Home About Browse Search
Svenska


Dimensionering av belysningsstyrka i djurstallar med programmet DiaLux och en kvantitativ jämförelse av ljusmiljö i beteshagar och kostallar

Jeppsson, Knut-Håkan and Nilsson, Dan E and Wachenfelt, Hans von and Hörndahl, Torsten (2014). Dimensionering av belysningsstyrka i djurstallar med programmet DiaLux och en kvantitativ jämförelse av ljusmiljö i beteshagar och kostallar. Alnarp: (LTJ, LTV) > Department of Biosystems and Technology (from 130101)
(VH) > Department of Biosystems and Technology (from 130101)
, Sveriges lantbruksuniversitet. Landskap trädgård jordbruk : rapportserie ; 2013:34
[Report]

[img]
Preview
PDF
4MB

Abstract

Delprojekt 1: dimensionering av belysning i djurstallar
Den totala direkta energivändningen inom jordbruket uppskattades till att vara 3,7 TWh/år varav 1,1 TWh/år var elenergi. Belysningen använder ca 10 % av elenergin i djurstallar undantaget värphöns där något mera används. Uppskattningsvis förbrukas 69-179 GWh av elenergin till belysning i stallar för olika djurslag. För att uppnå de rekommenderade värdena för belysningsstyrka använder specialister på belysning idag dimensioneringsprogram av typen Dialux där man utifrån lokalens mått, väggmaterialens färg och struktur väljer lämpliga armaturer och ljuskällor så att önskad intensitet och fördelning erhålls. Ljuskällorna definieras med både ljusflöde och spridningsvinkel för att även ge en jämn belysning när så krävs. Dimensioneringsprogrammen är emellertid inte anpassade till förhållandena i lantbruksbyggnader. Exempelvis finns inte uppgifter på reflektansen för specifika material i djurstallar såsom golvytor med strömedel alternativt gödsel. Det finns inte heller uppgifter på hur ljuskällans samt ytmaterialens reflektans påverkas av nedsmutsningen i djurstallar. Syftet med delprojekt 1 var att öka kunskapen om hur man dimensionerar energieffektiv belysning anpassad till djurstallar med moderna dimensioneringsprogram; att ta fram reflektansen för ytmaterial som är specifika för djurstallar och undersöka nedsmutsningens betydelse; samt att jämföra beräknad belysningsstyrka och ljusfördelning med uppmätta värden.
Under vintern 2012-2013 har mätningar av byggnadsytornas reflektans samt belysningsstyrkan vid artificiell belysning i rummet utförts i 6 byggnader för djur. Mätningarna har utförts med hjälp av en referensskiva med känd reflektans samt ett universalinstrument för mätning av luminans, Hagner S4 Universal Photometer. Mätningarna genomfördes både före och efter att armaturernas kupor tvättats samt i två fall även före och efter att stallet tvättats. Samtliga lysrörsarmaturer var slutna och utan reflektorer. Belysningen i djurstallarna har beräknats med dataprogrammet Dialux (version 4.11) och beräknad belysningsstyrka samt ljusfördelning har jämförts med resultaten från mätningarna.
Golven har lägst reflektans i djurstallar. Uppmätta värden ligger mellan 0,07 och 0,32. Fuktiga, nyligen tvättade och smutsiga golv har lägre reflektans (ca 0,10) än torra golvytor utanför boxarna (0,20 – 0,25). Fuktiga och smutsiga dränerande golv (betong, metall) kan ha lägre reflektans än 0,10. Strömedel på golv ökar reflektansen till ca 0,30. Boxmellanväggar och inredning har ofta högre reflektans än golven och har reflektans mellan 0,20 – 0,40. Innerväggar i djurstallarna är ofta målade och färgen avgör till stor del reflektansen. Mätningarna visar värden mellan 0,25 – 0,60, där reflektansen är lägre för nedre delen av väggarna både pga smutsmängd men även att nedre delen av väggarna är målade med mörkare färg. Övre delen av innerväggarna hade i ett fall mycket hög reflektans (0,91). Innertaket är ofta av ljus korrugerad plåt men kan också vara av träpanel. Plåttaken i de undersökta djurstallarna hade reflektans mellan 0,50 – 0,80. Både boxmellanväggar, innerväggar och innertak får högre reflektans efter tvättning. Reflektansen från en mjölkko (Holstein) mättes, där svart hårrem hade reflektansen 0,02 och vit hårrem 0,41. Belysningsstyrkan i stallarna var lägst för slaktsvin och högre för ko och häst. Belysningsnivån 0,45 m över golvet uppgick till 61-75 lux för slaktsvin, 164 lux för digivande suggor, 120 resp. 154 lux för mjölkkor och 255 resp. 135 lux för häst. Tvättning av lampkupor förbättrade ljusstyrkan med 3-20 % beroende på stalltyp, mer för svinstallar än för övriga. Störst skillnad i ljusfördelning (kvoten mellan uppmätt belysningsstyrka och medelbelysningsstyrka) hade grisningsstallet medan övriga låg på ca 0,55- 1,55. Belysningen i ett rum förändras med ljuskällans och armaturens ålder, nedsmutsning av armatur och ytor samt underhållsnivån. Beräkningarna i datorprogrammet Dialux är utförda med bibehållningsfaktorn 1,0 samt med uppmätta reflektanser för tvättade byggnadsytor. Den beräknade belysningsstyrkan var för samtliga byggnader högre än uppmätt belysningsstyrka. Skillnaden mellan uppmätt och beräknad belysningsstyrka var en faktor mellan 0,63 – 0,89. Genom att välja bibehållningsfaktor i Dialux kan effekten av ljuskällornas och armaturernas ålder, nedsmutsningen av armaturer och ytor samt underhållsnivån korrigeras.
Dimensioneringsprogrammet Dialux är ett bra hjälpmedel för beräkning av belysningsstyrka i lantbruksbyggnader för att erhålla noggrannare dimensionering och energibesparing. Reflektansen för golvytorna i djurstallar varierar mellan 0,07 och 0,32 och beror av hur smutsiga och fuktiga golven är samt typ av golv och mängden strömedel. Boxmellanväggar har reflektans mellan 0,20 – 0,40 och innerväggar mellan 0,25 – 0,60. Innertak av korrugerad plåt har reflektans mellan 0,50 – 0,80. Totala bibehållningsfaktorn bör sättas till värden mellan 0,60 – 0,85 i djurstallar för att erhålla korrekt belysningsstyrka vid beräkning i programmet Dialux. Lägre bibehållningsfaktor (0,60 – 0,70) i stallar som blir mycket nedsmutsade (exempelvis gris- och nötstallar) och högre bibehållningsfaktor (0,80 – 0,85) stallar som blir mindre smutsiga (exempelvis häststallar). Beräkningar i programmet Dialux visade en ljusfördelning som var ±15 % från uppmätta värden. Hur inredning ritas in i Dialux kan påverka ljusfördelningen i stallet. För att förbättra noggrannheten vid beräkningar i programmet Dialux bör det införas standardritningar på utrustning och inredning som kan inverka på belysningsstyrka och ljusfördelning.
Delprojekt2: ljusmiljön i kostall jämfört med hagmark
Synsinnet hos respektive djurarter är anpassat till den naturliga miljö som de en gång utvecklades i. Detta betyder att både själva ögat och den del av hjärnan som behandlar synintryck hos varje djurart har sina speciella egenskaper som gör att synen fungerar på bästa sätt under ljusförhållanden som liknar den miljö deras vilda förfäder levde i. Det finns goda skäl att misstänka att djurens välbefinnande, tillväxt, hälsa och produktion påverkas av ljusmiljön. Analys av bildstatistik för utforskning av omvärldsmiljöer är en ny teknik som växt fram som en bas för kamerastyrd robotik. Med tekniken kan viktiga egenskaper i en visuell miljö identifieras. Bildstatistik ger möjligheter att både undersöka och förstå synsinnets egenskaper, men ännu har inte olika naturliga miljöer analyserats och karaktäriserats med hjälp av modern bildstatistik. Att undersöka ljusmiljöns effekt på djur borde kunna möjliggöra en bättre anpassning av ljusmiljön i ett djurstall. Syftet med delprojekt 2 var att undersöka om det är möjligt att utforma en ljusmiljö som bättre överensstämmer med djurens ursprungliga livsmiljö.
Ett analysprogram utvecklades för att kvantitativt kunna jämföra ljusfördelning och kontrastrikedom i olika miljöer. Rådata utgörs av bilder tagna med ett fisheye-objektiv med en bildvinkel på 180°. Varje bild innehåller således information om ljusfördelning och kontraster i olika riktningar. Med hjälp av ett stort antal bilder i varje miljö kan analysprogrammet beräkna medelvärden för den vertikala fördelningen ljus, färger, kontraster och färgkontraster.
Mätningar i hagmark och stallmiljö uppvisar mycket stora skillnader. Stallmiljön utmärks av mindre total variation, mindre färger och en onaturlig fördelning av kontraster. Hagmarken karakteriseras av ett mörkt band längs horisonten (beroende på att träd och buskar linjeras upp längs horisonten), medan stallmiljön istället har ett ljust band vid horisonten (fönster). Trots att mängden mätdata är begränsat visar resultaten på en uppenbar potential att med modern LED-belysning göra stallmiljöer betydligt mer naturliga och därmed skapa en möjlighet till ökat välbefinnande och minskad stress hos både djur och människor som befinner sig i miljön.

Authors/Creators:Jeppsson, Knut-Håkan and Nilsson, Dan E and Wachenfelt, Hans von and Hörndahl, Torsten
Title:Dimensionering av belysningsstyrka i djurstallar med programmet DiaLux och en kvantitativ jämförelse av ljusmiljö i beteshagar och kostallar
Alternative abstract:
LanguageAbstract
English

Project part 1: lighting design in animal houses
The total energy consumption within the agricultural sector is estimated to be 3.7 TWh per year of which 1.1 TWh/year is electrical energy. The electrical energy consumed in stables for lighting use is approx. 10% with the exception of poultry which consumes somewhat more. Approximately 69-179 GWh is consumed for lighting in stables by different animal production. Previous design guidelines for lighting was based on a specific amount of W/m2 flooring area, which was defined for different flooring areas like animal feeding area, animal resting area and milking facility etc. The guidelines have shown to overestimate the energy use and to achieve recommended lighting intensity and light distribution, present computer based lighting design programmes (i.e. DiaLux) are based on room dimension data, wall material colour and structure combined with choice of electric fitting and source of light. The light sources are defined by both light flow and area of distribution to obtain an even light distribution where it is needed. The lighting design programmes are not adapted for use in animal houses. There is no information on reflectance from specific materials used in animal houses like flooring, with and without straw and manure. Also there is no information regarding how the light source and the surface material reflectance are influenced by soiling. The aim of project part 1 was to increase knowledge in how to design energy efficient lighting adapted to animal houses with the help of modern PC based light design programmes; obtain reflectance from specific surface materials for animal houses and investigate the importance of soiling; and compare calculated light intensity and distribution with measured values.
During the winter of 2012-2013 the surface material reflectance were measured along with artificial lighting intensity in 6 animal buildings. The measurements were achieved by using a reference plate with known reflectance and a universal instrument for obtaining luminance, Hagner S4 Universal Photometer. The measurements were performed both before and after cleaning of the light globes and in two cases before and after stable cleaning. All fluorescent-lamp fittings were sealed without reflectors. The lighting intensity in the stables have been calculated in the PC based light design programme DiaLux (version 4.11) and calculated light intensity and light distribution have been compared with the measurement results.
The floor reflectance of the animal houses is the lowest. Measured values are between 0.07 och 0.32. Wet, newly cleaned and soiled floors had lower reflectance (approx. 0.10) than dry floors outside the pen area (0.20 – 0.25). Moist-wet and soiled drained floors (concrete, metal) could have lower reflectance than 0.10. Straw on floor surfaces increase the reflectance to approx.0.30. Pen dividing walls and fittings often have higher reflectance than the floors (0.20 – 0.40). The interior walls of animal houses are often painted and the chosen colour 11 decides to a high degree the reflectance. Measured values ranged between 0.25 – 0.60, where the lower reflectance belongs to the lower part of the wall, because of soiling but also because of the lower wall part is painted in a dark colour. The upper part of the interior wall had in one case a very high reflectance (0.91). The ceiling is often made of light coloured corrugated metal sheet or wood panel. The metal sheet ceilings had a measured reflectance of 0.50 – 0.80. Both pen dividing walls, interior walls and ceiling received higher reflectance values after cleaning. The reflectance from a Holstein cow was measured where the black hair comb had a reflectance of 0.02 and the white hair comb had 0.41. The lighting intensity was lowest in pig stables and higher for cattle and horse stables. The level of light intensity level at 0.45 m above the floor was 61-75 lx for the slaughter pig stables, 164 lx for the suckling pig stable, 120 and 154 lx respectively for dairy cow stables and 255 and 135 lx respectively for the horse stables. Cleaning the light globes increased the light intensity by 3-20% depending on type of stable, more in pig stables than for the others. The largest difference in light distribution (quota between measured and average light intensity value) was found in the suckling pig stable while the others ranged between 0.55-1.55. The lighting of a room changes with the ageing of the electric fitting, soiling of the fitting and the surface areas and the level of maintenance. Calculations in the light design programme DiaLux are carried out with a maintenance factor of 1.0 along with measured values of reflectance for cleaned surface areas. For all buildings the calculated lighting intensity was higher than the measured. The difference between the measured and the calculated light intensity, expressed as a factor, was between 0.63-0.89. By choosing the level of the maintenance factor in DiaLux, the age effect of light source and electric fittings, soiling of fittings and surface areas along with the level of maintenance could be revised.
The light design programme DiaLux is a good aid in calculating light intensity in animal houses to obtain a more energy efficient and accurate lighting design. The reflectance from floor surface areas in animal houses varied between 0.07 och 0.32 which depends on degree of soiling and wetness, type of floor and degree of straw. The pen dividing walls had a reflectance of 0.20 – 0.40 and the interior walls 0.25 – 0.60. The metal sheet ceilings had a measured reflectance of 0.50 – 0.80. The total maintenance factor (including electric fitting, soiling of the fitting and the surface areas and the level of maintenance) should be set to 0.60-0.85 in animal houses to receive correct lighting intensity in using DiaLux. A lower preservation factor (0.60 – 0.70) should be chosen in stables with a higher degree of soiling (i.e. pig and cattle) and a higher factor (0.80 – 0.85) for stables with a lower degree of soiling (horses). The calculations in DiaLux showed a light distribution of ±15 % compared to measured values. The design of interior fittings and how it’s drawn in DiaLux can affect the light distribution in the stable. To obtain more accurate DiaLux calculations a standardized drawing procedure should be introduced on all interior fittings that can affect light intensity and light distribution. 
Project part 2: comparison between light environment in cattle house and on pasture
The faculty of vision in animal species are adapted to the natural environment where they ones were developed in. This means that both the eye itself and the part of the brain that treat visual impressions in each animal has it’s specific qualities that makes the vision function in the best way under light conditions that are similar to the environment in which their wild ancestors once lived in. There are god reasons to believe that animal wellbeing, growth, health and production is affected by the light environment. Analysis of picture processing statistics for exploration of surrounding environment is a new technic that has developed as a base for camera guided robotics. With the technic important qualities in the visual environment can be identified. Picture processing statistics offers both the possibility of investigate and understand the vision qualities, but so far has no natural environments been analysed and characterized by modern picture processing statistics. Investigating the light environment effect on animals should make it possible to make a better adaption of the light environment for animals in animal houses. The aim of project part 2 was to investigate if it was possible to design a light environment in animal house for cattle that agrees better with the original environment of the animals.
An analysing program was developed for quantified assessment of different light distributions and contrast variety in different environments. Raw data was obtained through pictures taken by a fisheye-objective with a picture angle of 180°. Accordingly each picture contains information of light distribution and contrast in various directions. With a large set of pictures taken from each environment, the analysing program is able to calculate means of the vertical light distribution, colour, contrasts and colour contrasts.
The measurements in pasture and stable environment showed very large differences. The stable environment was characterised by a smaller total variation, less colour and an unnatural distribution of contrasts. The pasture environment was characterised by a dark band along the horizon (depending on that trees and bushes are lined up along the horizon), whereas the stable environment had a bright band along the horizon (windows) instead. In spite of the limited amount of data, the results show that there is an evident potential of creating a stable environment with LED-lighting technique that is much more natural and with that a possibility to create more wellbeing and less stress in both animals and humans existing in that environment.

Series/Journal:Landskap trädgård jordbruk : rapportserie (1654-5427)
Year of publishing :2014
Number:2013:34
Number of Pages:54
Place of Publication:Alnarp
Publisher:Institutionen för biosystem och teknologi, Sveriges lantbruksuniversitet
Associated Programs and Other Stakeholders:SLU - Environmental assessment > Programme Built Environment
SLU - Environmental assessment > Programme Climate
ISBN for printed version:978-91-87117-65-7
ISSN:1654-5427
Language:Swedish
Publication Type:Report
Article category:Other scientific
Full Text Status:Public
Agris subject categories.:L Animal production > L01 Animal husbandry
N Machinery and buildings > N20 Agricultural machinery and equipment
Subjects:(A) Swedish standard research categories 2011 > 2 Engineering and Technology > 202 Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering > Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Agrovoc terms:energy conservation, lighting, environmental factors, animal housing, artificial light, daylight, pastures, statistics
Keywords:energibesparing , belysning, lantbruksbyggnader, reflektans, ljusmiljö, hagmark, kostall, bildstatistik
URN:NBN:urn:nbn:se:slu:epsilon-e-2164
Permanent URL:
http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:slu:epsilon-e-2164
ID Code:11594
Faculty:LTJ - Faculty of Landscape Planning, Horticulture and Agricultural Science (until 2013)
Department:(LTJ, LTV) > Department of Biosystems and Technology (from 130101)
(VH) > Department of Biosystems and Technology (from 130101)
Deposited By: SLUpub Connector
Deposited On:16 Oct 2014 09:49
Metadata Last Modified:07 Jan 2016 11:36

Repository Staff Only: item control page

Downloads

Downloads per year (since September 2012)

View more statistics

Downloads
Hits