4º Encontro de Energia no Meio Rural - Eficientização Energética daFazenda Exp. PUC-Minas - Climatização da granja de suínos da

Fazenda Experimental da PUC-Minas

Fernanda Araújo de AlmeidaRicardo José Silva MeloRafael Celestino Vidigal

Profa. Elizabeth Marques Duarte PereiraProf. Lauro Vilhena Machado Neto

Profa. Júlia Maria Garcia RochaGreen Solar , Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais

30535-610 Belo Horizonte – Minas Gerais – telefax: (31) 3319-4387

RESUMO

O projeto apresentado neste artigo foidesenvolvido pelo Grupo de Estudos em Energiada PUC-MG, GREEN Solar, com o apoio doLaboratório de Eletrônica de Potência da PUC-MG e apoio financeiro da Fundação de Apoio àPesquisa do Estado de Minas Gerais, FAPEMIG.

O objetivo deste projeto é controlar a temperaturanos diversos ambientes da granja a fim deproporcionar níveis recomendáveis de conforto.Desta forma busca-se reduzir a taxa demortalidade dos animais e economizar energia noprocesso de aquecimento do ambiente. O desafio éatingir o objetivo utilizando fontes renováveis enão poluentes de energia.

Nosso trabalho focaliza, em princípio, amaternidade. Este é o setor onde a fêmea é levadano final da gestação e, depois do parto, amamentaas crias por aproximadamente 21 dias. Após esseperíodo já ocorreu o desmame completo. Osleitões são transferidos para a creche e a fêmeavolta ao galpão de gestação à espera do período dapróxima inseminação. Na creche, os leitões estãomais resistentes, mas o aquecimento ainda énecessário.

Para a maternidade foi desenvolvido oPigPiloow, colchão de água quente que permite

a criação de dois microclimas, proporcionandoconforto tanto para a matriz e leitões.Já para a creche a solução mais viável seriacampânulas de aquecimento utilizando biogásproduzido na própria fazenda como fonte decombustível.

ABSTRACT

The project discussed in this article wasdeveloped by the Group of Studies in Energy ofPUC-MG, GREEN Solar, with support from theLaboratory of Power Electronics of PUC-MG andthe Foundation for the Support of Research of theState of Minas Gerais, FAPEMIG.

The objective of this project is to control thetemperature in the different stages of swineproduction in order to provide recommendablelevels of thermal comfort thus diminishing themortality rate and at the same time saving energyin the environment heating process. Our challengeis to reach the objective using renewable and nonpollutant energy sources.

Our work focuses is, in principle, the farrowingfacility. This is the stage where the female is takenat the end of the gestation and, after the piglet’sbirth, there is a 21 day period for the feedingprocess. After this period the weaning iscomplete. The pigs are transferred to the day-carecenter and the female comes back to the gestation

shed to wait for the next insemination. In thenursery, the pigs are more resistant but the heatingstill is necessary.For the maternity the PigPillow®. was developed,hot water mattress allows to the creation of twomicroclimates, providing comfort for the motherand the piglets.

For the nursery facility the most viable solutionwould be the thermal radiation heaters using biogás produced in the farm.

TEXTO PRINCIPAL

A preocupação com o bem estar animal temcrescido muito nos últimos anos devidos àsexigências feitas por vários comitês, nacionais einternacionais, [2].Os produtores buscam com a aplicação daclimatização diminuir a taxa de mortalidade dosleitões e o intervalo entre o nascimento e o abatedos leitões.

A lucratividade da granja está diretamente ligadaa rotatividade de animais. Quanto mais adequadofor o conforto proporcionado à matriz e aosleitões, mais rapidamente estes se desenvolvem econsequentemente reduz-se o tempo necessáriopara o reinicio do novo ciclo de inseminação e doenvio dos leitões à creche.

Nas primeiras semanas de vida o leitão, apresenta-se muito sensível às variações de temperatura doambiente. Portanto, há necessidade declimatização por fonte externa de energia.

Segundo Sobestiansky [4], os criadores nãomanejam adequadamente as fontes suplementaresde calor para o aquecimento dos leitões.Pretende-se com este trabalho acrescentar maisuma alternativa de aquecimento que não polui enão consome energia elétrica.

O DESAFIOCom as metas determinadas pelo governo federalde redução de consumo e problemas defornecimento de energia elétrica, as opçõesconvencionais, as lâmpadas incandescentes estãosendo substituídas, mesmo porque as mesmas nãose mostraram eficientes. O leitão mais debilitadofisicamente não tinha acesso a área deaquecimento pela lâmpada, ocupada pelos leitõesmais saudáveis e maiores.

O aquecimento de suínos na maternidade tem umaparticularidade que é a necessidade da criação dedois micro climas pois a porca necessita detemperatura inferior ao porcos recém nascidos.

Procurando democratizar o acesso ao ambienteaquecido, diminuir o gasto de energia elétrica ecriar dois microclimas diferentes na maternidade,a equipe do projeto GREEN Solar desenvolveuum colchão d'água quente, o PigPillow.

Figura 1 - PigPillow sem isolamento térmicoAcervo: GREEN Solar

Este colchão será instalado no “creep” dos leitões,com área suficiente para acolher todos os leitõese reduzindo-se o estresse da porca, consequênciado hábito dos leitões de deitarem sobre ela.

O primeiro ensaio feito sem o isolamento térmico,apresentou em testes de laboratório um tempo útil,resfriou-se em 5 horas, quando o ideal teria sido11 horas. Para resolver o problema foiconfeccionado uma capa térmica para o colchãode tal forma que decorreriam 11 horas até a águaser trocada. O colchão será implementado nasuinocultura da Fazenda Experimental PUC-Minas no mês de agosto.

Na creche, faremos uso do biogás e campânula deaquecimento para aquecer os leitões. Como osleitões já apresentam, após 21 dias de vida, umafina camada de gordura, o colchão se fazdesnecessário, tornando o aquecimento comcampânulas ideal.

Após a fase de avaliação do protótipo oaquecimento da água será por energia solar oucom biogás, oriundo do biodigestor.

Devem ser observados critérios importantes naimplementação do PigPillow na maternidade oucreche de qualquer suinocultura. Os leitões devemser constantemente observados para não danificaro colchão e o mesmo deve ser lavado diariamente,

a exemplo do que já é feito nos estrados demadeira ou metálicos atuais.

Espera-se boa aceitação dos leitões ao novosistema de aquecimento, e acredita-se que devamser evitadas adaptações da forma atual para uso docolchão.

Tabela 1 – Tempo de permanência dos leitões

Para garantir a funcionalidade do sistema, atemperatura da água no interior do colchão, deveser monitorada pois o resfriamento dos colchõespode comprometer a saúde dos leitões.

As temperaturas discriminadas na tabela 1 sãoconsideradas ideais para cada etapa do leitão nasuinocultura.

Estágio Tempo de permanência Temperatura ótima Faixa de temperatura aceitável

Gestação 114 dias 16ºC 10ºC à 21ºC

Maternidade 21 à 30 dias 19ºC matriz / 30ºC leitão 18ºC à 20ºC / 28º à 32ºC

Creche 60 à 65 dias 20ºC 18ºC à 22ºC

Terminação 120 à 154 dias 19ºC 18ºC à 20ºC

Os locais críticos que realmente necessitam deaquecimento são a creche e a maternidade. Já asoutras áreas da suinocultura não há necessidade deaquecimento e sim de resfriamento para diminuiro estresse sobre os animais.

METODOLOGIA E PROCEDIMENTOEXPERIMENTAL

A metodologia de trabalho proposta foi divididaem etapas, referentes à participação da equipe deprofessores e bolsistas da PUC Minas.

Montagem da Bancada ExperimentalA concepção inicial da montagem de umabancada experimental, apresentadaesquematicamente na figura 2, permite o cálculodo coeficiente de transferência de calor Us sobdeterminadas condições operacionais. A seguirevolui-se para uma análise que permita estimar atemperatura final da água em função dastemperaturas iniciais e tempo transcorrido.

A água utilizada no ensaio foi aquecida noreservatório térmico na sala de ensaios. Atemperatura inicial da água era de 45ºC e atemperatura final foi de 21ºC

Os instrumentos e sensores selecionados foram:- Termoresistência Pt 100: medição da

temperatura ambiente;- Termopar : medição da temperatura da águana superfície e no interior do colchão.

- Placa de Aquisição de Dados WS-ASC-16(OMEGA): para registro das temperaturasinterna, ambiente e da superfície do colchão.

Figura 2 – Bancada de testesAcervo GREEN Solar

PROCEDIMENTOS DE ENSAIOOs procedimentos experimentais obedeceram aseqüência detalhada a seguir:

Passo 1 – Aquecimento da água até no máximo50ºC, temperatura facilmente obtida comaquecimento solar e biogásPasso 2 – Enchimento do colchãoPasso 3 - Colocação de sensores de temperaturano interior do colchão (Figura 3)Passo 4 - Início do ensaio de resfriamento

Figura 3 – Detalhe da entrada com termoparAcervo: GREEN Solar

ANÁLISE DOS RESULTADOSEXPERIMENTAIS

O teste foi feito realizando os passos citadosacima. Os dados obtidos para a determinação deUs ( equação 1 ) produziram o gráfico 1.

Gráfico 1 – Gráfico resultante do teste

O coeficiente de perda de calor do colchão Us édado pela a equação 1: [3]

ln (Tf - Tamb) = Us_ (1) (Ti - Tamb) ρ cp ∆t

onde:ρ : densidade absoluta da água, kg/m3

cp : calor específico da água, em J/kg ºKVs : volume de água, m3

Tamb : temperatura ambiente, ºCTf : temperatura final da água dentro do colchão, ºC

Ti : temperatura inicial da água dentro do colchão, ºC∆t : tempo transcorrido , em segundosUs : coeficiente de transferência de calor

Analisando o gráfico podemos destacar que atemperatura da água no interior do colchãopermaneceu dentro da faixa ideal para os leitõesdurante apenas 5 horas .Foram consideradas somente as perdas pelaslaterais e base do PigPillow®. Considera-se queo leitão permanece sobre o colchão durante todaa noite e não existem perdas na parte superior doPigPillow®.

Para estender a utilização do PigPillow® para 12horas, faremos uso de Us para calcular aespessura do isolamento de lã de vidro:

Us = klã (2) Llã

Onde:Llã : espessura do isolamento de lã de vidroklã : coeficiente de condutividade térmica da lãde vidro

Obteve-se Lpol igual a 2,5 cm , ou seja umamanta de isolamento de lã de vidro de 2,5 cm deespessura.

A figura 4 mostra as tiras já cortadas nasdimensões das laterais e base do PigPillow®.As tiras de lã de vidro deverão ser encapadaspara evitar que molhem. Evite o contato diretocom a lã de vidro, use luvas.

Figura 4 – Tiras de lã de vidro para isolamento do colchão

Em agosto, serão realizados os testes com o usode isolamento. Espera-se obter 12 horas para atroca da água dentro do colchão.

PigPillowy = 41,87338e-0,00001479x

R2 = 0,9926

17,00

20,00

23,00

26,00

29,00

32,00

35,00

38,00

41,00

44,00

0 3800 7600 11400 15200 19000 22800 26600 30400 34200 38000 41800 45600 49400 53200 57000 60800tempo (segundos)

tem

per

atu

ra (

ºC)

interna

ambiente

Expon. (interna)

ANÁLISE EXPERIMENTALA análise econômica foi feita considerando-se ademanda energética relativa ao consumo deenergia pelas lâmpadas incandescentes .

Na maternidade são utilizadas 68 lâmpadas para oaquecimento dos leitões. Estas lâmpadaspermanecem ligadas durante dezesseis horasdiárias. O consumo mensal total de energia é de4896kWh. Apresentando um acréscimo mensal deR$1419,84 na conta de energia elétrica dafazenda.

Utilizando-se do colchão para a climatização damaternidade gastamos cerca de R$30,00 mensais,com investimento inicial de R$630,00 paraprodução dos colchões. O tempo previsto doretorno do investimento é de 1 mês considerandoque o combustível, biogás, é gratuito.

Os dados de entrada utilizados na análiseeconômica são:

• Tarifas de energia elétrica e água aplicadasao setor rural, em R$/kWh e R$/m3,respectivamente;

• Custo do metro quadrado da lona atóxica devinil

• Custo para a fabricação do PigPillow®

A rotina para cálculo leva em conta osparâmetros descritos acima. Com estes podemosdeterminar em quanto tempo o PigPillow® setorna mais viável que a climatização porlâmpadas incandescentes.

Uma análise comparativa posterior de fontesconvencionais de combustível para o aquecimentoda água com o aquecimento solar, aquecimentocom GLP e o aquecimento elétrico será feita demodo a certificar a maior viabilidade do uso dobiogás produzido na própria fazenda.

CONCLUSÕES ERECOMENDAÇÕES

Antes de implementar o sistema PigPillow® deve-se avaliar qual o método de aquecimento da águaé o mais recomendado para o caso. As opções'limpas' e mais economicamente viáveis são:

- Sistema de aquecimento utilizando o biogásproduzido na própria fazenda;

- Sistema de aquecimento solar ;- Sistema de aquecimento utilizando GLP.

CONSIDERAÇÕES FUTURASDiante dos resultados positivos decorrentes dautilização do colchão de água quente, sugerimoscomo próximo passo, a elaboração de um projetopara dimensionamento de sistemas deaquecimento solar para o aquecimento da água.Para o dimensionamento deve ser considerado ovolume de água aquecida necessário diariamente eos parâmetros físicos do local da instalação comoa inclinação e direção do telhado, árvores ouedificações que possam provocar sombreamentosobre a instalação .

Para automatizar o controle de temperatura serãoinstalados sensores de temperatura dentro de cadagalpão. Aconselha-se instalar sensores de umidadedo ar [5]. Desta forma, o técnico da fazendapoderá monitorar a temperatura das baias àdistância.

PALAVRAS CHAVES

Climatização – Microclima– Eficientização –Creep - Automação

AGREDECIMENTOS

Agradecemos todo apoio fornecido pelaFAPEMIG, sem o qual o projeto não existiria.À todos os monitores do GREEN Solar queapoiaram com idéias e com trabalho sempreentusiasta. Aos professores do GREEN Solar quecontinuamente incentivaram e acrescentarammuito a toda equipe. Ao laboratório de Eletrônicade Potência, em especial ao Prof. Lauro Vilhena.Aos funcionários da fazenda Experimental daPUC-Minas por mostrarem muita disposição aonos ajudar.

REFERÊNCIAS

Alencar, Arenilza “A inflência do meioambiente na redprodução das porcas” –5º Seminário Internacional de Suinocultura - 27 e28 de setembro de 2000 ExpoCenter Norte SP

Machado, Luiz Carlos “Bem-estar dos suínos”5º Seminário Internacional de Suinocultura - 27 e28 de setembro de 2000 ExpoCenter Norte SP

Incropera, Frank “Fundamentos deTrnasferência de Calor” Quarta Edição

Sobestiansky, Jurij “Efeito de diferentessistemas de aquecimento no desempenho dosleitões” – Comunicado Técnico – Embrapa –Setembro/1987

Perdomo, Pedro “Efeito de de diferentes fontesde aquecimento e escamoteador no desempenhode leitões” – Embrapa – Julho/1989