Reklama

Vliv typu střešní krytiny na tepelnou zátěž stájí pro chov dojeného skotu

12.8.2013

Ing. Jan Topič, Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavební

Recenzovaný

Článek se zabývá vlivem typu střešní krytiny na tepelnou zátěž stájí pro chov skotu v závislosti na vnějších tepelných ziscích a vlivem tepelné zátěze na užitkovost dojnic. Metodika výpočtu tepelné zátěže vychází z ČSN 73 0543 – 2 Vnitřní prostředí stájových objektů – Část 2: Větrání a vytápění.

Reklama

Úvod

Převážná většina hospodářských zvířat se v současné době chová v našich klimatických podmínkách trvale nebo velkou část roku ve stájích, v uzavřeném prostoru, který je obklopuje. Vlivem podmínek venkovního klimatu, vlivem životních pochodů zvířat, činností strojů a zařízení ve stáji a působením řady dalších fyzikálních, chemických a biologických procesů se v tomto prostoru utváří určité změněné mikroklima, odlišné od venkovního.

Vhodné stájové prostředí, odpovídající všemi svými parametry nárokům ustájených zvířat, je kromě plemenářské práce a dobré výživy rozhodujícím předpokladem úspěšnosti chovu, protože ovlivňuje zdravotní stav zvířat, jejich užitkovost a spotřebu krmiv. Tím se projevuje stájové prostředí velmi významně v celkové výsledné efektivnosti živočišné výroby.

Zkušenosti ze zemědělského provozu ukazují, že stájové prostředí v mnoha objektech živočišné výroby neodpovídá potřebám daného druhu a kategorie ustájených zvířat. Velmi závažným zdrojem poruch při tvorbě a zajišťování pohody stájového prostředí je i obsluha.

Tepelný stres dojnic

V mnoha chovech mohou vysoké teploty vzduchu způsobit značné problémy. Organismus skotu se vyznačuje schopností vytvářet velké množství tepla nejen životními procesy, ale i svalovou aktivitou a především mikrobiální činností předžaludků. Obecně lze říci, že u skotu není problém teplo vyrobit, ale přebytečného tepla se zbavit. Při dlouhodobém působení veder, kdy hrozí přehřátí organismu, a mechanismy výdeje tepla začínají být neúměrně namáhány, dochází k omezení intenzity energetického metabolismu zvířete a snížení jeho tepelné produkce. Současně jsou však utlumeny i funkce související s tvorbou produktů. Organismus snižuje příjem krmiv a přijatá energie slouží pouze k zajištění tepelné rovnováhy organismu. To je příčinou toho, proč lze během letních měsíců pozorovat pokles užitkovosti a pokles přírustku živé hmotnosti. Tyto reakce organismu jsou označovány jako tepelný stres.

Tepelný stres snáší nejhůře dojnice v první třetině laktace, kdy produkují nejvíce mléka. Podle údajů z literatury je pro dojnice kritická teplota mezi 24–27 °C. Nad touto hranicí se snižuje příjem krmiva, mléčná produkce a reprodukční schopnosti. V praktických podmínkách se posuzuje teplota vzduchu – za limit se považuje 27 °C. Jsou i další kritéria tepelného stresu. Například když se frekvence dýchází zvýší nad 80 dechů za minutu nebo když spotřeba sušiny a mléčná produkce klesne o 10 %. Sledování respirace ale ukázala, že hranice pro zvýšenou frekvenci dechu je už 21,3 °C. A skutečně se dokázalo u vysokoužitkových dojnic, např. plemena holštýn, že kritická teplota vzduchu je už 21 °C. Zvyšuje se frekvence dechu, příjem sušiny krmné dávky klesá až o 25% a produkce mléka o 10 až 20 %. Snížení dojivosti během letních extrémů má proto velký ekonomický dopad.

Tabulka 1 Požadavky skotu na teplotu prostředí [1]
Kategorie	Věk zvířat [měsíce]	Teplota [°C]
Způsob ustájení		min.	optimální
Způsob ustájení		min.	zimní	letní
TELATA
Profylaktorium 30 až 40 kg	do 0,5	8	10 až 14	18 až 22
Oddělení mléčné výživy – individuální (stelivové i bezstelivové)	do 3	8	10 až 14	18 až 22
Oddělení rostlinné výživy – volné (stelivové i bezstelivové)	3 až 6	3	8 až 10	14 až 22
ODCHOV JALOVIC
– volné ustájení	6 až 22	1	6 až 10	14 až 22
VÝKRM SKOTU
– volné ustájení	6 až 22	1	6 až 10	16 až 22
DOJNICE Kombinovaný užitkový typ (do 4000 kg mléka ročně)
– volné (stelivové i bezstelivové)		1	6 až 12	14 až 22
– vazné stelivové		3	8 až 14	16 až 22
– vazné bezstelivové		5	10 až 14	16 až 22
Mléčný užitkový typ (nad 4000 kg mléka ročně)
– volné stelivové		1	6 až 12	14 až 22
– volné bezstelivové		1	6 až 12	14 až 22
– vazné stelivové		1	6 až 12	16 až 22
– vazné bezstelivové		3	8 až 14	16 až 22
Porodna
– vazné stelivové		5	10 až 14	18 až 22

Vliv teploty prostředí na užitkovost dojnic

Autor článku provedl dvě nezávislá ověřovací měření, která potvrzují depresi mléčné užitkovosti v závislosti na zvyšující se teplotě prostředí. První měření proběhlo v podniku Zámoraví, a.s. v roce 2004, viz graf na obrázku 1, druhé v podniku Kvasicko, a.s. v roce 2011, viz graf na obrázku 2.

Obrázek 1: Průměrný nádoj a teplota, rok 2004, Zámoraví, a.s.

Obrázek 2: Průměrný nádoj a teplota, rok 2011, Kvasicko, a.s.

Z uvedených grafů vyplývá závislost průměrného nádoje na teplotě prostředí. Je v něm však také zřejmá jistá míra aklimatizace dobytka v letních měsících. Přesto je zřejmý výrazný pokles průměrného nádoje v závislosti na nárustu průměrné denní teploty a na teplotním skoku.

Rozdíl v depresi mléčné užitkovosti v jednotlivých měřeních je dán metodou měření a získání naměřených dat.

Měření z roku 2004 (graf 1) je stanoveno pro počet dojených krav v porovnání s denním nádojem mléka v kvalitě ke zpracování – určeného k prodeji zpracovateli ze skladovacího chladícího tanku. V měření tedy není zahrnutý nádoj mléka medikovaných, případně zánětových krav.

Měření z roku 2011 (graf 2) je pak ale určeno z počtu kusů, které projdou dojírnou a objemu nadojeného mléka všech krav, které do dojírny vstoupí, neboť se jedná o dojírnu s identifikací a měřením nádoje na dojícím místě. V nádoji a počtu dojených krav jsou tedy zahrnuty i zánětové, případně medikované krávy. To zkresluje celkovou užitkovost, protože ikdyž je mléko od těchto krav zaznamenáno v měření, není možné ho smíchat s mlékem určeným ke zpracování – prodeji zpracovateli. Pokud by se toto mléko z měření vyřadilo, byla by deprese mléčné užitkovosti vyšší.

Tepelná zátěž prostoru ustájenými zvířaty

Pro výpočet lze použít metodiku stanovenou v ČSN 73 0543 – 2. Tato metodika bere v úvahu užitkovost dobytka a v souvislosti s tím produkci metabolického tepla. Odtud pak udává výpočet pro produkci citelného tepla.

Výpočtové hodnoty se stanoví dle vztahu [3]:

(1)

t_i: – teplota stájového vzduchu [°C]
m_z: – hmotnost jednoho zvířete [kg.ks⁻¹]
a₁, a₂, a₃, d: – konst. dle ČSN 73 0543 – 2, tab. A11
f_l: – korekce na užitkovost pro hodnoty biologických produkcí dojnic

(2)

m_m: – roční produkce mléka [kg.ks⁻¹]
Stanovena na průměrnou hodnotu 7000 kg.ks⁻¹ za 305 dnů laktace

Pro celkovou produkci tepla jednoho zvířete platí dle vztahu 1:

Pro teplotu 25 °C je produkce tepla 1263,98 W.ks⁻¹, pro 30 °C pak 1227,02 W.ks⁻¹.

Celková produkce vodních par m_d při t_i = 20 °C:

Pro teplotu 25 °C je produkce par 293,82 mg.s⁻¹.ks⁻¹, pro 30 °C pak 369,59 mg.s⁻¹.ks⁻¹.

Celková produkce vodní páry m_do v mg.s⁻¹ks⁻¹, tj. včetně odparu z mokrých ploch, vztažená na 1 zvíře:

(3)

o: – korekce pro zahrnutí odparu z mokrých ploch do produkce vodních par [-]

pro m_d při t_i = 20 °C:

Zdánlivá produkce citelného tepla jednoho zvířete q_c ve W.ks⁻¹ se stanoví odečtením tepla vázaného v celkové produkci vlhkosti od celkové produkce tepla q_s podle vztahu:

(4)

Δm_do: – zvýšení odparu vody při použití podlahového vytápění – Δm_do = 0
r_w: – výparné teplo vody [kJ.kg⁻¹], které se stanoví ze vztahu:

(5)

při t_i = 20 °C:

Zdánlivá produkce citelného tepla dosazením do rovnice 4:

při t_i = 20 °C:

Obrázek 3: Tepelná zátěž dané stáje ustájeným dobytkem

Pro teplotu 25 °C je zdánlivá produkce citelného tepla 475,05 W.ks⁻¹, pro 30 °C pak je výsledek 239,45 W.ks⁻¹.

Tepelná zátěž prostoru ustájeným dobytkem je při 20 °C 159,75 kW, při 25 °C je zátěž 111,16 kW a při 30 °C 56,03 kW pro 234 ustájených dojnic.

Vliv teploty střešních krytin na tepelnou zátěž prostoru

Vzhledem k tomu, že objekty stájí pro skot nejsou vytápěny a jsou větrány pouze přirozeně, případně nuceně, je třeba hledat možnosti zlepšení vnitřního klimatu stájí zejména v jejich konstrukci.

Výše zmíněná ČSN 73 0543 – 2 uvažuje tepelnou zátěž prostoru pouze ustájeným dobytkem a řeší dávku vzduchu pro odvod tepla vyprodukovaného zvířaty ustájenými v daném prostoru. Stáje jsou konstruovány prakticky jako přístřešky, kdy v obvodových stěnách jsou otevřené okenní otvory s velmi nízkými parapety. Střešní konstrukce je pak tvořena jednoplášťovou střešní krytinou.

Pro stanovení vlivů jednotlivých nejběžněji používaných střešních krytin na vnitřní tepelnou zátěž bylo provedeno experimentální měření v letních měsících.

Měření probíhalo na objektu, který svou konstrukcí a typologií odpovídá stávajícím preferovaným konstrukcím stájových objektů pro chov dojnic. Objekt se nachází v uzavřeném areálu zemědělské společnosti Agrova, a.s. v obci Prusinovice, okres Kroměříž, Zlínský kraj. Sklon střešních rovin je 20°, azimut měřené střešní roviny je 135°. Na objektu je instalována střešní krytina z vláknocementových šablon. V části stáje, kde byla střecha stržena větrem, je pak dodatečně použita střešní krytina z plechových šablon. To jsou hlavní zástupci střešních krytin používaných v současné době k zastřešení stájí.

Obrázek 4: Pohled na objekt s měřenými konstrukcemi

Obrázek 5: Pohled do interiéru měřeného objektu

Obrázek 6: Připojení měřících prvků

Obrázek 7: Výstup z dataloggeru

Pomocí dataloggeru Comet pak byla měřena teplota a vlhkost vzduchu a teplota rosného bodu. Všechny hodnoty byly zapisovány v kroku 10 minut.

Měření probíhalo kontinuálně a měřené hodnoty byly zaznamenány měřící ústřednou ALMEMO. Současně byly měřeny teploty jednotlivých krytin na horním a dolním povrchu a pomocí pyranometru pak byla zaznamenávána intenzita sluneční radiace.

Obrázek 8: Výsledné teploty vláknocementové střešní krytiny v závislosti na sluneční radiaci

Obrázek 9: Výsledné teploty střešní krytiny z trapézového plechu v závislosti na sluneční radiaci

Dle očekávání z výsledků měření pak vyplývá, že každá krytina má jiné povrchové teploty v závislosti na vlastnostech materiálu. Při porovnání výsledků jednotlivých krytin lze dospět k závěru, která z krytin je nejvhodnější.

Trapézový plech dosahuje při zatížení sluneční radiací běžného letního dne, v daném případě 830 W.m⁻², na straně interiéru teploty až 50,8 °C. Vláknocementová střešní krytina oproti tomu, v důsledku větší tloušťky materiálu a nižších hodnot součinitele tepelné vodivosti, dosahuje ve stejném čase maxima v hodnotě 43,4 °C.

V době maxima jednotlivých teplot na spodní straně střešní krytiny, tedy v době od 14:10 do 14:20 hodin, byla teplota venkovního vzduchu 31,6 °C.

Tepelná zátěž prostoru povrchem střechy

Tepelná zátěž konstrukcí střechy z vláknocementové krytiny

Tepelná zátěž konstrukcí střechy pro t_i = 20 °C je stanovena dle vztahu [2]:

(6)

Obrázek 10: Tepelná zátěž konstrukcí střechy z vláknocementové krytiny

q´: – měrný tepelný výkon sálavé plochy směrem dolů [W.m⁻²]
h´_p: – součinitel přestupu tepla směrem dolů [W.(m⁻².K⁻¹)]
θ_s: – povrchová teplota konstrukce [K]
θ_i: – teplota interiéru [K]
S_s: – plocha povrchu konstrukce [m²]

Pro teplotu 25 °C je tepelná zátěž konstrukcí střechy 299,65 kW, pro 30 °C pak 218,23 kW.

Tepelná zátěž konstrukcí střechy z plechové krytiny

Obrázek 11: Tepelná zátěž konstrukcí střechy z plechové krytiny

Při dosazení do vztahu 6 lze stanovit tepelnou zátěž stáje konstrukcí střechy z plechové krytiny. Pro teplotu 20 °C je to 501,59 kW, pro 25 °C je tepelná zátěž 420,17 kW a pro 30 °C pak 338,74 kW.

Celková tepelná zátěž prostoru

Obrázek 12: Celková tepelná zátěž stáje dobytkem a konstrukcí střechy

Tepelnou zátěž prostoru lze stanovit součtem jednotlivých tepelných zátěží, které jsou zejména:

Tepelná zátěž konstrukcí střechy
Tepelná zátěž ustájenými zvířaty

Celková tepelná zátěž prostoru je dána součtem jednotlivých tepelných zátěží:

(7)

Q_k: – tepelná zátěž konstrukcemi [W]
Q_d: – tepelná zátěž ustájeným dobytkem [W]

Pro vláknocementovou krytinu je tedy při t_i = t_e = 20 °C celková tepelná zátěž prostoru stáje 540,83 kW, při 25 °C je to 410,81 kW a při 30 °C je to 274,26 kW. Pro plechovou střešní krytinu je celková tepelná zátěž při 20 °C 661,34 kW, při 25 °C je to 531,33 kW a při 30 °C je 394 kW.

Závěr

Z uvedených výsledků měření a výpočtů jednotlivých dominantních tepelných zátěží vyplývá, že není možné stanovit dávku větracího vzduchu a posuzovat vnitřní klima stájového prostoru v letních měsících, pouze na základě tepelné produkce ustájených zvířat. Z výsledků a grafů je zřejmé, že tepelná zátěž konstrukcí střechy může mít výrazný vliv na tepelnou pohodu ve stáji a může i několikanásobně překračovat hodnoty tepelné zátěže ustájenými zvířaty. Není tedy možné posuzovat vnitřníklima stájových objektů a jejich větrání pouze na základě tepelné zátěže zvířaty.

Prostory stájí jsou výrazně namáhány teplem v letním období a je velmi složité při takovýchto zátěžích dodržet požadavky na vnitřní teplotu prostředí. Při projektování stájí pro chov dojnic a obecně skotu, je nutné si uvědomit, že problémem není nízká teplota prostředí v zimních měsících, protože dobytek má velmi dobré termoregulační schopnosti při nízkých teplotách, ale z hlediska užitkovosti je velkým problémem teplotní stres v letním období. Je tedy nutné tyto vlivy eliminovat všemi dostupnými prostředky.

Zdroje

[1] KIC, Pavel – BROŽ, Václav. Tvorba stájového prostředí. Praha: IVV Mze ČR, 1995. ISBN 80-7105-106-3
[2] PETRÁŠ, Dušan – KOUDELKOVÁ, Daniela – KABELE, Karel. Teplovodní a elektrické podlahové vytápění. Bratislava: Jaga group, s.r.o., 2004. ISBN 80-88905-97-4
[3] ČSN 73 0543 – 2 Vnitřní prostředí stájových objektů – Část 2, Větrání a vytápění

English Synopsis

At high temperatures during the summer a reduction of efficiency of diary cattle occurs due to thermal stress. The article addresses the influence of the type of roofing on the heat load of stables for cattle, and its impact on performance of diary cattle. The methodology of a heat gain calculation is based on the Czech Technical Norm CSN 730543-2 Internal Environment of Stable Objects - Part 2: Ventilation and Heating.