Bauliche und energetische Optimierung von Stallgebäuden und Anlagen für erneuerbare Energie

• Forschungsstelle: ART
• Projektnummer: 08.34.03.03
• Projekttitel Englisch: Structural and energetic optimisation of animal houses and of plants for renewable energy
• Kurztitel: Landwirtschaftliche Gebäude

Schlüsselwörter (Englisch)

animal houses, climatisation, energy consumption, low-cost housing, renewable energy

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Energie-Einsparung

In der Nutztierhaltung ist ein grosses Energiesparpotenzial vorhanden. Die Energieeffizienz ist insbesondere bei der Lüftung und Heizung von Schweine- und Geflügelställen unbefriedigend. Durch Einsatz von moderner Sensor- und Regeltechnik bei Lüftern und Heizanlagen einerseits und durch strömungstechnische Optimierung von Luftverteilsystemen andererseits lässt sich der Energieverbrauch stark reduzieren. Der Einsatz solcher Technik in Stallgebäuden ist jedoch bis jetzt aus verschiedenen Gründen wenig erfolgreich. Einerseits fehlen zuverlässige Algorithmen (siehe unter Stallklima) für eine automatische Steuerung, die neben den Stallklimaparametern auch die Trägheit des Gebäudes und die Variabilität der Wärme- und Gasproduktion der Tiere berücksichtigen. Andererseits sind viele Stallklimasteuergeräte zu komplex und zu wenig benutzerfreundlich für den Landwirt.

Stallklima

Nach wie vor gibt es vielerorts in der Praxis Stallklimaprobleme. Diese sind meistens auf Fehlplanung oder falsche Handhabung der Lüftungsanlage zurückzuführen. Die wissenschaftlichen Grundlagen für eine exakte Dimensionierung der Stallklimaanlagen sind noch lückenhaft. So fehlen beispielsweise die Kennzahlen für Wasserdampf- und Gasproduktion aus Tiefstreue, die für die Berechnung der Lüftungsrate massgebend sind. Weiter werden bei der aktuellen Stallklimaberechnung, die auf stationären Wärme- und Mengenflüssen basiert, der zyklische Verlauf der tierischen Aktivität und die thermische Trägheit des Gebäudes nicht berücksichtigt. Folglich ist die Übereinstimmung zwischen berechneten und gemessenen Klimaparametern zeitweise sehr ungenau. Die stark zugenommene Rechengeschwindigkeit der PC macht es möglich, in der Zukunft auch instationäre Wärmeflüsse zu berechnen.

Kostengünstige Stallgebäude

Um bei zukünftigen Preisen noch produzieren zu können, müssen die Produktionskosten gesenkt werden. Dazu gehören auch die Stallbaukosten, die einen beträchtlichen Anteil ausmachen. Die Landwirtschaftsgebäude wurden bisher oft weniger nach wirtschaftlichen Überlegungen als nach individuellen Vorstellungen und Wünschen der Landwirte, Berater, Architekten und Amtsstellen gebaut. Es fehlen teilweise kostengünstige Stallsysteme für Rindvieh und Schweine. Zur Kostensenkung können auch alternative Bauweisen und Materialien wie Walzasphalt und Faserbeton, sofern aus Versuchen hervorgeht, dass sie geeignet sind, beitragen. Detaillierte Ausführungspläne können die Hemmschwelle zum Selbstbau herabsetzen und Fehler verhindern.

Planungsgrundlagen für regenerative Energieproduktionsanlagen

Regenerative Energien gewinnen für die Landwirtschaft zunehmend an Bedeutung. Das Investitionsvolumen für solare und Biomasse-Energieanlagen wird dank Förderungsmassnahmen in den nächsten Jahren stark zunehmen. Die Investitionen pro kW installierter Leistung hängen nicht nur von der Anlagengrösse, sondern auch von ihrer Integration in der vorhandenen Infrastruktur ab. Die Einbeziehung der (späteren) Energieproduktionsanlagen während der Planungsphase von landwirtschaftlichen Gebäuden kann die gesamten Investitionen senken und die Wirtschaftlichkeit der regenerativen Energieproduktion verbessern. Dazu braucht es Planungsgrundlagen, sowohl für kleine Einzel- als auch für grössere Gemeinschaftsanlagen.

Gewässerschutz

Die Dichtigkeit von Hofdünger- und Gärfutteranlagen in Ortbeton steht zur Diskussion. Insbesondere stellt sich die Frage, ob eine starke Erhöhung der Stahlbewehrung, wie sie je nach Risiko-Einstufung dieser Anlagen gemäss SIA-Norm 262 gefordert wird, notwendig ist. Weiter ist die Anwendung der neuen Betonnorm SN EN 206-1:2000, nach welcher Beton nur noch nach Eigenschaften bestellt oder geliefert werden darf, für die Landwirtschaft zu regeln.

Projektziele (Deutsch)

1. Der Energieverbrauch für die Lüftung und Heizung von Stallgebäuden ist bedeutend reduziert.

2. Eine realitätsgetreuere und dynamische Stallklimaberechnungsmethode ist entwickelt und überprüft.

3. Baulösungen für kostengünstigere Stallgebäude für Rindvieh und Schweine sind aufgezeigt.

4. Möglichkeiten zur Integration von solaren und Biomasse-Energieproduktionsanlagen in der vorhandenen Infrastruktur im Hinblick auf Kostensenkung sind aufgezeigt.

5. Die neuen Betonnormen SIA-Norm 262 und SN EN 206-1:2000 werden in der ganzen Schweiz einheitlich für landwirtschaftliche Gebäude und Produktionsanlagen angewandt.

Als Nutzen resultieren Empfehlungen und Planungsinstrumente für Planer, Berater, Unternehmer, Firmen, Landwirte, Behörden und Forscher.

Neue Kenntnisse/Literatur (Deutsch)

Die neuen Forschungsprojekte bauen auf Erkenntnisse der früheren ART-Projekten in diesem Themenbereich auf. Der Walzasphalt- (SMA, 2003) und SR-Betonbelag (2006), die als Pilotanlage in Flachsilos eingebaut wurden, sind vielversprechend, müssen jedoch noch hinsichtlich Investitionen optimiert werden. Die für die Berechnung von Erdwärmetauschern entwickelte numerische Methode kann für das ganze Stallgebäude angepasst und erweitert werden.

Felber, B., 2007. Energiekosten – ungenutztes Sparpotenzial. ZDS-Fachtagung, Suhl, 9.05.07.

Mihailov, N., Evstatiev, I., 2004. An analysis of means for increasing energy efficiency of systems for farm microclimate control. Proceedings AgEng 2004, Leuven, 562-564.

Pedersen, S. und Joergensen, H., 2004. The Influence of diurnal variation in animal activity on indoor climate under laboratory conditions. Proceedings AgEng 2004, Leuven, 556-558.

BAFU, 2006. Lagereinrichtungen aus Beton für Hofdünger.

Cihan A., Tyner J.S., Wright W.C., 2006. Seal Formation Beneath Animal Waste Holding Ponds. Transactions of the ASABE. Vol.49(5): 1539-1544.

Brown R., Shukla A., Natarajan K.R., 2002. Fiber Reinforcement of Concrete Structures. University of Rhode Island Transportation center, 48 S.

Informationsstellen Biomasse/BiomassEnergie. Kompakt Biogasanlage, landwirtschaftliche Lösung. Bundesamt für Energie, Bern, 3S.

Pouliot, F., 2003. Evaluation de l’efficacité technique et économique d’un mur solaire dans un bâtiment d’élevage porcin. Colloque sur la production porcine, CRAAQ, Québec, 22 S.

Projektspezifische Kosten (Deutsch)

Energie-Einsparung: Messapparatur: Fr. 20'000. Versuchsanlagen teilweise durch Firmen zur Verfügung gestellt.

Stallklima: eine Excel-Applikation wird wegen der Flexibilität und späteren Erweiterbarkeit bevorzugt. In diesem Fall fallen keine Kosten an.

Kostengünstige Stallgebäude: Versuchsanlagen für Walzasphalt, Faserbeton...: ca. Fr. 50’000

Regenerative Energieproduktionsanlagen: keine eigene Anlagen geplant.

Gewässerschutz: eventuell Mitarbeit durch Ingenieurbüros. Fr.: 20’000