مطالعه عددی تأثیر عامل‌های طراحی و تابش خورشید بر کارایی سیستم دودکش خورشیدی

نوربخش سعدآباد, آرش; یکانی, سیدکاظم; نامی خلیله ده, مهدی

مطالعه عددی تأثیر عامل‌های طراحی و تابش خورشید بر کارایی سیستم دودکش خورشیدی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

آرش نوربخش سعدآباد ¹

سیدکاظم یکانی ²

مهدی نامی خلیله ده ³

¹ دانشجوی دکتری، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

² استادیار، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

³ دانشجوی دکتری ، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

چکیده

افزایش نیاز به انرژی و ضرورت بهره‌گیری از سامانه‌های کم‌مصرف، توجه به استفاده از دودکش‌های خورشیدی را به‌عنوان روشی پایدار برای تهویه و تولید جریان طبیعی هوا ضروری ساخته است. در پژوهش حاضر، عملکرد حرارتی و هیدرودینامیکی یک دودکش خورشیدی با سطح جاذب افقی تحت‌تأثیر عامل‌های هندسی و شدت تابش خورشیدی به‌صورت عددی و با استفاده از نرم‌افزار انسیس فلوئنت بررسی شده است. مدل آشفتگی k–ε RNG برای تحلیل جریان به کار گرفته شده و معادلات حاکم با روش حجم محدود حل گردیده است. ارتفاع دودکش (۰.۵ تا ۲.۵ متر)، فاصله کانال هوایی (۰.۱ و ۰.۲ متر)، ابعاد ورودی و خروجی و شدت تابش خورشیدی (۶۰۰، ۸۰۰ و ۱۰۰۰ وات بر مترمربع) به‌عنوان متغیرهای طراحی موردمطالعه قرار گرفته و مدل عددی با داده‌های تجربی موجود اعتبارسنجی شده است. نتایج نشان می‌دهد افزایش شدت تابش از ۶۰۰ به ۱۰۰۰ وات بر مترمربع سبب افزایش حدود ۴۰ درصدی دبی جرمی شده و افزایش ارتفاع دودکش و فاصله کانال به ترتیب موجب بهبود ۳۵ و ۵۰ درصدی عملکرد سامانه می‌گردد. از یافته‌های نوآورانه این پژوهش، شناسایی پدیده جریان بازگشتی در ناحیه خروجی است که در نسبت بحرانی ارتفاع خروجی به فاصله شکاف هوایی ( =1.26–1.6) رخ‌داده و باعث کاهش بازده سامانه از حدود ۹۰٪ به نزدیک ۳۰٪ می‌شود. بر اساس نتایج، اجتناب از نسبت‌های بحرانی و بهینه‌سازی هندسه خروجی نقش کلیدی در افزایش راندمان و جلوگیری از افت عملکرد دودکش خورشیدی دارد. این نتایج می‌تواند به‌عنوان مبنایی برای طراحی بهینه دودکش‌های خورشیدی در اقلیم‌های گرم و خشک مورداستفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها

دودکش خورشیدی

عامل‌های هندسی

تابش خورشیدی

دینامیک سیالات محاسباتی

20.1001.1.23223278.1405.15.1.3.3

عنوان مقاله English

Numerical Investigation of Design and Solar Irradiance Parameters on the Performance of a Solar Chimney System

نویسندگان English

Arash Nourbakhsh ¹

Seyyed Kazem Yekani ²

mahdi nami khalilehdeh ³

¹ Phd student, , University of Tabriz, Tabriz, Iran

² Assistant Professor, , University of Tabriz, Tabriz, Iran

³ Phd student, University of Tabriz, Tabriz, Iran

چکیده English

The increasing global demand for energy and the need for sustainable ventilation solutions highlight the importance of solar chimney systems as a passive and environmentally compatible technology. In the present study, the thermal and hydrodynamic performance of a solar chimney with a horizontal absorber surface is numerically investigated under the influence of geometric design parameters and solar radiation intensity. Numerical simulations were performed using ANSYS Fluent based on the Computational Fluid Dynamics (CFD) framework, and the RNG k–ε turbulence model was employed to capture the airflow behavior. The governing continuity, momentum, and energy equations were solved using the finite volume method, and the numerical model was validated against available experimental data. The effects of chimney height (0.5–2.5 m), air channel gap (0.1 and 0.2 m), inlet and outlet dimensions, and solar radiation intensity (600, 800, and 1000 W/m²) on the system performance were examined. The results indicate that increasing the solar radiation intensity from 600 to 1000 W/m² leads to approximately a 40% enhancement in the mass flow rate. Moreover, increasing the chimney height from 1.0 to 2.5 m and widening the air channel gap from 0.1 to 0.2 m improve system performance by about 35% and 50%, respectively. A key contribution of this study is the identification of a recirculating flow phenomenon at the chimney outlet, which occurs at a critical ratio of the outlet height to air gap spacing ( =1.26–1.6). This recirculation significantly reduces the system efficiency, decreasing the thermal performance from approximately 90% to nearly 30%. The findings demonstrate that avoiding these critical geometric ratios and optimizing the outlet configuration are essential for maximizing the efficiency of solar chimney systems. The results of this study provide practical guidance for the optimal design of solar chimneys, particularly in hot and arid climatic regions.

کلیدواژه‌ها English

Solar chimney

Geometrical parameters

Solar irradiance

Computational fluid dynamics

[1] Keyhanpour M, Ghasemi M. Three-dimensional simulation of the effect of geometry and temperature distribution on the performance of a solid oxide fuel cell. J. Fluid Mech. Aerodyn. 1400;10(2):169–184. (In Persian). dor:https://dor.isc.ac/dor/20.1001.1.23223278.1400.10.2.9.6

[2] Goudarzi A, Ghanbarnia Souteh M, Doostdar MM, Zamanpour Zahraei MS. Performance evaluation of a spark-ignition rotary Wankel engine at altitude under the effect of a turbocharging system. J. Fluid Mech. Aerodyn. 1400;10(1):129–141. (In Persian). dor:https://dor.isc.ac/dor/20.1001.1.23223278.1400.10.1.9.4

[3] Rahaei O, Abi Sh, Seyed Shams Taleghani SA. Uniformization of the ventilation process in indoor exhibition halls of the Shush archaeological museum with limited interventions. J. Fluid Mech. Aerodyn. 1401;11(1):41–55. (In Persian). dor:https://dor.isc.ac/dor/20.1001.1.23223278.1401.11.1.3.5

[4] Zamora B. A review on solar chimneys: From natural convection fundamentals to thermohydraulic best-performance proposals. Processes. 2023;11(2):386. doi:10.3390/pr11020386.

[5] Yousefzadeh Sh, Ghanbari Gh, Doostdar MM. Numerical study of the effect of magnetic field on exergy efficiency in a parabolic solar collector equipped with combined turbulators filled with magnetic hybrid nanofluid. J. Fluid Mech. Aerodyn. 1403;13(1):31–42. (In Persian).dor:https://dor.isc.ac/dor/20.1001.1.23223278.1403.13.1.13.9

[6] Ye C, Zhang Y, Lv Q, Lou S, Luo X, Chen Z, Zhang G. Enhanced ventilation and energy efficiency of an optimized double-channel solar chimney. Buildings. 2025;15(8):1380. doi:10.3390/buildings15081380.

[7] Khoshnavid A, Moeidi MK. Numerical simulation of airflow effects on dust particle displacement over the surface of a parabolic-trough solar collector array for designing an automatic cleaning system. J. Fluid Mech. Aerodyn. 1401;11(1):97–113. (In Persian). dor:https://dor.isc.ac/dor/20.1001.1.23223278.1401.11.1.7.9

[8] Vázquez-Ruíz A, Navarro JMA, Hinojosa JF, Xamán JP. Effect of the solar chimney position on heat transfer in a room. Int. J. Mech. Sci. 2021;209:106700. doi:10.1016/j.ijmecsci.2021.106700.

[9] Yue S, Ge Z, Xu J, Xie J, Xie Z, Zhang S, Li J. Analysis of the ventilation performance of a solar chimney coupled to an outdoor wind and indoor heat source. Appl. Sci. 2023;13(4):2585. doi:10.3390/app13042585.

[10] Bansal NK, Mathur R, Bhandari MS. Solar chimney for enhanced stack ventilation. Build. Environ. 1993;28(3):373–377. doi:10.1016/0360-1323(93)90042-2.

[11] Chen ZD, Bandopadhayay P, Halldorsson J, Byrjalsen C, Heiselberg P, Li Y. An experimental investigation of a solar chimney model with uniform wall heat flux. Build. Environ. 2003;38(7):893–906. doi:10.1016/S0360-1323(03)00057-X.

[12] Ong KS, Chow CC. Performance of a solar chimney. Sol. Energy. 2003;74(1):1–17. doi:10.1016/S0038-092X(03)00114-2.

[13] Bansal NK, Mathur J, Mathur S, Jain M. Modeling of window-sized solar chimneys for ventilation. Build. Environ. 2005;40(10):1302–1308. doi:10.1016/j.buildenv.2004.10.011.

[14] Adam J, Yamanaka T, Kotani H. Mathematical model and experimental study of airflow in solar chimneys. In: Proc. 8th Int. Conf. Air Distribution in Rooms (ROOMVENT 2002); 2002. p. 621–624.

[15] Shi L, Zhang G, Yang W, Huang D, Cheng X, Setunge S. Determining the influencing factors on the performance of solar chimney in buildings. Renew. Sustain. Energy Rev. 2018;88:223–238. doi:10.1016/j.rser.2018.02.033.

[16] Zavala-Guillén I, Xamán J, Hernández-Pérez I, Hernández-Lopéz I, Jiménez-Xamán C, Moreno-Bernal P, Sauceda D. Ventilation potential of an absorber-partitioned air channel solar chimney for diurnal use under Mexican climate conditions. Appl. Therm. Eng. 2019;149:807–821. doi:10.1016/j.applthermaleng.2018.12.074.

[17] Khedari J, Boonsri B, Hirunlabh J. Ventilation impact of a solar chimney on indoor temperature fluctuation and air change in a school building. Energy Build. 2000;32(1):89–93. doi:10.1016/S0378-7788(99)00042-0.

[18]  Chungloo S, Limmeechokchai B. Utilization of cool ceiling with roof solar chimney in Thailand: The experimental and numerical analysis. Renew. Energy. 2009;34(3):623–633. doi:10.1016/j.renene.2008.05.026.

[19] Miyazaki T, Akisawa A, Kashiwagi T. The effects of solar chimneys on thermal load mitigation of office buildings under the Japanese climate. Renew. Energy. 2006;31(7):987–1010. doi:10.1016/j.renene.2005.05.003.

[20] Charvat P, Jicha M, Stetina J. Solar chimneys for ventilation and passive cooling. In: World Renewable Energy Congress; 2004; Denver, USA.

[21] Punyasompun S, Hirunlabh J, Khedari J, Zeghmati B. Investigation on the application of solar chimney for multi-storey buildings. Renew. Energy. 2009;34(12):2545–2561. doi:10.1016/j.renene.2009.03.032.

[22] Chen ZD, Bandopadhayay P, Halldorsson J, Byrjalsen C, Heiselberg P, Li Y. An experimental investigation of a solar chimney model with uniform wall heat flux. Build. Environ. 2003;38(7):893–906. doi:10.1016/S0360-1323(03)00057-X.

[23] Nguyen YQ, Wells JC. A numerical study on induced flowrate and thermal efficiency of a solar chimney with horizontal absorber surface for ventilation of buildings. J. Build. Eng. 2020;28:101050. doi:10.1016/j.jobe.2019.101050.

[24] Fakhari M, Heydari Sh. Optimization of solar chimney and investigation of its effect on building ventilation. Honarhā-ye Zibā: Memāri va Shahrsāzi (Fine Arts – Architecture and Urban Planning). 1392;18(2):83–88. (In Persian). dor:20.1001.1.22286020.1392.18.2.7.6.

[25] Saghafi MJ, Fakhari M. Investigation of the effect of solar chimney on building ventilation in different climates of Iran. Naqsh-e Jahan. 1391;2(2):43–54. (In Persian). dor:20.1001.1.23224991.1391.2.2.7.9.

[26] Gan G. Prediction of turbulent buoyant flow using an RNG k–ε model. Numer. Heat Transfer A: Appl. 1998;33(2):169–189.

[27] Gan G. Simulation of buoyancy-induced flow in open cavities for natural ventilation. Energy Build. 2006;38(5):410–420.

[28] Gan G. Impact of computational domain on the prediction of buoyancy-driven ventilation cooling. Build. Environ. 2010;45(5):1173–1183.

[29] Nguyen YQ, Wells JC. A numerical study on induced flowrate and thermal efficiency of a solar chimney with horizontal absorber surface for ventilation of buildings. J. Build. Eng. 2020;28:101050. doi:10.1016/j.jobe.2019.101050.

[30] Burek SAM, Habeb A. Air flow and thermal efficiency characteristics in solar chimneys and Trombe walls. Energy Build. 2007;39(2):128–135.

[31] Zamora B, Kaiser AS. Optimum wall-to-wall spacing in solar chimney-shaped channels in natural convection by numerical investigation. Appl. Therm. Eng. 2009;29(4):762–769.

[32] Khanal R, Lei C. Flow reversal effects on buoyancy-induced air flow in a solar chimney. Sol. Energy. 2012;86(9):2783–2794.

[33] Bassiouny R, Korah NSA. Effect of solar chimney inclination angle on space flow pattern and ventilation rate. Energy Build. 2009;41(2):190–196