Ветроуловитель , ветровая башня или ветрозаборник ( персидский : بادگیر ) — традиционный архитектурный элемент , возникший в Иране (Персия), используемый для создания поперечной вентиляции и пассивного охлаждения в зданиях. [1] Уловители ветра бывают различных конструкций, в зависимости от того, являются ли преобладающие местные ветры однонаправленными, двунаправленными или разнонаправленными, от того, как они меняются с высотой, от суточного температурного цикла, от влажности и от того, сколько пыли необходимо удалить. [2] Несмотря на название, ловцы ветра могут работать и без ветра.
Забытые современными архитекторами во второй половине 20-го века, в начале 21-го века они снова использовались для увеличения вентиляции и снижения энергопотребления для кондиционирования воздуха . [3] Как правило, стоимость строительства здания с вентиляцией ветроулавливателем меньше, чем стоимость строительства аналогичного здания с традиционными системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC). Затраты на техническое обслуживание также ниже. В отличие от кондиционеров и вентиляторов с электроприводом, ветроуловители бесшумны [4] и продолжают работать даже при сбоях в электросети (особая проблема в местах, где электроэнергия ненадежна и дорога, например, в Индии). [5] [11]
Ловцы ветра полагаются на местные погодные и микроклиматические условия, и не все методы будут работать повсюду; При проектировании необходимо учитывать местные факторы. [5] Уловители ветра различной конструкции широко используются в Северной Африке, Западной Азии и Индии. [12] [2] Простая и широко распространенная идея: есть свидетельства того, что ловцы ветра использовались на протяжении многих тысячелетий, и нет четких доказательств того, что они не использовались в доисторические времена . [3] [2] [12] «Место изобретения» ветроуловителей, тем не менее, активно оспаривается; Об этом заявляют Египет, Иран и Объединенные Арабские Эмираты . [12] [13]
Уловители ветра сильно различаются по форме, включая высоту, площадь поперечного сечения, а также внутренние подразделения и фильтры. [2]
Улов ветра получил определенное распространение в западной архитектуре, и существует несколько коммерческих продуктов, использующих название Windcatcher . В некоторых современных ветроуловителях используются движущиеся части с сенсорным управлением или даже вентиляторы на солнечной энергии для создания полупассивных систем вентиляции и полупассивного охлаждения . [2]
Ветроскопы издавна использовались на кораблях, например в виде дорадного ящика . Уловители ветра также использовались экспериментально для охлаждения открытых площадей в городах, но результаты были неоднозначными; [2] традиционные методы включают узкие, огороженные помещения, парки и извилистые улицы, которые действуют как резервуары холодного воздуха, а также устройства, подобные тахтабушу (см. разделы о ночном промывке и конвекции ниже). [14] : Гл. 6
Конструкция ветроуловителя зависит от преобладающего направления ветра в данном конкретном месте: если ветер дует только с одной стороны, он может иметь только одно отверстие и не иметь внутренних перегородок. [2] В районах с более переменным направлением ветра также могут быть радиальные внутренние стены, которые делят ветряную башню на вертикальные секции. Эти секции похожи на параллельные дымоходы , но с боковыми отверстиями, направленными в разные стороны. [2] Большее количество секций снижает скорость потока, но увеличивает эффективность при неоптимальных углах ветра. Если ветер ударит в открытое отверстие, он войдет внутрь, но если он ударит под достаточно наклонным углом, вместо этого он будет стремиться скользить вокруг башни. [2]
Уловители ветра в районах с более сильными ветрами будут иметь меньшее общее поперечное сечение, [15] , а в районах с очень горячим ветром могут быть много меньших шахт для охлаждения поступающего воздуха. [14] : Гл. 5 Ветровые башни с квадратным горизонтальным поперечным сечением более эффективны, чем круглые, поскольку острые углы делают поток менее ламинарным , что способствует разделению потока ; [2] подходящая форма увеличивает всасывание. [14] : Гл. 5
Более высокие ветроловы улавливают более сильный ветер. Более сильные ветры дуют сильнее и прохладнее [16] (и в другом направлении [17] ). Верхний воздух также обычно менее пыльный. [16]
Если ветер пыльный или загрязненный, или имеются заболевания, передающиеся насекомыми, такие как малярия и лихорадка денге , то может потребоваться фильтрация воздуха . [2] Некоторое количество пыли можно сбрасывать на дно ветроуловителя по мере замедления движения воздуха (см. диаграмму ниже), а большее количество пыли можно отфильтровать с помощью подходящих насаждений или сетки от насекомых. [16] Физические фильтры обычно уменьшают сквозной поток, если только поток не очень порывистый. [2] Также возможно полностью или частично закрыть ветроуловитель. [15]
Короткие, широкие малкафы с прямоугольной призмой обычно двунаправлены, расположены симметричными парами и часто используются с сальсабилем (испарительным охладителем) [2] и шукшейкой ( вентиляционным фонарем на крыше ). [16] Широкие малкафы чаще используются во влажном климате, где большой поток воздуха более важен по сравнению с испарительным охлаждением. В более жарком климате они уже, и воздух на пути внутрь охлаждается. [14] : Гл. 5 Они чаще используются в Африке. [2] Баудгир , с другой стороны, многогранны (обычно четырехсторонние) и обычно представляют собой высокие башни (до 34 метров в высоту), которые можно закрывать зимой. Они более распространены в регионе Персидского залива [2] и в районах с пыльными бурями . [15] Более высокие ловцы ветра также имеют более сильный эффект стека . [14] : Гл. 5
Ночная промывка охлаждает дом за счет увеличения вентиляции в ночное время, когда наружный воздух прохладнее; Ветровые башни могут способствовать ночной промывке. [16]
Ловец ветра также может охлаждать воздух, протягивая его над холодными объектами. В засушливом климате дневные колебания температуры часто бывают экстремальными: температура в пустыне ночью часто опускается ниже нуля. Тепловая инерция почвы выравнивает суточные и даже годовые колебания температуры. Даже тепловая инерция толстых каменных стен будет сохранять в здании тепло ночью и прохладу днем. Таким образом, ловцы ветра могут охлаждаться, втягивая воздух через материалы, охлаждаемые ночью или зимой, которые действуют как резервуары тепла .
Ловцы ветра, которые охлаждаются, протягивая воздух над водой, используют воду в качестве резервуара тепла, но если воздух сухой, они также охлаждают воздух с помощью испарительного охлаждения . [2] Тепло воздуха уходит на испарение части воды и не высвобождается до тех пор, пока вода повторно не конденсируется. Это очень эффективный способ охлаждения сухого воздуха. [2]
Простое перемещение воздуха также оказывает охлаждающий эффект. Люди охлаждаются, используя испарительное охлаждение, когда потеют . Сквозняк нарушает пограничный слой нагретого и насыщенного водой воздуха, прилипающего к коже, поэтому в движущемся воздухе человек будет чувствовать себя прохладнее, чем в застойном воздухе той же температуры. [14] : Гл. 5
Ветроуловитель может функционировать двумя способами: направление воздушного потока с помощью давления ветра, дующего в ветроуловитель, или направление воздушного потока с помощью сил плавучести за счет температурных градиентов ( эффект стека ). [2] [4] Относительная важность этих двух сил обсуждалась. Важность давления ветра, очевидно, возрастает с увеличением скорости ветра и, как правило, более важна, чем плавучесть, в большинстве условий, в которых ветроуловитель работает эффективно. [2]
Скорость воздушного потока также важна, особенно для испарительного охлаждения (поскольку оно работает только с сухим воздухом и увлажняет воздух). В здании, вентилируемом ветряной башней, может быть очень высокая скорость потока; В одном эксперименте было измерено 30 замен воздуха в час. [5] Важным является равномерный, стабильный поток без застойных углов. Поэтому следует избегать турбулентного потока; ламинарный поток более эффективен для поддержания комфорта человека [4] (крайний пример см. клапан Теслы ).
Другие элементы часто используются в сочетании с ветроуловителями для охлаждения и вентиляции: например, внутренние дворы , купола , стены и фонтаны, как неотъемлемые части общей стратегии вентиляции и управления теплом.
Если открытая сторона ветроуловителя обращена к преобладающему ветру, он может «поймать» его и опустить в самое сердце здания. Всасывание с подветренной стороны ветряной башни также является важной движущей силой, обычно несколько более постоянной и менее порывистой, чем давление с наветренной стороны (см. Эффект Вентури и принцип Бернулли ). [14] : Гл. 5
Направление ветра через здание охлаждает людей, находящихся внутри здания. Воздух проходит через дом и выходит с другой стороны, создавая сквозную тягу; сама скорость воздушного потока может обеспечить охлаждающий эффект. [ нужна цитация ] Ловцы ветра использовались таким образом на протяжении тысячелетий. [14]
Ветряная башня, по сути, создает градиент давления, чтобы пропускать воздух через здание [18] . Ветровые башни, увенчанные горизонтальными аэродинамическими профилями, были построены для усиления этих градиентов давления. [2] Форма традиционной крыши шукшейки также создает подсос воздуха, когда над ней дует ветер. [14] : Гл. 5
Плавучесть обычно не является основным фактором, определяющим циркуляцию воздуха в ветроуловителе [2] в течение дня.
В безветренную погоду ловец ветра все равно может функционировать, используя эффект стека . [16] Горячий воздух, который менее плотный, имеет тенденцию подниматься вверх и выходить через верхнюю часть дома через ветряную башню. [2]
Отопление самой ветряной башни может нагревать воздух внутри (делая это солнечным дымоходом ), так что он поднимается и вытягивает воздух из верхней части дома, создавая сквозняк. Этот эффект можно усилить с помощью источника тепла в нижней части ветряной башни ( например, людей, ~80 Вт каждый ) , но это нагревает дом и делает его менее комфортным . [2] Более практичным методом является охлаждение воздуха при его движении вниз и внутрь с использованием тепловых резервуаров и/или испарительного охлаждения. [5]
Тахтабуш — пространство, похожее на древнеримский таблинум, выходящее как на сильно затененный двор, так и на задний садовый двор (сторона сада затенена решеткой машрабии ) . Он предназначен для захвата поперечной тяги. Бриз, по крайней мере частично, вызван конвекцией (поскольку на одном корте обычно теплее другого), а также может быть вызван давлением ветра и испарительным охлаждением, [14] : Гл. 6 [16] [5] поэтому сад и двор используются как ловцы ветра.
Силы плавучести используются для того, чтобы вызвать приливы в ночное время.
Суточный температурный цикл означает, что ночной воздух холоднее дневного; в засушливом климате гораздо холоднее. Это создает ощутимые силы плавучести. Здания могут быть спроектированы таким образом, чтобы ночью самопроизвольно усиливалась вентиляция.
Дворы в жарком климате по ночам наполняются холодным воздухом. Затем этот холодный воздух перетекает из двора в соседние помещения. [16] Холодный ночной воздух будет легко проникать внутрь, поскольку он более плотный, чем поднимающийся теплый воздух, который он вытесняет. [14] : Гл. 6 [16] Но днем стены двора и навес затеняют его, а воздух снаружи нагревается солнцем. [16] Прохладная каменная кладка также охладит окружающий воздух. [19] Воздух во дворе станет стабильно стратифицированным , горячий воздух будет плавать над холодным воздухом, практически не перемешиваясь. [14] : Гл. 6 Тот факт, что отверстия находятся вверху, будет удерживать прохладный воздух внизу, но не может привести к падению температуры ниже минимальной ночной температуры. Этот механизм также работает в ветряных башнях. [15]
Уловитель ветра также может охлаждать воздух, приводя его в контакт с прохладными тепловыми массами . Их часто можно найти под землей.
Ниже примерно 6 м глубина почвы и грунтовых вод всегда имеет среднюю годовую температуру (MATT) [20] [21] [22] (именно эта глубина используется для многих геотермальных тепловых насосов , часто условно называемых в качестве «геотермальных тепловых насосов» непрофессионалами [23] ). Тепловая инерция почвы выравнивает суточные и даже годовые колебания температуры. В засушливом климате дневные колебания температуры часто бывают экстремальными: температура в пустыне ночью часто опускается ниже нуля. Даже тепловая инерция толстых каменных стен будет сохранять в здании тепло ночью и прохладу днем; в жарком засушливом климате распространены толстые стены с высокой термической массой ( сырец , камень, кирпич ) (хотя в наши дни иногда используются более тонкие стены с высоким сопротивлением передаче тепла ). [16] Таким образом, ловцы ветра могут охлаждаться, втягивая воздух через материалы, охлаждаемые ночью или зимой, которые действуют как резервуары тепла .
Ветроулавливатели также часто используются для вентиляции помещений нижних этажей (например, шабестанов ), в которых поддерживается низкая температура в середине дня даже без ветроуловителей. Ледяные домики традиционно используются для хранения воды, замерзшей на ночь в пустынных районах или на зиму в районах с умеренным климатом. Они могут использовать ветроуловители для циркуляции воздуха в подземной или полуподземной камере, охлаждая лед за счет испарения, так что он тает медленно и остается достаточно сухим (см. изображение леде ). Ночью ветроловы могут даже принести под землю холодный ночной воздух, помогая заморозить лед.
В сухом климате эффект испарительного охлаждения можно использовать, помещая воду в воздухозаборник так, чтобы тяга втягивала воздух над водой, а затем в дом. По этой причине иногда говорят, что фонтан в архитектуре жаркого и засушливого климата подобен камину в архитектуре холодного климата. [16]
Уловители ветра используются для испарительного охлаждения в сочетании с каналатом или подземным каналом (в котором также используется описанный выше подземный резервуар тепла). В этом методе открытая сторона башни обращена в сторону от направления преобладающего ветра (ориентацию башни можно регулировать с помощью направляющих отверстий наверху). Когда открыта только подветренная сторона, воздух поднимается вверх с помощью эффекта Коанды . Это втягивает воздух в воздухозаборник на другой стороне здания. Горячий воздух, подаваемый в туннель каната, охлаждается при контакте с прохладной водой и/или прохладной землей (почва ниже уровня земли остается прохладной, поскольку находится на несколько метров ниже поверхности. Изоляция и теплоемкость вышележащего слоя Земля поддерживает одну и ту же стабильную температуру днем и ночью, а поскольку ночи в засушливом климате довольно холодные, часто ниже нуля, эта стабильная температура довольно прохладная) и прохладная вода течет по каналу. Воздух также охлаждается за счет испарения , когда часть воды в канале испаряется при прохождении над ним горячего сухого приземного воздуха; тепловая энергия воздуха поглощается в виде энергии испарения . Таким образом, сухой воздух также увлажняется перед входом в здание. Охлажденный воздух проходит через дом и, наконец, выходит из ветроуловителя, опять же за счет эффекта Коанды. В целом прохладный воздух проходит через здание, снижая общую температуру конструкции.
Саласабиль — это тип фонтана с тонким слоем текущей воды, форма которого позволяет максимально увеличить площадь поверхности и, следовательно, обеспечить испарительное охлаждение . [16] [14] : Гл. 7 Уловители ветра часто используются с саласабилами и могут использоваться для максимизации потока ненасыщенного воздуха над поверхностью воды и переноса охлажденного воздуха туда, где он необходим в здании. [4]
Смоченный коврик также можно повесить внутри ветроулавливателя для охлаждения поступающего воздуха. [16] Это может уменьшить поток, особенно при слабом ветре. Однако он также может создавать нисходящий поток прохладного воздуха в безветренную погоду. [2] Испарительное охлаждение внутри ветряной башни заставляет воздух в башне опускаться, вызывая циркуляцию. Это называется пассивным испарительным охлаждением с нисходящей тягой (PDEC). Его также можно создать с помощью распылительных форсунок (которые имеют тенденцию засоряться, если вода жесткая) или змеевиков охлаждения холодной водой (например, водяного напольного отопления наоборот). [5]
Уловители ветра можно использовать для смягчения последствий изменения климата, поскольку они могут «снижать энергопотребление зданий и выбросы углекислого газа » [24] , а также для адаптации к изменению климата , поскольку они способствуют охлаждению в более теплом климате. [25] Уловители ветра могут снизить температуру внутри дома на 8–12 °C (от 14 до 22 °F) по сравнению с температурой снаружи. [26]
Оконный ветроуловитель может снизить общее потребление энергии зданием на 23,3%. [27]
В Египте ловцы ветра известны как малкаф , мн. малаакеф . [28] [29] [30] Обычно они имеют форму правильных треугольных призм с оставленной открытой вертикальной стороной и обращены прямо вверх или вниз по ветру (по одному на каждое здание). Они работают лучше всего, если ориентированы в пределах 10 градусов от направления ветра; большие углы позволяют ветру ускользать. [3] Ловцы ветра использовались в традиционной древнеегипетской архитектуре , [31] и начали выходить из употребления только в середине 1900-х годов нашей эры. Их использование в настоящее время пересматривается, поскольку на кондиционирование воздуха приходится 60% пикового спроса на электроэнергию в Египте (и, следовательно, потребность в 60% его генерирующих мощностей ). [3]
Ветроулавливатели в Египте часто используются в сочетании с другими пассивными элементами охлаждения. [16]
Ловцы ветра — обычная черта во многих странах Ближнего Востока, на которые повлияло распространение культуры под исламским правлением.
В Иране ловца ветра называют бадгир , бад « ветер» + гир «ловец» ( персидский : بادگیر ). Устройства использовались в ахеменидской архитектуре . [15] Они используются в жарких и засушливых районах Центрально-Иранского нагорья, а также в жарких и влажных прибрежных регионах. [15]
Центральный Иран демонстрирует большие суточные колебания температуры при засушливом климате . Большинство зданий построено из толстой керамики с высокими изоляционными показателями . Города, расположенные в оазисах пустыни , как правило, расположены очень близко друг к другу, имеют высокие стены и потолки, что обеспечивает максимальную тень на уровне земли. Тепло прямых солнечных лучей сводится к минимуму за счет небольших окон, обращенных в сторону от солнца. [15]
Эффективность ветроулавливателя привела к тому, что в Иране его стали регулярно использовать в качестве холодильного устройства. Многие традиционные водоемы ( аб анбары ), способные хранить воду при температуре, близкой к нулю, в летние месяцы построены с ветроуловителями. [15] Эффект испарительного охлаждения наиболее силен в самом засушливом климате, например, на иранском плато, что приводит к повсеместному использованию ветроуловителей в более засушливых районах, таких как Йезд , Керман , Кашан , Сирджан , Найн и Бам .
Ловцы ветра обычно имеют одно, четыре или восемь отверстий. В городе Йезд все ветроловы четырех- или восьмигранные. Конструкция ветроуловителя зависит от направления воздушного потока в этом конкретном месте: если ветер имеет тенденцию дуть только с одной стороны, он строится только с одним отверстием, направленным против ветра . Этот стиль чаще всего можно увидеть в Мейбоде , в 50 километрах от Йезда: ветроуловители короткие и имеют одно отверстие.
Ловцы ветра в Иране могут быть весьма сложными из-за их использования в качестве символов статуса. [15]
Небольшой ловец ветра в традиционной персидской архитектуре называется шиш-ханом . Шиш-ханов до сих пор можно увидеть на вершинах аб-анбаров в Казвине и других северных городах Ирана. Похоже, они функционируют скорее как вентиляторы, чем как регуляторы температуры, наблюдаемые в центральных пустынях Ирана.
В Доме Совета 2 в Мельбурне , Австралия, есть трехэтажные «душевые башни», сделанные из ткани, которая остается влажной благодаря насадке душа, стекающей наверху каждой из них. Испарительное охлаждение охлаждает воздух, который затем опускается в здание. [19]
Зенит Метрополя Сент -Этьена — это многофункциональный зал, построенный в Оверни-Роне-Альпах (внутренний юг Франции). Он включает в себя очень большой алюминиевый ветроуловитель [33] , который намного легче, чем аналогичный каменный ветроуловитель. Размер ветроуловителя позволяет ему работать при любом направлении ветра; [33] площадь поперечного сечения, перпендикулярная ветровому потоку, остается большой.
В торговом центре Bluewater в Великобритании используются башни-ловцы ветра. [19] В Королевском здании Университета ДеМонтфорт для вентиляции используются башни с эффектом дымохода. [34]
Ветроуловитель использовался в центре для посетителей в Национальном парке Зайон , штат Юта , [35] где он работает без добавления механических устройств для регулирования температуры. [33]
{{cite book}}
: |work=
игнорируется ( помощь ) черно-белая версия с низким разрешениемЭЛЬ-МАЛАКЕФ