Effetto dell’architettura resiliente in un antico mulino a vento nella regione del Sistan sul miglioramento della ventilazione naturale

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 18240 (2022) Citare questo articolo

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Nel corso dei secoli sono stati sviluppati nelle architetture diversi elementi atti a garantire un'adeguata ventilazione naturale delle unità abitative. Questo studio valuta i diversi componenti di un antico mulino a vento nel Sistan, in Iran, sul miglioramento della qualità dell'aria interna (IAQ) della struttura. Diversi scenari climatici sono stati definiti dall'analisi del vento dei dati meteorologici del Sistan e analizzati mediante CFD. Le misurazioni sul sito confermano l'accuratezza dei risultati della simulazione. Nel mulino a vento, due deflettori rivolti verso il vento prevalente sono gli elementi significativi che, oltre a dirigere il vento verso l'ingresso, potrebbero formare vortici in prossimità delle aperture est e ovest che portano alla ventilazione di aspirazione. La variazione della velocità e dell'angolo del vento da 10 a 15 m/s e da 30° a 17° aumenterebbe il ricambio d'aria orario (ACH) rispettivamente del 150% e del 110%. Nel frattempo, gli ACH erano superiori al livello desiderato dall’ASHRAE (ACH > 0,35).

Al giorno d'oggi, il benessere degli occupanti degli edifici mette a dura prova l'energia aumentando il consumo di combustibili fossili. L’architettura Zero Net Energy (ZNE) sarebbe una soluzione per ridurre il consumo di energia. Nella ZNE, la ventilazione naturale1,2,3,4,5,6 nelle abitazioni è da tempo comune nelle zone aride7 e ventose, come alcune parti dell’Iran. I residenti di queste aree utilizzano da secoli il vento all’interno e intorno agli edifici per migliorare la qualità dell’aria interna senza consumare energia. L'esame di questi lavori mostra che senza dubbio erano a conoscenza di tutti i principi dell'aerodinamica e li applicavano nei loro progetti.

I parametri di progettazione delle aperture e degli strumenti di ventilazione aggiuntivi svolgono un ruolo essenziale nelle prestazioni di ventilazione indotta dal vento. L'effetto del tipo e della posizione delle finestre a vasistas8 (TW) sull'ACH è stato valutato negli edifici a molti piani1. Una combinazione di analisi CFD e rete neurale artificiale ha indicato che l’ACH aumenterebbe in media al 108,1% con una corretta progettazione dei TW (la dimensione e la direzione delle finestre in base alla velocità e alla direzione del vento).

Le torri eoliche, note anche come wind-catcher, Kolak et al.9, sono tipicamente strutture verticali costruite sul tetto degli edifici con aperture prevalentemente rettangolari rivolte verso il vento prevalente per il raffreddamento degli interni10,11. Le misurazioni in sito12,13,14,15 e gli studi numerici9,16,17,18,19,20,21,22 confermano l'efficacia e l'affidabilità di queste strutture, presentandole come nuove soluzioni per ventilare naturalmente gli edifici moderni23,24,25 ,26.

Le pareti alari o i deflettori27 sono elementi solidi verticali28 o orizzontali29 attorno e vicino a finestre o barriere antivento30, che migliorano la ventilazione naturale su un solo lato31,32 creando gradienti di pressione aggiuntivi tra le aperture. Può indurre una ventilazione di aspirazione naturale producendo una regione di bassa pressione sulle finestre di uscita33. Questo elemento è efficace quando il vento soffia con un angolo obliquo, mentre le prestazioni diminuiscono se la direzione del vento tende a 90°32. Sebbene il muro ad ala sia stato utilizzato negli edifici vernacolari (finestre a battente che ruotano verso l'esterno), le architetture moderne utilizzano la sua applicazione pratica nel design moderno; ad esempio, i corridoi degli uffici dell'UMNO possono essere ventilati naturalmente attraverso le sue pareti laterali34,35. L'uso di pareti alari sul bordo di un windcatcher ha rivelato che questo elemento fornirebbe una capacità di raffreddamento massima di 9,6 kW a una velocità del vento di 4 m/s, il che potrebbe aiutare a mantenere la temperatura interna al di sotto della temperatura adattativa massima30.

La qualità dell’aria interna diminuirebbe se l’aria esterna fosse calda36, caldo-umida e inquinata37. Pertanto, vengono suggeriti metodi alternativi per prevenire l’interazione diretta tra l’aria esterna e quella interna in condizioni esterne intensamente calde/fredde. Per quanto riguarda le condizioni esterne calde, è stata suggerita la combinazione del raffreddamento evaporativo e del camino solare7,38,39,40,41 per ridurre la temperatura interna di circa 8 °C quando la temperatura esterna era superiore a 35 °C. Inoltre, poiché l’applicabilità del raffreddamento per evaporazione non è raccomandata nelle regioni caldo-umide, è stato progettato il windcatcher42 a forma di venturi che può aumentare il tasso di ventilazione di 8 volte di più rispetto alla ventilazione incrociata43. Questa struttura è stata progettata sulla base dell'effetto Bernoulli44 che spiega come la pressione negativa si verifica quando la velocità aumenta su un lato della struttura a forma di Venturi portando alla ventilazione-aspirazione. Inoltre, in condizioni di inquinamento atmosferico, l'esterno può influenzare negativamente la IAQ7,45,46 ed è stato raccomandato l'uso di filtri agli ingressi47. Tuttavia, sono stati condotti pochi studi sugli effetti di coppia dei filtri con captatori del vento e camini solari come modo efficace per indurre la ventilazione7,47.