Eingestreute Milchviehställe

RINDERHALTUNG

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Bernhard Haidn, Alois Kramer u nd Hans Schön, Freising

Eingestreute Milchviehställe

Wärmeströme der liegefläche

Rinder benötigen außerhalb der thermo­

neutralen Zone zusätzliche Energie für Thermoregulationsmechanismen. Diese Energie steht nicht mehr für Leistung zur Verfügung. Wärmedämmende Maßnahmen oder eingestreute Liegeflächen können den Wärmeab-/zufluss und damit die Grenzen der thermoneutralen Zone verän­

dern. Mit Hilfe eines Kalorimeters wurden Wärmeströme zwischen einem Wasser­

körper mit Tierkörpertemperatur und verschiedenen Liegeflächen (Liegeboxe, Tretmist-, Tiefstreumatratze) gemessen sowie Einflussgrößen quantifiziert.

Z

wischen Rind und U mwelt findet ein ständiger Energieaustausch statt ( Bild 1 ) . Da Rinder 9 bis 13 h/d liegend mit Wiederkäuen und Dösen verbringen, be­

einflussen d ie Wärmeströme zwischen Tier und Liegefläche (Wä rmekond uktion) d ie Thermobilanz der Rinder ebenso wie der Wärmeenergieaustausch m it der Um­

gebungsluft (Evaporation, Konvektion und Konduktion) sowie m it der Gebäu­

dehülle (Radiation und Kondu ktion) . Der Energieaustausch lässt sich bau­

technisch d urch untersch iedliche Gebäu­

dehüllen und damit u nterschiedliche Stalllufttemperaturen oder Bodengestal­

tungen (etwa Wärmedämmung) beein­

fl ussen. i n diesem Sinne wirken a uch un­

terschiedlich große Einstreu mengen. Sie ü ben einen direkten Einfluss auf die Wär­

m ekonduktion zwischen Liegegrund und Tier und damit a uf die gesamte Thermo­

bilanz a us. M it d iesem Stellglied ist inner­

halb bestim mter Grenzen der thermore­

gulatorische Energieaufwa nd für das Tier zu beeinflussen . Die Wirkung unter­

schiedlich eingestreuter Liegeflächen war i m Rahmen eines von der DFG geförder­

ten Forschungsprojektes zu untersuchen.

Wärmestrommessung

Wärmeströme zwischen einem liegenden R ind und der Liegefläche lassen sich nur schwer messen. Deshalb wurde eine M esseinrichtung gebaut, die d ie Wärme­

ströme nachempfindet, denen ein l ie-

gendes Tier ausgesetzt ist. H ierfür wurde ein tragbares Kalorimeter konstruiert, das einen Druck, der annähernd dem einer liegenden Kuh entspricht, a uf die U nter­

lage ausübt ( Bild 2). Das Kalorimeter be­

steht a us einem mit rund 85 kg Wasser gefüllten wärmegedämmten Gefäß mit dün ner, flexibler Bodenmembra n . Ein Thermostat mit angeschlossener Um­

wälzpumpe hält das Wasser a uf vorgege­

bener konstanter Temperatur. Zwischen dem Gefäß und dem zu prüfenden Bo­

dengrund befindet sich ein 10 mm d icker Wärmestromsensor, dessen kalibriertes Ausgangssignal proportional dem Wär­

mestrom ist, der dem Wasserkörper über die Bodenmembran zu- oder a bfließt.

Dem Wasserkörper zufließende Ströme werden mit positivem, abfließende Ener­

gieströme mit negativem Vorzeichen ge­

ken nzeichnet. Weitere Sensoren messen die Oberflächentemperaturen am Wär­

mestromsensor sowie d ie Untergrund­

temperatur in 10 cm und 20 cm Tiefe. Ein Datalogger speichert d ie Messgrößen für d ie spätere PC-Auswertung.

Ergebnisse

Der Wasserkörper im Kalorimeter wurde a uf Tierkörpertem peratur (39 °C) erwärmt und die Wärmeströme zwischen Wasser­

körper und den in Sta l l u ngen ü blichen Liegeflächen ( Liegeboxe, Tretmist-, Tief­

streumatratze) aufgezeichnet. Verschie­

dene Einflüsse werden qua ntifiziert.

Stallsystem

Die gemessene Wärmea bfu hr von einge­

streuten Liegeboxen ist im Durchschnitt größer als von tiefeingestreuten Liegema­

tratzen in Tretmist- oder Tiefstreuställen ( Tab. 1). Ein Mittel­

wertsvergleich (Tucky-Test) ergibt allerdings, dass hin­

sichtlich der Wär­

merücklieferung die U ntersch iede zwi­

schen den einge­

streuten Ha ltungs-

Bild 1 : A usgewählte Energieströme im System Umwelt - Rind Fig. 1 : Selected heat f/ows in the system

systemen bei einem Signifikanzniveau von a = 5 % nicht sign ifikant sind . Die U r­

sache liegt a n der großen Streuung der Werte im Tretmist- u n d Tiefstreusystem.

Weitere verfahrenstechn isch relevante Einflussfaktoren sind d eshal b maßgeblich und genauer zu untersuchen.

Stalllufttemperatur

Ein Einfluss der Umgebu ngstem peratur auf die Tem peratur der Liegematratze konnte bei einem r2 ⁼ 0, 13 nachgewiesen werden, jedoch nicht a uf d ie Wärme­

stromdichte. Die linea re Regressionsge­

rade la utet:

T Liegemalatze [°C] = 1 8,43 °C + 0,505 [°Cf0Cl ^• TLu« [°C] (r2 = 0, 13)

M it steigender U mgebungstem peratur verri ngert sich der Wä rmeü bergang von der Liegematratze an d ie U mgebungsluft Durch diese geringere Wärmea bfu hr er­

wärmt sich die Matratze, bis sich a uf ei­

nem erhöhten Tem peraturniveau ein neu­

es G leichgewicht zwischen mi krobieller Wärmeprodu ktion und Wärmeabfuhr an die U mgebung einstellt.

Liegematratzendicke

Die Matratze ist ein Körper, der als Wär­

mesenke und auf G ru n d starker mikrobi­

eller Aktivität a uch a ls Wärmequelle wirkt.

Dabei spielt die Dicke der Stoffsch icht ei­

ne Rolle, d ie vom Wärmestrom durchflos­

sen werden muss. Folgende logarithmi­

schen Zusa mmenhänge zwischen der Matratzendicke und deren Tem peratur und Wärmestrom wurden gefunden:

Tuegematratze [°C] = 1 8,22°C + 15,31 [°C/cm] ^• lg (dMistmatratzeJ[cm] (r2 � 0,35) Quegematratze [W/m2] = -301 ,5 W/m2 +

88,5 [W/m2cm ] • lg (d Mistmatratze)[cm]

(r2 ⁼ 0,33) Trockenmassegehalt

Ein quadratisches Regressionsmodell er­

klärt 76 % der Schwan kungen der Wär­

mestromdichte ( Bild 3) .

QMistmatratze [W/m2] ⁼ -1016 W/m2 +

60,05 [W/(m2 (g/lOOg))] • TSMistmatratze Luftraum

Evaporation evaporatlon Wärmestrahlung hast radiation

Leistung power:

- Milchleistung milk yleld - Gravidität prsgnancy - Trächtigkeit growth

Dr. agr. Bernhard Haidn und Dipl. lng.agr.

Alois Kramer sind Mitarbeiter der Bayeri­

schen Landesanstalt für Landtechnik, Vöttin­

gerstr. 36, D-85354 Freising, e-mail:

haidn@tec.agrar. tu-muenchen.de. Prof Dr.

Dr. h. c. Hans Schön ist Leiter dieser Anstalt. environment-cattle L ^__ ___::::::::::::_ ^__�==========�---__j

306 53. Jahrgang LANDTECHNIK 5/98

. . .

[g!lOOgJ - 0,846 [W/(m2(g/100g)n ^• (TSMistmatratze [g/100g])2 (r2 ⁼ 0, 76) Der Trockenmassegehalt übt einen zwei­

fachen Einfluss auf den Wärmestrom aus.

Die lineare Kom ponente ka n n a ls ver­

mehrte Wärmeproduktion je % TM ange­

sehen werden, d ie quadratische Kompo­

nente als Abnahme der Wärmeleitfähig­

keit mit zunehmendem Trockenmasse­

gehalt.

Der Anteil der Trockenmasse wirkt sich sowohl auf die mikrobielle Aktivität und damit auf d ie Wärmeprod uktion aus als auch auf d ie Wärmeleitfähigkeit der Ma­

tratze. Deshalb ist es wichtig, diesen Parameter eindeutig über d ie Einstreu­

menge regeln zu können. Aus den Mes­

sergebnissen konnte folgender Zusam­

menhang hergestellt werden:

TSuegematratze [%] ⁼ 18,4 [%] + 1 ,36 [%/kg/Tier] ^• MEinstreu [kg/Tier]

(r2 ⁼ 0,61)

Multiples Wärmestrommodell

Die Wärmestromdichte über eingestreu­

ten M istmatratzen lässt sich durch die li­

nea re Kombination der drei Merkmale Trocken massegehalt Matratzentiefe u nd -tem peratur genauer erklären als ledig­

lich durch eine unabhängige Variable.

Diese drei Einflussfaktoren erklären zu 85 % die Schwankung der Wärmestrom­

d ichte. Die lineare Regressionsgleichung lautet:

0Mistmatratze [W/m2] = -306,72 [W/m2]+

4,01 [W/(m2 (g/lOOg))] ^• TSMistmatratze [g/100g] ( 94,77 [W/(m2m)] ^• TiefeMist­

malratze [ml + 6,06 [W/(m2°C)] ^• Tempe­

raturMistmatratze [°C] (r2 ⁼ 0,85)

Der Trockensubstanzgehalt der Matratze ist der Haupteinflussfaktor auf die Wär-

Wasser�

behaner wsterpin

1 00

50

.. .

/

^{� . --}

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:::--...

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·,

N

A

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1/ "

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. /

. -250

.

-300

1 5 20 25 30 35 40 45 50

Trockensubstanzgehalt [%]

drymatter

Bild 3: Zusammenhang zwischen Trockenmassegehalt der Mistmatratze und dem Wärmest­

rom; Positive Str6me (Qw) fahren von der Liegemalratze zum Kalomimeier hin, negative Ströme fließen zur Liegemalratze. (Vorlauftemperatur des /(alorime/ers Tk -= 39 °C)

Fig. 3: Relationship between dry matter content of manure mattress and heat f/ow; positive flows (Qw) conduct from the lying mattress to the calorimeter, negative flows from the ca/orime­

ter to the lying mattress (flow temperature of the calorimeter Tk ⁼ 39 °C)

mestromdichte. So werden d ie System­

unterschiede zwischen den Haltungssy­

stemen d u rch den Trockensubstanzge­

halt verwischt, da im Liegeboxenstall die Matratzen vorwiegend sehr trocken sind und in den Tretmist- und Tiefstreuställen auch sehr feuchte, kothaltige Stellen in den Matratzen a nzutreffen sind. i n d iesen Systemen übt der Betriebsleiter über das Stellglied Einstreumasse ei nen wesentlich stärkeren Einfluss aus als in einem Liege­

boxenstall.

Folgerungen

i n einem Tem peraturbereich oberhalb der thermoneutralen Zone hat eine zu­

sätzliche Wärmezu leitung d u rch die Lie­

gematratze ähnliche Auswirku ngen auf die Futteraufnahme wie eine verminderte Wärmeabgabe d u rch erhöhte U mge-

bungstemperaturen.

Die Kuh kan n

externe Daten- allerdi ngs versu-

�����

chen, die positive Konduktion auch d u rch Erhöhung der Stehzeiten oder durch Aufsuchen von Liegeflächen mit einer negativen Kon-

Bild 2: Kalorimeter zur Bestimmung der Wärmeableitung von Flächen

Fig. 2: Ca Iorimeter for determining heat lass

d u ktion ( La ufgänge, feucht-verschmutzte Liegebereiche), zu kompensieren.

Ist d ie Kuh i n einem thermischen Be­

reich an der unteren kritischen Tempera­

tur, bringt eine weitere Belastung Leis­

tungsein bußen . Eine Entlastung durch ei­

ne Wärmezufu hr aus der Liegefläche kompensiert eine Wärmeabgabe an die Stallluft und ermöglicht d ie Absenkung der kritischen Tem peratu r.

Eine Differenz in der Wärmekond uktion von 150 W/m2 zwischen zwei extremen Liegeflächen bringt über den Tag gerech­

net eine theoretische Energieersparnis von 10,8 MJ. Diese Energiemenge könn­

te unterhalb der thermoneutralen Zone d u rch die Wahl angepasster Liegematrat­

zen zur Aufrechterhaltung der konstanten Körpertemperatur eingespart werden.

Diese Energiemenge entspricht theore­

tisch 2,55 kg Milch.

Gesch lossene Kaltställe puffern d ie ex­

tremen Lufttem peraturen wesentlich bes­

ser als Offenfrontställe. Deshalb sollten Offenfrontställe in kä lteexponierten Lagen am besten i n Kom bination mit Tretmist­

oder Tiefstreusystemen gebaut werden, da bei d ieser Zuord n u ng extrem kalte Tem peraturen am besten a bgepuffert werden. I m Sommer sollte diese Kombi­

nation n u r m it Sommerweidegang oder einem schattigen Auslauf betrieben wer­

den. Für mildere Klimate sind auch im Winter gut eingestreute Liegeboxen aus­

reichend .

Schlüsselwörter

�---J ofsunaces

Liegeflächentyp Mittelwert St.abw.

W/m2 W/m2

Liegeboxe -62,4 33,8

Tretmistmatratze -29,0 52,8 1iefstreumatratze - 1 1 ,3 53,9 Betonboden -292,4 50, 1

53. Jahrgang LANDTEC H N I K 5/98

Minimum W/m2 - 1 1 4 - 1 1 3 -134 -369

Maximum W/m2

-13 +18 +53 -213

Tab. 1: Wärmeströme über unterschiedli­

chen Liegeflächen Table 1: Heat flow above different lying areas

M i lchviehlaufställe, Liegeflächen, Ther­

moregu lation

Keywords

Dairy cow loose housing, lying areas, ther­

mo regulation

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