ウィンドキャッチャー

ウインドキャッチャー、ウインドタワー、またはウインドスクープ（ペルシア語：بادگیر）は、建物内で通風や受動冷却を行うために使用される伝統的な建築要素です。 ^[1]ウインドキャッチャーには、その地域の卓越風が一方向か、双方向か、多方向か、高度によってどのように変化するか、日々の気温サイクル、湿度、および除去する必要があるほこりの量に応じて、さまざまなデザインがあります。^[2]名前に反して、ウインドキャッチャーは風がなくても機能します。

20世紀後半には現代の建築家に無視されていたが、21世紀初頭には換気を増やし、エアコンの電力需要を削減するために再び使用されるようになった。^[3]一般的に、ウィンドキャッチャー換気の建物の建設コストは、従来の暖房、換気、空調（HVAC）システムを備えた同様の建物よりも安価です。メンテナンスコストも低くなります。電動エアコンやファンとは異なり、ウィンドキャッチャーは静かで^{[4] 、}電力網の電力が停止しても機能し続けます（電力網の電力が信頼できない、または高価な場所では特に懸念されます）。^{[5] [11]}

風よけは、地元の天候や微気候条件に依存しており、すべての技術がどこでも機能するわけではないため、設計では地元の要因を考慮する必要があります。^[5]北アフリカ、西アジア、インドでは、さまざまなデザインの風よけが広く使用されています。^{[12] [2]}シンプルで広く普及したアイデアですが、風よけが何千年も前から使用されてきたという証拠があり、先史時代に使用されていなかったという明確な証拠はありません。^{[3] [2] [ 12} ]そのため、風よけの「発明の場所」は激しく議論されており、エジプト、イラン、アラブ首長国連邦はすべてそれを主張しています。^{[12] [13]}

ウインドキャッチャーは、高さ、断面積、内部の区画やフィルターなど、形状が大きく異なります。^[2]

風を捕らえる技術は西洋建築で定着しており、ウィンドキャッチャーという名称の商品もいくつかある。現代のウィンドキャッチャーの中には、センサー制御の可動部品や太陽光発電ファンを使用して、半受動的な換気システムや半受動的な冷却システムを実現しているものもある。^[2]

風向計は、船上ではドラーデボックスなどの形で古くから使われてきました。また、風向計は都市部の屋外を冷やすために実験的に使われてきましたが、結果はまちまちでした。^[2]伝統的な方法としては、狭い壁で囲まれた空間、公園、曲がりくねった通りなどがあり、冷気の貯留層として機能します。また、タクタブッシュのような配置もあります（以下の夜間のフラッシングと対流のセクションを参照）。^{[14] : 第6章}

風取器の構造は、その特定の場所の卓越風向によって異なります。風が片側からのみ吹く傾向がある場合は、開口部が1つだけで、内部の仕切りがない場合があります。^{[2]風向がより変動する地域では、放射状の内部壁があり、風塔を垂直のセクションに分割することもあります。これらのセクションは平行な}煙突に似ていますが、側面に開口部があり、複数の方向を向いています。^[2]セクションの数が増えると流量は減少しますが、最適ではない風の角度での効率が向上します。風が開口部に正面から当たると風は中に入りますが、十分に斜めの角度で当たると、代わりにタワーの周りを滑り回る傾向があります。^[2]

風が強い地域の風車は総断面積が小さくなり、^[15]風が非常に強い地域では、入ってくる空気を冷却するために小さなシャフトが多数設置されることがあります。^{[14] : Ch . 5}四角い水平断面を持つ風車は、鋭角な角度により流れが層流になりにくくなり、流れの分離が促進されるため、円形のものよりも効率的です。^[2]適切な形状にすると吸引力が高まります。^{[14] : Ch. 5}

より高い風受け皿はより高い風を捉えます。風が高ければ風はより強く、より冷たく吹きます^[16]（そして風向は異なります^[17]）。また、空気が高いほど埃も少なくなります^{[16] 。}

風が埃っぽかったり汚染されていたり、マラリアやデング熱などの昆虫媒介性疾患がある場合は、空気ろ過が必要になることがあります。^[2]風が遅くなると、風よけの底に埃がたまります（下の図を参照）。また、適切な植栽や昆虫用ネットで、より多くの埃をろ過することができます。^[16]風が非常に強い場合を除き、物理的なフィルターは通常、通過流量を減らします。^[2]風よけを完全にまたは部分的に閉じることもできます。^[15]

短く幅の広い直角三角形の柱状のマルカフは、通常双方向性があり、対称的なペアで設置され、サルサビル（蒸発冷却ユニット）^[2]やシュクシェイカ（屋根のランタン通気口）^[16]と一緒に使用されることが多い。幅の広いマルカフは、蒸発冷却よりも大量の空気の流れが重要な湿気の多い気候でより頻繁に使用される。暑い気候では、幅が狭くなり、空気は入ってくる途中で冷却される。^{[14] : Ch. 5}これらは、アフリカでより一般的に使用されている。^[2] 一方、バウドギールは多面体（通常4面）で、通常は高い塔（高さ34メートルまで）で、冬には閉じることができる。これらはペルシャ湾地域^[2]や砂嵐のある地域でより一般的である。^{[15]背の高いウインドキャッチャーは、}スタック効果も強くなる。^{[14] : Ch. 5}

夜間フラッシングは、屋外の空気が冷たい夜間に換気を増やすことで家を冷やします。風力タワーは夜間フラッシングを補助することができます。^[16]

ウインドキャッチャーは、冷たい物体に空気を吹き付けることによっても空気を冷やすことができます。乾燥気候では、日々の気温の変化が極端になることが多く、砂漠の気温は夜間に氷点下まで下がることがよくあります。土壌の熱慣性により、日々の気温の変化、さらには年間の気温の変化が均一化されます。厚い石造りの壁の熱慣性によっても、建物は夜間は暖かく、日中は涼しく保たれます。ウインドキャッチャーは、夜間または冬季に冷えた物体に空気を吹き付けることによって冷却することができ、その物体は熱貯蔵庫として機能します。

水面上に空気を流して冷却するウインドキャッチャーは、水を蓄熱材として利用しますが、空気が乾燥している場合は蒸発冷却によって空気を冷却します。^[2] 空気中の熱は一部の水を蒸発させるのに使われ、水が再凝縮するまで放出されません。これは乾燥した空気を冷却する非常に効果的な方法です。^[2]

空気を動かすだけでも冷却効果があります。人間は汗をかくと蒸発冷却によって体を冷やします。隙間風は体温で温められ水分を含んだ空気が肌に張り付く境界層を乱すので、人間は同じ温度の停滞した空気よりも動いている空気の方が涼しく感じます。^{[14] : Ch. 5}

ウィンドキャッチャーは2つの方法で機能します。ウィンドキャッチャーに吹き込む風圧を利用して気流を誘導する方法と、温度勾配による浮力（スタック効果）を利用して気流を誘導する方法です。^{[2] [4]}これら2つの力の相対的な重要性は議論されてきました。風圧の重要性は風速の増加とともに増加し、ウィンドキャッチャーが効果的に機能しているほとんどの状況では、一般的に浮力よりも重要です。^[2]

気流速度も重要で、特に蒸発冷却では重要です（蒸発冷却は乾燥した空気にのみ作用し、空気を加湿するため）。風洞換気の建物では、非常に高い流量を実現できます。ある実験では、1時間あたり30回の空気交換が測定されました。^[5]滞留角のない均一で安定した流れが重要です。したがって、乱流は避けるべきであり、層流の方が人間の快適性を維持するのに効果的です^[4]（極端な例として、テスラバルブを参照）。

冷却と換気のために、風よけと組み合わせて他の要素が使用されることもよくあります。たとえば、中庭、ドーム、壁、噴水などが、全体的な換気と熱管理戦略の不可欠な部分として使用されます。

風取器の開いた側が卓越風に面していれば、風を「捕らえて」建物の中心部に吹き下ろすことができます。風塔の風下側からの吸引力も重要な推進力であり、通常は風上側の圧力よりもやや一定で突風も少ないです（ベンチュリー効果とベルヌーイの原理を参照）。^{[14] ：第5章}

建物内に風を通すことで、建物内部にいる人々を涼しくすることができます。空気は家屋を通り抜け、反対側から出ていき、通風を作り出します。空気の流れ自体が冷却効果をもたらします。^[要出典]風よけは何千年もの間、このように使用されてきました。^[14]

風塔は本質的に圧力勾配を作り出し、建物を通して空気を引き込みます。^[18]水平翼を上部に備えた風塔は、この圧力勾配を高めるために建設されました。^{[2]伝統的な}シュクシェイカ屋根の形状も、風が吹くと吸引力を生み出します。^{[14] : Ch. 5}

浮力は通常、日中の ウインドキャッチャーの空気循環^{[2]を促進する主な効果ではありません。}

風のない環境でも、風キャッチャーはスタック効果を利用して機能します。^[16]密度が低い熱い空気は上方に移動し、風塔を通って家の上から逃げる傾向があります。^[2]

風塔自体を加熱すると、内部の空気が加熱され（太陽熱煙突になる）、上昇して家の上部から空気を引き出し、隙間風を作り出すことができます。この効果は、風塔の下部に熱源（人間など、1人あたり約80ワット^[要出典]）を置くことで強化できますが、これにより家が熱くなり、快適性が低下します。^[2]より実用的な技術は、熱貯蔵庫や蒸発冷却を使用して、下向きに流れ込む空気を冷却することです。^[5]

タクタブッシュは古代ローマのタブリヌムに似た空間で、日陰の多い中庭と裏庭（庭側はマシュラビーヤ格子で日陰になっている）の両方に面している。横風を捉える設計となっている。そよ風は少なくとも部分的には対流によって起こされ（片方の庭はもう片方よりも暖かいため）、風圧や蒸発冷却によっても起こされる可能性があるので、^{[14] : Ch. 6  [16] [5]}、庭と中庭は風取り器として使われている。

夜間のフラッシュを引き起こすために浮力が利用されます。

日中の気温サイクルにより、夜間の空気は昼間の空気よりも冷たくなります。乾燥した気候では、さらに冷たくなります。これにより、かなりの浮力が生じます。建物は、夜間に換気が自然に増加するように設計される場合があります。

暑い気候の中庭は夜間に冷たい空気で満たされる。この冷たい空気は中庭から隣接する部屋へと流れ込む。^[16]冷たい夜の空気は、それが押しのけている上昇する暖かい空気よりも密度が高いため、容易に流れ込む。^{[14] : Ch. 6  [16]}しかし日中は、中庭の壁と日よけが日陰を作り、一方、外の空気は太陽によって暖められる。^[16]冷たい石積みも近くの空気を冷やす。^[19]中庭の空気は安定して成層化し、熱い空気は冷たい空気の上に浮かび、ほとんど混ざらない。^{[14] : Ch. 6}開口部が上部にあるため、冷たい空気は下に閉じ込められるが、夜間の最低気温を下回ることはない。このメカニズムは風力発電塔でも機能する。^[15]

ウインドキャッチャーは、冷たい熱の塊と接触させることで空気を冷やすこともできます。これらは地下にあることが多いです。

深さ約6メートルより下では、土壌と地下水は常に年間平均気温（MATT）とほぼ同じです^{[20] [21] [22]} （この深さは多くの地中熱ヒートポンプに使用され、一般の人からは「地熱ヒートポンプ」と大まかに呼ばれることが多い^[23]）。土壌の熱慣性により、日々の気温変動、さらには年間の気温変動が均一化されます。乾燥気候では、日々の気温変動が極端になることが多く、夜間には砂漠の気温が氷点下まで下がることもよくあります。厚い石積み壁の熱慣性によっても、建物は夜間は暖かく、日中は涼しく保たれます。高温乾燥気候では、熱容量が大きい厚い壁（日干しレンガ、石、レンガ）が一般的です（ただし、最近では、熱伝導率の高い薄い壁が使用されることもあります）。 ^[16]ウインドキャッチャーは、夜間または冬季に冷やされた材料の上に空気を引き込むことで冷却でき、材料が熱貯蔵庫として機能します。

ウインドキャッチャーは、下層にある屋内空間（シャベスタンなど）の換気にも使われることが多く、日中はウインドキャッチャーがなくても極寒の温度が保たれます。氷室は伝統的に、砂漠地帯では一晩中凍らせた水を貯蔵し、温帯地域では冬の間凍らせておくために使用されます。地下または半地下の部屋に空気を循環させるためにウインドキャッチャーが使用されることもあり、これにより氷が蒸発冷却され、氷はゆっくりと溶けてかなり乾燥した状態を保ちます（リード画像を参照）。夜間には、ウインドキャッチャーが氷点下の夜の空気を地下に運び、氷を凍らせるのを助けることもあります。

乾燥した気候では、空気取り入れ口に水を置くことで蒸発冷却効果を利用し、通風によって水の上を空気が流れ、家の中に入るようにする。このため、暑く乾燥した気候の建築における噴水は、寒冷な気候の建築における暖炉のようなものだと言われることがある。^[16]

ウインドキャッチャーは、カナートまたは地下水路（前述の地中蓄熱施設も利用）と組み合わせて蒸発冷却に使用されます。この方法では、塔の開いた側は卓越風の方向とは反対を向きます（塔の向きは上部の方向指示ポートで調整できます）。風下側のみが開いたままになっている場合、コアンダ効果により空気が上方に引き込まれます。これにより、建物の反対側にある吸気口に空気が引き込まれます。カナートトンネルに運ばれた熱い空気は、水の流れと周囲の地面に接触することで冷却されます。地表から数メートル下にあるため、地面の下の土壌は冷たいままです。上にある土壌の断熱性と熱容量により、昼夜を問わず同じ安定した温度が維持され、乾燥気候の夜は非常に寒く、氷点下になることも多いため、その安定した温度は非常に涼しいです。熱く乾燥した表面の空気がカナートを通過する際にカナート内の水の一部が蒸発すると、空気は蒸発冷却される。空気中の熱エネルギーは蒸発エネルギーとして吸収される。したがって、乾燥した空気は建物に入る前に加湿される。冷却された空気は家を通って上昇し、最終的に風車から排出されるが、これもコアンダ効果によるものである。全体として、冷たい空気が建物を流れ、建物全体の温度を下げる。^[要出典]

サラサビルは、薄い水面が流れる噴水の一種で、表面積を最大化して蒸発冷却を最大化するように形作られています。^{[16] [14] : Ch. 7}風よけはサラサビルと一緒によく使用され、水面上の不飽和空気の流れを最大化し、建物内の必要な場所に冷却された空気を運ぶために使用されることがあります。^[4]

湿らせたマットをウィンドキャッチャーの内側に吊るして入ってくる空気を冷やすこともできます。^[16]これにより、特に風が弱いときに流れを減らすことができます。ただし、無風状態では冷たい空気の下降気流を発生させることもできます。^[2]ウィンドタワー内の蒸発冷却により、タワー内の空気が下降し、循環が促進されます。これはパッシブダウンドラフト蒸発冷却(PDEC) と呼ばれます。スプレーノズル (水が硬水の場合は詰まる傾向があります) や冷水冷却コイル (水暖房の逆バージョン)を使用して生成することもできます。^[5]

ウィンドキャッチャーは「建物のエネルギー消費と二酸化炭素排出量を削減」できるため気候変動の緩和に使用できます。 ^[24]また、温暖な気候での冷却を促進するため気候変動への適応にも使用できます。 ^[25]ウィンドキャッチャーは、屋外の温度と比較して、家の中の温度を8〜12℃（14〜22℉）下げることができます。^[26]

窓のウィンドキャッチャーは建物の総エネルギー使用量を23.3％削減することができます。^[27]

エジプトでは、風よけはマルカフ（複数形はマラアケフ）として知られている。^{[28] [29] [30]}一般的には直角三角形の柱で、垂直面は開いており、上または下の風向きに直接向いている（建物ごとに1つずつ）。風向から10度以内の方向に配置すると最も効果的で、角度が大きいほど風が逃げやすくなる。^{[3]風よけは伝統的な}古代エジプト建築で使用されていたが、^{[31] 20世紀半ばになってから使われなくなった。エアコンがエジプトの}ピーク時の電力需要の60%を占めているため（したがって、発電能力の60%が必要）、現在ではその使用が見直されている。^[3]

エジプトのウィンドキャッチャーは、他の受動的な冷却要素と組み合わせて使用​​されることが多い。^[16]

• モデル
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  古代エジプトの住居と風よけ。エジプトのネブ・アンメンのファラオの宮殿にある絵画より。紀元前1300年頃の第19王朝時代のもの（大英博物館）^{[32] [3]}
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  カイロ近郊のアブー・ラウシュで発見された、エジプト初期王朝時代の風よけを描いた古代エジプトの家のミニチュア。現在はルーブル美術館に所蔵されている。
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  風よけのある古代エジプトの家の模型、レーマー・アンド・ペリツェウス美術館、ヒルデスハイム

• 都市景観
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  カイロ城塞の狭い通気孔の中庭を覆う風よけとシュクシェイカ屋根
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  スーダン、ハルツームの風よけ

風よけはイスラム文化の広がりの影響を受けて、多くの中東諸国でよく見られる特徴です。

イランでは、風を捕らえる装置はバドギル（ペルシア語：بادگیر）と呼ばれている。この装置はアケメネス朝建築で使用された。[ 15 ^]中央イラン高原の暑く乾燥した地域や、暑く湿気の多い沿岸地域で使用されている。^[15]

イラン中部は乾燥した気候で、日中の気温変化が大きい。建物のほとんどは断熱性の高い厚いセラミックで造られている。砂漠のオアシスを中心とした町は密集しており、壁や天井が高く、地上の日陰が最大限に確保されている。直射日光の熱は、太陽に面していない小さな窓によって最小限に抑えられている。^[15]

風取器の有効性から、イランでは冷蔵装置として日常的に使用されていました。夏季に氷点下近くの温度で水を貯蔵できる伝統的な貯水池（アブ・アンバール^{）の多くは、風取器を使用して建設されています。 [15]}蒸発冷却効果は、イラン高原などの最も乾燥した気候で最も強く、ヤズド、ケルマーン、カシャーン、シルジャーン、ナイン、バムなどの乾燥した地域では風取器が広く使用されています。

風よけには、1 面、4 面、または 8 面の開口部があるのが一般的です。ヤズド市では、すべての風よけは 4 面または 8 面です。風よけの構造は、その特定の場所の気流の方向によって異なります。風が片側からのみ吹く傾向がある場合は、風下側の開口部が 1 つだけになるように構築されます。これは、ヤズドから 50 キロ離れたメイボドで最も一般的に見られるスタイルです。風よけは短く、開口部が 1 つあります。

イランの風よけはステータスシンボルとして使われるため、非常に精巧に作られている。^[15]

ペルシャの伝統的な建築では、小さな風よけはシシュカンと呼ばれています。イランのカズヴィーンやその他の北部の都市では、今でもシシュカンがアブアンバールの上に設置されています。イランの中央砂漠で見られる温度調節器というよりは、換気装置としての機能のようです。

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  イラン、ヤズドのダウラタバード庭園の風よけ：現存する最も高い風よけの一つ
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  イラン中部のカシャーンにあるボルジェルディ ハウス。1857 年に建てられたこの家は、古代ペルシャの砂漠建築の優れた例です。2 つの背の高い風よけが家のアンダルニ(中庭) を涼しくしています。
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  イラン、ケルマーンのガンジャリ・カーン複合施設のウィンドキャッチャー
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  ゴレスターン宮殿（イラン、テヘラン）
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  下から見た風車塔の内部。一部閉鎖されていることがわかる。

オーストラリアのメルボルンにあるカウンシルハウス2には、3階建ての高さの「シャワータワー」があり、各タワーの上部からシャワーヘッドが滴り落ち、布が湿った状態に保たれている。蒸発冷却によって空気が冷やされ、建物内に降りてくる。^[19]

サンテティエンヌ・メトロポールのゼニスは、オーヴェルニュ＝ローヌ＝アルプ（南フランスの内陸部）に建てられた多目的ホールです。このホールには、非常に大きなアルミ製の風よけが組み込まれており、 ^[33]同等の石造りの風よけよりもはるかに軽量です。この風よけのサイズは、どの風向でも機能することを可能にし、^{[33]風の流れに垂直な}断面積を大きく保ちます。

ケントのブルーウォーター・ショッピングセンターでは、ウィンドキャッチャータワーが使用されています。^[19]レスターにあるデ・モンフォート大学のクイーンズビルディングでは、換気のためにスタック効果タワーが使用されています。^[34]

ユタ州ザイオン国立公園のビジターセンターではウィンドキャッチャーが使用されており、^[35]機械装置を追加することなく温度調節のために機能しています。^[33]

• リッジベント – 傾斜した屋根の頂上に設置されたベント
• パッシブ冷却 – 建物設計アプローチ
• カナート – 地下水路を利用した水管理システム
• サルサビル（噴水）  – 建物や水を蒸発冷却するための薄いシート状の噴水
• 太陽熱上昇気流タワー - 熱対流発電所
• ヴァナキュラー建築 – 地域のニーズ、素材、伝統に基づいた建築
• ヤフチャル – 古代ペルシャの氷室リダイレクト先の簡単な説明を表示するページ

• Bahadori, Mehdi N. (1978). 「イラン建築におけるパッシブ冷却システム」. Scientific American . 238 (2). Springer Science and Business Media LLC: 144–154. Bibcode :1978SciAm.238b.144B. doi :10.1038/scientificamerican0278-144. ISSN  0036-8733. S2CID  119819386.
• Bahadori, Mehdi N. (1994)。「中東の暑く乾燥した地域で夏の快適さを実現する風力タワーの実現可能性」。再生可能エネルギー。5 (5–8)。Elsevier BV: 879–892。doi :10.1016/0960-1481(94)90108-2。ISSN 0960-1481  。
• Kassir, Radwan M (2015 年 9 月 4 日)。「パッシブ ダウンドラフト蒸発冷却風塔: 現場で確認された結果によるシミュレーションを使用したケース スタディ」。Building Services Engineering Research and Technology。37  ( 1 )。SAGE 出版物: 103–120。doi : 10.1177 /0143624415603281。ISSN 0143-6244。S2CID 111048250  。
• Montazeri, H.; Azizian, R. (2008). 「片面ウィンドキャッチャーの自然換気性能に関する実験的研究」. Building and Environment . 43 (12). Elsevier BV: 2193–2202. Bibcode :2008BuEnv..43.2193M. doi :10.1016/j.buildenv.2008.01.005. ISSN  0360-1323.
• Sangdeh, Parham Kheirkhah; Nasrollahi, Nazanin (2022). 「ウィンドキャッチャーと現代建築におけるその応用」.エネルギーと建築環境. 3 (1). Elsevier BV: 56–72. Bibcode :2022EnBEn...3...56S. doi : 10.1016/j.enbenv.2020.10.005 . ISSN  2666-1233.

ウィキメディア・コモンズには、 Windcatchersに関連するメディアがあります。

• GR デガン・カマラギ (2016 年 1 月)。 「バギルス、ペルシャ湾」。
• ファティ、ハッサン。「空気の動きにおける風の要素」。自然エネルギーと郷土建築。 （全文無料）
• Roaf, S. (1988) 「バードギール」イラン百科事典第3巻 368～370頁。