風の捕り手

イラン中央砂漠都市ヤズドの風取器（塔の頂上付近の開口部）を備えたアブ・アンバール（貯水池）
イランのアバルクーにあるアガザデ邸宅には、2 層の開口部を備えた精巧な高さ 18 メートルの風塔と、さらに小さな風塔がいくつかあります。

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、ローマ字：  Badgir）は、建物の通風と受動冷却を作成する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、地元の卓越風が一方向、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、毎日の気温サイクル、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世紀後半の近代建築家には無視されていたが、21世紀初頭には換気量を増やし、空調の電力需要を削減するために再び利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システムを備え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く、メンテナンスコストも低くなる。電動エアコンや扇風機とは異なり、ウィンドキャッチャーは静音性が高く[ 4 ] 、電力網の停電時でも機能し続ける（電力網の電力供給が不安定または高価な地域では特に懸念される）。[ 5 ] [ 11 ]

風車は地域の天候や微気候条件に左右されるため、すべての技術がどこでも使えるわけではありません。設計においては地域的な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、様々なデザインの風車が広く使用されています。[ 12 ] [ 2 ]風車はシンプルで広く普及した概念ですが、数千年にわたって使用されてきたという証拠があり、先史時代には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、風車が「発明された場所」については激しい論争があり、エジプト、イラン、アラブ首長国連邦がいずれもその場所を主張しています。[ 12 ] [ 13 ]

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

風を捕らえる技術は西洋建築において定着しており、「ウィンドキャッチャー」という名称の製品もいくつか存在します。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用いて、セミパッシブな換気システムやセミパッシブな冷却システムを実現しているものもあります。[ 2 ]

風向計は古くから船舶に用いられており、例えばドラーデ箱の形で用いられてきた。また、風取器は都市部の屋外を冷やすために実験的に用いられてきたが、その効果は様々であった。[ 2 ]伝統的な方法としては、冷気を貯める役割を果たす狭い壁で囲まれた空間、公園、曲がりくねった通り、そしてタクタブッシュのような配置が挙げられる（後述の夜間フラッシュと対流に関する項を参照）。[ 14 ]

位置

風の塔、外観、ドバイ博物館
内部も同様です。この風塔には4つの開口部があり、内部の対角線には茶色の布でできた垂直の壁が設けられており、さまざまな方向からの風を捉えることができます。
カタール、ドーハのスーク・ワキフにある8つのセクションからなる石造りの風塔
1878年、エジプトのマルカフ。木とマットでできた短い直角三角柱で、垂直面は開いており、風上または風下に直接向いている（多くの場合、建物ごとにそれぞれ1つずつ）。このデザインは、一定の方向から強い低層風が吹く地域で効果的である。

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が入りますが、十分に斜めの角度で当たると、風はタワーの周りをすり抜ける傾向があります。[ 2 ]

風の強い地域では、風車の総断面積は小さくなります。[ 15 ]また、風が非常に暑い地域では、入ってく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ことがあります。[ 14 ]四角い水平断面を持つ風車は、鋭角な角度によって層流が少なくなり、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 ]適切な形状にすることで吸引力が増加します。[ 14 ]

より高い風受けは、より高い風を捉えます。風が強いほど、風は強く冷たく吹きます[ 16 ] （そして風向も異なります[ 17 ]）。また、高い空気は通常、埃が少ないです[ 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 ]風速が遅くなると、風受け器の底に埃がたまります（下の図を参照）。適切な植栽や虫よけ網で、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 ]風受け器を完全にまたは部分的に閉じることもできます。[ 15 ]

短く幅広い直角柱のマルカフは、通常双方向性があり、左右対称のペアで設置され、サルサビル（蒸発冷却ユニット）[ 2 ]やシュクシェイカ（屋根のランタン換気口）と一緒に使用されることが多い。[ 16 ]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、空気は入ってくる途中で冷却される。[ 14 ]そ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。ペルシャ湾地域[ 2 ]や砂嵐の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には、より強いスタック効果もある。[ 14 ]

冷却方法

夜間フラッシングは、外気が涼しい夜間に換気を増やすことで家を冷やすもので、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 ]

風車は、冷たい物体に空気を吹き付けることで空気を冷やすこともできます。乾燥気候では、日々の気温の変化が激しいことが多く、砂漠では夜間に氷点下まで下がることも珍しくありません。土壌の熱慣性により、日々の気温変化、さらには年間の気温変化も均一化されます。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。このように、風車は夜間や冬季に冷やされた物体に空気を吹き付けることで、蓄熱体として機能し、冷却効果を発揮します。

水面上に空気を流して冷却する風車は、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 ] 空気中の熱は一部の水を蒸発させるのに使われ、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温を下げます。隙間風は、体温で温められ、水分を含んだ空気が皮膚に張り付く境界層を乱すため、同じ温度でも、空気が動いている方が停滞しているよりも涼しく感じます。[ 14 ]

気流の力

伝統的な短い風よけ（マルカフ）が2つ。風は風上側から吹き下ろされ、風下側には葉が落ちます。中央にはシュクシェイカ（屋根のランタン型通気口）があり、下のカーアに日陰を作り、そこから熱気を排出します。[ 16 ]

ウィンドキャッチャーは2つの方法で機能します。1つは、吹き込む風圧を利用して気流を誘導する方法、もう1つは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については議論があります。風圧の重要性は風速の増加に伴って高まり、ウィンドキャッチャーが効果的に機能するほとんどの状況では、一般的に浮力よりも重要です。[ 2 ]

気流速度も重要であり、特に蒸発冷却においては重要です（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）。風洞換気システムでは、非常に高い気流速度が実現可能であり、ある実験では1時間あたり30回の換気回数が測定されました。[ 5 ]滞留部のない均一で安定した気流が重要です。したがって、乱流は避けるべきであり、層流は人間の快適性を維持する上でより効果的です[ 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、噴水などは、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。

風圧

風車が開いている側を卓越風に向けると、風を捉えて建物の中心部へと導くことができます。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 ]

建物内に風を導くことで、建物内にいる人々の涼しさが確保されます。空気は建物内を流れ、反対側から排出されるため、通風が生まれます。空気の流れ自体が冷却効果をもたらします。風よけは数千年もの間、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てきました。[ 2 ]伝統的なシュクシェイカ屋根の形状も、風が吹く際に吸引力を生み出します。[ 14 ]

対流

室内の空気の安定した成層によって生じる垂直方向の温度勾配。人から上昇する熱気に注目してください。

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、風力発電装置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、風力発電装置を通って家の上から逃げる傾向があります。[ 2 ]

風力塔自体を加熱することで、内部の空気が暖められ（太陽熱煙突および太陽熱上昇気流塔となる）、上昇気流が家の上部から空気を吸い出し、隙間風を作り出します。この効果は、風力塔の下部に熱源（例えば、人間など、1人あたり約80ワット）を置くことでさらに高まりますが、家全体が熱くなり、快適性が低下します。[ 2 ]より実用的な方法は、蓄熱装置や蒸発冷却装置を用いて、空気が下降して内部に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、日陰の多い中庭と後庭（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。この空間は横風を捉えるように設計されている。そよ風は少なくとも部分的には対流によって（片方の庭はもう片方よりも一般的に暖かいため）吹き、風圧や蒸発冷却によっても吹き込まれることがあるため[ 14 ] [ 16 ] [ 5 ]、庭と中庭は風を捉える場所として利用されている。

夜間フラッシュを引き起こすために浮力が利用されます。

夜間フラッシュ（冷たい空気）

日周温度サイクルにより、夜間の空気は日中の空気よりも冷たくなります。乾燥気候では、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、夜間に換気を自発的に増加させるように設計されることがあります。

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、それが押しのけようとし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 ] [ 16 ]しかし日中は、中庭の壁と日よけが中庭を覆い、一方、外の空気は太陽によって暖められる。[ 16 ]冷たい石積みも付近の空気を冷やす。[ 19 ]中庭の空気は安定して成層し、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 ]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 ]

地下冷却

イラン建築におけるシャベスタンは、涼しい土で覆われた空間で、風よけで換気されることもある。噴水池は蒸発冷却効果も高めている。

風よけは、冷たい熱塊と接触させることで空気を冷やすこともできます。熱塊は地下によく見られます。

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 ] （多くの地中熱ヒートポンプは この深さで利用されており、一般の人々はこれを「地熱ヒートポンプ」と呼んでいます[ 23 ]）。土壌の熱慣性により、日々の気温変動だけでなく、年間の気温変動も均一化されます。乾燥気候では、日々の気温変動が極端に激しくなることが多く、砂漠では夜間の気温が氷点下まで下がることも珍しくありません。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、熱容量の大きい厚い壁（アドベ、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 ]このように、ウィンドキャッチャーは夜間または冬季に冷却された材料（蓄熱材）に空気を引き込むことで冷却効果を発揮します。

ウィンドキャッチャーは、低層階の屋内空間（例えばシャベスタン）の換気にも用いられることが多く、日中はウィ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、砂漠地帯では夜間に凍らせた水を、温帯地域では冬季に凍らせた水を貯蔵するために用いられます。ウィンドキャッチャーを用いて地下または半地下の氷室に空気を循環させ、蒸発冷却することで氷がゆっくりと溶け、比較的乾燥した状態を保つこともあります（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送り込み、氷の凍結を助けることもあります。

蒸発冷却

冷却用の風よけとカナート

乾燥した気候では、吸気口に水を置くことで蒸発冷却効果を利用し、通風によって水面を伝わる空気が家の中に取り込まれるようにすることができます。そのため、高温乾燥気候の建築における噴水は、寒冷気候の建築における暖炉に似ていると言われることがあります。[ 16 ]

ウインドキャッチャーは、カナートまたは地下水路（前述の地熱貯留層も利用）と組み合わせて蒸発冷却に使用されます。この方法では、塔の開いている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調整ポートで調整できます）。風下側のみが開いている場合、コアンダ効果を使用して空気が上方に引き込まれます。これにより、建物の反対側の取り入れ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、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。高温で乾燥した地表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ます。こうして乾燥した空気は、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屋内を上昇し、最終的に風取器から排出されます。全体として、冷たい空気が建物内を流れ、建物全体の温度を下げます。

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効果を高めるように形作られています。[ 16 ] [ 14 ]サラサビルにはウィンドキャッチャーがよく使われ、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のに使われます。[ 4 ]

湿らせたマットを風受け器の内側に吊るして、入ってくる空気を冷やすこともできます。[ 16 ]これは、特に風が弱いときに風の流れを弱める可能性があります。しかし、無風状態では冷気の下降気流を発生させることもできます。[ 2 ]風塔内の蒸発冷却により、塔内の空気が下降し、循環が促進されます。これは受動下降気流蒸発冷却（PDEC）と呼ばれます。また、スプレーノズル（硬水の場合は詰まりやすい）や冷水冷却コイル（水暖房式床暖房の逆バージョン）を使用してPDECを発生させることもできます。[ 5 ]

風捕りと気候変動

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」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°F）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 ]

地域別使用

アフリカ

エジプト

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度以内の方向に設置すると最も効果的で、角度が大きくなると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世紀半ばになってようやく使われなくなった。現在、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）、その使用は見直されている。 [ 3 ]

エジプトの風よけは、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 ]

中東とアジア

ドーハのカタール大学には珍しい風よけがある。[ 2 ]
1800年代のシンド州ハイデラバードにあるシンプルな風よけ。斜めに傾斜した片流れ屋根を持つ2壁の四角い塔。

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

イラン

イランでは、風を捕らえる装置はバードギル（bâdgir ）と呼ばれ、これは「風」を意味する「bâd 」と「捕らえる者」を意味する「 gir」（ペルシア語：بادگیر ）を組み合わせたものです。この装置はアケメネス朝建築に用いられました。[ 15 ]中央イラン高原の暑く乾燥した地域や、高温多湿の沿岸地域で使用されています。[ 15 ]

イラン中部は乾燥した気候で、昼夜の気温差が大きい。ほとんどの建物は断熱性の高い厚いセラミックで建てられている。砂漠のオアシスを中心とした町は、壁や天井が高く、密集している傾向があり、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。夏の間、氷点下に近い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、風取器を備えて建設されています。 [ 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、ケルマーン、カシャーン、シルジャン、ナイン、バムといった乾燥地域では、風取器が広く使用されています。

風受け器は、一般的に1つ、4つ、または8つの開口部を備えています。ヤズド市では、すべての風受け器は4面または8面です。風受け器の構造は、そ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、風下側の開口部を1つだけ設けます。ヤズドから50キロ離れたメイボドでは、このスタイルが最もよく見られます。風受け器は短く、開口部は1つです。

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ます。[ 15 ]

ペルシャの伝統建築では、小さな風よけはシシュ・ハンと呼ばれます。イランのガズヴィーンをはじめとする北部の都市では、今でもアビー・アンバール（屋根）の上にシシュ・ハンが見られます。イラン中央部の砂漠地帯で見られる温度調節器というよりは、換気装置としての役割の方が強いようです。

オーストラリア

Council House 2。左側のコンクリートの渓谷に風力発電タワーが建っている。

オーストラリア、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」があります。これは布でできており、各タワーの頂上からシャワーヘッドが滴り落ち、水が湿った状態を保ちます。蒸発冷却によって空気が冷やされ、建物内に降り注ぎます。[ 19 ]

ヨーロッパ

ゼニス ドゥ サンテティエンヌ メトロポールには、非常に幅広のアルミニウム製ウィンドキャッチャー スクープが付いています。

フランス

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＝アルプ地域（南フランス内陸部）に建設さ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ニウム製の風よけが設置されており[ 32 ]、同等の石造風よけよりもはるかに軽量です。この風よけのサイズは、あらゆる風向に対応できるようになっており[ 32 ]、風の流れに垂直な断面積も大きく保たれています。

イギリス

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 ]レスターの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。[ 33 ]

アメリカ大陸

バルバドスのケンジントン・オーバル・クリケット競技場でも、非常に幅の広いアルミ製の風向計が使用されている。[ 32 ]

ユタ州ザイオン国立公園のビジターセンターでは、風よけが使用されており[ 34 ] 、温度調節のために機械装置を追加することなく機能しています。[ 32 ]

参照

参考文献

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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。
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