Chimenea solar con acumulación de calor para acondicionamiento térmico pasivo de edificios

Abstract

Una chimenea solar es un dispositivo capaz de aprovechar la energía solar en forma directa para generar un gradiente de presiones y producir de esa forma una circulación natural de aire. El análisis de su funcionamiento resulta de gran interés, por las ventajas económicas y ambientales que presenta en aplicaciones de acondicionamiento térmico y ventilación de edificios. En el presente trabajo se investigaron los modelos analíticos existentes en la literatura para la estimación del flujo de aire producido. Se identificaron los fundamentos teóricos que utilizan y el grado de ajuste que logran respecto de las mediciones experimentales. Se pudo comprobar que la metodología utilizada por estos modelos para el cálculo del flujo de aire generado en la chimenea-basada en un balance entre las fuerzas de flotación producidas por el calentamiento del aire y las pérdidas por fricción-no se ajusta adecuadamente a las mediciones experimentales para determinados regímenes de flujo dentro del canal. Se propuso una nueva metodología, basada en el modelo de la pluma introducido por He et al., 2016, para el cálculo de las fricciones, que tiene en cuenta los diferentes regímenes de flujo que aparecen en una chimenea solar en función de la geometría del canal y de la radiación incidente. Se implementó en Fortran un modelo numérico simplificado que permite resolver la transferencia de calor en los componentes solidos de la chimenea, y las ecuaciones de transferencia de calor, cantidad de movimiento y conservación de la masa para el aire. En la validación se mostró que el modelo propuesto logra un mejor ajuste a las mediciones experimentales que otros modelos existentes.

A solar chimney is a device able to convert solar energy into mechanical energy, in which an air circulation is generated by natural convection. The analysis of its operating mechanism is of great interest due to the economical and environmental advantages that it can provide for thermal conditioning and ventilation in buildings. In this work, analytical models presented in the literature for the estimation of the airflow produced by a solar chimney were reviewed. The theoretical concepts involved in the models were identified, and the agreement with the experimental measurements was analyzed. It was shown that, despite most analytical models calculate the airflow by balancing buoyancy forces with pressure loses, this methodology is not adequate in certain flow regimens. A new methodology, based on the plume method, introduced by He et al., 2016 was proposed for the pressure loses calculation, taking into account different flow regimens present in the solar chimney, depending on the geometry and the incident solar radiation. A simplified numerical model was implemented in FORTRAN. It was able to solve heat transfer in solid components of the chimney, and heat, momentum and mass conservation equations for the air. The numerical model was validated, showing a better fit to the experimental measurements than the existing analytical models.