Efeito da arquitetura resiliente em um antigo moinho de vento na região de Sistan no aprimoramento da ventilação natural

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 18240 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Ao longo dos séculos, diferentes elementos foram desenvolvidos em arquiteturas para garantir ventilação natural adequada em unidades residenciais. Este estudo avalia os diferentes componentes de um antigo moinho de vento em Sistan, Irã, na melhoria da qualidade do ar interno (IAQ) da estrutura. Vários cenários climáticos foram definidos pela análise do vento dos dados meteorológicos do Sistan e analisados por CFD. As medições do local confirmam a precisão dos resultados da simulação. No moinho de vento, dois defletores voltados para o vento predominante são os elementos significativos que, além de direcionar o vento para a entrada, podem formar vórtices próximos às aberturas leste e oeste levando à ventilação de sucção. A alteração da velocidade e ângulo do vento de 10 para 15 m/s e 30° para 17° aumentaria a troca de ar por hora (ACH) em 150% e 110%, respectivamente. Enquanto isso, os ACHs foram superiores ao nível desejado pela ASHRAE (ACH > 0,35).

Hoje em dia, o bem-estar dos ocupantes dos edifícios exige energia devido ao aumento do consumo de combustíveis fósseis. A arquitetura de energia líquida zero (ZNE) seria uma solução para reduzir o uso de energia. No ZNE, a ventilação natural1,2,3,4,5,6 em residências é comum há muito tempo em áreas áridas7 e ventosas, como algumas partes do Irã. Os moradores dessas áreas utilizam o vento dentro e ao redor dos edifícios há séculos para melhorar a qualidade do ar interno sem consumir energia. Um exame dessas obras mostra que eles estavam, sem dúvida, cientes de todos os princípios aerodinâmicos e os aplicaram em seus projetos.

Os parâmetros de projeto de aberturas e ferramentas de ventilação adicionais desempenham um papel essencial no desempenho da ventilação induzida pelo vento. O efeito do tipo e das posições das janelas de popa8 (TWs) no ACH foi avaliado em arranha-céus1. Uma combinação de análise de CFD e rede neural artificial indicou que o ACH aumentaria para 108,1% em média por um projeto adequado de TWs (a dimensão e direção das janelas de acordo com a velocidade e direção do vento).

As torres eólicas, também conhecidas como wind-catcher, Kolak et al.9, são tipicamente estruturas verticais construídas no telhado de edifícios com aberturas principalmente retangulares voltadas para o vento predominante para resfriamento em ambientes fechados10,11. Medições do local12,13,14,15, bem como estudos numéricos9,16,17,18,19,20,21,22 confirmam a eficácia e confiabilidade dessas estruturas, apresentando-as como novas soluções para ventilar edifícios modernos naturalmente23,24,25 ,26.

As paredes laterais ou defletores27 são elementos sólidos verticais28 ou horizontais29 ao redor e perto de janelas ou cata-ventos30, melhorando a ventilação natural de um lado31,32 criando gradientes de pressão extras entre as aberturas. Pode induzir ventilação de sucção natural ao produzir uma região de baixa pressão nas janelas de saída33. Este elemento é eficiente quando o vento flui por um ângulo oblíquo, e o desempenho diminui se a direção do vento tende a 90°32. Embora a parede lateral tenha sido usada em edifícios vernaculares (janelas de batente girando para fora), as arquiteturas modernas utilizam sua aplicação prática no design moderno; por exemplo, os corredores de escritórios da UMNO podem ser naturalmente ventilados por suas paredes laterais34,35. O uso de paredes laterais na borda de um windcatcher revelou que este elemento forneceria uma capacidade máxima de resfriamento de 9,6 kW a uma velocidade de vento de 4 m/s, o que poderia ajudar a manter a temperatura interna abaixo da temperatura adaptativa máxima30.

A qualidade do ar interno diminuiria se o ar externo fosse quente36, quente-úmido e poluído37. Assim, métodos alternativos são sugeridos para evitar a interação direta do ar exterior-interior sob condições externas de calor/frio intensos. Em relação às condições externas quentes, a combinação de resfriamento por evaporação e chaminé solar foi sugerida7,38,39,40,41 para diminuir a temperatura interna em cerca de 8 °C quando a temperatura externa era superior a 35 °C. Além disso, como a aplicabilidade do resfriamento por evaporação não é recomendada em regiões quentes e úmidas, foi projetado o windcatcher42 em forma de venturi que pode aumentar a taxa de ventilação em 8 vezes mais do que a ventilação cruzada43. Essa estrutura foi projetada com base no efeito Bernoulli44 que explica como ocorre a pressão negativa quando a velocidade aumenta em um lado da estrutura em forma de venturi levando à sucção-ventilação. Além disso, em condições de poluição do ar, o ar livre pode afetar negativamente o IAQ7,45,46 e o uso de filtros nas entradas foi recomendado47. No entanto, poucos estudos têm sido realizados sobre os efeitos do par de filtros com cata-ventos e chaminés solares como forma eficaz de induzir a ventilação7,47.

0\), showed reverse flow, while the negative values illustrated current in the same direction as the dominant wind in the space (ordinary current). Thus, the wind speed (\({V}_{y{^{\prime}}}\)) profiles were considered to assess the vortices' length and width./p> \left| {\underbrace {{V_{{yWV4}}^{{'17 - 15}} }}_{{0.41}}} \right| \); however, the pressure gradient and average speed had a reverse pattern, \( \underbrace {{\Delta P_{{WV4}}^{{30 - 15}} }}_{{3.77}} < \underbrace {{\Delta P_{{WV4}}^{{17 - 15}} }}_{{7.69}} \) and \( \underbrace {{FRPA_{{WV4}}^{{30 - 15}} }}_{{352}} < \underbrace {{FRPA_{{WV4}}^{{17 - 15}} }}_{{477}} \)./p> \underbrace {{V_{{{y'}} _{{WV1}}}^{{17 - 10}} }}_{{1.02~{\text{m}}/{\text{s}}}} \)). This could be due to microscale eddies formed near WV1 and WV2, while the reverse current in microscale eddy near WV1 was stronger than near WV2 (Figs. 20, 21). These microscale eddies formed just when the wind speed was 10 m/s./p> 0.35)./p>