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ウィンドキャッチャー、ウィンドタワー、またはウィンドスクープ（ペルシア語: بادگیر 、ローマ字表記: Badgir）は、建物の換気とパッシブクーリングを行うために使用される伝統的な建築要素です。 [ 1 ]ウィンドキャッチャーは、地域の卓越風が一方向、双方向、または多方向であるかどうか、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のある塵の量に応じて、さまざまなデザインがあります。 [ 2 ]その名前にもかかわらず、ウィンドキャッチャーは風がなくても機能することができます。
20世紀後半には現代の建築家に見過ごされていたウィンドキャッチャーは、21世紀初頭には換気を増やし、空調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で換気された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低い。メンテナンスコストも低い。動力式空調やファンとは異なり、ウィンドキャッチャーは静かで[ 4 ] 、電力網の電力が途絶えた場合でも機能し続ける（電力網の電力が不安定または高価な場所では特に重要）。[ 5 ] [ 11 ]
ウィンドキャッチャーは地域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ありません。設計には地域の要因を考慮する必要があります。[ 5 ]さまざまなデザインのウィンドキャッチャーは、北アフリカ、西アジア、南アジアで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あるウィンドキャッチャーは、何千年もの間使用されてきた証拠があり、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、ウィンドキャッチャーの「発明地」は激しく議論されており、エジプト、イラン、アラブ首長国連邦がそれぞれ主張しています。[ 12 ] [ 13 ]
ウィンドキャッチャーは、高さ、断面積、内部の仕切りやフィルターなど、形状が大きく異なります。[ 2 ]
風力発電は西洋建築において一定の地位を確立しており、ウィンドキャッチャーという名称を使用した市販製品もいくつか存在する。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のファンを使用して、半受動換気および半受動冷却システムを実現しているものもある。[ 2 ]
ウィンドスクープは、例えばドーラードボックスのような形で、古くから船で使用されてきました。ウィンドキャッチャーは、都市の屋外エリアを冷却するために実験的に使用されてきましたが、結果はまちまちでした。[ 2 ]伝統的な方法には、冷気の貯蔵庫として機能する狭い壁に囲まれた空間、公園、曲がりくねった通り、タフタブシュのような配置が含まれます（下記の夜間の洗浄と対流のセクションを参照）。[ 14 ]
ウィンドキャッチャーの構造は、その特定の場所の卓越風向に依存します。風が片側からしか吹かない場合は、開口部が1つだけで、内部に仕切りがない場合があります。[ 2 ]風向がより変化しやすい地域では、放射状の内部壁があり、ウィンドタワーを垂直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のようなものです。ただし、側面に開口部があり、複数の方向を向いています。[ 2 ]セクションが増えると流量は減少しますが、最適でない風向での効率は向上します。風が開口部に真正面から当たると、風は内部に入りますが、十分に斜めの角度で当たると、タワーの周りを回り込む傾向があります。[ 2 ]
風の強い地域では、風の集風機の総断面積は小さくなります。[ 15 ]また、非常に高温の風が吹く地域では、流入する空気を冷却するために、より小さなシャフトが多数設置される場合があります。[ 14 ]水平断面が正方形の風力塔は、円形のものよりも効率的です。鋭角によって流れが層流ではなくなり、流れの剥離が促進されるためです。[ 2 ]適切な形状にすることで吸引力が増加します。[ 14 ]
背の高い風力集積器はより強い風を捉えます。強い風はより強く、より冷たく吹きます[ 16 ]（そして異なる方向に吹きます[ 17 ]）。また、高い空気は通常、ほこりが少ないです[ 16 ]。
風が埃っぽい、または汚染されている場合、あるいは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、空気のろ過が必要になる場合があります。[ 2 ]空気が減速すると、一部の埃はウィンドキャッチャーの下部に排出され（下の図を参照）、適切な植物や昆虫用メッシュによってさらにろ過することができます。[ 16 ]物理的なフィルターは、流れが非常に突風でない限り、一般的に通過流量を減少させます。[ 2 ]また、ウィンドキャッチャーを完全にまたは部分的に閉じることも可能です。[ 15 ]
短く幅広の直角三角形のマルカフは通常双方向で、対称的なペアで設置され、サルサビル（蒸発冷却装置）[ 2 ]およびシュクシェイカ（屋根のランタン型換気口）[ 16 ]と一緒によく使用されます。幅広のマルカフは、蒸発冷却よりも大量の空気の流れが重要な湿潤な気候でよく使用されます。暑い気候では、マルカフはより狭く、空気は流入時に冷却されます。[ 14 ]これらはアフリカでより一般的に使用されています。[ 2 ] 一方、バウドギルは多面体（通常は4面体）で、通常は高さ34メートルまでの高塔で、冬には閉じることができます。これらはペルシャ湾地域[ 2 ]および砂嵐のある地域でより一般的です。[ 15 ]高いウィンドキャッチャーは煙突効果もより強くなります。[ 14 ]
夜間洗浄は、外気温度が低い夜間に換気を増やすことで家を冷やします。ウィンドタワーは夜間洗浄を補助することができます。[ 16 ]
ウィンドキャッチャーは、冷たい物体に空気を流すことで冷却することもできます。乾燥地帯では、日中の気温差が極端に大きく、砂漠では夜間に氷点下まで気温が下がることもよくあります。土壌の熱慣性によって、日中や年間を通しての気温差が緩和されます。厚い石積み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。このように、ウィンドキャッチャーは、夜間や冬に冷えた材料に空気を流すことで冷却効果を発揮します。これらの材料は蓄熱体として機能します。
水面に空気を送り込んで冷却するウィンドキャッチャーは、水を蓄熱体として利用しますが、空気が乾燥している場合は、蒸発冷却によっても空気を冷却します。[ 2 ] 空気中の熱は水の一部を蒸発させるために使われ、水が再び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のに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。人間は発汗時に蒸発冷却を利用して体を冷やします。風が吹くと、体温で温められ水分を含んだ空気が皮膚に張り付いている境界層が乱されるため、同じ温度の静止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 ]
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の圧力を使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) を使用して気流を誘導する方法です。[ 2 ] [ 4 ]これらの 2 つの力の相対的な重要性については議論があります。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するほとんどの条件下では一般的に浮力よりも重要です。[ 2 ]
気流速度も重要であり、特に蒸発冷却では重要です（蒸発冷却は乾燥した空気にしか作用せず、空気を加湿するため）。風塔で換気された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 ]停滞する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さ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、風集光器と組み合わせて使用される要素は他にも多くあります。例えば、中庭、ドーム、壁、噴水などは、全体的な換気および熱管理戦略の不可欠な部分として用いられます。
ウィンドキャッチャーの開口部が卓越風に面している場合、風を「捉え」、建物の中心部に引き込むことができます。ウィンドタワーの風下側からの吸引力も重要な駆動力であり、通常は風上側の圧力よりもやや安定していて突風も少ないです（ベンチュリ効果とベルヌーイの原理を参照）。[ 14 ]
建物内に風を通すことで、建物内部の人々を涼しくすることができます。空気は家の中を流れ、反対側から流れ出るため、通り抜ける気流が生じます。空気の流れ自体が冷却効果をもたらすことがあります。ウィンドキャッチャーは何千年もの間、このような方法で使用されてきました。[ 14 ]
風塔は基本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 ]水平翼を備えた風塔は、これらの圧力勾配を強化するために建設されています。[ 2 ]伝統的なシュクシェイカ屋根の形状も、風が上を吹くときに吸引力を生み出します。[ 14 ]
日中、浮力は通常、ウィンドキャッチャーの空気循環を駆動する主な効果ではありません[ 2 ] 。
風のない環境でも、ウィンドキャッチャーは煙突効果を利用して機能することができます。[ 16 ]密度が低い暖かい空気は上昇する傾向があり、ウィンドタワーを通って家の屋根から逃げていきます。[ 2 ]
風塔自体を加熱すると、内部の空気が加熱され（ソーラーチムニーやソーラーアップドラフトタワーとして機能）、空気が上昇して家の上部から空気を吸い出し、ドラフトが発生します。この効果は、風塔の下部に熱源（例えば、人間、1人あたり約80ワット）を置くことで強化できますが、これにより家が暖まり、快適性が低下します。[ 2 ]より実用的な方法は、熱貯蔵器や蒸発冷却を使用して、空気が下降して流入する際に冷却することです。[ 5 ]
タフタブシュは、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の中庭の両方に開いています（庭側はマシュラビヤ格子で日陰になっています）。これは、横風を取り込むように設計されています。そよ風は少なくとも部分的には対流によって発生し（一般的に一方の中庭がもう一方よりも暖かいため）、風圧と蒸発冷却によっても発生する可能性があります[ 14 ] [ 16 ] [ 5 ]。そのため、庭と中庭は風を集める役割を果たします。
浮力は夜間の水流を発生させるために利用される。
日中の気温変化により、夜間の気温は日中の気温よりも低くなります。乾燥地帯では、その差は著しく大きくなります。これにより、かなりの浮力が生じます。そのため、建物は夜間に自然と換気量を増やすように設計されることがあります。
温暖な気候の中庭は、夜になると冷たい空気で満たされます。この冷たい空気は、中庭から隣接する部屋へと流れ込みます。[ 16 ]冷たい夜の空気は、それが押し出す上昇する暖かい空気よりも密度が高いため、容易に流れ込みます。[ 14 ] [ 16 ]しかし、日中は、中庭の壁と日よけがそれを遮り、外の空気は太陽によって暖められます。[ 16 ]冷たい石積みも近くの空気を冷やします。[ 19 ]中庭の空気は安定して成層し、暖かい空気は冷たい空気の上にほとんど混ざることなく浮かびます。[ 14 ]開口部が上部にあるため、下の冷たい空気は閉じ込められますが、夜間の最低気温を下回ることはありません。このメカニズムは風塔でも機能します。[ 15 ]
ウィンドキャッチャーは、冷たい蓄熱体と接触させることで空気を冷却することもできます。こうした蓄熱体は、多くの場合、地下に存在します。
約 6 m の深さより下では、土壌と地下水は常に年間平均温度 (MATT)とほぼ同じです[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] (この深さは、一般の人々が「地熱ヒートポンプ」と漠然と呼ぶことが多い多くの地中熱ヒートポンプで使用されています[ 23 ] )。土壌の熱慣性により、日々の温度変動や年間の温度変動が平準化されます。乾燥気候では、日々の温度変動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。厚い石積みの壁の熱慣性でも、建物は夜間は暖かく、日中は涼しくなります。高温乾燥気候では、熱容量の高い厚い壁(日干しレンガ、石、レンガ) が一般的です (ただし、より現代では、熱伝達に対する抵抗が高い薄い壁が使用されることもあります)。 [ 16 ]したがって、ウィンドキャッチャーは、夜間または冬季に冷えた材料に空気を流すことで冷却できます。これらの材料は蓄熱体として機能します。
ウィンドキャッチャーは、日中でもウィンドキャッチャーがなくても極寒の温度を保つ低層階の屋内空間（例えばシャベスタン）の換気にもよく使われます。氷室は、砂漠地帯では夜間に凍らせた水を貯蔵するために、温帯地域では冬を越すために伝統的に使われてきました。氷室では、ウィンドキャッチャーを使って地下または半地下の部屋に空気を循環させ、蒸発冷却によって氷をゆっくりと溶かし、比較的乾燥した状態を保つことができます（リード画像参照）。夜間には、ウィンドキャッチャーが氷点下の夜間の空気を地下に運び込み、氷の凍結を助けることもあります。
乾燥気候では、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、空気の流れが水面を通過して家の中に流れ込むようにすることができる。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 ]
ウィンドキャッチャーは、カナート（地下水路）と組み合わせて蒸発冷却に使用されます（カナートも、前述の地下熱貯蔵庫を利用します）。この方法では、タワーの開口部は卓越風の方向とは反対方向を向いています（タワーの向きは、上部の方向調整ポートで調整できます）。風下側のみを開放すると、コアンダ効果によって空気が上方に引き込まれます。これにより、建物の反対側の吸気口に空気が吸い込まれます。カナートトンネルに流れ込んだ熱い空気は、水の流れと周囲の土壌に接触することで冷却されます。地表下の土壌は、地表から数メートル下にあるため、冷たいままです。上層の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ます。乾燥地帯の夜間は非常に寒く、しばしば氷点下になるため、その安定した温度は非常に涼しくなります。カナート内の水の一部が、高温で乾燥した地表の空気が通過する際に蒸発することで、空気は蒸発冷却されます。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ため、乾燥した空気は建物に入る前に加湿されます。冷却された空気は、コアンダ効果によって家の中を上昇し、最終的にウィンドキャッチャーから排出されます。全体として、冷たい空気が建物内を流れ、建物全体の温度を低下させます。
サラサビルは、表面積を最大化して蒸発冷却効果を高めるように形作られた、薄い水のシートが流れる噴水の一種です。[ 16 ] [ 14 ]ウィンドキャッチャーは、水面上の不飽和空気の流れを最大化し、冷却された空気を建物内の必要な場所に運ぶために、サラサビルと併用されることがよくあります。[ 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、流入する空気を冷却することもできます。[ 16 ]これにより、特に風が弱い場合、流れを減少させることができます。ただし、無風状態では冷たい空気の下降流が発生することもあります。 [ 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。これは受動下降蒸発冷却（PDEC）と呼ばれます。スプレーノズル（水が硬い場合は詰まりやすい）または冷水冷却コイル（逆の温水床暖房のようなもの）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量と二酸化炭素排出量を削減する」ことができるため、気候変動の緩和に利用できるほか[ 24 ]、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利用できます[ 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 °F）下げることができます[ 26 ] 。
窓に風を集める装置を設置すると、建物の総エネルギー消費量を23.3%削減できる。[ 27 ]
エジプトでは、風の集熱器はマルカフ（malqaf 、複数形はマラアケフ）として知られています。[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]一般的に、垂直面が開いた直角三角形のプリズムの形をしており、風上または風下に直接向いています（建物ごとにそれぞれ1つずつ）。風向から10度以内の角度で配置すると最も効果的です。角度が大きくなると風が逃げてしまいます。 [ 3 ]風の集熱器は古代エジプトの伝統的な建築で使用されていましたが、[ 31 ] 20世紀半ばになってようやく使われなくなりました。エアコンがエジプトのピーク電力需要の60%を占めているため（したがって発電能力の60%が必要） 、現在その使用が再検討されています。[ 3 ]
エジプトのウィンドキャッチャーは、他の受動冷却要素と組み合わせて使用されることが多い。[ 16 ]
風を受け止める構造物は、イスラム文化の普及の影響を受けて、西アジアや南アジアでよく見られる特徴である。
イランでは、風受けはbâdgirと呼ばれ、bâd「風」+ gir「受け」(ペルシア語: بادگیر ) です。この装置はアケメネス朝建築で使用されていました。[ 15 ]これらは、イラン中央高原の暑く乾燥した地域と、暑く湿った沿岸地域で使用されています。[ 15 ]
イラン中央部は乾燥した気候で、日中の気温差が大きい。ほとんどの建物は断熱性の高い厚いセラミックでできている。砂漠のオアシスを中心とした町は、高い壁と天井で非常に密集しており、地上レベルで日陰を最大限に確保している。直射日光の熱は、太陽とは反対方向を向いた小さな窓によって最小限に抑えられている。[ 15 ]
風集熱器の有効性から、イランでは冷却装置として日常的に使用されるようになった。夏の間、氷点下に近い温度で水を貯蔵できる多くの伝統的な貯水槽（アブ・アンバル）には、風集熱器が設置されている。 [ 15 ]蒸発冷却効果は、イラン高原のような最も乾燥した気候で最も強く、ヤズド、ケルマン、カシャーン、シルジャン、ナイン、バムなどの乾燥地帯で風集熱器が広く使用されている。
風力集熱器には、開口部が1つ、4つ、または8つあるのが一般的です。ヤズド市では、すべての風力集熱器が四角形または八角形です。風力集熱器の構造は、その場所の風の流れの方向によって決まります。風が片側からしか吹かない場合は、風下側の開口部が1つだけ設けられます。これは、ヤズドから50キロメートル離れたメイボドで最もよく見られる様式で、風力集熱器は背が低く、開口部が1つだけです。
イランの風の塔は、地位の象徴として使われるため、非常に精巧なものになることがある。[ 15 ]
伝統的なペルシャ建築では、小型の風受けはシシュ・ハーンと呼ばれます。シシュ・ハーンは、カズヴィーンをはじめとするイラン北部の都市にあるアブ・アンバール（屋根付きの建物）の屋根の上に今でも見られます。これらは、イラン中央部の砂漠地帯で見られるような温度調節器というよりは、換気装置として機能しているようです。
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、それぞれの頂上にあるシャワーヘッドから滴る水で濡れた布でできています。蒸発冷却によって空気が冷やされ、それが建物内に流れ込みます。[ 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＝アルプ地方（フランス南部内陸部）に建設された多目的ホールです。非常に大きなアルミニウム製のウィンドキャッチャー[ 33 ]が組み込まれており、同等の石造りのウィンドキャッチャーよりもはるかに軽量です。ウィンドキャッチャーのサイズにより、あらゆる風向で機能し[ 33 ]、風の流れに垂直な断面積は大きくなります。
ケント州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 ]レスターのデ・モントフォート大学のクイーンズ・ビルディングでは、煙突効果タワーを使用して換気を行っています。[ 34 ]
ユタ州のザイオン国立公園のビジターセンターでは、温度調節のために機械装置を追加することなく機能するウィンドキャッチャーが使用されています。[ 35 ] [ 33 ]
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