Evaluation of Solar Chimney Height Effect on the Airflow Rate and Temperature Inside the Pig House Using Computational Fluid Dynamics (CFD)

Resumen Técnico: Evaluación del efecto de la altura de la chimenea solar en el caudal de aire y la temperatura dentro del porqueriza mediante CFD

Planteamiento del problema
El entorno térmico dentro de las instalaciones ganaderas, particularmente en las porquerizas, es crítico para el crecimiento y desarrollo de los animales. Los cerdos son altamente sensibles a las fluctuaciones térmicas, lo que requiere condiciones interiores estables. Si bien la ventilación mecánica es común, es un importante consumidor de energía y contribuyente a las emisiones de carbono, una preocupación exacerbada por las crisis energéticas globales. Las chimeneas solares ofrecen una alternativa pasiva y libre de energía para la ventilación natural. Sin embargo, aunque se han estudiado diversos parámetros como los materiales y los ángulos de instalación, persiste una brecha significativa en la investigación respecto a la optimización dimensional. Específicamente, pocos estudios han aislado el efecto de la altura de la chimenea solar sobre las tasas de ventilación y la eliminación de la carga térmica para determinar el diseño óptal para la vivienda de ganado.

Metodología
Este estudio empleó un enfoque dual combinando cálculos matemáticos y simulaciones de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) para evaluar el impacto de las variaciones en la altura de la chimenea solar sobre el flujo de aire y la temperatura interior.

• Diseño Experimental: Se desarrollaron cinco modelos distintos de porquerizas utilizando Autodesk Inventor 2024, con alturas de chimenea de 0.85 m, 1.275 m, 1.70 m (línea base), 2.125 m y 2.55 m. Estas alturas representaron modificaciones de la línea base de ±25% y ±50%.
• Modelado Matemático: Las tasas de flujo de aire y las temperaturas interiores teóricas se calcularon utilizando ecuaciones establecidas. La presión de la columna de aire (stack pressure) se determinó basándose en las temperaturas ambiente y de la chimenea (Ecuación 1). La velocidad del flujo de aire se derivó equilibrando la presión motriz contra las pérdidas de fricción y de presión menores (Ecuaciones 2–4). La temperatura interior se modeló considerando el enfriamiento evaporativo, las transferencias de calor y las cargas térmicas internas (Ecuación 5).
• Simulación CFD: Las simulaciones se realizaron utilizando ANSYS Workbench 2025 R1. La geometría se malló mediante un método tetraédrico con un tamaño máximo de elemento de 0.04 mm. Se seleccionó el modelo de turbulencia Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) RNG k-ε, ya que es recomendado para flujos turbulentos en interiores. Las condiciones de contorno incluyeron una velocidad de entrada de aire de 0.95 m/s a 22°C. Las simulaciones se ejecutaron durante 2000 iteraciones con un paso de tiempo de 0.025 s durante una duración total de 5 segundos para capturar los perfiles de temperatura y flujo de aire.
• Validación: Los resultados de CFD se validaron frente a los datos teóricos derivados de los modelos matemáticos.

Resultados Clave
El estudio estableció correlaciones claras entre la altura de la chimenea y el rendimiento térmico/de flujo de aire:

• Tasa de Flujo de Aire: Existe una correlación positiva fuerte y significativa ($r = 0.95, p < 0.01$) entre la altura de la chimenea y la tasa de flujo de aire. A medida que la altura de la chimenea aumentó de 0.85 m a 2.55 m, la tasa de flujo de aire aumentó de 0.13 m/s a 0.22 m/s. El análisis de regresión arrojó un $R^2$ de 0.99, lo que indica que la altura de la chimenea es el factor dominante que influye en el flujo de aire.
• Temperatura Interior: Se observó una correlación negativa fuerte y significativa ($r = -0.97, p < 0.01$) entre la altura de la chimenea y la temperatura interior. A medida que la altura aumentó, la temperatura interior disminuyó de 24.1°C a 23.1°C. El coeficiente de regresión ($R^2 = 0.95$) sugiere que casi toda la variación en la temperatura interior es explicada por la altura de la chimenea.
• Mecanismo: Estas tendencias se atribuyen al efecto de chimenea (stack effect). Las chimeneas más altas generan un mayor diferencial de presión entre la entrada y la salida debido a la flotabilidad térmica, creando una succión más fuerte que impulsa el flujo de aire y mejora la eliminación del calor.
• Validación del Modelo: El modelo CFD demostró una alta precisión al compararse con los datos teóricos.
  • Temperatura: El modelo predijo la temperatura con un $R^2$ de 0.96 y un Error Cuadrático Medio (RMSE) de 0.43°C.
  • Flujo de Aire: El modelo predijo el flujo de aire con un $R^2$ de 0.97 y un RMSE de 0.01 m³/s.
  • Aunque el modelo subpredijo ligeramente el flujo de aire en las alturas de chimenea más elevadas (2.125 m y 2.55 m), la concordancia general fue sólida, con más del 95% de la variación de los datos explicada con precisión por el modelo.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que la optimización de la altura de la chimenea solar es una estrategia crucial, de bajo costo y pasiva para mejorar las condiciones del microclima en las porquerizas sin depender de sistemas mecánicos. Los hallazgos destacan que aumentar la altura de la chimenea mejora directamente la eficiencia de la ventilación y la eliminación de la carga térmica, apoyando así el bienestar animal y reduciendo la huella de carbono de las operaciones agrícolas.

Además, el estudio valida la fiabilidad del modelo de turbulencia CFD RNG k-ε para simular la distribución de flujo de aire y temperatura en instalaciones ganaderas. A pesar de las limitaciones conocidas de los modelos RANS en comparación con las Simulaciones de Grandes Edificios (LES) respecto al costo computacional, el estudio concluye que el modelo RNG k-ε proporciona un equilibrio confiable entre los recursos computacionales y la precisión para esta aplicación. Los resultados ofrecen perspectivas prácticas para ingenieros y diseñadores para desarrollar infraestructura ganadera climáticamente inteligente y eficiente en el uso de la energía.