Effet de l'architecture résiliente dans un ancien moulin à vent de la région du Sistan sur l'amélioration de la ventilation naturelle

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 18240 (2022) Citer cet article

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Au fil des siècles, différents éléments ont été développés dans les architectures pour assurer une ventilation naturelle adéquate dans les unités résidentielles. Cette étude évalue les différents composants d'un ancien moulin à vent à Sistan, en Iran, sur l'amélioration de la qualité de l'air intérieur (QAI) de la structure. Plusieurs scénarios climatiques ont été définis par l'analyse du vent des données météorologiques du Sistan et analysés par CFD. Les mesures du site confirment l'exactitude des résultats de simulation. Dans l'éolienne, deux déflecteurs faisant face au vent dominant sont les éléments significatifs qui, en plus de diriger le vent vers l'entrée, pourraient former des tourbillons près des ouvertures est et ouest menant à la ventilation par aspiration. Une modification de la vitesse et de l'angle du vent de 10 à 15 m/s et de 30° à 17° augmenterait le renouvellement d'air par heure (ACH) de 150 % et 110 %, respectivement. Pendant ce temps, les ACH étaient supérieurs au niveau souhaité par l'ASHRAE (ACH > 0,35).

Aujourd'hui, le bien-être des occupants des bâtiments pèse sur l'énergie en augmentant la consommation d'énergies fossiles. L'architecture Zero Net Energy (ZNE) serait une solution pour réduire la consommation d'énergie. Dans la ZNE, la ventilation naturelle1,2,3,4,5,6 dans les habitations est depuis longtemps courante dans les zones arides7 et venteuses, comme certaines parties de l'Iran. Les résidents de ces zones utilisent le vent dans et autour des bâtiments depuis des siècles pour améliorer la qualité de l'air intérieur sans consommer d'énergie. L'examen de ces travaux montre qu'ils connaissaient sans aucun doute tous les principes de l'aérodynamique et les appliquaient dans leurs conceptions.

Les paramètres de conception des ouvertures et des outils de ventilation supplémentaires jouent un rôle essentiel dans les performances de la ventilation induite par le vent. L'effet du type et de la position des impostes8 (TW) sur l'ACH a été évalué dans les immeubles de grande hauteur1. Une combinaison de l'analyse CFD et du réseau de neurones artificiels a indiqué que l'ACH augmenterait à 108,1 % en moyenne par une conception appropriée des TW (la dimension et la direction des fenêtres en fonction de la vitesse et de la direction du vent).

Les tours à vent, également connues sous le nom de capteurs de vent, Kolak et al.9, sont généralement des structures verticales construites sur le toit des bâtiments avec des ouvertures principalement rectangulaires faisant face au vent dominant pour le refroidissement à l'intérieur10,11. Des mesures de terrain12,13,14,15 ainsi que des études numériques9,16,17,18,19,20,21,22 confirment l'efficacité et la fiabilité de ces structures, les introduisant comme de nouvelles solutions pour ventiler naturellement les bâtiments modernes23,24,25,26.

Les murs en aile ou les déflecteurs27 sont des éléments solides verticaux28 ou horizontaux29 autour et à proximité des fenêtres ou des coupe-vent30, améliorant la ventilation naturelle d'un seul côté31,32 en créant des gradients de pression supplémentaires entre les ouvertures. Il peut induire une ventilation par aspiration naturelle en produisant une région de basse pression sur les fenêtres de sortie33. Cet élément est efficace lorsque le vent passe par un angle oblique, et les performances diminuent si la direction du vent tend vers 90°32. Bien que le mur en aile ait été utilisé dans les bâtiments vernaculaires (fenêtres à battants pivotant vers l'extérieur), les architectures modernes utilisent son application pratique dans la conception moderne; par exemple, les couloirs des bureaux de l'UMNO peuvent être ventilés naturellement par ses murs en aile34,35. L'utilisation de murs en aile sur le bord d'un capteur de vent a révélé que cet élément fournirait une capacité de refroidissement maximale de 9,6 kW à une vitesse de vent de 4 m/s, ce qui pourrait aider à maintenir la température intérieure en dessous de la température adaptative maximale30.

La qualité de l'air intérieur diminuerait si l'air extérieur était chaud36, chaud-humide et pollué37. Ainsi, des méthodes alternatives sont suggérées pour empêcher l'interaction directe entre l'air extérieur et l'air intérieur dans des conditions extérieures extrêmement chaudes/froides. Concernant les conditions extérieures chaudes, la combinaison du refroidissement par évaporation et de la cheminée solaire a été suggérée7,38,39,40,41 pour diminuer la température intérieure d'environ 8 °C lorsque la température extérieure était supérieure à 35 °C. De plus, comme l'applicabilité du refroidissement par évaporation n'est pas recommandée dans les régions chaudes et humides, le capteur de vent en forme de venturi42 a été conçu pour améliorer le taux de ventilation de 8 fois plus que la ventilation croisée43. Cette structure a été conçue sur la base de l'effet Bernoulli44 qui explique comment la dépression se produit lorsque la vitesse augmente d'un côté de la structure en forme de venturi conduisant à l'aspiration-ventilation. De plus, dans des conditions de pollution de l'air, l'extérieur peut affecter négativement la QAI7,45,46 et l'utilisation de filtres aux entrées a été recommandée47. Cependant, peu d'études ont été réalisées sur les effets de couple des filtres avec des capteurs de vent et des cheminées solaires comme moyen efficace d'induire la ventilation7,47.

La pollution environnementale au Sistan (une région à la frontière de l'Iran et de l'Afghanistan), où des tempêtes de poussière48,49,50 se produisent occasionnellement en raison de conditions sèches et de vents de 120 jours51, a fait de cette région la ville la plus polluée en 201652. Dans cette région, les architectures anciennes utilisaient le vent qui, en plus du refroidissement, pouvait contrôler l'entrée de poussière dans les bâtiments15,19,21. Heidari a identifié trois éléments concernant la ventilation transversale dans les bâtiments du Sistan19, à savoir un capteur de vent (appelé "Kolak"), des ouvertures (appelées "Daricheh") et une rainure murale28 (appelée "Surak"). Davtalab53 a identifié un élément traditionnel du Sistani, une ouverture d'entrée appelée Kharkhona, qui peut affecter le confort humain en utilisant simultanément le vent et l'humidité dans les zones arides53. Les résultats ont indiqué que Kharkhona ferait passer l'intérieur de conditions "très chaudes" et "chaudes" à "chaudes" en réduisant la température équivalente physique (PET) et en augmentant l'humidité de 9 ° C et 30%, respectivement.

Cette étude a appliqué des analyses CFD pour évaluer le mécanisme de ventilation entraîné par le vent utilisé dans un ancien moulin à vent dans la région de Hozdar, Sistan, Iran, à une longitude de \(61.27^\circ \) et une latitude de \(30.55^\circ \). L'effet de flottabilité provoque un changement d'air dans le bâtiment en raison de la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur. Cependant, dans cette étude, la ventilation de flottabilité a été considérée comme négligeable puisque, dans les zones arides, le gradient de température entre l'intérieur et l'extérieur n'est pas significatif6,43,54. Les données météorologiques à long terme ont été analysées pour évaluer les vitesses et les directions du vent considérées pour quatre scénarios d'analyses CFD, c'est-à-dire deux angles de vent différents par deux vitesses de vent différentes.

Le moulin à vent se compose de trois parties internes ; le lieu de travail (où les occupants passaient la plupart de leur temps), l'entrée et l'arrière. La structure était orientée vers le vent dominant avec deux déflecteurs verticaux construits aux angles et longueurs spécifiés au vent. Les autres éléments de ventilation comprenaient une ouverture comme entrée, six ouvertures sur deux parois latérales (quatre sur six étaient situées dans deux couloirs construits sur deux parois latérales du lieu de travail et deux ouvertures restantes sur les parois latérales de l'entrée) et deux ouvertures sur le toit.

Cet article visait à évaluer comment les anciens utilisaient des éléments dans leur architecture pour améliorer la qualité de l'air intérieur à un niveau souhaitable grâce à la ventilation naturelle. En effet, la QAI peut être étudiée selon différents critères ; dans cette recherche, l'ACH a été présenté comme un critère bien connu basé sur des normes internationales. La présente étude a examiné comment les déflecteurs peuvent provoquer la formation de tourbillons derrière eux et près des parois latérales, conduisant à une ventilation par aspiration naturelle dans une large gamme d'angles d'incidence.

Le Sistan est une région située à l'est de l'Iran et à l'ouest de l'Afghanistan. Les enquêtes sur l'énergie éolienne en Iran55,56,57,58,59,60,61 et l'atlas éolien mondial62 ont indiqué que le Sistan est une région avec le potentiel éolien le plus élevé du territoire iranien (Fig. 1).

La vitesse de vent la plus élevée survenant dans la région du Sistan62.

Les données de vent sur 56 ans (de février 1963 à février 2020) à la station météorologique de l'aéroport de Zabol (ID de station = 40 829), située à 31° 5′ de longitude N et 61° 32′ de latitude E ont été utilisées pour les analyses statistiques du vent. La distribution de la vitesse et de la direction du vent a été analysée et indiquée dans la rose des vents. Les résultats ont indiqué que les directions dominantes des vents étaient du nord-ouest au sud-est de \(315^\circ \) à \(360^\circ \). L'angle du vecteur résultant était \(343^\circ \) (ou \(17^\circ \) dans le sens antihoraire à partir de la direction du Nord, Ω1), et la direction du vent dominant était \(330^\circ \) (ou \(30^\circ \) dans le sens antihoraire à partir de la direction du Nord, Ω2) (Fig. 2).

La rose des vents du Sistan, ainsi que deux directions de vent dominantes.

De plus, les analyses révèlent que bien que la vitesse moyenne du vent ait augmenté à près de 10 m/s (ou 36 \(\mathrm{km}/\mathrm{h}\)) en juillet, la moyenne annuelle des vitesses maximales du vent est d'environ 15 m/s (ou 54 \(\mathrm{km}/\mathrm{h}\)) (Fig. 3).

Moyenne et moyenne de la vitesse maximale du vent (1963–2020).

Les angles significatifs du moulin à vent sont illustrés à la Fig. 4. Deux déflecteurs ont été construits sur le mur frontière de la structure pour faire face au vent dominant. Les déflecteurs avaient deux fonctions principales :

La fonction la plus importante était d'accumuler et de diriger le vent vers l'hélice63,64,65,66,67,68,69 et l'entrée du vent.

La deuxième fonction était de réduire le flux turbulent (en formant des tourbillons) sur les murs est et ouest pour améliorer la ventilation intérieure.

Dimension des éléments dans le moulin à vent.

Le déflecteur ouest a été construit par l'angle de \({\alpha }_{1}=145^\circ \) et la longueur de \({L}_{1}=4.5 \mathrm{m}\), où l'angle du déflecteur est était \({\alpha }_{2}=119^\circ \) avec la longueur de \({L}_{2}=4 \mathrm{m}\).

Selon les déflecteurs et l'angle de la structure (\(17^\circ \) dans la direction NE-SW), les dimensions du bloc de construction de cette éolienne étaient de 9,5 m (W)\(\times \) 22 m(longueur) \(\times \) 9 m(hauteur), (Fig. 5). Le domaine CFD a été attribué conformément aux directives d'Autodesk70. Les dimensions du domaine étaient de 5 W (97,5 m) \(\times \) 6d (156 m) \(\times \) 3 h (27 m). En ce qui concerne l'analyse CFD, quatre conditions aux limites différentes ont été attribuées au domaine : la condition de vitesse en régime permanent pour l'entrée (différente pour chaque scénario), la condition de glissement/symétrie pour les limites latérales et supérieures, la condition de pression nulle pour la sortie et la condition de non-glissement pour le sol.

Dimensions du domaine et conditions aux limites.

Dans ce moulin à vent, neuf ouvertures ont été envisagées pour la ventilation naturelle. Quatre évents ont été intégrés dans deux couloirs (qui ont été construits pour empêcher l'écoulement turbulent intérieur), c'est-à-dire trois évents de couloir ouest (annotés par WV1, WV2 et WV3) et un évent de couloir est (annoté par EV1) (Fig. 6). De plus, trois évents ont été construits dans la pièce du milieu, un sur le côté ouest, WV4, un au-dessus de la porte comme imposte1, EV2, et un sur le toit faisant office de cheminée, RV1. L'évent RV2 était une cheminée identique sur le toit de la salle arrière. Un évent sur le mur frontière (ENTRANCE) servait de prise d'air.

Éléments sur (a) les murs est et (b) ouest du moulin à vent.

Selon la rose des vents au Sistan (Fig. 2), le vecteur vent résultant et le vecteur vent dominant sont \(\Omega 1=17^\circ \) et \(\Omega 2=30^\circ \), respectivement. De plus, la vitesse maximale mensuelle du vent (en juillet) et une vitesse maximale moyenne du vent sont de 10 m/s et 18 m/s (Fig. 3). Ainsi, cette étude a considéré quatre scénarios différents basés sur une analyse statistique du vent au Sistan : deux angles de \(17^\circ \) (l'angle du vecteur vent résultant ainsi que le moulin à vent) et 30°, et deux vitesses de vent différentes, 10 \(\mathrm{m}/\mathrm{s}\) et 15 \(\mathrm{m}/\mathrm{s}\) (Fig. 7).

Scénarios pour CFD de ventilation éolienne.

Le Navier–stokes moyen de Reynolds incompressible pseudo-stationnaire pour le modèle turbulent à deux équations \(k-\varepsilon \)30 a été choisi pour tenir compte de la précision du modèle et du coût de calcul71. En d'autres termes, le modèle de ventilation a été réalisé uniquement en considérant le vent. Les équations gouvernantes ont été répertoriées dans les équations. (1)–(5)4,70.

Continuité:

Conservation de la quantité de mouvement :

La viscosité turbulente (\({v}_{t}\)) est calculée en termes de \(k\) et \(\varepsilon \) par

Énergie cinétique turbulente (TKE):

Taux de dissipation turbulente (TKE) :

où \(\overline{u}{ }_{i}\) et \(\overline{p }\) sont respectivement les composantes de vitesse moyenne et la pression. Les cinq constantes de modélisation \({C}_{1\varepsilon }\), \({C}_{2\varepsilon }\), \({C}_{\mu }\), \({\sigma }_{k}\) et \({\sigma }_{k\varepsilon }\) sont respectivement de 1,44, 1,92, 0,09, 1,0 et 1,3.

La direction et la vitesse du vent à travers trois évents de couloir ouest et est ont été mesurées par un anémomètre dans différentes sections près des murs. L'anémomètre utilisé dans cette étude était UNI-T UT363 avec une précision et une résolution de la vitesse du vent de (± 5% rdg + 0,5 m/s) et 0,1 m/s, respectivement. Les mesures ont été effectuées en mai 2020, où la vitesse et la direction moyennes du vent étaient respectivement de 10 m/s et \(20^\circ \) (Fig. 8). La vitesse du vent à des endroits spécifiés a été mesurée tandis que les conditions de vent sont restées identiques autour de l'éolienne pendant la mesure.

Mesure sur le terrain de la vitesse du vent sur des profils perpendiculaires aux évents.

La racine moyenne de l'erreur quadratique, RMSE, (Eq. 6) a été utilisée pour évaluer la validation des résultats CFD.

où \({U}_{o}^{i}=({V}_{o}^{i}/{V}^{\infty })\) est la vitesse moyenne mesurée sans dimension en position i et \({U}_{s}^{i}=({V}_{s}^{i}/{V}^{\infty })\) représente la vitesse moyenne simulée sans dimension dans la même position, et n désigne le nombre de mesures. La vitesse de référence à la date de mesure était d'environ \({V}^{\infty}=10\) m/s. Selon le paramètre mentionné, une marge d'erreur moyenne de 17 % a été obtenue (tableau 1).

Le maillage tétraédrique non structuré a été généré par Autodesk CFD pour effectuer la simulation. Le domaine de calcul était composé d'environ 5,6 millions de cellules comme maillage de référence (Fig. 9). En raison de la complexité de la géométrie, le domaine de calcul a été affiné dans les zones critiques telles que les évents et les couloirs.

Vue schématique du maillage CFD.

Une analyse de l'indépendance de la grille a été effectuée pour s'assurer que l'affinement de la résolution de la grille n'affecterait pas de manière significative les résultats. Ainsi, des maillages grossiers, moyens et fins ont été générés pour Sc17-10 dans le modèle CFD. La différence moyenne, \({R}_{a}\) (Eq. 7), entre les profils de vitesse pour différentes tailles de mailles a été définie pour étudier les critères d'indépendance des mailles.

où \({V}^{*}\) est la valeur de vitesse à un maillage plus fin plutôt que \(V\) pour un maillage plus grossier. Le tableau 2 présente le nombre total de cellules et la différence en pourcentage entre les profils de vitesse sur cinq lignes différentes perpendiculaires aux évents EV1, WV1, WV2, WV3 et WV4, respectivement. Comme le montre le tableau 1, le \({R}_{a}\) entre la grille grossière et moyenne est proche de 1,5 % et entre la maille moyenne et fine est inférieur à 1 %. Ainsi, le maillage avec environ 5,8 millions de cellules a été choisi comme maillage principal pour la présente étude.

Pour contrôler la convergence, l'évaluation automatique de la convergence71 a été sélectionnée. Au début, les critères ont été définis sur modérés, tandis que la précision a été augmentée en modifiant les critères sur stricts. En outre, les métriques de convergence de solution suivantes ont été calculées lors de la vérification de convergence :

Pente de convergence instantanée : cette métrique calcule les pentes des données de convergence d'une itération à la suivante. Lorsque la pente instantanée maximale était inférieure au niveau défini, la solution a été arrêtée. Dans l'étude, la valeur définie a été définie comme \(1\times {10}^{-4}\).

Pente de convergence moyenne dans le temps : cette mesure évalue la pente des données de convergence sur plusieurs itérations. La valeur de seuil a été définie sur \(1\times {10}^{-2}\).

Concavité de convergence moyenne dans le temps : la dérivation de la pente de convergence moyenne dans le temps maximale est une mesure indiquant si la courbe s'aplatit (la pente est descendante) ou s'accroît (la pente est ascendante). La solution s'arrêtera lorsque la concavité sera inférieure à la valeur définie. Cette valeur a été définie sur \(1\times {10}^{-2}\) dans des critères stricts.

Fluctuations de la variable de champ : Il calcule l'écart type de la variable dépendante où la solution s'arrêtera lorsque l'écart est inférieur au niveau défini. Cette valeur a été définie sur \(1\times {10}^{-5}\) dans cette étude.

Dans cette étude, les analyses CFD ont révélé les performances des tourbillons derrière les déflecteurs et évalué leur impact sur la ventilation intérieure éolienne. La ventilation était basée sur le courant de vent dans une couche limite près des évents, ce qui entraînerait une chute de pression et un vide dans ceux-ci.

Dans cette structure, les déflecteurs jouent un rôle crucial dans la ventilation naturelle. Ils peuvent assurer la circulation de l'air grâce au gradient de pression induit entre l'intérieur et l'extérieur du bâtiment. Ainsi, pour comprendre la nécessité des déflecteurs, la distribution de pression totale du modèle est présentée à la Fig. 10. Comme illustré à la Fig. 10, la circulation sous le vent des déflecteurs fournit un gradient de pression négatif (la pression extérieure est supérieure à celle des évents intérieurs). Le gradient de pression et la vitesse de l'air à travers les évents dans quatre scénarios ont été illustrés à la Fig. 11. Cela a conduit à des forces d'aspiration qui ont ventilé l'air intérieur à travers les évents du couloir ainsi que WV4 et EV2.

Répartition de la pression autour et à l'intérieur de l'éolienne.

Gradient de pression dans quatre scénarios pour les évents ouest et est.

Les schémas d'écoulement autour de l'éolienne ont été représentés à la Fig. 12. La ventilation par les évents ouest et est était directement liée aux tourbillons formés derrière les déflecteurs (Figs. 12, 13, 14). En général, lorsque la direction du vent était \(\omega =\beta =17^\circ \) (perpendiculaire au mur frontière avec les angles d'attaque étant \({\gamma }_{1}=55^\circ \) et \({\gamma }_{2}=29^\circ \)), c'est-à-dire Sc17-10 et Sc17-15, la longueur du vortex derrière le déflecteur ouest était plus grande que derrière le déflecteur est et vice versa, augmentant l'angle d'écoulement à \(\omega =30^\circ \), c'est-à-dire que Sc30-10 et Sc30-15 ont entraîné une longueur de vortex plus élevée derrière le déflecteur oriental.

Modèle de flux autour du bâtiment dans différents scénarios : (a) Sc17-10, (b) Sc17-15, (c) Sc30-10 et (d) Sc30-15.

\({V}_{y{^{\prime}}}\) sur les profils parallèles et près des murs (a) ouest et (b) est, derrière les déflecteurs.

\({\mathrm{V}}_{\mathrm{y{^{\prime}}}}\) sur les profils perpendiculaires aux évents ouest et est dans les scénarios (a) Sc17-10, (b) Sc17-15, (c) Sc30-10 et (d) Sc30-15.

La composante parallèle du flux aux murs, \({V}_{y{^{\prime}}}\), serait une estimation appropriée de la forme des courants autour du moulin à vent. Les valeurs positives, \({V}_{y{^{\prime}}}>0\), montraient un flux inverse, tandis que les valeurs négatives illustraient un courant dans la même direction que le vent dominant dans l'espace (courant ordinaire). Ainsi, les profils de vitesse du vent (\({V}_{y{^{\prime}}}\)) ont été pris en compte pour évaluer la longueur et la largeur des tourbillons.

La longueur des tourbillons a été évaluée par deux profils de 25 m à partir de déflecteurs près des parois est et ouest (Fig. 13).

De plus, les largeurs des tourbillons ont été mesurées par six profils, à dix mètres des évents (Fig. 14). Ces graphiques ont également montré comment les angles et les vitesses du vent affectaient les tourbillons derrière les déflecteurs.

A \(\omega =17^\circ \), la longueur des tourbillons était d'environ 16,5 m et 8,5 m sur le mur ouest et est, respectivement, pour les deux vitesses de vent, soit 10 et 15 m/s. D'une manière ou d'une autre, à \(\omega =30^\circ ,\) la longueur des tourbillons était de 7 m et 9 m pour une vitesse de vent de 10 et 15 m/s, respectivement, sur le mur ouest. Cette valeur s'est produite à plus de 25 m derrière le déflecteur est (plus haut que la longueur de la structure) aux deux vitesses de vent.

En général, les largeurs des tourbillons étaient plus larges sur le mur ouest lorsque l'angle du vent était \(\omega =17^\circ \), alors qu'il était plus large derrière le déflecteur est à \(\omega =30^\circ \) (Fig. 14). Dans ces profils, sur les tourbillons, le maximum \({V}_{y{^{\prime}}}\) s'est produit à environ 50 cm des parois, puis a diminué en augmentant les distances aux évents. À \(\omega =17^\circ \), les courants d'écoulement ont été dirigés vers un modèle d'écoulement normal à près de 9 m sur le mur ouest et 6,5 m sur le mur est (Fig. 14). En revanche, à \(\omega =30^\circ \), ils tendaient vers un régime d'écoulement normal à 5 ​​m et plus de 10 m pour les murs ouest et est, respectivement.

De plus, les résultats CFD sur les sections AA ont révélé que RV1 et RV2 contribuaient correctement à la ventilation naturelle (Fig. 15).

Modèle d'écoulement sur la section AA selon différents scénarios ; (a) Sc17-10, (b) Sc17-15, (c) Sc30-10 et (d) Sc30-15.

Le \({V}_{y\mathrm{^{\prime}}}\) près des évents ouest et est, et le gradient de pression dans les évents ont été représentés sur les Fig. 16 et 17, respectivement. En général, la ventilation des évents était directement corrélée au courant de vent près des évents.

\({V}_{y{^{\prime}}}\) d'écoulement près des évents (a) ouest et (b) est.

Gradient de pression dans les évents (a) ouest et (b) est.

Le gradient de pression dans les évents était généralement réduit lors de l'augmentation de la distance des déflecteurs. La tendance différait dans WV3 et WV4 à \(\omega =30^\circ \) (Fig. 17a) car le \({V}_{y\mathrm{^{\prime}}}\) absolu était plus élevé dans WV4 que dans WV3 (Fig. 16a).

Lorsque l'angle du vent était \(\omega =30^\circ ,\) aucun tourbillon ne s'est formé sur WV3 et WV4, et les courants d'écoulement étaient des schémas d'écoulement normaux sur ces évents (Fig. 13). Cela est dû à la longueur de formation des tourbillons derrière les déflecteurs. À cet angle, le vortex s'est formé avant WV3 (Fig. 12), après quoi le débit a atteint zéro à un point spécifié avant cet évent, puis a augmenté régulièrement sur WV3 et WV4. Ainsi, la vitesse absolue du vent dans WV4 était plus élevée que dans WV3 (Fig. 16). De plus, lorsque l'angle du vent était \(\omega =17^\circ ,\) les tourbillons sur les évents est étaient suffisamment petits pour qu'aucun tourbillon ne se forme sur EV2 (Fig. 13).

Le débit (FR, \({\mathrm{m}}^{3}/\mathrm{h})\) dans les évents a été calculé et illustré à la Fig. 18. Outre le schéma d'écoulement près des murs (inverse ou ordinaire), le débit était à l'extérieur dans tous les évents (c'est-à-dire le vide). Les résultats ont indiqué que le débit maximal dans tous les scénarios s'est produit dans WV4 suivi de EV2. De plus, les évents ouest contribueraient à la ventilation plus que les évents est, de 343 % à l'angle de \(17^\circ \) et de 169 % à l'angle de \(30^\circ \), respectivement.

Contribution des différents évents à la ventilation de l'intérieur.

L'effet de la vitesse du vent sur la ventilation a été rapporté dans le tableau 3. Les résultats ont révélé que le débit a augmenté lors de l'augmentation de la vitesse du vent de 10 à 15 m/s.

L'effet de la direction du vent sur la ventilation a été décrit dans le tableau 4. Les résultats ont révélé que lorsque la direction du vent passait de \(17^\circ \) à \(30^\circ \), la ventilation augmentait considérablement dans les évents de l'est (149 % en moyenne) et diminuait dans les évents de l'ouest (73 % en moyenne). Les valeurs chutent continuellement au fur et à mesure que l'on s'éloigne du déflecteur ouest, sauf dans WV4 en raison de régimes d'écoulement différents sur WV3 et WV4. La ventilation dans les évents de toit n'a pas changé avec la modification de la direction du vent.

Le débit plus élevé dans WV4 et EV2 était lié à la surface plus élevée de ces deux évents. En conséquence, la vitesse moyenne a été calculée, avec les résultats illustrés à la Fig. 19.

Vitesse moyenne (débit par zone), (\(\left({\mathrm{m}}^{3}/\mathrm{h}\right)/{\mathrm{cm}}^{2}\)).

En examinant chaque scénario, lorsque \(\omega =17^\circ \), les vitesses moyennes les plus élevées et les plus basses se sont produites respectivement dans WV1 et EV2. À \(\omega =30^\circ \), les vitesses moyennes maximales et minimales ont eu lieu respectivement en EV2 et WV3. De plus, la vitesse moyenne la plus basse s'est produite dans WV3, suivie de WV4 dans le scénario de Sc30-10, comme prévu.

Les analyses ont révélé que même si la ventilation était plus élevée sur le mur ouest à \(\omega =17^\circ \) de 126 %, la contribution du mur est à la ventilation était plus élevée à \(\omega =30^\circ \) (tableau 5).

De plus, les évents de couloir (CV) étaient plus efficaces en ventilation naturelle que les autres évents (OV) (tableau 6). Cet effet a été mis en évidence dans les évents occidentaux. Le rapport maximal de la vitesse moyenne moyenne dans trois évents du couloir ouest (WCV) à WV4 s'est produit à Sc30-10 en raison de la valeur de vitesse moyenne la plus faible dans WV4. De plus, comme prévu, la valeur minimale de WV3/WV4 s'est produite dans Sc30-15.

Comme indiqué précédemment, près de WV4, le modèle d'écoulement était normal dans Sc30-15 et le \({V}_{y{^{\prime}}}\) était plus élevé que dans Sc17-15 (sur lequel le vortex s'est formé), \( \left| {\underbrace {{V_{{yWV4}}^{{'30 - 15}} }}_{{ - 0,72}}} \right| > \left| {\ underbrace {{V_{{yWV4}}^{{'17 - 15}} }}_{{0.41}}} \right| \); cependant, le gradient de pression et la vitesse moyenne avaient un schéma inverse, \( \underbrace {{\Delta P_{{WV4}}^{{30 - 15}} }}_{{3.77}} < \underbrace {{\Delta P_{{WV4}}^{{17 - 15}} }}_{{7.69}} \) et \( \underbrace {{FRPA_{{WV4}}^ {{30 - 15}} }}_{{352}} < \underbrace {{FRPA_{{WV4}}^{{17 - 15}} }}_{{477}} \).

Par conséquent, on pourrait conclure que le flux dans les tourbillons affecterait la ventilation plus que les courants ordinaires.

En regardant la Fig. 16, près des évents \({V}_{y{^{\prime}}}\) avait le taux maximum à l'ouest dans Sc17-15 plutôt que dans d'autres scénarios, conduisant au gradient de pression et à la vitesse moyenne les plus élevés. De plus, dans Sc30-10 et Sc30-15, le gradient de pression et la vitesse moyenne ont changé avec \({V}_{y{^{\prime}}}\) (tableau 7).

Ce modèle était différent dans WV1 et WV2 dans Sc17-10. Dans ce scénario, bien que la vitesse moyenne dans WV2 était inférieure à WV1 (\( \underbrace {{FRPA_{{WV2}}^{{17 - 10}} }}_{{355}} < \underbrace {{FRPA_{{WV1}}^{{17 - 10}} }}_{{393}} \)), \({V}_{y{^{\prime}}}\) près WV2 était plus élevé que près de WV1 (\( \underbrace {{V_{{{y'}} _{{WV2}}}^{{17 - 10}} }}_{{1.15~{\text{m}}/{\text{s}}}} > \underbrace {{V_{{{y'}} _{{WV1}}}^{{17 - 10}} }}_{{1.0 2~{\text{m}}/{\text{s}}}} \)). Cela pourrait être dû aux tourbillons à micro-échelle formés près de WV1 et WV2, tandis que le courant inverse dans les tourbillons à micro-échelle près de WV1 était plus fort que près de WV2 (Figs. 20, 21). Ces tourbillons microscopiques se sont formés juste au moment où la vitesse du vent était de 10 m/s.

Micro-tourbillons près de WV1 et WV2 derrière le déflecteur ouest.

Tourbillons près de (a) WV1 et (b) WV2 dans Sc17-10 ainsi que (c) WV1 et (d) WV2 dans Sc30-10.

A \({V}_{\infty }=10 \)m/s, si l'angle du vent était \(\omega =17^\circ \), le micro tourbillon commençait à 35 cm du centre du WV1 (Fig. 21) et continuait sur 25 cm. Dans ce tourbillon, la valeur absolue maximale de \({V}_{y{^{\prime}}}\) était \(\left|{{V}_{y{^{\prime}}}}_{WV1}^{Sc17-10}\right|=1,02 \mathrm{m}/\mathrm{s}\), qui s'est produite à 15 cm du centre de l'évent. De plus, le tourbillon a commencé de 25 cm à près de 10 cm du centre de WV2 (la longueur était de 15 cm), et la valeur absolue maximale était \(\left|{{V}_{y{^{\prime}}}}_{WV2}^{Sc17-10}\right|=0,13 \mathrm{m}/\mathrm{s}\), se produisant à une distance de 15 cm. Lorsque \({V}_{\infty }=10 \mathrm{m}/\mathrm{s}\) et \(\omega =30^\circ \), le tourbillon s'est formé de 20 à 10 cm de WV1 (la longueur était de 10 cm) où la valeur maximale absolue était \(\left|{{V}_{y{^{\prime}}}}_{WV1}^{Sc30-10}\right| =0.56 \mathrm{m}/\mathrm{s}\). Enfin, dans le même scénario et près de WV2, le tourbillon s'est formé à 16 cm à 14 cm du centre de l'évent (2 cm de longueur) avec la valeur maximale de \(\left|{{V}_{y{^{\prime}}}}_{WV2}^{Sc30-10}\right|=0,13 \mathrm{m}/\mathrm{s}\) à 15 cm du centre de l'évent.

Ainsi, comme le flux inverse maximal s'est produit au tourbillon dans Sc17-10 près de WV1, \({V}_{y{^{\prime}}}\) a diminué plus près de cet évent dans ce scénario que dans d'autres (Fig. 16).

De plus, selon la Fig. 16, le minimum \({V}_{y{^{\prime}}}\) dans WV1 s'est produit dans Sc17-10, résultant du tourbillon décrit à l'échelle microscopique.

Les résultats indiquent que la valeur moyenne de la vitesse de l'air intérieur dans les quatre scénarios considérés était d'environ 0,31 m/s. En revanche, dans les bâtiments à ventilation naturelle, le confort thermique des occupants doit être évalué à partir de modèles de confort thermique adaptatifs. Ainsi, dans la présente étude, nous utilisons le modèle de confort thermique adaptatif de la norme ASHRAE 55-202072. Ainsi, en considérant la température extérieure moyenne estivale de la région du Sistan (environ 33 °C) et une vitesse moyenne de l'air de 0,31 m/s, le modèle de confort adaptatif révèle que sans l'utilisation de systèmes de refroidissement mécaniques pour l'espace intérieur de l'éolienne, la perception thermique des occupants se situe dans la plage de confort avec une limite d'acceptabilité de 80 %.

La QAI dépend de divers paramètres tels que le débit d'air, le taux de renouvellement d'air et l'âge moyen local de l'air (LMA) dans un plan horizontal de 1,5 m (niveau d'activité humaine debout). Étant donné que le paramètre de changement d'air par heure (ACH) a été largement utilisé dans des études similaires, ce critère a été utilisé pour évaluer la QAI.

Le changement d'air par heure, ACH (/h), a été calculé en divisant les vitesses de ventilation intégrées par le volume de la pièce, V (Eq. 8)

où \({v}_{j}\) est le vecteur de vitesse, \({n}_{j}\) est le vecteur ordinaire de la surface des évents, \({A}_{j}\) représente la surface de la jème cellule, n est le nombre total de cellules aux évents et k indique le nombre d'évents dans le bâtiment.

Les résultats (Fig. 22) ont montré que tous les scénarios étaient au-delà de la norme ASHRAE pour les bâtiments résidentiels (ACH = 0,35)73,74. Ce chiffre indique que le changement d'air augmente lorsque le vent souffle plus vite. L'une des découvertes intéressantes est que le changement d'air diminue en augmentant l'angle du vent.

Changement d'air par heure (ACH) dans l'éolienne dans différents scénarios.

L'application du vent dans la ventilation des bâtiments vernaculaires a été expliquée dans diverses publications. En effet, la question importante est de savoir comment nous pouvons améliorer le taux de ventilation dans l'architecture moderne avec ces connaissances. Des projets tels que Kidderminster College75 et Windcatcher Zero76 sont les cas qui utilisent la ventilation naturelle dans l'architecture moderne7,36. Les caractéristiques de la structure étudiée, y compris son orientation, l'utilisation de déflecteurs, la forme et l'emplacement des évents ainsi que des couloirs peuvent être un modèle approprié pour exploiter le vent dans l'échange d'air intérieur. De plus, chacune des approches mentionnées (comme l'effet de la dépression43 derrière les déflecteurs) ou une combinaison de ces approches peut être proposée comme une solution efficace pour les stratégies de ventilation transversale ou unilatérale. Par exemple, ce système pourrait être recommandé comme solution auxiliaire appropriée pour le bon processus de ventilation dans les grands espaces publics tels que les halls, les musées77, les entrepôts, les stades fermés78 et les usines, qui d'une part, la surpopulation augmente les polluants induits à l'intérieur79 dans l'espace, et d'autre part, le coût de la ventilation dans ces lieux est élevé.

Cet article a évalué la ventilation éolienne dans une structure ancienne, un moulin à vent au Sistan, en Iran. Des analyses CFD ont été appliquées pour étudier la ventilation naturelle et validées par des mesures sur site. Le vent du Sistan s'écoule dans la direction NW–SE par le vecteur résultant de \(17^\circ \), fluctuant de 0° à 60°. En conséquence, le moulin à vent a été construit sur la base du vecteur vent résultant dans la région. Deux déflecteurs ont été construits suffisamment larges pour collecter tous les vents dans la plage mentionnée afin d'utiliser le vent dans la plage supérieure. Deux couloirs ouest et est ont été construits pour améliorer la ventilation.

Cette étude a retenu quatre scénarios climatiques différents selon le modèle de vent du Sistan, c'est-à-dire deux vitesses de vent significatives selon deux directions de vent dominantes. L'approche actuelle a illustré les fonctions des déflecteurs dans la formation de tourbillons et la contribution des évents à la ventilation intérieure. Une erreur de 17 % a été calculée pour la validation en raison de la condition transitoire dans le modèle de vent naturel et de la forte incertitude dans les mesures du site. Les résultats ont révélé que la fonctionnalité des évents sur les murs est et ouest changerait considérablement avec les changements de vitesse et de direction du vent. En général, les conclusions de cette étude se résument comme suit :

Concernant la ventilation naturelle, les déflecteurs avaient deux fonctions principales :

La fonction la plus importante était d'accumuler et de diriger le vent vers l'entrée du vent.

La deuxième fonction impliquait la diminution de l'écoulement turbulent (en formant des tourbillons) sur les murs est et ouest pour améliorer la ventilation intérieure.

Selon les données météorologiques, le vecteur résultant du vent au Sistan est \(17^\circ \). De plus, concernant la ventilation naturelle à \(\omega =17^\circ \), le mur ouest a contribué plus que le mur est de 126 %. Ainsi, plus d'évents ont été conçus et construits sur le mur ouest pour améliorer la ventilation.

En changeant la direction du vent de \(17^\circ \) à \(30^\circ \), la longueur plus considérable du vortex derrière les déflecteurs est a conduit à une ventilation plus élevée de 149 % sur ce mur.

Bien que la vitesse du vent plus élevée (15 m/s) ait amélioré la ventilation dans les évents de toit, la direction du vent n'a pas affecté cette valeur dans RV1 et RV2.

Le tourbillon à l'échelle microscopique près de WV1 a entraîné une réduction de \({V}_{y{^{\prime}}}\) sur cet évent, en particulier dans Sc17-10. Il suggère de concevoir un évent avec un bord arrondi pour réduire le coefficient de perte de débit à proximité des évents80.

Lorsque la vitesse du vent est passée de 10 m/s à 15 m/s, les ACH ont chuté de 150 %. De plus, en changeant l'angle du vent de \(17^\circ \) à \(30^\circ \), l'ACH a chuté de 10 %. Cependant, les ACH étaient supérieurs à la norme ASHRAE (ACH > 0,35).

Certains aspects doivent être spécifiés pour utiliser le vent dans les régions résidentielles, y compris la dynamique actuelle autour des bâtiments, l'angle et la vitesse du vent frappant le bâtiment, les zones de basse et de haute pression et les tourbillons autour des bâtiments. De cette façon, le modèle d'écoulement complet autour des bâtiments pourrait être déterminé et fourni aux ingénieurs et aux architectes.

Il est nécessaire de considérer certaines limitations dans cet article, telles que les caractéristiques géométriques des déflecteurs (c'est-à-dire la longueur et l'angle) sur le taux de vide. Les analyses du confort humain (c'est-à-dire les effets thermiques, de l'humidité et de la vitesse du vent) devraient être effectuées dans le cadre d'investigations ultérieures en tenant compte de l'effet des couloirs sur la prévention de l'écoulement intérieur turbulent. L'impact des milieux humides et poreux sur l'entrée (Kharkhona53 dans la langue maternelle du Sistan) doit être analysé sur l'ENTRÉE.

Les principes sous-jacents découverts par cette recherche et le type de conception de cette structure peuvent être adoptés dans de nombreux bâtiments et espaces clos avec un taux élevé de pollution induite par l'intérieur. Cependant, il convient de noter que toutes les stratégies de conception de cette structure ne s'appliquent pas à tous les emplacements et il est recommandé de l'utiliser dans des conditions climatiques similaires.

L'auteur tient à remercier le Global Wind Atlas pour l'accès à la carte des vents du Sistan. Les ensembles de données analysés au cours de la présente étude sont disponibles dans le référentiel figshare, https://doi.org/10.6084/m9.figshare.19775980.

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Wahid Arbabi

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MJ et EM sont responsables du développement des méthodes, de l'élaboration de graphiques, de l'analyse des résultats et de la rédaction du projet original. VA et SAZ sont responsables de la conservation des données et des améliorations de la méthodologie.

Correspondance à Vahid Arbabi.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Mohammadi, E., Jarkeh, M., Zolfaghari, SA et al. Effet de l'architecture résiliente dans un ancien moulin à vent de la région du Sistan sur l'amélioration de la ventilation naturelle. Sci Rep 12, 18240 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23027-w

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Reçu : 09 mai 2022

Accepté : 24 octobre 2022

Publié: 29 octobre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-23027-w

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