Climate assessment in modern sustainable cattle barns using temperature-humidity index

Abstract

The purpose of the study was to study the microclimate in modern uninsulated cattle barns, built with application of the resource-saving technology under the conditions of both natural ventilation and additional normalization of the air environment through the use of powerful axial fans during the heat of summer. The temperature and relative humidity of the cattle barns were investigated directly at the location of the animals in different areas of the premises, recording the indicators continuously for more than a day using remote sensors. Given the high negative correlation between these indices in indoor air (r = -0.88, P <0.05), the use of a temperature-humidity index (THI) to characterize the state of the air environment and to evaluate the combined effect of temperature and humidity on the body of the animals was quite reasonable. The mathematical processing of the results was performed using the software STATISTICA 10 (StatSoft, Inc., USA). Differences between indicators determined by the U-test of Mann-Whitney (U-test) were considered significant at P <0.05. A high correlation was found between the indoor temperature and humidity conditions and its state in the environment (r = 0.95, R2 = 0.90). It was found that the state of the air environment in the premises was significantly influenced by their design features. The results of the studies show that the difference in average temperatures inside and outside the premises was up to 4°C. During the heat, it was cooler at the cattle barns at the account of the roof, which created shady protection from the sun's rays. The relative humidity in the cattle barns was 7-14% higher than outside, due to the release of moisture by the animals and evaporation from the surrounding structures. Differences in THI indoors and outdoors were up to 2–3 units (P <0.05), exceeding the comfortable value for cows (THI <68) during 18–22 hours per day. The location of the cattle barn relative to the sides of the world and the degree of its heating with sun rays influenced the value of THI in the premises. The difference between their central and lateral parts reached up to 5 units (P <0.05). The uneven distribution of THI in cattle barns may affect the milk performance of individual animals, requiring a differentiated approach to additional premise cooling. The constant operation of the axial fans and the open side curtains did not provide the necessary comfort for the animals, which should include the use of additional technical solutions (for example, irrigation) to normalize the microclimate in the cattle barn during the hot summer. The strong reliable relationship between the parameters of the air environment in the cattle barns and the external environment, determined on the basis of multiple simultaneous paired measurements of temperature and relative humidity, as well as their high interdependence, indicates the possibility of applying mathematical modeling methods for the prediction and normalization of microclimate, which will be the subject of our further research. Мета дослідження полягала у вивченні мікроклімату в сучасних неізольованих корівниках, збудованих за ресурсозберігаючою технологією як за умов природної вентиляції, так й за додаткової нормалізації стану повітряного середовища шляхом застосування потужних осьових вентиляторів в період літньої спеки. Температуру і відносну вологість повітря в корівниках досліджували безпосередньо в місці знаходження тварин в різних ділянках приміщень, реєструючи показники безперервно протягом більш ніж доби за допомогою дистанційних датчиків. Зважаючи на високу від’ємну кореляцію між цими показниками в повітрі приміщень (r = -0,88, P<0,05), використання температурно-вологісного індексу (THI) як для характеристики стану повітряного середовища, так і оцінки сумісного впливу температури і вологості на організм тварин було цілком обґрунтованим. Математичну обробку результатів проводили за допомогою програмного забезпечення «STATISTICA 10» (StatSoft, Inc., USA). Відмінності між показниками, визначені за U-критерієм Манна-Уітні (U-test), вважалися достовірними за P<0,05. Виявлено високий корелятивний зв’язок між температурно-вологісним режимом в приміщеннях і його станом в оточуючому середовищі (r=0,95, R2=0,90). Встановлено, що на стан повітряного середовища в приміщеннях суттєво впливали їх конструктивні особливості. Результати досліджень свідчать, що різниця за середніми температурами всередині і зовні приміщень складала до 4 °С. У період спеки в корівниках було прохолодніше за рахунок даху, який створював тіньовий захист від сонячних променів. Відносна вологість в корівниках була вищою на 7-14%, ніж зовні, за рахунок виділення вологи тваринами і випаровування з оточуючих конструкцій. Відмінності в показниках THI зовні і всередині приміщень складали до 2-3 одиниць (P <0,05), перевищуючи комфортне значення для корів (THI<68) впродовж 18-22 год на добу. Розташування корівника відносно сторін світу та ступінь прогрівання його сонячними променями впливали на величину THI в самих приміщеннях. Різниця між їх центральними і бічними частинами сягала до 5 одиниць (P <0,05). Нерівномірний розподіл THI в корівниках може вплинути на молочну продуктивність окремих тварин, що вимагає диференційованого підходу до додаткового охолодження приміщень. Постійна робота осьових вентиляторів і відкриті бічні штори не забезпечували необхідного комфорту для тварин, що має передбачати застосування додаткових технічних рішень (наприклад, зрошення) для нормалізації мікроклімату в корівнику в жаркий літній період. Сильний достовірний зв’язок між параметрами повітряного середовища в корівниках та зовнішньому середовищі, визначений на підставі багаторазових одночасних попарних вимірювань температури і відносної вологості, а також висока їх взаємообумовленість, вказує на можливість застосування методів математичного моделювання для прогнозу і нормалізації мікроклімату в приміщеннях полегшеної конструкції, що й буде предметом наших подальших досліджень.