Galpões com sistema de cama com compostagem e simulação computacional do fluxo do ar através de modelo reduzido naturalmente ventilado

Galpões com sistema cama em compostagem (CBP) têm recebido maior atenção como um sistema de criação alternativo para gado leiteiro por ser constituído de uma área de descanso aberta e coberta utilizada como cama serragem onde o composto é ativado e aerado por agitação a fim de manter um processo de compostagem ativo. Sendo assim, a investigação sistemática das principais práticas de manejo das operações de produção de leite empregando-se serragem verde ou seca nos compostos de instalações do tipo CBP no estado de Kentucky (USA) tem demonstrado ser de grande interesse econômico e ambiental. O presente trabalho teve como objetivos principais: a) Sumarizar os dados do composto da cama, dimensão das instalações e determinar os principais fatores interativos para o sucesso do composto da cama a partir de métodos qualitativos e quantitativos; b) Sumarizar a capacidade de retenção de água do composto da cama (WHC) e comparar dos teores de umidade encontrados com a WHC, a fim de determinar a influência da umidade sobre o composto da cama; c) Desenvolvimento de equações de previsão para propriedades térmicas em composto de cama em função de varias combinações de teor de umidade, compactação e tamanho de partícula; e d) Desenvolvimento de um modelo em três dimensões em dinâmica de fluídos computacional (CFD) de instalações em compostagem com projetos alternativos de cumeeira e demonstração visual do impacto do fluxo do ar sobre a estrutura. Dados para realização deste estudo foram coletados em 42 instalações CBP, distribuídos através do estado de Kentucky, entre outubro de 2010 e março de 2011. Estas informações foram usadas para descrever o esboço e as dimensões das instalações, identificar as práticas de manejo e caracterizar o material de compostagem da cama quanto ao teor de umidade, capacidade de retenção de água (WHC), tamanho da partícula, propriedades térmicas, entre outros parâmetros. A média de tamanho do rebanho encontrado nesse estudo foi de 90 vacas com proporção de 6,8% de Jersey, 72,7% de Holstein e 20,5% de mistura destas raças. A média das dimensões das camas de compostagem foram 49,1 m (comprimento) e 21,9 m (largura). A maioria destas instalações tinham corredores de alimentação e acesso de veículos, cumeeiras do tipo overshot (com um dos lados ultrapassado) e frequência de orientação de NE para SO, serragem verde, seca ou mista como materiais mais comuns da cama, preparo da cama por aeração mecânica a profundidade menores do que 0,25 m e carga de material fresco adicionado a cada uma ou cinco semanas, variando por estação do ano, condições climática, tamanho da instalação e densidade animal. As temperaturas dos compostos das camas tenderam ser menores em instalações que utilizaram serragem verde. A umidade média do material da cama foi de 59,0% (b.u.), variando de 36,3% a 71,8%. A comparação da distribuição percentual do peso (massa) nas fracões de tamanho de partícula revelou que esses materiais de compostagem da cama encontrados nas instalações CBP foi muito diferentes. Assim, a média do índice de finura (p < 0.05) foi a porcentagem de peso mais alta (30.1%) nas amostras estudadas. WHC aumentou com o aumento de partículas finas. O maior valor de densidade aparente da cama foi 3,6 vezes maior que o menor valor de densidade aparente encontrado. Em geral, a condutividade térmica aumentou com aumento do tamanho da partícula, enquanto a resistividade térmica diminuiu com o aumento do tamanho da partícula. Uma tendência de aumento na condutividade térmica foi ainda observada com o aumento no conteúdo de umidade e grau de compactação estática e dinâmica para todos os materiais de compostos testados. Por outro lado, uma tendência de aumento na resistividade térmica do composto da cama foi observada com a diminuição do conteúdo de umidade e do grau de compactação estática e dinâmica. Os materiais da cama sempre mostraram presença de bactérias, sendo que as contagens de Coliformes não estavam presentes em instalações que possuíam compostos com temperaturas mais elevadas e as contagens Coliformes, E. coli, Bacilo e Estreptococos foram maiores nas instalações que apresentaram menores teores de umidade. O desenvolvimento do modelo em CFD permitiu uma boa concordância com medições experimentais e foi capaz de identificar os efeitos do fluxo de ar através da estrutura em instalações CBP com diferentes tipos de cumeeiras. Os resultados dos modelos CFD mostraram que a melhor tipo de telhado e direção do vento no durante o periodo de inverno foi observado em cumeeira aberta com chaminé (ORC) e oeste para leste, respectivamente.Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas GeraisCompost bedded pack (CBP) barns have been receiving increased attention as an alternative housing system for dairy cattle due they consist of a roofed open loose resting area that is bedded with sawdust where compost is actively stirred to aerate in order to maintain an active composting process. Thus systematic investigation of the main management practices of dairy operations utilizing green or kiln dried sawdust in compost CBP barns at Kentucky state (USA) has proven to be of environmental and economic relevance. The present work has as main objectives: a) Summarization of compost bed data, barn dimension data and determination of the major interactive factors in the success of bed composting from qualitative and quantitative methods; b) Summarization of moisture contents and water holding capacities of the compost bed to determine the influence of moisture on successful compost bed operation; c) Development of predictive equations for thermal properties of compost as a function of various combinations of moisture content, compaction, and particle size; and d) Development of a threedimensional computational fluid dynamic (CFD) model of compost barn with alternate ridge designs and visual demonstration of its impact on air flow through structure. Data for this study was collected from 42 CBP barns, distributed throughout the state of Kentucky (USA) between October 2010 to March 2011. These data were used to describe the building layouts and dimensions, identify barn management practices, and characterize the compost bedding material concerning moisture content, WHC, particle size, thermal properties, and others parameters. The average herd size found in the study was 90 cows and the breeds consisted of Jersey (6.8%), Holstein (72.7%), and mix (20.5%).The average CBP barn dimensions were 49.1 m (length) and 21.9 m (width). Majority of these barns had feed alleys and driveways; overshot ridge with frequent orientation from NE to SW; green sawdust, kiln-dried sawdust, and mixture of both as most common bedding material; bedding process and aeration using mechanical tillage at depths lower than 0.25 m; and loading of fresh material added every one to five weeks, varying by season, weather conditions, barn size, and cow density. Temperatures of bedding compost tended to be lower on barns which utilized green sawdust. Average bedding moisture content was found to be 59.0% (w.b.) and ranged from 36.2 to 71.8%. The percentage distributions of mass weight in the particle size fractions from the bedding compost materials were very different when compared among them. The average finer index (p < 0.05) was the highest weight percent (30.1%) in the samples studied. WHC increased with increasingly fine particle size. The higher bulk density value was 3.6 times that of the lowest bulk density value. In general, the thermal conductivity increased with increasing particle size, while thermal resistivity decreased with increasing particle size. An increasing trend in the thermal conductivity was also observed with the increase in both moisture content and static and dynamic compaction degree for all compost material tested. Whereas, an increasing trend in the thermal resistivity of bed compost was observed with the decrease in both moisture content and static and dynamic compaction degree. Bedding compost always contained bacteria, moreover Coliforms count was not present in barns that had a higher compost temperature and Coliforms, E. coli, Bacillus and Streptococcus count were higher in the barns that showed lower moisture content. The developed barn ventilation CFD model provided good agreement with experimental measurements and it was able to identify the effect on air flow through structure in a CBP barns with alternative roof ridge type. The CFD models results showed that the best ridge vent and wind direction in the winter weather was observed in the open ridge with chimney (ORC) and West to East, respectively