ART-Berichte - Agroscope€¦ · ART-Berichte Nr. 672 2007 Früher: FAT-Berichte Zuluft aus dem...

ART-Berichte Nr. 672 2007F r ü h e r : FAT- B e r i c h t e

Zuluft aus dem Hohlraum unter dem Stall

Eine energieeffiziente Lüftung im Abferkelstall

Ludo Van Caenegem, Forschungsanstalt Agroscope Reckenholz-Tänikon ART, Tänikon, CH-8356 Ettenhausen, E-Mail: [email protected]

Inhalt Seite

Problemstellung 2

Systemstall 2

Klimamessungen 2

Stall 1 2

Stall 2 4

Systemstalllüftung und kon- 8 ventionelle Lüftung im Vergleich

Systemstalllüftung und 10 Erdwärmetauscherlüftung im Vergleich

Zusammenfassung 11

Literatur 11

Ein gutes Stallklima ist die Voraus-setzung für optimale Produktions-bedingungen im Abferkelstall. Die Raumtemperatur ist sowohl auf die Wärmebedürfnisse der Muttertiere als auch der Ferkel auszurichten. Hohe und tiefe Temperaturen sowie grosse Temperaturschwankungen sind zu ver-meiden. Bezieht man die Zuluft ohne zusätzliche Heizung oder Kühlung di-rekt von aussen, lassen sich die Tempe-raturschwankungen im Stall nur durch eine kontinuierliche Regelung der Lüf-tungsrate reduzieren. Dieser Regelung sind jedoch Grenzen gesetzt. Einerseits darf man im Winter die Frischluftmenge wegen der Keim- und Schadstoffbela-stung im Stall nicht beliebig drosseln. Andererseits findet im Sommer durch eine Erhöhung der Lüftungsrate nur eine Stallkühlung statt, solange die Aussentemperatur unter der Stall-temperatur liegt. Aus Kostengründen beschränkt man sich in Abferkelstäl-len meistens auf eine Heizanlage und verzichtet auf ein Kälteaggregat. Die Folgen sind Produktionseinbussen bei hohen Aussentemperaturen.

Frühere Untersuchungen an der For-schungsanstalt Agroscope Reckenholz-Tänikon ART haben gezeigt, dass Erd-wärmetauscher mit Rippenrohren die täglichen Temperaturschwankungen in der Zuluft sehr stark verringern und das ganze Jahr hindurch für ein aus-geglichenes Stallklima sorgen. Solche Erdwärmetauscher sind jedoch mit er-heblichen Investitionen verbunden. Aus diesem Grunde wurde eine kosten-günstige Alternative geprüft. Anstatt die Luft durch Rippenrohre zu leiten, wird sie durch einen Hohlraum unter dem Stall geführt. Im diesem Hohlraum findet ein kontinuierlicher Wärmeaus-tausch der Luft mit dem Erdreich, den Fundamenten, den seitlichen Gülleka-nälen und der Unterseite der Stallbo-denplatte statt. Messungen an zwei Ställen mit einer solchen Luftzufuhr aus dem Hohlraum zeigen, dass die Zu-luft beim Durchqueren des Hohlraums im Winter um bis zu 12 °C angewärmt und im Sommer um bis zu 10 °C gekühlt wird.

Abb. 1: Lüftungssystem mit Luftführung unter dem Stall (a). Dank dem Wärmeaustausch mit dem Erdreich ist die Zulufttemperatur deutlich tiefer als die Aussentemperatur (b).

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

12.0

6.06

13.0

6.06

14.0

6.06

15.0

6.06

16.0

6.06

17.0

6.06

18.0

6.06

19.0

6.06

Tem

per

atu

r °

C

AussenStallZuluft

ART-Berichte Nr. 672: Zuluft aus dem Hohlraum unter dem Stall

2 ART-Berichte Nr. 672

Der Wärmeaustausch mit dem Stallbo-den ist zum Teil eine Rückgewinnung der Stallwärme, die durch die Bodenplatte ab-fliesst.

Klimamessungen

Um den Wärmeaustausch im Hohlraum zu erfassen, wurden kontinuierlich die Tempe-ratur und relative Feuchtigkeit der Aussen-, Stall- und Zuluft (in den Schächten) gemes-sen. Im ersten Stall erstreckte sich die Mes-speriode vom 05.03.05 bis 24.10.05, im zweiten Stall vom 22.06.05 bis 28.06.06. Die Daten wurden mittels Logger (Testo 177-H1) jede halbe Stunde aufgezeichnet. Keiner der beiden Stallräume wurde ge-heizt. Lediglich die Ferkelnestheizung war bei Bedarf eingeschaltet.

Stall 1

Der Stall umfasst 2 Kammern mit je acht Abferkelbuchten (Abb. 4). Vor der süd-lichen Kammer befindet sich die Futterkü-che. Die Temperatur und relative Feuchtig-keit wurden im Stall im Mittelgang neben dem Absaugkasten, in drei verschiedenen Zuluftschächten (B1, B4 und B15) und unter einem Vordach auf der Nordseite gemes-sen.

Mittlere Temperatur °CDie mittlere Monatstemperatur im Stall vari-ierte in der Periode März–Oktober 2005 um 5,6 °C, während die Temperaturdifferenz

Problemstellung

Systemstall

Bei den untersuchten Abferkelställen mit Luftzufuhr aus dem Hohlraum unter dem Stall handelt es sich um den «Krieger Sys-temstall». Der Stall zeichnet sich durch eine weitgehende Fertigbauweise mit sehr guter Wärmedämmung aus. Die vorgefertigten Bodenelemente aus Beton sind seitlich auf den Kanalwänden und in der Mitte auf eine Stellmauer aufgelegt. Hierdurch ent-steht unter dem Stall ein Hohlraum, der für die Luftansaugung genutzt werden kann (Abb. 2). Die Bodenelemente haben einen 4 cm starken Überzug aus Steinit und auf der Unterseite eine 5 cm starke Dämm-schicht aus Styrofoam (U = 0,58 W/m2K). Die Wände und die Dachhaut bestehen aus Sandwichpaneelen mit 80 mm PUR-Kern-

Das Klima in Abferkelställen muss einer-seits den Ansprüchen der Muttertiere, andererseits der Ferkel genügen. Da in gut wärmegedämmten Abferkelställen die Lüftung bis zu 80 % der gesamten Wärmeverluste im Winter verursacht, ver-sucht man, durch Regelung der Lüftungs-rate den Heizbedarf zu reduzieren und die Temperaturschwankungen im Stall auf ein Minimum zu begrenzen. Die Folge ist im Winter eine periodisch schlechte Luftqualität. Fliesst die Aussenluft ohne Aufbereitung in den Stall, können grosse Temperaturdifferenzen zwischen Zu- und Stallluft auftreten, die zu Luftzug-erscheinungen und Kaltluftströmen im

Stall führen. Aus diesem Grund wird bei konventionellen Lüftungen in der Regel in Abferkelställen eine Heizanlage einge-baut. Aus Kostengründen verzichtet man jedoch auf eine Kühlanlage und nimmt im Sommer Hitzestress für die Muttertiere in Kauf. Klassische Erdwärmetauscher mit Rippenrohren können sowohl eine Kühl- wie auch eine Heizanlage ersetzen, verursachen jedoch hohe Investitionen. Kostengünstiger wird es, wenn die Frisch-luft statt durch Rippenrohre durch einen Hohlraum unter der Bodenplatte geleitet wird. Die Wirksamkeit einer solchen Luft-aufbereitung wurde an zwei Abferkelstäl-len untersucht.

dämmung (Wärmedurchgangskoeffizient U = 0,3 W/m2 K). Die Dachbinder sind aus verzinktem Stahl, die Pfetten aus Holz.Die Frischluft, die aus dem Hohlraum unter der Bodenplatte angesaugt wird, gelangt via Schächte auf Brüstungshöhe in den Stall (Abb. 3). Die Schächte in rostfreiem Stahl dienen gleichzeitig als Trennwand zwischen Kot- und Liegebereich. Die Abluft verlässt den Stall durch ein Kamin mit Ventilator. Unter dem Kamin ist ein Schieber befestigt, der zusätzlich zur Lüfter-Drehzahlregelung eine Drosselung der Lüftungsrate ermög-licht. Hierdurch kann das Regelverhältnis der Lüftungsrate vom üblichen 1:4 auf etwa 1:10 erweitert werden. Unter dem Stall findet ein kontinuierlicher Wärmeaustausch der Luft mit der Erd-oberfläche, den Seitenwänden der Güllek-anäle, der Stellwand in der Mitte und der Unterseite des isolierten Stallbodens statt.

Abb. 2: Unter den vorgefertigten Bodenplatten entsteht ein Hohl-raum, der für die Zuluftaufbereitung genutzt werden kann (Bild Firma Krieger).

Abb. 3: Innenansicht des Systemstalls. Die Zuluft kommt durch den Schacht zwischen Liege- und Kotbereich in den Stall (Bild Firma Krieger).

ART-Berichte Nr. 672 �

Problemstellung / Systemstall / Klimamessungen / Stall 1

draussen in der gleichen Periode 13,4 °C betrug (Tab. 1). Die mittlere Stalltemperatur lag im Juli 3,1 °C über der mittleren Aus-sentemperatur. Die mittlere Zulufttempera-tur in den drei Zuluftschächten schwankte zwischen 8,5 und 18,3 °C. Sie war im Juni auf der Nordseite (B15) um 1,2 °C tiefer als auf der Südseite (B1).

Maximale Temperatur °CDie maximale Aussentemperatur betrug 34,1 °C (Juni), im Stall 29,3 °C (Juli). Die ma-ximale Zulufttemperatur lag in der Bucht 15 (Nordseite) deutlich tiefer im Vergleich zu den südlicheren Buchten B1, B4. Merkwür-digerweise wurde die höchste Temperatur im Zuluftschacht B4 gemessen. Die maxi-male Zulufttemperatur lag dort bis 11 °C unter der maximalen Aussentemperatur (Abb. 5). Die maximale Stalltemperatur war nur geringfügig höher als die Zulufttem-peratur. Dies ist einerseits der grosszügig bemessenen Lüftungsrate und andererseits der thermischen Trägheit des Betonbodens zu verdanken. In der Periode April–Oktober 2005 lag die Aussentemperatur während 256 Stunden über 26 °C, im Stall lediglich während 90 Stunden.

Minimale Temperatur °CDie minimale Aussentemperatur betrug –9,0 °C, die minimale Innentemperatur 11,2 °C. Die tiefste Zulufttemperatur war 0,1 °C (B1). Sie ist auf der Nordseite deut-lich höher, was durch die längere Wegstre-cke zu erklären ist (Luft auf der Südseite angesaugt). Die Zulufttemperatur liegt bis zu 12,3 °C über der Aussentemperatur (Abb. 6). Die tiefe Stalltemperatur im März (11,3 °C) ist auf das Ausstallen der Tiere und die Stallreinigung zurückzuführen. Der Grund für die 11,2 °C im Mai war eine zu hohe Lüftungsrate. Die Aussentemperatur betrug zu diesem Zeitpunkt 6 °C. Die Ma-ximale Temperaturdifferenz innen-aussen betrug am 07.03.2005 27 °C (Aussentem-peratur –9,0 °C, Stalltemperatur 18,0 °C).

Mittlere Tag-Nacht-Schwankung °CDer Wärmeaustausch unter dem Stall redu-ziert nicht nur die Auswirkung von extre-men Aussentemperaturen im Sommer und Winter auf die Stalltemperatur, er dämpft auch das ganze Jahr hindurch die Tag-Nacht-Schwankungen der Zulufttemperatur (Tab. 2). Die Temperaturdämpfung ist am grössten bei der Zuluft in der Bucht 15. Sie beträgt während der Messperiode (März–Oktober 2005) durchschnittlich 60 % der Aussentemperaturschwankungen.

Abb. 4: Stall 1: Krieger Systemstall für 2x8-Abferkelbuchten. Die Luft kann auf der Nord- und der Südseite unter dem Stall angesaugt werden.

Tab. 1: Mittlere Monatstemperatur der Aussen-, Stall- und Zuluft für Stall 1.Aussenluft Stallluft Zuluft B1 Zuluft B4 Zuluft B15

März 6.6 19.1 9.2 8.5 8.8April 9.6 18.8 10.8 10.1 10.4Mai 14.8 17.2 14.0 13.4 13.9Juni 20.0 21.2 18.2 17.7 17.0Juli 19.7 22.8 18.� 18.2 18.0August 17.2 21.9 17.1 16.4 16.7September 16.1 22.2 17.0 15.9 16.2Oktober 10.8 20.1 12.2 11.9 12.4

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

22.0

6.05

23.0

6.05

24.0

6.05

25.0

6.05

26.0

6.05

27.0

6.05

28.0

6.05

29.0

6.05

Tem

per

atu

r °C

Aussen Stall Zuluft B1Zuluft B4 Zuluft B15

Abb. 5: Temperaturverlauf der Aussen, Stall- und Zuluft für den Stall 1 im Juni 2005. Die maximale Zulufttemperatur liegt bis zu 11 °C unter der maximalen Aussentemperatur.



Maximale Tag-Nacht-Schwankung °CDie maximale Tag-Nacht-Schwankung der Zulufttemperatur ist in der Bucht 15 am geringsten (Tab. 3). Im Mai betrug die maximale Tag-Nacht-Schwankung im Stall 9 °C, im Oktober 8,3 °C. Die hohen Werte sind trotz der sehr guten Wärmedämmung zu relativieren. Sie sind auf das Ausstallen der Tiere mit anschliessender Reinigung der Buchten zurückzuführen. Dass durch eine gute Drehzahlreglung des Lüfters die Temperaturschwankungen im Stall stark begrenzt werden können, zeigt der Tempe-raturverlauf am 4./5. Juli 2005. An diesem Tag sank die Aussentemperatur innerhalb von 24 h von 29,8 °C auf 12,2 °C (Unter-schied Tag-Nacht: 17,6 °C). Die Innentem-peratur schwankte lediglich um 3,2 °C (24,7 bis 21,5°C, Abb. 7).

Relative Feuchtigkeit Die relative Feuchtigkeit beeinflusst in Kom-bination mit der Temperatur das Wohlbe-finden der Tiere. Je höher die Stalltempera-tur, desto tiefer soll die relative Feuchtigkeit sein (Abb. 8). Hohe relative Feuchtigkeiten erschweren bei hohen Temperaturen die latente Wärmeab-gabe (Wärmeabgabe durch Verdunstung) der Tiere. Im Monat Juli 2005 lag die rela-tive Feuchtigkeit vorwiegend über dem be-rechneten Grenzwert gemäss Abbildung 8. Die durchschnittliche relative Feuchtigkeit im Stall betrug 75 %, der aufgrund von Ab-bildung 8 errechnete mittlere Grenzwert lag bei 67,2 % (Abb. 9). Die hohe relative Feuchtigkeit im Stall ist vor allem auf die ex-trem hohe witterungsbedingte Feuchtigkeit in der Aussenluft zurückzuführen.

Stall 2

Der Stall umfasst 2 Kammern mit je 10 Ab-ferkelbuchten (Abb. 10). Vor der nördlichen Kammer befindet sich die Futterküche sowie ein Abteil mit Galtsauen, Ebern und dem Deckzentrum. Die Aussenluft kann an beiden Stallenden angesaugt werden. Ein Datenlogger war in der ersten Kammer aufgehängt (Mittelgang), je einer in den Zu-luftschächten B4 und B17 und einer aussen unter einem Vordach.

Mittlere Temperatur °CDie mittlere Monatstemperatur im Stall va-riierte während der Periode Juli 2005 bis Juni 2006 zwischen 16,5 und 23,1 °C (Tab. 4). Sie lag im Juli 2005 4,0 °C und im Juni

Tab. 2: Mittlere Tag-Nacht-Schwankungen der Aussen-, Stall- und Zuluft für Stall 1.Aussenluft Stallluft Zuluft B1 Zuluft B4 Zuluft B15

März 7.5 2.7 4.8 4.3 2.5April 7.7 2.9 5.2 4.5 3.0

Mai 9.6 4.6 6.3 5.5 3.4Juni 11.0 3.8 5.8 6.0 4.0Juli 9.4 2.8 4.9 6.4 3.6August 7.9 2.5 5.1 5.4 3.2September 7.4 2.9 6.3 5.3 3.6Oktober 5.7 2.6 4.4 3.8 2.5

Tab. �: Maximale Tag-Nacht-Schwankungen der Aussen-, Stall- und Zuluft für Stall 1.Aussenluft Stallluft Zuluft B1 Zuluft B4 Zuluft B15

März 11.3 7.5 9.6 8.5 4.5April 13.6 6.2 12.3 9.7 7.1Mai 15.6 9.0 11.5 9.7 7.6Juni 15.6 6.6 11.0 10.8 7.6Juli 17.6 6.1 8.3 11.5 7.0August 13.0 4.8 10.3 10.2 6.7September 13.2 4.7 10.4 9.9 6.4Oktober 15.7 8.� 14.4 10.6 10.6

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

04.0

7.05

05.0

7.05

06.0

7.05

Tem

per

atu

r °C

Stall Zuluft B1 Aussen

Abb. 7: Zweitagesverlauf: Dank der Zuluftzufuhr aus dem Hohlraum unter dem Stall und der Lüfterreglung beträgt die Schwankung der Stalltemperatur lediglich 20 % der Aussen-temperaturschwankung.

–10–8–6–4–2

02468

10121416182022

05.0

3.20

05

06.0

3.20

05

07.0

3.20

05

08.0

3.20

05

09.0

3.20

05

10.0

3.20

05

11.0

3.20

05

12.0

3.20

05

Tem

per

atu

r °C

Stall Zuluft B15Zuluft B4 Zuluft B1Aussen

Abb. 6: Temperaturverlauf der Aussen, Stall- und Zuluft für den Stall 1. Die Zulufttempe-ratur liegt bis zu 12,3 °C über der Aussentemperatur.

ART-Berichte Nr. 672 5

2006 5,0 °C über der mittleren Aussentem-peratur. Während der kältesten Periode (Januar 2006) war sie 21,4 °C höher als die mittlere Aussentemperatur. Die mittlere Zu-lufttemperatur B17 war im Winter bedeu-tend höher als B4. Der Unterschied betrug im Dezember durchschnittlich 2,4 °C. Die höhere Temperatur B17 ist auf die längere Wegstrecke der Zuluft zur Bucht 17 zurück-zuführen. Die Wegstrecke zwischen Bucht 4 und 17 beträgt zirka 15 Meter.

Maximale Temperatur °CDie maximale Aussentemperatur betrug 33,7 °C, die maximale Stalltemperatur 28,3 °C. Die maximale Zulufttemperatur B4 ist im Sommer bedeutend höher, im Winter eher tiefer als B17. Die maximale Stalltempe-ratur (28,2 °C) lag am 28.07.05 5,5 °C unter der Aussentemperatur (33,7 °C) und 2,2 °C über der maximalen Zulufttemperatur B4 (26,0 °C) (Abb. 11). Zwischen Bucht 4 und 17 kühlte sich die Zuluft an diesem Tag um weitere 2,8 °C auf 23,2 °C ab. In der Periode Juli 2005 bis Juni 2006 lag die Aussentem-peratur während 130 Stunden über 26 °C, im Stall lediglich während 39 Stunden.

Minimale Temperatur °CDie minimale Aussentemperatur betrug –12,3 °C, die minimale Stalltemperatur 8,1 °C. Die relativ tiefe Stalltemperatur am 15. Dezember 2005 (8.1 °C) ist zu relativie-ren. Zu dieser Zeit war der Stall nicht belegt und wurde gereinigt. Dass gleiche gilt für die Minimalwerte im Februar (10,7 °C) und März (11,0 °C). In Bucht B4 sank die Zuluft-temperatur bis auf –3,2 °C. Zulufttempera-turen unter Null wurden in der Bucht 4 nur während drei Wintertagen verzeichnet. In der Bucht 17 sank die Zulufttemperatur nur während einer Stunde leicht unter den Ge-frierpunkt (–0,1°C). Während der kältesten Periode (27.12.05 – 31.12.05) sank die Stalltemperatur nicht unter 13,6 °C (Abb. 12). Die maximale Tem-peraturdifferenz zwischen Stall- und Aus-senluft betrug 29,9 °C. Die grosse Tempera-turdifferenz lässt vermuten, dass zu dieser Zeit die Lüftungsrate stark verringert wurde. Aus der geringen relativen Luftfeuchtigkeit im Stall (44 %) kann man jedoch berechnen, dass die CO2-Konzentration zu diesem Zeit-punkt nur geringfügig über dem empfoh-lenen Langzeit-Grenzwert (2000 ppm) lag. Der Einfluss der Lüftungsrate auf die Tem-peraturdifferenz innen-aussen ist am näch-sten Tag (31.12.05) besonders deutlich. Trotz einer um fast 20 °C höheren Aussentempe-ratur sank die Stalltemperatur auf 14 °C.

Bandbreite der zulässigen relativen Feuchtigkeit der Stallluft

30

40

50

60

70

80

90

100

–10 –5 0 5 10 15 20 25 30

Stalltemperatur °C

Rel

ativ

e Fe

uch

tig

keit

%

Maximum

Minimum

20

30

40

50

60

70

80

90

100

01.0

7.05

03.0

7.05

05.0

7.05

07.0

7.05

09.0

7.05

11.0

7.05

13.0

7.05

15.0

7.05

17.0

7.05

19.0

7.05

21.0

7.05

23.0

7.05

25.0

7.05

27.0

7.05

29.0

7.05

31.0

7.05

Tem

per

atu

r °C

, rel

ativ

e Fe

uch

tig

keit

%

0

4

8

12

16

20

24

28

32

Was

serg

ehal

t g

/kg

Lu

ft

Temperatur Stall Rel. Feuchtigkeit Stall %Grenzwert CIGR % Wassergehalt Aussenluft

Abb.8: Empfohlene Bandbreite für die relative Feuchtigkeit (C.I.G.R., 1992)

Abb. 9: Im Monat Juli 2005 lag wegen des feuchten Wetters die relative Feuchtigkeit im Stall meist über dem Grenzwert, der durch die Stalltemperatur nach Abbildung 8 bestimmt ist.

Tab. 4: Mittlere Monatstemperatur der Aussen-, Innen- und Zuluft für Stall 2.Aussenluft Stallluft Zuluft B4 Zuluft B17

Juli 05 18.6 22.6 17.2 17.5August 05 16.6 2�.1 15.8 16.3

September 05 15.6 21.5 15.2 16.5Oktober 05 11.7 22.1 12.0 13.6November 05 4.1 18.4 7.1 9.2Dezember 05 –0.3 16.5 3.7 6.1Januar 06 –2.4 19.0 3.0 4.8Februar 06 –0.1 19.4 3.9 4.7März 06 3.6 19.2 6.4 6.8April 06 8.9 19.4 9.6 10.1Mai 06 13.6 21.7 13.0 13.5Juni 06 17.9 22.9 16.3 16.4

Mittlere Tag-Nacht-Schwankung °CDer ständige Wärmeaustausch mit dem Erdreich und der Bodenplatte/Fundamente verringert die Tag-Nacht-Schwankungen der Zulufttemperatur. Sie betragen im Jahres-durchschnitt in der Bucht 4 etwa 40 %, in der Bucht 17 lediglich 25 % der Aussentempera-

turschwankungen. Die Tag-Nacht-Schwan-kungen der Zuluft sind wegen der reduzierten Lüftungsrate im Winter und der schwächeren Aussentemperaturveränderungen gerin-ger als im Sommer (Tab. 5). Die Tag-Nacht-Schwankungen der Stalltemperatur liegen durchschnittlich zwischen 1,7 und 2,8 °C.

Stall 1 / Stall 2



Maximale Tag-Nacht-Schwankung °CDie maximale Tag-Nacht-Schwankung der Zulufttemperatur ist in der Bucht 17 am geringsten (Tab. 6). Sie beträgt im Monat September lediglich 20 % der maximalen Aussentemperaturschwankung. Lässt man die hohen Schwankungen der Stalltempe-ratur in den Monaten Dezember (8,3 °C), Februar (8,5 °C) und März (9,2 °C), die auf das Ausstallen der Tiere und die Stallreini-gung zurückzuführen sind (Abb. 13), aus-ser Betracht, beschränkt sich die maximale Temperaturänderung im Stall innerhalb von 24 Stunden auf etwa 5 °C.

Relative Feuchtigkeit Die mittlere relative Feuchtigkeit im Stall betrug im Juni 2006 62,8 %. Der mittlere nach Abbildung 8 berechnete Grenzwert lag für die gleiche Periode bei 67,1 %. Lässt man den Spitzenwert von 100 % am 14.06.06, der auf die Stallreinigung zurück-zuführen ist, ausser Betracht, war die rela-tive Feuchtigkeit in der ersten Monatshälfte bedeutend tiefer als der Grenzwert. In der zweiten Hälfte lag sie mehrheitlich über dem Grenzwert (Abb. 14). In dieser Periode war der absolute Wassergehalt (g/kg Luft) in der Aussenluft sehr hoch. Sobald die Aussenluft mehr als 12 g Wasser pro kg Luft enthält, übersteigt die relative Feuchtigkeit im Stall den empfohlenen Grenzwert. Aus dem Vergleich der absoluten Wasserge-halte der Aussen- und Stallluft geht hervor, dass nicht nur die hohe Luftfeuchtigkeit in der Aussenluft an der hohen Luftfeuchtig-keit im Stall schuld ist, sondern auch die Lüftungsrate, die periodisch ungenügend war. Dies ist auf die automatische Regelung des Stallklimacomputers, die in der Praxis nur mit der Stalltemperatur gekoppelt ist, zurückzuführen.Im Winter besteht auch bei minimaler Lüf-tung keine Gefahr, dass die relative Feuch-tigkeit im Stall zu hoch wird (Abb. 15). Im

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

25.0

7.05

26.0

7.05

27.0

7.05

28.0

7.05

29.0

7.05

30.0

7.05

31.0

7.05

01.0

8.05

Tem

per

atu

r °C

AussenStallZuluft B4Zuluft B17

Abb. 11: Temperaturverlauf der Aussen, Stall- und Zuluft für den Stall 2 im Juli 2005. Die maximale Stalllufttemperatur liegt bis 5,5 °C unter der maximalen Aussentemperatur.

Abb. 10: Stall 2: Krieger Systemstall für 2x10-Abferkelbuchten. Die Luft kann von beiden Stallenden angesaugt werden.

Tab. 5: Mittlere Tag-Nacht-Schwankungen der Aussen-, Stall- und Zuluft für Stall 2.

Aussenluft Stallluft Zuluft B4 Zuluft B17

Juli 05 9.6 2.5 4.3 2.2

August 05 8.6 2.0 3.6 1.5

September 05 8.3 2.2 3.5 1.6

Oktober 05 8.0 1.7 3.2 1.4

November 05 6.5 1.9 2.2 1.6

Dezember 05 4.9 2.4 2.3 1.6

Januar 06 6.6 2.2 1.9 2.0

Februar 06 5.8 2.2 1.9 1.7

März 06 7.5 2.2 2.8 2.0

April 06 9.5 2.1 4.3 2.7

Mai 06 9.0 1.9 4.0 2.3

Juni 06 10.8 2.8 5.5 3.4

Tab. 6: Maximale Tag-Nacht-Schwankungen der Aussen-, Stall- und Zuluft für Stall 2.

Aussenluft Stallluft Zuluft B4 Zuluft B17

Juli 05 15.7 5.0 7.8 4.3

August 05 15.1 3.7 6.6 3.6

September 05 13.7 3.9 6.1 2.7

Oktober 05 12.6 3.1 5.1 6.0

November 05 13.3 4.8 5.0 4.3

Dezember 05 18.4 8.� 8.5 5.1

Januar 06 13.4 4.7 4.2 6.3

Februar 06 12.3 8.5 3.6 3.0

März 06 15.9 9.2 9.1 5.4

April 06 17.6 4.7 10.4 6.0

Mai 06 15.0 4.6 11.4 6.2

Juni 06 17.0 5.1 9.2 5.9


Gegenteil, die Luft wird eher zu trocken. Die absolute Feuchtigkeit in der Aussenluft spielt wegen der bescheidenen Wasser-menge (2–5 g/kg Luft) eine geringere Rolle als im Sommer. Da im Winter der Wasser-gehalt in der Aussenluft sehr stark mit der Temperatur korreliert ist, wird er indirekt bei der automatischen Lüftersteuerung nach Temperatur berücksichtigt. Folglich schwankt die relative Feuchtigkeit im Stall viel weniger stark als im Sommer.

Heiz- und Kühlleistung des Wärmetau-schersDurch die Anwärmung der Zuluft lässt sich Fremdenergie sparen. Geht man von einer mittleren Lüftungsrate von 1750 m3/h aus, beziffert sich für den zweiten Stall die von der Zuluft im Hohlraum unter dem Stall aufgenommene Wärme für den Winter 2005/06 auf etwa 8400 kWh (Abb. 16). Bei einer mittleren Lüftungsrate von 8000 m3/h beträgt die der Zuluft entzogene Wärme in den Monaten Juli–August 2005 und Mai–Juni 2006 insgesamt 7200 kWh (Abb. 16). Die Fremdenergie-Einsparung im Sommer ist hypothetisch, da in der Praxis auf eine Kühlung verzichtet wird. Ein finanzieller Gewinn ist jedoch auch im Sommer vorhan-den, da tiefere Stalltemperaturen zu besse-ren Produktionsergebnissen führen. Die En-ergiemenge ist trotz höherer Lüftungsrate im Sommer geringer als im Winter. Dies ist einerseits auf den kalten Winter 2005/06 und den eher kühlen Sommer, andererseits auf den Wärmefluss durch die Stallboden-platte zurückzuführen. Im Winter wirkt sich dieser vorteilhaft auf die Zulufttemperatur aus. Im Sommer ist der Effekt jedoch nach-teilig. Da ein Teil der Heizleistung auf die Rück-gewinnung der Wärme, die durch die Bo-denplatte abfliesst, zurückzuführen ist, muss der Netto-Energiegewinn der Hohl-raum-Luftführung relativiert werden. An-hand theoretischer Berechnungen wird im Folgenden der tatsächliche energetische Nutzen dieser Lüftung gegenüber einer konventionellen Lüftung dargestellt.

-14-12-10

-8-6-4-202468

10121416182022

25.1

2.05

26.1

2.05

27.1

2.05

28.1

2.05

29.1

2.05

30.1

2.05

31.1

2.05

01.0

1.06

Tem

per

atu

r °C

Stall Zuluft B17Zuluft B4 Aussen

Abb. 12: Verlauf der Aussen-, Stall- und Zulufttemperatur für Stall 2. Zwischen 29.12.05 und 01.01.06 ist der Verlauf der Innentemperatur teilweise dem Aussentemperaturverlauf entgegensetzt. Dies ist auf die Regelung der Lüftungsrate zurückzuführen.

–10–8–6–4–2

02468

10121416182022

13.0

3.06

14.0

3.06

15.0

3.06

16.0

3.06

17.0

3.06

18.0

3.06

19.0

3.06

20.0

3.06

21.0

3.06

Tem

per

atu

r °C

Stall Zuluft B17Zuluft B4 Aussen

Abb. 13: Temperaturverlauf der Aussen-, Stall- und Zuluft im März 2006. Die grosse Schwankung der Stalltemperatur am 17.03.06 ist auf die Stallreinigung zurückzuführen.

Stall 2

20

30

40

50

60

70

80

90

100

01.0

6.06

03.0

6.06

05.0

6.06

07.0

6.06

09.0

6.06

11.0

6.06

13.0

6.06

15.0

6.06

17.0

6.06

19.0

6.06

21.0

6.06

23.0

6.06

25.0

6.06

27.0

6.06

Tem

per

atu

r °C

, rel

ativ

e Fe

uch

tig

keit

%

0

4

8

12

16

20

24

28

32

Was

serg

ehal

t g

/kg

Lu

ft

Grenzwert C.I.G.R.%Rel. Feuchtigkeit Stall %StalltemperaturWassergehalt Aussenluft

Abb. 14: Die relative Feuchtigkeit im Stall verläuft erwartungsgemäss parallel zum Was-sergehalt in der Aussenluft. Sie lag in der ersten Monatshälfte unter, in der zweiten Hälfte über dem Grenzwert, der durch die Stalltemperatur nach Abbildung 8 bestimmt ist.



Systemstalllüftung und konventionelle Lüftung im Vergleich

Der Vergleich bezieht sich einerseits auf das Grundmodell des Krieger Systemstalls (2x8-Abferkelbuchten) mit Zuluft aus dem Hohlraum und andererseits auf einen Refe-renzstall mit direkter Luftzufuhr von aussen (Abb. 17). Beide Ställe haben die gleiche Bauhülle und unterscheiden sich nur durch die Bodenplatte. Beim Systemstall ist unter der Bodenplatte ein Hohlraum vorhanden, beim Referenzstall liegt die Bodenplatte di-rekt auf dem Erdreich. Die Wärmeverluste durch die Bodenplatte ins Erdreich hängen im Systemstall von der mittleren Lufttem-peratur (Messdaten) unter dem Stall, im Re-ferenzstall von der Erdreichtemperatur ab. Für die mittlere Erdreichtemperatur wurde in ein Meter Tiefe und einen Meter von der Aussenwand entfernt 12 °C angenommen.

WintersituationBei minus 12 °C Aussentemperatur be-tragen die berechneten gesamten Wär-meverluste durch Bauhülle und Lüftung beim Systemstall etwa 14,4 kW und beim Referenzstall etwa 17,6 kW (Abb. 18). Hier-bei wird eine Lüftungsrate von 1400 m3/h unterstellt, was einer CO2-Konzentration von 2000 ppm (0,2 vol %) entspricht. Der Systemstall weist etwa 4,5 kW weniger Wärmeverluste durch die Lüftung, jedoch 1,3 kW höhere Wärmeverluste durch die Bodenplatte auf. Der Nettogewinn durch Luftzufuhr aus dem Hohlraum beträgt folg-lich 3,2 kW. Unter der Voraussetzung, dass alle Ferkelnestheizungen (16x200 W) kon-tinuierlich eingeschaltet sind, beläuft sich das Wärmedefizit im Systemstall bei minus

–3000

–2000

–1000

0

1000

2000

3000

No

v 05

Dez

05

Jan

06

Feb

06

Juli

05

Au

g 0

5

Mai

06

Jun

i 06

Wär

mea

ufn

ahm

e/-a

bg

abe

der

Zu

luft

im

Ho

hlr

aum

un

ter

dem

Sta

ll kW

h

Abb. 16: Wärmeaufnahme oder -abgabe der Zuluft im Hohlraum unter dem zweiten Sys-temstall in den Winter- und Sommermonaten.

Abb. 17: Vergleich zweier Lüftungssysteme. Links Systemstall Krieger mit Zuluft aus dem Hohlraum unter dem Stall, rechts Referenzstall mit direkter Zuluft von aussen und Bodenplatte im Kontakt mit dem Erdreich.

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

01.0

1.06

03.0

1.06

05.0

1.06

07.0

1.06

09.0

1.06

11.0

1.06

13.0

1.06

15.0

1.06

17.0

1.06

19.0

1.06

21.0

1.06

23.0

1.06

25.0

1.06

27.0

1.06

29.0

1.06

31.0

1.06

Tem

per

atu

r °C

, rel

ativ

e Fe

uch

tig

keit

%1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Was

serg

ehal

t g

/kg

Lu

ft

Grenzwert C.I.G.R.%Rel. Feuchtigkeit StallStalltemperaturWassergehalt Aussenluft

Abb. 15: Im Winter besteht die Gefahr, dass die relative Feuchtigkeit im Stall zu niedrig wird (siehe auch Abb. 8). Die Stallluft soll dann befeuchtet werden.


Aussentemperatur: –12 °C

0

2

4

6

8

10

12

14

Bo

den

pla

tte

Peri

met

er

Wan

d

Fen

ster

/Tü

ren

Dac

h

Lüft

un

g

Wär

mee

verl

ust

e kW

h Systemstall

Referenzstall

Abb. 18: Wärmeverluste durch die Bauhülle und Lüftung beim Systemstall (Zuluft aus dem Hohlraum unter dem Stall) und Referenzstall (Zuluft direkt von aussen).

12 °C Aussentemperatur auf etwa 2,2 kW (Abb. 19). Um die Stalltemperatur von 15 °C ohne Raumheizung zu handhaben, müsste man die Lüftungsrate um 400 m3/h von 1400 m3/h auf etwa 1000 m3/h reduzieren. Hierdurch würde sich die CO2-Konzent-ration von 2000 auf 2660 ppm erhöhen. Reduziert man die Lüftungsrate nicht, sinkt ohne Raumheizung die Stalltemperatur von 15 °C auf 13 °C. Für Aussentemperaturen über –8 °C ist die Energiebilanz im Gleich-gewicht. Aussentemperaturwerte unter –12 °C kamen im Winter 2005/06 am zwei-ten Standort während 3 Stunden, solche unter –8 °C während 116 Stunden vor.Im Referenzstall beträgt das Wärmedefizit bei –12 °C Aussentemperatur und 15 °C Stalltemperatur etwa 5,4 kW (Abb. 20). Um die Energiebilanz ohne Raumheizung aus-zugleichen, wäre eine Reduktion der Lüf-tungsrate um etwa 620 m3/h nötig. Hier-durch würde die CO2-Konzentration auf etwa 3300 ppm ansteigen. Reduziert man die Lüftungsrate nicht, sinkt die Stalltempe-ratur von 15 °C auf 6,7 °C. Die Energiebilanz ohne Raumheizung ist erst für Aussentem-peraturen über –2 °C im Gleichgewicht. Aussentemperaturwerte unter minus 2 °C kamen im Winter 2005/06 am zweiten Standort während 988 Stunden vor. Wegen der höheren Zulufttemperatur kann im Sys-temstall bei tiefen Aussentemperaturen mehr gelüftet werden, was der Luftqualität zugute kommt.

SommersituationDank der Luftkühlung bleibt es im Sommer im Systemstall wesentlich kühler als im Re-ferenzstall. Bei einer Aussentemperatur von 32 °C ist der Temperaturunterschied etwa 5 °C. Laut Energiebilanzrechnung steigt im Referenzstall die Temperatur bis auf 34 °C, im Systemstall ist sie maximal 28 °C, wie die Messreihen belegen. Um den Referenz-stall auf 28 °C herunterzukühlen würde es bei einer Aussentemperatur von 32 °C und einer Lüftungsrate von 6400 m3/h eine Kühlleistung von 15 kW brauchen.

Systemstalllüftung und konventionelle Lüftung im Vergleich

Systemstall: Zuluft aus dem Hohlraum

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

-12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 24 28 32

Aussentemperatur °C

Hei

zbed

arf

kW

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65St

allt

emp

erat

ur

°C,

Lüft

un

gsr

ate

x 0,

01 m

3 /h

HeizbedarfFerkelnestheizungLüftungsrateStalltemperatur

Max. Heizbedarf: 2.2 kWMax. Temp.: 28 °C

Referenzstall: Zuluft direkt von aussen

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

-12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 24 28 32

Aussentemperatur °C

Hei

zbed

arf

kW

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

Stal

ltem

per

atu

r °C

, Lü

ftu

ng

srat

e x

0,01

m3 /

h

WärmedefizitFerkelnestheizungLüftungsrateStalltemperatur

Max. Heizbedarf: 5.4 kWMax. Temp.: 34 °C

Abb. 19: Heizbedarf, erforderliche Lüftungsrate und Raumtemperatur des Systemstalls (Zu-luft aus dem Hohlraum unter dem Stall) in Abhängigkeit der Aussentemperatur.

Abb. 20: Heizbedarf, erforderliche Lüftungsrate und Raumtemperatur des Referenzstalls (Zuluft direkt von aussen) in Abhängigkeit der Aussentemperatur.



Systemstalllüftung und Erdwärmetauscherlüftung im Vergleich

Beim Erdwärmetauscher (EWT) wird die Zuluft durch tief im Boden verlegte Rippen-rohre angesaugt (Abb. 21). Der stallklima-tische Vergleich der beiden Lüftungssys-teme basiert einerseits auf Messdaten aus früheren Untersuchungen am Erdwärme-tauscher, andererseits auf Messdaten (Mit-telwerte B4, B17) des zweiten Systemstal-les. Aus den Berechnungen geht hervor, dass im Winter trotz höherer Zulufttem-peratur die Temperatur im Systemstall um 1 °C tiefer ist als im Stall mit Rippenrohr-Erdwärmetauscher (Tab. 7). Dies ist auf die höheren Wärmeverluste durch die Boden-platte zurückzuführen. Im Sommer ist beim Rippenrohr-Erdwärmetauscher wegen der tieferen Zulufttemperatur die Stalltempe-ratur um etwa 2 °C niedriger als beim Sys-temstall. Der zwei Grad tieferen Tempera-tur im Stall mit Erdwärmetauscher stehen jedoch bedeutend grössere Investitionen gegen-über. Die Investitionen für den Rip-penrohr-Erdwärmetauscher belaufen sich je nach Rohrdurchmesser auf Fr. 976.– bis 1464.– pro Abferkelbucht (Tab. 8). Die Mehrkosten für die Schaffung des Hohl-raums unter dem Stall sind dagegen bei der Systembauweise nur sehr gering.

Tab. 8: Investitionen eines Rippenrohr-Erdwärmetauschers für 16 Abferkelbuch-ten. Maximale Lüftungsrate 5400 m�/h (�50 m�/h pro Abferkelbucht). Preisstand März 2007.

KennzahlenRohrdurchmesser m 0.2 0.25 0.315 0.4 0.5Anzahl Rohre m 20 13 8 5 3Rohrlänge m 10 15 21 30 39Gesamte Rohrlänge m 200 195 168 150 117Achsabstand Rohre m 0.60 0.63 0.68 0.75 0.83Zuluft-/Sammelkanal Länge m 12.0 8.2 5.4 3.8 2.5Aushub m3 547 538 515 553 551Aushub + Zudecken Rohre Fr./m3 10 10 10 10 10Zuluft-/Sammelkanal Fr./m 600 600 600 600 600Rippenrohre Fr./m 17.75 21.30 28.19 41.96 60.69 InvestitionenAushub + Zudecken Rohre Fr. 5474 5377 5155 5528 5513Zuluft und Sammelkanal Fr. 14400 9840 6480 4560 3000Rippenrohre Fr. 3551 4154 4736 6295 7100Investitionen total Fr. 2�425 19�71 16�71 16�8� 1561�Investitionen Fr./Abferkelbucht 1464 1211 102� 1024 976

Tab. 7: Stallklimaberechnung für den Systemstall (16 Abferkelbuchten) im Ver-gleich zum Stall mit Rippenrohr-Erdwärmetauscher. Winter und Sommersituation (Abb. 21).

Systemstall EWT WinterAussentemperatur °C –12Lüftungsrate m3/h 1400Zulufttemperatur °C 0 –1Stalltemperatur °C 13.5 14.5 SommerAussentemperatur °C 32Lüftungsrate m3/h 6400Zulufttemperatur °C 24 22Stalltemperatur °C 28 26

Abb. 21: Vergleich zweier Lüftungssysteme. Links Systemstall Krieger mir Zuluft aus dem Hohlraum unter dem Stall, rechts Stall mit vorgeschaltetem Rippenrohr-Erdwärmetauscher.


Zusammenfassung

Beim System-Abferkelstall der Firma Krie-ger durchquert die Aussenluft den Hohl-raum unter der Bodenplatte, bevor sie in den Stall fliesst. Im Hohlraum findet ein ständiger Wärmeaustausch mit dem Erd-reich, den seitlichen Güllekanälen und Streifenfundamenten sowie auch der Un-terseite der Bodenplatte statt. Messungen an zwei solchen Systemställen (16 und 20 Abferkelbuchten) zeigen, dass durch Wär-meaustausch die Zuluft im Winter um bis zu 12 °C vorgewärmt und im Sommer um bis zu 10 °C gekühlt wird. Je länger die Weg-strecke der Zuluft unter dem Stall, desto grösser der Temperaturunterschied. Wegen der höheren Zulufttemperatur kann im Sys- temstall bei tiefen Aussentemperaturen mehr gelüftet werden, was der Luftquali-tät zugute kommt. Die Dämpfung der Aus-sentemperaturschwankungen in der Zuluft beträgt im Jahresdurchschnitt 60 bis 75%. Dank den ausgeglichenen Zulufttempe-raturen reduzieren sich trotz grosszügiger Lüftungsrate die mittleren Tag-Nacht-Schwankungen der Stalltemperatur auf etwa zwei bis drei Grad. Die durch die Zuluft im Hohlraum aufgenommene Wärme lässt sich beim zweiten Stall im Winter 2005/06 auf 8400 kWh beziffern. In den Monaten Juli bis August 2005 und Mai bis Juni 2006 belief sich die durch die Zuluft abgegebene Wärme auf 7200 kWh. Dank der Anwärmung der Zuluft im Hohl-raum genügen die Tierwärme und Ferkel-nestheizungen, um die Raumtemperatur im gut wärmegedämmten Systemstall auch in der kältesten Periode über 13 °C zu halten, ohne dass der Stall zusätzlich geheizt oder die Lüftungsrate stark reduziert werden muss. Im Sommer kann die Stalltemperatur auf etwa 28 °C begrenzt werden, wodurch sich der Hitzestress für die Sauen bedeut-sam verringert. Ein theoretischer Vergleich zeigt, dass bei gleicher Lüftungsrate und ohne Raumheizung im Winter durch Luftzu-fuhr aus dem Hohlraum unter dem Stall die Stalltemperatur um bis zu 6 °C höher und im Sommer um bis zu 6 °C tiefer ist im Ver-gleich zur konventionellen Lüftung, wo die Frischluft direkt von aussen bezogen wird. Die Heiz- und vor allem die Kühlleistung durch Zuluft aus dem Hohlraum ist etwas geringer als beim Rippenrohr-Erdwärme-tauscher. Demgegenüber steht, dass die Investitionen für die Schaffung eines Hohl-raums unter dem Stall bedeutend geringer sind als für den Bau eines Rippenrohr-Erd-wärmetauschers neben dem Stall.

Literatur

C.I.G.R., 1992. First Report of working group on Climatization of animal houses. UK-Aberdeen, 1984.

Hilty R., Van Caenegem L., Herzog D., 2005 Preisbaukasten. Agroscope FAT Tänikon, Et-tenhausen.

Sagelsdorff R., Frank T., 1993. Wärme-schutz und Energie im Hochbau. Element 29 Schweizerische Ziegelindustrie, Zürich.

Van Caenegem L., Deglin D., 1998. Erdwär-metauscher für Mastschweineställe. FAT Schriftenreihe 48. Ettenhausen. S. 68

Van Caenegem L., Wechsler B., 2000. Stallklimawerte und ihre Berechnung. FAT Schriftenreihe 51. Ettenhausen. S. 89

Systemstalllüftung und Erdwärmetauscherlüftung im Vergleich / Zusammenfassung / Literatur



Impressum

Herausgeber: Forschungsanstalt Agroscope Reckenholz-Tänikon ART,Tänikon, CH-8356 Ettenhausen

Die ART-Berichte erscheinen in rund 20 Nummern pro Jahr. – Jahresabonnement Fr. 60.–. Bestellung von Abonnements und Einzelnummern: ART, Bibliothek, CH-8356 Ettenhausen. Telefon +41 (0)52 368 31 31, Fax +41 (0)52 365 11 90, [email protected], http://www.art.admin.chDie ART-Berichte sind auch in französischer Sprache als «Rapports ART» erhältlich.ISSN 1661-7568.Die ART-Berichte sind im Volltext im Internet (www.art.admin.ch)

ART-Berichte - Agroscope€¦ · ART-Berichte Nr. 672 2007 Früher: FAT-Berichte Zuluft aus dem...

Documents

Transcript of ART-Berichte - Agroscope€¦ · ART-Berichte Nr. 672 2007 Früher: FAT-Berichte Zuluft aus dem...