Spatial and temporal distribution of environmental and bedding variables in open Compost Barn in winter conditions in Brazil

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico No Brasil, atualmente é observado elevado crescimento do sistema de confinamento de bovinos leiteiros conhecido como Compost Barn (CB), porém há carência de informações e orientações detalhadas, relativas à aplicabilidade, funcionalidade e adequação de manejos às condições, tipologias construtivas e situação climática do país. Deste modo, objetivou-se com o presente estudo avaliar e caracterizar dependência e distribuição espacial de variáveis térmico- ambientais e da cama em relação a área interna de um sistema Compost Barn aberto semiclimatizado via ventilação por pressão positiva (CBAVP). O estudo foi conduzido durante o período de inverno, em uma instalação comercial para bovinos de leite em produção, em sistema CBAVP localizado na região da Zona da Mata, no Estado de Minas Gerais, maior produtor de leite do país. Foram levantados os principais aspectos que tangem o uso de sistemas CB no Brasil, abordando surgimento, conceito, tipologia construtiva, materiais e manejos aplicados a cama, acondicionamento térmico e avaliação do ambiente neste tipo de instalação para as especificações climáticas do país. Com base nos aspectos levantados, o estudo foi conduzido em nível de campo, sendo avaliados distribuição espacial e temporal das condições térmico-ambientais e da cama, por meio do uso de técnicas de estatística descritiva e geoestatística. Verificou-se que, na maioria dos dias, os valores médios de temperatura de bulbo seco do ar (t bs ) no interior da instalação mantiveram-se dentro da faixa de conforto térmico para bovinos leiteiros em lactação (4,0 ≤ t bs < 24,0 °C), enquanto a umidade relativa do ar (UR) esteve acima da faixa preconizada como adequada (30,0 ≤ UR < 75,0%). Porém, os resultados de Índice de Temperatura e Umidade (ITU) e da Entalpia Específica do Ar (H) indicaram condições adequadas de conforto térmico ao longo de todo o dia. Por meio de técnicas de geoestatística, verificou-se ocorrência de dependência espacial forte para todas as variáveis e índices avaliados, viabilizando aplicar técnicas de interpolação por krigagem e gerar mapas de distribuição espacial. A partir dos mapas gerados, foi possível observar que as variáveis e índices do ambiente térmico (t bs , UR, ITU e H) apresentavam variabilidade espacial, mas em níveis dentro da faixa de conforto térmico para bovinos leiteiros. Os níveis mais elevados de t bs , ITU e H foram registrados no período tarde, na face Noroeste da instalação (t bs = 23,2 °C, ITU = 69,7 e H = 50,9 kJ∙kg de ar seco –1 ), que recebia incidência de radiação solar direta. Para velocidade do ar na altura de 1,5 m (v ar,M ) e velocidade do ar ao nível da cama (v ar,C ), foi verificada ocorrência de distribuições não uniformes, com magnitudes abaixo do recomendado pela literatura (1,8 m∙s –1 ). Em relação a qualidade da cama, as variáveis temperatura da cama na superfície (t C-sup ), temperatura da cama na profundidade de 0,2 m (t C-20 ), umidade da cama na superfície (U C-sup ) e umidade da cama na profundidade de 0,2 m (U C-20 ) apresentaram elevada variabilidade espacial ao longo da área de cama, ao passo os atributos pH da cama na superfície (pH C-sup ) e pH da cama na profundidade de 0,2 m (pH C-20 ) tiveram baixa variação (8,2–9,7). Na camada superficial, a temperatura da cama foi inferior a 20,0 °C (14,1 a 19,6 °C), indício de que estava confortável para que os animais permanecessem deitados, mas os níveis de U C-sup registrados na região próxima ao corredor de alimentação foram superiores a 60,0%, condição que pode ter gerado problemas de sanidade e qualidade do leite. A 0,2 m, foram observados níveis de t C-20 predominantemente abaixo de 40,0 °C (87,0% da área) e de U C-20 acima de 60,0% (49,0% da área) em alguns locais (regiões periféricas e próximo ao corredor de alimentação), indícios de que o processo de decomposição do material de cama estava ocorrendo de forma lenta, conforme retratado pelos elevados valores de pH C-sup e pH C-20 ( > 9,0). De modo geral, conclui-se que o sistema CBAVP possui potencial de uso para condições climáticas brasileiras. Contudo, é necessário adequar o sistema de ventilação e o manejo da cama, para possibilitar a manutenção das variáveis térmico-ambientais e de qualidade da cama dentro da faixa recomendada para este tipo de instalação. Palavras-chave: Bovinos de leite. Conforto térmico. Geoestatística. Sistemas de confinamento. Ventilação. In Brazil, there is currently a high growth of the confinement system of dairy cattle known as Compost Barn (CB), but there is a lack of detailed information and guidance, regarding the applicability, functionality, and adequacy of management to the conditions, constructive typologies, and climatic situation of the country. Thus, the objective of the present study was to evaluate and characterize the dependence and spatial distribution of thermal-environmental and bed variables in relation to the internal area of a facility for confinement of dairy cattle in production, in an open Compost Barn system semi-climatized by positive pressure ventilation (CBAVP). The study was conducted during the winter period, in a commercial facility for dairy cattle in production, in a CBAVP system located in the Zona da Mata region, in the State of Minas Gerais, the largest milk producer in the country. The main aspects regarding the use of CB systems in Brazil were raised, addressing the emergence, concept, constructive typology, materials, and management applied to the bed, thermal conditioning, and environmental assessment in this type of installation for the country's climatic specifications. Based on the aspects raised, the study was conducted at the field level, being evaluated dependence and spatial and temporal distribution of thermal-environmental conditions and bedding, using descriptive statistics and geostatistics techniques. It was found that, on most days, the average values of dry-bulb temperature (t bs ) inside the facility remained within the thermal comfort range for lactating dairy cattle (4.0 ≤ t bs < 24.0 °C), while the relative humidity (UR) was above the recommended range as adequate (30.0 ≤ UR < 75.0%). However, the results of Temperature and Humidity Index (ITU) and Specific Enthalpy of Air (H) indicated adequate conditions of thermal comfort throughout the day. Using geostatistical techniques, strong spatial dependence was observed for all variables and indices evaluated, making it possible to apply kriging interpolation techniques and generate maps of spatial distribution. From the generated maps, it was possible to observe that the variables and indices of the thermal environment (t bs , UR, ITU and H) presented spatial variability, but at levels within the range of thermal comfort for dairy cattle. For air speed at a height of 1.5 m (v ar,M ) and air speed at bed level (v ar,C ), non-uniform distributions were observed, with magnitudes below the recommended by the literature (1.8 m∙s –1 ). Regarding bed quality, the variables bed surface temperature (t C-sup ), bed temperature at a depth of 0.2 m (t C-20 ), bed surface moisture (U C-sup ) and bed moisture at a depth of 0.2 m (U C- 20 ) showed high spatial variability along the bedding area, while the bed surface pH (pH C-sup ) and bed pH at a depth of 0.2 m (pH C-20 ) had low variation (8.2–9.7). In the surface layer, the bed temperature was below 20.0 °C (14.1 to 19.6 °C), an indication that it was comfortable for the animals to remain lying down, but the U C-sup levels recorded in the region close to the feeding aisle were higher than 60.0%, condition that may have generated problems with the herd’s health and the milk’s quality. At 0.2 m, t C-20 levels were observed predominantly below 40.0 °C (87.0% of the area) and U C-20 levels above 60.0% (49.0% of the area) in some regions (peripheral regions and close to the feed alley). These results indicates that the process of decomposition of the bed material was occurring slowly, as shown by the high values of pH C-sup and pH C-20 ( > 9.0). In general, it is concluded that the CBAVP system has potential for use in Brazilian climatic conditions. However, it is necessary to adapt the ventilation system and the management of the bed, to allow the maintenance of the thermal-environmental variables and the quality of the bed within the recommended range for this type of installation. Keywords: Dairy cattle. Thermal comfort. Geostatistics. Confinement systems. Ventilation.