Use and re-use of wind catchers as a natural ventilation and cooling system for residential buildings

Abstract

Die Erschöpfung natürlicher Ressourcen, globale Erwärmung und steigende Preise für fossile Brennstoffe sind ernstzunehmende Sorgen der Menschheit. Das Bevölkerungswachstum hat zwischen 1995 und 2013 einen Anstieg des CO2-Ausstoßes von über 200 % verursacht. Die Baubranche ist für über 40 % des weltweiten Energiekonsums verantwortlich. Tatsache ist, dass von der Energie, die in unseren Gebäuden verbraucht wird, Belüftung, Beheizung und Kühlsysteme für über 60 % des Energiekonsums verantwortlich sind. Belüftungsund Kühlsysteme könnten jedoch auch durch natürliche oder mechanische Anwendungen bereitgestellt werden. Auf der einen Seite könnte der Gebrauch von natürlichen Belüftungsund Kühlungsstrategien eine Reduktion des gesamten Energiebedarfs bewirken und würde weniger Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre entlassen. Andererseits hat die Baubranche aufgrund der schädlichen Effekte mechanischer Systeme wachsendes Interesse, passive Kühlsystems wie natürliche Belüftung anzuwenden. Daher hat sich die Anwendung von passiven Kühlungsstrategien wie natürliche Ventilation und Kühlungssysteme im Bauwesen zu einem der wichtigsten Anliegen in der Forschung entwickelt. Es steht eine große Auswahl natürlicher Belüftungsmaßnahmen zur Verfügung, doch unter den verschiedenen Vorrichtungen gehören Windtürme zu den wenigen, die gleichzeitig Wind und thermischen Auftrieb nutzen. Aufgrund dieser Situation und basierend auf den menschlichen Bedürfnissen hat sich die Autorin entschieden, Windtürme sowohl als System der natürlichen Ventilation als auch als kulturelles Erbe des Mittleren Ostens zu untersuchen. Generell war es im Mittleren Osten aufgrund der extremen Witterungsbedingungen (heiß und trocken heiß und feucht) und der soziokulturellen Charakteristika nicht üblich, Außenfenster zur Belüftung und Kühlung zu verwenden. Für gewöhnlich öffnen sich die Fenster zum inneren Hof hin. Somit ist in Gebäuden dieser Region eine Vorrichtung erforderlich, welche den vorherrschenden Wind und die frische Luft von außen auffangen und in das Innere des Gebäudes umlenken kann. Zudem war es wesentlich, eine weitere Vorrichtung zu installieren, welche helfen konnte, die Luft im Inneren zirkulieren zu lassen und anschließend wieder nach außen zu leiten. Derartigen Forderungen entsprechend können Windtürme als eine der besten Lösungen betrachtet werden. Außerdem stellen sie eine umweltfreundliche Vorrichtung dar. Der Windturm ist ein gut durchdachtes und bemerkenswertes architektonisches Element, welches aus einem vertikalen Schacht mit Öffnungen besteht. Diese Öffnungen befinden sich im oberen Teil des Schachtes, wodurch sie stärkeren Wind auffangen können. Der Schacht des Windturms ist durch innere Trennelemente unterteilt, welche ungleiche Abschnitte schaffen, die es der Luft ermöglichen, durch ein, zwei, drei oder vier Seiten in den Schacht einzudringen und ihn auf der jeweils anderen Seite wieder zu verlassen. Windtürme waren ein Bestandteil der Gebäudestruktur in heißen, trockenen und schwülen Gebieten, unterschieden sich allerdings in ihrem Design, der Dekoration, der Höhe, den Öffnungen und dem Profil. Die Länder des mittleren Ostens wurden hier gewählt, erste Untersuchen durchzuführen, da die Windtürme dieser Region, die in den verschiedenen Ländern unter unterschiedlichen Namen bekannt sind, nicht nur Prototypen offenbaren, sondern auch die sozialen und kulturellen Muster in den Städten des Mittleren Ostens reflektieren.

Depletion of natural resources, global warming and increase of fossil-fuel price is a real concern of human beings. Moreover, the population growth has caused more than 200% increase of CO2 emission from 1995 to 2013. Buildings sector account for more than 40% of the total worlds energy consumption. The fact is that energy used in our buildings, including ventilation, heating, and cooling systems accounts for more than 60% of total buildings energy consumption. Ventilation and cooling systems in buildings could be provided through natural or mechanical systems. On one hand, utilizing natural ventilation and cooling strategies cause a reduction of overall energy demand and releases less carbon dioxide in the atmosphere. On the other hand, due to the harmful effects of mechanical systems, the building sector has an increased concern to apply passive cooling strategies such as natural ventilation. Hence the application of passive cooling strategies in this case of natural ventilation and cooling systems in building design has become a major concern for researchers in the building sector. There are wide ranges of natural ventilation devices, but among all different types natural ventilation devices, the wind catcher is one of the devices which uses both wind and stack effects in the same device. Due to this situation and based on human needs, the author decided to investigate the wind catcher as a natural ventilation device as well as a cultural heritage element of the Middle East. Generally, due to the harsh weather (hot and arid - hot and humid) and social culture characteristics of the Middle East, it was not common to use modern windows to provide ventilation and space cooling. Usually windows are opened to the inner courtyard. Depending on the buildings in this region, a device was needed that could catch prevailing winds and fresh air from the outside and direct them inside the building. In addition, it was essential to install a device that could help to circulate inner air, then provide a way to exit the air from the inside to the outside. According to all these factors, traditional builders in these regions found wind catchers as the best solution. Due to this, the above-mentioned wind catcher is an environmentally friendly device. The wind catcher is an elaborate and notable architectural element that has a vertical shaft with openings. These openings are placed at the top of the shaft; therefore they can catch more privileged wind. Otherwise, the wind catcher shaft is divided by inner blades (partitions) to make disparate shafts which allow air to enter from one, two, three, or four sides and exit from the other sides. Wind catchers were a part of the structure of the buildings in hot, dry, and humid regions but they differ in their design, decoration, height, openings, and cross section. Due to this matter, Middle Eastern countries have been selected for the foundations of inquiry. The wind catchers in these countries not only reveal prototypes, but also show that wind catchers can take different names. This reflects variations in the social and cultural pattern across cities in the Middle East.