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Captador de viento

Un ab anbar (embalse) con captadores de viento (aberturas cerca de la parte superior de las torres) en la ciudad desértica central de Yazd , Irán. La mansión Aghazadeh en Abarko...

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Un ab anbar (embalse) con captadores de viento (aberturas cerca de la parte superior de las torres) en la ciudad desértica central de Yazd , Irán.
La mansión Aghazadeh en Abarkooh , Irán , cuenta con una elaborada torre de viento de 18 metros con dos niveles de aberturas, además de algunas torres de viento más pequeñas.

Un captador de viento , torre de viento o colector de viento ( en persa : بادگیر , romanizado :  Badgir ) es un elemento arquitectónico tradicional que se utiliza para crear ventilación cruzada y refrigeración pasiva en edificios. [ 1 ] Los captadores de viento vienen en varios diseños, dependiendo de si los vientos predominantes locales son unidireccionales, bidireccionales o multidireccionales, de cómo cambian con la altitud, del ciclo de temperatura diario , de la humedad y de la cantidad de polvo que se necesita eliminar. [ 2 ] A pesar del nombre, los captadores de viento también pueden funcionar sin viento .

Descuidados por los arquitectos modernos en la segunda mitad del siglo XX, a principios del siglo XXI se volvieron a utilizar para aumentar la ventilación y reducir la demanda de energía para el aire acondicionado . [ 3 ] Generalmente, el costo de construcción de un edificio ventilado con captadores de viento es menor que el de un edificio similar con sistemas convencionales de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC). Los costos de mantenimiento también son menores. A diferencia del aire acondicionado y los ventiladores eléctricos, los captadores de viento son silenciosos [ 4 ] y continúan funcionando cuando falla la energía de la red eléctrica (una preocupación particular en lugares donde la energía de la red es poco confiable o costosa). [ 5 ] [ 11 ]

Los captadores de viento dependen de las condiciones meteorológicas y microclimáticas locales , y no todas las técnicas funcionarán en todas partes; los factores locales deben tenerse en cuenta en el diseño. [ 5 ] Los captadores de viento de diversos diseños se utilizan ampliamente en el norte de África , Asia occidental y Asia meridional . [ 12 ] [ 2 ] Una idea simple y extendida, hay evidencia de que los captadores de viento se han utilizado durante muchos milenios, y no hay evidencia clara de que no se hayan utilizado en la prehistoria . [ 3 ] [ 2 ] [ 12 ] El "lugar de invención" de los captadores de viento es, por lo tanto, objeto de intensa disputa; Egipto, Irán y los Emiratos Árabes Unidos lo reclaman. [ 12 ] [ 13 ]

Los captadores de viento varían drásticamente en forma, incluyendo altura, área de sección transversal y subdivisiones y filtros internos. [ 2 ]

La captación de viento ha ganado terreno en la arquitectura occidental, y existen varios productos comerciales que utilizan el nombre de captador de viento . Algunos captadores de viento modernos utilizan piezas móviles controladas por sensores o incluso ventiladores alimentados por energía solar para crear sistemas de ventilación y refrigeración semipasivos . [ 2 ]

Los captadores de viento se han utilizado durante mucho tiempo en barcos, por ejemplo, en forma de caja dorada . También se han utilizado experimentalmente para enfriar áreas exteriores en ciudades, con resultados dispares; [ 2 ] los métodos tradicionales incluyen espacios estrechos y amurallados, parques y calles sinuosas, que actúan como depósitos de aire frío, y disposiciones similares a los takhtabush (véanse las secciones sobre renovación nocturna y convección, más adelante). [ 14 ]

Ubicación

Torre de viento, exterior, Museo de Dubái
El interior es el mismo. Esta torre de viento tiene cuatro aberturas y paredes verticales de tela marrón en las diagonales interiores, por lo que puede captar el viento desde diversas direcciones.
Una torre de viento de mampostería de ocho secciones en Souq Waqif , Doha , Qatar.
Malqafs en Egipto en 1878. Prismas triangulares rectos cortos de madera y esteras, con el lado vertical abierto y orientado directamente hacia arriba o hacia abajo del viento (a menudo uno de cada uno por edificio). Este diseño funciona bien en zonas con fuertes vientos de baja altitud y dirección constante.

La construcción de un captador de viento depende de la dirección predominante del viento en esa ubicación específica: si el viento tiende a soplar solo de un lado, puede tener una sola abertura y no tener tabiques internos. [ 2 ] En áreas con direcciones de viento más variables, también puede haber paredes internas radiales, que dividen la torre de viento en secciones verticales. Estas secciones son como chimeneas paralelas , pero con aberturas laterales que apuntan en múltiples direcciones. [ 2 ] Más secciones reducen el caudal, pero aumentan la eficiencia en ángulos de viento subóptimos. Si el viento golpea la abertura de frente, entrará, pero si la golpea con un ángulo suficientemente oblicuo, tenderá a deslizarse alrededor de la torre. [ 2 ]

Los captadores de viento en áreas con vientos más fuertes tendrán secciones transversales totales más pequeñas, [ 15 ] y las áreas con viento muy caliente pueden tener muchos conductos más pequeños para enfriar el aire entrante. [ 14 ] Las torres de viento con secciones transversales horizontales cuadradas son más eficientes que las redondas, ya que los ángulos agudos hacen que el flujo sea menos laminar , favoreciendo la separación del flujo ; [ 2 ] una forma adecuada aumenta la succión. [ 14 ]

Los captadores de viento más altos captan vientos más fuertes. Los vientos más fuertes soplan con mayor intensidad y son más frescos [ 16 ] (y en una dirección diferente [ 17 ] ). El aire a mayor altura también suele ser menos polvoriento. [ 16 ]

Si el viento es polvoriento o contaminado, o si hay enfermedades transmitidas por insectos como la malaria y el dengue , entonces puede ser necesario filtrar el aire . [ 2 ] Parte del polvo puede depositarse en la parte inferior del captador de viento a medida que el aire disminuye su velocidad (ver diagrama a continuación), y más puede filtrarse mediante plantas adecuadas o malla antiinsectos. [ 16 ] Los filtros físicos generalmente reducen el flujo de aire, a menos que el flujo sea muy racheado. [ 2 ] También puede ser posible cerrar total o parcialmente el captador de viento. [ 15 ]

The short, wide right-triangle-prism malqaf are usually bidirectional, set in symmetrical pairs, and are often used with a salsabil (evaporative cooling unit)[2] and a shuksheika (roof lantern vent).[16] Wide malqafs are more often used in damper climates, where high-volume air flow is more important compared to evaporative cooling. In hotter climates, they are narrower, and air is cooled on its way in.[14] They are more commonly used in Africa.[2]Baudgir, on the other hand, are multisided (usually 4-sided), and they are typically tall towers (up to 34 meters tall) which can be closed in winter. They are more common in the Persian Gulf region[2] and in areas with dust storms.[15] Taller windcatchers also have a stronger stack effect.[14]

Cooling methods

Night-flushing cools the house by increasing ventilation at night, when the outdoor air is cooler; windtowers can assist night flushing.[16]

A windcatcher can also cool air by drawing it over cool objects. In arid climates, the daily temperature swings are often extreme, with desert temperatures often dipping below freezing at night. The thermal inertia of the soil evens out the daily and even annual temperature swings. Even the thermal inertia of thick masonry walls will keep a building warmer at night and cooler during the day. Windcatchers can thus cool by drawing air over night- or winter-cooled materials, which act as heat reservoirs.

Windcatchers that cool by drawing air over water use the water as a heat reservoir, but if the air is dry, they are also cooling the air with evaporative cooling.[2] The heat in the air goes into evaporating some of the water, and will not be released until the water re-condenses. This is a very effective way of cooling dry air.[2]

Simply moving the air also has a cooling effect. Humans cool themselves using evaporative cooling when they sweat. A draft disrupts the boundary layer of body-warmed and water-saturated air clinging to the skin, so a human will feel cooler in moving air than in stagnant air of the same temperature.[14]

Airflow forces

Un par de pequeños captadores de viento tradicionales ( malqaf ); el viento se dirige hacia abajo en el lado de barlovento y las hojas en el lado de sotavento . En el centro, una shuksheika ( ventana de techo ), utilizada para dar sombra al qa'a inferior y permitir que el aire caliente salga de ella. [ 16 ]

El captador de viento puede funcionar de dos maneras: dirigiendo el flujo de aire mediante la presión del viento que incide sobre él, o dirigiendo el flujo de aire mediante fuerzas de flotación derivadas de gradientes de temperatura ( efecto chimenea ). [ 2 ] [ 4 ] Se ha debatido la importancia relativa de estas dos fuerzas. La importancia de la presión del viento aumenta con la velocidad del viento y, por lo general, es más importante que la flotación en la mayoría de las condiciones en las que el captador de viento funciona eficazmente. [ 2 ]

La velocidad del flujo de aire también es importante, especialmente para la refrigeración evaporativa (ya que solo funciona con aire seco y lo humidifica). Es posible que un edificio ventilado con torres de viento tenga caudales muy altos; en un experimento se midieron 30 renovaciones de aire por hora. [ 5 ] Es importante un flujo uniforme y estable sin zonas de estancamiento. Por lo tanto, debe evitarse el flujo turbulento; el flujo laminar es más eficaz para mantener el confort humano [ 4 ] (para un ejemplo extremo, véase la válvula Tesla ).

Con frecuencia se utilizan otros elementos en combinación con los captadores de viento para enfriar y ventilar: patios , cúpulas , muros y fuentes, por ejemplo, como partes integrales de una estrategia general de ventilación y gestión del calor.

Presión del viento

Si el lado abierto de un captador de viento está orientado hacia el viento predominante, puede "captarlo" y conducirlo hacia el interior del edificio. La succión del lado de sotavento de una torre de viento también es una fuerza impulsora importante, generalmente algo más constante y menos racheada que la presión en el lado de barlovento (véase el efecto Venturi y el principio de Bernoulli ). [ 14 ]

Dirigir el viento a través del edificio refresca a las personas que se encuentran en su interior. El aire fluye a través de la casa y sale por el otro lado, creando una corriente de aire; la velocidad del flujo de aire en sí misma puede proporcionar un efecto refrescante. Los captadores de viento se han utilizado de esta manera durante miles de años. [ 14 ]

La torre de viento crea esencialmente un gradiente de presión para aspirar aire a través del edificio. [ 18 ] Se han construido torres de viento con perfiles aerodinámicos horizontales para potenciar estos gradientes de presión. [ 2 ] La forma del techo tradicional shuksheika también crea succión cuando el viento sopla sobre él. [ 14 ]

Convección

Gradiente de temperatura vertical causado por la estratificación estable del aire dentro de una habitación. Nótese el aire caliente que asciende desde la persona.

La flotabilidad no suele ser el principal efecto que impulsa la circulación del aire en los captadores de viento [ 2 ] durante el día.

En un entorno sin viento, un captador de viento aún puede funcionar utilizando el efecto chimenea . [ 16 ] El aire caliente, que es menos denso, tiende a viajar hacia arriba y escapar por la parte superior de la casa a través de la torre de viento. [ 2 ]

Calentar la propia torre de viento puede calentar el aire interior (convirtiéndola en una chimenea solar y una torre de tiro ascendente solar ), de modo que asciende y extrae aire de la parte superior de la casa, creando una corriente de aire. Este efecto puede potenciarse con una fuente de calor en la base de la torre ( como personas, de unos 80 vatios cada una ), pero esto calienta la casa y la hace menos confortable. [ 2 ] Una técnica más práctica consiste en enfriar el aire a medida que desciende y entra, utilizando depósitos de calor y/o refrigeración evaporativa. [ 5 ]

Un takhtabush es un espacio similar al antiguo tablinum romano, que se abre tanto a un patio muy sombreado como a un patio trasero ajardinado (el lado del jardín está sombreado por una celosía mashrabiya ). Está diseñado para capturar una corriente de aire transversal. La brisa es impulsada al menos en parte por convección (ya que un patio generalmente estará más cálido que el otro), y también puede ser impulsada por la presión del viento y el enfriamiento por evaporación, [ 14 ] [ 16 ] [ 5 ] por lo que el jardín y el patio se utilizan como captadores de viento.

Las fuerzas de flotación se utilizan para provocar la limpieza nocturna del cielo.

Lavado nocturno (aire frío)

El ciclo de temperatura diurno implica que el aire nocturno es más frío que el diurno; en climas áridos, mucho más frío. Esto genera fuerzas de flotabilidad considerables. Los edificios pueden diseñarse para aumentar espontáneamente la ventilación durante la noche.

Los patios en climas cálidos se llenan de aire frío por la noche. Este aire frío fluye desde el patio hacia las habitaciones adyacentes. [ 16 ] El aire frío nocturno fluye fácilmente, ya que es más denso que el aire caliente ascendente al que desplaza. [ 14 ] [ 16 ] Pero durante el día, las paredes y el toldo del patio lo sombrean, mientras que el aire exterior se calienta con el sol. [ 16 ] La mampostería fría también enfría el aire cercano. [ 19 ] El aire del patio se estratifica de forma estable , con el aire caliente flotando sobre el aire frío con poca mezcla. [ 14 ] El hecho de que las aberturas estén en la parte superior atrapa el aire frío de abajo, aunque no puede hacer que la temperatura descienda por debajo de la temperatura mínima nocturna. Este mecanismo también funciona en las torres de viento. [ 15 ]

Refrigeración subterránea

Un shabestán , una habitación fresca y subterránea típica de la arquitectura iraní , que puede ventilarse mediante captadores de viento. La fuente proporciona refrigeración por evaporación.

Un captador de viento también puede enfriar el aire poniéndolo en contacto con masas térmicas frías . Estas se encuentran a menudo bajo tierra.

Por debajo de aproximadamente 6 m de profundidad, el suelo y el agua subterránea siempre están a aproximadamente la temperatura media anual (TMA) [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] (es esta profundidad la que se utiliza para muchas bombas de calor de fuente terrestre , a menudo denominadas informalmente "bombas de calor geotérmicas" por personas no expertas [ 23 ] ). La inercia térmica del suelo uniformiza las fluctuaciones de temperatura diarias e incluso anuales. En climas áridos , las fluctuaciones de temperatura diarias suelen ser extremas, con temperaturas desérticas que a menudo descienden por debajo del punto de congelación por la noche. Incluso la inercia térmica de muros de mampostería gruesos mantendrá un edificio más cálido por la noche y más fresco durante el día; en climas cálidos y áridos, son comunes los muros gruesos con alta masa térmica ( adobe , piedra, ladrillo ) (aunque en la actualidad a veces se utilizan muros más delgados con alta resistencia a la transmisión de calor ). [ 16 ] Los captadores de viento pueden enfriar haciendo pasar aire sobre materiales enfriados por la noche o el invierno, que actúan como depósitos de calor .

Los captadores de viento también se utilizan a menudo para ventilar espacios interiores de nivel inferior (por ejemplo, shabestans ), que mantienen temperaturas gélidas al mediodía incluso sin ellos. Las neveras se utilizan tradicionalmente para almacenar agua congelada durante la noche en zonas desérticas o durante el invierno en zonas templadas. Pueden utilizar captadores de viento para hacer circular el aire hacia una cámara subterránea o semi-subterránea, enfriando el hielo por evaporación para que se derrita lentamente y se mantenga relativamente seco (véase la imagen principal ). Por la noche, los captadores de viento incluso pueden llevar aire nocturno bajo cero al subsuelo, ayudando a congelar el hielo.

Enfriamiento por evaporación

Un captador de viento y un qanat utilizados para la refrigeración.

En climas secos, se puede aprovechar el efecto de enfriamiento por evaporación colocando agua en la entrada de aire, de manera que la corriente de aire la impulse sobre el agua y luego hacia el interior de la vivienda. Por esta razón, a veces se dice que la fuente, en la arquitectura de climas cálidos y áridos, es como la chimenea en la arquitectura de climas fríos. [ 16 ]

Los captadores de viento se utilizan para el enfriamiento evaporativo en combinación con un qanat , o canal subterráneo (que también utiliza el depósito de calor subterráneo descrito anteriormente). En este método, el lado abierto de la torre mira en dirección opuesta al viento predominante (la orientación de la torre se puede ajustar mediante puertos direccionales en la parte superior). Cuando solo se deja abierto el lado de sotavento , el aire es aspirado hacia arriba mediante el efecto Coandă . Esto atrae el aire hacia una entrada en el otro lado del edificio. El aire caliente que baja al túnel del qanat se enfría al entrar en contacto con el flujo de agua y la tierra circundante . El suelo bajo el nivel del suelo se mantiene frío por estar a varios metros bajo la superficie. El aislamiento y la capacidad calorífica de la tierra suprayacente mantienen la misma temperatura estable día y noche, y como las noches en climas áridos son bastante frías, a menudo bajo cero, esa temperatura estable es bastante fresca. El aire también se enfría por evaporación cuando parte del agua del qanat se evapora al pasar sobre ella el aire superficial caliente y seco; La energía térmica del aire se absorbe como energía de vaporización . De este modo, el aire seco se humidifica antes de entrar en el edificio. El aire enfriado asciende por la casa y finalmente sale por el captador de viento, también gracias al efecto Coandă. En conjunto, el aire frío circula por el edificio, disminuyendo la temperatura general de la estructura.

Un salasabil es un tipo de fuente con una fina lámina de agua corriente, diseñada para maximizar la superficie y, por lo tanto, la refrigeración por evaporación. [ 16 ] [ 14 ] Los captadores de viento se utilizan a menudo con salasabils para maximizar el flujo de aire no saturado sobre la superficie del agua y transportar el aire enfriado a donde se necesita en el edificio. [ 4 ]

También se puede colgar una estera humedecida dentro del captador de viento para enfriar el aire entrante. [ 16 ] Esto puede reducir el flujo, especialmente con vientos débiles. Sin embargo, también puede producir una corriente descendente de aire frío en condiciones sin viento. [ 2 ] El enfriamiento evaporativo dentro de una torre de viento hace que el aire en la torre descienda, impulsando la circulación. Esto se llama enfriamiento evaporativo de tiro descendente pasivo (PDEC). También se puede generar utilizando boquillas de pulverización (que tienden a obstruirse si el agua es dura) o serpentines de enfriamiento de agua fría (como la calefacción por suelo radiante hidrónica a la inversa). [ 5 ]

Captadores de viento y cambio climático

Los captadores de viento pueden utilizarse para mitigar el cambio climático, ya que pueden "reducir el consumo energético y la huella de carbono del edificio " [ 24 ] y para la adaptación al cambio climático, puesto que facilitan la refrigeración en un clima más cálido. [ 25 ] Los captadores de viento pueden reducir la temperatura interior de la vivienda entre 8 y 12 °C (14 y 22 °F) en comparación con la temperatura exterior. [ 26 ]  

Un captador de viento para ventanas puede reducir el consumo total de energía de un edificio en un 23,3%. [ 27 ]

Uso regional

África

Egipto

En Egipto, los captadores de viento se conocen como malqaf , pl. malaaqef . [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] Generalmente tienen forma de prismas triangulares rectos con el lado vertical abierto y orientado directamente hacia arriba o hacia abajo del viento (uno de cada uno por edificio). Funcionan mejor si se orientan dentro de los 10 grados de la dirección del viento; los ángulos mayores permiten que el viento escape. [ 3 ] Los captadores de viento se usaban en la arquitectura tradicional del antiguo Egipto , [ 31 ] y solo comenzaron a caer en desuso a mediados del siglo XX. Su uso ahora se está reexaminando, ya que el aire acondicionado representa el 60% de la demanda máxima de energía eléctrica de Egipto (y por lo tanto la necesidad del 60% de su capacidad de generación ). [ 3 ]

Los captadores de viento en Egipto se utilizan a menudo junto con otros elementos de refrigeración pasiva. [ 16 ]

Asia

La Universidad de Qatar en Doha tiene captadores de viento inusuales. [ 2 ]
Sencillas torres de captación de viento en Hyderabad, Pakistán , en el siglo XIX: torres cuadradas de dos paredes con techos inclinados en diagonal.

Los captadores de viento son un elemento común en el oeste y el sur de Asia, influenciados por la difusión de la cultura islámica.

Irán

En Irán , un captador de viento se llama bâdgir , bâd "viento" + gir "captador" ( en persa : بادگیر ). Estos dispositivos se utilizaban en la arquitectura aqueménida . [ 15 ] Se utilizan en las zonas cálidas y secas de la meseta central iraní y en las regiones costeras cálidas y húmedas. [ 15 ]

El centro de Irán presenta una gran variación de temperatura diurna debido a su clima árido . La mayoría de los edificios están construidos con cerámica gruesa de alto aislamiento térmico . Las ciudades ubicadas en oasis desérticos tienden a estar muy juntas, con muros y techos altos, maximizando así la sombra a nivel del suelo. El calor de la luz solar directa se minimiza con ventanas pequeñas orientadas en dirección opuesta al sol. [ 15 ]

La eficacia del captador de viento propició su uso rutinario como dispositivo de refrigeración en Irán. Muchos depósitos de agua tradicionales ( ab anbars ), capaces de almacenar agua a temperaturas cercanas al punto de congelación durante los meses de verano, se construyen con captadores de viento. [ 15 ] El efecto de enfriamiento por evaporación es más fuerte en los climas más secos, como en la meseta iraní, lo que ha llevado al uso generalizado de captadores de viento en zonas más secas como Yazd , Kerman , Kashan , Sirjan , Nain y Bam .

Los captadores de viento suelen tener una, cuatro u ocho aberturas. En la ciudad de Yazd, todos los captadores de viento son de cuatro u ocho lados. La construcción de un captador de viento depende de la dirección del flujo de aire en ese lugar específico: si el viento tiende a soplar solo de un lado, se construye con una sola abertura a sotavento . Este es el estilo más común en Meybod , a 50 kilómetros de Yazd: los captadores de viento son bajos y tienen una sola abertura.

Los atrapavientos en Irán pueden ser bastante elaborados, debido a su uso como símbolos de estatus. [ 15 ]

En la arquitectura tradicional persa , un pequeño captador de viento se denomina shish-khan . Todavía se pueden ver shish-khans en lo alto de los ab anbars en Qazvin y otras ciudades del norte de Irán. Estos parecen funcionar más como ventiladores que como reguladores de temperatura, como los que se ven en los desiertos centrales de Irán.

Australia

Casa del Ayuntamiento 2. Torres de viento en un cañón de hormigón a la izquierda.

El edificio Council House 2 en Melbourne , Australia, tiene "torres de ducha" de tres pisos de altura, hechas de tela que se mantiene húmeda por un cabezal de ducha que gotea en la parte superior de cada una. La refrigeración por evaporación enfría el aire, que luego desciende al interior del edificio. [ 19 ]

Europa

El Zénith de Saint-Étienne Métropole tiene una pala cortavientos de aluminio extremadamente ancha.

Francia

El Zénith de la Métropole de Saint-Étienne es un pabellón multiusos construido en Auvernia-Ródano-Alpes (interior del sur de Francia). Incorpora un gran captador de viento de aluminio, [ 33 ] mucho más ligero que un captador de viento equivalente de mampostería. El tamaño del captador le permite funcionar con cualquier dirección del viento; [ 33 ] la sección transversal perpendicular al flujo del viento permanece amplia.

Reino Unido

El centro comercial Bluewater en Kent utiliza torres captadoras de viento. [ 19 ] El edificio Queen's de la Universidad De Montfort en Leicester utiliza torres de efecto chimenea para la ventilación. [ 34 ]

América

El campo de críquet Kensington Oval en Barbados también utiliza una pala de viento de aluminio muy ancha. [ 33 ]

Se ha utilizado un captador de viento en el centro de visitantes del Parque Nacional Zion , Utah , [ 35 ] donde funciona sin la adición de dispositivos mecánicos para regular la temperatura. [ 33 ]

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

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  • Bahadori, Mehdi N. (1994). "Viabilidad de las torres eólicas para lograr confort en verano en las regiones áridas y cálidas de Oriente Medio". Energía Renovable . 5 ( 5– 8). Elsevier BV: 879– 892. Bibcode : 1994REne....5..879B . doi : 10.1016/0960-1481(94)90108-2 . ISSN 0960-1481 . 
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  • Fathy, Hassan. "El factor viento en el movimiento del aire" . Energía natural y arquitectura vernácula .(texto completo gratuito)
  • Roaf, S. (1988). "Bādgīr" . Encyclopaedia Iranica . Vol.  III. pp. 368–370 .