Un captador de viento , torre de viento o pala de viento ( persa : بادگیر ) es un elemento arquitectónico tradicional , originario de Irán (Persia), utilizado para crear ventilación cruzada y refrigeración pasiva en edificios. [1] Los captadores de viento vienen en varios diseños, dependiendo de si los vientos predominantes locales son unidireccionales, bidireccionales o multidireccionales, de cómo cambian con la altitud, del ciclo de temperatura diario , de la humedad y de la cantidad de polvo que se necesita eliminar. [2] A pesar del nombre, los captadores de viento también pueden funcionar sin viento.
Los arquitectos modernos los ignoraron en la segunda mitad del siglo XX, pero a principios del siglo XXI volvieron a utilizarlos para aumentar la ventilación y reducir la demanda de energía para el aire acondicionado . [3] En general, el costo de construcción de un edificio ventilado con captadores de viento 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 eléctricos, los captadores de viento son silenciosos [4] y continúan funcionando cuando falla la red eléctrica (una preocupación particular en lugares donde la red eléctrica no es confiable o es costosa). [5] [11]
Los captadores de viento dependen de las condiciones climáticas y microclimáticas locales , y no todas las técnicas funcionarán en todas partes; se deben tener en cuenta los factores locales en el diseño. [5] Los captadores de viento de diversos diseños se utilizan ampliamente en el norte de África, Asia occidental e India. [12] [2] Una idea simple y generalizada, hay evidencia de que los captadores de viento han estado en uso durante muchos milenios, y no hay evidencia clara de que no se usaron en la prehistoria . [3] [2] [12] Por lo tanto, el "lugar de invención" de los captadores de viento es intensamente disputado; Egipto, Irán y los Emiratos Árabes Unidos lo reclaman. [12] [13]
Los captadores de viento varían enormemente en forma, incluida la altura, el área de la sección transversal y las subdivisiones y filtros internos. [2]
Los captadores de viento han ganado terreno en la arquitectura occidental y existen varios productos comerciales que utilizan el nombre de captadores de viento . Algunos captadores de viento modernos utilizan partes móviles controladas por sensores o incluso ventiladores alimentados por energía solar para crear sistemas de ventilación y refrigeración semipasivos . [2]
Los captadores de viento se han utilizado desde hace mucho tiempo en los barcos, por ejemplo, en forma de caja dorada . Los captadores 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 disposiciones similares a takhtabush (ver las secciones sobre lavado nocturno y convección, a continuación). [14] : Cap. 6
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La construcción de un captador de viento depende de la dirección predominante del viento en esa ubicación específica: si el viento tiende a soplar desde un solo lado, puede tener solo una abertura y ninguna partición interna. [2] En áreas con direcciones de viento más variables, también puede haber paredes internas radiales, que dividen la torre eólica en secciones verticales. Estas secciones son como chimeneas paralelas , pero con aberturas a los lados, que apuntan en múltiples direcciones. [2] Más secciones reducen el caudal, pero aumentan la eficiencia en ángulos de viento subóptimos. Si el viento golpea la abertura de frente, entrará, pero si la golpea en un ángulo suficientemente oblicuo, tenderá a deslizarse alrededor de la torre. [2]
Los captadores de viento en áreas con vientos más fuertes tendrán secciones transversales totales más pequeñas, [15] y las áreas con vientos muy calientes pueden tener muchos ejes más pequeños para enfriar el aire entrante. [14] : 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 fomenta la separación del flujo ; [2] una forma adecuada aumenta la succión. [14] : Cap. 5
Los captadores de viento más altos captan vientos más fuertes. Los vientos más altos soplan más fuertes y más fríos [16] (y en una dirección diferente [17] ). El aire a mayor altitud también suele ser menos polvoriento. [16]
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] Algo de polvo puede arrojarse al fondo del captador de viento a medida que el aire disminuye su velocidad (ver el diagrama a continuación), y se puede filtrar más con plantas adecuadas o mallas para insectos. [16] Los filtros físicos generalmente reducen el flujo, a menos que el flujo sea muy racheado. [2] También puede ser posible cerrar total o parcialmente el captador de viento. [15]
Los malqaf cortos y anchos con forma de prisma triangular recto suelen ser bidireccionales, se colocan en pares simétricos y se utilizan a menudo con un salsabil (unidad de enfriamiento por evaporación) [2] y un shuksheika ( ventilador de claraboya ). [16] Los malqaf anchos se utilizan con más frecuencia en climas más 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. [14] : Cap. 5 Se utilizan con más frecuencia en África. [2] Los baudgir , por otro lado, tienen varios lados (generalmente de 4 lados) y suelen ser torres altas (de 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 . [15] Los captadores de viento más altos también tienen un efecto de chimenea más fuerte . [14] : Cap. 5
El lavado nocturno enfría la casa al aumentar la ventilación durante la noche, cuando el aire exterior es más frío; las torres de viento pueden ayudar al lavado nocturno. [16]
Un captador de viento también puede enfriar el aire haciéndolo pasar por encima de objetos fríos. En los climas áridos , las oscilaciones térmicas diarias suelen ser extremas, y las temperaturas del desierto suelen descender por debajo del punto de congelación durante la noche. La inercia térmica del suelo equilibra las oscilaciones térmicas diarias e incluso anuales. Incluso la inercia térmica de los muros de mampostería gruesos mantendrá un edificio más cálido por la noche y más fresco durante el día. Por lo tanto, los captadores de viento pueden enfriar haciendo pasar aire por encima de materiales enfriados durante la noche o el invierno, que actúan como depósitos de calor .
Los captadores de viento que enfrían haciendo pasar el aire por encima del agua utilizan el agua como depósito de calor, pero si el aire está seco, también lo enfrían mediante enfriamiento por evaporación . [2] El calor del aire se utiliza para evaporar parte del agua y no se libera hasta que el agua se vuelve 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 refrescante. Los seres humanos se refrescan mediante el enfriamiento por evaporación cuando sudan . Una corriente de aire altera la capa límite de aire calentado por el cuerpo y saturado de agua 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. [14] : Cap. 5
El captador de viento 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 fuerzas de flotabilidad de gradientes de temperatura ( efecto chimenea ). [2] [4] La importancia relativa de estas dos fuerzas ha sido debatida. La importancia de la presión del viento aumenta con el aumento de la velocidad del viento y, por lo general, es más importante que la flotabilidad en la mayoría de las condiciones en las que el captador de viento funciona de manera efectiva. [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 con torres eólicas tenga caudales muy altos; en un experimento se midieron 30 cambios de aire por hora. [5] Es importante que el flujo sea uniforme y estable sin esquinas estancadas. Por lo tanto, se debe evitar el flujo turbulento; el flujo laminar es más eficaz para mantener el confort humano [4] (para un ejemplo extremo, consulte la válvula Tesla ).
A menudo se utilizan otros elementos en combinación con los captadores de viento para enfriar y ventilar: patios , cúpulas , muros y fuentes, por ejemplo, como partes integrales de una estrategia global de ventilación y gestión del calor.
Si el lado abierto de un captador de viento está orientado hacia el viento predominante, puede "capturarlo" y llevarlo hacia el interior del edificio. La succión del lado de sotavento de un captador de viento también es una fuerza impulsora importante, normalmente algo más constante y menos racheada que la presión del lado de barlovento (véase el efecto Venturi y el principio de Bernoulli ). [14] : Cap. 5
Al dirigir el viento a través del edificio, se refresca a las personas que se encuentran en su interior. El aire fluye a través de la casa y sale por el otro lado, creando una corriente de aire que, por sí sola, puede generar un efecto refrescante. [ cita requerida ] Los captadores de viento se han utilizado de esta manera durante miles de años. [14]
La torre eólica crea esencialmente un gradiente de presión para hacer pasar el aire a través del edificio. [18] Se han construido torres eólicas coronadas con perfiles aerodinámicos horizontales para mejorar estos gradientes de presión. [2] La forma del techo tradicional shuksheika también crea succión cuando el viento sopla sobre él. [14] : Cap. 5
La flotabilidad no suele ser el principal efecto que impulsa la circulación del aire del captador de viento [2] durante el día.
En un entorno sin viento, un captador de viento puede seguir funcionando utilizando el efecto chimenea . [16] El aire caliente, que es menos denso, tiende a viajar hacia arriba y escapar por la parte superior de la casa a través del captador de viento. [2]
La calefacción del propio aerogenerador puede calentar el aire del interior (convirtiéndolo en una chimenea solar ), de modo que suba y extraiga aire de la parte superior de la casa, creando una corriente de aire. Este efecto se puede potenciar con una fuente de calor en la parte inferior del aerogenerador ( como los seres humanos, unos 80 vatios 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 refrigeración por evaporación. [5]
Un takhtabush es un espacio similar al antiguo tablinum romano, que se abre tanto a un patio muy sombreado como a un patio trasero con jardín (el lado del jardín está sombreado con una celosía de mashrabiya ). Está diseñado para capturar una corriente de aire cruzada. La brisa es impulsada al menos en parte por convección (ya que un patio generalmente será más cálido que el otro), y también puede ser impulsada por la presión del viento y el enfriamiento por evaporación, [14] : Cap. 6 [16] [5] por lo que el jardín y el patio se utilizan como captadores de viento.
Las fuerzas de flotabilidad se utilizan para provocar el sofoco nocturno.
El ciclo diurno de temperatura implica que el aire nocturno es más frío que el diurno; en climas áridos, mucho más frío. 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 fluye desde el patio hacia las habitaciones adyacentes. [16] El aire frío de la noche fluirá fácilmente, ya que es más denso que el aire cálido ascendente que está desplazando. [14] : Cap. 6 [16] Pero durante el día, los muros y el toldo del patio lo sombrean, mientras que el aire exterior se calienta con el sol. [16] La mampostería fría también enfriará el aire cercano. [19] El aire del patio se estratificará de manera estable , y el aire caliente flotará sobre el aire frío con poca mezcla. [14] : Cap. 6 El hecho de que las aberturas estén en la parte superior atrapará el aire frío de abajo, aunque no puede hacer que la temperatura baje por debajo de la temperatura mínima nocturna. Este mecanismo también funciona en las torres eólicas. [15]
Un captador de viento también puede enfriar el aire poniéndolo en contacto con masas térmicas frías , que suelen encontrarse bajo tierra.
Por debajo de aproximadamente 6 m de profundidad, el suelo y el agua subterránea siempre están aproximadamente a la temperatura media anual promedio (MATT) [20] [21] [22] (es esta profundidad la que se utiliza para muchas bombas de calor de fuente terrestre , a menudo denominadas vagamente "bombas de calor geotérmicas" por los legos [23] ). La inercia térmica del suelo equilibra las oscilaciones de temperatura diarias e incluso anuales. En climas áridos , las oscilaciones de temperatura diarias suelen ser extremas, y las temperaturas del desierto a menudo caen por debajo del punto de congelación por la noche. Incluso la inercia térmica de las paredes de mampostería gruesas mantendrá un edificio más cálido por la noche y más fresco durante el día; en climas cálidos y áridos, son comunes las paredes gruesas con alta masa térmica ( adobe , piedra, ladrillo ) (aunque a veces se utilizan paredes más delgadas con alta resistencia contra la transmisión de calor ). [16] De este modo, los captadores de viento pueden enfriar haciendo pasar aire por materiales enfriados durante la noche o el invierno, que actúan como depósitos de calor .
Los captadores de viento también se utilizan a menudo para ventilar espacios interiores de nivel inferior (por ejemplo, shabestans ), que mantienen temperaturas frías en el mediodía incluso sin captadores de viento. 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 utilizar captadores de viento para hacer circular el aire en una cámara subterránea o semisubterránea, enfriando por evaporación el hielo para que se derrita solo lentamente y permanezca bastante seco (ver imagen principal ). Por la noche, los captadores de viento pueden incluso llevar aire nocturno bajo tierra a temperaturas bajo cero, lo que ayuda a congelar el hielo.
En climas secos, se puede aprovechar el efecto de enfriamiento por evaporación colocando agua en la entrada de aire, de modo que la corriente de aire atraiga el aire sobre el agua y luego hacia el interior de la casa. Por esta razón, 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. [16]
Los captadores de viento se utilizan para enfriar por evaporación en combinación con un qanat o canal subterráneo (que también utiliza el depósito de calor subterráneo descrito anteriormente). En este método, el lado abierto de la torre mira en dirección opuesta a la 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 utilizando el efecto Coandă . Esto atrae el aire hacia una entrada en el otro lado del edificio. El aire caliente que baja al túnel del qanat se enfría al entrar en contacto con el flujo de agua y la tierra circundante . El suelo debajo del nivel del suelo se mantiene fresco en virtud de estar varios metros por debajo de la superficie. El aislamiento y la capacidad térmica de la tierra suprayacente mantienen la misma temperatura estable día y noche, y como las noches en climas áridos son bastante frías, a menudo por debajo del punto de congelación, esa temperatura estable es bastante fresca. El aire también se enfría por evaporación cuando parte del agua en el qanat se evapora a medida que el aire caliente y seco de la superficie pasa sobre él; La energía térmica del aire se absorbe como energía de vaporización . De esta forma, el aire seco también se humedece antes de entrar en el edificio. El aire frío se aspira a través de la casa y finalmente sale del captador de viento, nuevamente por el efecto Coandă. En general, el aire frío fluye a través del edificio, disminuyendo la temperatura general de la estructura. [ cita requerida ]
Un salasabil es un tipo de fuente con una fina lámina de agua que fluye, diseñada para maximizar el área de superficie y, por lo tanto, el enfriamiento por evaporación. [16] [14] : Cap. 7 Los atrapavientos se utilizan a menudo con salasabils que pueden usarse para maximizar el flujo de aire no saturado sobre la superficie del agua y llevar el aire enfriado a donde se necesita en el edificio. [4]
También se pueden colgar esteras húmedas dentro del captador de viento para enfriar el aire entrante. [16] 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 descienda, lo que impulsa la circulación. Esto se llama enfriamiento por evaporación por corriente descendente pasiva (PDEC). También se puede generar utilizando boquillas de pulverización (que tienden a bloquearse si el agua es dura) o serpentines de enfriamiento de agua fría (como la calefacción por suelo radiante hidrónica a la inversa). [5]
Los captadores de viento pueden utilizarse para mitigar el cambio climático , ya que pueden "reducir el consumo de energía y la huella de carbono de los edificios " [24] y para la adaptación al cambio climático porque facilitan la refrigeración en un clima más cálido. [25] Los captadores de viento pueden reducir la temperatura dentro de la casa de 8 a 12 °C (14 a 22 °F) en comparación con la temperatura exterior. [26]
Un captador de viento para ventanas puede reducir el consumo total de energía de un edificio en un 23,3 %. [27]
En Egipto, los captadores de viento se conocen como malqaf , pl. malaaqef . [28] [29] [30] Generalmente tienen forma de prismas triangulares rectos con el lado vertical abierto y orientado directamente hacia arriba o hacia abajo contra el viento (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 captadores de viento se usaban en la arquitectura tradicional del antiguo Egipto , [31] y solo comenzaron a caer en desuso a mediados del siglo XX d. C. Su uso ahora está siendo reexaminado, 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 capacidad de generación ). [3]
En Egipto, los captadores de viento suelen utilizarse junto con otros elementos de refrigeración pasivos. [16]
![Vivienda del Antiguo Egipto con recogevientos. De una pintura de la casa faraónica de Neb-Ammun, Egipto, que data de la XIX dinastía, alrededor del año 1300 a. C. (Museo Británico).[32][3]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/2b/Byggnadskonsten,_Fornegyptiska_boningshus,_Nordisk_familjebok.png/1280px-Byggnadskonsten,_Fornegyptiska_boningshus,_Nordisk_familjebok.png)
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Los atrapavientos son una característica común en muchos países del Medio Oriente influenciados por la difusión de la cultura bajo el dominio islámico.
En Irán, un captador de viento se llama bâdgir , bâd "viento" + gir "atrapador" ( persa : بادگیر ). Los dispositivos se utilizaron en la arquitectura aqueménida . [15] Se utilizan en las áreas cálidas y secas de la meseta central iraní y en las regiones costeras cálidas y húmedas. [15]
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 oasis desérticos 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. [15]
La eficacia de los captadores de viento ha 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, se construyen con captadores de viento. [15] 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 captadores de viento en áreas más secas como Yazd , Kerman , Kashan , Sirjan , Nain y Bam .
Los captadores de viento suelen tener una, cuatro u ocho aberturas. En la ciudad de Yazd, todos los captadores de viento tienen cuatro u ocho lados. La construcción de un captador de viento depende de la dirección del flujo de aire en ese lugar específico: 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 más comúnmente en Meybod , a 50 kilómetros de Yazd: los captadores de viento son cortos y tienen una sola abertura.
Los atrapavientos en Irán pueden ser bastante elaborados, debido a su uso como símbolos de estatus. [15]
En la arquitectura tradicional persa , un pequeño captador de viento se denomina shish-khan . Todavía se pueden ver shish-khans en la parte superior de los ab anbars en Qazvin y otras ciudades del norte de Irán. Parecen funcionar más como ventiladores que como reguladores de temperatura, como los que se ven en los desiertos centrales de Irán.
La Casa Consistorial 2 de Melbourne (Australia) tiene "torres de ducha" de tres pisos de altura, hechas de tela que se mantiene húmeda gracias a un cabezal de ducha que gotea en la parte superior de cada una. El enfriamiento por evaporación enfría el aire, que luego desciende hacia el interior del edificio. [19]
El Zénith de la Métropole de Saint-Étienne es una sala polivalente construida en Auvernia-Ródano-Alpes (interior sur de Francia). Incorpora un captador de viento de aluminio de gran tamaño, [33] que es mucho más ligero que el captador de viento de mampostería equivalente. El tamaño del captador de viento le permite funcionar en cualquier dirección del viento; [33] la superficie transversal perpendicular al flujo del viento sigue siendo grande.
El centro comercial Bluewater en el Reino Unido utiliza torres de captación de viento. [19] El edificio Queen's de la Universidad DeMontfort utiliza torres de efecto chimenea para ventilar. [34]
A windcatcher has been used in the visitor center at Zion National Park, Utah,[35] where it functions without the addition of mechanical devices in order to regulate temperature.[33]
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