Measurement and CFD modeling of ammonia concentration, flux and thermal environment variables in open side broiler housing | Medições e modelagem em CFD de concentrações de amônia, fluxos e variáveis ambientais em galpões avícolas abertos

A amônia (NH3), dentre os diversos gases poluentes gerados de produção avícola, aquele mais investigado e considerado de maior importância, devido a seu efeito negativo na saúde e produtividade dos trabalhadores e dos animais. Apesar das pesquisas já terem trazido avanços significativos em termos de medidas mitigadoras ou minimizadoras da taxa de emissão de NH3 gerada nos aviários, naturalmente sempre se terá uma geração deste tipo de gases, os quais necessitam constante avaliação em termos quantitativos e de impactos. Existem diversas metodologias para se determinaram a emissão de amônia proveniente da cama aviaria e emitida através do galpão, destacando-se métodos de traçado de gases, métodos de monitoramento continuo, balanço de massas, entre outros. Todos estes métodos têm boas eficiências quando são usados em estruturas fechadas, típicas de países da Europa e America do norte. No entanto, a aplicação destes métodos visando determinação de emissões ou fluxos de amônia tem maior grau de dificuldade em estruturas avícolas que funcionam abertas durante a totalidade ou parte do dia, fazendo uso da ventilação natural. Assim, o objetivo, geral deste projeto foi de adaptar e validar um método simples para determinar a distribuição de fluxo de amônia oriunda da cama e emitida pelo aviário, da distribuição da concentração deste gás no ar, bem como a distribuição da temperatura e velocidades do ar em galpões avícolas tropicais e subtropicais para frangos de corte. Especificamente visou-se: i) Avaliar quanto a aplicabilidade dos principais métodos atualmente usados para a determinação de emissões de amônia gerada nos aviários fechados de frango de corte, e adaptar e avaliar um método, e analisar sua aplicabilidade em instalações abertas praticadas em países de clima tropical e subtropical; ii) Adaptar e validar uma metodologia para determinar o fluxo de amônia gerada por cama sobreposta praticada na avicultura de corte e outras; iii) Realizar medidas da concentração de amônia, da temperatura e da velocidade de ar no interior de aviários abertos, com base em trabalho experimental; iv) Desenvolver e validar um modelo computacional, usando como ferramenta a Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD), para determinar a distribuição de temperatura, de concentração de amônia, e de velocidade do ar no interior do galpão. Para determinar o fluxo de amônia da cama aviária e emissão emitida pelo galpão, foi adaptada e validada uma metodologia ao mesmo tempo precisa e de simples aplicação denominada Método Saraz para Determinação de Emissões de Amônia (Saraz Method for Determination of Ammonia Emissions - SMDAE). Encontrou-se que os valores de fluxo obtidos pelo SMDAE não diferem dos reportados por outros trabalho, e que a metodologia pode ser usada para valores de concentrações de amônia maiores que 0,5 ppm no caso da cama. O método SMDAE, foi adaptado e validado para determinar o fluxo de NH3 emitida pelas laterais dos galpões avícolas submetidos à ventilação natural. Verificou-se que o método proposto pode ser usado com confiabilidade em condições de ventilação natural com ventos maiores que 0,1 m s-1 e concentrações de NH3 maiores que 1 ppm.Uma avaliação quantitativa mostrou que os métodos com maiores características de adaptabilidade as condições de operação e aos diferentes tipos de acondicionamento de ambiente de galpões com sistemas de ventilação de pressão positiva ou com ventilação natural, são o método de traçado de gases interno e o de Unidades de Monitoramento Contínuo como a Unidade Portátil de Monitoramento (PMU) e Unidade Móvel de Monitoramento de Emissões no ar (MAEMU). Métodos tais como o método baseados em balanços de massas e aqueles de difusão passiva como o Ferm Tube e o SMDAE, indicam também poderem ser adaptados para as diferentes condições de operacionalidade dos galpões abertos. Com os dados experimentais de fluxo de amônia da cama aviaria obtidos pelo método SMDAE, de concentração de amônia, de velocidade do ar e de temperatura, foi aplicado e validado um modelo em Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD). Encontrou-se que o modelo teve uma boa correlação estatística com os dados experimentais, pelo qual este pode ser usado para predizer num tempo real o comportamento da distribuição de concentrações de NH3, de velocidade do ar e de temperatura, no interior de instalações abertas com ventilação natural e com ventos incidentes e diferentes direções de entrada na lateral da instalação.

Ammonia (NH3), among the various gas pollutants generated from poultry production, is that most investigated and considered of greatest importance due to its negative effect on health and productivity of both workers and animals. Although research studies have already brought about significant advances in terms of mitigation measures or minimization of the NH3 emission rate generated in aviaries, there will always be a generation of such gases, which require constant evaluation in terms of quantity and impacts. There are several methodologies used to determine the emission of ammonia produced from the litter bedding and emitted from the installation, especially methods of tracer gases, methods of continuous monitoring, mass balance and others. All these methods are efficient when used in enclosed structures, typical of countries in Europe and North America. However, the application of these methods for determination of ammonia emission fluxes has a higher degree of difficulty in poultry facilities which operate open during all or part of the day, making use of natural ventilation. Thus, the objective of this project was to adapt and validate a simple method to determine the distribution of ammonia flow derived from the bed and emitted by the poultry house, the concentration distribution of this gas in the air, and the distribution of temperature and air velocities in broiler houses located in tropical and subtropical regions. Specifically it was sought to: i) Assess the applicability of the principal methods currently used for the determination of ammonia emissions generated in closed poultry broiler, and adapt and evaluate a method to analyze its applicability in open installations in countries tropical and subtropical climates, ii). Adapt and validate a methodology for determining ammonia flux generated by litter in poultry production and other activities; iii) Perform measurements of ammonia concentration, temperature and air velocity inside the open poultry installations, based on experimental work, iv). Develop and validate a computational model, using computational fluid dynamics (CFD) to determine the distribution of temperature, ammonia concentration and air velocity inside the building. To determine the flow of ammonia emission from poultry manure and emission by the installation, a precise and simple methodology called the Saraz Method for Determining Ammonia Emissions (SMDAE) was adapted and validated. It was found that the flow values obtained by the SMDAE did not differ from those reported by other works, and that the methodology can be used for ammonia concentrations greater than 0.5 ppm in the case of the bedding. The SMDAE method was adapted and validated to determine the NH3 flux emitted by the lateral openings of poultry buildings submitted to natural ventilation. It was verified that proposed method may be reliably used in natural ventilation conditions with wind speeds greater than 0.1 m s-1 and NH3 concentrations greater than 1 ppm. A quantitative evaluation showed that methods with greatest adaptability characteristics for the operating conditions and the different types of acclimatization systems with positive pressure ventilation or natural ventilation, are the method of internal tracer gases and Continuous Monitoring Units such as the Portable Monitoring Unit (PMU) and the Mobile Air Emissions Monitoring Unit (MAEMU). Methods such as those based on mass balances and those of passive diffusion such as the "Ferm Tube" and the SMDAE, indicate they can also be adapted for different operating conditions of open poultry houses. With the experimental data of ammonia flow from the poultry litter obtained by the SMDAE, ammonia concentration, air speed and temperature, a model in Computational Fluid Dynamics (CFD) was applied and validated. It was found that the model had a good statistical correlation with the experimental data, so that it may be used for real time prediction of distribution behavior of NH3 concentrations, air velocity and temperature inside the open facilities with natural ventilation, subjected to different incident winds and entrance directions at the side of the facility.