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Estimating ventilation rates and emissions from a naturally ventilated dairy barn
a three-column approach
Janke, David
FG Agromechatronik
Die Bestimmung von Luftwechselraten und Emissionen aus frei gelüfteten Tierhaltungssystemen ist mit großen Unsicherheiten behaftet. Das Ziel dieser Dissertation war die Untersuchung des Einfusses von Probenahmepositionen auf die Bestimmung von Luftwechselraten und Emissionen sowie die Optimierung und Weiterentwicklung derzeit angewandter Methoden.
Dazu wurden drei methodische Ansätze in Form eines Drei-Säulen-Modells angewendet: (1) Langzeitmessungen im Experimentalstall - Aufnahme von Gaskonzentrationen zur Ermittlung von Luftwechselraten und Ammoniakemissionen mittels indirekter Massenbilanzmethoden, (2) Versuche im atmosphärischen Grenzschichtwindkanal - Messsungen von Geschwindigkeiten und Gaskonzentrationen an einem Modell des Experimentalstalles zur Ermittlung von Luftwechselraten und Emissionen und (3) numerische Untersuchungen des Modells mit zwei quelloffenen transienten Strömungslösern.
Die Ergebnisse zu (1) wiesen, abhängig von der Gasprobenahmestrategie, maximale systematische Unterschiede zwischen den Methoden von bis zu 26 % für die Ammoniakemissionen und 94 % für die Luftwechselraten auf. Basierend auf den Ergebnissen konnten Empfehlungen für Gasprobenahmestrategien in Abhängig der vorherrschenden Strömungsszenarien bei der Anwendung indirekter Massenbilanzmethoden abgeleitet werden. Die Ergebnisse zu (2) zeigten systematische Fehler bei der Ermittlung der Emissionen von bis zu +97 %, wenn Konzentrationsund Geschwindigkeitsmessungen auf einer konstanten Höhe durchgeführt wurden. Dieser Fehler konnte unter 5 % gesenkt werden, wenn die Gaskonzentrationen als vertikale Mischprobe gemessen wurden.
Die Ergebnisse zu (3) zeigten eine gute Eignung quellofener, transienter Strömungslöser für den Anwendungsfall eines durchströmten frei gelüfteten Stalles. Die Luftwechselraten konnten mit einem relativen Fehler <4 % simuliert werden. Die Strömungslöser bieten somit ein großes Potential für detaillierte weiterführende Simulationen des Luftwechsels und der Emission frei gelüfteter Tierhaltungssysteme. Für jede der drei Methoden konnten ihre jeweiligen Vorteile und Limitierungen aufgezeigt werden, ebenso die Synergieefekte zwischen den Methoden. Das Drei-Säulen-Modell hat sich daher als vielversprechender Ansatz für die Untersuchung des komplexen Emissionssystems frei gelüfteter Tierställe erwiesen.
The determination of air exchange rates and emissions from naturally ventilated livestock systems is subject to great uncertainty. The aim of this thesis was to investigate the infuence of the number and positions of gas and velocity samplings on the determination of AER and emissions as well as to optimize and further develop currently applied methods. For this purpose, three diferent methods were applied in a three-column approach: (1) on-farm, long-term measurements of gas concentrations in a naturally ventilated dairy barn for the determination of air exchange rates and ammonia emissions by indirect mass balance methods, (2) boundary layer wind tunnel measurements of velocities and gas concentrations on a scaled down model of same the dairy barn for the determination of air exchange rates and emissions by direct measurement and (3) numerical investigations of the scaled down model with two open source transient fow solvers.
The results of (1) showed, depending on the gas sampling strategy, maximum systematic differences between the used strategies of up to 26 % for ammonia emissions and 94 % for air exchange rates. Based on the results, recommendations for gas sampling strategies could bederived depending on the prevailing fow scenarios when using indirect mass balance methods.
The results of (2) showed systematic errors in the determination of emissions of up to +97 % when concentration and velocity measurements were performed at a constant height. This error could be reduced below 5 % when gas concentrations were measured as vertical composite sample. The results of (3) showed a good feasibility of open source, transient fow solvers for the application of a cross fow through a naturally ventilated barn. The air exchange rates could be simulated with a relative error < 4 %. The fow solvers thus ofer a great potential for detailed further simulations of the air exchange rates and emissions of naturally ventilated animal housing systems.
For each of the three methods their respective advantages and limitations could be shown, as well as the synergy efects between the methods. The three-column approach has therefore proven to be a promising approach for the investigation of the complex emission system of naturally ventilated animal housing systems.
