Karjasuojien vaikutus eläinten hyvinvointiin: Ilmanvaihtoon ja lämpötilaan liittyvät suositukset KARVA-projekti, 009-010 Loppuraportti, tammikuu 011 1
SISÄLLYS 1. Tutkimuksen tausta ja tavoitteet 1 1.1. Tausta 1 1.1.1. Tuotantoeläimen hyvinvointi 1 1.1.. Tuotantorakennuksen mikroilmasto 1.. Tutkimuksen tavoite 6. Tutkijaosapuolet ja yhteistyö 8. Tutkimuksen tulokset 9.1. Tutkimusmenetelmät ja aineisto 9.1.1. Laskennalliset menetelmät 9.1.1.1. Ilmanvaihtoon vaikuttavat tekijät tuotantoeläinrakennuksissa 9.1.1.. Ilmanvaihdon arviointi 11.1.1..1. Lämpötilaan perustua ilmanvaihto 1.1.1... Sisäilman haitallisiin aineisiin perustuva ilmanvaihto 14.1.1.. Kriittiset lämpötilat 19.1.. Kokeelliset menetelmät: ilmanlaadun tarkkailu 0.1.. Tutkimusaineisto.. Tutkimuksen tulokset 4..1. Esimerkki: ilmanvaihto lypsylehmärakennuksessa 7... Esimerkki jatkuvista sisäilmanmittauksista.. Toteutusvaiheen arviointi 5.4. Julkaisut 6 4. Tulosten arviointi 6 4.1. Tulosten käytännön sovelluskelpoisuus 6 4.1.1. Laskurit 6 4.1.. Mittaukset 6 4.. Tulosten tieteellinen merkitys 7 5. Ehdotuksia jatkotutkimuksiksi 7 6. Viitteet 40 Liite 1 Loppuraportointi 4
1.Tutkimuksen tausta ja tavoitteet 1.1.Tausta Eläinten hyvinvointiin vaikuttavat eläimen hoidon lisäksi sen pito-olosuhteet. Tuotantoeläinrakennuksessa elävän eläimen hyvinvoinnin vaatimuksiin kuuluu muun muassa hyvälaatuinen hengitysilma, joka voidaan taata sopivan tehokkaalla rakennuksen ilmanvaihdolla. Suomen vaihtelevissa ilmasto-olosuhteissa ilmanvaihdon hallinta on haastavaa, ja tämän tutkimuksen tavoitteena onkin päivittää nykyiset tuotantoeläinrakennusten mikroilmastoa koskevat ohjeet 1. 1.1. 1.Tuotantoeläimen hyvinvointi Eläinten hyvinvointitieteessä mitataan, kuinka hyvin eläimet sopeutuvat ympäristöönsä, miten ne kokevat ympäristönsä ja minkä biologisen hinnan ne maksavat ympäristöön sopeutumisestaan. Eläimen hyvinvointi on siten yksilön tila, joka kertoo sen subjektiivisesta kokemuksesta. Eläinten hyvinvoinnille ei ole, kuten ei terveydellekään, yhtä yksittäistä suuretta, joka kertoisi, että eläin voi hyvin tai on terve. Tämän vuoksi hyvinvointitutkimus on monitieteistä. Eläimestä mitataan käyttäytymismuuttujien lisäksi esimerkiksi terveyteen, fysiologiaan, tuotokseen tai rehunkulutukseen liittyviä tekijöitä. Käyttäytyminen on keskeisessä osassa eläinten hyvinvointitutkimuksessa, sillä käyttäytyminen on useimmiten ensimmäinen näkyvä tekijä, jonka avulla eläin sopeutuu ympäristöönsä. Eläimen hyvinvointia voidaan myös arvioida käyttäen erilaisia hyvinvointi-indeksejä, kuten eläimeen keskittyvä Welfare Quality-järjestelmä tai eläimen ympäristöä mittaavat ANI-indeksi tai A-indeksi. Ruoan kulutus, rehun hyväksikäyttö ja ruokintakäyttäytyminen ovat hyödyllisiä mitattavia suureita ja antavat tärkeää lisätietoa. Tuotos itsessään on aivan liian karkea hyvinvointimittari. Jalostuksessa on valittu eläimiä, joilla on korkea tuotospotentiaali. Eläimet muuttavat tehokkaasti syödyn rehun paino- tai maitokiloiksi, paksuksi turkiksi tai jälkeläisiksi. Toisaalta, jos tuotos laskee, on se selvä merkki heikentyneestä hyvinvoinnista samoin kuin eläimen sairastuminen. Tuotantoeläinten pito ja tuotantoeläinrakennusten suunnittelu ovat pitkään perustuneet tuotantoeläimelle tyypillisen tuotoksen maksimointiin ja tilanpidon kustannusten minimointiin. Tilojen koon jatkuvasti kasvaessa ja automatiikan yleistyessä tuotantoeläintiloilla on ihmisen ja yksittäisen eläimen välinen yhteys väistämättä pienentynyt, mikä voi johtaa heikentyneeseen eläimen hyvinvointiin, jollei eläimen käyttäytymisen ja hyvinvoinnin havainnointiin kiinnitetä tilalla erityistä huomiota. Hyvinvointilainsäädäntö ja valvonta Tuotantoeläinten pitoa sitovat eläinsuojelulainsäädännön päätökset ja asetukset 47/96, 96/96, 14/EEO/97, 6/EEO/96, 14/EEO/00 ja 67/010 ]. Säädettyjen lakien ja asetusten nojalla on annettu suosituksia muun muassa tuotantoeläinrakennusten olosuhteista kuten mikroilmaston laadusta 1, tilan tarpeesta sekä rakenteiden ja materiaalien turvallisuudesta. Ohjeet ovat saatavissa Elintarviketurvallisuusviraston (Evira) internet-sivuilta http://www.evira.fi/portal/fi/evira/julkaisut/esitteet. Elintarviketurvallisuusvirasto valvoo myös eläinsuojelupäätösten täytäntöönpanoa ja niiden noudattamista. Maa- ja metsätalousministeriö (MMM) antaa lakeihin ja suosituksiin perustuvat tuotantoeläinrakennusten rakennusohjeet internet-sivuillaan http://www.mmm.fi/fi/index/etusivu/maaseudun_kehittaminen/maaseuturakentaminen/rakentamissaado kset.html. 1
Eläinsuojelulain keskeinen sisältö on sen ensimmäisessä pykälässä, jonka mukaan eläinsuojelulain tarkoituksena on suojella eläimiä parhaalla mahdollisella tavalla kärsimykseltä, kivulta ja tuskalta sekä myös edistää eläinten hyvinvointia ja hyvää kohtelua. Eläinsuojelulain mukaan eläimiä on kohdeltava hyvin eikä niille saa aiheuttaa tarpeetonta kärsimystä. Tarpeettoman kivun ja tuskan tuottaminen eläimille on kielletty. Lisäksi eläintenpidossa on edistettävä eläinten terveyden ylläpitämistä sekä otettava huomioon eläinten fysiologiset tarpeet ja käyttäytymistarpeet. Eläimen pitopaikan on lisäksi oltava riittävän tilava, suojaava, valoisa, puhdas ja turvallinen sekä muutenkin tarkoituksenmukainen ottaen huomioon kunkin eläinlajin tarpeet. Eläimen pitäminen tarpeetonta kärsimystä tuottavalla tavalla on kielletty. Asetuksissa annetaan tarkempia eläinlajikohtaisia täsmennyksiä. Tämän tutkimuksen kohteena on ilmanvaihdon suunnittelu, jonka on täytettävä muun muassa yllä mainitut eläinsuojelulain edellyttämät periaatteet mutta lisäksi myös muun muassa eläinsuojeluasetuksen vaatimukset, jonka mukaan pitopaikka ei saa vahingoittaa eläintä eikä vaarantaa sen terveyttä. Pitopaikan tulee tarjota riittävä suoja epäsuotuisia sääoloja sekä liiallista kylmyyttä, lämpöä ja kosteutta vastaan. Lisäksi asetuksessa määrätään, että eläimen pitopaikassa on huolehdittava riittävästä ilmanvaihdosta siten, etteivät haitalliset kaasut, pöly, veto tai liiallinen kosteus vaaranna eläimen terveyttä tai hyvinvointia. Pitopaikassa ei saa esiintyä jatkuvaa eläintä häiritsevää tai sille haittaa aiheuttavaa melua. Seuraavassa luvussa on esitetty tuotantoeläinrakennusten mikroilmastoa koskevat ohjeet. 1.1..Tuotantoeläinrakennuksen mikroilmasto Tässä tutkimusraportissa tuotantoeläinrakennuksella tarkoitetaan saman mikroilmaston omaavaa eläinhallia tai rakennuksen muista tiloista eristettyä tuotanto-osastoa. Hengitysilman laadun vaikutus ihmisen terveyteen tunnetaan hyvin, ja esimerkiksi työturvallisuuslain määrää, että työpaikalla tulee olla riittävästi kelvollista hengitysilmaa ja että työpaikan ilmanvaihdon tulee olla riittävän tehokas ja tarkoituksenmukainen. Sen sijaan tuotantoeläinrakennusten sisäilma ei kaikilla eläintiloilla täytä riittävän hyvälaatuisen hengitysilman kriteerejä talviaikoina, kun Suomen ilmastooloissa rakennuksen ilmanvaihtoa pienennetään liikaa tuotantoeläinrakennuksen lämmityskustannusten pienentämiseksi. Tuotantoeläinrakennuksen sisäilman laadulla on kuitenkin oleellinen vaikutus niin rakennuksessa elävien eläinten kuin rakennuksessa työskentelevien ihmisten terveyteen mutta myös itse rakennuksen terveyteen ja käyttöikään. Suuri eläintiheys sekä määrältään runsas biologinen aine tuotantoeläinrakennuksessa lisää hengitysilman laatua heikentäviä tekijöitä, joita ovat esimerkiksi katteesta ja kuivasta rehusta peräisin oleva biologinen pöly, erilaiset allergeenit ja mikro-organismit, eläinten hengityksessä rakennuksen sisäilmaan vapautuva hiilidioksidi, eläinten lannasta ja virtsasta rakennuksen ilmaan erittyvä ammoniakki, nautaeläinten ruoansulatuksessa vapautuva metaani, lietelantavarastosta rakennukseen erittyvä rikkivety sekä kosteilta pinnoilta kuten märiltä lattioilta sekä avonaisista juoma- ja liemirehuastioista höyrystyvä vesi (kosteus). Tuotantoeläinrakennusten sisäilmaa koskevat määräykset ja suositukset vaihtelevat valtiosta toiseen, ja Euroopan Unionin jäsenmaissa pyritäänkin yhdenmukaistamaan säädöksiä. Suomi Euroopan Unionin jäsenmaana on luonnollisesti velvoitettu noudattamaan myös EU:ssa tehtyjä päätöksiä, ja Suomessa Maaja metsätalousministeriö (MMM) antaa maataloutta koskevat päätökset ja suositukset. Nykyiset Maa- ja metsätalousministeriön (MMM) tuotantoeläinrakennusten sisäilman laatua koskevat suositukset 1 on annettu ilman kriittisille lämpötiloille (tämän raportin taulukko 1.1) ja ilmassa olevien haitallisten kaasujen
ja pölyn enimmäispitoisuuksille (raportin taulukko 1.). Lisäksi Maa- ja metsätalousministeriön ohjeissa on annettu suositukset riittävälle ilmanvaihdon suuruudelle erityyppisissä tuotantoeläinrakennuksissa. Ministeriön ilmanvaihtosuositukset perustuvat Valtion Maatalouskoneiden Tutkimuslaitoksen (Vakola) julkaisemaan tutkimusraporttiin (Eläinsuojien ilmanvaihdon mitoitus) vuodelta 1984. Eläinlaji Kriittinen lämpötila (C) Optimi (C) Alempi Ylempi Lehmä (5 ) 15 7 5 15 Nuorkarja (15 ) 0 5 0 10 0 Pikku vasikka (0 ) 10 0 15 5 Lihakarja (yli kk) (5 ) 15 5 0 10 15 Porsiva emakko (5 ) 0 7 10 8 Vastasyntynyt porsas (alle vko) 5 4 0 Lihasika (7 ) 15 5 7 15 Taulukko 1.1. Tuotantoeläinrakennusten sisäilman kriittiset lämpötilat Suomessa. Haitallinen aine ilmassa Enimmäispitoisuus Hiilidioksidi (CO ) 000 ppm Ammoniakki (NH ) 10 ppm, siipikarja pehkulla 5 ppm Rikkivety (H S) 0,5 ppm Hiilimonoksidi (häkä, CO) 5 ppm Orgaaninen pöly 10 mg/m Taulukko 1.. Tuotantoeläinrakennusten haitallisten kaasujen ja pölyn enimmäispitoisuudet Suomessa. Tasalämpöiset eläimet (ja ihmiset) tarvitsevat energiaa kullekin tyypillisen ruumiinlämpönsä ylläpitämiseksi kehon muiden peruselintoimintojen lisäksi. Lisäksi fyysinen aktiviteetti ja tuotantoeläimille tyypillinen tuotanto (maito, liha, kananmunat ja jälkeläiset) tarvitsevat energiaa. Eläimet (ja ihmiset) saavat tämän energian ravinnosta, jonka kokonaisenergiasta vain osa on käyttökelpoista energiaa. Tuotantonsa maksimoimiseksi eläimen on syötävä riittävän paljon. Liian kylmässä mikroilmastossa suurempi osa rehun energiasta kuluu eläimen ruumiinlämmön ylläpitoon, mikä ei ole taloudellista tilalliselle. Liian kuumassa ilmastossa korkeatuottoinen eläin tuottaa syödystä ravinnosta liikaa energiaa, joka eläimen on saatava pois kehostaan, jottei sen ruumiinlämpö nouse. Tämä eläimistä poistuva liikalämpö lämmittää rakennuksen sisäilmaa ja riittävän merkittävänä johtaa rakennuksessa elävien eläinten ruokahalun ja edelleen tuotannon laskemiseen, mikä on epäedullista tilallisen harrastamalle elinkeinolle. Sisäilman liiallinen lämpö voidaan poistaa rakennuksesta tai erillisestä tuotanto-osastosta ilmanvaihdolla ja kuumina ajanjaksoina jäähdyttämällä eläimiä ja/tai ilmaa. Erityisesti ilman jäähdyttäminen sähköllä on kallista ja epäekologista. Eläimet voivat poistaa liiallista lämpöenergiaa kehostaan kahdella tavalla: suoralla ja latentilla lämmön luovutuksella. Suora lämmön luovutus tarkoittaa lämmön siirtymistä johtumalla, kulkeutumalla ja säteilemällä lämpimämmästä viileämpään, eläinten tapauksessa ja Suomen oloissa eläinten noin +40C sisäosasta viileämpään ympäristöön. Latentilla lämmön luovutuksella tarkoitetaan eläimen liikaenergian poistumista veden höyrystyessä hengitysteissä ja kostutetulta iholla, sillä veden höyrystyminen vaatii energiaa. Vastaavasti rakennuksen märät pinnat jäähtyvät veden höyrystyessä pinnoilta.
Taulukossa 1.1. esitetyt eläimen ympäristön alempi- ja ylempi kriittinen lämpötila liittyvät eläimen lämmönvaihtoon ympäristönsä kanssa ja määrittävät ns. lämpöviihtyvyysalueen alla olevan kuvan 1.1. mukaisesti. Kuva 1.1. Tuotantoeläimen lämpöviihtyvyysalueet. Lämpöviihtyvyysalueelle on kirjallisuudessa useampia määritelmiä. Näistä on pitkään käytetty lämpötila-aluetta, jossa eläimen metaboolinen lämmöntuotto on pienimmillään (TNZ, thermal neutrality zone, lämpöneutraali alue). Nykyinen ja suositeltavampi määritelmä käsittää kuvan 1.1. alueen nimeltä ZLTE (zone of least thermoregulatory effort, lämpömukavuusalue ). Molempien määritelmien rajoina on sama alempi kriittinen lämpötila (LCT) mutta eri ylempi kriittinen lämpötila (UCT). Alemmalla kriittisellä lämpötilalla tarkoitetaan eläimen ympäristön lämpötilaa, jonka alapuolella eläin alkaa syödä enemmän tuottaakseen enemmän lämpöä ruumiinlämpönsä ylläpitämiseksi. Lämpöneutraalin alueen (TNZ) ylempänä kriittisenä lämpötilana on ympäristön lämpötila, jonka yläpuolella eläin vähentää syömistään estääkseen ruumiinlämpönsä liiallisen kohoamisen, kun taas lämpömukavuusalueen (ZLTE) ylempänä kriittisenä lämpötilana on ympäristön lämpötila, jossa eläin alkaa hikoilla tai läähättää riippuen, kummalla tavalla eläin ensimmäiseksi pyrkii poistamaan kehostaan ylimääräistä lämpöä. Vasta kun nämäkään keinot tai ihon kastelu tai ilman viilentäminen tai muu eläimen käyttäytymisperusteinen yritys viilentää itseään eivät riitä liikalämmön poistamiseksi, eläin vähentää syömistään. Alue ZLTE vastaa siten lämpömukavuusaluetta, missä eläin voi elää tarvitsematta kokea kylmää tai kuumaa, ja samalla alue takaa eläimen kasvun ja tuotannon pienimmällä mutta tuotantoon riittävällä rehun tarpeella, mikä on edullista tilalliselle. Kriittisiin lämpötiloihin vaikuttavat monet seikat kuten eläimen fysiologiset ja käyttäytymisperusteiset menetelmät ruumiinlämpönsä ylläpidossa. Esimerkiksi eläimen rasvakerros ja karva/sulkapeite muuttuvat ympäristön lämpötilan muuttuessa ja eläin hakeutuu ryhmään tai suojaan vedolta kylmässä. On kyseenalaista, onko ympäristön kriittisillä lämpötiloilla enää nykyisin merkitystä, koska tuotantoeläinten elinolosuhteet määräytyvät nykypäivänä pikemminkin optimaalisen kasvun ja tuotannon vaatimien olosuhteiden mukaisesti. Erityisesti ilmakulkuisiin hiukkasiin liittyvä terveysriski on todettu suureksi tuotantoeläinrakennuksissa. Terveysriskiin vaikuttavat hiukkasen koostumus, koko ja muoto. Biologista alkuperää olevat hiukkaset ovat tyypillisiä nimenomaan tuotantoeläinrakennuksissa. Mitä pienemmästä hiukkasesta on kyse, sitä syvemmälle hengitysteihin hiukkanen voi sopivan muotoisena tunkeutua ja sitä epätodennäköisempää on sen poistuminen hengitysteistä yskimällä. Suurimman terveysriskin omaavat hiukkaset pääsevät keuhkorakkuloihin, joissa tapahtuu hengityskaasujen vaihto. Kuvassa 1. on esitetty ilmakulkuisten hiukkasten keskimääräiset kokoluokat ja niiden mahdollinen pääseminen ihmisen hengitysteiden eri osiin. Ilmakulkuisten hiukkasten kokoa mitataan ns. aerodynaamisena läpimittana (yleensä mikrometreinä, m = 1/1 000 000 m = 10-6 m). 4
Kuva 1.. Ilmakulkuisten hiukkasten pääsy ihmisen hengitysteihin. Ilmakulkuisten hiukkasten aiheuttamaan terveysriskiin vaikuttaa luonnollisesti hengitysteiden koko mutta myös hengitystiheys sekä rakennuksessa vietetty aika. Työlainsäädäntö antaa työpaikkojen enimmäispitoisuudet hiukkastyypistä ja työskentelytilasta riippuen hetkellisinä kerta-annoksina ja/tai työpäivän aikana saatuina kokonaisannoksina (8 tunnin arvoina). Taulukkoon 1.. on kerätty kirjallisuudesta löytyneitä ilmakulkuisen pölyn enimmäispitoisuuksia tuotantoeläinrakennusten sisäilmalle. Pölyn laatu Enimmäispitoisuus (mg/m ) Orgaaninen Hengittyvä jae (> 10 m) Alveolijae (< 10 m) Kokonaispöly 1 Endotoksiini (EU/m ) Mykotoksiinit Allergeenit (ng/m ) 1 Työterveyshuollon raja-arvoja 10 (Suomi) <,4 (COBB-rotuiset kanat, hoito-opas s.8) ei löytynyt arvoja 0,5 (USA, jauhopöly), (Tanska), 4 (Saksa), 4 (USA, vilja), 10 (Ontario) 50 00 (8 tunnin arvo) 60 (USA) Taulukko 1.. Sallittuja pölypitoisuuksia tuotantoeläinrakennuksissa. 5
1.. Tutkimuksen tavoite Tutkimuksen tavoitteena oli luoda helppokäyttöinen ja edullinen tapa valvoa tuotantoeläinrakennusten ilmanlaatua ja lämpötilaa rakennuksessa elävien eläinten hyvinvoinnin ja sitä kautta hyvän tuotannon ja tuotannon laadun edistämiseksi unohtamatta itse rakennuksen hyvinvointia rakennuksen pitkän ja terveen käyttöiän takaamiseksi. Tavoitteiden toteuttamiseksi tarkoituksena oli luoda yleiset fysikaalis-kemialliset mallit rakennusten ilmanvaihdolle ja lämpötilalle eläinten lämpötasapainoon ja rakennuksen mikroilmastoon (lämpötila, kosteus, kaasut ja bioaerosolit) vaikuttavien tekijöiden funktiona. Mallien perusteella oli tarkoitus päivittää nykyiset suositukset tuotantoeläinrakennusten ilmanvaihdolle ja lämpötilalle (MMM-RMO C. 1). Lisäksi tutkimuksen tavoitteena oli antaa ohjeita siitä, minkälaisiin mittausantureihin (hiilidioksidipitoisuus, ilman kosteus, lämpötila) sopivan ilmanvaihdon määrityksen ja automatiikan tulisi perustua. Tutkimuksen tuloksista toivottiin olevan hyötyä eläinsuojelulainsäädännön päättäjille ja valvojille, eläinlääkäreille, neuvojille sekä tuottajille. Tutkimusten tuloksilla toivottiin olevan myös positiivinen vaikutus tilan tuotantoon, tuotannon laatuun ja tilan kustannusten minimointiin. Tutkimus kuului siten eläinten hyvinvointikeskusteluun, jota käydään Euroopan Unionin tasolla. Hankkeen aloituskokouksessa 19.8.009 esitetyn hankesuunnitelman yleistavoitteena mainittiin fysiikkaan pohjautuvien laskentamallien kehittäminen sekä selvitys ilmanvaihdon automatisointiin tarvittavasta anturoinnista Suomen oloissa. Kuvassa 1.. on hankkeen Helsingin yliopiston panosta koskeva suunnitelma muodossa, missä se esitettiin hankkeen ensimmäisessä seurantakokouksessa 19..010. Hankkeen ennakkotyöskentely alkoi silloisen Agroteknologian laitoksen varoin 1.11.009 jatkuen Maa- ja metsätalousministeriön rahoituksella ajan 1.1. 1.1.010. Kuva 1.. Hankkeen alkuperäinen suunnitelma Verrattaessa yllä esitettyä suunnitelmaa hankkeen aloituskokouksessa esitettyyn suunnitelmaan, pölyn ja mikrobien osuudesta puuttuu selvitys turpeen vaikutuksesta tuotantoeläinrakennuksen mikroilmastoon. 6
Kuvassa 1.. esitetty hankesisältö muuttui maaliskuun seurankokouksessa (19..010) käydyn keskustelun perusteella niin, että aihepiiristä poistettiin pölyn ja mikrobien yksityiskohtaisempi tutkimus hankkeen lyhyen keston vuoksi, koska yksityiskohtaisempi analyysi vaatisi mikrobiologista asiantuntemusta, jota hankkeen tutkijoilla ei ollut. Samoin hankkeen sisällöstä poistettiin maatiloilla työskentelevien ihmisten työterveyteen liittyvä kirjallisuusselvitys päällekkäisenä aiheesta jo aiemmin tehtyjen selvitysten vuoksi. On huomionarvoista todeta, että tuotantoeläinrakennuksia koskevat suositukset hengitysilman kaasuja pölypitoisuuksille perustuvat lähinnä ihmisille sallittuihin enimmäispitoisuuksiin. Eläimiä koskevat rajaarvot ovat vaikeasti määritettävissä eläinten tiettyyn rajaan asti ulottuvan sopeutuvaisuuden vuoksi. Eläimensä hyvin tunteva tilallinen onkin avainasemassa kyetessään arvioimaan eläintensä yleistä hyvinvointia niiden käyttäytymisen perusteella. Eläinlääkäreillä lienee myös keinoja tutkia huonolaatuisen hengitysilman vaikutuksia eläimissä, mutta toistaiseksi systemaattisia tutkimuksia ei liene tehty eläimillä. Tämäkään hanke ei kykene vastaamaan kyseiseen eläinlääkinnällistä ja eläinhoidollista kokemusta vaativaan kysymykseen eläinten hengitysilman haitallisten kaasujen ja hiukkasten todellisista raja-arvoista. Edellä olevan selvityksen mukaisesti hankkeessa tuli kiinnittää huomiota seuraaviin kysymyksiin: 1. Millä perustein ilmanvaihto tulee säätää eri tuotantoeläinrakennuksissa ja eri vuodenaikoina?. Mitkä ovat ilmanvaihdon laskennalliseen arviointiin tarvittavat parametrit?. Miten ilman laatua tulisi tarkkailla käytännössä? 7
. Tutkimusosapuolet ja yhteistyö Maa- ja metsätalousministeriön rahoitus yhden vuoden kertahankkeelle tapahtui aikavälillä 1.1. 1.1.010. Seuraavat henkilöt toimivat hankkeen eri osa-alueilla: Tutkimuksen vastuullinen johtaja: Tutkimuksen suorittajat: Dosentti, yliopistolehtori Mikko Hautala, Helsingin yliopisto/maataloustieteiden laitos/agroteknologia Dosentti, FT Berit Mannfors, Helsingin yliopisto/maataloustieteiden laitos/agroteknologia Maataloustieteiden yo. Tapani Viita, Helsingin yliopisto/maataloustieteiden laitos/agroteknologia Tutkimuksen ohjausryhmä: Yliarkkitehti Raija Seppänen (puheenjohtaja), Maa- ja metsätalousministeriö Suunnittelija Kjell Brännäs (varapuheenjohtaja), Maa- ja metsätalousministeriö Toimitusjohtaja Matti Kokko, Mestarifarmi Oy Toimitusjohtaja Antti Ruokolainen, A-lab Oy Arkkitehti Tapani Kivinen, MTT Professori Boris Reppo, EMU/Viro Professori, FT Anna Valros, Helsingin yliopisto/kliinisen tuotantoeläinlääketieteen osasto/eläinten pito ja hyvinvointi Agronomi Matti Ropilo, tilallinen Projektin asiantuntijat: Professori Jukka Ahokas, Helsingin yliopisto/maataloustieteiden laitos/agroteknologia Professori Laura Ala-Kukku, Helsingin yliopisto/maataloustieteiden laitos/agroteknologia ELT, Kliininen opettaja Laura Hänninen, Helsingin yliopisto/kliinisen tuotantoeläinlääketieteen osasto/eläinten pito ja hyvinvointi Dosentti, MMT, yliopistolehtori Hanna-Riitta Kymäläinen, Helsingin yliopisto/maataloustieteiden laitos/agroteknologia Professori, TkT Matti Mäkelä, ylämaan karjan asiantuntija MMT, yliopistolehtori Matti Pastell, Helsingin yliopisto/maataloustieteiden laitos/agroteknologia Professori Vaino Poikalainen, EMU/Viro 8
. Tutkimuksen tulokset Tutkimuksen tarkoituksena oli arvioida tuotantoeläinrakennusten riittävä ilmanvaihto ja kriittiset lämpötilat rakennuksessa elävien eläinten hyvinvoinnin takaamiseksi sekä nykyisten Maa- ja metsätalousministeriön tuotantoeläinrakennusten mikroilmastoa koskevien ohjeiden MMM-RMO C. päivittämiseksi. Tavoitteena oli luoda laskennallinen malli kyseisten seikkojen selvittämiseksi. Tässä luvussa selvitetään ensin tutkimuksessa käytetyt menetelmät ja aineisto, ja sen jälkeen tutkimuksesta saadut tulokset ja niiden arviointi..1. Tutkimusmenetelmät ja aineisto Tutkimushankkeeseen sisältyi laskennallinen osuus tuotantoeläinrakennuksille riittävän ilmanvaihdon arvioimiseksi sekä rakennusten sisäilman laadun kokeellista mittausta valituissa kohteissa (yksi sikatila, yksi broileritila ja yksi kanala). Ensin käsitellään ilmanvaihdon laskennallinen arviointi ja sen jälkeen suoritetut mittaukset sekä lopuksi hankkeen suorittamiseen liittynyt aineisto..1.1. Laskennalliset menetelmät: Ilmanvaihdon arviointi Ensin selvitetään lyhyesti tuotantoeläinrakennusten ilmanvaihtoon vaikuttavat tekijät ja tämän jälkeen esitetään lausekkeet ilmanvaihdon arvioimiseksi. Yksityiskohtainen tarkastelu on erillisessä tutkimusraportissa..1.1.1. Ilmanvaihtoon vaikuttavat tekijät tuotantoeläinrakennuksissa Tuotantoeläinrakennuksen ilmanvaihdon tarkoituksena on saattaa rakennuksessa elävien eläinten ja siellä työskentelevien ihmisten hengitysilma riittävän hyvälaatuiseksi. Riittävä hyvälaatuisuus tarkoittaa rakennuksen mikroilmaston sopivaa lämpötilaa sekä riittävän alhaisia haitallisten aineiden pitoisuuksia. Merkittävät tuotantoeläinrakennusten ilmanlaatua heikentävät tekijät ovat hiilidioksidi (CO ), ammoniakki (NH ) ja vesihöyry (kosteus, H O) sekä pöly. Tuotantoeläinrakennuksella tarkoitetaan saman mikroilmaston omaavaa osaa rakennuksesta, joka eläimistä ja tuotantovaiheesta riippuen voi olla koko rakennus tai erillinen tuotanto-osasto. Hiilidioksidia tulee rakennuksen sisäilmaan eläinten (ja ihmisten) hengityksestä sekä eläinten lannasta ja virtsasta. Etenkin Suomen kaltaisissa talvioloissa hiilidioksidipitoisuudet kasvavat eristetyissä eläinrakennuksissa helposti liian korkeiksi, kun rakennuksen lämmityskustannusten takia pienennetään ilmanvaihtoa. Jos eläimet elävät omassa lannassaan, ilman ammoniakkipitoisuudet saattavat kasvaa vaarallisen korkeiksi. Ihminen haistaa ilman ammoniakin noin 0 ppm:n pitoisuudesta lähtien. Kosteissa tiloissa ammoniakki muodostaa myös emäksisiä ammoniumyhdisteitä (NH 4 OH), joilla on ihoa syövyttävä vaikutus. Rakennuksen sisäilman kosteus kasvaa, kun vettä höyrystyy kosteilta pinnoilta, joita tuotantoeläinrakennuksissa ovat esimerkiksi avoimet juoma-astiat sekä märät lattiat ja eläinten kosteat hengitystiet ja iho. Vesihöyry ei puhtaana ole eläimille vaarallista muutoin kuin kuumissa ja kosteissa mikroilmastoissa korkean ilman kosteuden vaikeuttaessa eläinten liikalämmön poistumista kehosta. Sen 9
sijaan liiallinen kosteus vahingoittaa esimerkiksi rakennuksen puurakenteita ja edesauttaa metallien syöpymistä sekä rehun ja katteen homehtumista. Lantajärjestelmästä riippuen huomiota täytyy kiinnittää myös rikkivetyyn (H S), joka on pieninäkin pitoisuuksina hengenvaarallista ja johtanut jopa työntekijöiden kuolemaan lietelantajärjestelmän omaavilla tiloilla, kun lantaa on sekoitettu tai pumpattu ilman asianmukaista suojausta. Eläinrakennusten sisäilma ei saa olla liian kuivaakaan (RH > 50% 1, RH = relative humidity), koska liiallinen kuivuus lisää ilmassa olevan pölyn määrää ja edesauttaa eläinten (ja eläinrakennuksissa työskentelevien ihmisten) hengitystiesairauksien ja ihovaurioiden esiintyvyyttä limakalvojen ja ihon kuivumisen seurauksena. Suurimmaksi niin eläimiä kuin ihmisiä koskevaksi terveysriskiksi tuotantoeläinrakennuksissa ja rakennusten päästöissä onkin arvioitu ilman sisältämät bioaerosolit 4,5,6,7, jotka ovat orgaanista alkuperää olevia ilmakulkuisia kiinteitä tai nestemäisiä hiukkasia. Eläinrakennusten bioaerosoleja ovat biologinen pöly, allergeenit ja biologista alkuperää olevat mikro-organismit, joihin kuuluvat homeet, mikroskooppiset sienet, bakteerit, virukset ja niiden hajoamistuotteista etenkin myko- ja endotoksiinit. Mykotoksiinit ovat mikroskooppisten sienten hajoamistuotteita ja endotoksiinit ns. gramnegatiivisten bakteerien soluseinämien hajoamistuotteita. Pölyn merkitys hengitysilman saastuttajana kasvaa, kun pölyhiukkaset usein sähköisinä hiukkasina voivat sitoa itseensä muita sähköisiä elementtejä, joita tuotantoeläinrakennuksissa ovat nimenomaan useimmat biologiset ilmakulkuiset mikro-organismit ja niiden hajoamistuotteet sekä kaasuista muun muassa ammoniakki. Ilmakulkuisen pölyn terveysriski riippuu pölyhiukkasten koostumuksen (orgaaninen ja epäorgaaninen) lisäksi niiden muodosta (pallomainen, pitkulainen jne.) ja koosta (ilmakulkuisilla aerodynaaminen halkaisija). Lisäksi osa bioaerosoleista aktivoituu uudelleen tietyissä aerosolille edullisissa olosuhteissa esimerkiksi kosteuden, lämpötilan tai ultraviolettisäteilyn vaikutuksesta. Tuotantoeläinrakennuksissa orgaanisen pölyn osuus on ylivoimainen epäorgaaniseen verrattuna, ja siksi bioaerosolien pitoisuus nousee helposti korkeaksi eläinrakennuksissa. 10
.1.1.. Ilmanvaihdon arviointi Ilmanvaihdon suuruuden arviointi perustuu taseyhtälöihin. Taseyhtälö kuvaa muuttuvan tekijän ajallista vaihtelua, joita tuotantoeläinrakennusten sisäilmassa ovat sisäilman lämpötila sekä ilman kaasu- ja pölypitoisuudet. Ilmanvaihto voi siis määräytyä joko ilman lämpötilan perusteella tai jonkin ilman haitallisen kaasun tai ilman sisältämän pölyn perusteella. Tässä hankkeessa ei arvioitu pölystä johtuvaa ilmanvaihtoa. Tuotantoeläinrakennuksen (eläinhallin tai tuotanto-osaston) ilmanvaihdon määräävät tekijät on esitetty seuraavassa yksinkertaistetussa kuvassa: Kuva.1. Ilmanvaihdon periaate Kuvan perusteella ilmanvaihdossa otetaan lämpötilan T out, kosteuden RH out ja kullekin tarkastellulle kaasulle sen pitoisuuden C out omaavaa korvausilmaa (ulkoilmaa) sisälle vauhdilla q V (yleensä yksiköissä kuutiometri/tunti eli m /h) ja vastaavasti lämpötilan T in, kosteuden RH in ja kullekin tarkastellulle kaasulle sen pitoisuuden C in omaavaa sisäilmaa poistuu rakennuksesta samalla vauhdilla. Hankkeen lopputuloksena kirjoitettiin ilmanvaihdon laskemiseen ohjelmat eri tuotantosuunnille, jotka perustuvat CIGR 1984-selvityksen CIGR1984 mukaisiin lämmön ja kaasujen tuottoihin rakennustasolla. Seuraavassa esitetään ensin lämpötilaan perustuva ilmanvaihto ja tämän jälkeen sisäilman haitallisiin kaasuihin perustuvat ilmanvaihdot. Ilmanvaihdon suuruuden määrä se tekijä, jonka perusteella laskettu ilmanvaihto on suurin. Laskuihin tarvittavat lausekkeet ovat sinisellä pohjalla. 11
.1.1..1. Lämpötilaan perustuva ilmanvaihto Kuten sivulla 5 jo todettiin, eläimistä poistuva liikalämpö lämmittää tuotantoeläinrakennuksen sisäilmaa. Tämä eläimistä ja mahdollisista koneista eläinrakennuksen sisäilmaan siirtyvä ilmaa liiallisesti lämmittävä lämpö voidaan poistaa rakennuksesta ilmanvaihdolla ja kuumina ajanjaksoina jäähdyttämällä eläimiä ja/tai ilmaa. Lämpötilaan perustuvan rakennuksen (eläinhallin tai erillisen tuotanto-osaston) ilmanvaihdon suuruus yksiköissä kuutiometri/tunti, m /h, voidaan arvioida seuraavalla lausekkeella q 600 PQ / h) c( J / kg K) ( kg / m, rakennus V ( m ) Tin ( W) ( C) T out ( C) (.1) missä q V = (rakennuksen sisäilman ja korvausilman lämpötilojen määräämä) ilmanvaihdon suuruus (kuutiometri/tunti, m /h) 600 = sekuntien määrä yhdessä tunnissa P Q,rakennus = eläinrakennuksessa tuotettu nettolämpöteho (vatti, W) c = ilman ominaislämpökapasiteetti 1000 J/(kg K) (joule/(kilogrammakelvin) ) = ilman tiheys = 1,0 1,9 kg/m eläinrakennusten sisäilman lämpötilaalueella (kilogramma/kuutiometri) T in = haluttu eläinrakennuksen sisäilman lämpötila (C) T out = eläinrakennukseen tulevan korvausilman lämpötila (C) Tuotantoeläinrakennuksessa tuotettu nettolämpöteho P Q sisältää rakennuksessa elävien eläinten ympäristöönsä (rakennuksen sisäilmaan) luovuttaman lämmön rakennustasolla ja rakennuksen mahdollisen lämmityksen vähennettynä rakennuksen lämpöhäviöillä seuraavasti P Q, rakennus PQ, eläimet PQ, lämmitys PQ, lämpöhäviöt (.) Eläinten lämmöntuotto rakennustasolla (P Q,eläimet ) sisältää eläinten ympäristöönsä luovuttaman kehon liikalämmön sekä rakennuksen kosteilta pinnoilta höyrystyvän veden höyrystymislämmön. Lämpöhäviöt määräytyvät rakennuksen rakenteiden (seinät, verhoseinät, ikkunat, lattia, sisäkatto) lämmöneristyksestä (U-arvoista). Lämpöhäviö esimerkiksi yhdelle rakennuksen seinälle yksiköissä watti (W) on P ( W ) U A T T Q, lämpöhäviö, seinä seinä seinä in out (.) missä U seinä = seinärakenteelle tyypillinen U-arvo (watti/(neliömetrikelvin), W/m K) A = seinän pinta-ala (neliömetri, m ) T in = eläinrakennuksen sisäilman lämpötila (C) 1
T out = eläinrakennukseen tulevan korvausilman lämpötila (C) Talviolosuhteissa lausekkeesta (.1) laskettu ilmanvaihto voi olla myös pienempi kuin nolla (negatiivinen lukuarvo), mikä tarkoittaa, että rakennusta pitää lämmittää. Lämmityksen tarpeesta huolimatta rakennuksen sisäilman laatu voi olla heikentynyt esimerkiksi hiilidioksidin tuotosta, ja rakennus kaipaa hiilidioksidipitoisuuden korjaavaa ilmanvaihtoa. Lämmitysenergian tarve lasketaan rakennuksen sisäilman laadun parantamiseksi tarvittavan ilmanvaihdon (lausekkeet (.6), (.7) ja (.11)) ja lämpötilan määräämän ilmanvaihdon (lauseke.1) erotuksesta seuraavasti P Q, lämmitys c( J / kgk) ( kg / m ) ( W ) 600 T ( C) T in out ( C) q ( kaasu) q ( lämpötila) n V V (.4) missä c = ilman ominaislämpökapasiteetti 1000 J/(kg C) = ilman tiheys = 1,0 1,9 kg/m eläinrakennusten sisäilman lämpötila-alueella T in = haluttu eläinrakennuksen sisäilman lämpötila (C) T out = eläinrakennukseen tulevan korvausilman lämpötila (C) 600 = sekuntien määrä yhdessä tunnissa q V (kaasu) = suurin laskettu jonkin kaasun tai pölyn määräämä ilmanvaihto (m /h); ilmanvaihtolaskurin minimi-ilmanvaihto; lausekkeet (.6), (.7) ja (.11) q V (lämpötila) = lämpötilaan perustuva ilmanvaihto (m /h); ilmanvaihtolaskurin minimiilmanvaihto-sivun tulostaulukon Lämpö-sarakkeesta; lauseke (.1) n = rakennuksessa elävien eläinten lukumäärä 1
.1.1... Sisäilman haitallisiin aineisiin perustuva ilmanvaihto Tuotantoeläinrakennuksen vaatima ilmanvaihto voi määräytyä rakennuksen sisäilman lämpötilan perusteella (lauseke.1) tai sisäilman sisältämien haitallisten kaasujen tai pölyn perusteella. Rakennuksen sisäilman haitalliseen aineeseen perustuva ilmanvaihdon suuruus saadaan arvioitua seuraavalla lausekkeella q V P (.5) C C in out missä q V = ilmanvaihdon suuruus P = sisäilman haitallisen kaasun tai pölyn tuotto rakennuksessa C in = haitallisen kaasun tai pölyn pitoisuus rakennuksen sisäilmassa; ilmanvaihtolaskurissa kaasun tai pölyn suositeltu enimmäispitoisuus C out = haitallisen kaasun tai pölyn pitoisuus korvausilmassa Sisä- ja korvausilman sisältämän haitallisen kaasun tai pölyn määrän ja tuoton yksiköstä riippuu, missä muodossa lauseke (.5) lopulta kirjoitetaan kullekin kaasulle ja pölylle. Useimpia tuotantoeläinrakennusten haitallisten kaasujen (hiilidioksidi, ammoniakki, metaani ja rikkivety) pitoisuuksia C mitataan yksiköissä ppm (parts per million), joka tarkoittaa, että haitallisen kaasun osuus yhdessä kuutiometrissä ilmaa on 1/1 000 000 (miljoonasosa) kuutiometriä. Täten 1 ppm = 1/1 000 000 m /m, joka tieteellisesti kirjoitettuna on 1 ppm = 110-6 m /m. Ulkoa otetun korvausilman ammoniakki-, metaani- ja rikkivetypitoisuudet (C out lausekkeessa (.5)) ovat käytännössä = 0, jollei eläinrakennuksen naapurissa ole kyseisiä kaasuja päästäviä yksikköjä kuten toisen eläinrakennuksen päästökanavaa tai lietelantavarastoa. Sen sijaan ulkoilman hiilidioksidipitoisuus on kasvanut aiemmasta noin 00 ppm:n pitoisuudesta lähes 400 ppm:n pitoisuuteen 8 Korvausilman hiilidioksidipitoisuus riippuu myös lähiympäristöstä ja on suurempi vilkkaasti liikennöityjen teiden varsilla verrattuna ympäristöön, jossa on vähäinen liikenne. Käytännössä voidaan ulkoilman hiilidioksidipitoisuudelle käyttää arvoa 80 ppm. Tuotantoeläinrakennuksen sisäilmaan tuotetaan kaasuja vauhdilla P kaasu, joita mitataan perinteisesti erilaisissa yksiköissä, ja siksi seuraavassa käsitellään hiilidioksidiin perustuva ilmanvaihto erillään ilmankosteuden määräämästä ilmanvaihdosta. Ammoniakin tuotto märästä lannasta lasketaan muista kaasuista poikkeavasti ja käsitellään siksi myös erikseen. Seuraavassa ei käsitellä metaaniin eikä rikkivetyyn perustuvaa ilmanvaihtoa. Myrkyllisyytensä vuoksi rikkivedyn pitoisuuden ilmassa tulee olla niin pieni kuin mahdollista, jolloin rikkivety ei missään olosuhteissa määrää ilmanvaihdon suuruutta. Myöskään pölyn määräämää ilmanvaihtoa ei käsitellä. 14
Sisäilman hiilidioksidipitoisuuteen perustuva ilmanvaihto Eläinten hengityksen tuottamaa hiilidioksidivirtaa eläinrakennuksen sisäilmaan mitataan yleensä yksiköissä litra/tunti (l/h). Siten hiilidioksidin tuottoon perustuvalle ilmanvaihdolle lauseke (.5) muuntuu muotoon q V ( m 1000 PCO ( l / h) / h) (.6) C ( ppm) C ( ppm) CO, in CO, out Lausekkeessa q V = (rakennuksen sisäilman ja rakennuksen sisälle tulevan korvausilman hiilidioksidipitoisuuksien määräämä) ilmanvaihdon suuruus (kuutiometri/tunti, m /h) P CO = eläinrakennuksen sisäilmaan tuotettu hiilidioksidikaasun virta (litra/tunti, l/h) 1000 = yksikkömuunnoksista johtuva tekijä C CO,in = hiilidioksidikaasun pitoisuus rakennuksen sisäilmassa (ppm) C CO,out = hiilidioksidikaasun pitoisuus rakennuksen sisälle tulevassa korvausilmassa (ppm) Tuotantoeläinrakennuksen sisäilmaan tulee hiilidioksidia eniten eläinten (ja ihmisten) uloshengityksessä mutta hiilidioksidia emittoituu myös rakennuksessa olevasta lannasta ja virtsasta kuten lattioilla olevasta eläinten jätöksestä sekä rakennuksen alla olevasta lattiaritilällä varustetusta lietelantakuilusta. Eläimistä ja rakennuksesta koostuvaa hiilidioksidin tuottoa kutsutaan eläinten hiilidioksidin tuotoksi rakennustasolla. Hiilidioksidin tuotto P CO hengityksessä on lähes riippumatonta tuotantoeläinrakennuksen olosuhteista ja siten suhteellisen hyvin tunnettu suure, minkä vuoksi lauseketta (.6) käytetään yleisesti arvioitaessa rakennuksessa vallitsevaa ilmanvaihdon suuruutta mittaamalla rakennuksen sisäilman hiilidioksidipitoisuus C CO,in ja käyttämällä korvausilman hiilidioksidipitoisuudelle arvoa C CO,in 80 ppm. 15
Sisäilman ammoniakkipitoisuuteen perustuva ilmanvaihto Muita tuotantoeläinrakennuksissa erittyviä haitallisia kaasuja, joiden pitoisuutta mitataan ppmyksiköissä, ovat metaani- ja ammoniakkipäästöt. Ammoniakkia erittyy märästä lannasta ja virtsasta bakteeritoiminnan kautta, kun metaania erittyy nautaeläinten ruoansulatuksessa ja hiilipitoisten aineiden hajoamisessa. Kun ammoniakin tuotto mitataan yksiköissä gramma/tunti (g/h), voidaan ammoniakkipitoisuuteen perustuva ilmanvaihto kirjoittaa muotoon q V ( m 1000000 PNH ( g / h) / h) (.7) ( g / m ) C ( ppm) C ( ppm) NH NH, in NH, out missä q V = (rakennuksen sisäilman ja rakennuksen sisälle tulevan korvausilman ammoniakkipitoisuuksien määräämä) ilmanvaihdon suuruus (kuutiometri/tunti, m /h) P NH = eläinrakennuksen sisäilmaan tuotettu ammoniakkikaasun virta (gramma/tunti, g/h); lausekkeet (.8) ja (.10) 1 000 000 = yksikkömuunnoksista johtuva tekijä NH = ammoniakkikaasun tiheys 681, g/m C NH,in = ammoniakkikaasun pitoisuus rakennuksen sisäilmassa (ppm) C NH,out = ammoniakkikaasun pitoisuus rakennuksen sisälle tulevassa korvausilmassa (ppm); käytännössä C NH,out = 0 ppm Hankkeessa arvioitiin ammoniakin tuotto eläinrakennuksessa aiemmin kehitetyn laskennallisen ammoniakkiemissiomallin avulla 9. Kehitetty malli perustuu mittauksiin, joilla tutkittiin ammoniakin emissiota märästä lannasta kylmäpihatoissa 9]. Vaikka emissioyhtälön (lauseke.8) parametrit k NH ja ovat navettamittauksista eivätkä suoraan sovellu muihintuotantoeläinrakennuksiin, navettaparametreilla laskettu tulos antaa ehdottoman maksimin muiden tuotantoeläinrakennusten ammoniakkituotoille. Ammoniakin emissioon vaikuttavat lannan happamuus (ph), lannan lämpötila T sekä lannassa olevan typen määrä C TAN seuraavalla tavalla j NH g 600000 C m h TAN NH 0,010 k T ( C) ph 8 0 C 10 T ( C) ph 8 0 ( kg / m ) ( mm) TAN (.8) missä j NH = emittoituvan ammoniakkivirran tiheys (gramma/(neliömetritunti), g/(m h) ) 600 000 = yksiköistä johtuva tekijä 16
C TAN = lannan ammoniakkitypen (ammoniacal nitrogen, AN) kokonais(total, T)pitoisuus; kg/m FRED paperi 010; ilmanvaihtolaskurissa käytetty arvoa 5 kg/m maksimaaliselle ammoniakin tuotolle k NH = ammoniakkikaasun siirtymiskerroin lannan pinnasta ilmaan 0,01 m/s 9 T = lannan pinnan lämpötila (C) ph = lannan pinnan happamuus (7 : neutraali, alle 7 : hapan ja yli 7 : emäksinen; ilmanvaihtolaskurissa käytetty arvoa ph = 8 ) = lannan pinnalla olevan rajakerroksen (ilma, kate) paksuus (mm); ilmanvaihtolaskurissa käytetty arvoa 10 mm Lauseke perustuu aineen siirtymisen fysiikkaan (Fickin lakiin), joka taas perustuu aineen diffuusioon pinnalta, jolloin ammoniakin siirtymiskerroin pinnasta ilmaan k NH voidaan lausua ammoniakin diffuusiokertoimen D NH ja lannan pinnalla olevan rajakerroksen paksuuden avulla seuraavasti k NH D 5 NH,8 10 m / s (.9) Arvolla k NH = 0,01 m/s saadaan rajakerroksen paksuudeksi noin mm, joka vastaa ilmarajakerroksen paksuutta suhteellisen kovassa vedossa. Ammoniakkikaasu, jota syntyy lannassa, diffundoituu ensin lannan sisältä sen pinnalle ja lannan pinnalla olevan rajakerroksen läpi eläinrakennuksen sisäilmaan. Rajakerroksena oli navetta-mittauksissa ilma, mutta esimerkiksi lannan pinnalla oleva kate kasvattaa rajakerroksen paksuutta. Yllä oleva lauseke (.8) kertoo suoraan, että ammoniakin emissio lannasta pienenee, kun vähennetään lannan typpipitoisuutta (C TAN ) eläimille syötettävän rehun avulla ja/tai kasvatetaan rajakerroksen paksuutta ( ) esimerkiksi katteen T( C) avulla ja/tai pienennetään eksponenttia ph 8, eli jäähdytetään lantaa (T laskee) ja/tai 0 sekoitetaan lantaan esimerkiksi hapanta turvetta (pienennetään happamuutta ph). Rajakerroksen paksuuteen vaikuttavat katteen lisäksi lannan yläpuolisen ilmavirtauksen suunta ja suuruus. Voidaan arvioida, että tyynissä olosuhteissa ilmarajakerroksen paksuus on noin 10 mm ja kovassa tuulessa luokkaa 1 mm. Peittämällä märkä lanta esimerkiksi 5 cm paksulla olkikatteella, rajakerroksen paksuudeksi tulee 50 mm. Lauseke (.8) antaa emission pinta-alayksikköä kohti, joten lannan pinnan alan pienentäminen vähentää samassa suhteessa emissioita. Lannan levittäminen raapalla lisää siis automaattisesti emissioita. Tuotantoeläinrakennuksessa märästä lannasta emittoituva ammoniakkivirta yksiköissä g/h saadaan arvioitua kertomalla ammoniakin emissio märän lannan peitossa olevan lattian pinta-alalla A lanta P NH g ( g / h) jnh ( ) A ( m ) lanta (.10) m h 17
Sisäilman kosteuteen perustuva ilmanvaihto Ilman kosteuden määräämä ilmanvaihdon lauseke eroaa muiden kaasujen vastaavista lausekkeista, koska ilman sitomaa vesihöyryä ei mitata ppm-yksiköissä vaan joko suhteellisena kosteutena RH (relative humidity) prosenttiyksiköissä (%), joka ilmoittaa vesihöyryn prosentuaalisen määrän ilmassa vallitsevassa lämpötilassa, tai vesisisältönä (absoluuttisena kosteutena) x, joka tarkoittaa veden massaa kilossa kuivaa ilmaa yksiköissä gramma/(kilogramma kuivaa ilmaa) (g/kg) tai kilogramma/(kilogramma kuivaa ilmaa) (kg/kg). Vesihöyryn tuotto tuotantoeläinrakennuksissa mitataan yleensä yksiköissä gramma/tunti (g/h). Siten ilman kosteuteen (vesihöyryn määrään) perustuva ilmanvaihto voidaan lausekkeen (.5) sijasta kirjoittaa muodossa q V ( m PH ( / ) O g h / h) (.11) ( kg / m ) x g / kg x ( g / kg) H O, in H O, out missä q V = (rakennuksen sisäilman ja rakennuksen sisälle tulevan korvausilman kosteuksien määräämä) ilmanvaihdon suuruus (kuutiometri/tunti, m /h) P HO = vesihöyryn (kosteuden) tuotto rakennuksessa (gramma/tunti, g/h) = ilman tiheys = 1,0 1,9 kg/m ilman lämpötilasta riippuen x HO,in = rakennuksen sisäilman absoluuttinen kosteus (vesisisältö kuivassa ilmassa) (g/kg) x HO,out = rakennuksen sisälle tulevan korvausilman absoluuttinen kosteus (vesisisältö kuivassa ilmassa) (g/kg) Tuotantoeläinrakennuksessa tuotettu kosteus P HO koostuu eläinten (ja ihmisten) hengitysteiden kosteilta limakalvoilta höyrystyvästä vedestä sekä rakennuksen ja kostutettujen eläinten märistä pinnoista ilmaan höyrystyneestä vesihöyrystä. Tätä rakennuksen kosteuden tuoton sisältävää eläinten kosteuden tuottoa kutsutaan eläinten vesihöyryn (kosteuden) tuotoksi rakennustasolla. Pinnoilta höyrystyvän kosteuden voi laskea seuraavalla lausekkeella D( m / s) PH, ( / ) ( ) ( kg / m ) x( kg / kg) O pinnat kg s A m, ( m) kun pinta on märkä. x on pinnalla olevan kosteuden (RH=100%, kun pinta on täysin märkä) ja ilman kosteuden erotus yksiköissä kg/kg. Termin x ja ilmankosteuden RH yhteys on annettu erillisessä tutkimusraportissa. Rajapinnan paksuus tarkoittaa samaa asiaa kuin lausekkeessa (.8). D on vesihöyryn diffuusiokerroin ilmassa. 18
.1.1.. Kriittiset lämpötilat Alustavan hankesuunnitelman mukaan tavoitteena oli ajanmukaistaa ohjeet tuotantoeläinrakennusten kriittisille lämpötiloille ratkaisemalla kyseiset lämpötilat tuotantokohtaisista eläinten lämpötaseyhtälöistä. Lopulta hankkeessa päätettiin kuitenkin luopua kriittisten lämpötilojen laskemisesta, kun usean Euroopan Unionin jäsenmaan yhteinen tutkimushanke tuotantoeläinten hyvinvoinnin mittaamiseen kehitettävistä kriteereistä (Welfare Quality-hanke) 10,11,1 tuli tulokseen, ettei ohjeiden antaminen eläinsuojien lämpötiloiksi ole mielekästä sopivan lämpötilan riippuessa eläinten lämmöneristyksen ja genetiikan lisäksi myös niiden ruokinnasta ja itse tuotantoeläinrakennuksesta (eristetty rakennus/kylmäpihatto, lattiatyyppi, lämmitys- ja ilmanvaihtojärjestelmä, jne.) sekä eläintilan sijainnista (ilmasto-olosuhteet). Eläintilojen kasvaessa rakennuksen sisäilman lämpötila määräytyy enenevässä määrin eläinjalostajien tai muiden eläinten pitoa koskevien neuvonantajien antamien ohjeiden mukaan tuotannonoptimoimiseksi. Siten eläimelle optimaalisen lämpötila-alueen paras mittari on eläin itse, ja tarvittaessa lämpöviihtyvyys-alueen rajat (alempi ja ylempi kriittinen lämpötila) lienevät parhaiten määritettävissä havainnoimalla eläinten käyttäytymistä. Laajempi tarkastelu kriittisistä lämpötiloista on erillisessä tutkimusraportissa. 19
.1.. Kokeelliset menetelmät: Ilmanlaadun tarkkailu Hankkeessa suoritettiin jatkuvia mittauksia kolmella tilalla (yksi sikatila, yksi broileritila ja yksi kanala). Navettamittauksia oli lypsylehmätiloilta aiemmilta vuosilta. Mittaussysteemit eri eläinsuojissa olivat joitain anturimuutoksia lukuun ottamatta samanlaiset kuin aiemmin EU INTERREG IIIA/Suomi-Viro-hankkeissa (Interrobo vuosina 00 005 ja Ecostall vuosina 005 007) ja MMM:n rahoittamassa Kartek-hankkeessa vuosina 005 007 kehitetyt laitteistot, joista toinen oli kylmäpihatossa ja toinen puolilämpimässä verhoseinänavetassa. Systeemit koostuivat mittausyksiköstä ja siihen kytketyistä antureista 9. Mittausyksikkö oli sijoitettu 1m1m kokoiselle vanerilevylle. Samalla levyllä oli myös GPRS-lähetin (A-lab Oy:n AWS-CORE) ja osa antureista. Kaikki kytkennät oli suojattu pölyltä ja kosteudelta. Hankkeen jatkuvissa mittauksissa mitattiin rakennusten sisäilman lämpötilaa ja suhteellista kosteutta sekä hiilidioksidipitoisuutta. Sika- ja broileritilalla mitattiin myös ammoniakkipitoisuutta. Korvausilmaan liittyvistä tekijöistä mitattiin ulkoilman lämpötilaa ja ilman kosteutta. Mittaukset suoritettiin 0 minuutin välein vuorokauden ympäri ja lähetettiin GPRS-lähettimen avulla A-lab Oy:n tietokantapalvelimelle, josta tuloksia voitiin internetin avulla katsoa ja tallentaa muun muassa Excel-tiedostoina. Ohessa on kuva näkymästä internetissä. 4. 0
Esimerkin internet-sivu kertoo, että kyseessä on sikalan sisälämpötila ajalla marraskuusta helmikuuhun 010. Sivulla on myös tieto anturista (PT1000), minkä lisäksi ohjelma ilmoittaa tarkastelun kohteena olevalta ajalta mitatun suureen minimi- ja maksimiarvot (Min, Max) sekä laskee keskiarvon (Average). Sivulla nähdään myös valitun ajanjakson ensimmäinen ja viimeinen tulos. Mittalaite antureineen näkyy internet-sivun oikeassa yläkulmassa sijaitsevassa kuvassa sikojen yläpuolella. Mittauksilla saatiin päivittäiset mitattujen suureiden vaihtelut normaalisti hoidettavilla tuotantoeläintiloilla. Tärkeä tavoite oli myös saada lisätietoa jatkuviin mittauksiin liittyvistä vaikeuksista tiloilla, koska on todennäköistä, että EU:lta tulee mittauksiin liittyviä suosituksia eläinten hyvinvointiin liittyen. Welfare Quality-hankkeen 10,11,1 tutkijat tulivat nimittäin johtopäätökseen, että tulevaisuudessa tuotantoeläinrakennusten ilmanvaihto ja sen mahdollinen automaattinen säätö määräytyisi mittausten perusteella, mihin kyseinen hanke osin vastasi tuloksillaan. Hankkeessa testattiin myös kehitteillä olevaa ammoniakkianturia (Figaro TSG 444; A-Lab Oy). Ammoniakin mittaus osoittautui ongelmalliseksi, ja tulosten tulkinta jäi osin epäselväksi kehitteillä olevan anturin tapauksessa. Hankkeen tulos ammoniakin mittaamisen vaikeudesta on kuitenkin oikea, sillä kirjallisuudesta löytyi myöhemmin julkaisuja, joissa oli tultu samaan tulokseen 1 ammoniakkipitoisuuksien mittaamisvaikeudesta eri antureiden tulosten ollessa erilaisia. Hankkeeseen kuuluvien ja Virossa suoritettujen mittausten perusteella tultiin kuitenkin lopputulokseen, ettei ammoniakki ole ongelma tiloilla, jos ilmanlaatu on hyvä lämmön, kosteuden ja hiilidioksidin tuoton perusteella. Tilanne muuttuu, jos eläimet elävät omassa lannassaan. Poikkeuksen voivat muodostaa sikalat, joissa ammoniakkipitoisuudet näyttävät ilmanvaihtolaskurin tulosten perusteella nousevan korkeammiksi kuin nauta- ja siipikarjatiloilla. Hiilidioksidin mittaus on helppoa ja anturit ovat edullisia. Lisäksi hiilidioksidin tuotto hengityksessä on suhteellisen riippumatonta tuotantoeläinrakennuksen olosuhteista, joten mitattujen hiilidioksidipitoisuuksien hyödyntäminen ilmanvaihdon arviointiin yleisemminkin ei ole yllätys, kun vielä hiilidioksidin tuotto lienee parhaiten tunnettu tuotantoeläinrakennusten sisäilman laatua heikentävistä tuotoista. Mitattujen tulosten käyttökelpoisuuden takaamiseksi on myös pidettävä huolta, että anturit ovat oikeissa paikoissa. Eläinten hyvinvoinnin kannalta on tärkeää, että eläinten hengitystasolla ilma on riittävän hyvälaatuista. Optimaalisesti anturit täytyisi sijoittaa eläinten päiden korkeuksille mutta eläinten ulottumattomiin. Esimerkiksi siipikarjan tapauksessa antureita pitäisi olla lähellä lattiatasoa mutta myös orsien korkeuksilla ja monitasokanaloissa kaikilla tasoilla. On myös otettava huomioon kaasujen erilainen paino. Esimerkiksi ilman molekyylipaino on noin 9 grammaa (g). Ammoniakin molekyylipaino on 17 g, veden 18 g ja hiilidioksidin 44 g. Hiilidioksidi on siten ilmaa raskaampi kaasu ja painuu tyynissä olosuhteissa matalammalle, kun taas ammoniakki ja vesihöyry ilmaa keveämpinä kaasuina nousevat ylemmäksi. Esimerkiksi levätessään puhtaalla alustalla eläimet joutuvat alttiiksi erityisesti hiilidioksidille, jos eläintiheys on suuri. Toisaalta yöaikoja lukuun ottamatta tuotantoeläinrakennuksen ilma liikkuu jatkuvasti ja painavampi hiilidioksidikaasukin kulkee ilman mukana kohti ilmanpoistoaukkoja tai rakennuksen muihin osiin. Mittauksiin käytettiin seuraavia anturityyppejä: Lämpötilan mittauksiin PT1000, ilman suhteellisen kosteuden (RH) mittauksiin HIH-4000, hiilidioksidipitoisuuden mittauksiin SenseAir ja ammoniakin mittauksiin Honeywell sekä kehitteillä oleva Figaron TSG 444. Mittaustuloksista lämpötila rekisteröitiin 1
Celsius-asteina (C), suhteellinen kosteus prosentteina (%), hiilidioksidipitoisuus yksiköissä ppm ja ammoniakin osalta Honeywell yksiköissä ppm ja Figaron kehitteillä oleva anturi TSG 444 jännitteenä (voltti, V). TSG 444-anturin tulos täytyi siten muuntaa ppm-yksikköihin, mikä tuotti ongelmia ohjeiden tulkintavaikeuksien vuoksi, kun osa yksikkömuunnetuista tuloksista osoittautui epärealistisen suuriksi.
.1.. Tutkimusaineisto Ilmanvaihdon laskennalliseen arviointiin tarvitaan tuotantoeläinrakennuksessa tuotettu nettolämpö P Q,rakennus (lauseke.) ja kaasumäärät P CO (lauseke (.6)), P NH (lauseke (.7)) ja P HO (lauseke (.11)). Suuri osa hankkeeseen käytetystä ajasta kului hakemalla nykyisille tuotantoeläimille ajanmukaisia tuottoarvoja, kun kirjallisuudesta löytyvät arvot osoittautuivat olevan peräisin 0 50 vuotta vanhoista tutkimuksista, jolloin eläinten koko ja tuotostasot olivat nykyisiä paljon matalammat. Eläinten tuotantokohtaisia lämmöntuottoja rakennustasolla löytyi vuosien 1984 ja 00 CIGRselvityksistä 14,15 sekä ajallisesti tuoreesta vuoden 008 ASABEn selvityksestä 16, jonka tulokset perustuivat myös vanhoihin tutkimustuloksiin. Molemmat CIGR-selvitykset antavat lausekkeet lämmöntuottojen laskemiseksi termoneutraalilla alueella tai lämpötilassa +0C, jotka tulee korjata eläinten ympäristön todellista lämpötilaa vastaaviksi. CIGR 1984-selvitys antaa myös lämmöntuotot taulukoituina arvoina ja korjattuina valituille eläinrakennusten sisälämpötiloille. ASABEn selvityksessä on kokoelma julkaistuista tuloksista numeroarvoina, ja taulukosta löytyvät myös numeroarvoja vastaavat eläinten ikä- ja/tai painoluokat samoin kuin arvoja vastaavat eläinrakennusten lämpötilat. Yksinkertaisin käyttää oli CIGR 1984-selvityksen taulukoidut tulokset. Selvityksessä on sisälämpötiloiksi valittu kesäajalle +0 C kaikissa tuotantomuodoissa, mikä ei välttämättä toteudu Suomen oloissa joka kesä mutta mitä voidaan pitää ilmanvaihtojärjestelmän mitoitukseen sopivana sisäilman maksimilämpötilana. Talviajan tuotantoeläinrakennusten sisälämpötiloiksi oli selvitykseen valittu työryhmän toimesta Euroopassa tyypillisiä lämpötiloja kuten nautakarjalle +10 C, porsaille elopainosta riippuen 0 8 C, lihasioille myös elopainosta riippuen 1 17 C, joutilaille tiineille emakoille ja karjuille +15 C, imettäville emakoille +18 C, broilereille elopainosta riippuen 18 0 C ja muniville aikuisille häkkikanoille +18 C. Lämpötilakorjattuja lämmöntuoton arvoja oli laskettu kunkin tuotantosuunnan muutamalle tyypilliselle elopainolle. Hankkeessa näitä hyödynnettiin sovittamalla arvoihin käyrät elopainon funktioina. Taulukko on poistettu tästä raportista!! Lämmön ja kaasujen tuotot ovat rakennustasolla, mikä tarkoittaa rakennustyypin ja eläinten pitoon liittyvien ruokinta- ja lantasysteemien huomioon ottamista tuottoarvoissa. Ilmanvaihdon laskennassa tarvittavat yksityiskohtaiset lämmön ja kaasujen (hiilidioksidin ja kosteuden) tuotot eri painoisille ja eri tuotantovaiheessa oleville eläimille on esitetty erillisessä tutkimusraportissa.