines ungedämmten Daches (Wellfaserzementplatten, rot) C Strahlungstemperatur Sonneneinfall durch Lichtplatte Strahlungstemperatur Stalltemperatur Uhrzeit Quelle: Rudovsky

26 Temperaturverhalten von Wellfaserzementplatten Außentemperatur: 21,8 C, Windgeschwindigkeit 1-1,4 m/s, Globalstrahlung: W Rote Platten (Westseite) Naturgraue Platten (Westseite) Mittl. Temperatur: 49,9 C Mittl. Temperatur: 46,2 C

27 Temperaturverhalten von Wellfaserzementplatten Außentemperatur: 21,0 C, Windgeschwindigkeit 1-1,4 m/s, Globalstrahlung: 350 W Grau Rot Braun Schw. Rt-br. Grün 38,7 C 40,0 C 43,9 C 44,8 C 43,0 C 44,1 C

28 Anordnung von Lichtplatten

29 Tier - Temperatur - Luftfeuchte - Index (Livestock Temperature Humidity Index) Quelle: Tennis Marx 2004

30 Anzeichen und Auswirkungen von Hitzestress Anzeichen von Hitzestress: - Erhöhte Atemfrequenz, bis zu 80 Atemzüge je Minute (Pumpen) - Reduzierung der Futteraufnahme - Erhöhung der Wasseraufnahme - Erhöhung der Körpertemperatur auf 39 bis 40 C Auswirkungen von Hitzestress: - Abfall der Milchleistung bis zu 4 kg/d - Geringere Östrusraten, erhöhter embryonaler Frühtod - bei Auftreten von Hitzestress in den letzten 3 Trächtigkeitsmonaten: geringere Geburtsgewichte der Kälber Stoffwechselprobleme nach der Abkalbung Milchleistungseinbußen bis zu 12 % in der Folgelaktation

31 Kühlwirkung der Luft in K durch Nutzung der Verdunstungskälte (Wind-Chill-Effekt) Temperatur in C rel. Feuchte in % Luftgeschwindigkeit in m/s Kühlwirkung 0,00 0,00-1,60 0,00-2,20 0,00-3,30 0,50 1,10-0,50 2,80-0,60 2,80-0,50 1,00 2,80 0,60 5,00 2,20 8,40 4,50 1,50 3,90 1,70 6,60 3,90 10,60 6,20 2,00 6,20 3,90 8,30 5,00 11,70 8,90 2,50 7,30 5,10 9,40 6,10 12,80 10,60 Quelle: nach R. Barnwell (1997)

32 Anordnung von Einzelventilatoren

33 Wurfweite von Ventilatoren 11 Luftgeschwindigkeit in m/s Ventilator 1,2 m Durchmesser 2 Ventilatoren 0,7 m Durchmesser 1 Ventilator 0,7 m Durchmesser Abstand vom Ventilator in m

34 Anordnung von Ventilatoren im Block

35 Wurfweite unterschiedlicher Ventilatoren (Zweierblock) 6 5 Luftgeschwindigkeit in m/s Mittelschnellläufer Langsamläufer 1 0 4,5 6 7,5 9 10, , , ,5 21 Abstand vom Lüfter in m

36 Anordnung von Ventilatoren im Block

37 Anordnung von Ventilatoren im Block

38 Großventilatoren Quelle: Arntjen

39 Tunnellüftung Quelle: Top Agrar 6/2000

40 Relative Vorzüglichkeit verschiedener Ventilatorenanordnungen Ventilatoren Gruppe Anordnung I II III über Liegeboxen Lüfterreihen über Fressgang Lüfterreihen Ventilatoren gesamt Anzahl Milchleistung Kg/Kuh 42,6 44,8 43,8 TS-Aufnahme Kg/Kuh 25,2 25,2 25,5 Quelle: Brouck, Kansas State-University

41 Ventilatoren im Energievergleich Multifan TB6E50Q Ziehl-Abegg FE 071 Multifan 130 Big-ASS-Fan 20 feet

42 Variante 1: Multifan 130 nominal: 10x 1,65 kw (1,286 kw)* = 16,5 kw (12,86 kw)* Luftrate: m³ = 1404 m³/tpl optimal: 18x 1,65 kw (1,286 kw)* = 29,7 kw (23,15 kw)* Luftrate: m³ = 2528 m³/tpl ( )* gemessen

43 Variante 2: Ziehl-Abegg FE 071 nominal: 16 x 0,55 kw (0,445 kw)* = 8,8 kw (7,12 kw)* Luftrate: m³ = 677 m³/tpl optimal: 22 x 0,55 kw (0,445 kw)* = 12,1 kw (9,79 kw)* Luftrate: m³ = 931 m³/tpl ( )* gemessen

44 Variante 3: Multifan TB6E50Q nominal: 24 x 0,3 kw (0,28 kw)* = 7,2 kw (7,12 kw)* Luftrate: m³ = 531 m³/tpl optimal: 30 x 0,3 kw (0,28 kw)* = 9,0 kw (8,40 kw)* Luftrate: m³ = 664 m³/tpl luxus: 38 x 0,3 kw (0,28 kw)* = 11,4 kw (10,64 kw)* Luftrate: m³ = 841 m³/tpl ( )* gemessen

45 Variante 4: Big ASS Fan 20 feet 6,10 m nominal: 4 x 1,11 kw = 4,44 kw Luftrate: m³ = 4010 m³/tpl

46 Variante 4: Big ASS Fan 20 feet 6,10 m 0,65 0,65 0,55 0,2 0,75 0,6 1,5 1,25 1,9 2,3 0,0 3,0 3,0 3,0 1,1 0,0 0,45 1,0 2,0 1,6 1,0 1,3 1,1 0,2 0,6 0,3

47 Variante 4: Big ASS Fan 14 feet 4,27 m optimal: 8 x 0,75 kw = 6,0 kw Luftrate: m³ = 5935 m³/tpl

48 Weitere Ventilatoren im Energievergleich Termotecnica EOR 50 Gigola & Riccardi ES 140

49 Energiekostenvergleich für einen Stall mit 320 Kuhplätzen (Einsatzzeit: 1500 h/a, Energiekosten: 20 ct/kwh, Nutzungsdauer: 8 Jahre) Hersteller Ventilatortyp Anzahl Energiebedarf kw/fan kw gesamt* Energiekosten gesamt in Energiekosten/ TP*a in theor. Mehrinvest. in Vostermans - Multivan ,286 1,286 12,9 23, * 12,09 21, Termotecnica EOR ,170 1,170 11,7 21, ,97 19, Gigola & Riccardi ES 140 R/R ,107 1,107 11,1 19, ,41 18, Vostermans (de Laval) DF ,500 0,500 8,32 11, ,80 10, Ziehl - Abegg FE 071-6DQ ,445 0,445 7,1 9, ,66 9, Multivan TB6E50Q ,280 0,280 0,280 6,7 8,4 10, ,28 7,88 9, Big-ASS-Fan 6,10 m 4,27 m 4 8 1,100 0,750 4,4 6, ,13 5,

50 Anordnung von Ventilatoren in der Praxis

51 Empfehlung zur Steuerung der Ventilatoren Thermostatische Steuerung - einstufig (bis 16 A Schaltleistung) - mehrstufig, mit Einstellung der Schaltstufen - mit oder ohne Schaltschütz Drehzahlregulierung nur bei Einzelanordnung (Frequenzumrichter) stall-, abteil- bzw. leistungsgruppenabhängige Regelung

52 Energieverbrauch (Versuchsstall) Kuhstall 326 Plätze, 315 Kühe installierte Luftleistung: 12 Ventilatoren mit m³/h = 870 m³/tierplatz Anschlusswert / Tierplatz: 29,7 W Erhebungszeitraum: ~ 10 Jahre Verbrauch gesamt: Verbrauch je Jahr Verbrauch je Kuh* a Verbrauch je Kuh* d (maximal) Stromkosten/Jahr (17 ct/kwh) Stromkosten/Kuh kwh kwh 32,0 kwh 0,71 kwh 1711,40 EUR 5,44 EUR

53 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Investitionen 13600,00 EUR Inv/platz 42,50 EUR Abschreibung 12,5 % (8 Jahre) 5,30 EUR Instandhaltung 2% 0,85 EUR Arbeitszeitaufwand 10 h 1,00 EUR Energiekosten 5,50 EUR Summe 12,65 EUR Milchleistungserhöhung 120 l 36,00 EUR Fruchtbarkeitsverbesserung 15,00 EUR Senkung der Reproduktionsrate? Ergebnis: 38,35 EUR + X

54 Trächtigkeiten aus Besamungen vom 10. Juni bis in verschiedenen Ställen der Milchviehanlage Iden Stall, Lage, Ausstattung (Anzahl auswertbare Besamungen) Jungkühe Mehrkalbskühe Stall 1, Süd-Ost keine Lüfter (124) Stall 2, Nord-West Lüfter (41) Quelle: Th. Engelhard, Iden 29 % 19 % 48 % 41 % > Verluste

55 Kühlung durch Wasserversprühung Quelle: Rudovsky

56 Licht im Kuhstall - Kuh- und Arbeitskomfort

57 Natürliches Licht - Anordnung von Lichtplatten

58 Anordnung von Lichtplatten

59 Lichtreflexion - Farbe der Dacheindeckung

60 Beleuchtung Lebensdauer der Leuchtmittel Lebensdauer in Stunden Glühlampe (100 W) bis Energiesparlampe Leuchtstofflampe (Standard) Leuchtstofflampe (3 Banden) Metallhalogendampflampe Leuchtemitterdiode (LED) Organische Leuchtdiode (OLED) Natriumdampflampe

61 Beleuchtung Energieeffizienz der Leuchtmittel Lichtausbeute Umrechnungsfaktor Glühlampe (100 W) 15 lm/w 4 Energiesparlampe 60 lm/w 1 Leuchtstofflampe (Standard) 60 lm/w 1 Leuchtstofflampe (3 Banden) lm/w 0,7 Metallhalogendampflampe lm/w 0,55-0,7 Leuchtemitterdiode (LED) (250) lm/w 0,75-1 Organische Leuchtdiode (OLED) (30-90 lm/w) 0,7-2 Natriumdampflampe lm/w 0,5

62 Lichtregime im Kuhstall Voraussetzung: Lux im Tierbereich - 16 h Tagphase, 8 Stunden Nacht Nutzen (nach Literatur): - Leistungssteigerung von 5 15 % Probleme: - Trockensteher brauchen Kurztag - Wirksamkeit bei 3 x Melken??? - Fruchtbarkeit??? - Kosten???

63 Stallbeleuchtung Komfort für Kuh und Mensch

64 Beleuchtung - Metalldampflampen

65 Energieverbrauch Beleuchtung Kuhstall 320 Plätze, Stromkosten 0,20 /kwh Leuchtstofflampen (Standard) Leuchtstofflampen (3 Banden)* Natriumdampflampen Halogen-Metalldampflampen Variante Beleuchtungsstärke (Lux) Install. Leistung W/m² 3 5 2,1 3,6 2,6 5 1,8 3,9 Anzahl Lampen Leistung je Lampe (W) Install. Leistung gesamt (kw 8,8 14,8 5,9 9,7 7,0 14,4 5,0 10,4 Beleuchtungsdauer (h/a) Stromkosten gesamt ( ) Stromkosten / Kuhplatz ( ) 4,97 8,34 3,31 5,47 3,94 16,20 2,81 11,70 * mit elektronischem Vorschaltgerät

66 Energieverbrauch (Versuchsstall) Kuhstall 315 Plätze, 280 Kühe (11390 kg Milch/Kuh*a) installierte Lichtleistung: 28 Armaturen mit 400 W = 35 W/Tierplatz Erhebungszeitraum: ~ 3 Jahre Beleuchtungsdauer je Jahr: 2278 Stunden (drei Melkungen pro Tag) Verbrauch gesamt: Verbrauch je Jahr Verbrauch je Kuh* a Verbrauch je Kuh* d Stromkosten/Jahr (17 ct/kwh) Stromkosten/Kuh*Jahr kwh kwh 91 kwh 0,25 kwh 4337,20 EUR 15,49 EUR

67 Verfahrenskosten Beleuchtung Kuhstall 320 Plätze, NND 20 Jahre; Stromkosten 0,20 /kwh Leuchtstofflampen (Standard) Leuchtstofflampen (3 Banden) Natriumdampflampen Halogen-Metalldampflampen Beleuchtungsstärke (Lux) Lebensdauer d.lampen ( h ) /Tierplatz /Tierplatz /Tierplatz /Tierplatz /Tierplatz /Tierplatz /Tierplatz /Tierplatz Investitionen 17,80 29,60 12,80 21,20 33,25 59,40 26,10 42,75 Abschreibung 0,89 1,48 0,64 1,06 1,66 2,97 1,07 2,14 Instandhaltung Material 0,11 0,18 0,06 0,08 0,13 0,38 0,03 0,28 Instandhaltung Arbeit ** 0,53 0,89 0,38 0,63 0,11 0,14 0,08 0,10 Stromkosten ( ) 4,97 8,34 3,31 5,47 3,94 16,20 2,81 11,70 Kosten gesamt 6,50 10,89 4,39 7,24 5,84 19,69 3,99 14,22 * mit elektronischem VG ** 5 min/lampe u. Jahr; 15 /Std

68 Licht im Kuhstall Konsequenzen für den Stallbau: - Mindestbeleuchtungsstärke im Stall = 80 Lux - Gasdampflampen sind positiv zu beurteilen - Lichtregime sind an Voraussetzungen geknüpft Lichtregime sind ab einer Leistungssteigerung von ca. 100 kg/kuh *a kostendeckend! Verbesserung der Fruchtbarkeit?!

69 Licht im Vorwartehof Strahlungswärmebelastung - durch ungedämmte Dächer: 4-5 K - durch Lichtplatten: 8-10 K Grundsätze: - gute Trittsicherheit gewährleisten! - abrupte Lichtwechsel vermeiden!

70 Licht im Melkstand Komfort am Arbeitsplatz

71 Licht im Melkstand Richtwerte für Beleuchtungsstärken Auszug aus DIN 5035 Teil Lux Lagerräume, Treppen, Verkehrswege in Gebäuden 200 Lux Lagerräume mit Leseaufgabe, Archive 300 Lux Büroarbeitsplätze ausschließl. in Fensternähe, Versand 500 Lux Datenverarbeitung, Kassenbereiche, Besprechungsräume 750 Lux Technisches Zeichnen 1000 Lux Farbprüfungen, Farbkontrollen, Warenprüfung Probleme Licht : hohe Lichtabsorption durch dunkle Flächen Autor: Pelzer, LK NRW

72 Licht im Melkstand und Vorwartehof

73 Beleuchtung von Melkständen Beleuchtungsstärke in lx zu installierende Leistung in W/m² Grundfläche Leuchten ca. 3 m über zu beleuchtender Fläche Leuchten ca. 4 m über zu beleuchtender Fläche

74 Licht im Melkstand Empfehlungen zur Positionierung 40 cm H = 2,30 H = 2,20 > 2m Quelle: Pelzer, LK NRW

75 Licht im Melkstand

76 Lichtabsorption durch dunkle Flächen

77 Licht im Melkstand Kultur am Arbeitsplatz

78 und wenn das alles nichts hilft? Perpetuum Mobile oder in Wasser gehen!!! Quelle: Puckhaber danke für Ihre Aufmerksamkeit!