Lovilec vetra

Lovilec vetra (tudi vetrni stolp) (perzijsko بادگیر‎) je tradicionalni arhitekturni element, ki se uporablja za ustvarjanje naravnega prezračevanja in pasivnega hlajenja v stavbah Lovilci vetra so na voljo v različnih izvedbah: enosmerni, dvosmerni in večsmerni. Pogosto se uporabljajo v Iranu, Severni Afriki in v zahodnoazijskih državah okoli Perzijskega zaliva in se uporabljajo že zadnjih tri tisoč let. Saadatian, Omidreza; Haw, Lim Chin; Sopian, K.; Sulaiman, M.Y. (April 2012). "Review of windcatcher technologies". Renewable and Sustainable Energy Reviews. 16 (3): 1477–1495. doi:10.1016/j.rser.2011.11.037

Sodobni arhitekti so jih v drugi polovici 20. stoletja zanemarjali, v začetku 21. stoletja pa so jih znova uporabljali za povečanje prezračevanja in zmanjšanje porabe energije za klimatske naprave. Na splošno so stroški gradnje prezračevane stavbe z lovilcem vetra nižji kot pri podobni stavbi s konvencionalnimi sistemi ogrevanja, prezračevanja in klimatizacije (HVAC). Nižji so tudi stroški vzdrževanja. Za razliko od klimatskih naprav in ventilatorjev z motorjem so vetrovniki tihi in delujejo tudi ko električna energija izpade (posebna skrb na mestih, kjer je električna energija nezanesljiva in draga, kot sta Indija in Kalifornija).

Lovilci vetra se zanašajo na lokalne vremenske in mikroklimatske razmere in vse tehnike ne bodo delovale povsod; pri načrtovanju je treba upoštevati lokalne dejavnike. Ford, Brian (September 2001). "Passive downdraught evaporative cooling: principles and practice" (PDF). Architectural Research Quarterly. 5 (3): 271–280. doi:10.1017/S1359135501001312

Opis in funkcija

Lovilci vetra se močno razlikujejo po obliki, vključno z višino, površino prečnega prereza ter notranjimi deli in filtri.

Konstrukcija lovilca vetra je odvisna od prevladujoče smeri vetra na določeni lokaciji: če veter piha samo z ene strani, ima lahko le eno odprtino in brez notranjih predelnih sten. Na območjih z bolj spremenljivimi smermi vetra so lahko tudi radialne notranje stene, ki delijo vetrovnik na navpične dele. Ti odseki so kot vzporedni dimniki, vendar z odprtinami na strani, usmerjenimi v več smereh. Več odsekov zmanjša pretok, vendar poveča učinkovitost pri podoptimalnih kotih vetra. Če veter zadene odprtino pravokotno, bo šel noter, če pa jo udari pod dovolj poševnim kotom, bo namesto tega zdrsnil okoli stolpa. Hassan Fathy. "The wind factor in air movement". Natural Energy and Vernacular Architecture.

Lovilci vetra na območjih z močnejšim vetrom bodo imeli manjši skupni prerez, območja z zelo vročim vetrom pa imajo lahko veliko manjših jaškov za hlajenje vhodnega zraka.  Vetrni stolpi s kvadratnimi vodoravnimi prečnimi prerezi so učinkovitejši od okroglih, saj zaradi ostrih kotov tok postane manj laminaren, kar spodbuja ločitev toka; primerna oblika poveča sesanje.

Višji lovilci vetra ujamejo višje vetrove. Višji vetrovi pihajo močnejši in hladnejši (in v drugo smer ). Višji zrak je običajno tudi manj prašen.

Če je veter prašen ali onesnažen ali če obstajajo bolezni, ki jih prenašajo žuželke, kot sta malarija in mrzlica denga, bo morda potrebno filtriranje zraka. Nekaj prahu se lahko odloži na dno vetrovnika, ko se zrak upočasni (glej spodnji diagram), več pa se lahko filtrira z ustreznimi zasaditvami ali mrežo proti žuželkam. Fizični filtri na splošno zmanjšajo pretok, razen če je tok zelo sunkovit. Morda je mogoče tudi v celoti ali delno zapreti lovilec vetra.

Kratka, široka pravokotna trikotna prizma malkaf je običajno dvosmerna, postavljena v simetričnih parih in se pogosto uporablja s salsabilom (hladilna enota za izhlapevanje) in šukšejko (oddušnik za strešno luč). Mohamed, Mady A. A. (2010). S. Lehmann; H.A. Waer; J. Al-Qawasmi (eds.). Traditional Ways of Dealing with Climate in Egypt. The Seventh International Conference of Sustainable Architecture and Urban Development (SAUD 2010). Sustainable Architecture and Urban Development. Amman, Jordan: The Center for the Study of Architecture in Arab Region (CSAAR Press). pp. 247–266. (low-res bw version) Široki malkafi se pogosteje uporabljajo v vlažnih podnebjih, kjer je pretok zraka velikega volumna pomembnejši v primerjavi z hlajenjem z izhlapevanjem. V toplejših podnebjih so ožji in zrak se na poti v notranjost ohladi. Pogosteje se uporabljajo v Afriki. Baudgir pa so večstranski (običajno 4-stranski) in so običajno visoki stolpi (do 34 metrov višine), ki se pozimi lahko zaprejo. Pogosteje so v regiji Perzijskega zaliva in na območjih s prašnimi nevihtami. Višji vetrovi imajo tudi močnejši učinek.

Lovilec vetra se je uveljavil tudi v zahodni arhitekturi in obstaja več komercialnih izdelkov, ki uporabljajo ime windcatcher. Nekateri sodobni lovilci vetra uporabljajo senzorsko krmiljene gibljivih delov ali celo ventilatorje na sončno energijo, da naredijo polpasivne prezračevalne in polpasivne hladilne sisteme.

Način hlajenja Nočni način hladi hišo s povečanjem prezračevanja ponoči, ko je zunanji zrak hladnejši; vetrni stolpi lahko pomagajo pri nočnem ohlajanju.

Lovilec vetra lahko hladi zrak tudi tako, da ga vleče čez hladne predmete. V sušnem podnebju so dnevne temperaturne spremembe pogosto ekstremne, pri čemer se puščavske temperature ponoči pogosto spustijo pod ledišče. Toplotna vztrajnost tal izravnava dnevna in celo letna temperaturna nihanja. Tudi toplotna vztrajnost debelih zidanih sten bo ohranjala stavbo toplejšo ponoči in hladnejšo podnevi. Lovilci vetra lahko ohlajajo tako, da vlečejo zrak čez nočno ali zimsko ohlajene materiale, ki delujejo kot zbiralniki toplote.

Lovilci vetra, ki ohlajajo tako, da vlečejo zrak nad vodo, uporabljajo vodo kot zbiralnik toplote, če pa je zrak suh, ohlajajo tudi zrak z hlajenjem z izhlapevanjem. Toplota v zraku preide v izhlapevanje nekaj vode in se ne sprosti, dokler voda ponovno ne kondenzira. To je zelo učinkovit način hlajenja suhega zraka.

Preprosto premikanje zraka ima tudi hladilni učinek. Ljudje se hladimo z izhlapevanjem, ko se potimo. Prepih moti mejno plast telesa segretega in z vodo nasičenega zraka, ki se oprime kože, zato se bo človek v zraku, ki se premika, počutil hladnejše kot v mirujočem zraku enake temperature.

Sile za premikanje zraka

Lovilec vetra lahko deluje na dva načina: usmerja tok zraka z uporabo tlaka vetra, ki piha v lovilec, ali usmerja tok zraka z uporabo vzgonskih sil iz temperaturnih gradientov (učinek dimnika). O relativnem pomenu teh dveh sil se je razpravljalo. Pomen vetrnega tlaka očitno narašča z naraščajočo hitrostjo vetra in je na splošno pomembnejši od vzgona v večini pogojev, v katerih vetrovnik deluje učinkovito.

Pomembna je tudi hitrost pretoka zraka, predvsem za hlajenje z izhlapevanjem (saj deluje samo na suh zrak in vlaži zrak). Možno je, da ima stavba s prezračevanjem vetrnega stolpa zelo visoke stopnje pretoka; V enem poskusu so izmerili 30 zračnih menjav/uro. Pomemben je enakomeren, stabilen pretok brez zastajajočih vogalov. Zato se je treba izogibati turbulentnemu toku; laminarni tok je učinkovitejši pri ohranjanju človekovega udobja (skrajni primer je Teslin ventil).

Pogosto se uporabljajo tudi drugi elementi v kombinaciji z lovilci vetra za hlajenje in prezračevanje: dvorišča, kupole, stene in fontane, na primer, kot sestavni deli celotne strategije prezračevanja in upravljanja toplote.

Pretok zraka zaradi pritiska vetra Če je odprta stran lovilca vetra obrnjena proti prevladujočemu vetru, ga lahko "ujame" in spusti v osrčje stavbe. Sesanje z zavetrne strani vetrovnega stolpa je prav tako pomembna gonilna sila, običajno nekoliko bolj konstantna in manj sunkovita kot pritisk na protivetrni strani (glej Venturijev učinek in Bernoullijeva enačba).

Vodenje vetra skozi stavbo hladi ljudi v notranjosti stavbe. Zrak teče skozi hišo in odhaja z druge strani ter ustvarja prepih; sama stopnja pretoka zraka lahko zagotovi učinek hlajenja. Lovilce vetra so na ta način uporabljali že tisoče let.

Vetrni stolp v bistvu ustvarja gradient tlaka za vlečenje zraka skozi stavbo. Vetrni stolpi, prekriti z vodoravnimi zračnimi profili, so bili zgrajeni za povečanje teh tlakovnih gradientov. Oblika tradicionalne strehe šukšeika prav tako ustvarja sesanje, ko veter piha po njej.

Pretok zraka iz konvekcije

Vzgon običajno ni glavni učinek, ki spodbuja kroženje zraka lovilca vetra čez dan.

V okolju brez vetra lahko lovilec vetra še vedno deluje z učinkom dimnika. Vroči zrak, ki je manj gost, se nagiba k potovanju navzgor in uhaja iz vrha hiše preko vetrnega stolpa.

Ogrevanje samega vetrnega stolpa lahko segreje zrak v notranjosti (to naredi sončni dimnik), tako da se dvigne in potegne zrak iz vrha hiše, kar ustvarja prepih. Ta učinek je mogoče okrepiti z virom toplote na dnu vetrnega stolpa (kot so ljudje, ~80 vatov vsak), vendar to ogreje hišo in jo naredi manj udobno. Bolj praktična tehnika je hlajenje zraka, ko teče navzdol in noter, z uporabo toplotnih rezervoarjev in/ali hlajenja z izhlapevanjem.

Tablinum (takhtabuš) je bil prostor v antični rimski hiši, ki se odpira tako na močno zasenčeno dvorišče kot na zadnje vrtno dvorišče (vrtna stran je zasenčena z mašrabija rešetko). Zasnovan je za navzkrižn zajemanje zraka. Veter vsaj deloma poganja konvekcija (ker bo eno dvoriščena splošno toplejše od drugega), lahko pa ga poganja tudi pritisk vetra in hlajenje izhlapevanja, zato se vrt in dvorišče uporabljata kot vetrolov.

Vzgonske sile se uporabljajo za povzročitev nočnega hlajenja.

Nočno uravnavanje

Dnevni temperaturni cikel pomeni, da je nočni zrak hladnejši od dnevnega; v sušnem podnebju veliko hladnejši. To ustvarja znatne vzgonske sile. Stavbe so lahko zasnovane tako, da spontano povečajo prezračevanje ponoči.

Dvorišča v vročem podnebju se ponoči napolnijo s hladnim zrakom. Ta hladen zrak nato teče z dvorišča v sosednje prostore. Hladen nočni zrak bo zlahka pritekel, saj je gostejši od dvigajočega se toplega zraka, ki ga izpodriva. Toda podnevi ga senčijo stene in tenda, zunanji zrak pa segreva sonce. Hladen zid bo tudi ohladil bližnji zrak. Whither the Windcatcher?"[ https://www.conservationmagazine.org/2012/05/whither-the-windcatcher/]. Conservation. 23 May 2012. Zrak na dvorišču bo postal stabilno stratificiran, vroč zrak bo lebdel nad hladnim zrakom z malo mešanja.  Dejstvo, da so odprtine na vrhu, bo ujelo hladen zrak spodaj, vendar ne more povzročiti, da bi temperatura padla pod nočno najnižjo temperaturo. Ta mehanizem deluje tudi v vetrnih stolpih.

Podzemno hlajenje

Lovilec vetra lahko hladi zrak tudi tako, da pride v stik s hladnimi masami. Te pogosto najdemo pod zemljo.

Pod približno 6 m globine so tla in podtalnica vedno na približno letni srednji povprečni temperaturi (MATT) (ta globina se uporablja za številne toplotne črpalke iz zemeljskega vira, ki se pogosto preprosto imenujejo kot "geotermalne toplotne črpalke" s strani laikov). Toplotna vztrajnost tal izravnava dnevna in celo letna temperaturna nihanja. V sušnem podnebju so dnevne temperaturne spremembe pogosto ekstremne, pri čemer se puščavske temperature ponoči pogosto spustijo pod ledišče. Tudi toplotna vztrajnost debelih zidanih sten bo ohranjala stavbo toplejšo ponoči in hladnejšo podnevi; v vročem sušnem podnebju so pogoste debele stene z veliko toplotno maso (nežgana opeka, kamen, opeka). Lovilci vetra lahko ohlajajo tako, da vlečejo zrak čez nočno ali zimsko hlajene materiale, ki delujejo kot zbiralniki toplote.

Lovilci vetra se pogosto uporabljajo tudi za prezračevanje nižjih notranjih prostorov (npr. šabestan – kletni prostor), ki ohranjajo hladne temperature sredi dneva tudi brez vetrovnikov. Ledena hiša ali ledenica se tradicionalno uporablja za shranjevanje vode, zamrznjene čez noč v puščavskih območjih ali čez zimo v zmernih območjih. Lahko uporabljajo lovilce vetra za kroženje zraka v podzemno ali polpodzemno komoro, pri čemer izhlapevajo led, tako da se le počasi tali in ostane dokaj suh. Ponoči lahko lovilci vetra celo prinesejo pod ledišče nočni zrak pod zemljo, kar pomaga zamrzniti led.