Efecto de la arquitectura resiliente en un antiguo molino de viento en la región de Sistán sobre la mejora de la ventilación natural

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 18240 (2022) Citar este artículo

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A lo largo de los siglos se han desarrollado diferentes elementos en las arquitecturas para asegurar una ventilación natural adecuada en las unidades residenciales. Este estudio evalúa los diferentes componentes de un antiguo molino de viento en Sistan, Irán, en la mejora de la calidad del aire interior (IAQ) de la estructura. Varios escenarios climáticos han sido definidos por el análisis de viento de los datos meteorológicos de Sistán y analizados por CFD. Las mediciones del sitio confirman la precisión de los resultados de la simulación. En el molino de viento, dos deflectores que miran hacia el viento dominante son los elementos significativos que, además de dirigir el viento hacia la entrada, podrían formar vórtices cerca de las aberturas este y oeste que conducen a la ventilación por succión. La alteración de la velocidad y el ángulo del viento de 10 a 15 m/sy de 30° a 17° aumentaría la renovación del aire por hora (ACH) en un 150 % y un 110 %, respectivamente. Mientras tanto, los ACH fueron superiores al nivel deseado por ASHRAE (ACH > 0,35).

Hoy en día, el bienestar de los ocupantes de los edificios ejerce presión sobre la energía al aumentar el consumo de combustibles fósiles. La arquitectura de energía neta cero (ZNE) sería una solución para reducir el uso de energía. En ZNE, la ventilación natural1,2,3,4,5,6 en las viviendas ha sido común durante mucho tiempo en áreas áridas7 y ventosas, como algunas partes de Irán. Los residentes de estas áreas han utilizado el viento dentro y alrededor de los edificios durante siglos para mejorar la calidad del aire interior sin consumir energía. Un examen de estos trabajos muestra que, sin duda, conocían todos los principios de la aerodinámica y los aplicaron en sus diseños.

Los parámetros de diseño de las aberturas y las herramientas de ventilación adicionales juegan un papel esencial en el rendimiento de la ventilación inducida por el viento. El efecto del tipo y las posiciones de las ventanas de popa8 (TW) en ACH se ha evaluado en edificios de gran altura1. Una combinación de análisis CFD y la red neuronal artificial ha indicado que la ACH aumentaría al 108,1 % en promedio con un diseño adecuado de TW (la dimensión y dirección de las ventanas de acuerdo con la velocidad y dirección del viento).

Las torres eólicas, también conocidas como captadores de viento, Kolak et al.9, son estructuras típicamente verticales construidas en el techo de los edificios con aberturas principalmente rectangulares que dan al viento predominante para enfriar el interior10,11. Mediciones del sitio12,13,14,15 así como estudios numéricos9,16,17,18,19,20,21,22 confirman la efectividad y confiabilidad de estas estructuras, presentándolas como nuevas soluciones para ventilar edificios modernos de forma natural23,24,25 ,26.

Las paredes laterales o los deflectores27 son elementos sólidos verticales28 u horizontales29 alrededor y cerca de las ventanas o atrapavientos30, que mejoran la ventilación natural de un solo lado31,32 al crear gradientes de presión adicionales entre las aberturas. Puede inducir ventilación por succión natural al producir una región de baja presión en las ventanas de salida33. Este elemento es eficiente cuando el viento fluye en un ángulo oblicuo, y el rendimiento disminuye si la dirección del viento tiende a 90°32. Aunque la pared del ala se ha utilizado en edificios vernáculos (ventanas abatibles que giran hacia afuera), las arquitecturas modernas utilizan su aplicación práctica en el diseño moderno; por ejemplo, los pasillos de las oficinas de la UMNO pueden ser ventilados naturalmente por sus paredes laterales34,35. El uso de paredes laterales en el borde de un captador de viento reveló que este elemento proporcionaría una capacidad de refrigeración máxima de 9,6 kW a una velocidad del viento de 4 m/s, lo que podría ayudar a mantener la temperatura interior por debajo de la temperatura adaptativa máxima30.

La calidad del aire interior disminuiría si el aire exterior es cálido36, cálido-húmedo y contaminado37. Por lo tanto, se sugieren métodos alternativos para evitar la interacción directa entre el aire exterior y el interior en condiciones exteriores de calor/frío intenso. En cuanto a las condiciones exteriores cálidas, se sugirió7,38,39,40,41 la combinación de enfriamiento por evaporación y la chimenea solar para disminuir la temperatura interior en aproximadamente 8 °C cuando la temperatura exterior era superior a 35 °C. Además, dado que no se recomienda la aplicabilidad del enfriamiento por evaporación en regiones cálidas y húmedas, se diseñó el captador de viento en forma de venturi42 que puede mejorar la tasa de ventilación 8 veces más que la ventilación cruzada43. Esta estructura fue diseñada en base al efecto Bernoulli44 que explica cómo se produce la presión negativa cuando aumenta la velocidad en un lado de la estructura en forma de venturi que conduce a la ventilación por succión. Además, en condiciones de contaminación del aire, el aire libre puede afectar negativamente la IAQ7,45,46 y se recomendó el uso de filtros en las entradas47. Sin embargo, se han realizado pocos estudios sobre los efectos de pareja de filtros con atrapavientos y chimeneas solares como forma efectiva de inducir la ventilación7,47.

La contaminación ambiental en Sistán (una región en la frontera entre Irán y Afganistán), donde ocasionalmente ocurren tormentas de polvo48,49,50 debido a las condiciones secas y los vientos de 120 días51, introdujo a esta región como la ciudad más contaminada en 201652. En esta región, las arquitecturas antiguas utilizaban el viento que, además de enfriar, podía controlar la entrada de polvo a los edificios15,19,21. Heidari ha identificado tres elementos relacionados con la ventilación cruzada en los edificios de Sistán19, es decir, un atrapavientos (llamado "Kolak"), aberturas (llamadas "Daricheh") y una ranura en la pared28 (llamada "Surak"). Davtalab53 ha identificado un elemento tradicional de Sistani, una entrada llamada Kharkhona, que puede afectar la comodidad humana al utilizar simultáneamente el viento y la humedad en áreas áridas53. Los resultados indicaron que Kharkhona transferiría el interior de condiciones "muy calurosas" y "calientes" a "calientes" al reducir la temperatura física equivalente (PET) y elevar la humedad en 9 °C y 30 %, respectivamente.

Este estudio aplicó análisis CFD para evaluar el mecanismo de ventilación impulsado por el viento empleado en un antiguo molino de viento en la región de Hozdar, Sistan, Irán, a una longitud de \(61.27^\circ \) y una latitud de \(30.55^\circ \) . El efecto de flotabilidad provoca el cambio de aire en el edificio debido a la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior. Sin embargo, en este estudio, la ventilación por flotabilidad se consideró despreciable ya que, en zonas áridas, el gradiente de temperatura entre el interior y el exterior no es significativo6,43,54. Se analizaron datos meteorológicos a largo plazo para evaluar las velocidades y direcciones del viento consideradas para cuatro escenarios de los análisis CFD, es decir, dos ángulos de viento diferentes por dos velocidades de viento diferentes.

El molino de viento consta de tres partes internas; el lugar de trabajo (donde los ocupantes pasaban la mayor parte de su tiempo), la entrada y la parte trasera. La estructura se orientó hacia el viento predominante con dos deflectores verticales construidos en los ángulos y longitudes especificados a barlovento. Otros elementos de ventilación incluían una abertura como entrada, seis aberturas en dos paredes laterales (cuatro de seis estaban ubicadas en dos corredores construidos en dos paredes laterales del lugar de trabajo y dos aberturas restantes en las paredes laterales de la entrada) y dos aberturas en el techo .

Este documento tuvo como objetivo evaluar cómo los antiguos utilizaron elementos en su arquitectura para mejorar la calidad del aire interior a un nivel deseable mediante ventilación natural. De hecho, el IAQ puede ser investigado por diferentes criterios; en esta investigación, el ACH se introdujo como un criterio bien conocido basado en estándares internacionales. El presente estudio investigó cómo los deflectores pueden causar la formación de vórtices detrás de ellos y cerca de las paredes laterales, lo que lleva a una ventilación de succión natural en una amplia gama de ángulos de incidencia.

Sistán es una región situada en la parte oriental de Irán y la parte occidental de Afganistán. Las investigaciones sobre energía eólica en Irán55,56,57,58,59,60,61 y el atlas eólico mundial62 indicaron que Sistán es una región con el mayor potencial de energía eólica en territorio iraní (Fig. 1).

La mayor velocidad del viento se produce en la región de Sistán62.

Los datos de viento de 56 años (de febrero de 1963 a febrero de 2020) en la estación meteorológica del aeropuerto de Zabol (ID de la estación = 40 829), ubicada a 31° 5′ N de longitud y 61° 32′ E de latitud, se utilizaron para los análisis estadísticos de viento. La distribución de la velocidad y dirección del viento ha sido analizada y mostrada en la rosa de los vientos. Los resultados indicaron que las direcciones dominantes del viento eran de noroeste a sureste desde \(315^\circ \) hasta \(360^\circ \). El ángulo del vector resultante era \(343^\circ \) (o \(17^\circ \) en sentido antihorario desde la dirección norte, Ω1), y la dirección dominante del viento era \(330^\circ \) (o \(30^\circ \) en sentido antihorario desde la dirección norte, Ω2) (Fig. 2).

La rosa de los vientos de Sistán, así como dos direcciones de viento dominantes.

Además, los análisis revelan que aunque la velocidad promedio del viento aumentó a cerca de 10 m/s (o 36 \(\mathrm{km}/\mathrm{h}\)) en julio, el promedio anual de velocidades máximas del viento es de aproximadamente 15 m/s (o 54 \(\mathrm{km}/\mathrm{h}\)) (Fig. 3).

Promedio y Promedio de la velocidad máxima del viento (1963–2020).

Los ángulos significativos del molino de viento se representan en la Fig. 4. Se construyeron dos deflectores en la pared fronteriza de la estructura para enfrentar el viento predominante. Los deflectores tenían dos funciones principales:

La función más importante era la de acumular y dirigir el viento hacia la hélice63,64,65,66,67,68,69 y entrada de viento.

La segunda función era reducir el flujo turbulento (mediante la formación de vórtices) en las paredes este y oeste para mejorar la ventilación interior.

Dimensión de elementos en el molino de viento.

El deflector oeste fue construido por el ángulo de \({\alpha }_{1}=145^\circ \) y la longitud de \({L}_{1}=4.5 \mathrm{m}\), donde el ángulo del deflector este era \({\alpha }_{2}=119^\circ \) con una longitud de \({L}_{2}=4 \mathrm{m}\).

Según los deflectores y el ángulo de la estructura (\(17^\circ \) en la dirección NE-SW), las dimensiones del bloque de construcción en este molino de viento eran 9,5 m (W)\(\times \) 22 m( longitud) \(\times \) 9 m(altura), (Fig. 5). El dominio CFD se asignó de acuerdo con la guía de Autodesk70. Las dimensiones del dominio eran 5 W (97,5 m) \(\times \) 6d (156 m) \(\times \) 3 h (27 m). Con respecto al análisis CFD, se asignaron cuatro condiciones de contorno diferentes al dominio: la condición de velocidad de estado estacionario para la entrada (diferente para cada escenario), la condición de deslizamiento/simetría para los límites lateral y superior, la condición de presión cero para la salida y la condición de no condición de deslizamiento para el suelo.

Dimensiones del dominio y condiciones de contorno.

En este molino de viento se han considerado nueve aberturas para la ventilación natural. Se han integrado cuatro respiraderos en dos corredores (que se construyeron para evitar el flujo turbulento interior), es decir, tres respiraderos del corredor occidental (anotados por WV1, WV2 y WV3) y un respiradero del corredor este (anotado por EV1) (Fig. 6) . Además, se construyeron tres conductos de ventilación en la habitación central, uno en el lado oeste, WV4, uno sobre la puerta como ventana de popa1, EV2, y uno en el techo que actúa como chimenea, RV1. El respiradero RV2 era una chimenea idéntica en el techo de la habitación trasera. Un respiradero en el muro fronterizo (ENTRADA) servía de toma de aire.

Elementos en (a) las paredes este y (b) oeste del molino de viento.

De acuerdo con la rosa de los vientos en Sistán (Fig. 2), el vector de viento resultante y el vector de viento dominante son \(\Omega 1=17^\circ \) y \(\Omega 2=30^\circ \), respectivamente. Además, la velocidad máxima mensual del viento (en julio) y una velocidad máxima promedio del viento son 10 m/sy 18 m/s (Fig. 3). Por lo tanto, este estudio consideró cuatro escenarios diferentes basados ​​en un análisis estadístico del viento en Sistán: dos ángulos de \(17^\circ \) (el ángulo del vector de viento resultante y del molino de viento) y 30°, y dos ángulos de viento diferentes. velocidades, 10 \(\mathrm{m}/\mathrm{s}\) y 15 \(\mathrm{m}/\mathrm{s}\) (Fig. 7).

Escenarios para CFD de ventilación impulsada por el viento.

Se ha elegido el Navier-Stokes (RANS) incompresible de estado pseudoestacionario promedio de Reynolds para el modelo turbulento de dos ecuaciones \(k-\varepsilon \)30 para considerar la precisión del modelo y el costo computacional71. En otras palabras, el modelo de ventilación se realizó únicamente considerando el viento. Las ecuaciones gobernantes se han enumerado en las Ecs. (1)–(5)4,70.

Continuidad:

Conservación de la cantidad de movimiento:

La viscosidad Eddy (\({v}_{t}\)) se calcula en términos de \(k\) y \(\varepsilon \) mediante

Energía cinética turbulenta (TKE):

Tasa de disipación turbulenta (TKE):

donde \(\overline{u}{ }_{i}\) y \(\overline{p }\) son los componentes de velocidad y presión promedio, respectivamente. Las cinco constantes de modelado \({C}_{1\varepsilon }\), \({C}_{2\varepsilon }\), \({C}_{\mu }\), \({\sigma }_{k}\) y \({\sigma }_{k\varepsilon }\) son 1,44, 1,92, 0,09, 1,0 y 1,3, respectivamente.

La dirección y la velocidad del viento a través de tres conductos de ventilación del corredor este y oeste se midieron con un anemómetro en diferentes secciones cerca de las paredes. El anemómetro utilizado en este estudio fue UNI-T UT363 con precisión de velocidad del viento y resolución de (± 5%rdg + 0,5 m/s) y 0,1 m/s, respectivamente. Las mediciones se realizaron en mayo de 2020, donde la velocidad y dirección promedio del viento fueron 10 m/s y \(20^\circ \), respectivamente (Fig. 8). Se midió la velocidad del viento en ubicaciones específicas mientras que la condición del viento permaneció idéntica alrededor del molino de viento durante la medición.

Medición de campo de la velocidad del viento en perfiles perpendiculares a los respiraderos.

El valor del error cuadrático medio, RMSE, (Ec. 6) se utilizó para evaluar la validación de los resultados de CFD.

donde \({U}_{o}^{i}=({V}_{o}^{i}/{V}^{\infty })\) es la velocidad media adimensional medida en la posición i y \ ({U}_{s}^{i}=({V}_{s}^{i}/{V}^{\infty })\) representa la velocidad media simulada adimensional en la misma posición, y n denota el número de mediciones. La velocidad de referencia en la fecha de medición fue de aproximadamente \({V}^{\infty }=10\) m/s. De acuerdo con el parámetro mencionado se obtuvo el margen de error promedio de 17% (Cuadro 1).

Autodesk CFD generó la malla tetraédrica no estructurada para realizar la simulación. El dominio computacional estaba compuesto por ~ 5,6 millones de celdas como malla de referencia (Fig. 9). Debido a la complejidad de la geometría, el dominio computacional se perfeccionó en zonas críticas como los conductos de ventilación y los corredores.

Vista esquemática de la malla CFD.

Se realizó un análisis de independencia de la red para garantizar que la resolución de la red no afectaría significativamente los resultados. Por lo tanto, se generaron mallas gruesas, medianas y finas para Sc17-10 en el modelo CFD. La diferencia promedio, \({R}_{a}\) (Ec. 7), entre los perfiles de velocidad para diferentes tamaños de malla se definió para estudiar los criterios de independencia de malla.

donde \({V}^{*}\) es el valor de la velocidad en la malla más fina en lugar de \(V\) para la malla más gruesa. La Tabla 2 presenta el número total de celdas y la diferencia porcentual entre los perfiles de velocidad en cinco líneas diferentes que son perpendiculares a los respiraderos EV1, WV1, WV2, WV3 y WV4, respectivamente. Como se ve en la Tabla 1, el \({R}_{a}\) entre la malla gruesa y la mediana está cerca del 1,5 % y entre la malla mediana y fina está por debajo del 1 %. Por lo tanto, la malla con aproximadamente 5,8 millones de celdas fue elegida como malla principal para el presente estudio.

Para monitorear la convergencia, se seleccionó la evaluación de convergencia automática71. Al principio, los criterios se establecieron en moderados, mientras que la precisión se incrementó cambiando los criterios a estrictos. Además, las siguientes métricas de convergencia de solución se calcularon durante la verificación de convergencia:

Pendiente de convergencia instantánea: esta métrica calculó las pendientes de los datos de convergencia de una iteración a la siguiente. Cuando la pendiente máxima instantánea estuvo por debajo del nivel establecido, se detuvo la solución. En el estudio, el valor establecido se definió como \(1\times {10}^{-4}\).

Pendiente de convergencia promediada en el tiempo: esta métrica evaluó la pendiente de los datos de convergencia en varias iteraciones. El valor de umbral se estableció en \(1\times {10}^{-2}\).

Concavidad de convergencia promediada en el tiempo: la derivación de la pendiente de convergencia promediada en el tiempo máxima es una medida de si la curva se aplana (la pendiente desciende) o crece (la pendiente asciende). La solución se detendrá cuando la concavidad sea menor que el valor establecido. Este valor se estableció en \(1\times {10}^{-2}\) con criterios estrictos.

Fluctuaciones de variables de campo: Calcula la desviación estándar de la variable dependiente donde la solución se detendrá cuando la desviación esté por debajo del nivel establecido. Este valor se estableció en \(1\times {10}^{-5}\) en este estudio.

En este estudio, los análisis CFD revelaron el rendimiento de los vórtices detrás de los deflectores y evaluaron cómo afectan la ventilación interior impulsada por el viento. La ventilación se basó en la corriente de viento en una capa límite cerca de los respiraderos, lo que provocaría una caída de presión y vacío en ellos.

En esta estructura, los deflectores juegan un papel crucial en la ventilación natural. Pueden proporcionar circulación de aire debido al gradiente de presión inducido entre el interior y el exterior del edificio. Por lo tanto, para comprender la necesidad de los deflectores, la distribución de presión total del modelo se presenta en la Fig. 10. Como se muestra en la Fig. 10, la circulación a sotavento de los deflectores proporciona un gradiente de presión negativo (la presión exterior es más alta que la de las ventilaciones interiores). ). El gradiente de presión y la velocidad del aire a través de las rejillas de ventilación en cuatro escenarios se muestran en la Fig. 11. Esto condujo a fuerzas de succión que ventilaron el aire interior a través de las rejillas de ventilación del pasillo, así como WV4 y EV2.

Distribución de presión alrededor y dentro del molino de viento.

Gradiente de presión en cuatro escenarios para respiraderos occidentales y orientales.

Los patrones de flujo alrededor del molino de viento se han representado en la Fig. 12. La ventilación por los conductos de ventilación occidentales y orientales estaba directamente relacionada con los vórtices formados detrás de los deflectores (Figs. 12, 13, 14). En general, cuando la dirección del viento era \(\omega =\beta =17^\circ \) (perpendicular a la pared fronteriza con los ángulos de ataque siendo \({\gamma }_{1}=55^\circ \) y \({\gamma }_{2}=29^\circ \)), es decir, Sc17-10 y Sc17-15, la longitud del vórtice detrás del deflector occidental era mayor que detrás del este y viceversa, aumentando la ángulo de flujo a \(\omega =30^\circ \), es decir, Sc30-10 y Sc30-15 dieron como resultado una mayor longitud de vórtice detrás del deflector este.

Patrón de flujo alrededor del edificio en diferentes escenarios: (a) Sc17-10, (b) Sc17-15, (c) Sc30-10 y (d) Sc30-15.

\({V}_{y{^{\prime}}}\) en los perfiles paralelos y cerca del (a) muro oeste y (b) este, detrás de los deflectores.

\({\mathrm{V}}_{\mathrm{y{^{\prime}}}}\) en los perfiles perpendiculares a las ventilaciones occidental y oriental en los escenarios (a) Sc17-10, (b) Sc17-15 , (c) Sc30-10 y (d) Sc30-15.

La componente paralela del flujo hacia las paredes, \({V}_{y{^{\prime}}}\), sería una estimación apropiada para la forma de las corrientes alrededor del molino de viento. Los valores positivos, \({V}_{y{^{\prime}}}>0\), mostraron flujo inverso, mientras que los valores negativos ilustraron la corriente en la misma dirección que el viento dominante en el espacio (corriente ordinaria) . Por lo tanto, se consideraron los perfiles de velocidad del viento (\({V}_{y{^{\prime}}}\)) para evaluar la longitud y el ancho de los vórtices.

La longitud de los vórtices ha sido evaluada por dos perfiles de 25 m de deflectores cerca de las paredes este y oeste (Fig. 13).

Además, los anchos de los vórtices fueron medidos por seis perfiles, a diez metros de distancia de los respiraderos (Fig. 14). Estos gráficos también demostraron cómo los ángulos y velocidades del viento afectaron los vórtices detrás de los deflectores.

En \(\omega =17^\circ \), la longitud de los vórtices fue de aproximadamente 16,5 my 8,5 m en la pared occidental y oriental, respectivamente, para ambas velocidades del viento, es decir, 10 y 15 m/s. De alguna manera, en \(\omega =30^\circ ,\) la longitud de los vórtices era de 7 m y 9 m para la velocidad del viento de 10 y 15 m/s, respectivamente, en la pared occidental. Este valor se presentó a más de 25 m detrás del deflector este (superior a la longitud de la estructura) en ambas velocidades de viento.

En general, los anchos de los vórtices eran más amplios en la pared oeste cuando el ángulo del viento era \(\omega =17^\circ \), mientras que era más ancho detrás del deflector este en \(\omega =30^\circ \ ) (figura 14). En estos perfiles, en los vórtices, el máximo de \({V}_{y{^{\prime}}}\) se presentaba aproximadamente a 50 cm de las paredes y luego disminuía al aumentar las distancias a los respiraderos. En \(\omega =17^\circ \), las corrientes de flujo se dirigieron a un patrón de flujo normal a cerca de 9 m en el muro occidental y 6,5 m en el este (Fig. 14). Por otro lado, en \(\omega =30^\circ \), tendieron a un patrón de flujo normal a 5 my más de 10 m para los muros oeste y este, respectivamente.

Además, los resultados de CFD en las secciones AA revelaron que RV1 y RV2 contribuyeron adecuadamente a la ventilación natural (Fig. 15).

Patrón de flujo en la sección AA en diferentes escenarios; (a) Sc17-10, (b) Sc17-15, (c) Sc30-10 y (d) Sc30-15.

En las Figs. 16 y 17, respectivamente. En general, la ventilación de los respiraderos se correlacionó directamente con la corriente de viento cerca de los respiraderos.

\({V}_{y{^{\prime}}}\) de flujo cerca de los respiraderos (a) occidental y (b) oriental.

Gradiente de presión en (a) respiraderos occidentales y (b) orientales.

El gradiente de presión en las ventilaciones generalmente se redujo al aumentar la distancia de los deflectores. La tendencia difirió en WV3 y WV4 en \(\omega =30^\circ \) (Fig. 17a) ya que el \({V}_{y\mathrm{^{\prime}}}\) absoluto fue mayor en WV4 que en WV3 (Fig. 16a).

Cuando el ángulo del viento era \(\omega =30^\circ ,\) no se formaba un remolino en WV3 y WV4, y las corrientes de flujo eran patrones de flujo normales en estos respiraderos (Fig. 13). Esto se debe a la longitud de formación de los vórtices detrás de los deflectores. En este ángulo, el vórtice se formó antes de WV3 (Fig. 12), después de lo cual el flujo llegó a cero en un punto específico antes de este respiradero y luego aumentó constantemente en WV3 y WV4. Por lo tanto, la velocidad absoluta del viento en WV4 fue mayor que en WV3 (Fig. 16). Además, cuando el ángulo del viento era \(\omega =17^\circ ,\) los vórtices en las fumarolas orientales eran lo suficientemente pequeños como para que no se formaran vórtices en EV2 (Fig. 13).

La tasa de flujo (FR, \({\mathrm{m}}^{3}/\mathrm{h})\) en los respiraderos ha sido calculada y representada en la Fig. 18. Aparte del patrón de flujo cerca de las paredes (inverso u ordinario), el índice de flujo estaba afuera en todos los respiraderos (es decir, vacío). Los resultados indicaron que el caudal máximo en todos los escenarios ocurrió en WV4 seguido de EV2. Además, las ventilaciones occidentales contribuirían a la ventilación más que las ventilaciones orientales, en un 343 % en el ángulo de \(17^\circ \) y en un 169 % en el ángulo de \(30^\circ \), respectivamente.

Contribución de diferentes rejillas a la ventilación de interiores.

El efecto de la velocidad del viento en la ventilación se ha informado en la Tabla 3. Los resultados revelaron que la tasa de flujo aumentó al aumentar la velocidad del viento de 10 a 15 m/s.

El efecto de la dirección del viento en la ventilación se describe en la Tabla 4. Los resultados revelaron que cuando la dirección del viento cambiaba de \(17^\circ \) a \(30^\circ \), la ventilación aumentaba drásticamente en las ventilaciones orientales ( 149% en promedio) y disminuyó en los respiraderos occidentales (73% en promedio). Los valores cayeron continuamente a medida que aumentaba la distancia desde el deflector oeste, excepto en WV4 debido a los diferentes patrones de flujo en WV3 y WV4. La ventilación en los respiraderos del techo no cambió con la alteración de la dirección del viento.

La tasa de flujo más alta en WV4 y EV2 se relacionó con el área de superficie más alta de estos dos respiraderos. En consecuencia, se ha calculado la velocidad media, con los resultados ilustrados en la Fig. 19.

Velocidad media (caudal por área), (\(\left({\mathrm{m}}^{3}/\mathrm{h}\right)/{\mathrm{cm}}^{2}\)) .

Al observar cada escenario, cuando \(\omega =17^\circ \), las velocidades promedio más altas y más bajas ocurrieron en WV1 y EV2, respectivamente. En \(\omega =30^\circ \), las velocidades medias máxima y mínima tuvieron lugar en EV2 y WV3, respectivamente. Además, la velocidad promedio más baja ocurrió en WV3, seguida de WV4 en el escenario de Sc30-10, como se esperaba.

Los análisis revelaron que aunque la ventilación fue mayor en el muro occidental en \(\omega =17^\circ \) en un 126 %, la contribución del muro este a la ventilación fue mayor en \(\omega =30^\circ \) ( Tabla 5).

Además, las ventilaciones de pasillo (CV) fueron más efectivas en la ventilación natural que otras ventilaciones (OV) (Tabla 6). Este efecto se destacó en los respiraderos occidentales. La relación máxima entre la velocidad promedio promedio en tres respiraderos del corredor occidental (WCV) y WV4 se produjo en Sc30-10 debido al valor de velocidad promedio más bajo en WV4. Además, como era de esperar, el valor mínimo de WV3/WV4 se produjo en Sc30-15.

Como se indicó anteriormente, cerca de WV4, el patrón de flujo era normal en Sc30-15 y la \({V}_{y{^{\prime}}}\) absoluta era más alta que en Sc17-15 (en la que el vórtice tiene formado), \( \left| {\underbrace {{V_{{yWV4}}^{{'30 - 15}} }}_{{ - 0.72}}} \right| > \left| {\underbrace { {V_{{yWV4}}^{{'17 - 15}} }}_{{0.41}}} \right| \); sin embargo, el gradiente de presión y la velocidad promedio tenían un patrón inverso, \( \underbrace {{\Delta P_{{WV4}}^{{30 - 15}} }}_{{3.77}} < \underbrace {{\Delta P_{{WV4}}^{{17 - 15}} }}_{{7.69}} \) y \( \underbrace {{FRPA_{{WV4}}^{{30 - 15}} }}_{{ 352}} < \underbrace {{FRPA_{{WV4}}^{{17 - 15}} }}_{{477}} \).

Por lo tanto, se podría concluir que el flujo en vórtices afectaría más a la ventilación que las corrientes ordinarias.

Mirando la Fig. 16, cerca de los respiraderos \({V}_{y{^{\prime}}}\) tenía la tasa máxima en el oeste en Sc17-15 en lugar de en otros escenarios, lo que lleva a la presión más alta pendiente y velocidad media. Además, en Sc30-10 y Sc30-15, el gradiente de presión y la velocidad promedio cambiaron con \({V}_{y{^{\prime}}}\) (Tabla 7).

Este patrón fue diferente en WV1 y WV2 en Sc17-10. En este escenario, aunque la velocidad promedio en WV2 fue menor que en WV1 (\( \underbrace {{FRPA_{{WV2}}^{{17 - 10}} }}_{{355}} < \underbrace {{FRPA_ {{WV1}}^{{17 - 10}} }}_{{393}} \)), \({V}_{y{^{\prime}}}\) cerca de WV2 fue mayor que cerca de WV1 (\( \underbrace {{V_{{{y'}}_{{WV2}}}^{{17 - 10}} }}_{{1.15~{\text{m}}/{\text{s }}}} > \soporte {{V_{{{y'}} _{{WV1}}}^{{17 - 10}} }}_{{1.02~{\text{m}}/{\text {s}}}} \)). Esto podría deberse a los remolinos a microescala que se formaron cerca de WV1 y WV2, mientras que la corriente inversa en el remolino a microescala cerca de WV1 fue más fuerte que cerca de WV2 (Figs. 20, 21). Estos remolinos a microescala se formaron justo cuando la velocidad del viento era de 10 m/s.

Remolinos a microescala cerca de WV1 y WV2 detrás del deflector occidental.

Remolinos cerca de (a) WV1 y (b) WV2 en Sc17-10, así como (c) WV1 y (d) WV2 en Sc30-10.

A \({V}_{\infty }=10 \)m/s, si el ángulo del viento era \(\omega =17^\circ \), el micro remolino comenzó a 35 cm del centro del WV1 (Fig. 21) y continuado por 25 cm. En este remolino, el valor absoluto máximo de \({V}_{y{^{\prime}}}\) fue \(\left|{{V}_{y{^{\prime}}}}_ {WV1}^{Sc17-10}\right|=1,02 \mathrm{m}/\mathrm{s}\), que se produjo a 15 cm del centro de la ventilación. Además, el remolino se inició desde 25 cm hasta cerca de 10 cm del centro de WV2 (la longitud era de 15 cm), y el valor absoluto máximo fue \(\left|{{V}_{y{^{\prime }}}}_{WV2}^{Sc17-10}\right|=0.13 \mathrm{m}/\mathrm{s}\), ocurriendo a una distancia de 15 cm. Cuando \({V}_{\infty }=10 \mathrm{m}/\mathrm{s}\) y \(\omega =30^\circ \), el remolino se formó de 20 a 10 cm desde WV1 ( la longitud era de 10 cm) donde el valor máximo absoluto era \(\left|{{V}_{y{^{\prime}}}_{WV1}^{Sc30-10}\right|=0.56 \mathrm {m}/\mathrm{s}\). Finalmente, en el mismo escenario y cerca de WV2, el remolino se formó de 16 cm a 14 cm desde el centro del respiradero (2 cm de longitud) con el valor máximo de \(\left|{{V}_{y{^{\ prime}}}}_{WV2}^{Sc30-10}\right|=0.13 \mathrm{m}/\mathrm{s}\) a 15 cm del centro de ventilación.

Por lo tanto, como el flujo inverso máximo ocurrió en el remolino en Sc17-10 cerca de WV1, \({V}_{y{^{\prime}}}\) ha disminuido más cerca de este respiradero en este escenario que en otros (Fig. . dieciséis).

Además, de acuerdo con la Fig. 16, el \({V}_{y{^{\prime}}}\) mínimo en WV1 ocurrió en Sc17-10, como resultado del remolino de microescala descrito.

Los resultados indican que el valor medio de la velocidad del aire interior en los cuatro escenarios considerados fue de alrededor de 0,31 m/s. Por otro lado, en edificios con ventilación natural, el confort térmico de los ocupantes debe evaluarse en base a modelos de confort térmico adaptativo. Como tal, en el presente estudio, utilizamos el modelo de confort térmico adaptativo de la norma ASHRAE 55-202072. Por lo tanto, al considerar la temperatura media exterior de verano de la región de Sistán (alrededor de 33 °C) y la velocidad media del aire de 0,31 m/s, el modelo de confort adaptativo revela que sin usar ningún sistema de enfriamiento mecánico para el espacio interior del molino de viento, el La percepción térmica de los ocupantes se encuentra dentro del rango de confort con un límite de aceptabilidad del 80%.

La IAQ depende de varios parámetros, como la tasa de flujo de aire, la tasa de cambio de aire y la edad media local del aire (LMA) en un plano horizontal de 1,5 m (nivel de personas de pie en actividades). Dado que el parámetro de cambio de aire por hora (ACH) se usó ampliamente en estudios similares, este criterio se ha utilizado para evaluar el IAQ.

El cambio de aire por hora, ACH (/h), se calculó dividiendo las velocidades de ventilación integradas por el volumen de la habitación, V (Ec. 8)

donde \({v}_{j}\) es el vector de velocidad, \({n}_{j}\) es el vector ordinario a la superficie de los respiraderos, \({A}_{j}\) representa el área de la j-ésima celda, n es el número total de celdas en los conductos de ventilación y k muestra el número de conductos de ventilación en el edificio.

Los resultados (Fig. 22) mostraron que todos los escenarios estaban más allá del estándar ASHRAE para edificios residenciales (ACH = 0,35)73,74. Esta cifra indica que el cambio de aire aumenta cuando el viento sopla más rápido. Uno de los hallazgos interesantes es que el cambio de aire disminuyó al aumentar el ángulo del viento.

Cambio de aire por hora (ACH) en el molino de viento en diferentes escenarios.

La aplicación del viento en la ventilación de edificios vernáculos fue explicada en diversa literatura. De hecho, la cuestión importante es cómo podemos mejorar la tasa de ventilación en la arquitectura moderna con este conocimiento. Proyectos como Kidderminster College75 y Windcatcher Zero76 son los casos que utilizan la ventilación natural en la arquitectura moderna7,36. Las características de la estructura estudiada, incluyendo su orientación, el uso de deflectores y la forma y ubicación de ventilaciones así como pasillos pueden ser un modelo adecuado para aprovechar el viento en el intercambio de aire interior. Además, cada uno de los enfoques mencionados (como el efecto de la presión negativa43 detrás de los deflectores) o una combinación de estos enfoques se pueden proponer como una solución eficaz para las estrategias de ventilación cruzada o de un solo lado. Por ejemplo, este sistema podría recomendarse como una solución auxiliar adecuada para el correcto proceso de ventilación en grandes espacios públicos como pasillos, museos77, almacenes, estadios cerrados78 y fábricas, que por un lado, el hacinamiento aumenta los contaminantes inducidos en el interior79 en el espacio, y por otro lado, el costo de la ventilación en estos lugares es alto.

Este artículo evaluó la ventilación impulsada por el viento en una estructura antigua, un molino de viento en Sistán, Irán. Se aplicaron análisis CFD para estudiar la ventilación natural y se validaron mediante mediciones en el sitio. El viento de Sistán fluye en dirección NW-SE por el vector resultante de \(17^\circ \), que fluctúa de 0° a 60°. En consecuencia, el molino de viento se construyó en base al vector de viento resultante en la región. Se construyeron dos deflectores lo suficientemente anchos para recoger todos los vientos dentro del rango mencionado para utilizar el viento en el rango más alto. Se construyeron dos corredores oeste y este para mejorar la ventilación.

Este estudio eligió cuatro escenarios climáticos diferentes según el patrón de viento de Sistán, es decir, dos velocidades de viento significativas por dos direcciones de viento predominantes. El enfoque actual ilustró las funciones de los deflectores en la formación de vórtices y la contribución de las rejillas de ventilación a la ventilación interior. Se calculó un error del 17% para la validación debido a la condición transitoria en el patrón de viento natural y la alta incertidumbre en las mediciones del sitio. Los resultados revelaron que la funcionalidad de las ventilaciones en los muros este y oeste cambiaría drásticamente con los cambios en la velocidad y dirección del viento. En general, los hallazgos de este estudio se resumen de la siguiente manera:

En cuanto a la ventilación natural, los deflectores tenían dos funciones principales:

La función más importante era acumular y dirigir el viento hacia la entrada de viento.

La segunda función implicó la disminución del flujo turbulento (mediante la formación de vórtices) en las paredes este y oeste para mejorar la ventilación interior.

Según los datos meteorológicos, el vector resultante del viento en Sistán es \(17^\circ \). Además, con respecto a la ventilación natural en \(\omega =17^\circ \), el muro oeste contribuyó más que el muro este en un 126 %. Por lo tanto, se diseñaron y construyeron más conductos de ventilación en el muro occidental para mejorar la ventilación.

Al cambiar la dirección del viento de \(17^\circ \) a \(30^\circ \), la longitud más considerable del vórtice detrás de los deflectores del este condujo a una mayor ventilación en un 149 % en esta pared.

Aunque la mayor velocidad del viento (15 m/s) mejoró la ventilación en los techos, la dirección del viento no afectó este valor en RV1 y RV2.

El remolino a microescala cerca de WV1 condujo a una reducción en \({V}_{y{^{\prime}}}\) en este respiradero, especialmente en Sc17-10. Sugiere diseñar un respiradero con un borde redondeado para reducir el coeficiente de pérdida de flujo cerca de los respiraderos80.

Cuando la velocidad del viento aumentó de 10 m/s a 15 m/s, los ACH se redujeron en un 150 %. Además, al cambiar el ángulo del viento de \(17^\circ \) a \(30^\circ \), la ACH se redujo en un 10 %. Sin embargo, los ACH fueron superiores al estándar ASHRAE (ACH > 0,35).

Se deben especificar algunos aspectos para utilizar el viento en regiones residenciales, incluida la dinámica actual alrededor de los edificios, el ángulo y la velocidad del viento que golpea el edificio, las áreas de baja y alta presión y los vórtices alrededor de los edificios. De esta manera, el patrón de flujo completo alrededor de los edificios podría determinarse y brindarse tanto a ingenieros como a arquitectos.

Es necesario considerar algunas limitaciones en este artículo, como las características geométricas de los deflectores (es decir, longitud y ángulo) sobre la tasa de vacío. Los análisis de la comodidad humana (es decir, efectos térmicos, de humedad y de la velocidad del viento) deben realizarse en investigaciones posteriores que consideren el efecto de los corredores en la prevención del flujo interior turbulento. El impacto de los medios húmedos y porosos en la entrada (Kharkhona53 en el idioma nativo de Sistán) debe analizarse en la ENTRADA.

Los principios subyacentes descubiertos por esta investigación y el tipo de diseño de esta estructura se pueden adoptar en muchos edificios y espacios cerrados con una alta tasa de contaminación inducida en el interior. Sin embargo, vale la pena señalar que no todas las estrategias en el diseño de esta estructura se aplican a todos los lugares y se recomienda usarla en condiciones climáticas similares.

El autor desea agradecer al Global Wind Atlas por acceder al mapa eólico de Sistán. Los conjuntos de datos analizados durante el estudio actual están disponibles en el repositorio de figshare, https://doi.org/10.6084/m9.figshare.19775980.

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wahid arbabi

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MJ y EM son responsables de desarrollar métodos, dibujar gráficos, analizar resultados y escribir el borrador original. VA y SAZ son responsables de la curación de datos y las mejoras en la metodología.

Correspondencia a Vahid Arbabi.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Mohammadi, E., Jarkeh, M., Zolfaghari, SA et al. Efecto de la arquitectura resiliente en un antiguo molino de viento en la región de Sistán sobre la mejora de la ventilación natural. Informe científico 12, 18240 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23027-w

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Recibido: 09 mayo 2022

Aceptado: 24 de octubre de 2022

Publicado: 29 de octubre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-23027-w

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