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

Sintesi Tecnica: Valutazione dell'effetto dell'altezza della ciminiera solare sulla portata d'aria e sulla temperatura all'interno del porciaio tramite CFD

Problema
L'ambiente termico all'interno degli impianti zootecnici, in particolare nei porciaia, è critico per la crescita e lo sviluppo degli animali. I suini sono altamente sensibili alle fluttuazioni termiche, il che richiede condizioni interne stabili. Sebbene la ventilazione meccanica sia comune, essa rappresenta un importante consumatore di energia e un fattore di emissioni di carbonio, una preoccupazione esacerbata dalle crisi energetiche globali. Le ciminiere solari offrono un'alternativa passiva e priva di consumo energetico per la ventilazione naturale. Tuttavia, mentre sono stati studiati vari parametri come i materiali e gli angoli di installazione, rimane una lacuna significativa nella ricerca riguardante l'ottimizzazione dimensionale. Nello specifico, pochi studi hanno isolato l'effetto dell'altezza della ciminiera solare sui tassi di ventilazione e sulla rimozione del carico termico per determinare il design ottimale per l'allevamento di bestiame.

Metodologia
Questo studio ha impiegato un approzione duplice combinando calcoli matematici e simulazioni di Fluidodinamica Computazionale (CFD) per valutare l'impatto di diverse altezze di ciminiera solare sulla portata d'aria interna e sulla temperatura.

• Progettazione Sperimentale: Cinque distinti modelli di porciaia sono stati sviluppati utilizzando Autodesk Inventor 2024, con altezze della ciminiera di 0,85 m, 1,275 m, 1,70 m (baseline), 2,125 m e 2,55 m. Queste altezze rappresentavano modifiche del modello base di ±25% e ±50%.
• Modellazione Matematica: I tassi di portata d'aria teorici e le temperature interne sono stati calcolati utilizzando equazioni consolidate. La pressione da effetto camino è stata determinata in base alle temperature ambiente e della ciminiera (Equazione 1). La velocità dell'aria è stata derivata bilanciando la pressione motrice contro le perdite di attrito e di carico (Equazioni 2–4). La temperatura interna è stata modellata tenendo conto del raffreddamento evaporativo, dei trasferimenti di calore e dei carichi termici interni (Equazione 5).
• Simulazione CFD: Le simulazioni sono state condotte utilizzando ANSYS Workbench 2025 R1. La geometria è stata discretizzata con un metodo tetraedrico con una dimensione massima dell'elemento di 0,04 mm. È stato selezionato il modello di turbolenza Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) RNG k-ε, poiché raccomandato per i flussi turbolenti indoor. Le condizioni al contorno includevano una velocità dell'aria in ingresso di 0,95 m/s a 22°C. Le simulazioni sono state eseguite per 2000 iterazioni con un passo temporale di 0,025 s per una durata totale di 5 secondi per catturare i profili di temperatura e flusso d'aria.
• Validazione: I risultati CFD sono stati validati rispetto ai dati teorici derivati dai modelli matematici.

Risultati Chiave
Lo studio ha stabilito chiare correlazioni tra l'altezza della ciminiera e le prestazioni termiche/di flusso:

• Portata d'Aria: Esiste una forte e significativa correlazione positiva ($r = 0,95, p < 0,01$) tra l'altezza della ciminiera e la portata d'aria. All'aumentare dell'altezza della ciminiera da 0,85 m a 2,55 m, la portata d'aria è aumentata da 0,13 m/s a 0,22 m/s. L'analisi di regressione ha prodotto un $R^2$ di 0,99, indicando che l'altezza della ciminiera è il fattore dominante che influenza la portata d'aria.
• Temperatura Interna: È stata osservata una forte e significativa correlazione negativa ($r = -0,97, p < 0,01$) tra l'altezza della ciminiera e la temperatura interna. All'aumentare dell'altezza, la temperatura interna è diminuita da 24,1°C a 23,1°C. Il coefficiente di regressione ($R^2 = 0,95$) suggerisce che quasi tutta la variazione della temperatura interna è spiegata dall'altezza della ciminiera.
• Meccanismo: Queste tendenze sono attribuite all'effetto camino. Le ciminiere più alte generano un differenziale di pressione maggiore tra l'ingresso e l'uscita grazie alla galleggiabilità termica, creando una suzione più forte che guida il flusso d'aria e migliora la rimozione del calore.
• Validazione del Modello: Il modello CFD ha dimostrato un'elevata precisione rispetto ai dati teorici.
  • Temperatura: Il modello ha previsto la temperatura con un $R^2$ di 0,96 e un Errore Quadratico Medio (RMSE) di 0,43°C.
  • Portata d'Aria: Il modello ha previsto la portata d'aria con un $R^2$ di 0,97 e un RMSE di 0,01 m³/s.
  • Sebbene il modello abbia leggermente sottostimato la portata d'aria alle altezze massime della ciminiera (2,125 m e 2,55 m), l'accordo complessivo è stato forte, con oltre il 95% della variazione dei dati accuratamente spiegata dal modello.

Significato e Rivendicazioni
Il documento afferma che l'ottimizzazione dell'altezza della ciminiera solare è una strategia cruciale, a basso costo e passiva per migliorare le condizioni del microclima nei porciaia senza fare affidamento su sistemi meccanici. I risultati evidenziano che l'aumento dell'altezza della ciminiera migliora direttamente l'efficienza della ventilazione e la rimozione del carico termico, supportando così il benessere animale e riducendo l'impronta di carbonio delle operazioni agricole.

Inoltre, lo studio valida l'affidabilità del modello di turbolenza CFD RNG k-ε per simulare la distribuzione del flusso d'aria e della temperatura nelle strutture zootecniche. Nonostante i noti limiti dei modelli RANS rispetto alle Large Eddy Simulations (LES) per quanto riguarda il costo computazionale, lo studio conclude che il modello RNG k-ε fornisce un equilibrio affidabile tra risorse computazionali e accuratezza per questa applicazione. I risultati offrono spunti pratici per ingegneri e progettisti per sviluppare infrastrutture zootecniche efficienti dal punto di vista energetico e intelligenti per il clima.