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

Technische Samenvatting: Evaluatie van het effect van de hoogte van de zonneoven op de luchtstroomsnelheid en temperatuur binnen het varkenshok middels CFD

Probleemstelling
De thermische omgeving binnen veehouderijfaciliteiten, met name varkenshokken, is cruciaal voor de groei en ontwikkeling van dieren. Varkens zijn zeer gevoelig voor thermische fluctuaties, wat stabiele binnencondities noodzakelijk maakt. Hoewel mechanische ventilatie gebruikelijk is, is dit een belangrijke energieverbruiker en een bron van koolstofemissies, een probleem dat wordt verergerd door wereldwijde energiecrises. Zonneovens bieden een passief, energievrij alternatief voor natuurlijke ventilatie. Hoewel diverse parameters zoals materiaal en installatiehoeken zijn bestudeerd, blijft er een aanzienlijke kloof in onderzoek naar dimensionale optimalisatie. Specifiek hebben weinig studies het effect van de hoogte van de zonneoven op ventilatiesnelheden en warmteafvoer geïsoleerd om het optimale ontwerp voor veehouderij te bepalen.

Methodologie
Deze studie maakte gebruik van een tweeledige aanpak, waarbij wiskundige berekeningen en Computational Fluid Dynamics (CFD)-simulaties werden gecombineerd om de impact van variërende hoogtes van de zonneoven op de binnenluchtstroom en temperatuur te evalueren.

• Experimenteel Ontwerp: Vijf verschillende varkenshokmodellen werden ontwikkeld met behulp van Autodesk Inventor 2024, met zonneovenhoogtes van 0,85 m, 1,275 m, 1,70 m (baseline), 2,125 m en 2,55 m. Deze hoogtes vertegenwoordigden modificaties van de baseline met ±25% en ±50%.
• Wiskundige Modellering: Theoretische luchtstromingssnelheden en binnentemperaturen werden berekend met behulp van gevestigde vergelijkingen. De druk door het schoorsteeneffect werd bepaald op basis van de omgevingstemperatuur en de temperatuur in de oven (Vergelijking 1). De luchtstroomsnelheid werd afgeleid door de drijvende druk af te wegen tegen wrijvings- en minder belangrijke drukverliezen (Vergelijkingen 2–4). De binnentemperatuur werd gemodelleerd rekening houdend met verdampingskoeling, warmteoverdracht en interne warmtelasten (Vergelijking 5).
• CFD-Simulatie: Simulaties werden uitgevoerd met ANSYS Workbench 2025 R1. De geometrie werd gemetst met een tetraëdrische methode met een maximale elementgrootte van 0,04 mm. Het Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) RNG k-ε turbulentiemodel werd geselecteerd, aangezien dit wordt aanbevolen voor binnenstromingen met turbulentie. De randvoorwaarden omvatten een inlaat luchtsnelheid van 0,95 m/s bij 22°C. De simulaties draalden gedurende 2000 iteraties met een tijdstap van 0,025 s over een totale duur van 5 seconden om temperatuur- en luchtstroomprofielen vast te leggen.
• Validatie: De CFD-resultaten werden gevalideerd tegen de theoretische gegevens afgeleid van de wiskundige modellen.

Belangrijkste Resultaten
De studie stelde duidelijke correlaties vast tussen de hoogte van de zonneoven en de thermische/luchtstroomprestaties:

• Luchtstromingssnelheid: Er is een sterke, significante positieve correlatie ($r = 0,95, p < 0,01$) tussen de hoogte van de zonneoven en de luchtstromingssnelheid. Naarmate de hoogte van de zonneoven toenam van 0,85 m naar 2,55 m, nam de luchtstromingssnelheid toe van 0,13 m/s naar 0,22 m/s. De regressieanalyse leverde een $R^2$ van 0,99 op, wat aangeeft dat de hoogte van de zonneoven de dominante factor is die de luchtstroom beïnvloedt.
• Binnentemperatuur: Er werd een sterke, significante negatieve correlatie ($r = -0,97, p < 0,01$) waargenomen tussen de hoogte van de zonneoven en de binnentemperatuur. Naarmate de hoogte toenam, daalde de binnentemperatuur van 24,1°C naar 23,1°C. De regressiecoëfficiënt ($R^2 = 0,95$) suggereert dat bijna alle variatie in de binnentemperatuur wordt verklaard door de hoogte van de zonneoven.
• Mechanisme: Deze trends worden toegeschreven aan het schoorsteeneffect. Taller ovens genereren een hogere drukverschillen tussen de inlaat en de uitlaat door thermische opwaartse kracht, wat een sterkere zuiging creëert die de luchtstroom aandrijft en de warmteafvoer bevordert.
• Modelvalidatie: Het CFD-model vertoonde een hoge nauwkeurigheid in vergelijking met de theoretische gegevens.
  • Temperatuur: Het model voorspelde de temperatuur met een $R^2$ van 0,96 en een Root Mean Square Error (RMSE) van 0,43°C.
  • Luchtstroom: Het model voorspelde de luchtstroom met een $R^2$ van 0,97 en een RMSE van 0,01 m³/s.
  • Hoewel het model de luchtstroom bij de hoogste zonneovenhoogtes (2,125 m en 2,55 m) licht onderschatte, was de algemene overeenstemming sterk, waarbij meer dan 95% van de variatie in de gegevens nauwkeurig door het model werd verklaard.

Betekenis en Claims
Het artikel stelt dat het optimaliseren van de hoogte van de zonneoven een cruciale, goedkope en passieve strategie is voor het verbeteren van de microklimaatcondities in varkenshokken zonder afhankelijk te zijn van mechanische systemen. De bevindingen benadrukken dat het vergroten van de hoogte van de zonneoven direct de ventilatie-efficiëntie en warmteafvoer verbetert, waardoor het dierenwelzijn wordt ondersteund en de koolstofvoetafdruk van agrarische activiteiten wordt verminderd.

Bovendien valideert de studie de betrouwbaarheid van het CFD RNG k-ε turbulentiemodel voor het simuleren van luchtstroom en temperatuurverdeling in veehouderijfaciliteiten. Ondanks de bekende beperkingen van RANS-modellen vergeleken met Large Eddy Simulations (LES) wat betreft rekenkosten, concludeert de studie dat het RNG k-ε model een betrouwbare balans biedt tussen computationele middelen en nauwkeurigheid voor deze toepassing. De resultaten bieden praktische inzichten voor ingenieurs en ontwerpers om energie-efficiënte, klimaatbewuste infrastructuur voor de veehouderij te ontwikkelen.