乳牛舎の環境調節

乳牛舎の環境調節
堂腰
純
(北海道大学農学部)
1 はしがき
積雪寒冷地帯では冬季聞の乳牛飼育を畜舎K 頼らざるを得なし、。しかも経済動物としての生産を維
持するため K は、それ相応 K必要な条件が充足されなければ、その実をあげることができなし、。すな
わち、低温な外気の影響を受けて、舎内の天井、壁の結露が著しく、冬期間牛の背中が滴り落ちる水
で乾く暇のないといった低温高湿な畜舎もまれではなし、。また朝方牛舎の扉をあけると向う側が湯気
で見えない様な畜舎では、疾病の多発が普通であり、乳房炎、下痢等のため K投薬を余儀なくされて
いる O これらの現象は多頭飼育の傾向と共 K顕著 K あらわれ、冬期間の畜舎は結露するものとの前提
K 立って設計がなされたものもあらわれている O
畜舎内K おける動物環境条件を検討してみると、牛の体温おより呼吸 K よって発生する熱量、また
水分量を畜舎の放熱状態、および換気の面から考察するとき、低温な外気K 対しても必要な舎内環境
条件を維持しながら、健康的な畜舎管理が可能であることが明らか K される O むしろ、乳牛は高温K
.
、 2
.)
弱く、寒冷地帯こそむしろ、有利 K生産をあげ得る条件すら備えていると云える o (fig 1
fig 1
牛の発生熱量は建物と換気
K よって失なわれる
Homeothermy
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g2
熱生産と体温は環境温度 K
K よって変化し、適温帯 K
主I
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飼育しなければならない
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(comfor七 zone)。
品川
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北海道家畜管理研究会報、第 1 0号
、
1
.
.
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.
.
.
、 197 5
-1-
牛の発生する顕熱は建物を断熱することによって保温され十分な換気が可能となる。また換気は、
牛の出す水分のみならず、畜舎内の細菌、臭気、有害カ ス、ほこりを舎外に排出して、必要な温度条
e
.
)
件下で、清潔な畜舎環境を保時することが可能である o ( fig 3
また断熱された畜舎は真夏の日射の強い時K その轄射熱を遮断し、舎内を涼しく保つことも可能で
あり、断熱された畜舎は、換気と共に夏、冬を問わず、畜舎環境対策として必須の条件であると云わ
なければならない。( fig 4
.
)
fig 3
冬の断熱畜舎は保温ができる
fi
g4
断熱畜舎は夏の強い日射の影響を避け
ることができる
このような畜舎対策 K より、外気温の変動量を和らげ、高温を抑制し、低温を補うことができる。
( f ig 5
.
)
乳牛は低温下に於ても産乳は可能であるが、それだけの乳量K対する必要なエネノレギ」として沢山
の給餌を補なわねばならなし、。これは牛の体力を維持することからも当然である O 従って経済的生産
をあげる意味からも、環境調節の対策は重要であると云わねばならなし、。畜舎環境が低温托すぎても、
高温 Kすぎても生産性を望むことはできな L、。これらは畜舎設計の基本的対策であり、十分 K検討す
.、 7
.)
る必要がある。( fig 6
HIGH
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怜d
担叫単車d
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g5
断熱畜舎は日温度較差をや
わらげる
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-2-
(本資料 K ついて名称の翻訳および単位の換算等未整理のまま示したことを御ゆるし願い度い己)
h
m
h
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G
ω
fig 6"
適温環境以外は生産性を損
い、特 K低温は飼料を要求
し、熱生産が大きし、ot1
七2 が適温
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﹄叫向。向
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fig 7
乳牛ホノレスタインの生産性
は 10OC~ おいて最大であ
る
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F
-3-
」
2 畜舎換気ができるための前提
牛は牛舎と L、う閉鎖された環境下 Kおいてどの様K熱を出し、水分を蒸散しているかを知らなけれ
ばならなし、。( fig 8
.
)
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去 40
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低温 K おいて顕熱生産が大
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で、高温 K おいて潜熱生産
が大である
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舎内温度を一定 K保 つ 換 気
o
量と、湿度を一定K保 つ 換
a三
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。
気量は一致しなし、。低温に
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おいては定湿 K、高温 K な
る K従ぃ定温 Kす る
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F
-4-
50
図より明らかな如く、低温時 K は顕熱(直接空をあたためるのに放出される熱量)が大きく、高温
時 Kは水蒸気の発散量が多 L、。舎内温度を一定 K保ちたし、とするならば、顕熱が建物からの放熱と換
.、 式 )
気 K よって失なわれる熱量を平衡情態を保たなければならなし、。( fig 9
'
.
.
. 2式 K示すO
顕熱と換気量および潜熱と換気量の関係をストーノレタイプの牛舎 K ついて 1式
冬季聞の外気は相対湿度が高くても絶対湿度(空気中の水蒸気量句/1k
gの空気)が小さい。従っ
てその空気が暖められると相対湿度が低くなるので、低温な外気でも畜舎内で暖められると乾燥した
状態となる o (fig 1 O
.、 1 1
.
)
これ K牛小ら発生する水分量を混合して舎外 K排出することが、畜舎内の水分を舎外K 排除する手
段となる。すなわち、動物から発生する熱が如何に低温な入気の昇温 K 関与できるかが重要なカギと
なる O これは畜舎の天井から入気することによって可能であり、低位置からの入気K よって解決しな
し
、
。
顕熱と換気K よる平衡条件
v
v=
~
AU
'
fQs一一一(ム T) J
1 4.4 X (ム T) 、
N
v
=毎分換気量
(
1
1
m
"
v =舎内温の空気の比容積 (m
"/旬 )
1 4.4= O
. 2 4 (空気比熱) X 6 0 (分)
ム.
T
=内外温度差
Qs = Nトンの毎時発生する熱量(Kcal)
A
=放熱 K 関係する面積 (m")
U
=熱貫流率(Kcal/m". h ・ .
C)
N
=収容されている牛の総体重(七 on)
潜熱と換気K よる平衡件件
v
QL
v=一
-x
6 0 rX (ム x)
l
t
J
Q L =体重 1 トン換算重量の毎時発生する潜熱量(Kca1) (但し舎内温時)
r =蒸発の潜熱(Kcal/均 ) (但し舎内温時〉
ム x =内外絶対湿度差(旬)
fig 1 0
-5.C、 1 0 0% R
、 H の外気も十 5.
Cでは相対温度が約半分となる。
一
5-
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75%前 l
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cH
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,
fi
g 11 家畜の顕熱K よって低湿となった空気は舎内水分を含んで排気される O
動物の発生する顕熱、潜熱を表ー 1(1(示すO
表 -1
羽6
一8
r8
一2
a
A1一
ω一
O
註
2, 3 3 5
K
2, 9 2 0
鶏
一U
計
ロ
no-5
0 一
t.
幻-七 3
1
,1 4 0
--YLti
熱
。
一
潜
豚一日 6一7
熱
育
一
メ
顕
k
母豚とその子{1)
kcal/hr・
七 on
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,7 8 0
l
一
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u
a
c
熱の種類
動物の発生熱量
乳 牛(
4
1
kcal
〆hr.もon
1 1
. 1
I
,2 8 0
610
1
,8 9 0
(
1
) 舎 内 温 度 15
.6.
C ( 6 0下)
(
2
)
1
1
1O
.0.
C( 5 0下)
(
3
)
1
1
12
.8 .
C ( 5 5 下)
(
4
1
H
1O
. 0.
C( 5 0下)
2
.2 7k
g重
畜舎の中の温度、湿度を希望する条件下 K保持しようとするため Kは、舎内で発生する水蒸気量 K
相対する分を換気K よって排除し、建物および換気K よって失われる熱量を、動物の発生する
平衡を保つことが必要であることを fig 1 2の湿り空気線図は示している O
Kg/Kg'
RH1
0
0ん
・
舎内庫内水蒸気量
fig 12
温湿度一定となる
ための顕熱、潜熱
の平衡を示す湿り
空気線図
。
C
適正な断熱換気
-6-
すなわち横方向の具体的対策は f iglZ
でも断熱の必要であることを示しているし、また式 1の右
辺第 2項は建物からの放熱を示し換気量を大きくするためにも、第 2項を小さくしなければならなし、。
すなわち、畜舎の換気は、動物の発生する熱量をし、か K有 効 κ
、畜舎の断熱 K よって利用できるかに
かかっているといえるO
3 放熱型の無換気畜舎
一 般K 外気が低温な場舎、換気すると水が凍るとか、保温のため不利であるとして換気をしないこ
とが多 b、。しかし、水蒸気の発生は毎時止ることなく発生している O しかも、その空気が低温な壁面
や、天井、屋根においては放熱してたちまち K して露点温度 K達する (gig13)
/
附
ぬ
出
;
3
4
望i
~1えず
舎内庫内水蒸気量
fi
g 13
無換気、無断熱畜
舎の結露
結露現象発生
気温多湿移行型
(最悪)
室温℃
無断熱無換気
事実断燃の不良な畜舎は換気ができないし、換気をしても相対湿度も低くならず、舎内温度が下る
のみであることが明らかである O これを 1日の温度変化のサイクノレでみるとき日中は日射や外気の上
昇によって、幾分舎内湿度は低下するカ込夜間放熱の時間帯 K おいては、露点温度を経過して著しい
結露をみる K 至っている O 乙の様な畜舎が非常 K 多L、。( f
ig
すなわち、相対湿度 100
%の曲線より如何K離れるよう Kするかが重要であれこの具体的対策が断熱と換気であることを示
し、断熱と換気は車の両輪の重要な役目を果し、片方を欠いてはその目的を達しないことが明らかで
ある O この断熱換気対策が適切ではじめて結露現象のあらわれない畜舎が可能となる O
( fig
-7-
x
K
gIKg'
60
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g 14
結露現象のあ
らわれる温湿
度サイクル
"
_
_
_ 2む
---幽戸川..--~
。
舎内庫内温度
O
C
結露型施設
X
R
H
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O
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K
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fig 15
結露現象のあ
らわれない温
湿度サイクノレ
40
。
舎内庫内温度
非結露型施設
-8-
sC
4 畜舎の断熱 d
こ水蒸気遮断
外気が低温であれば畜舎の壁、天井、尿を通じて屋外 K放熱される。しかし畜舎内の水蒸気量は常
K 戸外より多 L、。すなわち、屋内の水蒸気圧は戸外より高いため K 常に屋外 K 向って出ょうとしてい
るO もし壁が断熱されていないとすると屋内の壁温度は露点温度以下になってたちまち結露する。
(fig 1 6 )
壁面が結露しないため Kは壁温が露点温度以上でなければならなし、。そのため Kは、放熱を防いで
壁温を上げなければならない。すなわち断熱材の効果であるが、壁面より水蒸気が断熱材 K 進入して、
断熱材の中で露点温度 K 達すれば、そこで露結し、大い K 断熱性を損うことは、周知の事実である。
このため K、水蒸気は絶対 K 断熱材の中 K 進入しないよう K遮断しなければならなし、。 (fig 17)
したがって吸湿性の大きい断熱材は不利であり、水蒸気を遮断する方法を構ずるカ¥非吸湿性の断
熱材を使用することが求められる理由である。
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Outsida
WarmS
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断熱していない壁は内面 K結
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fig 1 6
露があらわれる
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condensation
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舎内水蒸気は断熱材の内壁面
で遮断しなければならない,
-9-
牛はもともと地面と接して活動している O 中心部の地面の温度は年平均温度 K 近く、低温でないが
基礎部分から地面を通じて外気K 放熱され易い場合は床周辺部K 霜や露がみられる O したがって v
外壁のみならず、床基礎部まで断熱する必要性がある O これ K よって床面からの放熱は大巾 K 改善さ
才LるO
壁および天井より放熱された量は断熱材の熱伝導率およびその厚さによって支配される O 一般の建
材はそれなりの断熱性をもっているが畜舎の断熱性を論ずる場合には火山灰ブロックといえども始ど
その効用を果し得ず、普通その厚さが 1ml
(
C もおよぶ厚さで断熱材の 7 5m
ml
(
C相当する厚さである。
Cで 1 m より 1時間 K放熱する熱量を熱貫流率 Uとし市、放熱量 Qは次式で
いま畜舎内外の温度差が 1.
B
あらわされる O
Q=AU・ム T
A
= 一 一 ・ ムT
R
ここで A は放熱面積で天井、壁が関係する
m
、Rは l/Uで熱抵抗と呼ばれ、熱の逃げ K くさをあら
わす。壁は一般に断熱材の他K舛壁材および空間、内装材またはブロック等があり Rはこれらの個々
の熱抵抗の和であらわされる o (fig 16)
R=Ro 十 R1
十
R a十 Rr十 十 R2
十
Ri
Ri、 Ro :内、外表面熱伝達抵抗
fig
R2 、 R1
:内外表面材熱抵抗
Ra
:内部空間熱抵抗
Rr
:断熱材熱抵抗
1 6より判る通り、全熱抵抗は殆ど断熱材の性能に負う所が大き L、。この
R値は寒冷地、温
暖地により異なり、おおまかな目安は気候帯によって示され、およそ値は表ー 2 の通りである O
さら K 壁と天井の R~直は天井が放熱K 関係する所大であり、その割合はほぼ 2:3 (1[配分するとよ
い。即ち壁で 1 0c
mの厚さの時は天井は 1 5c
mとし、壁が 7 5m
mの時は天井 1 0 0仰とする O
これらの壁、天井、基礎部の全放熱量から平均
'
2
.AU=AU
のAUを求め、さら K、この収容面積K 飼育される総重量 N( トン)の発生する経熱量 q sから 1 ト
ン当りの重量に対する、放熱の割合を Exposure Factor (露出係数)といい
AU
EF=寸 で あ ら わ さ れ る 。 こ の 値 が 小 さ け れ ば よ い そ れ Kはその地域の設計最低温度と飼
育密度から U値が算定される O
表 - 2 寒冷地の畜舎熱抵抗
断熱材厚さ(1)
天
井
壁
4
.7 1 (
m
"
.hr・.C/Kcal)
2
.8 7
(
1
) 熱伝導率 0.0 3Kcal/m.hr・℃とする O
1 4c
m
8
. 6α孔
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ハU
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1/2 PLY滞 000
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総
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窓口 RFACE
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.
LU
1
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位
単
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g 18 壁の熱抵抗は各素材の熱抵抗の和である O
5 冬季聞の設計最低温度と断熱
冬季聞の讃十最低温度は、出現する最低温度の頻度から求めるのがよ L、。そのため K は建設しよう
うとする地域の気象データの蓄積があれば利用できるカ k 得られない場合が多 L、その目安としては
1月の平均温度 T1 が考えられるカT1 と舎内温度との差ム Tでは半分の期間は低温 K 対処できな
¥.
いことを示し、適切でな L、また最低設言十温度を低く見積りすぎると、断熱材の過剰投資となる o 従
って冬季聞の寒さ K 関与する期間として 1 2、 l、 2月中の毎時の温度記録から、温度出現頻度分布
表を作成し、 2.5%確率温度を算定したものをもって設計温度とすることが検討されている。北海道
大学農学部農業気象観測記録昭和 4 9年 1 2月より昭和 5 0年 2月までの記録 K よるとその聞の平均
温度一 4
.0.
CV
L対し、 2.5%確率温度はー 11.
Cが得られている O すなわち、 1カ月 V
L 1回出現する
低温以外に対処できる断熱が必要であると考える O
従って 3カ月の平均温度より約 7-8.
C低温をもって設言廿量低温度とすることが考えられよう。し
かしこれは地域 K より、年次 K より異なるととは明らかであり、更 K検討が必要である。
設計最低温度時K、与えられた飼育密度から最適換気量を計算し、舎内温度が 5.C、相対湿度
10 0%を限界として、それ tu
二の外気温 K対して舎内温度の上昇と、低湿化のできる露出係数 EF
、
-11-
より U を算定し、断熱厚みを計算するととができる。現在このような断熱厚みをもった畜舎で換
AU
気をする場合N を小さくすることが換気量を増して、設計最低温度を低くとることができる故ーの
方法であり、熱貫流 Uを小さくとることは勿論であるが、 Aを小さく、 N を大きくとることも有利な
手段である O これは換言すれば、狭いスペース K大群を飼育することの方がむしろ有利であることを
示し、密飼である程よいことがわかる o しかし、これは自ら群管理の面から制約のあることは勿論で
ある治主過去において約 1頭当り 10m"であった飼育密度が米国 Kおいては約 7 m以下忙なりつつあ
る大きな理由ともなっている。
6 設備換気量
多頭飼育 K おいて限られたスペース K密 飼K 飼育された環境 K 対し、もはや、自然換気K よって必
要換気量をまかなうことはできなし、。その時の外気温 K 対して必要な舎内温度を確保しながら必安な
換気を換気扇 K よって与えなければならない。表一 3~ おおまかな風量を飼養頭数( 4 5 0均単位)
てよってコントロ
として与えてある。これ K より、冬季期の最低温度時の風量およびサーモスタット t
ーノレをする風量、更K夏の高温時K必要とする風量を示してある o これより設備としての全風量を与
え、外気温の変動 K応じて、オンオフ制御もしくは台数制御をしなければならな L、。設備全風量を舎
内 K 配分して換気扇台数を決めなければならなし、が、研究 K よると、均等K 舎 内 K 風量を配分するよ
りも入気口の位置、大きさの方がより重要てーカ所で集中的K排気管理しし、舎内の一様な新鮮な空
気の流れをつくることが可能であることを示す研究も発表されている。
表 -3
乳
牛 舎 換
4 5 0k
g
最低冬季連続 冬季晶ザーモス
単 位 の 牛 の 頭 数 換 気 量 タット調節量
気
宅7i・/毎分(静圧 3mm水住)
冬季間全風量 夏季用換気量
設備全風量
2 0--
29
21
64
85
85
1 70
3 0.
.
.
.
39
28
85
113
113
2 26
4 0.
.
.
.
49
35
106
141
141
282
5 0.
.
.
.
59
42
127
170
1 70
3 40
6 0.
.
.
.
69
50
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34 0
68 0
7 換気扇の具備すべき条件
現在迄寒冷地畜舎 K適した換気扇の開発は始ど研究されていなかった。換気扇の性能は厳寒季 K於
て大きく左右される。建物の断熱不足と相侯って、その性能が全く発揮されていないものが殆どであ
句EA
つω
る。先ず、一般K換気扇を停止した時点K於て換気扇ダンパー等の周辺隙間より冷たし、空気が流入す
ることである。冷気が舎内床 K 流入し、動物周囲の温度を低下させて極めて有害である。次 K、結露
K よって、セーターの絶縁不良をおこし焼損する。ダンパーの凍結K より開閉不能、若しくは開いた
ままの状態で計画換気を全く不可能K している。
従って換気扇の運転停止K よって完全 K空気の流通が停止できる機構を備えなければならな¥, '0 入
気、排気にともなって圧力損失をおこす。従って換気扇はその圧力損失 K抗して計画換気ができる力
を持たねばならな L、。普通水極圧力で示される治元
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. 3仰の圧力が最大で必要である。
(fig 19.、 2 O
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fig 19 換気施設は連続最低換気、断続換気品高温時の換気
システムよりなる
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新コ y トローノレファン
昭 和 4 9年度研究開発
高連(夏用)
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(コ y トロール毛ータ)
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fig 2 0 換気扇はダンパーのプロペラ廻転と連動、断熱、完全
密閉ダンパーが要求される
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口
普通畜舎K は円筒型の屋根換気口(ベンチレータ)が設けられている O この多くは排気として用い
られているが、入気口の全く存在しない畜舎もあれこれは換気を全く無視したものである O また、
これを入気口として利用し、壁より換気扇で排気しようとしても、必要断面積がとれないものが多く、
換気扇の圧力不足とも重なって殆ど換気の用をなしていないものが多 L、。入気口なし K 換気できると
すればそれは隙聞の多い畜舎でおよそ計画換気はできなし、また、ベンチレータは金属であるため、
舎内の湿り空気がここで冷却され、結露 K なって、直下 K水滴の落下している例が多 L、。これらのこ
。
、
とを考えて、ベンチレータ K よる屋根換気は特殊な場合以外適切な方法でな L
畜舎換気量(最大値)が決定したならば入気口断面積を決定しなけれぽならなし、。入気口の最大平
均風速は
5m/s以下としなければならな L
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Q:設備風量
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V:入気口平均風速 =5m/s
A:入気断面積
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舎内 K 入った空気が如何 K平均的 K 舎内 K 高い所から、流入分布するのが重要なことである
K流入する風速は
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られるよう K なってきた。しかし舎内 K 流入する温度が低温の場合、冷気が床 K 直下じない様に冷気
の分散板金使用するのが好ましし、。これは舎内温度の上下差を少くするの K 大きく役立つO
(fig 21、22)
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夏の軒入
気と冬の
天井裏入
気の l例
9 Warm slatted free stall barn の事例
永年の酪農の研究の実積から、欧米K おいては、早くから省力型の多頭飼育を目差した畜舎建設が
進められている。それは密飼K して多頭飼育かっ省力とし寸前提 K 対し、もはや、小規模時代の経験
や、畜産設備および対策では対処できないことを示しており、先ず毎日の重労働の根源となっている
糞尿処理の問題と環境対策としての断熱換気から出発した畜舎で‘なければならないことを示している。
その規模は 5 0頭以上の場合 K 極めて重要となると思われる。しかも、その地域がどの程度の寒さ K
なるかが大きな分岐点となる。その具体的事例として米国ミネリタ大学K おいて発表されているもの
を示す。
先ず糞尿貯留槽は建物床面積を使用し、その深さも 8 フィートに及び、約 8カ月の貯留期聞をもた
せている O 床はコンクリートすの子床のものである。これは秋おそくと、春早く K 熟成された糞尿
(スラリー)をタンク車K よって圃場撒布するもので雪上撒布を避けている O これは肥料成分の有効
な利用を期待するのみならず河)I
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c流出する公害を防ぐこと Kも役立っている O 毎日の糞尿処理が皆
無となって解決したことは画期的と云わなばならなし、。フリーストーノレバーン K おいては、牛は自由
K スラット上を走行し、糞尿は自然K 貯留槽 K 落下する仕組みであるが、地下糞尿留槽は水蒸気、臭
気等の発生源であり、当然この換気対策が重要である O 従ってこの方式 Kおいては天井面より入気し
た新鮮空気は、舎内汚染空気と混合してスラット間隙を通って、ピットファン(貯留槽専用の#鼠扇)
K より舎外 K排出される O この換気量は、計画換気量 K 含まれる O 真夏 K おいては壁と床の両方より
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ミネアタ州(米国)
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fig 2 4 地下糞尿貯留槽平面とスラット床平面
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換気される。ピットファンの換気は特 K重要であり、必要量を確保しなければならなしも
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4室 K分れ、夫々単独 K 換気扇を設ける。また糞尿取出口を設けなければならないが、
貯留槽は 3
相互にオーバーフローの空間が必要である。床の支柱、壁の強度は必要与しとの過剰投資を避けを必要
がある。スラットの詳細を fig 2 1~示すO
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断熱換気を考察した多頭飼育畜舎のうち比較的頭数の少いものとし℃スタンチョン式のタイストー
ノレ牛舎の事例を fig 21"'-'25(fCホす。
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g 27 Warm 七ie s七all barnの事例
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( 6 0頭)
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fig 2 8 地下糞尿貯留槽平面図
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.
INNCROSS-SECTION
STALLsARN'WITHMANUREPIT
fig 2 9 -Warm 七ie s七a11 bar
D の断面図
ミネソタ州(米国〉
あとがき
本報告書 K は米国で発表されている多くの資料事例を借用し、関係者の参考とし T
こ。特 K ミネソタ
大学農業工学科
K.A.Jordan博士 Kは 19 7 2年 4月視察 K際し、多大の便宜を与えていただ
こ。ここ K深甚の謝意を表する次第
き
、 D.W.Ba七es博士Kは貴重な資料の数々をお示しいただい T
である O
本研究の考え方を一部とり入れて、十勝種畜牧場If[Warm s1a七
七 ed freesもa11 barn
が 1 9 7 3年末完成し、現在飼養が行われている。また 1 9 7 5年 5月 K は長野県高社牧場 1
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[100
頭の Warm 七ie s七a11 barn が完成し、飼養が開始されようとしている O 日本の酪農の将来
の一里塚とならんことを願う次第である。
引用文献
1
.
Midwes七 P1an Service:S七ruc七ure amd Environmen七 Handbook
(Sep七
・
2
.
1 973')
D~ W.Ba七es:Free s七a11 Housing for Dairy Ca七七 1e(1 9 7 0,
)
Univers工七 Y of Minneso七a Agricu1 七 ur~l Extension Serv工ce
3
.
D.W.Ba七es:How 七o p1an your S七al1 Dairy Barrr,Universi七Y of
Minneso七a
(1972)
-23