el diseño de las instalaciones de pollos de carne y su...

El diseño de las instalaciones de pollos de carne ysu influencia en las condiciones de confort de los animales

E. Guerra-Galdo1,2,*, S. Calvet1, A. López3 y F. Estellés1

1 Instituto de Ciencia y Tecnología Animal, Universitat Politècnica de València. Camino de Vera s/n. 460222 Facultad de Agronomía y Zootecnia, Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco, Av. de La

Cultura 733, P.B. 921, Cusco, Perú3 Departamento de Ingeniería Hidráulica y Medio Ambiente, Universitat Politècnica de València.

Camino de Vera s/n. 46022

Resumen

Las condiciones de confort de los pollos de engorde son determinantes en su crecimiento. Estas condi-ciones vienen determinadas por los parámetros microclimáticos de su envolvente como la temperatura,la humedad relativa y la velocidad del aire. Este artículo revisa los efectos de estos parámetros am-bientales y su interacción, así como el estado del arte en la aplicación de modelos de Dinámica de Flui-dos Computacional (CFD), en el diseño de instalaciones avícolas de carne, con el fin de establecer las prin-cipales líneas de investigación en este ámbito. Las instalaciones para la cría de estos animales debenproporcionar condiciones ambientales óptimas para evitar el estrés térmico en los pollos y lograr los má-ximos rendimientos productivos. A través del diseño y manejo de las instalaciones avícolas se puedenmodificar las condiciones en el interior de las mismas, alcanzando así los óptimos para la producción depollos de engorde. Para entender y mejorar los sistemas de acondicionamiento de ambientes avícolas,se aplican herramientas como CFD, que permite evaluar diferentes soluciones constructivas y de manejode la climatización reduciendo el número de pruebas experimentales, de forma que es posible perfec-cionar las instalaciones en lo referente al comportamiento de flujos aire, temperatura y humedad.

Palabras clave: Velocidad de aire, humedad relativa, temperatura, dinámica de fluidos computacional,pollos.

AbstractEvaluation of alternatives in broilers house for improving the comfort of animals

Broiler chicken performance is highly affected by environmental conditions inside the barn. The mainparameters that must be considered in terms of thermic confort are temperature, relative humidity andair velocity. This article reviews the effects of these parameters and their interactions on broiler pro-duction and describes the state-of-knowledge of Computational Fluid Dynamics (CFD) used in the de-sign of broiler houses, in order to establish priority research areas in this scope. The design and opera-tion of boriler farms must ensure optimal conditions to avoid heat stress and allow the animals to expresstheir genetic potential. It is well known that the design and management of broiler barns has a clearimpact on the environmental conditions occuring inside the building. The use of CFD has been widelyused to understand and improve these design and operation parameters in livestock buildings. Com-

Guerra-Galdo et al. ITEA (2016), Vol. 112 (4), 405-420 405

* Autor para correspondencia: [email protected]

https://doi.org/10.12706/itea.2016.025

406 Guerra-Galdo et al. ITEA (2016), Vol. 112 (4), 405-420

Introducción

La selección genética para incrementar el rit -mo de crecimiento de los pollos de engordeha permitido aumentar el desarrollo muscu-lar y así obtener animales más precoces, máseficientes en conversión alimenticia y con ma -yor rendimiento en canal. Sin embargo, estaselección ha afectado también a otras fun-ciones biológicas como los sistemas diges-tivo, nervioso, cardiovascular, tegumentario einmunológico (Collins et al., 2014). Estos cam-bios han llevado a que los animales presen-ten una mayor sensibilidad a las condicionesambientales, siendo menos capaces de adap-tarse cuando están expuestos a temperaturasfuera de los rangos óptimos (Li et al., 2011).

Sin embargo, las condiciones meteorológicasson cambiantes durante el día y a lo largo delaño, con un comportamiento inestable e im-predecible a medio plazo. Por ello, en las na-ves avícolas se necesita controlar cada vez conmás precisión las condiciones ambientales paramantener una producción elevada y de alta ca-lidad durante todo el año. Estas naves avícolas,generalmente de planta rectangular, se dife-rencian entre ellas por su geometría, la ubica-ción y potencia de los ventiladores así como enla distribución, forma y tamaño de las ventanaso entradas de aire, afectando a la direccióne intensidad del flujo del aire, además de lahomogeneidad de la temperatura a nivel delanimal. Además, los materiales constructivosdeterminan el intercambio térmico por con-ducción entre el interior y el exterior de lanave. La configuración de la nave en cuantoa altura, anchura, longitud tiene gran impor -

tancia en el comportamiento termodinámicodel edificio y debe dar respuesta a diferentescambios meteorológicos en la envolventepara minimizar las pérdidas de calor en épo-cas frías y las ganancias de calor en épocas ca-lurosas, permitiendo alcanzar en ambas si-tuaciones, condiciones óptimas para la cría delos pollos.

Los factores ambientales como la tempera-tura, la humedad y la velocidad del aire de-ben ser estrictamente controlados en las gran-jas de pollos de engorde, y eso sólo puedeconseguirse a través de un adecuado diseñode las instalaciones. La modelización de estosespacios permite precisamente conocer enprofundidad el comportamiento del aire en elentorno de los animales. La aplicación de ladinámica de fluidos computacional (CFD; porsus siglas en inglés, Computational Fluid Dy -namics) es, junto con los modelos físicos, unade las técnicas más potentes para representareste movimiento y la evolución térmica delaire. Además, el uso de CFD permite optimi-zar el diseño de naves avícolas considerandodiferentes escenarios, mediante la investiga-ción del comportamiento de parámeros comola distribución de la velocidad y temperaturade aire, prediciendo así el intercambio de ca-lor entre animales y su entorno.

A la luz de las referencias consultadas que in-dican las tendencias más actuales en la mode-lación de los espacios utilizados en la cría depollos de carne, el objetivo de este trabajo esrevisar el estado del arte de la aplicación de laCFD en el diseño de las instalaciones, centrán-dose en la investigación sobre la modelaciónde los parámetros que determinan el confort

putational Fluid Dynamics analyzes mass and heat flows inside the building, and the distribution of tem-perature, relative humidity and air velocity at animal level can be predicted. Therefore, this tool allowstesting different solutions prior to their construction reducing thus the number of experimental pro-cedures needed.

Key words: Air velocity, relative humidity, temperature, computational fluid dynamics, broilers.

de estas aves. Para ello, en primer lugar se re-aliza un análisis descriptivo exploratorio delefecto de las condiciones ambientales como latemperatura, humedad y velocidad de aire,así como su interacción, en la respuesta pro-ductiva de los pollos de engorde.

Material y métodos

Se realizó una revisión de estudios científicosdedicados a evaluar los factores ambientalesque intervienen en el confort de pollos decarne, así como al uso de la CFD en el análi-sis del diseño de naves avícolas.

La información analizada se estructuró endos apartados: El primero de ellos está dedi-cado a los factores ambientales (tempera-tura, velocidad y humedad) que afectan en elconfort de pollos de carne y sus efectos en losparámetros productivos. El segundo apar-tado se centra en evaluar los diseños de ins-talaciones avícolas usando la dinámica defluidos computacional buscando mejorar elconfort térmico.

Resultados y discusión

Efecto de los factores ambientales enel confort de pollos de carne

El Confort térmico en Aves

Las aves son animales homeotermos, capacesde mantener su temperatura corporal dentrode un estrecho rango de temperatura am-biental, a través del intercambio de calor conel entorno (Mostafa et al., 2012). Esta capa-cidad termorreguladora se desarrolla com-pletamente a partir de los 12 a 15 días deedad. La zona de confort o termoneutra, quese define como el rango de temperaturas am -bientales en el que se consigue regular la tem-

peratura únicamente a través de la transmi-sión de calor sensible (Bligh y Johnson, 1973).En las aves la zona de confort varía de acuer -do a su constitución genética, edad, sexo,tamaño corporal, dieta, estado fisiológico,humedad, radiación y velocidad de aire (Me-deiros et al., 2005a, Lin et al., 2005).

En la zona de confort, la tasa metabólica esmínima y la homeotermia se mantiene conmenos gasto de energía; por lo tanto la frac-ción de energía metabolizable utilizada parala termogénesis es mínimo y el aprovecha-miento de la energía ingerida para el creci-miento es máxima (Cordeiro et al., 2010).

Para mantener la temperatura corporal den-tro de los límites de la zona de confort, losanimales utilizan las diferentes vías de inter-cambio de calor con el medio: calor latente através de la respiración y calor sensible me-diante la transmisión de calor por radiación,conducción y convección. Así, hay tres pará-meros ambientales clave que van a jugar unpapel determinante en estos procesos de in-tercambio de calor: la temperatura, la velo-cidad del aire y la humedad del aire.

Temperatura

Como ya se ha comentado anteriormente, lacapacidad termorreguladora de un pollitojoven no está bien desarrollada y durantelos primeros días de vida requieren de tem-peraturas ambientales elevadas (entre 30 y33 ºC) para mantener su temperatura corpo-ral (Oviedo-Rondón, 2014) y evitar pérdidasde calor sensible por convección (al aire) ypor conducción (a la cama), que puedencuantificarse en 0,5 kcal/hr/kg (Reece y Lott1982). Debido al reducido tamaño del pollitojoven, la superficie de contacto entre el ani-mal y la cama es escaso (Mount, 1968), aun-que depende de la postura del animal (Blan -co 2004 a, b). En este sentido, se recomiendaque los materiales utilizados como cama ten-gan una baja conductividad térmica, con el


fin de reducir las pérdidas de calor por con-ducción con el suelo. Con el desarrollo del po-llo, y la posterior maduración del sistema ter-morregulador y el aumento de la reservaenergética, la temperatura óptima para lospollos va descendiendo paulatinamentedesde los 24ºC a las 4 semanas hasta los 18ºCa las 6 semanas (Olanrewaju et al., 2010).Conel desarrollo del pollo, y la posterior madu-ración del sistema termorregulador y el au-mento de la reserva energética, la tempera-tura óptima para los pollos va descendiendopaulatinamente desde los 24ºC a las 4 sema-nas hasta los 18ºC a las 6 semanas (Olanre-waju et al., 2010). Así, con 4 semanas de edadlos pollos requieren entre 21 y 23ºC (Furlan,2006; Abreu y Abreu, 2011), sobre 21º con 5semanas (Chepete et al., 2004), reduciéndosehasta los 20-22ºC en la sexta semana (Furlan,2006; Abreu y Abreu, 2011).

Cuando los animales se encuentran fuera deesta zona termoneutra se produce una mo-vilización de recursos para alcanzar la ho-meostasis, de tal forma que una parte de laenergía consumida en alimentación, que po-dría ser utilizado para la producción, se des-vía para el mantenimiento de sistema ter-morregulador (Teeter y Smith, 1986). A pesarde esta capacidad, cuando se alcanzan de-terminados extremos la capacidad de adap-tación se reduce. Así, los recursos que tienenlas aves para el intercambio térmico con am-biente son menores a medida que aumentala temperatura ambiente, lo que puede pro-ducir un estrés severo en los animales (Mic-kelberry et al., 1966). Por otro lado, cuandolas temperaturas se encuentran por debajode la zona de confort, se pueden desenca-denar cuadros de hipotermia (Ipek y Sahan,2006). La respuesta de las aves frente a con-diciones subóptimas de temperatura puedecategorizarse en tres grandes grupos: fisio-lógicas, comportamentales y productivas.

a. Respuestas Fisiológicas

Cuando las temperaturas se encuentran porencima de los requerimientos de los anima-les, éstos incrementan su tasa respiratoria, ja-deando para facilitar la eliminación de calorlatente, lo que puede llevar a producir alka-losis respiratoria en un esfuerzo por disipar elcalor por evaporación (Olanrewaju et al.,2010). También se ha observado vasodilata-ción a nivel cutáneo, incremento ritmo car-díaco y aumento del flujo sanguíneo para au-mentar la disipación del calor sensible desdeel cuerpo al ambiente. Esto provoca que elave sometida a un estrés por calor no sólo seamás liviana sino que también tenga másgrasa total y abdominal [aumentadas en un0,8 y 1,6% respectivamente, por cada gradode incremento de la temperatura ambientalsegún Estrada y Márquez (2005)]. Por otrolado, en animales jóvenes también se han ob -servado efectos negativos del exceso de tem-peratura ambiental, provocando deshidrata-ción (Estrada-Pareja et al., 2007), disminucióndel peso del corazón y reducción de hemato -critos y del plasma triiodothyronina (T3) (Mo-raes et al., 2002).

b. Respuestas comportamentales

Los pollos presentan mayores problemas contemperaturas ambientales altas y empiezana manifestar cambios reduciendo su actividadfísica, intentando alejarse del resto de ani-males (Temin et al., 2000). La refrigeraciónpor evaporación (jadeo) se complementa conel aleteo gular, se bañan en la cama o buscanzonas más húmedas bajo los bebederos (au-mentando así el riesgo de pododermatitis ylesiones en pechugas), extienden sus extre-midades (alas y patas), permanecen echados,escarban para perder calor por conducción yconvección aumentando el consumo de agua(Estrada y Márquez, 2005).


c. Respuestas productivas

Este tipo de respuestas, con un efecto direc -to sobre los parámetros productivos se en-cuentran muy relacionadas con las descritasanteriormente, pero dado el interés comer-cial de las mismas, resulta interesante eva-luarlas de forma independiente. Así, a nivelexperimental Oviedo-Rondón (2014) observó,en pollos de engorde de 7 días de edad, queal reducirse la temperatura ambiental de35ºC a 20ºC, hubo un incremento de 9 vecesen la pérdida de calor corporal por radia-ción, lo que causó además que estos anima-les criados a 20ºC presentaran una reducciónde su peso corporal del 15,5% respecto a losanimales criados a 35ºC. Por el contrario, Mo-raes et al. (2002) observaron en pollos de 7días de vida expuestos a 36ºC, que éstos dis-minuyeron la ganancia de peso, reduciendola ingestión de alimento y eficiencia alimen-ticia con respecto a los pollos expuestos a20ºC y 25ºC. En otro experimento con pollosde engorde de seis semanas, Estrada-Parejaet al. (2007) obtuvieron mayor peso corporaly conversión alimenticia con temperaturasde 19ºC frente a temperaturas de 25 y 31ºC.Sin embargo, para la ganancia de peso diariano hubo una diferencia entre aquellas avessometidas a temperaturas de 19 y 25ºC perosí que encontraron una reducción (7,47%;P<0,05) para el tratamiento de 31ºC con res-pecto a las demás.

Humedad Relativa (HR)

La humedad relativa del aire afecta a la sen-sación térmica de los pollos a través de la ca-pacidad de intercambio de calor latente conel ambiente. Así, con valores por encima del70% de HR los pollos tienen dificultades paradisipar calor latente. Por el contrario, conhumedades relativas por debajo del 35%, sepueden presentar problemas en las vías res-piratorias (Genç y Portier, 2005). Si coinciden

una temperatura y humedad relativa eleva-das los animales se quedan sin recursos paradisipar todo el calor que producen. Por unaparte, a temperaturas elevadas la capacidadde disipar el calor sensible por convección sereduce, mientras que por otra parte el incre-mento del ritmo respiratorio para aumentarla evaporación de agua es menos eficaz paraeliminar el calor corporal. Estas condicionesde temperatura y humedad elevadas conlle-van un incremento de la temperatura cor-poral y, en definitiva, los animales salen de suzona de confort térmico, produciéndose unestrés que lleva a alteraciones comporta-mentales y fisiológicas. Paralelamente, conhumedades relativas elevadas (superiores al75%) pueden producirse otros problemas demanejo tales como la aparición de conden-saciones y la presencia de camas húmedas(Medeiros et al., 2005a).

Genç y Portier (2005) registraron una reduc-ción de un 47% de la producción de calor la-tente por parte de pollos de engorde aloja-dos a 25ºC cuando la humedad relativaaumentó desde un 50 hasta un 86%. En po-llos adultos, con 42 días de edad, observaronmayor incremento de la temperatura cloacaly mayor mortalidad con temperatura de 35ºCy humedad relativa de 20 a 30%, en compa-ración con pollos de 5 a 7 días de edad some -tidos a 70-80% HR y la misma temperatura(Yahav y Hurwitz, 1996).

De acuerdo con Mazanowski (2011), el rangode humedades relativas óptimo para la cría depollos de carne debería encontrarse entre el60 y el 65%, siendo los límites mínimos y má-ximos de 55 y 70%, respectivamente. SegúnMedeiros et al. (2005a), la humedad relativaideal para el crecimiento de los pollos de en-gorde debe encontrarse entre el 50 y el 70%.En cualquier caso, como se ha comentado an-teriormente, la estrecha relación con la tem-peratura ambiental hace complicado estable-cer unos límites estrictos para este parámetro.


Velocidad de aire

La velocidad de aire tiene un efecto directosobre la transmisión de calor sensible porconvección en las aves. Un incremento en lavelocidad de aire, facilita la eliminación decalor sensible de los animales, suponiendouna estrategia para reducir el estrés térmicoen estos animales cuando las temperaturasson elevadas (Estrada-Pareja et al., 2007; Ya-hav et al., 2004). Así, según Simmons et al.(1997), con una temperatura de 29ºC y velo-cidades de aire incrementando desde 1,01 a3,05 m/s, para pollos de quinta semana, lapérdida de calor sensible se incrementó de1,19 a 2,09 W/kg, mientras que la pérdida decalor latente disminuyó desde 2,89 a 2,09W/kg. En este mismo experimento se observóen la sexta semana de edad que la pérdida decalor sensible fue incrementando desde 1,30a 2,33 W/kg y disminuyó la pérdida de calorlatente de 2,59 a 2,30 W/kg.

Los efectos de esta mayor capacidad paraeliminar calor con velocidades de aire eleva-das se traducen, dentro de ciertos rangos, enmejores resultados productivos. De estemodo, Lott et al. (1998), observaron que lospollos de engorde con tres semanas de edadalcanzaron pesos corporales más altos con ve-locidades de aire de 3,0 m/s y temperaturasde 29 a 30ºC, frente a los expuestos a 0,25 ó2 m/s. También Dozier et al. (2006), reporta-ron un incremento en el crecimiento de po-llos de engorde, entre los 29 y los 42 días deedad con altas temperaturas de ciclo diurno(25-35-25ºC) durante 24 horas, con mayoresvelocidades de aire (3,0 m/s) en comparacióncon las aves sometidas a una velocidad delaire de 2,0 m/s. Este efecto beneficioso de lavelocidad de aire con altas temperaturas seha observado también con valores de veloci-dad de aire más bajos. Así Yahav et al. (2001)también observaron una mayor ganancia depeso, consumo de alimento, y eficiencia ali-menticia con velocidades de aire entre 1,5 y2,0 m/s en pollos de quinta y séptima semana

con temperatura de 35ºC y 60% HR en com-paración con pollos expuestos a velocidadesde aire de 0,5 y 1,0 m/s. También Olsen (2012)y Lott et al. (1998), observaron en pollos de4 a 6 semanas de edad mejor ganancia depeso y conversión alimenticia con velocidadesde aire de 2 m/s en comparación con los ex-puestos a 0,25 m/s. Por tanto, si no es posiblereducir la temperatura hasta el rango óp-timo, en pollos al final del ciclo de cría es po-sible paliar los efectos adversos mediante elincremento de la velocidad a nivel del ani-mal, hasta un rango de 2-3 m/s.

Índices de Temperatura, Velocidady Humedad

Dada la fuerte relación existente entre estostres parámetros desde el punto de vista de laregulación térmica de las aves, y con el obje-tivo de facilitar la toma de decisiones engranja, se han propuesto una serie de índicesque combinan estos parámetros. Algunosejemplos de estos índices son: el índice detemperatura y humedad (ITH) desarrolladopor Thom (1959) para humanos, y actualizadoposteriormente por varios autores para otrasespecies animales (Tao y Xin, 2003; Teixeira daSilva, 2007), el índice de temperatura de globonegro y húmedo (ITGNH) desarrollado porBuffington et al. (1981) y modificado por va-rios autores (Medeiros et al., 2005b, Oliveira etal., 2006), el índice de temperatura, hume-dad y velocidad (ITHV) desarrollado por Tao yXin (2003), o el Índice Ambiental de Producti-vidad desarrollado por Medeiros (2005).

El ITH es probablemente el índice más utili-zado por diversos autores (Purswell et al.,2012) dado que la temperatura y humedadson parámetros de fácil medición. Además, elITH se ha correlacionado con diversos pará-metros productivos en la cría de pollos de en-gorde. Así, se ha visto que en pollos de en-gorde entre 49 y 63 días el consumo depienso y el peso final disminuyen con el au-mento del ITH, mientras que el índice de con-


versión se incrementa (Purswell et al., 2012).Aunque existen varias propuestas para el cál-culo del ITH en aves, la ecuación propuestapor Tao y Xin (2003) es probablemente lamás utilizada (ecuación 1)

ITH = 0,85 Tbs + 0,15 Tbh [1]

Donde Tbs y Tbh son las temperaturas delbulbo seco y bulbo húmedo (punto de rocío),respectivamente, y todas las variables se ex-presan en ºC.

Dada la importancia que tiene la velocidaddel aire en el confort de los animales, re-sulta también interesante conocer el efectocombinado entre temperatura, humedad re-lativa y velocidad de aire. Con este objetivo,Tao y Xin (2003) desarrollaron el ITHV paradescribir la respuesta de la temperatura cor-poral a las condiciones de temperatura debulbo seco, temperatura de punto de rocío yla velocidad del aire. Mediante estos pará-metros consideraron la variación de tempe-ratura corporal de las aves como normal(35ºC), alerta (38ºC), peligro (40ºC) o emer-gencia (mayor de 40ºC), si bien existe un me-nor número de estudios evaluando su apli-cación práctica (Blanes-Vidal et al., 2008;Yanagi et al., 2014). La mayor dificultad en lamedida de la velocidad del aire en condicio-nes prácticas, así como su variación espacial,pueden ser factores que dificultan su usopráctico. No obstante, el desarrollo de la tec-nología de los sensores, así como la aplica-ción de técnicas de modelización como la di-námica de fluidos computacional, puedenpermitir su aplicación y estudio en la práctica.

Estos índices, por tanto permiten considerarde forma conjunta los efectos combinadosde las distintas variables que afectan al con-fort de los animales, y en definitiva a su pro-ductividad. Así pues, su estimación en el pro-ceso de diseño de los alojamientos puederesultar una herramienta muy útil para opti-mizar el comportamiento de los alojamientosganaderos frente al amplio rango de situa-ciones ambientales que puedan darse.

El uso de CFD en el diseño y evaluaciónde alojamientos

Efecto del diseño de la nave en el aireambiente interior

La geometría de una nave avícola tiene granimportancia en el comportamiento térmicodel edificio y sobre los flujos de ventilación.La configuración de la nave debe dar res-pues ta a diferentes situaciones meteorológi-cas para minimizar las pérdidas de calor enépocas frías y las ganancias de calor en épo-cas calurosas, favoreciendo al mismo tiempouna adecuada ventilación. Tradicionalmentese han utilizado geometrías rectangularesvariando la ubicación de los ventiladores yventanas que influyen en la dirección delflujo del aire y los parámetros de confort(Seo et al., 2009, Mostafa et al., 2012, Busta-mante et al., 2013, Osorio et al., 2013).

La ubicación y capacidad de los ventiladoresvarían dependiendo del caudal de aire que sedesea suministrar, de las condiciones am-bientales, del sistema de ventilación y de ladistribución relativa de las ventanas. La ubi-cación, dimensión y altura de las ventanas in-fluye en la trayectoria del aire y la homoge-neidad de la temperatura (Bustamante et al.,2013; Guerra-Galdo et al., 2015). Así, es po-sible alcanzar condiciones de temperaturaen las naves mucho más homogéneas a tra-vés de la modificación de las entradas de aireen la misma (Mostafa et al., 2012), redun-dando así en una mejora de las condicionesde cría para los animales.

La necesidad de tener un conocimiento com-pleto de la temperatura, humedad y veloci-dad del aire en todos los puntos del interiorde la granja es la principal razón por lo que laaplicación de diferentes herramientas com-putacionales es muy adecuada para realizarmodelos de este movimiento del aire. Así-mismo, es una potente herramienta de apoyoen la toma de decisiones para los diseñado-


res e investigadores con el fin de mejorar laconfiguración de las naves avícolas conside-rando la simetría y proporción de dichas na-ves, así como la posición óptima de ventila-dores y ventanas.

Las aplicaciones de CFD en granja

El CFD permite profundizar en los estudios detransferencia de calor y masa, perfeccionar,mejorar y optimizar los diseños actuales delos sistemas estándar de control ambiental engranjas, buscando mejorar el confort de losanimales. Para ello, se basa en el análisis delmovimiento de gases y partículas contami-nantes en el interior de las naves, evaluandola velocidad del aire y la energía turbulenta,la temperatura y humedad.

La simulación CFD puede analizar cualquierestructura diversa con bajo costo comparadocon el campo experimental. Esta técnica re-sulta de gran utilidad para evaluar diferentesdiseños, actividad que no se puede realizar almomento de realizar la medición directa de lavelocidad del aire porque tiene tres inconve-nientes principales: (1) el número de puntosque se puede medir es limitado, lo que difi-culta la obtención de un conocimiento ex-haustivo de los patrones de la velocidad delaire en interiores; (2) la medición directa re-quiere un agente de medición, que interfiereinevitablemente con la velocidad del aire ypor lo tanto, distorsiona la salida de medición;y (3) las mediciones de campo requieren laexistencia de una construcción. Como resul-tado de estas limitaciones, el número de cons-trucciones que pueden ser estudiadas por me-dición directa es restringido y las conclusionesobtenidas a partir de dichos estudios no pue-den ser consideradas universalmente repre-sentativas. La CFD evita estos inconvenientesmediante el cálculo del campo de flujo nu-mérico y simulación de los patrones de velo-cidad del aire (Blanes-Vidal et al., 2008). Sinembargo, con el fin de reforzar la credibilidadde los resultados, todavía es importante vali-

dar las simulaciones CFD mediante el uso deherramientas de medición directa (Lee et al.,2007, Harral y Boon, 1997).

Modelo turbulento

El CFD facilita el estudio de los campos esca-lares y vectoriales presentes en el microclimade las instalaciones de naves avícolas conventilación natural y mecánica.

Las ecuaciones que se resuelven son las propiasde la mecánica del flujo de aire: ecuación decontinuidad y de conservación de cantidad demovimiento o Navier Stokes. Sin embargo, laconsideración del movimiento del aire con-lleva una representación de un fenómenocomplejo como es la turbulencia. La turbulen -cia aparece porque de forma instantánea lascomponentes de velocidad del aire se acele-ran, apareciendo componentes pulsátiles que,sumadas a los valores medios de la velocidad,deben ser estimadas para conocer el flujo realdel aire. Sin embargo, la consideración de laturbulencia de forma directa es compleja, in-cluso para los potentes modelos numéricosde los que se dispone en la actualidad, por loque se proponen ciertas simplificaciones paraanalizar esta turbulencia. Los modelos de tur-bulencia usados para flujos con alto númerode Reynolds son los llamados los modelos desimulación de grandes vórtices (LES) que exi-gen mucho tiempo para resolución y por lotanto, son raramente usados, a no ser que serequiera de una mayor precisión. Entre losmodelos más usados se encuentran los deno-minados Reynolds Averaged Navier-Stokesequation (RANS) que requieren menos tiempode computación y dentro de éstos tenemos losmodelos k-ε siendo el más usado, el Standardk-ε, para simulación aerodinámica y de trans-ferencia de calor. A partir de modificacionesde este modelo Standard k-ε, y debido a suconvergencia favorable y precisión razonable,en sistemas de ventilación natural y mecánicasurgen el RNG k-ε y el Realizable k-ε (Osorio etal., 2013; Bartzanas et al., 2004). Este último ha


demostrando mayor predicción de flujos conrespecto al Standard k-ε. Por el contrario, elReynolds Stress Model (RSM) es el más utili-zado para la simulación de procesos de flujoturbulento comparado con el modelo k-εpero requiere memoria adicional y tiempo decálculo por el mayor número de las ecuacio-nes de transporte de Reynolds stress (Blanes-Vidal et al., 2008, Seo et al., 2009, Lee et al.,2007, Guerra-Galdo et al., 2015). En los mo-delos de movimiento de aire en granjas, lastécnicas CFD que se han utilizado general-mente han sido RANS, con un compromisoadecuado entre tiempo de computación yprecisión en los resultados.

Estudios de CFD en el estudiode naves avícolas

Las técnicas de CFD han sido validadas pormediciones directas y pueden ser utilizadospara explorar la eficiencia de ventilación ypara identificar diseños óptimos de granjasavícolas y evaluar su gestión óptima. En el di-seño de las instalaciones avícolas con ventila-ción mecánica el uso de CFD busca perfeccio-nar la ventilación y el confort térmico a niveldel animal, con diferentes condiciones decontorno (Blanes-Vidal et al., 2008, Song etal., 2010) que especifican los flujos de masa,momento y energía dentro del dominio com-putacional. Para ello, se utilizan la condicióninicial del fluido aire, las condiciones de con-torno internas (ventanas, suelo y techo), yexternas (paredes, extractores), la tempera-tura, la presión, y las velocidades de entraday salida del aire por ventanas y ventiladores.En las simulaciones se utilizan mallas hexaé-dricas y cuadráticas en todo el dominio com-putacional (Seo et al., 2009), si bien algunosinvestigadores subdividen el campo en variaspartes, usando mallas tetraédricas en las en-tradas y salidas de aire, y hexaédricas en lasparedes y puntos donde no existe la necesi-dad de mayores detalles o precisión (Blanes-Vidal et al., 2008, Bustamante et al., 2013,

Guerra-Galdo et al., 2015). Los principales pa-rámetros de simulación que utilizados en labibliografía para las variables de contornode temperatura, velocidad del aire y amoní-aco fueron flujo incompresible, tridimensio-nal, isotérmico, gravedad y modelo de flujosegregado (Bustamante et al., 2015, Guerra-Galdo et al., 2015), o bien bidimensional (Seoet al., 2009), y en estado estacionario (Blanes-Vidal et al., 2008, Bustamante et al., 2013, Seoet al., 2009, Bjerg et al., 2002, Osorio et al.,2013, Humbert et al., 2014).

Utilizando estas técnicas, Bjerg et al. (2002)modelaron la ubicación y número de abertu -ras en la pared de una granja (aberturas ubi-cadas en diferentes distancias de la pared), yvalidaron los patrones de flujo de aire, utili-zando sistemas de ventilación mecánica, en-contrando flujos de aire simétricos con mayornúmero de aberturas en la pared. TambiénGuerra-Galdo et al. (2015) modelaron unanave avícola tipo túnel (con los ventiladoresen el extremo) y dos naves semitúnel (con elmismo número de ventiladores, situados enel centro de la nave y con variaciones en ladistribución de las entradas de aire), todascon idéntica geometría pero con diferentedistribución de ventanas (Figuras 1 y 2) paracomparar la distribución de temperatura, ve-locidad e índice de temperatura y velocidada 0,20 m del suelo, encontrando resultados si-milares con la bibliografía (Tabla 1).

Por otro lado, Bustamante et al. (2013, 2015)modelaron y validaron una nave avícola conventilación mecánica, encontrando resulta-dos similares de velocidad de aire entre CFDy medidas directas. Asímismo, Mostafa et al.(2012), simularon y evaluaron cuatro sistemasde ventilación en naves avícolas para mejorarla ventilación, la distribución de la tempera-tura y la dispersión de amoníaco dentro delas naves, realizando propuestas de mejorarespecto al diseño estándar. Por otro lado,Seo et al. (2009) usaron el CFD para mejorar,durante la temporada de frío en Corea, las



Figura 1. Distribución de velocidad de aire en tres configuraciones de nave: túnel,semitúnel y semitúnel mejorado de sección longitudinal, a 0,20 m de altura.

Fuente: Guerra-Galdo et al. (2015).Figure 1. Air velocity distribution in three building configurations: Tunnel,

Semitunnel and Improved Semitunnel of longitudinal section, at 0.2 m height.

Tabla 1. Promedio ± desviación estándar de la velocidad, temperatura y área de confort segúncriterios de velocidad de aire y temperatura de tres configuraciones de ventanas y ventiladores

Table 1. Average ± standard deviation of air velocity, temperature andcomfort area in three configurations of windows and fans

Área confort (%)

Configuración Velocidad (m/s) Temperatura (°C) Velocidad Temperatura

Túnel 1,54 ± 0,74 23,55 ± 1,01 49,95 91,37

Semitúnel 0,83 ± 0,32 23,45 ± 0,82 80,05 93,03

Semitúnel mejorado 0,89 ± 0,30 23,37 ± 0,79 88,45 94,52

Fuente: Guerra-Galdo et al. (2015).


Figura 2. Distribución de temperatura en tres configuraciones de nave: túnel,semitúnel y semitúnel mejorado de sección longitudinal, a 0,20 m de altura.

Fuente: Guerra-Galdo et al. (2015).Figure 2. Temperature distribution in three building configurations: Tunnel,

Semitunnel and Improved Semitunnel of longitudinal section, at 0.2 m height.

condiciones de temperatura y ventilación deuna nave con ventilación natural, utilizandoen la cubierta cuatro tipos de aberturas. Oso-rio et al. (2013) evaluaron el ambiente tér-mico de una nave tipo túnel durante la pri-mera fase de crecimiento de los pollos deengorde, mostrando que no existen diferen-cias significativas entre los datos experimen-tales de temperatura medida a la altura delos animales y el modelo en CFD, para lascondiciones de día y noche en cada una delas tres semanas. De esta manera la tabla 2presenta el resumen de simulaciones reali-zadas con CFD y la validación experimentalde naves avícolas en los últimos años.

Así, esta herramienta ha permitido estudiarel comportamiento de la velocidad del aire(Blanes-Vidal et al., 2008; Song et al., 2010;Bustamante et al., 2013 y Guerra-Galdo et al.,

2015), la temperatura (Seo et al., 2009; Mos-tafa et al., 2012; Osorio et al., 2013 y Da-masceno et al., 2014) o el transporte de ga-ses y partículas (Bjerg et al., 2002; Seo et al.,2009; Mostafa et al., 2012). A pesar de ello,no se ha llegado a desarrollar un diseño es-tándar óptimo para las naves de pollos deengorde, dada la dificultad técnica y la granvariabilidad en las condiciones ambientalesentre las diferentes regiones donde se handesarrollado los estudios, por lo que los mo-delos CFD no se usan aún en la práctica comoherramienta práctica para el diseño de navescomerciales.

Validación de los modelos

La validación del CFD se realiza utilizandométodos de diseño, como las pruebas experi -mentales y simulaciones numéricas; las prue-


Tabla 2. Estudios de ventilación en naves avícolas con diferente sistema de ventilaciónanalizadas con Dinámica de Fluidos Computacional CFD y experimentalmente

Table 2. Studies of ventilation in poultry houses with different ventilationsystem analyzed with Computational Fluid Dynamic CFD and experimentally

Autores Dimensiones Dimensión Código Modelo Tipo deL x a x h (m) turbulento ventilación

Blanes-Vidal et al., 2008 68,8 x 15.0 x 3D Gambit Estándar k- ε Transversal2,36 h1, 3,94 h2 Fluent depresión

Seo et al., 2009 75 x 12 x 2.3 h1, 3D Gambit, RNG k- ε Ventilación4.2 h2 Fluent natural

Song et al., 2010 50 x 12 x 4.8 3D Fluent LES Túneldepresión

Osorio et al., 2011 126 x 12,8 x 3 2D Ansys Estándar k- ε Túnel-presiónnegativa,positiva

Mostafa et al., 2012 42 x 9.0 x 2,2 h1, 3D Gambit RNG k- ε Túnel3,7 h2 depresión

Zajicek y Kic, 2013 41 x 17,2 x 4 2D Ansys RNG k- ε Túnel

Bustamante et al., 2013 110 x 12.6 x 3D Gambit Estándar k- ε Transversal2,6 h1, x 4 h2 Fluent depresión

Osorio et al., 2013 110 x 14 x 2,5 3D Ansys CEM Estándar k- ε Túneldepresión

Kwon et al., 2015 70 x 13,5 x 3,5 h1, 3D Ansys Fluent RNG k- ε Transversal5,5 h2 depresión

Bustamante et al., 2015 120 x 12.2 x 2,2 3D Gambit Fluent RNG k- ε Túneldepresión

Rojano et al., 2015 14 x 6 x 1,8 h1, 2D Ansys Realizable k- ε Ventilación2,6 h2 natural

Osorio et al., 2015 110 x 14 x 2.45 3D Ansys Estándar k- ε Túneldepresión

L: Largo; a: Ancho; h: Altura; h1: Altura de pared; h2: Altura en cumbrera.

bas experimentales necesitan de simulacio-nes numéricas y viceversa. Las comparacionesde aplicaciones industriales manifiestan quese alcanzan porcentajes máximos hasta 16%entre las mediciones directas y los resultadosmodelados, siendo éste un valor bastanteaceptado a la hora de diseñar y proponer pro -

cesos de optimización (Bjerg et al., 2013; Bla-nes-Vidal et al., 2008).

Para llevar a cabo estas validaciones a travésde mediciones directas de los parámetros es-tudiados, existen diferentes equipos que per-miten medir la velocidad, temperatura y hu-medad en las naves avícolas. En este sentido,

el sistema multisensor desarrollado por Bus-tamante et al. (2013) (equipado con tres tiposde sensores velocidad del aire, temperaturay diferencia de presión) y capaz de adquirirun máximo de 128 señales simultáneas en unintervalo de 5 segundos), obtuvo valores pro-medios de la velocidad del aire de 0,60 ±0,56 m/s por CFD y 0,64 ± 0,54 m/s por medidadirecta, no encontrándose diferencias signi-ficativas entre ambos sistemas. Por otro lado,Bjerg et al. (2002) utilizaron un termistormulticanal con sensor para medir el flujo ver-tical y horizontal de la velocidad del aire y unsensor ultrasónico para medir la velocidad delaire a 0,3 m sobre el suelo, encontrando con-cordancia entre los patrones de flujo de airemedido y simulado. Lee et al. (2007), utiliza-ron la velocimetría de imágenes de partícu-las (PIV) para conocer la distribución de lospatrones de flujo de aire dentro de la granja,encontrando a 3 m/s patrones de flujos deaire muy similares entre PIV y CFD. En el casodel estudio desarrollado por Mostafa et al.(2012), utilizaron datos de una estación me-teorológica y 30 higrómetros calibrados, en-contrando como error aceptable entre latemperatura medida y calculada con CFD de0,19% y 0,46% a la altura del animal y a 2 mde altura, respectivamente.

Las evidencias recogidas en la literatura de-muestran un adecuado grado de ajuste entrelos resultados de modelizaciones y sus res-pectivas validaciones, particularmente en elcampo de la distribución de flujos de aire.Así, el grado de desarrollo de las técnicas CFDes suficiente para la realización de análisisprevios al diseño definitivo y construcción delas naves. Conviene profundizar, sin embargo,en la modelización de los flujos de calor (Bus-tamante et al., 2015; Osorio et al., 2013) y suaplicación práctica a condiciones de estrés.

Conclusiones

El diseño y el manejo de los sistemas de ven-tilación son fundamentales en las granjas deaves de engorde debido a la susceptibilidadde estos animales frente a las condicionesambientales adversas. No sólo la tempera-tura, sino la combinación de ésta con la hu-medad y la velocidad del aire deben tenerseen consideración al diseñar una nave avícola.

Las herramientas CFD se han demostrado co -mo una alternativa para llevar a cabo evalua-ciones de diseños constructivos en relación alas condiciones ambientales que se producenen el interior de las naves. A pesar de ello, lavalidación de estas simulaciones con medicio-nes reales resulta imprescindible a día de hoy.

Pese a que se han realizado muchos esfuer-zos en el diseño y dimensionamiento de lasinstalaciones para la cría de pollos de engor -de, sigue sin existir un modelo óptimo paratodas las condiciones climáticas, por lo quedebe profundizarse en el estudio de destemodelo de explotación para cada uno de lossistemas productivos en condiciones am-bientales diferenciadas.

Agradecimientos

Este trabajo es financiado por el ProgramaNacional de Becas y Crédito Educativo del Pe -rú-PRONABEC.

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(Aceptado para publicación el 19 de abril de 2016)


el diseño de las instalaciones de pollos de carne y su...

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