시스탄 지역 고대 풍차의 탄력적 건축물이 자연 환기 향상에 미치는 영향

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 18240(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

주거 단위의 적절한 자연 환기를 보장하기 위해 수세기에 걸쳐 다양한 요소가 건축물에서 개발되었습니다. 이 연구는 이란 시스탄에 있는 고대 풍차의 다양한 구성요소를 구조물의 실내 공기질(IAQ) 향상에 대해 평가합니다. Sistan 기상 데이터의 바람 분석을 통해 여러 기후 시나리오가 정의되고 CFD로 분석되었습니다. 현장 측정은 시뮬레이션 결과의 정확성을 확인합니다. 풍차에서 우세한 바람을 향하는 두 개의 디플렉터는 바람을 입구쪽으로 향하게 하는 것 외에도 흡입 환기로 이어지는 동쪽과 서쪽 개구부 근처에 소용돌이를 형성할 수 있는 중요한 요소입니다. 풍속과 각도를 10~15m/s 및 30°~17°로 변경하면 시간당 공기 변화(ACH)가 각각 150% 및 110% 증가합니다. 한편, ACH는 ASHRAE가 원하는 수준(ACH > 0.35)보다 높았습니다.

오늘날 건물 내 거주자의 웰빙은 화석 연료 소비 증가로 인해 에너지에 부담을 주고 있습니다. ZNE(Zero Net Energy) 아키텍처는 에너지 사용을 줄이는 솔루션이 될 것입니다. ZNE에서는 이란의 일부 지역과 같이 건조하고 바람이 많이 부는 지역에서 주거지의 자연 환기1,2,3,4,5,6가 오랫동안 일반적이었습니다. 이 지역의 주민들은 에너지를 소비하지 않고 실내 공기질을 개선하기 위해 수세기 동안 건물 안팎에서 바람을 활용해 왔습니다. 이 작품들을 살펴보면 그들이 공기역학의 모든 원리를 확실히 알고 있었고 그것을 디자인에 적용했다는 것을 알 수 있습니다.

개구부 및 추가 환기 도구의 설계 매개변수는 바람으로 인한 환기 성능에 필수적인 역할을 합니다. ACH에 대한 트랜섬 창8(TW)의 유형과 위치가 고층 건물1에 미치는 영향이 평가되었습니다. CFD 분석과 인공 신경망을 결합한 결과, TW(풍속과 방향에 따른 창문의 크기와 방향)를 적절하게 설계하면 ACH가 평균 108.1%까지 증가하는 것으로 나타났습니다.

윈드 캐처(wind-catcher)라고도 알려진 풍력 타워(Kolak et al.9)는 일반적으로 실내 냉각을 위해 우세한 바람을 향하는 직사각형 개구부가 있는 건물 지붕에 건설된 수직 구조물입니다10,11. 현장 측정12,13,14,15 및 수치 연구9,16,17,18,19,20,21,22는 이러한 구조물의 효율성과 신뢰성을 확인하여 현대식 건물을 자연적으로 환기시키는 새로운 솔루션으로 소개합니다23,24,25 ,26.

날개 벽 또는 디플렉터27는 창문이나 윈드캐처30 주변 및 근처에 수직28 또는 수평29 견고한 요소로 되어 있어 개구부 사이에 추가 압력 구배를 생성하여 자연적인 단면 환기31,32를 향상시킵니다. 배출구 창에 저압 영역을 생성하여 자연 흡입 환기를 유도할 수 있습니다33. 이 요소는 바람이 비스듬하게 흐를 때 효율적이며, 풍향이 90°32로 기울면 성능이 저하됩니다. 날개 벽은 토착 건물(바깥쪽으로 회전하는 여닫이 창)에 사용되었지만 현대 건축물은 현대적인 디자인에 실용적인 적용을 활용합니다. 예를 들어, UMNO 사무실 복도는 날개벽을 통해 자연적으로 환기될 수 있습니다34,35. 윈드캐처 가장자리에 날개 벽을 사용하면 이 요소가 4m/s 풍속에서 최대 9.6kW의 냉각 용량을 공급할 수 있으며, 이는 실내 온도를 최대 적응 온도 이하로 유지하는 데 도움이 될 수 있음이 밝혀졌습니다30.

외부 공기가 따뜻하고36 따뜻하고 습하며 오염되면37 실내 공기질이 저하됩니다. 따라서 매우 뜨겁거나 차가운 실외 조건에서 실외-실내 공기의 직접적인 상호 작용을 방지하기 위한 대체 방법이 제안됩니다. 따뜻한 실외 조건과 관련하여 실외 온도가 35°C보다 높을 때 실내 온도를 약 8°C 낮추기 위해 증발 냉각과 태양열 굴뚝의 조합이 제안되었습니다7,38,39,40,41. 또한, 온 다습한 지역에서는 증발냉각의 적용이 권장되지 않으므로 교차통풍43에 비해 환기율을 8배 향상시킬 수 있는 벤추리형 윈드캐처42를 설계하였다. 이 구조는 벤투리 형상 구조의 흡입환기 방향 한쪽에서 속도가 증가하면 부압이 발생하는 현상을 설명하는 베르누이 효과44에 기초하여 설계되었다. 또한, 대기 오염된 환경에서는 실외가 IAQ에 부정적인 영향을 미칠 수 있으므로 입구에 필터를 사용하는 것이 권장됩니다47. 그러나 환기를 유도하는 효과적인 방법으로서 바람막이 필터와 태양열 굴뚝이 있는 필터의 결합 효과에 대한 연구는 거의 수행되지 않았습니다7,47.

0\), showed reverse flow, while the negative values illustrated current in the same direction as the dominant wind in the space (ordinary current). Thus, the wind speed (\({V}_{y{^{\prime}}}\)) profiles were considered to assess the vortices' length and width./p> \left| {\underbrace {{V_{{yWV4}}^{{'17 - 15}} }}_{{0.41}}} \right| \); however, the pressure gradient and average speed had a reverse pattern, \( \underbrace {{\Delta P_{{WV4}}^{{30 - 15}} }}_{{3.77}} < \underbrace {{\Delta P_{{WV4}}^{{17 - 15}} }}_{{7.69}} \) and \( \underbrace {{FRPA_{{WV4}}^{{30 - 15}} }}_{{352}} < \underbrace {{FRPA_{{WV4}}^{{17 - 15}} }}_{{477}} \)./p> \underbrace {{V_{{{y'}} _{{WV1}}}^{{17 - 10}} }}_{{1.02~{\text{m}}/{\text{s}}}} \)). This could be due to microscale eddies formed near WV1 and WV2, while the reverse current in microscale eddy near WV1 was stronger than near WV2 (Figs. 20, 21). These microscale eddies formed just when the wind speed was 10 m/s./p> 0.35)./p>