Un atrapavientos (torre de viento, pala de viento) es un elemento arquitectónico tradicional utilizado para crear ventilación natural y enfriamiento pasivo en edificios. [1] Los atrapavientos vienen en varios diseños: unidireccionales, bidireccionales y multidireccionales. Los atrapavientos se utilizan ampliamente en el norte de África y en los países de Asia occidental alrededor del Golfo Pérsico , y lo han sido durante los últimos tres mil años. [2]
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] Por lo general, el costo de construcción de un edificio ventilado con atrapavientos 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, los atrapavientos 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 y costosa, como India y California). [5]
Los cazadores de viento dependen del clima local y las condiciones del microclima , y no todas las técnicas funcionarán en todas partes; Los factores locales deben tenerse en cuenta en el diseño. [5]
Los atrapavientos varían drásticamente en forma, incluida la altura, el área de la sección transversal y las subdivisiones internas y los filtros. [2]
La construcción de un atrapavientos depende de la dirección del viento predominante en esa ubicación específica: si el viento tiende a soplar de un solo lado, puede tener solo una abertura y no particiones internas. [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 a los lados, apuntando en múltiples direcciones. [2] Más secciones reducen el caudal, pero aumentan la eficiencia en ángulos de viento subóptimos. Si el viento golpea la abertura en escuadra, entrará, pero si la golpea en un ángulo suficientemente oblicuo, tenderá a deslizarse alrededor de la torre. [2]
Los atrapavientos en áreas con vientos más fuertes tendrán secciones transversales totales más pequeñas, [6] y las áreas con vientos muy calientes pueden tener muchos ejes más pequeños para enfriar el aire entrante. [7] : Cap. 5 Las torres eólicas con secciones transversales horizontales cuadradas son más eficientes que las redondas, ya que los ángulos agudos hacen que el flujo sea menos laminar , lo que favorece la separación del flujo ; [2] una forma adecuada aumenta la succión. [7] : Cap. 5
Los atrapavientos más altos atrapan vientos más fuertes. Los vientos más altos soplan más fuertes y más fríos [8] (y en una dirección diferente [9] ) Los aires más altos también suelen ser menos polvorientos. [8]
Si el viento es polvoriento o contaminado, o hay enfermedades transmitidas por insectos como la malaria y el dengue , entonces puede ser necesario filtrar el aire . [2] Se puede arrojar algo de polvo en la parte inferior del atrapavientos a medida que el aire se ralentiza (vea el diagrama a continuación), y se puede filtrar más mediante plantas adecuadas o mallas para insectos. [8] Los filtros físicos generalmente reducen el flujo de paso, a menos que el flujo sea muy racheado. [2] También puede ser posible cerrar total o parcialmente el cortavientos. [6]
Las malqaf cortas y anchas de prisma triangular rectángulo suelen ser bidireccionales, colocadas en pares simétricos y, a menudo, se utilizan con un salsabil (unidad de enfriamiento por evaporación) [2] y una shuksheika ( ventilación de linterna de techo ). [8] Los malqaf anchos se utilizan con mayor frecuencia en climas húmedos, donde el flujo de aire de gran volumen es más importante en comparación con el enfriamiento por evaporación. En climas más cálidos, son más estrechos y el aire se enfría al entrar. [7] : Cap. 5 Se utilizan con mayor frecuencia en África. [2] Baudgir, por otro lado, son de múltiples lados (generalmente de 4 lados), y típicamente son torres altas (hasta 34 metros de altura) que se pueden cerrar en invierno. Son más comunes en la región del Golfo Pérsico [2] y en áreas con tormentas de polvo . [6] Los atrapavientos más altos también tienen un efecto de acumulación más fuerte . [7] : Cap. 5
La captura de viento ha ganado algo de terreno en la arquitectura occidental, y hay varios productos comerciales que utilizan el nombre de captura de viento . Algunos cazadores de viento modernos usan partes móviles controladas por sensores o incluso ventiladores de energía solar para hacer una ventilación semi- pasiva y sistemas de enfriamiento semi- pasivos . [2]
Los windscoops se han utilizado durante mucho tiempo en los barcos. [10] [Se necesita una mejor fuente ] Los cazadores de viento también se han utilizado experimentalmente para enfriar áreas al aire libre en las ciudades, con resultados mixtos; [2] Los métodos tradicionales incluyen espacios estrechos y amurallados, parques y calles sinuosas, que actúan como depósitos de aire frío, y arreglos similares a takhtabush (ver las secciones sobre lavado nocturno y convección, más adelante). [7] : Cap. 6
El lavado nocturno enfría la casa aumentando la ventilación durante la noche, cuando el aire exterior es más fresco; [8] Las torres de viento pueden ayudar al lavado nocturno. [ cita requerida ]
Un cazador de viento también puede enfriar el aire dibujándolo sobre objetos fríos. En climas áridos , los cambios de temperatura diarios son a menudo extremos, y las temperaturas del desierto a menudo bajan por debajo del punto de congelación durante la noche. La inercia térmica del suelo equilibra los cambios de temperatura diarios e incluso anuales. Incluso la inercia térmica de las paredes gruesas de mampostería mantendrá un edificio más cálido durante la noche y más fresco durante el día. Los cazadores de viento pueden, por lo tanto, enfriar extrayendo aire sobre los materiales enfriados por la noche o el invierno, que actúan como depósitos de calor .
Los atrapavientos que enfrían extrayendo aire sobre el agua usan el agua como un depósito de calor, pero si el aire está seco, también lo están enfriando con enfriamiento por evaporación . [2] El calor en el aire evapora parte del agua y no se liberará hasta que el agua se vuelva a condensar. Esta es una forma muy eficaz de enfriar el aire seco. [2]
El simple hecho de mover el aire también tiene un efecto de enfriamiento. Los seres humanos se refrescan mediante el enfriamiento por evaporación cuando sudan . Una corriente de aire interrumpe la capa límite de aire saturado de agua y calentado por el cuerpo que se adhiere a la piel, por lo que un ser humano se sentirá más fresco en el aire en movimiento que en el aire estancado de la misma temperatura. [7] : Cap. 5
El atrapavientos puede funcionar de dos maneras: dirigiendo el flujo de aire utilizando la presión del viento que sopla hacia el captador de viento, o dirigiendo el flujo de aire utilizando las fuerzas de flotación de los gradientes de temperatura ( efecto de chimenea ). [2] [4] Se ha debatido la importancia relativa de estas dos fuerzas. La importancia de la presión del viento aumenta obviamente con el aumento de la velocidad del viento y, en general, es más importante que la flotabilidad en la mayoría de las condiciones en las que el captador de viento funciona con eficacia. [2]
La velocidad del flujo de aire también es importante, especialmente para el enfriamiento por evaporación (ya que solo funciona con aire seco y humidifica el aire). Es posible que un edificio ventilado por una torre eólica tenga caudales muy altos; Se midieron 30 cambios de aire / hora en un experimento. [5] Es importante un flujo uniforme y estable sin esquinas estancadas. Por tanto, debe evitarse el flujo turbulento; el flujo laminar es más eficaz para mantener la comodidad humana [4] (para un ejemplo extremo, consulte la válvula Tesla ).
A menudo se utilizan otros elementos en combinación con los atrapavientos para enfriar y ventilar: patios , cúpulas , paredes y fuentes, por ejemplo, como partes integrales de una estrategia general de ventilación y gestión del calor.
Si el lado abierto de un atrapavientos se enfrenta al viento predominante, puede "atraparlo" y llevarlo al corazón 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 (ver efecto Venturi y principio de Bernoulli ). [7] : Cap. 5
Dirigir el viento a través del edificio enfría a las personas en el interior del edificio. 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 de enfriamiento. [ cita requerida ] Los cazadores de viento se han empleado de esta manera durante miles de años. [7]
Básicamente, la torre eólica crea un gradiente de presión para llevar aire a través del edificio. Se han construido torres de viento rematadas con aspas de sustentación horizontales para mejorar estos gradientes de presión. [2] La forma del techo tradicional shuksheika también crea succión cuando el viento sopla sobre él. [7] : Cap. 5
La flotabilidad no suele ser el efecto principal que impulsa la circulación de aire del atrapavientos [2] durante el día.
En un entorno sin viento, un cazador de viento todavía puede funcionar utilizando el efecto de pila . [8] 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]
El calentamiento de la torre de viento en sí puede calentar el aire del interior (lo que la convierte en una chimenea solar ), de modo que se eleva y extrae el aire de la parte superior de la casa, creando una corriente de aire. Este efecto se puede mejorar con una fuente de calor en la parte inferior de la torre de viento ( como los humanos, ~ 80 Watts cada uno [ cita requerida ] , pero esto calienta la casa y la hace menos cómoda. [2] Una técnica más práctica es enfriar el aire a medida que fluye hacia abajo y hacia adentro, utilizando depósitos de calor y / o enfriamiento por evaporación. [5]
Un takhtabush es un espacio similar al tablinum romano antiguo, que se abre tanto a un patio muy sombreado como a un patio trasero del jardín (el lado del jardín está sombreado con una celosía mashrabiya ). Está diseñado para capturar un tiro cruzado. La brisa es impulsada al menos en parte por convección (ya que una cancha generalmente será más cálida que la otra), y también puede ser impulsada por la presión del viento y el enfriamiento por evaporación, [7] : Cap. 6 [8] [5] por lo que el jardín y el patio se utilizan como atrapavientos.
Las fuerzas de flotabilidad se utilizan para causar enrojecimiento nocturno (ver más abajo).
El ciclo de temperatura diurna significa que el aire nocturno es más frío que el diurno; en climas áridos, mucho más fríos. Esto crea fuerzas de flotabilidad apreciables. 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 luego fluye desde el patio a las habitaciones adyacentes. [8] El aire frío de la noche entrará fácilmente, ya que es más denso que el aire cálido que asciende y que está desplazando. [7] : Cap. 6 [8] Pero durante el día, los muros del patio y el toldo le dan sombra, mientras que el aire exterior se calienta con el sol. [8] La mampostería fría también enfriará el aire cercano. [11] El aire del patio se estratificará de manera estable , [ cita requerida ] el aire caliente flotando sobre el aire frío con poca mezcla. [7] : Cap. 6El hecho de que las aberturas estén en la parte superior atrapará el aire frío debajo, aunque no puede hacer que la temperatura descienda por debajo de la temperatura mínima nocturna. Este mecanismo también funciona en torres eólicas. [6]
Un cazador de viento también puede enfriar el aire al ponerlo en contacto con masas térmicas frías . A menudo se encuentran bajo tierra.
Por debajo de aproximadamente 6 m de profundidad, el suelo y las aguas subterráneas siempre se encuentran aproximadamente a la temperatura media anual (MATT) [12] [13] [14] (es esta profundidad la que se utiliza para muchas bombas de calor de fuente terrestre , a menudo referidas de manera imprecisa como "bombas de calor geotérmicas" por laicos [15] ). La inercia térmica del suelo equilibra los cambios de temperatura diarios e incluso anuales. En climas áridos, los cambios de temperatura diarios son a menudo extremos, y las temperaturas del desierto suelen descender por debajo del punto de congelación durante la noche. Incluso la inercia térmica de gruesos muros de mampostería mantendrá un edificio más cálido durante la noche y más fresco durante el día; en climas cálidos y áridos, los muros gruesos con alta masa térmica ( adobe , piedra, ladrillo ) son comunes (aunque a veces se usan más modernamente muros más delgados con alta resistencia a la transmisión de calor ). [8] Los cazadores de viento pueden, por lo tanto, enfriar extrayendo aire sobre los materiales enfriados por la noche o el invierno, que actúan como depósitos de calor .
Los atrapavientos también se utilizan a menudo para ventilar espacios interiores de niveles inferiores (por ejemplo, shabestans ), que mantienen temperaturas frías en el medio del día incluso sin atrapavientos. Las casas de hielo se utilizan tradicionalmente para almacenar agua congelada durante la noche en áreas desérticas o durante el invierno en áreas templadas. Pueden usar atrapavientos para hacer circular aire en una cámara subterránea o semi-subterránea, enfriando por evaporación el hielo para que se derrita lentamente y se mantenga bastante seco (ver imagen de lede ). Por la noche, los cazadores de viento pueden incluso llevar el aire nocturno bajo cero al subsuelo, lo que ayuda a congelar el hielo.
En climas secos, el efecto de enfriamiento por evaporación se puede utilizar colocando agua en la entrada de aire, de manera que la corriente de aire atraiga el aire sobre el agua y luego hacia la casa. Por eso, a veces se dice que la fuente, en la arquitectura de los climas cálidos y áridos, es como la chimenea en la arquitectura de los climas fríos. [8]
Los atrapavientos se utilizan para el enfriamiento por evaporación en combinación con un qanat o canal subterráneo (que también hace uso del depósito de calor subterráneo descrito anteriormente). En este método, el lado abierto de la torre se aleja de la dirección del 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 se aspira hacia arriba mediante el efecto Coanda . Esto aspira aire a una entrada en el otro lado del edificio. El aire caliente se lleva al túnel de qanat y se enfría al entrar en contacto con la tierra fría [Nota 1] y el agua fría que corre a través del qanat. El aire también se enfría por evaporacióncuando parte del agua del qanat se evapora cuando el aire caliente y seco de la superficie pasa sobre él; la energía térmica del aire se absorbe como energía de vaporización . Por tanto, el aire seco también se humidifica antes de entrar en el edificio. El aire enfriado se aspira a través de la casa y finalmente sale por el atrapavientos, nuevamente por el efecto Coanda. En general, el aire frío fluye a través del edificio, disminuyendo la temperatura general de la estructura.
Un salasabil es un tipo de fuente con una fina lámina de agua que fluye, configurada para maximizar el área de superficie y, por lo tanto, el enfriamiento por evaporación. [8] [7] : Cap. 7 Los atrapavientos se utilizan a menudo con salasabils que se pueden utilizar para maximizar el flujo de aire insaturado sobre la superficie del agua y llevar el aire enfriado a donde se necesita en el edificio. [dieciséis]
También se puede colgar un tapete mojado dentro del atrapavientos para enfriar el aire entrante. [8] 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 por evaporación dentro de una torre eólica hace que el aire en la torre se hunda, impulsando la circulación. Esto se llama enfriamiento por evaporación pasivo de corriente descendente (PDEC). También se puede generar usando boquillas de aspersión (que tienden a bloquearse si el agua es dura) o serpentines de enfriamiento de agua fría (como calefacción por suelo radiante hidrónica en reversa). [5]
Los ejemplos y la perspectiva en esto pueden no representar una visión mundial del tema . ( Agosto de 2020 ) |
En Egipto, los atrapavientos se conocen como malqaf , pl. malaaqef . [17] [18] [3] Generalmente tienen la forma de prismas triangulares rectos con el lado vertical abierto hacia la izquierda y mirando directamente hacia arriba o hacia abajo (uno de cada uno por edificio). Funcionan mejor si se orientan dentro de los 10 grados de la dirección del viento; los ángulos más grandes permiten que el viento escape. [3] Los atrapavientos se utilizaron en la arquitectura tradicional del antiguo Egipto , [19] y solo empezaron a dejar de utilizarse a mediados del siglo XX. Su uso se está reexaminando ahora, 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 consumo).capacidad de generación ). [3]
Los atrapavientos en Egipto se utilizan a menudo junto con otros elementos de refrigeración pasivos. [8]
Vivienda en el Antiguo Egipto con atrapavientos. De una pintura de la casa faraónica de Neb-Ammun, Egipto, que data de la dinastía XIX, c. 1300 aC (Museo Británico). [20] [3]
Miniatura de una casa egipcia antigua que muestra atrapavientos, que data del período dinástico temprano de Egipto , encontrada en Abou Rawsh, cerca de El Cairo. Ahora en el Louvre .
Modelo de una casa egipcia antigua con cazador de viento, Roemer- und Pelizaeus-Museum Hildesheim
Windcatchers y shuksheika tejados de sombreado estrechas Airshaft patios, Ciudadela del Cairo .
Atrapavientos en Jartum , Sudán
En Irán, un cazador de viento se llama bâdgir : bâd "viento" + gir "cazador" ( persa : بادگیر ). Los dispositivos se utilizaron en la arquitectura aqueménida . [6] En Irán, se utilizan en las zonas cálidas y secas de la meseta central y en las regiones costeras cálidas y húmedas. [6]
El centro de Irán muestra una gran variación de temperatura diurna con un clima árido . La mayoría de los edificios están construidos con cerámica gruesa con altos valores de aislamiento . Las ciudades centradas en los oasis del desierto tienden a estar muy juntas con paredes y techos altos, lo que maximiza la sombra a nivel del suelo. El calor de la luz solar directa se minimiza con pequeñas ventanas que miran en dirección opuesta al sol. [6]
La eficacia del atrapavientos había llevado a su uso rutinario como dispositivo de refrigeración en Irán. Muchos depósitos de agua tradicionales ( ab anbars ), que son capaces de almacenar agua a temperaturas cercanas al punto de congelación durante los meses de verano, están construidos con atrapavientos. [6] El efecto de enfriamiento por evaporación es más fuerte en los climas más secos, como en la meseta iraní, lo que lleva al uso omnipresente de atrapavientos en áreas más secas como Yazd , Kerman , Kashan , Sirjan , Nain y Bam .
Los atrapavientos tienden a tener una, cuatro u ocho aberturas. En la ciudad de Yazd, todos los atrapavientos tienen cuatro u ocho lados. La construcción de un atrapavientos depende de la dirección del flujo de aire en esa ubicación específica: si el viento tiende a soplar desde un solo lado, se construye con una sola abertura a favor del viento . Este es el estilo que se ve con más frecuencia en Meybod , a 50 kilómetros de Yazd: los atrapavientos son cortos y tienen una sola abertura.
Los atrapavientos en Irán pueden ser bastante elaborados, debido a su uso como símbolos de estatus. [6]
Un pequeño cazador de viento se llama shish-khan en la arquitectura tradicional persa. Todavía se pueden ver shish-khans encima de ab anbars en Qazvin y otras ciudades del norte de Irán. Estos parecen funcionar más como ventiladores que como reguladores de temperatura que se ven en los desiertos centrales de Irán.
El cazador de viento de Dolat Abad en Yazd , Irán , uno de los cazadores de viento más altos existentes
Casa Borujerdi , en Kashan, Irán central. Construido en 1857, es un excelente ejemplo de la antigua arquitectura del desierto persa. Los dos altos cazadores de viento refrescan el andaruni (patio) de la casa.
Windcatcher del complejo Ganjali Khan , en Kerman , Irán
Palacio de Golestán , en Teherán , Irán
Aghazadeh Mansion tiene una elaborada torre de viento de 18 m con dos niveles de aberturas, además de algunas torres de viento más pequeñas
Una torre de viento desde abajo, adentro, mostrando que está parcialmente cerrada.
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Council House 2 en Melbourne , Australia, tiene "torres de ducha" de 3 pisos de altura, hechas de tela mantenida húmeda por un cabezal de ducha que gotea en la parte superior de cada una. El enfriamiento evaporativo enfría el aire, que luego desciende al interior del edificio. [11]
El Saint-Étienne Métropole 's Zénith es una sala de usos múltiples construido en Auvernia Ródano-Alpes (interior sur de Francia). Incorpora un atrapavientos de aluminio muy grande, [21] que es mucho más liviano que el atrapavientos de mampostería equivalente. El tamaño del atrapavientos le permite trabajar en cualquier dirección del viento; [21] el área de la sección transversal perpendicular al flujo del viento sigue siendo grande.
El centro comercial Bluewater en el Reino Unido utiliza torres atrapavientos. [11] El Queen's Building de la Universidad DeMontfort usa torres de efecto chimenea para ventilar. [22]
Se ha utilizado un atrapavientos en el centro de visitantes del Parque Nacional Zion , Utah , [23] donde funciona sin la adición de dispositivos mecánicos para regular la temperatura. [21]
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EL-MALAQEF
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