2019 VDI-MEG

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14th ConferenceConstruction, Engineeringand Environment in Livestock FarmingHerausgeber/EditorKuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e. V. (KTBL) Association for Technology and Structures in Agriculture (KTBL)

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KTBL-TagungsbandKTBL-Conference Proceedings

14. Tagung

Bau, Technik und Umwelt in der landwirtschaftlichen Nutztierhaltung

24.–26. September 2019 in Bonn

14th Conference

Construction, Engineering and Environmentin Livestock Farming

September 24th–26th 2019 in Bonn, Germany

Veranstalter / Presented by

Max-Eyth-Gesellschaft Agrartechnik im VDI (VDI-MEG), DüsseldorfMax-Eyth-Society of Agricultural Engineering of the VDI (VDI-MEG), Düsseldorf, Germany

Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e. V. (KTBL), DarmstadtAssociation for Technology and Structures in Agriculture (KTBL), Darmstadt, Germany

Europäische Gesellschaft landwirtschaflicher Ingenieure (EurAgEng), Cranfield, GroßbritannienEuropean Society of Agricultural Engineers (EurAgEng), Cranfield, Great Britain

Ausrichter / Local Arrangements

Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, BonnUniversity of Bonn, Bonn, Germany

Förderer / Financial Support

Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL), Bonn/Berlin Federal Ministry of Food and Agriculture (BMEL), Bonn/Berlin, Germany

Programmausschuss / Scientific CommitteeProf. Dr. Wolfgang Büscher | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, BonnProf. Dr. Thomas Amon | Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie e. V., PotsdamProf. Dr. Heinz Bernhardt | Technische Universität München, MünchenDipl.-Ing. Sebastian Bönsch | Landwirtschaftskammer Niedersachsen, OldenburgProf. Dr. Eva Gallmann | Universität Hohenheim, StuttgartProf. Dr. Andreas Gronauer | Universität für Bodenkultur Wien, Wien (Österreich)Prof. Dr. Ir. Peter Groot Koerkamp | Wageningen University & Research, Wageningen (Niederlanden)Prof. Dr. Eberhard Hartung | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, KielProf. Dr. Engel Hessel | Johann Heinrich von Thünen-Institut, BraunschweigProf. Dr. Nicole Kemper | Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover, HannoverProf. Dr. Matthias Schick | AgroVet Strickhof, Lindau (Schweiz)Prof. Dr. Ir. Bart Sonck | Research Institute for Agriculture, Fisheries and Food, Melle (Belgien)Dr. Georg Wendl | Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft, FreisingProf. Dr. Martin Ziron | Fachhochschule Südwestfalen, Soest

Die Veröffentlichung enthält die Beiträge der Tagung. Für den Inhalt der Beiträge sind die Autorinnen und Autoren verantwortlich.This publication contains the proceedings of the conference. The authors are responsible for contents of their contribution.

© KTBL 2019Herausgeber und Vertrieb Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e.V. (KTBL) Bartningstraße 49 | 64289 Darmstadt Telefon +49 6151 7001-0 | E-Mail: ktbl@ktbl.de vertrieb@ktbl.de | Telefon Vertrieb +49 6151 7001-189 www.ktbl.deHerausgegeben mit Förderung des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages.Alle Rechte vorbehalten. Die Verwendung von Texten und Bildern, auch auszugsweise, ist ohne Zustimmung des KTBL urheberrechtswidrig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigung, Übersetzung, Mikroverfilmung sowie die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

Redaktion Dr. Manuel S. Krommweh | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, Bonn

Titelfoto KTBL | Darmstadt

Emissionen

Bau, Technik und Umwelt in der landwirtschaftlichen Nutztierhaltung 2019, Bonn 75

Die partielle Unterflurabsaugung zur Senkung der Emissionen und Verbesserung des Tierschutzes bei natürlich belüfteten Rinderställen

The partial underfloor suction to reduce the emissions and improve the animal welfare in naturally ventilated cattle stables

Julian hartJe, stefan linke

Thünen-Institut für Agrartechnologie, Bundesallee 47, 38116 Braunschweig; julian.hartje@thuenen.de

Zusammenfassung

Aufgrund von EU-Vorgaben ist Deutschland in den kommenden Jahren gezwungen, seine Ammoniakemissionen deutlich zu senken. Seit Jahren sind die Landwirtschaft und insbesondere die Rinderhaltung Hauptverursacher dieser Emissionen.

Das dargestellte Projekt simuliert das Emissionsminderungspotenzial in einem frei belüfteten Rinderstall durch eine partielle Unterflurabsaugung. Hierbei wird mechanisch ein Luftvolumenstrom unterhalb der Spaltenböden abgesaugt und einem Luftwäscher zugeführt. Neben der Senkung des Ammoniakmassenstroms in die Umwelt wird eben-falls die Durchströmungscharakteristik des Stalles betrachtet.

Die Ergebnisse der Simulation zeigen, dass der Emissionsmassenstrom von Ammoniak deutlich gesenkt werden kann. Ferner wird eine Verbesserung der Durchlüftung des Stal-les besonders im windabgewandten Bereich erzielt.

Die Untersuchungen und Auslegung der Unterflurabsaugung erfolgen mithilfe der numerischen Strömungssimulation.

Summary

Due to EU regulations, Germany will be forced to significantly reduce its ammonia emis-sions in the coming years. For years, agricultural and especially cattle farming have been the main causes of these emissions.

This project simulates the emission reduction potential in a naturally ventilated cattle stable due to a partial underfloor suction. Here, an air volume flow below the slatted floors is extracted mechanically and fed to an exhaust air treatment system. Besides the reduction of the ammonia mass flow into the environment, the indoor airflow is considered as well.

The results of the simulations have shown that the emission mass flow of ammonia can be significantly reduced. Moreover, an improvement of the indoor airflow is achieved, especially in the area facing away from the wind.

The investigations and dimensioning of the underfloor suction are done with compu-tational fluid dynamics.

Poster

76 Bau, Technik und Umwelt in der landwirtschaftlichen Nutztierhaltung 2019, Bonn

1 Einleitung

Versauerung und Stickstoffanreicherungen im Erdreich und in Gewässern sind Belas-tungen der Ökosysteme, die auf Ammoniak zurückgeführt werden können (UBA 2014). Die von der EU herausgegebene NERC-Richtlinie 2016/2284 (2016) legt die Emissions-minderungsmengen für konkrete Luftschadstoffe in den kommenden Jahren fest. Für den Luftschadstoff Ammoniak bedeutet das in Deutschland eine Reduktion um 5 % in jedem Jahr zwischen 2020 bis 2029 und ab 2030 in jedem Jahr um 29 %, gemessen am Stand von 2005.

Die Ammoniakemissionen in Deutschland betrugen im Jahr 2005 laut Umweltbundes-amt 625.000 t und sind bis zum Jahr 2016 auf 663.000 t angestiegen (UBA 2018). Die Landwirtschaft ist mit knapp 95 % dabei die größte Quelle der Emission von Ammoniak (UBA 2018). Besonders die Rinderhaltung tritt im landwirtschaftlichen Bereich in den Fokus. Ihr wird ein Anteil von 52 % an der Freisetzung von Ammoniak zugeschrieben (UBA 2014). Laut Haenel et al. (2018) entfallen davon 32,4 % auf den Stall und 9,0 % auf die Güllelagerung.

Eine Möglichkeit zur Reduzierung der (Ammoniak-)Emissionen bietet die Unterflurab-saugung (Jungbluth et al. 2005, UBA 2015). Im Unterflurbereich wird ein Volumenstrom abgesaugt und in der Regel einer Abluftreinigungsanlage zugeführt. Dieses System wur-de am Thünen-Institut für Agrartechnologie für einen zwangsbelüfteten Schweinestall entwickelt (Krause et al. 2010, Krause 2012). Ziel ist es nun, dieses Konzept in einen frei belüfteten Rinderstall zu übertragen.

Neben der Reduzierung der Emissionen wird außerdem erwartet, dass es zu einer Verbesserung der Durchströmungscharakteristik im Stall kommt. Dies wäre vor allem an heißen und windstillen Tagen von Bedeutung, da es durch die Absaugung zu einem verbesserten Luftstrom durch das Stallinnere im Vergleich zu einem System ohne Absaugung kommen kann. Durch den so entstehenden Wind-chill-Effekt (DWD 2019) wird möglicherweise die Gefahr von Hitzestress für die Tiere gesenkt.

2 Material und Methoden

2.1 Stall und StallmodellDer in diesem Projekt simulierte Kuhstall ist ein Entwurf vom beteiligten Projektpartner Norddeutsche Bauernsiedlung GmbH. Er basiert auf deren neustem Entwicklungsstand und wurde um eine partielle Unterflurabsaugung erweitert. Die Maße des Stalles betra-gen 12 x 43 x 78 m (H x B x T). Er ist für 255 Milchkühe ausgelegt und hat auf beiden Traufseiten jeweils einen Futtergang. Die Tiere laufen auf Vollspaltenböden und die Lie-geboxen sind eingestreut. Unterhalb der Spaltenböden befinden sich zwei voneinander unabhängige Güllekeller. Die Lüftung kann über Jalousien an den Traufseiten geregelt werden.

Emissionen

Bau, Technik und Umwelt in der landwirtschaftlichen Nutztierhaltung 2019, Bonn 77

Das in den bisherigen Berechnungen verwendete Stallmodell ist ein Teilsegment des Gesamtstalles mit einer Tiefe von 19 m. Die Reduzierung fand aufgrund begrenzter Rechenkapazitäten statt. Sowohl die Spaltenböden als auch die Kühe (hier 14 Tiere) wur-den ausmodelliert. Nicht berücksichtigt wurden bislang die Jalousien, da alle Berech-nungen bei voll geöffneten Seitenwänden durchgeführt wurden.

2.2 Numerische StrömungssimulationMithilfe der numerischen Strömungssimulation lässt sich für ein geometrisches Modell eine Vielzahl von verschiedenen Randbedingungen untersuchen. So können beispiels-weise die Temperatur oder die Geschwindigkeit einer Strömung variiert werden, ohne dass ein neues Modell zu generieren ist.

In dem hier beschriebenen Projekt wurde die Software Star-CCM+ der Firma Siemens in der Version 12.06.011 verwendet. Es wurden RANS-Simulationen (Reynolds averaged Navier Stokes) durchgeführt. Zur Schließung des Gleichungssystems der turbulenten Strömung diente das Realizable k-ε-Two-Layer Modell. Die Turbulenzintensität betrug 1 %. Die Größe der Rechenumgebung lag bei 61 x 340 x 19 m (H x B x T) bei einer durchschnittlichen Elementkantenlänge von 2,262 m. Dies führte zu einer Elementan-zahl von 3.026.268. Zur Simulation der Ausbreitung von Ammoniak wurde auf die Oberfläche der Gülle sowie die Ober- und Seitenflächen des Spaltenbodens eine Ammo-niakkonzentration von 20 ppm gesetzt und über einen passiven Skalar simuliert. Die Gülleoberfläche wurde dabei als Wand dargestellt.

Es wurden verschiedene Windgeschwindigkeiten und Absaugvolumenströme unter-sucht. Erstere wurden über ein parabelförmiges Geschwindigkeitsprofil (Gl. 1) am Einlass aufgeprägt.

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(Gl. 1)

Hier sind v10 die Referenzgeschwindigkeit in einer Höhe von 10 m in m/s und h die Höhe in m. In den Darstellungen der Ergebnisse in Kapitel 3 wird als Anströmgeschwin-digkeit stets v10 angegeben.

Die dort dargestellten Absaugvolumenströme ergaben sich durch die Betriebsdreh-zahl der Ventilatoren, die zwischen dem Güllekeller und dem Absaugkanal eingebaut sind. Die Modellierung dieser Ventilatoren erfolgte über ein Fan-Interface, bei dem die Kennlinie des Ventilators bei einer bestimmten Drehzahl eingelesen wird und davon ausgehend die Performance bei einer beliebigen anderen Drehzahl über die Fan-Gesetze ermittelt wird. Die Aufprägung auf das Strömungsfeld erfolgt dann über einen Druck-sprung in der Ventilatorebene.

Der Einlass wurde als velocity-inlet und der Auslass als pressure-outlet mit der Rand-bedingung von 0 Pa modelliert. Die giebelseitigen Begrenzungen der Rechenumgebung wurden als symmetry-plane dargestellt. Die obere Begrenzung der Rechenumgebung wurde ebenfalls als symmetry-plane dargestellt, da so eine stabile Simulation gewähr-leistet werden konnte.

Poster

78 Bau, Technik und Umwelt in der landwirtschaftlichen Nutztierhaltung 2019, Bonn

3 Ergebnisse und Diskussion

Die Simulationen haben gezeigt, dass es ein hohes Potenzial zur Minderung des Ammo-niakmassenstroms eines frei belüfteten Rinderstalles durch die partielle Unterflurabsau-gung gibt. In Abbildung 1 ist das Stallsegment ohne und mit Unterflurabsaugung dar-gestellt. Beide Simulationen wurden mit einer Anströmgeschwindigkeit (v10) von 3 m/s durchgeführt. Die Luft strömt in beiden Fällen von links nach rechts.

Es ist zu erkennen, dass in der Konfiguration ohne Unterflurabsaugung (links) die Luft in die Güllekeller eintaucht und mit Ammoniak angereichert wieder in den Oberflurbe-reich eintritt. Dadurch steigt die Ammoniakkonzentration in Strömungsrichtung im Stall an und entweicht ungehindert in die Umwelt.

Die Unterflurabsaugung im rechten Bild sorgt dafür, dass die Strömung, die in die Güllekeller eintaucht, durch den negativen Druckgradienten zwischen Ober- und Unter-flurbereich dort gehalten und in den Absaugkanal gesogen wird. Die Ammoniakkon-zentration im Oberflurbereich steigt nur noch gering in Strömungsrichtung an, sodass deutlich weniger Ammoniak in die Umwelt entweicht.

Eine Übersicht zu den resultierenden NH3-Massenströmen aus dem Stall in die Umwelt bei weiteren variierten Randbedingungen (Anströmgeschwindigkeit und Absaugvolumenstrom) bietet Abbildung 2.

Es zeigt sich, dass mit steigender Anströmgeschwindigkeit aufgrund des daraus resul-tierenden höheren Volumenstromes durch den Stall auch der Massenstrom von Ammo-niak in die Umwelt zunimmt (Gl. 2).

(Gl. 2)

Hierin sind ṁNH3 der Ammoniakmassenstrom in kg/h, V

.Luft der Volumenstrom der Luft

durch den Stall in m³/h und CNH3 die Konzentration von Ammoniak in der Luft in kg/m³.

Abb. 1: Resultierende Ammoniakkonzentration bei einer Anströmgeschwindigkeit (v10) von 3 m/s ohne (links) und mit (rechts) Unterflurabsaugung (© Hartje)Fig. 1: Resulting ammonia concentration at a wind speed (v10) of 3 m/s without (left) and with (right) underfloor suction (© Hartje)

Emissionen

Bau, Technik und Umwelt in der landwirtschaftlichen Nutztierhaltung 2019, Bonn 79

Darüber hinaus wird deutlich, dass bereits bei kleinen Absaugvolumenströmen der Ammoniakmassenstrom in die Umwelt deutlich abnimmt. Hier können theoretische Minderungen von bis zu 96 % (77.000 m³/h bei 3 m/s) gegenüber einem Stall ohne Unterflurabsaugung (0 m³/h) bei gleicher Anströmgeschwindigkeit erreicht werden.

Werden ferner die Strömungsgeschwindigkeiten im windabgewandten Stallbereich betrachtet, zeigt sich ebenfalls ein positiver Einfluss der Unterflurabsaugung. Eine in diesem Stallteil positionierte Messstelle in Höhe von 1,5 m verzeichnet größere Strö-mungsgeschwindigkeiten in x-Richtung bei angeschalteter Unterflurabsaugung als ohne (Abb. 3, links). Der Einfluss einer Erhöhung des Absaugvolumenstroms ist hier allerdings gering. Die Geschwindigkeit in x-Richtung steigt dadurch kaum weiter an.

Abb. 2: Resultierende NH3-Massenströme in die Umwelt aus dem Stall für verschiedene Anström- geschwindigkeiten und Absaugvolumenströme (© Hartje)Fig. 2: Resulting NH3 mass flows from the stable into the environment for different wind speeds and suction volume flows (© Hartje)

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Anströmge‐schwindigkeit in 

m/sNH3‐Massenstrom

 in g/h in

 die Umwelt

Absaugvolumenstrom in m³/h pro Kanal

Abb. 3: Strömungsgeschwindigkeit in x-Richtung an eingezeichneter Messstelle (rechtes Bild, roter Punkt) in 1,5 m Höhe für verschiedene Anströmgeschwindigkeiten und Absaugvolumenströme (© Hartje)Fig. 3: Flow velocity in x-direction at the marked position (right picture, red dot) in a hight of 1.5 m for different wind speeds and suction volume flows (© Hartje)

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Anströmge‐schwindigkeit in 

m/s

v xbe

i Messstelle

 in m

/s

Absaugvolumenstrom in m³/h pro Kanal

Poster

80 Bau, Technik und Umwelt in der landwirtschaftlichen Nutztierhaltung 2019, Bonn

4 Zusammenfassung und Ausblick

Für ein Stallsegment wurden numerische Simulationen durchgeführt, um den Einfluss einer partiellen Unterflurabsaugung auf den Ammoniakmassenstrom in die Umwelt und die Strömungscharakteristik im Stallinneren zu untersuchen.

Es hat sich gezeigt, dass für beide Betrachtungen eine Verbesserung bei unterschied-lichen Windgeschwindigkeiten und Absaugvolumenströmen erzielt werden kann. Durch die Absaugung wird der Massenstrom von Ammoniak in die Umwelt deutlich gesenkt. Außerdem wird besonders der hintere, windabgewandte Teil des Stalles besser durchlüf-tet, wodurch hier die Luftqualität im Vergleich zu einem Stall ohne Absaugung steigt.

Im weiteren Projektverlauf werden Untersuchungen bei Windstille und außerdem bei geschlossenen Jalousien durchgeführt. Ferner wird ein numerisches Modell des Gesamt-stalles aufgebaut. Dies soll zum einen zur Validierung der Rechnungen am Segment und zum anderen zur Untersuchung des Strömungsverhaltens im Stallinneren bei Schrägan-strömung und bei geöffneten Toren dienen.

Literatur

DWD (2019): Wind Chill-Effekt. https://www.dwd.de/DE/service/lexikon/Functions/glossar.html?lv2=102936&lv3=103172, Zugriff am 06.03.2019

Haenel, H.-D.; Rösemann, C.; Dämmgen, U.; Döring, U.; Wulf, S., Eurich-Menden, B.; Freibauer, A.; Döhler, H.; Schreiner, C.; Osterburg, B. (2018): Berechnung von gas- und partikelförmigen Emissionen aus der deutschen Landwirtschaft 1990 – 2016. Report zu Methoden und Daten (RMD) Berichterstattung 2018. Schriftenreihe: Thünen Report 57, Braunschweig, Johann Heinrich von Thünen-Institut

Jungbluth, T.; Büscher, W.; Krause, M. (2005): Technik Tierhaltung: Grundwissen Bachelor. Stuttgart, UTB GmbH, 1. Aufl.

Krause, K.-H.; Müller, H.-J.; Mußlick, M.; Linke, S (2010): Mit intelligenter Lüftung gehen Tiergesundheit, Umweltschutz und Energieeinsparung zusammen. Landtechnik 1, S. 15–19

Krause, K.-H. (2012): Verfahren und Vorrichtung zum Be- und Entlüften. Erfinder: K.-H. Krause und M. Mußlick. 04.07.2012. Anmeldung: 27.10.2009. EP, Patentschrift EP2181583B1

UBA (2014): Ammoniak, Geruch und Staub. https://www.umweltbundesamt.de/themen/boden-landwirtschaft/umweltbelastungen-der-landwirtschaft/ammoniak-geruch-staub#textpart-1, Zugriff am 06.03.2019

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