シスターン地方の古代風車の弾力性のある建築が自然換気の強化に及ぼす影響

Scientific Reports volume 12、記事番号: 18240 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

何世紀にもわたって、住宅ユニット内の適切な自然換気を確保するために、建築においてさまざまな要素が開発されてきました。この研究では、イランのシスターンにある古代の風車のさまざまなコンポーネントを、構造物の室内空気質 (IAQ) の向上に関して評価しています。いくつかの気候シナリオは、シスタン気象データの風解析によって定義され、CFD によって分析されています。現場での測定により、シミュレーション結果の精度が確認されます。風車では、卓越風に面した 2 つのディフレクターが重要な要素であり、風を入口に向けるだけでなく、吸気換気につながる東と西の開口部付近に渦を形成することができます。風速と角度を 10 から 15 m/s、30°から 17° に変更すると、1 時間あたりの空気変化 (ACH) がそれぞれ 150% と 110% 増加します。一方、ACH は ASHRAE の望ましいレベルよりも高かった (ACH > 0.35)。

現在、建物内の居住者の健康を維持するために、化石燃料の消費量が増加し、エネルギーに負担がかかっています。ゼロネットエネルギー (ZNE) アーキテクチャは、エネルギー使用量を削減するためのソリューションとなります。 ZNE では、イランの一部地域など、乾燥地帯 7 や風の強い地域では、住居内の自然換気 1、2、3、4、5、6 が長い間一般的でした。これらの地域の住民は、エネルギーを消費せずに室内の空気の質を改善するために、何世紀にもわたって建物内やその周囲の風を利用してきました。これらの作品を検討すると、間違いなくすべての空気力学の原則を認識しており、それを設計に適用していることがわかります。

開口部と追加の換気ツールの設計パラメータは、風による換気のパフォーマンスに重要な役割を果たします。欄間窓 8 (TW) の種類と位置が ACH に及ぼす影響は、高層ビルで評価されています 1。 CFD 解析と人工ニューラルネットワークを組み合わせた結果、TW (風の速度と方向に応じた窓の寸法と方向) を適切に設計することにより、ACH が平均 108.1% に増加することが示されました。

Kolak らによると、ウィンドキャッチャーとしても知られる風力塔 (9) は、通常、建物の屋根に建てられ、屋内を冷却するために卓越風に面した主に長方形の開口部を備えた垂直構造物です 10,11。現場での測定 12、13、14、15 および数値研究 9、16、17、18、19、20、21、22 により、これらの構造の有効性と信頼性が確認され、現代の建物を自然に換気するための新しいソリューションとして導入されています 23、24、25 、26。

翼壁またはディフレクター 27 は、窓またはウィンドキャッチャー 30 の周囲および近くにある垂直 28 または水平 29 の固体要素であり、開口部間に追加の圧力勾配を作成することによって自然な片面換気 31,32 を強化します。出口窓に低圧領域を生成することで自然な吸気換気を誘導できます33。この要素は風が斜めに流れるときに効果を発揮しますが、風向が 90°32 になると性能が低下します。翼壁は地方の建物 (外側に回転する開き窓) で使用されてきましたが、現代建築では現代のデザインにその実用的な応用が活用されています。たとえば、UMNO オフィスの廊下は翼壁によって自然に換気できます 34,35。ウィンドキャッチャーの端に翼壁を使用すると、この要素が風速 4 m/s で最大 9.6 kW の冷却能力を供給し、室内温度を最大適応温度未満に維持するのに役立つ可能性があることが明らかになりました 30。

外気が暖かく36、温暖湿潤で汚染されている場合、室内の空気の質は低下します37。そこで、猛暑/極寒の屋外条件下で屋外と屋内の空気が直接相互作用するのを防ぐための代替方法が提案されています。暖かい屋外条件に関しては、屋外温度が 35 °C を超える場合、蒸発冷却と太陽熱煙突の組み合わせが屋内温度を約 8 °C 下げることが提案されています 7,38,39,40,41。また、温暖多湿な地域では気化冷却の適用が推奨されないため、クロスベンチレーション43に比べて換気量を8倍に高めることができるベンチュリ形状のウィンドキャッチャー42が設計された。この構造は、ベンチュリ形状の構造の片側で速度が増加したときに負圧がどのように発生し、吸引換気が起こるかを説明するベルヌーイ効果 44 に基づいて設計されました。さらに、大気汚染状況では、屋外が IAQ に悪影響を与える可能性があり 7,45,46、入り口にフィルターを使用することが推奨されました 47。しかし、換気を誘発する効果的な方法として、風受けと太陽熱煙突を備えたフィルターの組み合わせ効果については、ほとんど研究が行われていません7,47。

シスターン（イランとアフガニスタンの国境にある地域）の環境汚染は、乾燥した状態と 120 日続く風 51 により時折砂嵐 48、49、50 が発生しており、この地域が 2016 年に最も汚染された都市として紹介されました 52。古代の建築では、冷却に加えて建物への粉塵の侵入を制御できる風を利用していました15、19、21。ハイダリは、シスタンの建物の通風に関する 3 つの要素 19、すなわち、ウィンドキャッチャー (「コラック」と呼ばれる)、開口部 (「ダリチェ」と呼ばれる)、および壁の溝 28 (「スーラック」と呼ばれる) を特定した。 Davtalab53 は、シスターニ派の伝統的な要素であるハルコーナと呼ばれる入口開口部を特定しました。これは、乾燥地域で風と湿度を同時に利用することで人間の快適さに影響を与える可能性があります53。その結果、ハルコナでは、物理的等価温度 (PET) を 9 °C 低下させ、湿度を 30% 上昇させることで、屋内を「非常に暑い」および「暑い」状態から「暖かい」状態に移行させることが示されました。

この研究では、CFD 解析を適用して、イランのシスターンにあるホズダル地域の経度 \(61.27^\circ \)、緯度 \(30.55^\circ \) にある古代の風車で採用されていた風による換気メカニズムを評価しました。。浮力効果により、屋内と屋外の温度差により建物内に空気の変化が生じます。しかし、乾燥地域では屋内と屋外の温度勾配が大きくないため、この研究では浮力換気は無視できると考えられていました6,43,54。長期気象データを分析して、CFD 解析の 4 つのシナリオ、つまり 2 つの異なる風角と 2 つの異なる風速で考慮された風速と風向を評価しました。

風車は 3 つの内部部品で構成されています。職場（居住者がほとんどの時間を過ごす場所）、エントランス、そして後方。この構造は、風上に指定された角度と長さで構築された 2 つの垂直ディフレクターを備えた卓越風の方向に向けられていました。その他の換気要素には、吸気口として 1 つの開口部、2 つの側壁にある 6 つの開口部 (6 つのうち 4 つは職場の 2 つの側壁に作られた 2 つの廊下にあり、残りの 2 つの開口部は入り口の側壁にありました)、および屋根上の 2 つの開口部が含まれていました。。

この論文は、古代人が自然換気によって室内の空気の質を望ましいレベルに高めるために建築要素をどのように使用したかを評価することを目的としました。実際、IAQ はさまざまな基準で調査できます。この研究では、ACH が国際標準に基づくよく知られた基準として導入されました。本研究では、ディフレクターがどのようにしてその背後および側壁付近に渦を形成し、幅広い入射角で自然な吸気換気をもたらすかを調査しました。

シスターンはイラン東部とアフガニスタン西部に位置する地域です。イランの風力エネルギーに関する調査55、56、57、58、59、60、61と世界風力地図62は、スィースターンがイラン領土内で最も風力エネルギーの可能性が高い地域であることを示しました（図1）。

シスターン地方で発生する最高風速62。

北経 31 度 5 分、東経 61 度 32 分に位置するザボル空港気象観測所 (観測所 ID = 40,829) の 56 年間 (1963 年 2 月から 2020 年 2 月まで) の風データが風の統計分析に使用されました。風速と風向の分布を解析し、風配図で表示します。その結果、卓越した風向きは \(315^\circ \) から \(360^\circ \) まで北西から南東の方向であることがわかりました。合成ベクトルの角度は \(343^\circ \) (または \(17^\circ \) 北方向から反時計回り Ω1) で、卓越風向は \(330^\circ \) (または北方向から反時計回りに \(30^\circ \)、Ω2) (図 2)。

シスタンの風配図と 2 つの主要な風向き。

さらに、分析により、7 月の平均風速は 10 m/s (または 36 \(\mathrm{km}/\mathrm{h}\)) 近くまで増加しましたが、最高風速の年平均はおよそ15 m/s (または 54 \(\mathrm{km}/\mathrm{h}\)) (図 3)。

最大風速の平均値と平均値 (1963 ～ 2020 年)。

風車の重要な角度を図 4 に示します。卓越風に対抗するために、2 つのデフレクターが構造物の境界壁に構築されました。デフレクターには 2 つの主な機能がありました。

最も重要な機能は、風を蓄積し、プロペラ63、64、65、66、67、68、69 および風の入り口に向けて誘導することでした。

2 番目の機能は、室内の換気を強化するために、東壁と西壁での乱流（渦を形成することによる）を軽減することでした。

風車内の要素の寸法。

西偏向板は、角度 \({\alpha }_{1}=145^\circ \) と長さ \({L}_{1}=4.5 \mathrm{m}\) で構築されました。東偏向器の角度は \({\alpha }_{2}=119^\circ \)、長さは \({L}_{2}=4 \mathrm{m}\) でした。

デフレクターと構造の角度 (北東-南西方向の \(17^\circ \)) によると、この風車の建築ブロックの寸法は 9.5 m (W)\(\times \) 22 m(長さ) \(\times \) 9 m(高さ)、(図 5)。 CFD ドメインは Autodesk ガイダンスに従って割り当てられました70。ドメインの寸法は、5 W (97.5 m) \(\times \) 6d (156 m) \(\times \) 3 h (27 m) でした。 CFD 解析に関しては、4 つの異なる境界条件がドメインに割り当てられました。入口の定常状態速度条件 (シナリオごとに異なります)、側方および上部境界の滑り/対称条件、出口のゼロ圧力条件、および非地面の滑り具合。

ドメインの次元と境界条件。

この風車では自然換気のために9つの開口部が考慮されています。 4 つの通気口が 2 つの廊下 (屋内の乱流を防ぐために建設された) に埋め込まれています。つまり、西側の廊下の 3 つの通気口 (WV1、WV2、および WV3 で注釈が付けられます) と 1 つの東の通路の通気口 (EV1 で注釈が付けられます) (図 6)。。さらに、中央の部屋に 3 つの通気口が建設され、1 つは西側に WV4、1 つは欄間窓としてドアの上に 1 つ EV2、そして 1 つは煙突として機能する屋根上の RV1 です。 RV2 の排気口は、後部室の屋根にある同一の煙突でした。フロンティア壁（ENTRANCE）の通気口は空気取り入れ口として機能しました。

風車の (a) 東壁と (b) 西壁の要素。

シスタンの風配図 (図 2) によると、合成風ベクトルと支配風ベクトルはそれぞれ \(\Omega 1=17^\circ \) と \(\Omega 2=30^\circ \) です。また、月最大風速（7月）、平均最大風速は10m/s、18m/sとなっています（図3）。したがって、この研究では、シスタンの風の統計分析に基づいて、\(17^\circ \) (合成風ベクトルと風車の角度) と 30° の 2 つの角度、および 2 つの異なる風という 4 つの異なるシナリオを検討しました。速度は、10 \(\mathrm{m}/\mathrm{s}\) と 15 \(\mathrm{m}/\mathrm{s}\) です (図 7)。

風力換気の CFD のシナリオ。

2 方程式 \(k-\varepsilon \) 乱流モデル 30 の擬定常状態の非圧縮性レイノルズ平均ナビエストークス (RANS) は、モデルの精度と計算コストを考慮するために選択されています 71。つまり、風だけを考慮した換気モデルが行われていたのです。支配方程式は方程式にリストされています。 (1)～(5)4,70。

連続：

運動量の保存:

渦粘度 (\({v}_{t}\)) は、\(k\) と \(\varepsilon \) に関して次のように計算されます。

乱流運動エネルギー (TKE):

乱流散逸率 (TKE):

ここで \(\overline{u}{ }_{i}\) と \(\overline{p }\) はそれぞれ平均速度成分と圧力です。 5 つのモデリング定数 \({C}_{1\varepsilon }\)、\({C}_{2\varepsilon }\)、\({C}_{\mu }\)、\({\sigma }_{k}\)、\({\sigma }_{k\varepsilon }\) は、それぞれ 1.44、1.92、0.09、1.0、1.3 です。

西側と東側の廊下の 3 つの通気口の風向と風速が、壁近くのさまざまなセクションで風速計によって測定されました。この研究で使用された風速計は、風速精度と分解能がそれぞれ (± 5%rdg + 0.5 m/s) と 0.1 m/s の UNI-T UT363 でした。測定は2020年5月に行われ、平均風速と風向はそれぞれ10 m/sと\(20^\circ \)でした（図8）。測定中は風車周囲の風況を同一に保ち、指定された場所の風速を測定しました。

通気口に垂直なプロファイルの風速の現場測定。

CFD 結果の検証を評価するために、二乗平均平方根誤差 RMSE (式 6) の値が使用されました。

ここで \({U}_{o}^{i}=({V}_{o}^{i}/{V}^{\infty })\) は位置 i で測定された無次元の平均速度であり、\ ({U}_{s}^{i}=({V}_{s}^{i}/{V}^{\infty })\) は同じ位置での無次元シミュレートされた平均速度を表し、nは測定回数を表します。測定日の基準速度は約 \({V}^{\infty }=10\) m/s でした。前述のパラメータに従って、平均マージン誤差 17% が得られました (表 1)。

非構造化四面体メッシュは、シミュレーションを実行するために Autodesk CFD によって生成されました。計算ドメインは、参照メッシュとして約 560 万個のセルで構成されました (図 9)。ジオメトリは複雑であるため、通気口や通路などの重要なゾーンでの計算領域が洗練されました。

CFD メッシュの概略図。

グリッド独立性解析は、グリッド解像度を細かくしても結果に大きな影響を与えないことを確認するために実行されました。したがって、CFD モデルの Sc17-10 に対して粗い、中程度、細かいメッシュが生成されました。異なるメッシュサイズの速度プロファイル間の平均差 \({R}_{a}\) (式 7) は、メッシュの独立性基準を検討するために定義されました。

ここで、 \({V}^{*}\) は、粗いメッシュの \(V\) ではなく、より細かいメッシュでの速度値です。表 2 は、セルの総数と、それぞれ通気口 EV1、WV1、WV2、WV3、および WV4 に垂直な 5 つの異なるラインにわたる速度プロファイル間の百分率差を示しています。表 1 に見られるように、粗いメッシュと中程度のグリッドの間の \({R}_{a}\) は 1.5% 近くであり、中程度のメッシュと細かいメッシュの間は 1% 未満です。したがって、約 580 万個のセルを含むメッシュが、本研究のメインメッシュとして選択されました。

収束を監視するために、自動収束評価 71 が選択されました。最初は基準を中程度に設定していましたが、基準を厳しく変更することで精度が向上しました。また、次のソリューション収束メトリクスが収束チェック中に計算されました。

瞬時収束勾配: このメトリクスは、ある反復から次の反復までの収束データの勾配を計算します。最大瞬間勾配が設定レベルを下回ったときに、溶液を停止しました。この研究では、設定値は \(1\times {10}^{-4}\) として定義されました。

時間平均収束勾配: このメトリクスは、数回の反復にわたる収束データの勾配を評価しました。しきい値は \(1\times {10}^{-2}\) に設定されました。

時間平均収束凹面: 最大時間平均収束勾配の導出は、曲線が平坦化している (勾配が下降している) か、または成長している (勾配が上昇している) かを測定します。凹みが設定値以下になると溶液が停止します。この値は、厳しい基準で \(1\times {10}^{-2}\) に設定されました。

フィールド変数の変動: 偏差が設定レベルを下回ったときに解が停止する従属変数の標準偏差を計算します。この研究では、この値は \(1\times {10}^{-5}\) に設定されました。

この研究では、CFD 解析によってディフレクターの背後での渦のパフォーマンスが明らかになり、それらが室内の風による換気にどのような影響を与えるかを評価しました。換気は通気口付近の境界層の風の流れに基づいており、通気口内の圧力降下と真空状態が発生します。

この構造では、ディフレクターが自然換気において重要な役割を果たします。建物の内部と外部の間に引き起こされる圧力勾配により、空気循環を提供できます。したがって、デフレクターの必要性を理解するために、モデルの全圧分布を図 10 に示します。図 10 に示すように、デフレクターの風下側の循環は負の圧力勾配を提供します (屋外の圧力は屋内の通気口よりも高くなります)。）。 4 つのシナリオにおける通気口を通る圧力勾配と空気速度を図 11 に示します。これにより、廊下通気口および WV4 および EV2 を介して室内空気を換気する吸引力が生じました。

風車の周囲と内部の圧力分布。

西側と東側の火口の 4 つのシナリオにおける圧力勾配。

風車の周りの流れのパターンを図 12 に示します。西側と東側の通気口による換気は、ディフレクターの背後に形成される渦に直接関係していました (図 12、13、14)。一般に、風向が \(\omega =\beta =17^\circ \) (辺境壁に垂直、迎え角が \({\gamma }_{1}=55^\circ \) の場合、そして \({\gamma }_{2}=29^\circ \))、つまり Sc17-10 と Sc17-15 では、西側の偏向器の背後の渦の長さは東側の偏向器の背後よりも長く、その逆も同様であり、流れ角度を \(\omega =30^\circ \) に変更すると、つまり Sc30-10 と Sc30-15 により、東側偏向器の後ろの渦の長さが長くなります。

さまざまなシナリオにおける建物周囲の流れのパターン: (a) Sc17-10、(b) Sc17-15、(c) Sc30-10、および (d) Sc30-15。

\({V}_{y{^{\prime}}}\) は、デフレクターの後ろの (a) 西壁と (b) 東壁の近くで平行なプロファイル上にあります。

\({\mathrm{V}}_{\mathrm{y{^{\prime}}}}\) シナリオ (a) Sc17-10、(b) Sc17-15 における西および東火口への垂直断面図、(c) Sc30-10 および (d) Sc30-15。

壁への流れの平行成分 \({V}_{y{^{\prime}}}\) は、風車の周りの流れの形状の適切な推定値となります。正の値 \({V}_{y{^{\prime}}}>0\) は逆流を示し、負の値は宇宙の支配風と同じ方向の電流 (通常の流れ) を示します。。したがって、風速 (\({V}_{y{^{\prime}}}\)) プロファイルは、渦の長さと幅を評価するために考慮されました。

渦の長さは、東壁と西壁近くの偏向板からの 2 つの 25 m プロファイルによって評価されました (図 13)。

さらに、渦の幅は噴出口から 10 メートル離れた 6 つのプロファイルによって測定されました (図 14)。これらのグラフは、風の角度と風速がディフレクターの後ろの渦にどのような影響を与えるかを示しています。

\(\omega =17^\circ \) では、両方の風速、つまり 10 メートル/秒と 15 メートル/秒の場合、渦の長さは西壁と東壁でそれぞれ約 16.5 m と 8.5 m でした。どういうわけか、 \(\omega =30^\circ ,\) では、西壁での風速 10 m/s と 15 m/s のとき、渦の長さはそれぞれ 7 m と 9 m でした。この値は、どちらの風速でも東側ディフレクターの後方 25 m 以上 (構造物の長さよりも高い) で発生しました。

一般に、風角が \(\omega =17^\circ \) の場合、渦の幅は西壁でより広くなり、 \(\omega =30^\circ \) の東の偏向板の後ろではより広くなりました。）（図14）。これらのプロファイルでは、渦上で最大 \({V}_{y{^{\prime}}}\) が壁から約 50 cm 離れたところで発生し、その後、通気口からの距離が離れると減少しました。 \(\omega =17^\circ \) では、流れは西壁の 9 m 付近と東壁の 6.5 m 付近で正常な流れパターンに向けられました (図 14)。一方、 \(\omega =30^\circ \) では、西壁では 5 m、東壁では 10 m 以上で正常な流れパターンになる傾向がありました。

さらに、断面AAのCFD結果から、RV1とRV2が自然換気に適切に寄与していることがわかりました（図15）。

さまざまなシナリオにおけるセクション AA のフローパターン。 (a) Sc17-10、(b) Sc17-15、(c) Sc30-10、および (d) Sc30-15。

西側と東側の火口付近の \({V}_{y\mathrm{^{\prime}}}\) と火口内の圧力勾配を図に示します。それぞれ16と17。一般に、通気口からの換気量は通気口付近の風の流れと直接相関していました。

\({V}_{y{^{\prime}}}\) (a) 西部と (b) 東部の噴出口付近の流れ。

(a) 西火口と (b) 東火口の圧力勾配。

ベント内の圧力勾配は、一般に、デフレクターからの距離が増加すると減少しました。 WV3 と WV4 では \(\omega =30^\circ \) で傾向が異なりました (図 17a)。これは、絶対 \({V}_{y\mathrm{^{\prime}}}\) が WV3 と WV4 の方が高かったためです。 WV3 よりも WV4 (図 16a)。

風角が \(\omega =30^\circ ,\) の場合、WV3 と WV4 には渦巻きは形成されず、これらの通気孔では流れの流れは通常の流れパターンでした (図 13)。これは、デフレクターの後ろに形成される渦の長さによるものです。この角度では、WV3 の前に渦が形成され (図 12)、その後、このベントの前の特定の点で流量がゼロに達し、その後 WV3 と WV4 で着実に増加しました。したがって、WV4 の絶対風速は WV3 よりも高かった（図 16）。さらに、風角が \(\omega =17^\circ ,\) の場合、東の噴出口の渦は十分に小さかったため、EV2 には渦は形成されませんでした (図 13)。

通気孔内の流量 (FR, \({\mathrm{m}}^{3}/\mathrm{h})\) が計算され、図 18 に示されています。壁近くの流れパターンとは別に (逆流)または通常）、流量はすべてのベントの外側（つまり、真空）でした。結果は、すべてのシナリオで最大流量が WV4 で発生し、次に EV2 で発生することを示しました。さらに、西の通気口は東の通気口よりも換気に寄与し、角度 \(17^\circ \) では 343%、角度 \(30^\circ \) では 169% 貢献します。

さまざまな通気口が室内の換気に貢献します。

換気に対する風速の影響を表 3 に示します。その結果、風速が 10 m/s から 15 m/s に増加すると、流量が増加することが明らかになりました。

風向が換気に及ぼす影響を表 4 にまとめました。その結果、風向が \(17^\circ \) から \(30^\circ \) に変化すると、東部の通気口で換気量が劇的に増加したことが明らかになりました (平均 149%）、西部の噴出口では減少しました（平均 73%）。 WV3 と WV4 では流れのパターンが異なるため、WV4 を除いて、西偏向器からの距離が増加するにつれて値は継続的に低下しました。屋根の通気口の換気量は、風向きが変わっても変化しませんでした。

WV4 と EV2 の流量の増加は、これら 2 つの通気孔の表面積の増加に関連していました。したがって、平均速度が計算され、その結果が図 19 に示されています。

平均速度 (面積あたりの流量)、(\(\left({\mathrm{m}}^{3}/\mathrm{h}\right)/{\mathrm{cm}}^{2}\)) 。

各シナリオを見ると、 \(\omega =17^\circ \) のとき、平均速度の最高値と最低値はそれぞれ WV1 と EV2 で発生しました。 \(\omega =30^\circ \) で、最大平均速度と最小平均速度はそれぞれ EV2 と WV3 で発生しました。さらに、予想通り、Sc30-10 のシナリオでは、平均速度が最も低かったのは WV3 で、次に WV4 でした。

分析の結果、\(\omega =17^\circ \) では西側の壁の換気量が 126% 高いものの、\(\omega =30^\circ \) では東側の壁の換気への寄与がより高いことが明らかになりました。表5）。

さらに、廊下換気口 (CV) は他の換気口 (OV) よりも自然換気の効果が高かった (表 6)。この効果は西部の通気口で顕著に現れました。 3 つの西回廊通気孔 (WCV) と WV4 の平均速度の最大比は、WV4 の平均速度値が最も低かったため、Sc30-10 で発生しました。さらに、予想通り、WV3/WV4 の最小値は Sc30-15 で発生しました。

前述したように、WV4 付近では、Sc30-15 の流れパターンは正常であり、絶対 \({V}_{y{^{\prime}}}\) は Sc17-15 (渦が発生している) よりも高かった。形成されました)、\( \left| {\underbrace {{V_{{yWV4}}^{{'30 - 15}} }}_{{ - 0.72}}} \right| > \left| {\underbrace { {V_{{yWV4}}^{{'17 - 15}} }}_{{0.41}}} \right| \); ただし、気圧勾配と平均速度は逆のパターンでした。 \( \underbrace {{\Delta P_{{WV4}}^{{30 - 15}} }}_{{3.77}} < \underbrace {{\Delta P_{{WV4}}^{{17 - 15}} }}_{{7.69}} \) と \( \underbrace {{FRPA_{{WV4}}^{{30 - 15}} }}_{{ 352}} < \アンダーブレース {{FRPA_{{WV4}}^{{17 - 15}} }}_{{477}} \)。

したがって、渦の流れは通常の流れよりも換気に影響を与えると結論付けることができます。

図 16 を見ると、噴出口付近 \({V}_{y{^{\prime}}}\) は、他のシナリオよりも Sc17-15 の西側で最大速度を示し、最高気圧につながりました。勾配と平均速度。また、Sc30-10 と Sc30-15 では、圧力勾配と平均速度が \({V}_{y{^{\prime}}}\) とともに変化しました (表 7)。

このパターンは、Sc17-10 の WV1 と WV2 で異なりました。このシナリオでは、WV2 の平均速度は WV1 よりも低かったものの (\( \underbrace {{FRPA_{{WV2}}^{{17 - 10}} }}_{{355}} < \underbrace {{FRPA_ {{WV1}}^{{17 - 10}} }}_{{393}} \))、\({V}_{y{^{\prime}}}\) WV2 付近は WV1 付近よりも高かった(\( \underbrace {{V_{{{y'}} _{{WV2}}}^{{17 - 10}} }}_{{1.15~{\text{m}}/{\text{s }}}} > \アンダーブレース {{V_{{{y'}} _{{WV1}}}^{{17 - 10}} }}_{{1.02~{\text{m}}/{\text {s}}}} \))。これは、WV1 および WV2 付近で形成されたマイクロスケール渦によるものである可能性がありますが、WV1 付近のマイクロスケール渦の逆流は WV2 付近よりも強かったです (図 20、21)。これらの微小な渦は、風速が 10 m/s のときに形成されました。

ウェスタンディフレクターの後ろの WV1 と WV2 付近にあるマイクロスケールの渦。

Sc17-10 の (a) WV1 および (b) WV2、ならびに Sc30-10 の (c) WV1 および (d) WV2 付近の渦。

\({V}_{\infty }=10 \)m/s で、風角が \(\omega =17^\circ \) の場合、微小渦は WV1 の中心から 35 cm 離れた位置で始まります。 (図 21) 25 cm 続けます。この渦では、\({V}_{y{^{\prime}}}\) の絶対値の最大値は \(\left|{{V}_{y{^{\prime}}}}_ でした{WV1}^{Sc17-10}\right|=1.02 \mathrm{m}/\mathrm{s}\)、噴出口の中心から 15 cm 離れた場所で発生しました。また、渦は WV2 の中心から 25 cm から 10 cm 付近まで発生し（長さは 15 cm）、その絶対値の最大値は \(\left|{{V}_{y{^{\prime }}}}_{WV2}^{Sc17-10}\right|=0.13 \mathrm{m}/\mathrm{s}\)、15 cm の距離で発生します。 \({V}_{\infty }=10 \mathrm{m}/\mathrm{s}\) および \(\omega =30^\circ \) のとき、渦は WV1 から 20 ～ 10 cm の範囲で形成されます (長さは 10 cm)、絶対最大値は \(\left|{{V}_{y{^{\prime}}}}_{WV1}^{Sc30-10}\right|=0.56 \mathrm {m}/\mathrm{s}\)。最後に、同じシナリオで WV2 付近で、渦は噴出口の中心 (長さ 2 cm) から 16 cm から 14 cm の位置に形成され、最大値は \(\left|{{V}_{y{^{\) となりました。プライム}}}}_{WV2}^{Sc30-10}\right|=0.13 \mathrm{m}/\mathrm{s}\) ベント中心から 15 cm 離れています。

したがって、最大の逆流は WV1 付近の Sc17-10 の渦で発生したため、このシナリオでは他のシナリオよりもこの噴出口付近で \({V}_{y{^{\prime}}}\) が減少しました (図.16）。

さらに、図16によれば、WV1の最小\({V}_{y{^{\prime}}}\)はSc17-10で発生し、記載されたマイクロスケール渦の結果として発生しました。

結果は、考慮された 4 つのシナリオにおける室内空気速度の平均値が約 0.31 m/s であることを示しています。一方、自然換気の建物では、適応型温熱快適性モデルに基づいて居住者の温熱快適性を評価する必要があります。そのため、本研究では、ASHRAE 規格 55-202072 の適応熱快適性モデルを使用します。したがって、シスタン地域の夏の屋外平均気温 (約 33 °C) と平均風速 0.31 m/s を考慮することにより、適応快適性モデルは、風車の屋内空間に機械的な冷却システムを使用しなくても、乗員の温度知覚は、許容限界が 80% の快適な範囲内にあります。

IAQ は、空気流量、空気交換率、1.5 m 水平面内の局所平均空気年齢 (LMA) (人間が活動中に立っているレベル) などのさまざまなパラメータに依存します。時間あたりの空気交換量 (ACH) パラメーターが同様の研究で広く使用されていたため、この基準は IAQ の評価に利用されてきました。

1 時間あたりの空気変化、ACH (/h) は、積算通気速度を部屋容積 V で割ることによって計算されました (式 8)。

ここで、\({v}_{j}\) は速度ベクトル、\({n}_{j}\) は通気孔表面への法線ベクトル、\({A}_{j}\) は面積を表しますj 番目のセルの n は通気口のセルの総数、k は建物内の通気口の数を示します。

結果 (図 22) は、すべてのシナリオが住宅用建物に関する ASHRAE 基準 (ACH = 0.35) を超えていることを示しました 73,74。この図は、風が速く吹くと空気の変化が大きくなることを示しています。興味深い発見の 1 つは、風の角度が増加すると空気の変化が減少するということです。

さまざまなシナリオでの風車の時間あたりの空気変化 (ACH)。

地域の建物の換気における風の応用については、さまざまな文献で説明されています。実際、重要な問題は、この知識を活用して現代建築の換気率をどのように向上させることができるかということです。 Kidderminster College75 や Windcatcher Zero76 などのプロジェクトは、近代建築で自然換気を利用した事例です 7,36。方向、ディフレクターの使用、通気口や廊下の形状と配置など、研究対象の構造の特性は、室内の空気交換で風を利用するための適切なモデルとなり得ます。さらに、前述の各アプローチ (デフレクター背後の負圧 43 の効果など) またはこれらのアプローチの組み合わせは、クロスまたは片側換気戦略の効果的なソリューションとして提案できます。たとえば、このシステムは、ホール、博物館 77、倉庫、密閉された競技場 78、工場などの大規模な公共スペースでの適切な換気プロセスのための適切な補助ソリューションとして推奨される可能性があります。一方で、過密により屋内誘発汚染物質 79 が増加します。その一方で、これらの場所の換気コストは高くなります。

この論文は、イランのシスターンにある古代建造物である風車の風による換気を評価しました。 CFD 解析は自然換気の研究に適用され、現場測定によって検証されました。シスタン風は \(17^\circ \) の合成ベクトルによって北西–南東方向に流れ、0°から 60°まで変動します。したがって、風車はその地域の合成風ベクトルに基づいて建設されました。 2 つのディフレクターは、前述の範囲内のすべての風を集め、より高い範囲の風を利用できるように十分な幅で構築されました。換気を強化するために西と東の 2 つの廊下が建設されました。

この研究では、シスタンの風パターン、つまり 2 つの卓越風向による 2 つの重要な風速に従って 4 つの異なる気候シナリオを選択しました。現在のアプローチは、渦の形成におけるデフレクターの機能と、室内換気に対する通気口の寄与を示しました。自然の風のパターンにおける過渡状態と現場測定の不確実性が高いため、検証のために 17% の誤差が計算されました。その結果、東壁と西壁の通気口の機能が風速と風向の変化に応じて劇的に変化することが明らかになりました。一般に、この研究の結果は次のように要約されます。

自然換気に関しては、ディフレクターには 2 つの主な機能がありました。

最も重要な機能は、風を集めて風入口に向けることでした。

2 番目の機能には、室内の換気を強化するために東壁と西壁での乱流 (渦を形成することによる) の減少が含まれます。

気象データによると、シスタンの風の合成ベクトルは \(17^\circ \) です。さらに、 \(\omega =17^\circ \) における自然換気に関しては、西の壁が東の壁よりも 126% 多く貢献しました。したがって、換気を強化するために、西側の壁にさらに多くの通気口が設計および建設されました。

風向を \(17^\circ \) から \(30^\circ \) に変更することにより、東のディフレクターの後ろの渦の長さがより大きくなり、この壁の換気が 149% 向上しました。

風速が高くなると (15 m/s)、屋根の通気口の換気が強化されましたが、RV1 と RV2 では風向きはこの値に影響しませんでした。

WV1 付近の微小な渦により、この火口、特に Sc17-10 で \({V}_{y{^{\prime}}}\) が減少しました。それは、ベント付近の流量損失係数を低減するために、丸みを帯びたエッジを持つベントを設計することを提案しています80。

風速が 10 m/s から 15 m/s に増加すると、ACH は 150% 減少しました。さらに、風角を \(17^\circ \) から \(30^\circ \) に変更すると、ACH は 10% 減少しました。ただし、ACH は ASHRAE 基準よりも高かった (ACH > 0.35)。

住宅地域で風を利用するには、建物周囲の流れの力学、建物に当たる風の角度と速度、低気圧と高圧領域、建物周囲の渦など、いくつかの側面を指定する必要があります。このようにして、建物周囲の完全な流れのパターンを決定し、エンジニアと建築家の両方に提供することができます。

この論文では、真空率に対する偏向器の幾何学的特性 (つまり、長さと角度) などのいくつかの制限を考慮する必要があります。人間の快適さの分析 (つまり、熱、湿度、風速の影響) は、屋内の乱流の防止に対する廊下の影響を考慮したさらなる調査で実行される必要があります。湿った多孔質の媒体が入口 (スィースターンの母語でハルホナ 53) に及ぼす影響は、入口で分析する必要があります。

この研究で明らかになった基本原理とこの構造の設計タイプは、屋内誘発汚染率が高い多くの建物や閉鎖空間に採用できます。ただし、この構造を設計する際のすべての戦略がすべての場所に適用されるわけではないことに注意し、同様の気候条件下でこれを使用することをお勧めします。

著者は、シスタンの風向図へのアクセスについて、Global Wind Atlas に感謝したいと思います。現在の研究中に分析されたデータセットは、figshare リポジトリ https://doi.org/10.6084/m9.figshare.19775980 で入手できます。

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エルハム・モハマディ & モハマドレザー・ジャルケ

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セイエド・アリレザ・ゾルファガリ & ヴァヒド・アルバビ

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ワヒド・アルバビ

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MJ と EM は、メソッドの開発、チャートの描画、結果の分析、および元の草案の作成を担当します。 VA と SAZ はデータのキュレーションと方法論の改善を担当します。

ヴァヒド・アルバビ氏への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Mohammadi, E.、Jarkeh, M.、Zolfaghari, SA 他シスターン地域の古代風車の弾力性のある建築が自然換気の強化に及ぼす影響。 Sci Rep 12、18240 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-23027-w

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受信日: 2022 年 5 月 9 日

受理日: 2022 年 10 月 24 日

公開日: 2022 年 10 月 29 日

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

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