Hitzestress bei Milchvieh

Milchkühe haben in den Sommermonaten oft das Problem, dass sie aufgrund ihrer hohen Milchleistung die damit verbundene Körperwärme nicht ausreichend an ihre Umgebung abführen können. Damit es nicht zu Stresssituationen bei hohen Umgebungstemperaturen kommt, sollten alle vorbeugenden baulichen und technischen Möglichkeiten genutzt werden, die im vorhandenen Stall mit vertretbarem Umbauaufwand möglich sind. Hierzu zählen alle Maßnahmen, die den natürlichen Luftwechsel steigern, die Luftgeschwindigkeit am Tier auf ein erträgliches Maß erhöhen und für einen verminderten Wärmeeintrag in den Stall sorgen. 

Die Installation von zusätzlichen Ventilatoren, Luftverteilungssystemen oder der Einsatz von Befeuchtungsanlagen kann als nachträgliche Maßnahme in Betracht kommen, wenn alle baulichen Möglichkeiten ausgeschöpft sind. Die Frage der Wirtschaftlichkeit des Einsatzes von Unterstützungslüftung kann letztlich nur auf einzelbetrieblicher Ebene beantwortet werden. Verbesserungen der Tiergesundheit und positive Einflüsse auf das Reproduktionsgeschehen sind hierbei ebenfalls zu berücksichtigen. 

Ziel dieses Merkblattes ist es daher, vorbeugende Maßnahmen sowie weitergehende Techniken zur Vermeidung von Hitzestress in bestehenden Stallsystemen zu beschreiben und Entscheidungshilfen zu geben.

Folgende Parameter werden üblicherweise berücksichtigt, um das Stallklima für die Tiere optimal zu gestalten:

• Lufttemperatur
• Luftwechsel
• Strahlungswärme
• Luftfeuchtigkeit
• Luftgeschwindigkeit
• Temperatur der Liegeflächen
• Luftqualität (Gehalt an Staub und Schadgasen).

Rinder sind Warmblüter, die ihre Körpertemperatur selbstregulierend in einem großen Temperaturbereich auf einem konstanten Niveau halten. Zwischen Körperkern-, Oberflächen- und Umgebungstemperatur besteht üblicherweise ein Temperaturgefälle, welches einen Wärmetransport verursacht. Die Wärmeabgabe bei Rindern basiert hauptsächlich auf folgenden Mechanismen:

• Strahlung (Radiation)
• Leitung (Konduktion)
• Übergang an die vorbeiströmende Luft (Konvektion)
• Verdunstung über die Atmung (Respiration) und die Haut (Evaporation).

Die jeweiligen relativen Anteile an der Gesamtwärmeabgabe sind unterschiedlich und hängen vom Tier und den Umgebungsbedingungen ab.

Die Wärmeabgabe durch Strahlung (Radiation) hängt von der Temperatur der Oberflächen, der geometrischen Größe der strahlenden Flächen, von ihrer jeweiligen Lage zueinander und ihrer Eigenschaft als „Strahler“ ab. Der Wärmetransport findet dabei immer vom stärkeren zum schwächeren „Strahler“ statt. Um Behaglichkeit sicherzustellen, sollte die Wärmeabgabe durch Strahlung ein bestimmtes Maß nicht überschreiten. Die Oberflächentemperaturen der raumumschließenden Bauteile sind so zu gestalten, dass die biologisch notwendige Wärmeabgabe weder gehemmt (Wärmestau) noch beschleunigt (zu starke Abkühlung) wird. Deshalb sollten überhitzte Dachflächen unbedingt vermieden werden (siehe auch 3.2).

Die Wärmeabgabe durch Leitung (Konduktion) erfolgt durch direkten Kontakt zwischen der Haut­ober­fläche des Tierkörpers und anderen Oberflächen, wie z. B. den Liegeflächen. Milchkühe legen sich deshalb gerne auf kühle Flächen, die eine Wärmeabgabe in den Boden ermöglichen, meiden aber bei hohen Außentemperaturen Festmistflächen mit hoher mikrobieller Aktivität.

Eine Wärmeabgabe durch Mitführung (Konvektion) ist ein Wärmetransport durch Bewegung von flüssigen oder gasförmigen Teilchen, die ihre Energie mitführen. Durch Luftbewegung an der Haut­ober­fläche wird die „Warmluft-Schicht“ abgeführt, die sich nahe am Körper befindet. Im Sommer kann deshalb bei Milchkühen eine hohe Luftbewegung in Tiernähe die Wärmeabgabe begünstigen und den negativen Einfluss der hohen Umgebungstemperaturen mindern. 
Die Bewegung der Luft in Offenställen kann sowohl durch Wind, Thermik und Ventilation als auch durch die Anordnung von Bauteilen wie Windbrechnetze, Stützpfeiler, Trennwände o. ä. beeinflusst werden.

Die Wärmeabgabe durch Verdunstung beruht auf folgendem Prinzip: Bei der Verdunstung von flüssigem Wasser zu Wasserdampf wird der Umgebung Energie entzogen. Dieser physikalische Effekt wird von Tier und Mensch im Sommer in der Lunge zur Wärmeabgabe genutzt. Das Tier atmet die umgebende Stallluft ein, erwärmt diese und sättigt sie beim Ausatmen mit Wasserdampf. Da diese Energie aus der Lunge kommt, wird dem Körperkern Wärme entzogen. Die Ausatemluft (Exspirationsluft) kann daher beim Tier konstant mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von 95 % angenommen werden. Um größere Wassermengen zu verdunsten, müssen die Tiere schneller atmen, bis es bei Hitzestress zum Hecheln kommt. Im Gegensatz zum Menschen können Rinder nur geringere Wärmemengen durch Schwitzen abgeben.

Auch die Wärmeabgabe über Futter, Wasser und Exkremente ist Bestandteil der Thermoregulation. Das Tier überträgt solange Körperwärme auf das aufgenommene Futter und Wasser bis dieses die Körpertemperatur (38 °C) erreicht hat. Die pro Tag hierfür benötigte Wärmemenge ist relativ gering. Wenig Bedeutung haben die Ausscheidungen, in denen ebenfalls Wärme gebunden ist.

Physiologisch liegt der optimale Bereich der Umgebungstemperatur von laktierenden Milchkühen mit einer Leistung von etwa 25 kg Milch pro Tag zwischen 4 °C und 16 °C. In diesem Temperaturbereich erfolgt die beste Verwertung des Futters. Darüber verschlechtert sich zwar zunächst die Futterverwertung, aber mit erheblichen Leistungsdepressionen ist noch nicht zu rechnen. Erst wenn diese Temperaturen deutlich und über einen längeren Zeitraum überschritten werden, vermindern sich die Futteraufnahme und die Leistungsfähigkeit signifikant. Dabei ist zu beachten, dass zwischen den einzelnen Kühen in Abhängigkeit von Leistung, Laktations- und Trächtigkeitsstadium sowie Akklimatisation und Fitness erhebliche tierindividuelle Unterschiede auftreten können.

Grundsätzlich gilt, dass mit steigenden Umgebungstemperaturen die direkte (sensible) Wärmeabgabe aufgrund des geringer werdenden Temperaturgefälles zwischen Tier und Umgebung immer stärker abnimmt. Die Kühe versuchen dies teilweise durch eine physiologische Steigerung der Körpertemperatur um bis zu zwei Kelvin zu kompensieren. Darüber hinaus ist eine weitere Regulation nur über die indirekte (latente) Wärmeabgabe durch Wasserdampf möglich. Das uneingeschränkte Angebot an frischem, kühlem Wasser ist daher eine wichtige Voraussetzung für die Vermeidung von unnötigen Wärmebelastungen der Milchkühe.

Allerdings kann die Abgabe von Wasserdampf beim Schwitzen und in der Lunge kaum gesteigert werden. Einerseits gibt es tierphysiologische Grenzen. Andererseits führt eine hohe relative Luftfeuchtigkeit unter unseren Wetterbedingungen häufig dazu, dass die Abgabe von Wasserdampf thermodynamisch nur begrenzt möglich ist. 

Die Angaben in der Literatur über den Zeitpunkt, ab dem Milchkühe Hitze als Stress empfinden, sind nicht einheitlich. Die ausschließliche Angabe der Temperatur zur Definition von Hitzestressbedingungen (> 20 °C bis > 25 °C) greift sicherlich zu kurz. Mit einer Kombination aus Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit kann die mutmaßliche Auswirkung auf Mensch und Tier verlässlicher eingeschätzt werden. Die empirisch untermauerten Ergebnisse für Milchkühe sind Abbildung 1 zu entnehmen. Für die in Mitteleuropa übliche Luftfeuchtigkeit um 70 % beginnt milder Hitzestress schon ab 22 °C, ab 24 °C ist bereits mit Leistungseinbußen zu rechnen. 

Die vorrangige Aufgabe der Lüftung im Sommer ist der Abtransport von Wärme, Luftfeuchtigkeit und Schadgasen aus dem Stall, um den Tieren angenehme Umgebungstemperaturen zu bieten. Genau wie im Winter stellt sich auch im Sommer eine dynamische Gleichgewichtstemperatur im Stall ein, die sich aus den „Wärmeverlusten“ und den „Wärmeeinträgen“ ergibt. Wärme wird aber nicht nur von den Tieren erzeugt, es können auch direkte Energieeinträge durch die Sonne über Fassadenöffnungen und indirekte Einträge über erwärmte Dachflächen erhebliche Wärmeeinträge verursachen. 

Generell sollten vorrangig die Möglichkeiten der freien Lüftung genutzt werden, die der Standort und das Gebäude zur Verfügung stellen. Reicht das nicht aus, müssen zusätzliche Um-, Zu- und/oder Abluftsysteme zum Einsatz kommen.

Je höher der Luftwechsel ist, desto mehr gleichen sich Innen- und Außentemperatur an. Die abzuführende Wärme stammt nicht nur von den Tieren, sondern im Sommer sehr häufig auch von transparenten und aufgeheizten Dachflächen. Deshalb sollten im Sommer die Fassadenöffnungen so groß wie möglich sein. Simulationen haben gezeigt, dass die Öffnungen in der Summe nicht kleiner als 2,5 m²/Kuh sein sollten. Das entspricht einer Öffnung an den Fassaden von 1,25 m²/Kuh und Seite bei idealerweise gegenüberliegenden, geöffneten Fassadenflächen. Fassadenöffnungen über dieses Maß hinaus bewirken nur noch leichte Verbesserungen.

Durch die Erzeugung einer gerichteten Luftströmung in den Aufenthaltsbereichen der Kühe kann das „Warmluftpolster“ der Luft im Fell und um den Körper der Kuh aufgelöst und dadurch die konvektive Wärme- und Wasserdampfabgabe der Tiere gesteigert werden. Dadurch reduziert sich die gefühlte Temperatur (Abbildung 2). Die gefühlte Temperatur ergibt sich aus den Faktoren Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit und Luftgeschwindigkeit. In Abhängigkeit der beiden zuletzt genannten Faktoren können von den Tieren unterschiedlich große Mengen an Wasser über die Haut abgegeben werden. Dadurch entsteht eine Verdunstungskälte, die eine Kühlwirkung an der Haut der Tiere schon ab 1,0 m/s Luftgeschwindigkeit erzeugt. 

Die Verwendung von Ventilatoren dient in erster Linie dem Abtransport der warmen Luftschicht um den Tierkörper (also der konvektiven Wärmeabgabe). Hierbei wird im Tierbereich eine hohe Luftgeschwindigkeit angestrebt. Diese kann durch wenige große Vertikalventilatoren an der Decke, sog. Deckenventilatoren, erreicht werden. Axialventilatoren, werden hingegen horizontal hintereinander ausgerichtet und erzeugen eine entsprechende Strömung durch den Stall. 
Ventilatoren werden in Liegeboxenlaufställen eingesetzt, um bei nicht ausreichender Windgeschwindigkeit und hohen Umgebungstemperaturen Luftbewegungen im Tierbereich zu erzeugen. Die gesamte zu installierende Luftleistung der Ventilatoren ist abhängig von der Stalllänge, dem Leistungsniveau der jeweiligen Kuhgruppe und von der Dachgestaltung. Die Empfehlungen zu den „installierten Lüfterleistungen“ schwanken zwischen 500 und 1.200 m³ je Kuh und Stunde, ohne Berücksichtigung der Ventilatoren für den Melkstand und den Wartehof. Messberichte zu geeigneten Ventilatoren für den Einsatz im Milchviehstall können von der Internetseite der Bayerischen Landesanstalt sowie der HBLFA Raumberg-Gumpenstein unter folgenden LINKS heruntergeladen werden: 

• https://www.lfl.bayern.de/cms07/publikationen/informationen/127543/index.php  
• 13 Ventilatoren zur Kühlung von Rinderställen – PDF Free Download (docplayer.org)

Unabhängig von der gewählten Technik sollte auf eine automatisch temperaturgesteuerte Schaltung der Ventilatoren nicht verzichtet werden, da bei einer manuellen Steuerung die subjektive Wahrnehmung des Stallklimas durch das Betreuungspersonal und das tatsächliche Empfinden der Tiere nie konform gehen.

Anordnung der Ventilatoren zur Erzeugung einer Querströmung
Eine dritte Möglichkeit, Axialventilatoren im Stall zu platzieren, ist die Queranordnung (Abbildung 6). Durch diese Anordnung kann bei geringer Windgeschwindigkeit eine Unterstützung der Querlüftung erreicht werden. Hier sind im Vergleich zur Längsausrichtung mehr Ventilatoren nötig, um eine möglichst gleichmäßige Durchströmung des Gebäudes zu erreichen. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Laufflächen stark überströmt werden. 

Werden Zu- oder Abluftventilatoren in einem frei belüfteten Stall nur zeitweise, also bei Bedarf zugeschaltet und erzeugen dann eine von der Querlüftung deutlich unterschiedliche Raumströmung, spricht man von einer „Kombinations- oder Hybridlüftung“.

Deckenventilatoren (Abbildung 7) überzeugen durch eine niedrige spezifische Leistungsaufnahme (0,3 – 1,5 kW) und durch einen geringen Lärmpegel von unter 60 dB(A) aufgrund einer niedrigen Drehzahl von 75 – 140 U/min. Die Variabilität hinsichtlich des Einbauortes ist hingegen begrenzt. Entsprechend der baulichen Gegebenheiten und des hohen Platzbedarfes der Ventilatoren werden diese häufig zentral über dem Futtergang installiert, was allerdings negative Begleiterscheinungen, wie z. B. das Abtrocknen des Futters, mit sich bringt. 

Frische Außenluft wird dabei mittels eines dem gewünschten Luftwechsel im Bereich der Tiere ausgewählten Ventilators in einen luftdichten Textilschlauch (meist aus Polyestergewebe) gedrückt. Durch kleinere Luftaustrittslöcher im Textilschlauch wird die frische Luft den Anforderungen des Stalls entsprechend über den Tieren verteilt. Hierzu ist eine spezielle Berechnung der Geometrie und der Spezifikationen der einzelnen Belüftungsschläuche notwendig. Je genauer der zugrundeliegende Berechnungsprozess, umso besser können die Anforderungen im Stall erfüllt werden. 

Schlauchbelüftungssysteme arbeiten zu hundert Prozent mit Frischluft und ermöglichen die gezielte Kühlung der tierspezifisch wichtigsten Bereiche, wie Liegeboxen, Fressplätze, etc. Hierzu werden pro Kuh bzw. Tierplatz einzelne Luftkegel hoher Geschwindigkeit generiert, welche genau in diese wichtigsten Bereiche frische Luft transportieren und die sich dort befindlichen Schadgase verdrängen.

Auch mit Schlauchbelüftungssystemen lassen sich am Tierrücken Luftgeschwindigkeiten von bis zu 4 m/s generieren, wodurch es primär zu einer Vermeidung von Hitzestress kommt. Ein weiteres Ziel ist – wie bei anderen Belüftungssystemen auch – die Verbesserung der Luftqualität durch kontinuierlichen Luftaustausch. In Bezug auf die Vermeidung von Hitzestress dienen diese Systeme somit auch dem Abtransport der warmen und meist feuchten, sauerstoffarmen Stallluft. Dadurch verringert sich die Stalltemperatur und/oder die Luftfeuchtigkeit im Stall. Im Wartebereich und am Futtertisch kann durch das System frische Luft von oben zwischen die Tiere gebracht werden.

Beim Einsatz von Wasser zur Hitzestressbewältigung von Milchkühen kann zwischen zwei Verfahren unterschieden werden:

• Niederdrucksystem: Direktes „Beregnen“ bzw. „Bewässern“ des Tierkörpers (z. B. am Fressplatz)
• Hochdrucksystem: „Versprühen“ bzw. „Vernebeln“ von Wasser zur Verdampfung (z. B. am Vorwartehof).

Beim ersten Verfahren werden die Tiere – wie beim „kalt-Abduschen“ – direkt mit Wasser benässt, so dass mit dem abfließenden Wasser auch Körperwärme abgeführt wird, was gleichzeitig die Haut abkühlt. Beim Verdunsten des Wassers am Haarkleid wird ebenfalls Körperwärme entzogen. Der zusätzliche Einsatz von Ventilatoren kann diesen Prozess unterstützen.

Beim zweiten Verfahren wird die Lufttemperatur durch Wasserverdunstung abgesenkt. Bei dieser „adiabatischen Kühlung“ steigt der Wasserdampfgehalt der Luft an, wobei sich die Lufttemperatur absenkt. Da aber der Wärmeinhalt der Luft gleichbleibt, führt das bei einer hohen relativen Luftfeuchtigkeit (> 80 %) physiologisch für die Tiere zu keiner wirklichen Entlastung (wie in Kapitel 2 erläutert). 

Die kombinierte Anwendung von Wasser und Ventliatoren ist bei niedriger bis mittlerer Luftfeuchtigkeit die effizienteste Art, die Kühe zu kühlen.

Sprinkleranlagen (Abbildung 12) können an unterschiedlichen Stellen im Stall angebracht werden, z. B. im Auslauf, im Wartehof, am Fressplatz oder über den Laufgängen. Die Anbringung im Auslauf hat den positiven Nebeneffekt, dass dieser für die Tiere attraktiver gestaltet wird. 

Die heißen Sommer in den vergangenen Jahren haben uns wachgerüttelt. Hitzestress im Milchviehstall stellt eine konkrete Gefahr mit hohen ökonomischen Auswirkungen dar. Neben den heißen Wetterphasen gibt es aber weitere zu berücksichtigende und prädisponierende Faktoren wie Stallbau, Stallgestaltung und Management, die die Gefahr von Hitzestress bei Milchkühen begünstigen oder gar hervorrufen können. Andererseits sind hier mit den richtigen Entscheidungen und Maßnahmen die Wärme- und Hitzebelastungen aber auch zu reduzieren.

Darüber hinaus sollten wir uns auch mit den biologischen Veränderungen in Bezug auf Stoffwechsel und Milchleistung sowie die gestiegene Futteraufnahme und Wärmeentwicklung unserer Milchkühe intensiv auseinandersetzen. Milchviehhalter sollten sich über konkrete Lösungsansätze fachlich informieren, sich auf die nächsten Sommer und möglicherweise auf die wieder hohen Temperaturen entsprechend vorzubereiten.

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• Videobeitrag von MyKuhtube zum Thema "KUH-l down – so kühlen Kühe runter"