Эффективность немеханических, низкоэнергетических методов снижения температуры и влажности была оценена в серии экспериментов исследователями из Кембриджского университета.
Исследователи обнаружили, что разница температур внутри и снаружи имеет удивительно малое влияние на то, насколько хорошо вентилируется помещение, когда вентиляция в основном осуществляется за счет ветра. Напротив, ветер может увеличить скорость вентиляции на целых 40% по сравнению с той, которая обусловлена разницей температур между комнатой и снаружи. Точная скорость вентиляции будет зависеть от геометрии помещения.
Результаты, опубликованные в журнале Building and Environment, могут помочь дизайнерам и градостроителям включить в свои проекты принципы естественной вентиляции, чтобы в зданиях можно было поддерживать комфортную температуру при меньшем потреблении энергии.
На отопление и охлаждение приходится значительная доля энергопотребления в зданиях: в США эта доля достигает 50 процентов. Кроме того, поскольку глобальная температура продолжает расти, спрос на кондиционирование воздуха, которое выбрасывает парниковые газы, также растет, создавая разрушительную петлю обратной связи.
Естественная вентиляция, которая регулирует температуру в помещении без использования каких-либо механических систем, является альтернативой традиционным методам отопления и охлаждения, что снижает потребление энергии и выбросы парниковых газов.
«Естественная вентиляция - это низкоэнергетический способ поддержания комфортной температуры в зданиях, но для того, чтобы увеличить его использование, нам нужны простые и точные модели, которые могут быстро реагировать на изменяющиеся условия», - сказал ведущий автор доктор Меган. Дэвис Уайкс из инженерного факультета Кембриджа.
Существует два основных типа естественной перекрестной вентиляции: ветровая и плавучая. Перекрестное проветривание происходит в помещениях, окна которых выходят на противоположные стороны помещения. Ветер, дующий на здание, может привести к высокому давлению с наветренной стороны и низкому давлению с подветренной стороны, что направляет поток через комнату, принося свежий воздух снаружи и вентилируя комнату. Вентиляция также может быть вызвана разницей температур внутри и снаружи помещения, так как поступающий воздух нагревается людьми или оборудованием, в результате чего в окне создается плавучий поток.
«Мы все привыкли к хорошо контролируемому, узкому температурному диапазону в наших домах и офисах», - сказал Дэвис Уайкс. «Управление методами естественной вентиляции гораздо сложнее, чем включение отопления или кондиционирования воздуха, поскольку вам необходимо учитывать все переменные в помещении, такие как количество людей, количество компьютеров или другого оборудования, выделяющего тепло, или сила ветра."
В текущем исследовании исследователи использовали миниатюрную модель комнаты, помещенную внутри желоба, чтобы воссоздать движение воздуха внутри комнаты, когда окна открыты при различной температуре и ветре.
Используя результаты лабораторных экспериментов, Дэвис Уайкс и ее коллеги построили математические модели, чтобы предсказать, как разница температур внутри и снаружи влияет на качество вентиляции помещения.
Исследователи обнаружили, что скорость вентиляции меньше зависит от температуры и больше от ветра. Любой, кто пытался охладиться жаркой ночью, открыв окно, несомненно, знаком с тем, насколько это неэффективно, когда нет ветра.
Это связано с тем, что во многих комнатах окна расположены на полпути к стене, и когда они открыты, теплый воздух под потолком не может легко выйти. Без эффекта «смешивания», обеспечиваемого ветром, теплый воздух будет оставаться на потолке, если нет другого пути для его выхода в верхней части комнаты.
«Было удивительно, что, хотя разница температур не оказывает сильного влияния на поток воздуха через окно, даже небольшая разница температур может иметь значение при попытке проветрить комнату», - сказал Дэвис Уайкс. «Если под потолком комнаты нет отверстий, теплый воздух в помещении может скапливаться под потолком, а ветер неэффективен для удаления захваченного воздуха».
Следующими шагами будет внедрение результатов в проект здания, что упростит создание хорошо вентилируемых зданий с низким энергопотреблением.