Simulation of site-specific irrigation control strategies with sparse input data

Crop and irrigation water use efficiencies may be improved by managing irrigation application timing and volumes using physical and agronomic principles. However, the crop water requirement may be spatially variable due to different soil properties and genetic variations in the crop across the field. Adaptive control strategies can be used to locally control water applications in response to in-field temporal and spatial variability with the aim of maximising both crop development and water use efficiency. A simulation framework ‘VARIwise’ has been created to aid the development, evaluation and management of spatially and temporally varied adaptive irrigation control strategies (McCarthy et al., 2010). VARIwise enables alternative control strategies to be simulated with different crop and environmental conditions and at a range of spatial resolutions. An iterative learning controller and model predictive controller have been implemented in VARIwise to improve the irrigation of cotton. The iterative learning control strategy involves using the soil moisture response to the previous irrigation volume to adjust the applied irrigation volume applied at the next irrigation event. For field implementation this controller has low data requirements as only soil moisture data is required after each irrigation event. In contrast, a model predictive controller has high data requirements as measured soil and plant data are required at a high spatial resolution in a field implementation. Model predictive control involves using a calibrated model to determine the irrigation application and/or timing which results in the highest predicted yield or water use efficiency. The implementation of these strategies is described and a case study is presented to demonstrate the operation of the strategies with various levels of data availability. It is concluded that in situations of sparse data, the iterative learning controller performs significantly better than a model predictive controller

Air pollution and livestock production

The air in a livestock farming environment contains high concentrations of dust particles and gaseous pollutants. The total inhalable dust can enter the nose and mouth during normal breathing and the thoracic dust can reach into the lungs. However, it is the respirable dust particles that can penetrate further into the gas-exchange region, making it the most hazardous dust component. Prolonged exposure to high concentrations of dust particles can lead to respiratory health issues for both livestock and farming staff. Ammonia, an example of a gaseous pollutant, is derived from the decomposition of nitrous compounds. Increased exposure to ammonia may also have an effect on the health of humans and livestock. There are a number of technologies available to ensure exposure to these pollutants is minimised. Through proactive means, (the optimal design and management of livestock buildings) air quality can be improved to reduce the likelihood of risks associated with sub-optimal air quality. Once air problems have taken hold, other reduction methods need to be applied utilising a more reactive approach. A key requirement for the control of concentration and exposure of airborne pollutants to an acceptable level is to be able to conduct real-time measurements of these pollutants. This paper provides a review of airborne pollution including methods to both measure and control the concentration of pollutants in livestock buildings

Energy use and indoor climate in livestock buildings for pigs

Swedish pig farming is facing two climatic challenges: minimizing greenhouse gases and adapting to warmer climates in confined livestock buildings. Climate change leads to more heat waves, causing pigs in confined buildings to endure heat stress more often and for longer periods. Heat stress not only affects the animals' welfare and health negatively, but it also implies a risk of economic losses for farmers, as heat stress can result in slower growth, impacts on reproduction and increased mortality. Pigs are particularly sensitive to heat because they do have few sweat glands. This introductory paper on the subject “Improving energy-efficiency and indoor climate of livestock buildings for pigs through passive and active adaptation measures” highlightsthe need for adaptation measures due to climate change. The main aim of this introductory paper is to provide a summary of current research and knowledge on the energy efficiency and indoor climate of livestock buildings for pigs, as well as the need for further research on pig buildings in Sweden. Many studies have evaluated potential adaptation measures to lower indoor temperatures and reduce heat stress in warmer climates. The most commonly implemented measures for cooling are increased airflow and air velocity, as well as evaporative cooling. The reviewed articles also indicated that insulation and mechanical ventilation are required in warmer climates to maintain an acceptable indoor climate.The main conclusions are that:(1) Heat stress for pigs will increase due to global warming, necessitating adaptation measures toreduce indoor temperatures in warmer climates.(2) Technical solutions are available to reduce indoor temperatures in warmer climates. However,studies on the investment costs and energy use of these solutions are lacking.(3) To reduce the environmental impact of livestock buildings intended for pigs, it is necessary todevelop energy-saving solutions, improve management practices, and use non-fossil energy sources.(4) Computer simulations can be used as a tool to predict thermal climate and energy use in livestockbuildings.(5) It is recommended to develop a common framework and use standardised functional units toenable comparison and simplify evaluation of results from different studies

Effect of curing conditions and harvesting stage of maturity on Ethiopian onion bulb drying properties

The study was conducted to investigate the impact of curing conditions and harvesting stageson the drying quality of onion bulbs. The onion bulbs (Bombay Red cultivar) were harvested at three harvesting stages (early, optimum, and late maturity) and cured at three different temperatures (30, 40 and 50 oC) and relative humidity (30, 50 and 70%). The results revealed that curing temperature, RH, and maturity stage had significant effects on all measuredattributesexcept total soluble solids

Evaluación de alternativas en las instalaciones avícolas de pollos de carne para la mejora de las condiciones de confort de los animales

Tesis por compendioThe demand for chicken meat consumption increases worldwide. Particularly, intensive breeding increases the need for a controlled environment, in order to maintain thermal comfort and productive efficiency. For this reason, the present thesis is an exploratory analysis of the environmental factors involved in animals comfort and in the use of Computational Fluid Dynamics (CFD) in farms. The Star CCM+ commercial code has been used for this purpose. This computational software has been used to represent the effect of the change of the constructive elements in tunnel type farms buldings, based on the parameters of comfort in climatic conditions considered as summer and winter. The proposed numerical modeling has been validated with experimental data for speed and temperature in a tunnel type ship with constant heat source. With the detailed information of the environmental factors involved in the productive and physiological behavior of the animal, values of comfort range were established for speed, temperature and temperature and speed indexes. To identify the microclimatic imbalances inside the farm, the computational fluid mechanics code analyzes the different characteristics of the building that can influence the solutions at the animal level, making an analysis on how the different authors have used these type of computational tools to validate their credibility. Knowing the diversity of farms analyzed with CFD, in the second chapter the model tunnel building is modeled, with different structural elements and heat flow of the animals in the soil. In this case, the velocity, temperature and temperature and velocity distribution are analyzed, showing the effect of the different locations of the fans and the distribution of windows at the animal level. With this previous analysis and characterization of the tunnel-type ship, a section of a private tunnel spacecraft, in the Laboratorio de Simulación Ambiental (ICTA), with two constant velocity flows, three heat sources and different window heights, Observing between the measured and the simulated an important degree of homogeneity of the speed and temperature results, based on the average quadratic errors when measured and modeled velocities and temperatures are compared. The virtual simulations with CFD are verified as close to reality, furthermore, theyallow to define ventilation strategies for different seasons of the year.La demanda del consumo de carne de pollo incrementa a nivel mundial. Particularmente, en la crianza intensiva se incrementa la necesidad de tener un ambiente controlado para mantener el confort térmico y la eficiencia productiva. Por ello en la presente tesis se realiza un análisis exploratorio de los factores ambientales que intervienen en el confort de las aves y el uso de la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD por sus siglas en inglés) en granjas. Se ha utilizado para ello el código comercial Star CCM+. Este análisis computacional se ha utilizado para representar el efecto del cambio de los elementos constructivos en naves tipo túnel sobre los parámetros de confort en condiciones climáticas consideradas como de verano e invierno. Se ha validado la modelación numérica propuesta con datos experimentales para la velocidad y temperatura en una nave tipo túnel con fuente de calor constante. Con la información detallada de los factores ambientales que intervienen en el comportamiento productivo y fisiológico del animal, se establecieron valores de rango de confort para la velocidad, temperatura e índices de temperatura y velocidad. Para identificar los desequilibrios microclimáticos dentro de la granja, el código de la mecánica de fluidos computacional analiza las diferentes características del edificio que pueden influir a nivel del animal, realizando un análisis sobre cómo los diferentes autores han utilizado este tipo de herramientas computacionales para validar su credibilidad. Conociendo la diversidad de granjas analizadas con CFD, en el segundo capítulo se modeliza la nave túnel con diferentes elementos estructurales y flujo de calor de los animales en el suelo. Se analiza en este caso la distribución de velocidad, temperatura e índice de temperatura y velocidad, observándose el efecto que tiene a nivel del animal la diferente ubicación de los ventiladores y distribución de ventanas. Con este análisis previo y caracterización de la nave tipo túnel se valida en escala real una sección de una nave túnel particular, sita en el Laboratorio de Simulación Ambiental del ICTA, con dos flujos de velocidad constante, tres fuente de calor y distintas alturas de ventana, observándose entre lo medido y simulado un importante grado homogeneidad de los resultados de velocidad y temperatura, basándose en los errores cuadráticos medios cuando se comparan velocidades y temperaturas medidas y modeladas. Se comprueba así que las simulaciones virtuales con CFD se aproximan a la realidad y que permiten definir estrategias de ventilación para diferentes estaciones del año.El consum de carn de pollastre s'incrementa a nivell mundial. Particularment, en la criança intensiva s'incrementa la necessitat de tenir un ambient controlat per mantenir el confort tèrmic i l'eficiència productiva. Per això en la present tesi es realitza una anàlisi exploratòria dels factors ambientals que intervenen en el confort de les aus i l'ús de la Dinàmica de Fluids Computacional (CFD per les seves sigles en anglès) en granges. S'ha utilitzat per a això el codi comercial Star CCM+. Aquesta anàlisi computacional s'ha utilitzat per representar l'efecte del canvi dels elements constructius en naus tipus túnel sobre els paràmetres de confort en condicions climàtiques considerades com d'estiu i hivern. S'ha validat la modelació numèrica proposta amb dades experimentals per a la velocitat i temperatura en una nau tipus túnel amb font de calor constant. Amb la informació detallada dels factors ambientals que intervenen en el comportament productiu i fisiològic de l'animal, es van establir valors de rang de confort per a la velocitat, temperatura i índexs de temperatura i velocitat. Per identificar els desequilibris microclimàtics dins de la granja, el codi de la mecànica de fluids computacional analitza les diferents característiques de l'edifici que poden influir a nivell de l'animal, realitzant una anàlisi sobre com els diferents autors han utilitzat aquest tipus d'eines computacionals per validar la seva credibilitat. Coneixent la diversitat de granges analitzades amb CFD, en el segon capítol es modelitza la nau túnel amb diferents elements estructurals i flux de calor dels animals a terra. S'analitza en aquest cas la distribució de velocitat, temperatura i índex de temperatura i velocitat, observant l'efecte que té a nivell de l'animal la diferent ubicació dels ventiladors i distribució de finestres. Amb aquesta anàlisi previ i caracterització de la nau tipus túnel es valida en escala real una secció d'una nau túnel particular, situada al Laboratori de Simulació Ambiental de l'ICTA, amb dos fluxos de velocitat constant, 3 font de calor i diferents altures de finestra, observant entre el mesurat i la simulacio un important grau d¿homogeneïtat dels resultats de velocitat i temperatura, basant-se en els errors quadràtics mitjans quan es comparen velocitats i temperatures mesures i modelades. Es comprova així que les simulacions virtuals amb CFD s'aproximen a la realitat i que permeten definir estratègies de ventilació per a diferents estacions de l'any.Guerra Galdo, EH. (2017). Evaluación de alternativas en las instalaciones avícolas de pollos de carne para la mejora de las condiciones de confort de los animales [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86144TESISCompendi

OPTIMIZACIÓN DE DISEÑO DE GRANJAS AVÍCOLAS DE POLLOS

Tesis por compendio[EN] Intensive (broiler) poultry farming is a strategic sector for the economy and development of many countries and regions, including Spain and the Valencian Community region. Intensive production consists of keeping the animals in specific buildings (broiler buildings) under a controlled indoor microclimate. Two main options are found regarding the ventilation systems: production in broiler buildings with natural ventilation and production in broiler buildings with mechanical ventilation (commonly with negative depression by exhaust fans). Inadequate design is the main cause of thermal stress and the mortality of broilers. In this sense, one solution to decrease the broilers' heat stress and mortality consists of assisting in their biological thermoregulation by increasing the air velocity over them. In this PhD dissertation, the ventilation (ranges of the air velocity and its distribution, mainly at the level and plane where the broilers are located) in the main mechanical ventilation systems installed in the broiler buildings is characterised and analysed. Despite the magnitude of the current difficulties (broilers' thermal stress and mortality) and society's sensitivity regarding aspects of animal welfare, to date, the different mechanical ventilation systems in the different types of broiler building have not been characterised and analysed with scientific scrupulousness. In this PhD dissertation, the three most relevant types have been studied: cross, tunnel and single-sided. The methodological approach has been very similar in all the cases of study: some measurements by means a multi-sensor system (with our own original design and building) has been used for isotemporal recordings, the corresponding Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations have been carried out and finally these simulations have been validated. These validations were carried out by means of two statistical techniques: by means of linear regression techniques and by means of a study of the significance (in an analysis of the variance) for the method used (sensors or CFD) in each different proposed validation model. Having validated these CFD results, CFD techniques can safely be used to characterise and analyse the ventilation in all the indoor space of the broiler buildings (sensors only allow it to be characterised in their physical locations). The first case studied involves a broiler building which has a cross mechanical ventilation system (commonplace in Mediterranean climates) installed. The conclusions from this study show that this ventilation system is adequate for broiler rearing during nearly the whole year in mild climatic locations (e.g. Mediterranean climate). However, on certain days or in periods of heat (summer), it would not be adequate because it cannot reach high enough air velocity values to reduce the heat stress on the broilers. The second case studied is a broiler building with tunnel mechanical ventilation installed. The conclusions from this study show that it is less suitable than the first one analysed (cross mechanical ventilation) for broiler rearing over nearly the whole year in mild climatic locations. However, on certain days or in periods of heat (summer), it is very suitable because it can reach higher air velocity values to reduce the heat stress on the broilers. The third case studied is a broiler building with single-sided mechanical ventilation installed. The conclusions from this study show that this ventilation system is suitable for broiler rearing almost throughout the year in mild climatic locations. However, on certain days or in periods of heat (summer), it would be not adequate because it cannot reach high enough air velocity values to reduce the heat stress.[ES] La avicultura intensiva del pollo de carne (broiler) es un sector estratégico en la economía y desarrollo de muchos países y regiones, entre ellos España y la Comunidad Valenciana. La producción intensiva del broiler se da confinando al animal en edificios específicos (granjas de pollos) bajo un microclima interno controlado. Tiene dos variantes fundamentales en función de su sistema de ventilación: producción en granjas con ventilación natural y producción en granjas con ventilación mecánica (generalmente por depresión negativa mediante ventiladores de extracción). Un inadecuado diseño de la ventilación es la causa principal del estrés térmico y de la mortalidad de los pollos. En este sentido, una solución para disminuir el estrés térmico por calor y la mortalidad de los pollos es ayudar en su termorregulación biológica mediante un aumento de la velocidad del aire sobre ellos. En esta tesis doctoral, se ha caracterizado y analizado la ventilación (rangos de velocidad del aire y su distribución, especialmente al nivel de presencia del pollo) en los principales sistemas de ventilación mecánicos instalados en las granjas de pollos. Pese a la envergadura de la actual problemática (estrés térmico y mortalidad de los pollos) y la sensibilidad de la sociedad hacia los aspectos del bienestar animal, hasta la fecha no se han caracterizado y analizado con rigurosidad científica los diferentes sistemas de ventilación mecánicos en las diferentes tipologías de granjas de pollos. En esta tesis doctoral se han estudiado los tres más relevantes: cruzado, túnel y de pared única. El enfoque metodológico en todos los casos de estudio ha sido muy similar: se han realizado unas mediciones mediante un sistema multisensor de registro isotemporal (de diseño y fabricación propios), se han realizado las correspondientes simulaciones Computational Fluid Dynamics (CFD) y finalmente se han validado estas simulaciones. Estas validaciones se han llevado a cabo mediante dos técnicas estadísticas: mediante técnicas de regresión lineal y mediante el estudio de la significatividad (en un análisis de la varianza) de la metodología utilizada (sensores o CFD) en sendos modelos de validación propuestos. Una vez validadas estas simulaciones CFD, se tiene la seguridad de poder utilizarlas para caracterizar y analizar la ventilación en todo el espacio interior de las granjas (los sensores sólo permiten caracterizarla en las localizaciones físicas de los mismos). El primer caso de estudio es el de una granja que tiene instalado un sistema de ventilación mecánico cruzado (habitual en el clima Mediterráneo). Las conclusiones de este estudio demuestran que este sistema de ventilación es adecuado para la crianza del pollo para casi todo el año en localizaciones climáticas templadas (por ejemplo, el clima Mediterráneo). Sin embargo, en días o periodos de calor (verano), no será adecuado porque no se pueden alcanzar valores de velocidad del aire grandes que permiten disminuir el estrés por calor de los pollos. El segundo caso de estudio es el de una granja que instala el sistema de ventilación mecánico túnel. Las conclusiones de este estudio demuestran que es menos apropiado que el anterior (sistema de ventilación mecánico cruzado) para la crianza del pollo durante todo el año en localizaciones climáticas templadas. Sin embargo, en días o periodos de calor (verano), será muy adecuado porque se pueden alcanzar valores de velocidad del aire grandes que permiten disminuir el estrés por calor de los pollos. El tercer caso de estudio es el de una granja que instala el sistema de ventilación mecánico de pared única. Las conclusiones de este estudio demuestran que este sistema de ventilación es adecuado para la crianza del pollo para casi todo el año en localizaciones climáticas templadas. Sin embargo, en días o periodos de calor (verano), no será adecuado porque no se pueden alcanzar valores de ve[CA] L'avicultura intensiva del pollastre de carn (broiler) és un sector estratègic en l'economia i desenvolupament de molts països i regions, entre ells Espanya i la Comunitat Valenciana. La producció intensiva del broiler es dóna confinant a l'animal en edificis específics (granges de pollastres) sota un microclima intern controlat. Té dues variants fonamentals en funció del seu sistema de ventilació: producció en granges amb ventilació natural i producció en granges amb ventilació mecànica (generalment per depressió negativa mitjançant ventiladors d'extracció). Un inadequat disseny de la ventilació és la causa principal de l'estrés tèrmic i de la mortalitat dels pollastres. En aquest sentit, una solució per disminuir l'estrés tèrmic per calor i la mortalitat dels pollastres és ajudar en la seua termoregulació biològica mitjançant un augment de la velocitat damunt d'ells. En aquesta tesi doctoral, s'ha caracteritzat i analitzat la ventilació (rangs de velocitat de l'aire i la seua distribució, especialment al nivell de presència del pollastre) en els principals sistemes de ventilació mecànics instal·lats a les granges de pollastres. Malgrat l'envergadura de l'actual problemàtica (estrés tèrmic i mortalitat dels pollastres) i la sensibilitat de la societat envers els aspectes del benestar animal, fins aquesta data no s'han caracteritzat i analitzat amb rigor científic els diferents sistemes de ventilació mecànics a les diferents tipologies de granges de pollastres. En aquesta tesi doctoral han sigut estudiats els tres més rellevants: creuat, túnel i de paret única. L'enfocament metodològic en tots els casos d'estudi ha sigut molt similar: han sigut realitzats uns mesuraments mitjançat us sistema multisensor de registre isotemporal (de disseny i fabricació propis), han sigut realitzades les corresponents simulacions Computational Fluid Dynamics (CFD) i finalment han sigut validades aquestes simulacions. Aquestes validacions s'han dut a terme mitjançant dues tècniques estadístiques: mitjançant tècniques de regressió lineal i mitjançant l'estudi de la significativitat (en una anàlisi de la variància) de la metodologia utilitzada (sensors o CFD) en sengles models de validació proposats. Una vegada validades aquestes simulacions CFD, es té la seguretat de poder utilitzar-les per a caracteritzar i analitzar la ventilació en tot l'espai interior de les granges (els sensors només permeten caracteritzar-la en les localitzacions físiques dels mateixos). El primer cas d'estudi és el d'una granja que té instal·lat un sistema de ventilació mecànic creuat (habitual en el clima Mediterrani). Les conclusions d'aquest estudi demostren que aquest sistema és adequat per a la criança del pollastre durant quasi tot l'any en localitzacions climàtiques moderades (per exemple, el clima Mediterrani). Tanmateix, en dies o períodes de calor (estiu), no serà adequat perquè no es poden obtenir valors de velocitat de l'aire grans que permeten disminuir l'estrés per calor dels pollastres. El segon cas d'estudi és el d'una granja que instal·la el sistema de ventilació mecànic túnel. Les conclusions d'aquest estudi demostren que és menys adequat que l'anterior (sistema de ventilació mecànic creuat) per a la criança del pollastre durant tot l'any en localitzacions climàtiques moderades. Tanmateix, en dies o períodes de calor (estiu), serà molt adequat perquè es poden obtenir valors de velocitat de l'aire grans que permeten disminuir l'estrés per calor dels pollastres. El tercer cas d'estudi és el d'una granja que instal·la el sistema de ventilació mecànic de paret única. Les conclusions d'aquest estudi demostren que aquest sistema és adequat per a la criança del pollastre durant quasi tot l'any en localitzacions climàtiques moderades. Tanmateix, en dies o períodes de calor (estiu), no serà adequat perquè no es poden obtenir valors de velocitat de l'aire grans que permeBustamante García, E. (2015). OPTIMIZACIÓN DE DISEÑO DE GRANJAS AVÍCOLAS DE POLLOS [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/59450TESISCompendi

Housing Environment and Farm Animals' Well-Being

This reprint contains articles from the Special Issue of Animals “Housing Environment and Farm Animals' Well-Being”, including original research, review, and communication related to livestock and poultry environmental management, air quality control, emissions mitigation, and assessment of animal health and well-being