Giải pháp thông gió tự nhiên sử dụng nguồn nhiệt bức xạ mặt trời trong điều kiện thời tiết ở thành phố hồ chí minh

SỞ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TÍNH TỐN BÁO CÁO TỔNG KẾT GIẢI PHÁP THƠNG GIĨ TỰ NHIÊN SỬ DỤNG NGUỒN NHIỆT BỨC XẠ MẶT TRỜI TRONG ĐIỀU KIỆN THỜI TIẾT Ở THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Đơn vị thực hiện: Phịng Thí nghiệm Mở Chủ nhiệm nhiệm vụ: Nguyễn Quốc Ý TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 7/2019 SỞ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TÍNH TỐN BÁO CÁO TỔNG KẾT GIẢI PHÁP THƠNG GIĨ TỰ NHIÊN SỬ DỤNG NGUỒN NHIỆT BỨC XẠ MẶT TRỜI TRONG ĐIỀU KIỆN THỜI TIẾT Ở THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Viện trưởng: Nguyễn Kỳ Phùng Đơn vị thực hiện: Phịng Thí nghiệm Mở Chủ nhiệm nhiệm vụ: Nguyễn Quốc Ý TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 7/2019 Giải pháp thơng gió tự nhiên sử dụng nguồn nhiệt xạ mặt trời điều kiện thời tiết Thành phố Hồ Chí Minh MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU ĐƠN VỊ THỰC HIỆN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU I Báo cáo khoa học II Tài liệu khoa học xuất 38 III Chương trình giáo dục đào tạo 39 IV Hội nghị, hội thảo 40 V File liệu 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 CÁC PHỤ LỤC 44 PHỤ LỤC 1: HÌNH ẢNH – BẢNG BIỂU 44 PHỤ LỤC 2: BÀI BÁO KHOA HỌC 46 Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page Giải pháp thơng gió tự nhiên sử dụng nguồn nhiệt xạ mặt trời điều kiện thời tiết Thành phố Hồ Chí Minh MỞ ĐẦU Với vị trí địa lý gần Xích đạo, Thành phố Hồ Chí Minh nhận nguồn nhiệt xạ mặt trời với cường độ lớn, với thời điểm cao ngày 1200W/m2, thời gian nắng ngày dài Do đó, cơng trình, tồ nhà cao tầng có sử dụng kính, cần phải có giải pháp cách nhiệt hiệu để giảm lượng nhiệt xạ mặt trời truyền vào bên cơng trình nhằm giảm tải cho hệ thống thơng gió điều hồ khơng khí Ở mặt ngược lại, nguồn nhiệt xạ mặt trời lớn sử dụng để giúp thơng gió tự nhiên để giảm thiểu việc sử dụng hay thay hoàn toàn hệ thống thơng gió khí giúp tiết kiệm lượng cho cơng trình Một giải pháp thơng gió tự nhiên sử dụng nguồn nhiệt mặt trời phổ biến giới Ống khói nhiệt (Solar chimney) Ống khói nhiệt thơng thường có kênh dẫn khí kính cho ánh sáng mặt trời xuyên qua bề mặt hấp thụ nhiệt mặt trời (tấm kim loại hay tường nhà) Nhiệt mặt trời hấp thu bề mặt ống khói nhiệt tạo hiệu ứng ống khói để tạo dịng khí đối lưu tự nhiên, nhờ giúp thơng gió cho cơng trình Trong nghiên cứu này, tiến hành thực nghiệm mô số để đánh giá đặc tính làm việc ống khói nhiệt phù hợp điều kiện cơng trình thời tiết thực Tp HCM Thí nghiệm thực phịng thí nghiệm nhà thực điều kiện thời tiết thực Mô thực mã nguồn tự phát triển phần mềm thương mại Các kết thí nghiệm mặt giúp đánh giá hiệu giải pháp ống khói nhiệt thơng thường điều kiện cơng trình thời tiết Tp HCM, mặt khác giúp cung cấp thông số giúp xây dựng mơ hình điều kiện tính tốn số phù hợp Từ kết thí nghiệm tính tốn số cho loại ống khói nhiệt thơng thường, chúng tơi đề xuất thiết kế hồn tồn thích hợp cho điều kiện thời tiết (bức xạ) cơng trình Tp HCM - ống khói nhiệt nằm ngang Kết mơ số cho thấy đặc tính làm việc ống khói nhiệt kiểu theo thông số thiết kế điều kiện xạ mặt trời Các kết nghiên cứu giúp ích cho việc thiết kế tích hợp ống khói nhiệt vào lớp vỏ cơng trình nhằm phục vụ cho mục đích thơng gió tự nhiên hay cách nhiệt xạ nhằm giảm tải nhiệt cơng trình Lời cảm ơn đến ICST Nhóm nghiên cứu trân trọng cảm ơn Viện khoa học Cơng nghệ tính tốn (ICST) thuộc Sở KH CN Tp HCM tài trợ cho nghiên cứu Chúng cảm ơn giúp đỡ anh chị phòng Tổ chức hành chánh Phòng tài vụ hỗ trợ cho thủ tục thực đề tài Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page Giải pháp thơng gió tự nhiên sử dụng nguồn nhiệt xạ mặt trời điều kiện thời tiết Thành phố Hồ Chí Minh ĐƠN VỊ THỰC HIỆN Phịng thí nghiệm: Phịng Thí nghiệm Mở Chủ nhiệm nhiệm vụ: Nguyễn Quốc Ý Thành viên nhiệm vụ: TS Huỳnh Bá Phước PGS TS Ngyễn Quốc Ý PGS TS Nguyễn Thị Bảy ThS Hà Phương ThS Lê Thanh Thuận ThS Trần Thị Mỹ Hồng Cơ quan phối hợp: Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page Giải pháp thơng gió tự nhiên sử dụng nguồn nhiệt xạ mặt trời điều kiện thời tiết Thành phố Hồ Chí Minh KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU I BÁO CÁO KHOA HỌC I.1 Giới thiệu Thơng gió tịa nhà thực hiệu ứng tự nhiên gây gió bên ngồi hiệu ứng nhiệt (Chan et al, 2010) Trong số phương pháp dựa hiệu ứng nhiệt, ống khói lượng mặt trời hấp thụ nhiệt xạ mặt trời để tăng nhiệt độ khơng khí Thành phần cấu trúc ống khói lượng mặt trời kênh dẫn khí với vách làm kính đối diện với bề mặt hấp thụ (Bansal et al., 1993) Nhiệt xạ mặt trời truyền qua kính nhận trữ bề mặt hấp thụ sau truyền vào khơng khí bên kênh Khơng khí nóng giãn nở, có xu hướng di chuyển lên tạo luồng không khí để thơng gió khơng gian kết nối (Bansal et al., 1993) Ống khói nhiệt mặt trời nghiên cứu rộng rãi trước Đối với mục đích thơng gió, lưu lượng khí cảm ứng thơng số kiểm tra phổ biến ống khói mặt trời Các nghiên cứu trước ống khói mặt trời có kênh dẫn khí thẳng đứng (Chen cộng sự, 2003; Ong Chow, 2003; Bansal cộng sự, 2005; Burek Habeb, 2007; Bassiouany Korah, 2008; Zamora Kaiser, 2009; Khanal Lei, 2012; Hosien Selim, 2017; Zavala-Guillén et al., 2018) nghiêng (Adam et al., 2002; Chen et al., 2003; Mathur et al., 2006; Harris Helwig, 2007; Bassiouany Korah, 2009), lưu lượng cảm ứng phụ thuộc chủ yếu vào thông lượng nhiệt (cường độ) bề mặt hấp thụ, bề rộng kênh dẫn khí chênh lệch độ cao đầu vào đầu kênh khí (Shi et al., 2018) Đối với hai loại ống khói nhiệt mặt trời, lưu lượng báo cáo tăng theo thông lượng nhiệt, bề rộng kênh dẫn chiều cao ống khói Tuy nhiên, tỷ lệ lớn bề rộng so với chiều cao dẫn đến giảm tốc độ tăng lưu lượng cảm ứng tồn dòng chảy ngược đầu ống khói (Chen et a., 2003; Khanal Lei, 2012) Đối với ống khói nghiêng, lưu lượng cảm ứng phụ thuộc vào góc nghiêng θ kênh khơng khí theo hướng ngang Khi góc nghiêng θ thay đổi từ đến 90 độ, lưu lượng tăng, đạt cực đại, sau giảm (Adam đồng sự, 2002; Chen cộng sự, 2003; Harris Helwig, 2007; Bassiouany Korah, 2009) Khi θ tiến đến 0, lưu lượng cảm ứng dự kiến ngừng khơng có chênh lệch độ cao cửa vào cửa kênh khơng khí thẳng (Adam et al., 2002; Harris Helwig, 2007;) Trong nghiên cứu này, dùng thực nghiệm mô để nghiên cứu đặc tính làm việc ống khói nhiệt việc xem xét điều kiện thời tiết công trình Tp HCM Dựa kết nghiên cứu, chúng tơi đề xuất thiết kế ống khói nhiệt phù hợp với điều kiện địa phương: ống khói nhiệt nằm ngang Một ống khói lượng mặt trời với kênh khơng khí ngang có nhiều lợi cho việc tích hợp vào cơng trình Với bề mặt hấp thụ ngang, ống khói nhận xạ mặt trời góc rộng so với mặt đứng nghiêng Nó thuận tiện để tích hợp đặt mái Tuy nhiên, ống khói với kênh khơng khí nằm ngang địi hỏi yếu tố cấu trúc bổ sung để tạo khác biệt chiều cao cho hiệu ứng ngăn xếp Trong nghiên cứu này, cấu hình đơn giản ống khói lượng mặt trời với kênh khơng khí nằm ngang đề xuất Hiệu suất liên quan đến lưu lượng khơng khí cảm ứng hiệu suất nhiệt dự đốn mơ hình CFD tác động thông lượng nhiệt ứng dụng kích thước I.2 Phương pháp Hai phương pháp sử dụng nghiên cứu: phương pháp thực nghiệm phương pháp mô số Phương pháp thực nghiệm tiến hành phịng thí nghiệm điều kiện thực – nhà mẫu Phương pháp mô số tiến hành với mã nguồn dựa phương pháp Lattice Boltzmann phần mềm thương mại CFD ANSYS Fluent Viện Khoa học Công nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page Giải pháp thơng gió tự nhiên sử dụng nguồn nhiệt xạ mặt trời điều kiện thời tiết Thành phố Hồ Chí Minh I.2.1 Thực nghiệm phịng thí nghiệm Mơ hình thí nghiệm, Hình 1, bao gồm dàn đèn mô quang phổ mặt trời kênh thí nghiệm, mở đầu đầu bao kín mặt bên Kênh có chiều cao 150 cm chiều rộng 50 cm (diện tích bề mặt 0,75 m2) Chiều sâu kênh thay đổi, khoảng thay đổi điều chỉnh từ 50 đến 150 mm Kênh cấu tạo để hấp thụ ánh sáng mặt trời, tạo hiệu ứng ống khói nhiệt, với bề mặt kính nhận xạ từ dàn đèn (có quang phổ giống với mặt trời) giới hạn gỗ mặt bên Kênh đặt phịng thí nghiệm với nguồn ánh sáng điều chỉnh Trong thí nghiệm, xạ từ hệ thống đèn cố định, chiều sâu kênh thay đổi nhằm so sánh nhiệt độ bề mặt kính phía sau lưu lượng dịng khí qua kênh Thí nghiệm nhằm đánh giá tính khả thi hiệu việc sử dụng đèn để mơ xạ mặt trời Hình Mơ hình thí nghiệm phịng thí nghiệm a) Thời gian đo Các kết thí nghiệm cần phải xem xét điều kiện ổn định Để đạt trạng thái ổn định, hệ thống cần vận hành từ 3-4 tiếng trước thực công tác lấy số liệu Tuy nhiên, bóng đèn VitaLux khơng thể chịu nhiệt độ lớn thời gian dài xảy tượng tự tắt Nhóm tiến hành kiểm tra thời gian ổn định vào thời điểm khác ngày (xem Hình 2) nhận thấy rằng: thời gian ổn định luồn lưu chất kênh mơ hình nhóm thường kéo dài từ đến 60 phút, phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi xung quanh Viện Khoa học Công nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page Giải pháp thơng gió tự nhiên sử dụng nguồn nhiệt xạ mặt trời điều kiện thời tiết Thành phố Hồ Chí Minh a) b) c) C Hình Biều đồ vận tốc gió giai đoạn đầu với bề rộng kênh B=150mm lần đo lúc a)11:32 ngày 27/2/2017; b)12:54 ngày 28/2/2017; c)15:15 ngày 3/3/2017 Bên cạnh lấy số liệu vận tốc dịng khí ra, đồ thị vận tốc tức thời, nhiệt độ môi trường, ảnh chụp xạ nhiệt bề mặt kính ghi lại b) Phương pháp lấy số liệu Các thí nghiệm cho trường hợp bề rộng kênh tiến hành hai lần lấy giá trị trung bình Các giá trị nhiệt độ hay xạ phấn bố điểm theo phương đứng trình bày báo cáo kết trung bình ba điểm theo phương ngang Xuyên suốt thời gian thí nghiệm, khoảng cách bóng đèn VitaLux với kính thứ giữ cố định nhằm đảm bảo cường độ xạ đầu vào không đổi I.2.2 Thực nghiệm điều kiện thực – nhà mẫu Thực nghiệm tiến hành nhà mẫu PTN Vật lý kiến trúc Trường đại học Bách Khoa Tp HCM Nhà mẫu có kích thước (Dài x Rộng x Cao) xây tường gạch hai lớp với chiều dày tường 220 mm Mái nhà tơn có la-phơng Khơng gian mái nhà la-phơng thơng gió tự nhiên Với thiết kế này, lớp vỏ nhà Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page Giải pháp thơng gió tự nhiên sử dụng nguồn nhiệt xạ mặt trời điều kiện thời tiết Thành phố Hồ Chí Minh mẫu đáp ứng tiêu chuẩn cách nhiệt cơng trình hiệu lượng theo Qui chuẩn Việt Nam QCVN 09:2013 [5] Lớp kính đơi sử dụng cho thí nghiệm bố trí tường phía Tây nhà, Hình Mỗi kính có bề dày 6,0 mm loại kính trắng thơng thường Diện tích bề mặt kính (Rộng x Cao) Tấm kính gắn cố định tường kính ngồi di chuyển để thay đổi khoảng cách hai kính thí nghiệm Hai thành bên hơng khe dẫn khí hai kính bịt kính xốp cách nhiệt Hai đầu khe dẫn khí để hở Do đó, khơng khí lưu thông nhờ hiệu ứng nhiệt từ lên ngồi mơi trường Hình Lớp kính đơi nhà mẫu (trái) vị trí đo nhiệt độ bề mặt lớp kính (ở giữa) vị trí đo nhiệt độ phịng (phải) Do lớp kính đơi bố trí tường hướng Tây nhà nên thời gian đo từ lúc 12:00 trưa đến 40:00 chiều, lúc mà tồn bề mặt kính nhận xạ mặt trời Các thông số đo đạc bao gồm: - Cường độ xạ mặt trời , - Nhiệt độ bề mặt lớp kính trong, - Nhiệt độ bên phòng mặt lớp kính 30,0 cm, - Nhiệt độ mơi trường bên ngồi nhà Khi bề mặt kính nhận xạ mặt trời, phần lượng nhiệt xạ truyền xuyên qua hai lớp kính vào cơng trình; phần hấp thụ hai lớp kính Phần hấp thụ truyền cho khơng khí bên kênh dẫn khí phần truyền vào bên cơng trình dạng dẫn nhiệt qua lớp kính đối lưu nhiệt bề mặt lớp kính Do hạn chế thiết bị, chưa thể đo đạc nhiệt độ vận tốc dịng khí bên kênh dẫn để nghiên cứu trình đối lưu tự nhiên ảnh hưởng hiệu ứng nhiệt Chúng đo nhiệt độ bề mặt kính nhiệt độ lớp khơng khí bên phịng gần lớp kính để nghiên cứu ảnh hưởng trình dẫn nhiệt đối lưu bề mặt lớp kính khơng khí phịng Nhiệt độ bề mặt kính khơng khí phịng đo 07 vị trí Hình Cùng với cảm biến đo nhiệt độ mơi trường, tổng cộng có 15 cảm biến sử dụng thí nghiệm Cường độ xạ mặt trời đo đỉnh nhà theo phương đứng Các cảm biến nhiệt độ cường độ xạ mặt trời có độ xác tương ứng 5% giá trị đo Cảm biến nối với data logger đo liên tục với tần số lấy mẫu 01 giây Bề dày khe dẫn khí thay đổi cho thí nghiệm, với tổng cộng 05 phương án: Chỉ có lớp kính trong, Có lớp kính ngồi với bề dày khe dẫn khí 20,0 cm, khe dẫn khí hở, Có lớp kính ngồi với bề dày khe dẫn khí 15,0 cm, khe dẫn khí hở, Có lớp kính ngồi với bề dày khe dẫn khí 10,0 cm, khe dẫn khí hở, Có lớp kính ngồi với bề dày khe dẫn khí 10,0 cm, khe dẫn khí kín Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page Giải pháp thơng gió tự nhiên sử dụng nguồn nhiệt xạ mặt trời điều kiện thời tiết Thành phố Hồ Chí Minh Mỗi phương án thí nghiệm đo ba ngày liên tiếp để có số liệu trung bình Cả 05 trường hợp đo tháng năm 2018, nhằm tránh ảnh hưởng việc góc mặt trời thay đổi thời gian đo trường hợp lâu I.2.3 Phương pháp Lattice Boltzmann Mô hình hai chiều ống khói nhiệt thẳng đứng thể Hình Các nghiên cứu trước (Chen et al., 2003; Khanal and Lei, 2012) cho thấy mơ hình hai chiều mơ tả tốt đặc tính ống khói nhiệt Trong ống khói nhiệt thực tế, nhiệt xạ mặt trời truyền qua kính nhận bề mặt hấp thụ nhiệt Nhiệt từ bề mặt hấp thụ truyền vào khối khí bên kênh dẫn để tạo hiệu ứng nhiệt sinh dịng khí Trong mơ phỏng, để tập trung vào hiệu ứng nhiệt, mơ hình tính tốn số xây dựng để mơ tả q trình truyền nhiệt từ bề mặt hấp thụ vào bên kênh dẫn Do đó, bề mặt hấp thụ nhiệt xạ mô nguồn nhiệt với công suất phát nhiệt tương ứng với cường độ xạ nhiệt mặt trời nhận được, hay giá trị nhiệt độ lớn nhiệt độ mơi trường Thất nhiệt kính bỏ qua (Chen et al, 2003) Trong nghiên cứu này, q trình cặp đơi dịng khí – nhiệt mô phương pháp LBM với giả thiết: - Dịng khí hai chiều, chuyển động ổn định không nén - Tương tác nhiệt dịng khí mơ tả phương pháp Boussinesq - Dịng khí chế độ chảy tầng Đối với toán đối lưu tự nhiên bên kênh dẫn khí, dịng khí xem chảy tầng số Rayleigh (xem phương trình (10-11) bên dưới) nhỏ 1013 (Chen et al, 2003) Do đó, nghiên cứu này, tập trung vào giá trị số Ra thấp 1013 g y x H b Hình Mơ hình hai chiều ống khói nhiệt thẳng đứng, đó: b chiều rộng, H chiều cao, đầu vào, đầu ra, kính, bề mặt hấp thụ nhiệt xạ mặt trời phát nhiệt vào kênh dẫn khí Phương pháp tính tốn động lực học lưu chất (CFD –Computational Fluid Dynamics) LBM ngày trở nên phổ biến với nhiều ưu điểm so với phương pháp giải xấp xỉ hệ phương trình Navier – Stokes truyền thống (như phương pháp Thể Tích Hữu Hạn hay Sai Phân Hữu Hạn) tính đơn giản tính thuận tiện cho việc thực thi song song (Mohamad, 2011) Chi tiết phương pháp LBM tìm thấy tài liệu tham khảo (Mohamad , 2011, Zhou and He, 1997; Mohamad and Kuzmin, 2010; Mohamad et al., 2009) Phần giới thiệu phương trình sử dụng mơ Trong phương pháp LBM, chuyển động phần tử lưu chất điểm mô tả theo nhóm với hàm phân bố fi theo nhiều phương Đối với tốn hai chiều, hai mơ hình sử dụng nhiều D2Q4 với hàm phân bố D2Q9 với hàm phân bố, Hình Trong nghiên cứu này, chúng tơi sử dụng mơ hình D2Q9 cho dịng khí D2Q4 cho Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Page 271 272 273 Fig 10 Induced flowrate and thermal efficiency through the solar chimney with a nearby vertical wall and a 274 top horizontal plate (case b in Figure 1) at different distances of the plate from the outlet of the chimney and 275 at 𝑅𝑎 = 1011 18 276 The data in Figure also shows a reduction of the thermal efficiency as the G/H ratio increases As the gap 277 increased, the volume of unheated air in the air channel also expanded and led to a decrease of the average 278 air temperature at the outlet of the chimney The thermal efficiency then dropped accordingly Since the 279 reverse flow near the outlet of the air channel takes air at ambient temperature into the air channel, the 280 efficiency of the right wall heated cases were lower than that of the left wall heated ones 281 3.2 Effects of the vertical and horizontal walls 282 Effect of the top wall 283 Effects of the top wall in form of a horizontal plate, as sketched in Figure 1b was examined for two cases of 284 the chimneys with different G/H ratios of 0.1 and 0.3 at 𝑅𝑎 = 1011 As seen in Figure 9, effects of the 285 vertical wall on the induced flowrate for the case of G/H=0.1 are different from the case of G/H=0.3 286 Therefore, such two typical cases of G/H were also tested for effects of the top wall The induced flowrate 287 and thermal efficiency are plotted in Figure 10 as functions of the ratio of the distance of the top plate and 288 the air gap, ℎ𝑡 /𝐺 289 In general, for both cases of the heat source distribution on the left and the right walls, the induced flowrate 290 and thermal efficiency approached to the values obtained without the top plate when the ratio ℎ𝑡 /𝐺 was 291 beyond a critical value However, the critical value of ℎ𝑡 /𝐺 for the case of the right wall heated was just 292 about 2.0 while that for the case of the left wall heated was about 5.0 293 It is also interesting to see that the variation of the flowrate obtained for both cases of the heat source 294 distribution with the ratio ℎ𝑡 /𝐺 was similar for the case of G/H=0.1 but different for the case of G/H=0.3 295 When the heat source was on the right wall at G/H=0.3, the flowrate achieved a peak at ℎ𝑡 /𝐺 ≈ 0.3 which is 296 about 17% higher than the value without the top plate The temperature and velocity fields for the case of 297 ℎ𝑡 /𝐺 ≈ 0.3 (G/H=0.3 and right wall heated) are presented in Figure 11 Without the top plate, a reverse 19 298 flow appeared at the top of the air channel and brought air at lower temperature into the air channel The 299 presence of the top plate in this case obstructed that reverse flow Therefore, the air temperature near the 300 outlet of the air channel was enhanced These effects resulted in higher induced flowrate and thermal 301 efficiency 302 Figure 12 shows the temperature and velocity distributions with and without the top plate for the case of 303 ℎ𝑡 /𝐺 = 1.0 (G/H=0.3 and left wall heated) With the top plate, the air layer with high speed near the heated 304 wall was narrower and a recirculation zone appeared in the confined space between the chimney outlet and 305 the top late It is expected that the flow experienced more resistance and less flowrate was induced 306 However, the air temperature near the outlet was higher 307 The thermal efficiency in Figure 10 in all cases was higher for lower ratio of ℎ𝑡 /𝐺 The air temperature 308 distribution across the air gap at the top of the air channel tended to be more uniform when the top plate was 309 closer to the outlet of the air channel This point implies that when a solar chimney is used for purposes of 310 collecting hot air for drying agricultural products or similar applications, suitable arrangement of a plate on 311 top of the solar chimney may help to enhance the average temperature of the collected air 312 Effect of the bottom walls 313 Effects of the bottom wall in forms of either a flat plate or a flat horizontal wall as sketched in Figure 1c 314 and 1d were tested for the solar chimneys with G/H=0.3 and G/H=0.1 at 𝑅𝑎 = 1011 , similar to the cases for 315 testing effects of the top wall Figure 13 presents the velocity fields and temperature distributions with and 316 without the presence of the flat plate or the horizontal wall on the bottom with the ratio ℎ𝑏 /𝐺 = ℎ𝑏,𝑤 /𝐺 = 317 0.5 The flow fields for both cases of the bottom wall show similar patterns with two separation zones: one 318 close to the left wall near the inlet and the other close to the right wall near the outlet The separation zone 319 near the inlet was enlarged compared to the case without a bottom wall The temperature of the two cases 20 320 321 Fig 11 Temperature and velocity distributions with and without the top plate for the case of ℎ𝑡 /𝐺 = 0.3 322 (G/H=0.3 and right wall heated) 323 324 Fig 12 Temperature and velocity distributions with and without the top plate for the case of ℎ𝑡 /𝐺 = 1.0 325 (G/H=0.3 and left wall heated) 21 326 are also identical with larger thermal boundary layer near the inlet compared to the case without the bottom 327 wall However, the difference among the temperature fields near the outlet for these three cases with and 328 without the bottom wall is negligible 329 Similar patterns of the flow and temperature fields are also observed for the cases of G/H=0.1 330 331 Fig 13 Velocity and temperature distributions for three cases: without a bottom wall, with the bottom flat 332 plate, and with the horizontal wall at the bottom (𝑅𝑎 = 1011 , G/H=0.3, left wall heated) 333 The induced flowrate and thermal efficiency under the presence of the bottom wall are plotted in Figure 14 334 and 15 for the case of G/H=0.3 and 0.1, respectively For comparison, the results with the bottom plate and 335 the bottom horizontal wall are plotted together It is seen that the data for both cases are identical for both 336 the flowrate and thermal efficiency Therefore, these two types of the bottom wall should have similar 337 effects 338 As seen in Figure 14 and 15, for the case of low ratio of G/H (G/H=0.1), the induced flowrate approached to 339 the value without a bottom wall at ℎ𝑏 /𝐺 = ℎ𝑏,𝑤 /𝐺 = 1.0~1.5 For larger ratio of G/H (G/H=0.3), this value 22 340 is higher, about 2.0 to 3.0 As the ratio ℎ𝑏 /𝐺 or ℎ𝑏,𝑤 /𝐺 increased, although the thermal efficiency tended to 341 increase for the case of G/H=0.3 or to decrease for the case of G/H=0.1, the variation was only within a few 342 percent 343 Bassiouny and Koura (2008) tested effects of the size of a horizontal inlet of a vertical solar chimney and 344 reported that the induced flowrate was not affected when the inlet height is twice the channel gap Gan 345 (2010) in a study on effects of the domain size suggested a minimum extension of three times of the channel 346 gap below the chimney inlet to avoid influence on the induced flowrate Our results for the case of G/H=0.3 347 agrees with these two previous study while for the narrower chimney (G/H=0.1), the required distance of the 348 bottom wall was lower 349 Conclusions 350 Effects of four types of the neighboring walls on the induced flowrate and thermal efficiency of the natural 351 convection flow in a vertical solar chimney have been predicted by a CFD model The effects also depended 352 on two other factors: the ratio of the air gap and the chimney height and the location of the heated wall 353 With the vertical wall, as the air gap increased, the heat source on the left wall enhanced the induced 354 flowrate and thermal efficiency With the top plate combined with the vertical wall, the heat source on the 355 left wall only induced more flowrate and higher thermal efficiency for large G/H ratio, however, required 356 higher distance of the top plate from the chimney outlet to reach the performance obtained without the top 357 plate The bottom plate and the bottom wall had similar effects on the airflow and required minimum 358 distance of one to two times the air gap from the chimney inlet for negligible effect 359 360 361 23 362 Acknowledgement 363 This research was funded by the Department of Science and Technology – Ho Chi Minh City (HCMC – DOST), and 364 the Institute for Computational Science and Technology (ICST) at Ho Chi Minh City, Vietnam under Contract No 365 26/2017/HD-KHCNTT 366 367 368 Fig 14 Predicted induced flowrate and thermal efficiency through the solar chimney with the nearby 369 vertical wall and the bottom horizontal plate (case c in Figure 1) or the bottom horizontal wall (case d in 370 Figure 1) at different distances of the plate from the inlet of the chimney at 𝑅𝑎 = 1011 and G/H=0.3 24 371 372 373 Fig 15 Induced flowrate and thermal efficiency through the solar chimney with the nearby vertical wall 374 and the bottom horizontal plate (case c in Fig 1) or the bottom horizontal wall (case d in Fig 1) at different 375 distances of the plate from the inlet of the chimney and at 𝑅𝑎 = 1011 and G/H=0.1 376 25 377 References 378 AboulNaga, M , & Abdrabboh, S (2000) Improving night ventilation into low-rise buildings in hot- 379 arid climates exploring a combined wall–roof solar chimney Renewable Energy, 19(1–2), 47–54 380 Adam J., Yamanaka T., & Kotani H (2002) Mathematical model and experimental study of airflow 381 in solar chimneys Proceedings of 8th International Conference on Air Distribution in Rooms 382 (ROOMVENT 2002), 621-624 383 384 385 386 Afonso, C., & Oliveira, A (2000) Solar chimneys: simulation and experiment Energy and Buildings, 32, 71-79 Al Touma, A., & Ouahrani, D (2018) Performance assessment of evaporatively-cooled window driven by solar chimney in hot and humid climates Solar Energy, 169, 187–195 387 Al-Kayiem, H H., Sreejaya, K V., & Chikere, A O (2018) Experimental and numerical analysis 388 of the influence of inlet configuration on the performance of a roof top solar chimney Energy and 389 Buildings, 159, 89–98 390 391 392 393 394 395 396 397 Bansal, N K., Mathur, J., Mathur, S., & Jain, M (2005) Modeling of window-sized solar chimneys for ventilation Building and Environment, 40(10), 1302–1308 Bassiouny, R., & Korah, N S A (2009) Effect of solar chimney inclination angle on space flow pattern and ventilation rate Energy and Buildings, 41(2), 190–196 Bassiouny, R., & Koura, N S A (2008) An analytical and numerical study of solar chimney use for room natural ventilation Energy and Buildings, 40(5), 865–873 Burek, S A M., & Habeb, A (2007) Air flow and thermal efficiency characteristics in solar chimneys and Trombe Walls Energy and Buildings, 39(2), 128–135 26 398 10 Chen, Z D., Bandopadhayay, P., Halldorsson, J., Byrjalsen, C., Heiselberg, P., & Li, Y (2003) An 399 experimental investigation of a solar chimney model with uniform wall heat flux Building and 400 Environment, 38(7), 893–906 401 11 Ferziger J.H., & Peric M (2002) Computational methods for fluid dynamics, Springer 402 12 Gan, G (2010) Impact of computational domain on the prediction of buoyancy-driven ventilation 403 404 405 cooling Building and Environment, 45(5), 1173–1183 13 Khanal, R., & Lei, C (2012) Flow reversal effects on buoyancy induced air flow in a solar chimney Solar Energy, 86(9), 2783–2794 406 14 Lei, Y., Zhang, Y., Wang, F., & Wang, X (2016) Enhancement of natural ventilation of a novel 407 roof solar chimney with perforated absorber plate for building energy conservation Applied Thermal 408 Engineering, 107, 653–661 409 410 411 412 413 15 Mathur, J., Mathur, S., & Anupma (2006) Summer-performance of inclined roof solar chimney for natural ventilation Energy and Buildings, 38(10), 1156–1163 16 Mokheimer, E M A., Shakeel, M R., & Al-Sadah, J (2017) A novel design of solar chimney for cooling load reduction and other applications in buildings Energy and Buildings, 153, 219–230 17 Shi, L., Zhang, G., Yang, W., Huang, D., Cheng, X., & Setunge, S (2018) Determining the 414 influencing factors on the performance of solar chimney in buildings Renewable and Sustainable 415 Energy Reviews, 88, 223–238 416 417 418 419 18 Tan, A.Y.K., Wong, N.H (2012) Natural ventilation performance of classroom with solar chimney system Energy and Buildings, 53, 19-27 19 Wang, H., & Lei, C (2019) Theoretical modeling of combined solar chimney and water wall for buildings Energy and Buildings, 187, 186–200 27 420 421 20 Yakhot, V., & Orszag, S A (1986) Renormalization group analysis of turbulence I Basic theory Journal of Scientific Computing, 1(1), 3–51 422 21 Zamora, B., & Kaiser, A S (2009) Optimum wall-to-wall spacing in solar chimney shaped 423 channels in natural convection by numerical investigation Applied Thermal Engineering, 29(4), 424 762–769 425 22 Zavala-Guillén, I., Xamán, J., Hernández-Pérez, I., Hernández-Lopéz, I., Gijón-Rivera, M., & 426 Chávez, Y (2018) Numerical study of the optimum width of 2a diurnal double air-channel solar 427 chimney Energy, 147, 403–417 28