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

Resumo Técnico: Avaliação do Efeito da Altura da Chaminé Solar na Taxa de Fluxo de Ar e Temperatura no Interior de Granjas Suínas Usando CFD

Definição do Problema
O ambiente térmico dentro de instalações pecuárias, particularmente em granjas suínas, é crítico para o crescimento e desenvolvimento dos animais. Os suínos são altamente sensíveis a flutuações térmicas, o que exige condições internas estáveis. Embora a ventilação mecânica seja comum, ela é um grande consumidor de energia e um importante contribuinte para as emissões de carbono, uma preocupação exacerbada pelas crises energéticas globais. As chaminés solares oferecem uma alternativa passiva e livre de energia para a ventilação natural. No entanto, embora diversos parâmetros, como materiais e ângulos de instalação, tenham sido estudados, permanece uma lacuna significativa de pesquisa em relação à otimização dimensional. Especificamente, poucos estudos isolaram o efeito da altura da chaminé solar nas taxas de ventilação e na remoção da carga térmica para determinar o design ideal para a criação de animais.

Metodologia
Este estudo empregou uma abordagem dupla, combinando cálculos matemáticos e simulações de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD), para avaliar o impacto de variações na altura da chaminé solar no fluxo de ar e na temperatura interna.

• Design Experimental: Cinco modelos distintos de granjas suínas foram desenvolvidos utilizando o Autodesk Inventor 2024, apresentando alturas de chaminé de 0,85 m, 1,275 m, 1,70 m (base), 2,125 m e 2,55 m. Essas alturas representaram modificações em relação à base de ±25% e ±50%.
• Modelagem Matemática: As taxas de fluxo de ar teóricas e as temperaturas internas foram calculadas utilizando equações estabelecidas. A pressão de estocagem (stack pressure) foi determinada com base nas temperaturas ambiente e da chaminé (Equação 1). A velocidade do fluxo de ar foi derivada pelo equilíbrio entre a pressão motriz e as perdas de carga por fricção e cargas menores (Equações 2–4). A temperatura interna foi modelada considerando o resfriamento evaporativo, transferências de calor e cargas térmicas internas (Equação 5).
• Simulação CFD: As simulações foram conduzidas utilizando o ANSYS Workbench 2025 R1. A geometria foi malhada utilizando o método tetraédrico com um tamanho máximo de elemento de 0,04 mm. O modelo de turbulência Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) RNG k-ε foi seleciono, pois é recomendado para fluxos turbulentos internos. As condições de contorno incluíram uma velocidade de entrada de ar de 0,95 m/s a 22°C. As simulações rodaram por 2000 iterações com um passo de tempo de 0,02s ao longo de uma duração total de 5 segundos para capturar os perfis de temperatura e fluxo de ar.
• Validação: Os resultados do CFD foram validados em relação aos dados teóricos derivados dos modelos matemáticos.

Principais Resultados
O estudo estabeleceu correlações claras entre a altura da chaminé e o desempenho térmico/de fluxo de ar:

• Taxa de Fluxo de Ar: Existe uma forte e significativa correlação positiva ($r = 0,95, p < 0,01$) entre a altura da chaminé e a taxa de fluxo de ar. À medida que a altura da chaminé aumentou de 0,85 m para 2,55 m, a taxa de fluxo de ar aumentou de 0,13 m/s para 0,22 m/s. A análise de regressão resultou em um $R^2$ de 0,99, indicando que a altura da chaminé é o fator dominante que influencia o fluxo de ar.
• Temperatura Interna: Uma forte e significativa correlação negativa ($r = -0,97, p < 0,01$) foi observada entre a altura da chaminé e a temperatura interna. À medida que a altura aumentou, a temperatura interna diminuiu de 24,1°C para 23,1°C. O coeficiente de regressão ($R^2 = 0,95$) sugere que quase toda a variação na temperatura interna é explicada pela altura da chaminé.
• Mecanismo: Essas tendências são atribuídas ao efeito de chaminé (stack effect). Chaminés mais altas geram um maior diferencial de pressão entre a entrada e a saída devido à flutuabilidade térmica, criando uma sucção mais forte que impulsiona o fluxo de ar e melhora a remoção de calor.
• Validação do Modelo: O modelo CFD demonstrou alta precisão quando comparado aos dados teóricos.
  • Temperatura: O modelo previu a temperatura com um $R^2$ de 0,96 e um Erro Quadrático Médio (RMSE) de 0,43°C.
  • Fluxo de Ar: O modelo previu o fluxo de ar com um $R^2$ de 0,97 e um RMSE de 0,01 m³/s.
  • Embora o modelo tenha subestimado levemente o fluxo de ar nas maiores alturas de chaminé (2,125 m e 2,55 m), o acordo geral foi forte, com mais de 95% da variação dos dados sendo explicada com precisão pelo modelo.

Significância e Alegações
O artigo afirma que a otimização da altura da chaminé solar é uma estratégia crucial, de baixo custo e passiva para melhorar as condições do microclima em granjas suínas sem depender de sistemas mecânicos. Os achados destacam que o aumento da altura da chaminé melhora diretamente a eficiência da ventilação e a remoção da carga térmica, apoiando assim o bem-estar animal e reduzindo a pegada de carbono das operações agrícolas.

Além disso, o estudo valida a confiabilidade do modelo de turbulência CFD RNG k-ε para simular a distribuição de fluxo de ar e temperatura em instalações pecuárias. Apesar das limitações conhecidas dos modelos RANS em comparação com as Simulações de Grandes Eddies (LES) quanto ao custo computacional, o estudo conclui que o modelo RNG k-ε fornece um equilíbrio confiável entre recursos computacionais e precisão para esta aplicação. Os resultados oferecem insights práticos para engenheiros e projetistas desenvolverem infraestruturas pecuárias energeticamente eficientes e climaticamente inteligentes.