Microclimate and gas emissions in dairy buildings : Instrumentation, theory and measurements

The aim of this thesis was to develop measurement techniques and systems for measuring air quality and to provide information about air quality conditions and the amount of gaseous emissions from semi-insulated and uninsulated dairy buildings in Finland and Estonia. Specialization and intensification in livestock farming, such as in dairy production, is usually accompanied by an increase in concentrated environmental emissions. In addition to high moisture, the presence of dust and corrosive gases, and widely varying gas concentrations in dairy buildings, Finland and Estonia experience winter temperatures reaching below -40 ºC and summer temperatures above +30 ºC. The adaptation of new technologies for long-term air quality monitoring and measurement remains relatively uncommon in dairy buildings because the construction and maintenance of accurate monitoring systems for long-term use are too expensive for the average dairy farmer to afford. Though the documentation of accurate air quality measurement systems intended mainly for research purposes have been made in the past, standardised methods and the documentation of affordable systems and simple methods for performing air quality and emissions measurements in dairy buildings are unavailable. In this study, we built three measurement systems: 1) a Stationary system with integrated affordable sensors for on-site measurements, 2) a Wireless system with affordable sensors for off-site measurements, and 3) a Mobile system consisting of expensive and accurate sensors for measuring air quality. In addition to assessing existing methods, we developed simplified methods for measuring ventilation and emission rates in dairy buildings. The three measurement systems were successfully used to measure air quality in uninsulated, semi-insulated, and fully-insulated dairy buildings between the years 2005 and 2007. When carefully calibrated, the affordable sensors in the systems gave reasonably accurate readings. The spatial air quality survey showed high variation in microclimate conditions in the dairy buildings measured. The average indoor air concentration for carbon dioxide was 950 ppm, for ammonia 5 ppm, for methane 48 ppm, for relative humidity 70%, and for inside air velocity 0.2 m/s. The average winter and summer indoor temperatures during the measurement period were -7º C and +24 ºC for the uninsulated, +3 ºC and +20 ºC for the semi-insulated and +10 ºC and +25 ºC for the fully-insulated dairy buildings. The measurement results showed that the uninsulated dairy buildings had lower indoor gas concentrations and emissions compared to fully insulated buildings. Although occasionally exceeded, the ventilation rates and average indoor air quality in the dairy buildings were largely within recommended limits. We assessed the traditional heat balance, moisture balance, carbon dioxide balance and direct airflow methods for estimating ventilation rates. The direct velocity measurement for the estimation of ventilation rate proved to be impractical for naturally ventilated buildings. Two methods were developed for estimating ventilation rates. The first method is applicable in buildings in which the ventilation can be stopped or completely closed. The second method is useful in naturally ventilated buildings with large openings and high ventilation rates where spatial gas concentrations are heterogeneously distributed. The two traditional methods (carbon dioxide and methane balances), and two newly developed methods (theoretical modelling using Fick s law and boundary layer theory, and the recirculation flux-chamber technique) were used to estimate ammonia emissions from the dairy buildings. Using the traditional carbon dioxide balance method, ammonia emissions per cow from the dairy buildings ranged from 7 g day-1 to 35 g day-1, and methane emissions per cow ranged from 96 g day-1 to 348 g day-1. The developed methods proved to be as equally accurate as the traditional methods. Variation between the mean emissions estimated with the traditional and the developed methods was less than 20%. The developed modelling procedure provided sound framework for examining the impact of production systems on ammonia emissions in dairy buildings.

Erikoistuminen tiettyyn maatalouden osa-alueeseen, kuten maidontuotantoon, aiheuttaa ympäristöpäästöjen kasaantumista. Navetoissa on pölyä, kosteutta ja kaasuja, jotka voivat vaikuttaa lehmien ja työntekijöiden hyvinvointiin sekä heikentää navetan rakenteita. Suuret vuotuiset lämpötilavaihtelut Suomessa ja Virossa (-40 ºC - + 30 ºC) vaikeuttavat lisäksi navetan olosuhteiden mittausta ja seurantaa. Yleensä navetan olosuhteiden mittauslaitteet ovat liian kalliita tavallisille maanviljelijöille. Mittauslaitteita tai -menetelmiä ei ole myöskään standardisoitu, siksi esimerkiksi tulosten vertailu on vaikeaa. Tässä tutkimuksessa käytettiin ja testattiin edullisia mittausantureita ja pyrittiin kehittämään yksinkertaisia mittausmenetelmiä. Tutkimusta varten rakennettiin kolme mittauslaitteistoa 1) Kiinteä laitteisto, johon kytkettiin edullisia antureita paikan päällä tapahtuvaa tiedonkeruuta varten 2) Langaton laitteisto, jossa oli edulliset anturit ja jota pystyttiin seuraamaan etänä matkapuhelinverkkoa hyväksi käyttäen sekä 3) Liikkuva laitteisto, jossa oli perinteisesti käytetyt kalliit ja tarkat mittausanturit. Mittaukset suoritettiin vuosien 2005 2007 aikana kylmäpihatto-, viileäpihatto- ja lämminpihattonavetoissa. Huolellisesti kalibroituna edulliset anturit antoivat kohtalaisen tarkkoja tuloksia. Mittaukset osoittivat, että olosuhteet vaihtelivat suuresti navetan eri osissa. Sisäilman keskimääräinen hiilidioksidipitoisuus oli 950 ppm, ammoniakkipitoisuus 5 ppm ja metaanipitoisuus 48 ppm. Keskimääräinen suhteellinen ilmankosteus oli 70 % ja ilmavirta 0.2 m/s. Keskimääräiset sisäilman lämpötilat oli talvella ja kesällä seuraavat: kylmäpihattonavetoissa -7º C ja +24 ºC, viileäpihattonavetoissa +3 ºC ja +20 ºC sekä lämminpihattonavetoissa +10 ºC ja +25 ºC. Tutkimus osoitti, että kylmäpihattonavettojen päästöt ja sisäilman kaasupitoisuus olivat matalammat kuin lämminpihattonavettojen. Tutkittujen navettojen ilmanvaihto ja sisäilman laatu olivat muutamia poikkeuksia lukuunottamatta vaatimusten mukaisissa rajoissa. Tutkimuksessa testattiin ilmanvaihdon arvioimisessa perinteisesti käytetyt lämpö-, kosteus-, metaani- ja hiilidioksiditaseet, sekä suora ilmanvirtausmittaus. Menetelmät osoittautuivat epäkäytännöllisiksi ja kalliiksi kylmä- ja viileäpihattonavetoissa, joissa ilmanvaihto tapahtuu painovoimaisesti. Arviointitulosten parantamiseksi kehitettiin kaksi uutta mittausmenetelmää. Ensimmäinen sopii tiloihin, joissa ilman virtaus on hyvin voimakasta. Toinen uusista menetelmistä sopii tiloihin, joissa ilmanlaatu vaihtelee rajusti tilan eri osissa. Uudet menetelmät paransivat arviointituloksia. Navetan päästöjä arvioitiin kahden perinteisen menetelmän (hiilidioksidi- ja metaanitase) sekä kahden uuden menetelmän avulla (teoreettinen mallintaminen sekä virtauskammio). Ammoniakkipäästöt lehmää kohti vaihtelivat 7 grammasta 35 grammaan päivässä, metaanipäästöt vaihtelivat vastaavasti 96 ja 348 gramman välillä. Uudet mittausmenetelmät olivat helppokäyttöisempiä, mutta tarkkuudeltaan perinteisten menetelmien veroisia. Mallintamismenetelmä osoitti tärkeät ammoniakkipäästöihin vaikuttavat tekijät lypsykarjatuotannossa.