Windtunnelonderzoek naar de doorstroming van groenelementen rondom een veehouderijbedrijf : effecten van groenelementen op de luchtkwaliteit rond stalgebouwen door doorstroming van geventileerde stallucht

Hele tekst

(1)Windtunnelonderzoek naar de doorstroming van groenelementen rondom een veehouderijbedrijf Effecten van groenelementen op de luchtkwaliteit rond stalgebouwen door doorstroming van geventileerde stallucht. Annette Pronk, Henk Jan Holterman, Stephan van den Akker, Hans Erbrink & Nico Ogink. Rapport 581.

(2)

(3) Windtunnelonderzoek naar de doorstroming van groenelementen rondom een veehouderijbedrijf Effecten van groenelementen op de luchtkwaliteit rond stalgebouwen door doorstroming van geventileerde stallucht Annette Pronk1, Henk Jan Holterman1, Stephan van den Akker2, Hans Erbrink3 & Nico Ogink4. 1 2 3 4. Plant Research International Peutz Kema Wageningen UR Livestock Research. Plant Research International, onderdeel van Wageningen UR Business Unit Agrosysteemkunde September 2014. Rapport 581.

(4) © 2013 Wageningen, Stichting Dienst Landbouwkundig Onderzoek (DLO) onderzoeksinstituut Plant Research International. Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen of enige andere manier zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van DLO. Voor nadere informatie gelieve contact op te nemen met: DLO in het bijzonder onderzoeksinstituut Plant Research International, Agrosysteemkunde. DLO is niet aansprakelijk voor eventuele schadelijke gevolgen die kunnen ontstaan bij gebruik van gegevens uit deze uitgave.. Plant Research International, onderdeel van Wageningen UR Business Unit Agrosysteemkunde Adres Tel. Fax E-mail Internet. : : : : : :. Postbus 616, 6700 AP Wageningen Wageningen Campus, Droevendaalsesteeg 1, Wageningen 0317 – 48 04 78 0317 – 41 80 94 info.pri@wur.nl www.pri.wur.nl.

(5) Inhoudsopgave pagina. Voorwoord. 1. Samenvatting. 3. Summary. 5. 1.. Inleiding. 7. 2.. Opdrachtformulering. 9. 2.1 2.2. 9 9. 3.. 4.. Inleiding De windtunnelstudie. Resultaten. 13. 3.1 3.2. 13 13. Rookgas run Fractie ventilatielucht die door het groenelement stroomt. Discussie, conclusie en aanbevelingen. 15. 4.1 4.2 4.3. 15 18 19. Discussie Conclusie Aanbevelingen. Literatuur. 21. Bijlage I. Studie van Peutz. 1. Bijlage II. Berekening van de uitstroomsnelheid bij verschillende ventilatiedebieten. 1.

(6)

(7) 1. Voorwoord Om te kunnen voldoen aan Europese normen voor de maximale concentraties van fijnstof in de buitenlucht, dienen in Nederland maatregelen te worden doorgevoerd die de emissie uit belangrijke bronnen terugdringen. Binnen dit kader is het onderzoek naar de interceptie van fijnstof uit de veehouderij door groenelementen gestart. Veldproeven hebben laten zien dat onder ideale omstandigheden fijnstofdeeltjes kunnen worden afgevangen. Dit veldonderzoek was tevens de aanleiding om de stromingspatronen vanuit een stalventilator rondom een groenelement nader te bekijken in een windtunnel. Dit onderzoek is uitgevoerd in opdracht van het Ministerie van Economische Zaken (EZ) in het kader van het ‘Plan van aanpak bedrijfsoplossingen voor fijnstofreductie in de pluimveehouderij’.. Annette Pronk Projectleider Plant Research International, Wageningen UR.

(8) 2.

(9) 3. Samenvatting Groenelementen dragen in potentie bij aan het verlagen van de concentraties fijnstof afkomstig uit stallen doordat fijnstof door het groenelement wordt afgevangen. Afvangst treedt alleen op als de emissies ook daadwerkelijk het groenelement instromen. De vorm, hoogte en afstand van het groenelement rondom de emissiebron hebben invloed op de fractie van de stalemissie die daadwerkelijk door het groenelement zal stromen en dus in aanmerking komt voor afvangst. Om een goede schatting te kunnen maken van het effect van een groenelement op de vermindering van de fijnstofconcentratie (PM10) afkomstig van een stal, is het noodzakelijk om deze fractie te bepalen. De doelstelling van deze studie is: het vaststellen van de fractie ventilatielucht die door een stalomringend groenelement stroomt bij verschillende windrichtingen en windsnelheden. Fijnstof meten in de buitenlucht is complex en er is geen kennis beschikbaar over de verspreiding van emissies uit horizontaal gerichte ventilatoren in samenhang met een groenelement op enige afstand. Om aan de doelstelling van deze studie te voldoen is daarom een windtunnelstudie uitgevoerd op een schaalmodel (1:100) met twee vleeskuikenstallen, uitgerust met mechanische lengteventilatie en omgeven door een groenelement (zie Figuur hieronder). De resultaten van deze windtunnelstudie zijn vervolgens in een breder kader geplaatst.. Vleeskuikenstal 2. Vleeskuikenstal 1. Uittreerichting. De doorstromingsfractie van een stalomringend groenelement is bepaald via wind- en concentratiemetingen met dwarswind (R = 0 en 180˚) en wind mee (R= 90˚, zie Figuur hieronder). De verhouding tussen de uitstroomsnelheid uit de ventilator en de heersende windsnelheid bedroeg 1,4 en 3,3.. Windrichting, R = 180°. Windrichting, R = 0°. Windrichting, R = 90° Schematisch overzicht van de twee vleeskuikenstallen omgeven door een groenelement, de uitstroomrichting van de ventilatielucht en de onderzochte windrichtingen (niet op schaal)..

(10) 4 Op basis van de in de windtunnel uitgevoerde studie kan het volgende geconcludeerd worden: • Indien de ventilatielucht van een stal via de kopse kant van een stal wordt uitgeblazen met behulp van ventilatoren, zal een deel van deze ventilatielucht door het groenelement stromen dat rondom deze ventilatoren is geplant. • De fractie van de ventilatielucht die door het groenelement zal stromen is afhankelijk van de luchtsnelheidsverhouding W, d.w.z. de verhouding tussen de uitstroomsnelheid en de windsnelheid. • Bij een uitstroomsnelheid van 8,4 m.s-1 neemt de fractie van de ventilatielucht die door het groenelement zal stromen, toe bij een toenemende windsnelheid. • In deze windtunnelstudie stroomt maximaal ca. 70% van de ventilatielucht door de buitenste bomenrij die rondom de ventilatoren is geplaatst. De windrichting is hierbij evenwijdig aan de uitstroomrichting van de ventilatoren en de uitstroomsnelheid is een factor 1,4 hoger dan de windsnelheid. • Indien de windrichting haaks staat op de uitstroomrichting van de ventilatoren, en de uitstroomsnelheid een factor 3,3 hoger is dan de windsnelheid, dan neemt de fractie ventilatielucht door de buitenste bomenrij af tot ca. 19%. • De resultaten van de stromingsvisualisatie, concentratiemetingen en luchtsnelheidsmetingen in het windtunnelmodel bevatten aanwijzingen dat de fractie stallucht door de binnenste bomenrij onder bepaalde omstandigheden groten kan zijn dan 70% omdat daar sprake is van hogere luchtsnelheden en de stallucht daar minder met omgevingslucht is opgemengd. In het windtunnelonderzoek is de situatie bij de binnenste bomenrij vooralsnog niet nader gekwantificeerd middels concentratiemetingen. Op basis van de resultaten geplaatst in een breder kader zijn de volgende conclusies te trekken: • De verwachte vermindering van de concentratie ‘grotere’ fijnstofdeeltjes (aerodynamische diameter 4,7 – 12,3 µm) in de lucht door het plaatsen van een groenelement rondom een veehouderijbedrijf bedraagt in de ideale situatie (luchtsnelheidsverhouding 1,4 en windrichting R = 90˚) maximaal 25% bij een groenelement dat even hoog is als de nok van de stal en op 30 m afstand ligt. • De verwachte vermindering van de concentratie ‘middelgrote’ fijnstofdeeltjes (aerodynamische diameter 3,2 – 8,3 µm) in de lucht door het plaatsen van een groenelement rondom een veehouderijbedrijf is beperkt (<3%) bij een groenelement dat even hoog is als de nok van de stal en op 30 m afstand ligt..

(11) 5. Summary According to theoretical considerations, green buffers of trees placed around emission sources, the so called ‘vegetative environmental buffers’ improve air quality by reducing the concentrations of fine dust (PM10) from animal housing. The reduction occurs because particles deposit onto the vegetative environmental buffers. However, deposition can only occur when emissions enter the vegetative environmental buffers. The configuration of the vegetative environmental buffer, such as height, shape and distance to the source, affects the fraction of emitted pollution from the animal housing ventilators that actually is blown into the vegetative environmental buffer and thus is susceptible to deposition. To evaluate the efficiency of vegetative environmental buffers on the concentration of fine particles, PM10, in the emitted pollution from animal housing by ventilators, this fraction needs to be estimated. The aim of this study is therefore: to determine the fraction of ventilated air from animal housing that is blown into a vegetative environmental buffer which totally surrounds the animal housing, at different wind directions and wind speeds. Measuring fine particles in the air is complex and very difficult. In addition, no information is available on the dilution of the plume of a horizontally emitting ventilator in combination with a green buffer at some distance. Hence, to meet the aim of this study a wind tunnel study was performed at a scale model (1:100) of two broiler barns with mechanical head end ventilation systems surrounded by a vegetative environmental buffer (see Figure below). The results of the wind tunnel study are then placed in a broader context.. Broiler stable 2. Broiler stable 1. Emission direction. In the wind tunnel study the fraction of ventilated air emitted at the head end of a broiler barn and passing through three rows of Pinus sylvestris was evaluated. The fraction of ventilated air blown into the vegetative environmental buffer was determined by wind measurements and concentration measurements at three wind directions (see Figure below). The height of the buffer equalled the height of the barn and was located at 30 m from the head end of the barn. The ratio of the emission speed of ventilated air and the actual wind speed were 1.4 and 3.3.. Wind direction, R = 180°. Wind direction, R = 0°. Wind direction, R = 90°. Schematic overview of two broiler barns surrounded by a vegetative environmental buffer, the direction of the airstream of the ventilators and the investigated actual wind directions (not drawn to scale)..

(12) 6 The results of the fraction ventilated air passing through the three rows of trees and long term weather data of the average wind speed per season were used to evaluate the expected reduction in fine dust concentrations of four broiler housings. Based on the wind tunnel study it is concluded that: • Part of the ventilated air passes through the vegetative environmental buffer when the ventilators of an animal housing are situated at the head end of the barn and the buffer totally surrounds the ventilators. • The fraction of ventilation air passing thought the vegetative environmental buffer depends on the ratio (W) of the speed with which the ventilated air is emitted and the actual wind speed. • The fraction of ventilation air that passes through the vegetative environmental buffer increases with decreasing W at the emission speed from the ventilators investigated in this study. • This study revealed that up to 70% of the ventilation air passed through the outer tree line of the vegetative environmental buffer placed around the ventilators. The wind direction in this situation was parallel to the emission direction of the ventilators and the emission speed was 1.4 times the actual wind speed. • If the wind direction is perpendicular to the emission direction of the ventilators, and the emission speed is 3.3 times the actual wind speed, the fraction of ventilation air decreases to approximately 19%. • The results of the visualisation of the air flow by smoke, the measurements on concentration and the measurements on air speed of the scaled model suggest that the fraction of air from the stable that passes through the inner tree line (closest to the ventilator) may be higher than 70% in specific circumstances because wind speed at the inner tree line is higher and the air from the stable is less diluted with the local air. When the results of the wind tunnel study are placed in a broader context some additional but tentative conclusions can be drawn: • In an ideal situation (ratio ventilated air : actual wind speed = 1.4 and wind direction R = 90˚), the reduction of the concentration of ‘large’ fine particles (aerodynamic diameter 4.7 – 12.3 µm) in the air emitted by an animal housing through the placement of a vegetative environmental buffer surrounding the animal housing may be up to 25% when that buffer has the same height as the barn and is located approximately at 30 m of the head end of the barn. • With an identical set-up of animal housing and vegetative buffer, the expected reduction of the concentration of ‘middle’ fine particles (aerodynamic diameter 3,2 – 8,3 µm) in the air is small (<3%)..

(13) 7. 1.. Inleiding. Onderzoek naar de effecten van groenelementen op de luchtkwaliteit laat zien dat het ‘grotere’ fijnstof door bomen wordt afgevangen (Pronk et al. 2012). Groenelementen dragen in potentie bij aan het verlagen van de concentraties fijnstof afkomstig uit stallen. De resultaten van deze veldstudie hebben geleid tot een aantal aanvullende vragen. In deze rapportage wordt ingegaan op de vraag welk deel van de emissiepluim van fijnstof uit stalgebouwen door dan wel over een stalomringend groenelement zal gaan. Welk deel van de emissiepluim door dan wel over een stalomringend groenelement zal gaan hangt af van de heersende windrichting en van de windsnelheid. De doelstelling van deze studie is: Het vaststellen van de fractie ventilatielucht die door een stalomringend groenelement stroomt bij verschillende windrichtingen en windsnelheden. Groenelementen rondom stallen beïnvloeden het windveld rondom de ventilatoren en kunnen in specifieke situaties door filtering de concentratie van fijnstof in de groenelementen doorstromende ventilatielucht tot mogelijk 30% verlagen (Pronk et al, 2012). De vorm, hoogte en afstand van het groenelement rondom de emissiebron hebben invloed op de hoeveelheid fijnstof die afgevangen kan worden. Omdat de wind gedurende het jaar van verschillende richtingen komt, moet de vorm van het groenelement zodanig zijn dat bij alle windrichtingen de emissies door het groenelement stromen. De hoogte moet voldoende zijn om de uitdijende pluim te kunnen vangen en de afstand van het groenelement tot de emissiebron moet voldoende zijn om schade aan het groenelement door hoge ammoniak concentraties te voorkomen. Het is onbekend wat het effect is van verschillende vormen van groenelementen rondom een stal op het heersende windveld en daarmee op de emissiepluim. Suggesties voor vormen variëren van een hoefijzervormig groenelement rondom de emissiebron (ventilator) tot een geheel omsluiten groenelement rondom de stal (Pronk et al. 2013b). Om de effecten van een groenelement in kaart te brengen is windtunnelonderzoek uitgevoerd waarin veranderingen in het windveld en mogelijk de emissiepluim in kaart gebracht wordt. In het bijzonder geeft deze studie inzicht in de fractie van de emissiepluim die over het groenelement zal gaan en de fractie die door het groenelement zal stromen. Om dit onderzoek mogelijk te maken was een opdracht uitgezet voor windtunnelonderzoek bij het ingenieursbureau Peutz te Mook en is de KEMA-DNV gevraagd te participeren en kennis omtrent de verspreiding van emissies in te brengen. In de windtunnel werd eerst gekeken of de porositeit van kunstbomen in de vorm van gaasjes, overeenstemde met de porositeit van grove den (Pinus sylvestris) uit het onderzoek van Pronk et al. (2012), (par 2.2). De porositeit heeft een belangrijke en doorslaggevende invloed op de doorstroming. Het was daarom van belang in de windtunnel een situatie na te bootsen die representatief is voor het groenelement rondom de stal. De schaling van porositeit werd door Peutz aan de hand van deze voorstudie geschat en vervolgens werden de meest geschikte gaasvormige boomschermpjes gebruikt in de hoofdstudie naar het groenelement rondom de stal. Windtunnelstudies geven aan hoe het windveld rondom een stal door het plaatsen van een groenelement verandert t.o.v. een situatie zonder groenelement. Ook het effect van het plaatsen van het groenelement op de emissiepluim werd bekeken. Peutz voerde eveneens een scenario met rookgas uit, zodat ook visueel was waar te nemen hoe de emissie zich verspreidt..

(14) 8.

(15) 9. 2.. Opdrachtformulering. 2.1. Inleiding. Voor de verdere uitwerking van deze vraag is gekozen voor een windtunnelstudie. Deze studie is uitgevoerd door Peutz te Mook in een ‘gesloten grenslaagtunnel’ (Aanen et al.). In deze windtunnel circuleert de lucht zonder dat er uitwisseling optreedt. Grote ventilatoren kunnen verschillende windsnelheden genereren (Aanen et al.)) en d.m.v. een ruw voorland kunnen verschillende windprofielen worden gemaakt. Windtunnelonderzoek wordt gebruikt om situaties van de buitenwereld op verkleinde schaal na te bootsen waarbij een beperkt aantal factoren wordt gevarieerd en een groot aantal factoren zo stabiel mogelijk worden gehouden.. Figuur 1. 2.2. Ventilatoren zorgen voor de luchtstroming in de tunnel (links) en grote schoepen (rechts achteraan) egaliseren de luchtstroming.. De windtunnelstudie. Voorstudie In de opdracht was voorzien dat eerst een aantal gaasjes dan wel sponsjes werden getest om zo de doorstroming van een groenelement op schaal goed na te bootsen. Voor het testen van diverse gaasjes dan wel sponsjes zijn de resultaten van de veldstudie van Pronk et al. (2012) gebruikt. Het meest geschikte gaasje is een schaalmodel van een veehouderijbedrijf met een groenelement ontworpen en gebouwd.. Configuratie groenelement rondom een veehouderijbedrijf In navolging van Hofschreuder (2011) is de windtunnelstudie uitgevoerd voor een hoefijzervormig groenelement van 3 rijen gaasjes rondom de ventilatoren van twee vleeskuikenstallen (Figuur 4). De schaling van het model was 1:100. Voorafgaande aan de daadwerkelijke metingen werd eerst een verkenning met rookgas uitgevoerd. Rookgas maakt zichtbaar wat verwacht mag worden van de werkelijke metingen.. Vaststellen fractie ventilatielucht afkomstig die door een bomenhaag stroomt In de hoofdstudie is de fractie bepaald van de ventilatielucht die door de gaasjes heen stroomt. Voor het bepalen van de doorstromingsverhouding wordt het schaalmodel van de stal aan drie windrichtingen blootgesteld en twee luchtsnelheidsverhoudingen (W = uitstroomsnelheid ventilator/windsnelheid)..

(16) 10 Uitstroomsnelheden ventilatoren Stallen met een afmeting van 100 bij 25 hebben een oppervlak van 2500 m2. Op deze oppervlakte kunnen ongeveer 52500 vleeskuiken worden gehuisvest. De minimale benodigde ventilatie is 1,5 m3 per dier per uur en de maximale ventilatie is 8 á 10 m3 per dier per uur (Anonymus 2010). De benodigde ventilatiecapaciteit moet dan in totaal 520.000 m3.uur-1 zijn, via lengteventilatie, d.w.z. ventilatoren aan één kopse kant. Dat betekent in het bovenstaande voorbeeld een ventilatiebehoefte van minimaal ca. 10 grote ventilatoren van 40.000 m3.uur-1 (diameter 1,25 m) en enkele kleinere ventilatoren. Voor de kleinere kunnen bijvoorbeeld 4 ventilatoren van 25.000 m3.uur-1 met een diameter van 0,80 m en 2 regelbare ventilatoren van 10.000 m3.uur-1 met een diameter van 0,50 m gekozen worden. De uitstroomsnelheid van de grote ventilatoren ligt tussen de 7,4 en 9,1 m.s-1, afhankelijk van de grootte en het debiet van de ventilatoren. Er zijn allerlei schakelsystemen voor de aansturing van ventilatoren. In de praktijk komt het erop neer dat de grote ventilatoren één voor één worden bijgeschakeld en de kleinere voor de fine-tuning zorgen. Ventilatie is hoofdzakelijk gericht op afvoer van warmte, waarbij het totaal diergewicht in de stal en de buitentemperatuur een belangrijke rol spelen. Maximum ventilatie wordt niet vaak in zijn geheel gebruikt, alleen op zeer warme dagen bij zware dieren. Gemiddeld over een koppel (periode van verblijf vleeskuikens in de stal) wordt er ongeveer 3 m3.uur-1 geventileerd, dat is zo’n 150.000 m3.uur--1 en dan draaien er 3 grote ventilatoren van 40.000 en een kleinere van 10.000 m3.uur--1. De gemiddelde uitstroomsnelheid van alle ventilatoren samen hangt af van het aantal aan/uit ventilatoren dat aan staan en de capaciteit die bijgeschakeld wordt met de regelbare ventilatoren. Ventilatoren kunnen in 2 horizontale lagen boven elkaar worden geplaatst (Figuur 2). Om praktische redenen wordt in de windtunnelstudie een uitstroomsnelheid van 8,4 m.s-1 aangehouden. Deze snelheid is representatief voor een gemiddelde situatie.. Figuur 2. Ventilatoren kunnen naast elkaar (links, (Winkel et al. 2009) of boven elkaar (rechts, Pronk et al in voorbereiding). Metingen aan de windsnelheid en concentratiemetingen Metingen aan de windsnelheid en aan de concentratie van het tracergas werden op twee verschillende dagen uitgevoerd. Snelheidsmetingen zijn gedaan bij 3 windrichtingen (R = 0, 90 en 180°, Figuur 3), corresponderend met dwarswind met korte afstand tot het groenelement, wind mee en dwarswind met een lange afstand tot het groenelement (Figuur 3). Op elke positie is op 4 meethoogten de windsnelheid vastgesteld. De windsnelheid is zo gekozen dat de verhouding W 3,3 bedroeg. Een extra snelheidsmeting is uitgevoerd voor W = 1,4 bij een windrichting R = 90°. Er werd een beperkt verschil gevonden tussen de windsnelheidsmetingen bij W 1,4 en 3,3, gemiddeld 3%, met een maximum van 9%. Daarom zijn geen windsnelheidsmetingen uitgevoerd bij een W van 1,4 voor de windrichtingen 0 en 180°. Voor het berekenen van de fractie fb uit Tabel 1 is gebruik gemaakt van de windsnelheidsmetingen bij W = 3,3..

(17) 11. Vleeskuikenstal 2. Vleeskuikenstal 1. Uittreerichting. De concentratiemetingen zijn bij dezelfde windrichtingen uitgevoerd. Deze metingen zijn verricht aan de buitenzijde van de ‘bomenrijen’ op 10 meethoogten. Opgeschaald tot de ‘werkelijke’ grootte zijn de metingen tot 25 m hoog over een breedte van 5 m aan de buitenzijde van het gehele groenelement verricht.. Windrichting, R = 180°. Windrichting, R = 0°. Windrichting, R = 90° Figuur 3. Schematisch overzicht van de twee vleeskuikenstallen omgeven door een groenelement, de uitstroomrichting van de ventilatielucht en de onderzochte windrichtingen (niet op schaal). Ventilatie alleen uit vleeskuikenstal 1..

(18) 12.

(19) 13. 3.. Resultaten. Een gedetailleerde uitwerking van de resultaten van de windtunnelstudie is weergegeven in een technisch rapport van Peutz dat integraal is opgenomen in Bijlage I. De interpretatie van de resultaten en discussie over de resultaten staan in dit hoofdstuk.. 3.1. Rookgas run. In de run met rookgas werd duidelijk dat de kracht van de stalventilator voldoende was om met wind mee (wind in de uitstroomrichting van de ventilator), de bomenrij te bereiken (Figuur 4, links). Bij wind van de tegengestelde richting raakte de rookgaspluim de eerste bomenrij (Figuur 4, rechts), maar stroomt de rook niet, of niet zichtbaar door het groenelement heen.. Figuur 4.. 3.2. Twee aanstroomrichtingen van de wind in de rookgasdemonstratie (in beide figuren van rechts naar links). De witte pijl geeft de kopse kant aan van de stal waar het rookgas geëmitteerd wordt. Links: wind mee, d.w.z. wind met de rookgasstroom uit de ventilator mee; rechts: tegenwind, d.w.z. wind tegen de rookgasstroom uit de ventilator in.. Fractie ventilatielucht die door het groenelement stroomt. Uit Tabel 1 blijkt dat de fractie ventilatielucht die het groenelement doorstroomt (fb) varieert van ongeveer 20% tot ongeveer 70%, afhankelijk van de windrichting (R) en de verhouding (W) tussen de uitstroomsnelheid van de ventilator en de windsnelheid. Voor details over de berekeningen wordt verwezen naar Bijlage I. Bij een lagere verhouding tussen de uitstroomsnelheid en de heersende wind, waait de meeste ventilatielucht door de bomenrij heen, 70,5% bij de situatie ‘wind mee’. Bij ‘zijwind’, wind dwars op de lengterichting van de stal is de fractie die door de bomen stroomt grofweg gehalveerd. Opvallend is dat bij de grote verhouding (W = 3,3), d.w.z., een lage windsnelheid t.o.v. de uitstroomsnelheid, de doorstroming beduidend minder is bij de windrichting waarbij de bomenrij het verste weg staat..

(20) 14 Tabel 1. De berekende fractie fb op basis van de in de windtunnel gemeten concentratiecoëfficiënten en snelheidscoëfficiënten voor drie windrichtingen R (°) en twee luchtsnelheidsverhoudingen W. R = 0˚. R = 90˚. R = 180˚. U10 = 2,5 m.s-1 (W = 3,3). 27,6%. 60,7%. 19,4%. U10 = 6,0 m.s-1 (W = 1,4). 37,0%. 70,5%. 35,5%.

(21) 15. 4.. Discussie, conclusie en aanbevelingen. 4.1. Discussie. De fractie ventilatielucht die door het groenelement stroomt De luchtsnelheidsverhouding W is in deze studie gekozen tussen de 1,4 en 3,3. De variatie in W is ontstaan doordat de windsnelheid is gevarieerd bij een constante uitstroomsnelheid. W geeft aan in welke mate de luchtstroom uit de ventilator door de aanwezige wind, de lijwervel, wordt opgenomen. Een kleinere W betekent dat de luchtstroom uit de ventilator sneller wordt opgenomen en met de wind mee de bomenrij wordt ingeblazen. De luchtstroom uit de ventilator krijgt zo minder de tijd om zich in de hoogte te verspreiden waardoor bij aankomst bij de bomenrij minder over de bomen zal waaien. Als het harder waait stroomt daarom meer ventilatielucht door het groenelement. W heeft zo veel invloed op de fractie die door de bomenrij zal stromen: een afname van W van ruim 50% (van 3,3 naar 1,4) resulteert in een toename van de doorstroming van bijna 10% bij zijwind R=0˚ en wind mee R=90˚, tot ongeveer 16% bij zijwind R=180˚. Bij lagere uitstroomsnelheden is het aannemelijk dat de ventilatielucht eerder in de lijwervel wordt opgenomen en zo met de heersende wind het groenelement inwaait. Deze situatie is anders dan de situaties uit deze windtunnelstudie. Tevens is aannemelijk dat onder bepaalde omstandigheden de fractie stallucht door de binnenste/eerste bomenrij stroomt, groter kan zijn dan de vastgestelde 70%. De concentratie stallucht kan bij een lagere verhouding van W bijvoorbeeld hoger zijn (hogere windsnelheden) zodat de stalluchtminder wordt opgemengd met omgevingslucht. Het is ook mogelijk dat stallucht na de eerste bomenrij alsnog naar boven waait en zo niet verder door het groenelement stroomt (Bouvet et al. 2007). Hoewel de situatie in het onderzoek van Bouvet et al. (2007) gaat over grotere deeltjes (10 tot 50 µm) die door een maisgewas worden afgevangen, laat de berekende baan van de deeltjes zien dat ze met de lucht ook via de bovenkant de windsingel uitstromen (Figuur 5).. Figuur 5. Zijaanzicht van de numerieke gesimuleerde banen van glasdeeltjes door een windsingel van mais (overgenomen van Bouvet et al., 2007).. Bij een mogelijk grotere doorstroming van de eerste bomenrij zal de afvangst relatief groter worden doordat de afvangst van deeltjes vooral in de eerste bomenrij optreedt (Pronk et al. 2012). De afvangst in de eerste bomenrij bedroeg in de studie van Pronk et al. (2012) ruim 80% van de totale massa ‘grotere’ fijnstofdeeltjes die werd afgevangen (aerodynamische diameter 4,7 – 12,3 µm)..

(22) 16 Uitstroomsnelheden bij praktijkbedrijven De meeste veehouderijbedrijven hebben twee typen ventilatoren om de ventilatie in stallen te regelen. Het eerste type ventilatoren is een ventilator met een vaste uitstroomsnelheid. Deze ventilatoren staan aan of uit en hebben doorgaans een grote ventilatiecapaciteit. Het tweede type ventilatoren zijn regelbare/schakelbare ventilatoren, van 0 tot 100%. Deze kunnen op een gewenst debiet worden ingesteld en hebben doorgaans een kleinere ventilatiecapaciteit. Een klimaatcomputer regelt welke ventilatoren aan gaan en op welk niveau, om tot het gewenste ventilatiedebiet te komen. Het handhaven van een ingestelde streeftemperatuur in de stallen is daarbij het uitgangspunt. De instelling van de klimaatcomputer hangt af van de persoonlijke voorkeuren en inzichten van de ondernemer. Hierdoor bestaat een grote diversiteit in ventilatieregimes. De hierna volgende berekende uitstroomsnelheden zijn bedoeld om een beeld te krijgen van enkele voorbeeldberekeningen. De ventilatiestrategie in de voorbeelden is zo gekozen dat allereerst de ventilatie zoveel mogelijk wordt geleverd door de ventilatoren met een vaste uitstroomsnelheid en dat daarna de overige benodigde ventilatiecapaciteit evenredig door de schakelbare ventilatoren geleverd wordt. De maximale uitstroomsnelheid is berekend als de ratio tussen het maximale debiet en het benodigde oppervlak voor dit debiet. Voor de berekening van het minimale debiet is ervan uitgegaan dat de benodigde ventilatie lager is dan de capaciteit van de vaste ventilator zodat de benodigde ventilatie geregeld wordt via de regelbare ventilatoren. Is de behoefte groter dan de capaciteit van de regelbare ventilatoren dan worden de aan/uit ventilatoren één voor één bijgeschakeld. Winkel et al (2009) hebben in verschillende praktijksituaties een gemiddelde ventilatie per dier gevonden van 2,1 m3 per dier per uur (Mosquera et al. 2013) en het debiet varieerde in die studie van 0,1 tot 9,6 m3 per dier per uur. Op basis van de bedrijfsinformatie over de aanwezige ventilatoren is de gemiddelde, de maximale en de minimale uitstroomsnelheid berekend voor de vier bedrijven uit die studie (Tabel 2, een voorbeeldberekening staat in Bijlage II) volgens het hierboven aangegeven ventilatieregime. Een minimaal debiet van 0,1 m3 per dier, per uur is zeer laag. Daarom is in deze voorbeeldberekening een minimaal benodigd debiet van 0,7 m3 per dier per uur aangehouden. Het gewicht van de dieren is gesteld op 1 kg per dier.. Tabel 2. De berekende uitstroomsnelheid bij een gemiddeld (2,1 m3 per dier per uur), maximaal (9,6 m3 per dier per uur) en minimaal (0,7 m3 per dier per uur) ventilatiedebiet. Bedrijf 1. Bedrijf 2. Bedrijf 3. Bedrijf 4. # dieren. 19000. 21000. 34000. 52000. # regelbare ventilatoren. 3. 8. 3. 6. Diameter [m]. 0,55. 1,00. 0,50. 1,25. # aan/uit ventilatoren. 1. -. 1. 6. Diameter [m]. 0,80. -. 0,80. 1,25. # aan/uit ventilatoren. 2. -. 5. -. Diameter [m]. 1,3. -. 1,3. -. 120000. 200000. 220000. 350000. Gemiddelde uitstroomsnelheid [m.s ]. 8,4. 5,3. 8,2. 4,5. -1. Maximale uitstroomsnelheid [m.s ]. 8,5. 8,8. 7,9. 6,9. Minimale uitstroomsnelheid [m.s ]. 5,2. 0,7. 6,0. 3,8. Totale capaciteit [m /uur] 3. -1. -1. 1. 2. 1. Alleen één grote aan/uit ventilator staat aan.. 2. Alle regelbare ventilatoren draaien op 7% van de maximale capaciteit..

(23) 17 De berekende uitstroomsnelheid varieert tussen de 0,7 en 8,8 m.s-1 en het gemiddelde van de gemiddelde uitstroomsnelheid bedraagt 6,6 m.s-1. Het is wellicht niet realistisch dat bedrijf 2 alle 8 regelbare ventilatoren op 7% van de capaciteit laat draaien en daarbij deze lage uitstroomsnelheid realiseert.. Schattingen van de afvangst van fijnstofemissies Voor het berekenen van de afvangst van de fijnstofemissies wordt eerst W berekend, de ratio tussen de uitstroomsnelheden en de seizoengemiddelde windsnelheden in Nederland. Hoewel in Tabel 2 de minimale uitstroomsnelheid van 0,7 m.s-1 is berekend, zal deze waarde niet vaak voorkomen en wordt een minimale uitstroomsnelheid van 1 m.s-1 aangehouden voor de berekening van W. In combinatie met de seizoengemiddelde windsnelheden varieert W tussen de 0,2 en 3,0 (Tabel 3). Dit betekent dat de onderzochte W representatief is voor situaties die in de praktijk voorkomen en geenszins een te optimistisch beeld geeft van de situaties. Immers, in de praktijk worden ook lagere waarden gevonden met mogelijk grotere doorstromingsfracties.. Tabel 3. De berekende W bij gemiddelde windsnelheden per seizoen en bij een maximale (8,8 m.s-1), gemiddelde (6,6 m.s-1) en minimale (1,0 m.s-1) uitstroomsnelheid van de ventilator. Uitstroomsnelheid ventilator [m.s-1]. Seizoen. Windsnelheid1 [m.s-1] 8,8. 6,6. 1,0. Winter. 4,0. 2,2. 1,6. 0,2. Lente. 3,5. 2,5. 1,9. 0,2. Zomer. 2,9. 3,0. 2,3. 0,2. Herfst. 3,2. 2,8. 2,1. 0,2. 1. langjarig gemiddelde voor De Bilt, tijdvak 1981 – 2010 (www.knmi.nl).. Een substantieel deel van de emissie kan door een groenelement stromen als dit groenelement even hoog is als de nok van de stal, op ongeveer 30 meter afstand ligt en de wind recht over de stal komt aanwaaien (Tabel 1). In potentie kan van deze ingevangen/instromende ventilatielucht ongeveer 35% ‘groot’ fijnstof worden afgevangen door grove den, Pinus sylvestris (Pronk et al. 2012). Bij andere windrichtingen is de doorstroming minder waardoor minder fijnstof wordt afgevangen en bij kleinere fijnstofdeeltjes is de afvangst eveneens minder groot (Tabel 4). De afvang door een groenelement bestaande uit de loofboom haagbeuk (Carpinus betulus) ligt lager dan die van grove den (Pronk et al. 2012). Dit komt enerzijds doordat de afvang tijdens het groeiseizoen minder is (12% ‘groot’ fijnstof van de instromende ventilatielucht) maar ook omdat deze boom geen bladeren heeft in de winter en daardoor in die periode beduidend minder zal afvangen dan de groenblijvende grove den. Een groenelement, hoger dan de nok van de stal, zal naar verwachting een grotere doorstroming door het groenelement realiseren. Dit zal vooral bij lage W-waarden (verhouding uitstroomsnelheid/windsnelheid) het geval zijn. De emissie-pluim zal dan voor een groter deel door de bomenrij heen waaien. Maar ook bij hogere W-waarden verwachten we een verbetering. Bij een hogere W is de verspreiding van de emissiepluim (= ventilatielucht) hoger en zal meer ventilatielucht over de bomenrij heen waaien. Als de bomenrij hoger is, vangen de bomen meer ventilatielucht in, in vergelijking met een bomenrij die even hoog (of lager) is als de nok van de stal. Een lager groenelement zal naar verwachting juist minder ventilatielucht invangen. Hierdoor zal ook minder fijnstof in aanmerking komen om door de bomenrij te worden afgevangen..

(24) 18 Tabel 4. Berekende afvangstpercentages van middelgrote en grote fijnstofdeeltjes (aerodynamische diameter 3,2 – 8,3 respectievelijk 4,7 – 12,3 µm) door een groenelement van Pinus rondom een veehouderij bij twee luchtsnelheidsverhoudingen (W = uitstroomsnelheid ventilator/windsnelheid) en drie windrichtingen, met behulp van gegevens van Pronk et al (2012; 2013a). % ventilatielucht. W 3,3. 1,4. R [°] 0. Afgevangen fractie [%]. door groenelement 27,6. 4% [3,2 – 8,3 µm] 1,1. 35% [4,7 – 12,3 µm] 9,7. 90. 60,7. 2,4. 21,2. 180. 19,4. 0,8. 6,8. 0. 37,0. 1,5. 13,0. 90. 70,5. 2,8. 24,7. 180. 35,5. 1,4. 12,4. De berekende verbetering in luchtkwaliteit voor fijnstofdeeltjes varieert bij deze doorstroming globaal tussen 0 en 25% (Tabel 4). In deze situatie is de hoogte van het groenelement gelijk gesteld aan de nokhoogte van de stal (7 m). Naar verwachting zal een hoger groenelement meer ventilatielucht invangen. Een groenelement van Pinus sylvestris van 6 á 7 meter hoog groeit in ongeveer 5 jaar naar een hoogte van 10 m, en zal na ruim 100 jaar een eindhoogte van 30 m bereiken (Van den Burg 1997). De overheersende windrichting in Nederland ligt tussen zuid en west (224°, www,knmi,nl). De ligging van de bedrijven bepaalt daardoor eveneens hoeveel een groenelement kan bijdragen aan de verbetering van de luchtkwaliteit.. 4.2. Conclusie. In dit rapport worden de resultaten van een windtunnelstudie beschreven en in een breder kader geplaatst. Op basis van de in de windtunnel uitgevoerde studie kan het volgende geconcludeerd worden: • Indien de ventilatielucht van een stal via de kopse kant van een stal wordt uitgeblazen met behulp van ventilatoren, zal een deel van deze ventilatielucht door het groenelement stromen dat rondom deze ventilatoren is geplant. • De fractie van de ventilatielucht die door het groenelement zal stromen is afhankelijk van de luchtsnelheidsverhouding W, d.w.z. de verhouding tussen de uitstroomsnelheid en de windsnelheid. • Bij een uitstroomsnelheid van 8,4 m.s-1 neemt de fractie van de ventilatielucht die door het groenelement zal stromen, toe bij een toenemende windsnelheid. • In deze windtunnelstudie stroomt maximaal ca. 70% van de ventilatielucht door de buitenste bomenrij die rondom de ventilatoren is geplaatst. De windrichting is hierbij evenwijdig aan de uitstroomrichting van de ventilatoren en de uitstroomsnelheid is een factor 1,4 hoger dan de windsnelheid. • Indien de windrichting haaks staat op de uitstroomrichting van de ventilatoren, en de uitstroomsnelheid een factor 3,3 hoger is dan de windsnelheid, dan neemt de fractie ventilatielucht door de buitenste bomenrij af tot ca. 19%. • De resultaten van de stromingsvisualisatie, concentratiemetingen en luchtsnelheidsmetingen in het windtunnelmodel bevatten aanwijzingen dat de fractie stallucht door de binnenste bomenrij onder bepaalde omstandigheden groten kan zijn dan 70% omdat daar sprake is van hogere luchtsnelheden en de stallucht daar minder met omgevingslucht is opgemengd. In het windtunnelonderzoek is de situatie bij de binnenste bomenrij vooralsnog niet nader gekwantificeerd middels concentratiemetingen..

(25) 19 Op basis van de resultaten van deze windtunnelstudie geplaatst in een breder kader, zijn de volgende conclusies te trekken: • De verwachte verbetering van de concentratie ‘grotere’ fijnstofdeeltjes (aerodynamische diameter 4,7 – 12,3 µm) in de lucht door het plaatsen van een groenelement rondom een veehouderijbedrijf bedraagt in de ideale situatie (luchtsnelheidsverhouding 1,4 en windrichting R = 90˚) maximaal 25% bij een groenelement dat even hoog is als de nok van de stal en op 30 m afstand ligt. • De verwachte verbetering van de concentratie ‘middelgrote’ fijnstofdeeltjes (aerodynamische diameter 3,2 – 8,3 µm) in de lucht door het plaatsen van een groenelement rondom een veehouderijbedrijf is beperkt (<3%) bij een groenelement dat even hoog is als de nok van de stal en op 30 m afstand ligt.. 4.3. Aanbevelingen. Deze studie heeft duidelijk gemaakt dat bij een windrichting evenwijdig aan de uitstroomrichting van de ventilatoren en een uitstroomsnelheid 1,4 maal hoger dan de windsnelheid, een aanzienlijk gedeelte van de ventilatielucht door een groenelement kan stromen. Omdat deze omstandigheden zelden in de praktijk voorkomen zijn de volgende aanbevelingen te geven: • Het is wenselijk om de verspreiding van de ventilatielucht in een praktijksituatie te onderzoeken. • De geschatte gemiddelde verhouding uitstroomsnelheid en windsnelheid W ligt aan de ondergrens van de W die in deze studie is onderzocht. Het is mogelijk dat bij een lagere W de fractie die door het groenelement stroomt, toeneemt en daarmee de hoeveelheid die kan worden afgevangen. Het zou interessant zijn om dit nader vast te stellen. • Wellicht is het mogelijk om op basis van de resultaten van de windtunnelstudie een schatting te doen naar de kenmerken van een groenelement waarbij alle ventilatielucht bij een windrichting evenwijdig aan de uitstroomrichting van de ventilatoren en een uitstroomsnelheid 1,4 maal hoger dan de windsnelheid, erdoorheen stroomt. Om deze gewenste doorstroming te realiseren is een bepaalde porositeit/doorlaatbaarheid van het groenelement nodig. De uitdaging is om de ventilatielucht met zoveel mogelijk depositieoppervlak in aanraking te brengen, zonder dat de lucht helemaal tot stilstand komt..

(26) 20.

(27) 21. Literatuur Aanen L., S. Van den Akker, A. Alders, J. Harbers, J. Hesen, H. Kremer, N. Moonen, O. Otten & M. van Uffelen, Windtechnology van Peutz. 187 p. Anonymus, 2010. Klimaatrichtlijnen leghennen volièrestal. Klimaatplatform Pluimveehouderij, 2. Bouvet T., B. Loubet, J.D. Wilson & A. Tuzet, 2007. Filtering of windborne particles by a natural windbreak. Boundary-Layer Meteorology 123, 481-509. Hofschreuder P., 2011. Stroming van ventilatielucht uit stallen door groenelementen. Intern rapport, Animal Sciences groep WUR, Wageningen, 13 pp. Mosquera J., H. Ellen, J.M.G. Hol, J.W.H. Huis in 't Veld, G. Nijeboer, J.P.M. Ploegaert & N.W.M. Ogink, 2013. Emissies uit een vleeskuikenstal met strooiselbeluchting en warmtewisselaar : Meetprogramma Integraal Duurzame Stallen. Wageningen UR Livestock Research, Lelystad. Pronk A.A., H.J. Holterman, P. Hofschreuder, E. Lovink, J.P.M. Ploegaert & W. de Visser, 2012. Onderzoek naar de interceptie van fijnstof door opgaande gewassen. Rapportnummer 474, Plant Research International, Wageningen, 52 pp. Pronk A.A., H.J. Holterman & N. Ogink, 2013a. Depositie van fijnstofdeeltjes: eigenschappen van fijnstofdeeltjes die de afvangkans door een gewas beïnvloeden. Rapportnummer 498, Plant Research International, Business Unit Agrosysteemkunde, Wageningen, 26 pp. Pronk A.A., N. Ogink, H.J. Holterman, P. Hofschreuder & I. Vermeij, 2013b. Effecten van groenelementen op de luchtkwaliteit: samenvattende rapportage en perspectieven toepassing groenelementen voor het verbeteren van de lokale luchtkwaliteit rondom stallen. Rapportnummer 493, Plant Research International, Business Unit Agrosysteemkunde, Wageningen, 42 pp. Van den Burg J., 1997. Groei en groeiplaats van de grove den en de Corsicaanse den in Nederland, IBN-rapport 270. DLO-Instituut voor Bos- en Natuuronderzoek, Wageningen., 90 pp. Winkel A., J. Mosquera, R.K. Kwikkel, F.A. Gerrits, N.W.M. Ogink & A.J.A. Aarnink, 2009. Fijnstofemissie uit stallen: vleeskuikens [Dust emission from animal houses: broilers]. Rapportnummer 275, Wageningen UR Livestock Research, Lelystad, 23 pp..

(28) 22.

(29) I-1. Bijlage I. Studie van Peutz.

(30)

(31)

(32)

(33)

(34)

(35)

(36)

(37)

(38)

(39)

(40)

(41)

(42)

(43)

(44)

(45)

(46)

(47)

(48)

(49)

(50)

(51)

(52)

(53)

(54)

(55)

(56)

(57)

(58)

(59)

(60)

(61) II - 1. Bijlage II. Berekening van de uitstroomsnelheid bij verschillende ventilatiedebieten Kengetallen bedrijf 1 Aantal dieren: 19000 Karakteristieken van de ventilatoren:. Aantal Diameter (m) Oppervlak (m ) 2. Debiet (m .h ) 3. -1. Uittreesnelheid (m.s ) -1. aan/uit. aan/uit. regelbaar. 1. 2. 3. 0.8. 1.3. 0.55. 0.50. 1.33. 0.24. 14000. 40000. 8200. 7.7. 8.4. 9.6. De uittreesnelheid wordt berekend als het debiet per seconde / emissieoppervlak: 1400/(60*60)/0.8 = 7.7 m.s-1. Als alle ventilatoren aan staan is het emissieoppervlak: 3,87 m3. Het minimale ventilatiedebiet. Bij een minimaal ventilatiedebiet (0,7 m3 per dier per uur) is het totale benodigde debiet 0,7*19000 = 13300 m3 per dier per uur. Dit debiet wordt nu behaald door de drie regelbare ventilatoren te laten draaien, met een emissieoppervlak van 3 * 0,24 = 0,72 m3. De uittreesnelheid wordt dan: 13300/(60*60)/0,72 = 5,18 m.s-1. Het gemiddelde ventilatiedebiet. Bij een gemiddeld ventilatiedebiet (2,1 m3 per dier per uur) is het totale benodigde debiet 2,1*19000 = 39900 m3 per dier per uur. Dit ventilatiedebiet kan gerealiseerd worden door de grote niet regelbare ventilator te laten draaien of door de kleinere niet regelbare ventilator en de 3 regelbare ventilatoren te laten draaien. Als alleen de grote niet regelbare ventilator aan staat wordt de uittreesnelheid: 40000/(60*60)/1,33= 8,37 m.s-1. Als de kleine, niet regelbare ventilator aan staat samen met de 3 kleine regelbare ventilatoren is een maximaal ventilatiedebiet van 38600 m3 per dier per uur haalbaar. Dit ligt iets lager dan het streefdebiet en de uittreesnelheid wordt: 38600/(60*60)/1,22 = 8,82 m.s-1. Het maximale ventilatiedebiet. Bij een maximaal ventilatiedebiet (9,6 m3 per dier per uur) is het totale benodigde debiet 9,6*19000 = 182400 m3 per dier per uur. Het maximale debiet van deze ventilatoren is: 14000 + 2*40000+3*8200 = 118600 m3 per dier per uur en daarmee lager dan de benodigde capaciteit voor het maximale ventilatiedebiet. Bij het maximaal realiseerbare ventilatiedebiet is de uittreesnelheid: 118600/(60*60)/3,87 = 8,5 m.s-1 en het gerealiseerde ventilatiedebiet is dan 6,2 m3 per dier per uur..

(62) Windtunnelonderzoek naar de doorstroming van groenelementen rondom een veehouderijbedrijf Effecten van groenelementen op de luchtkwaliteit rond stalgebouwen door doorstroming van geventileerde stallucht. Annette Pronk, Henk Jan Holterman, Stephan van den Akker, Hans Erbrink & Nico Ogink. Rapport 581.

(63)

No results found