Effektiviteten av icke-mekaniska, lågenergimetoder för att moderera temperatur och luftfuktighet har utvärderats i en serie experiment av forskare från University of Cambridge.

Forskarna fann att en temperaturskillnad mellan inne och ute har en anmärkningsvärt liten effekt på hur väl ett rum ventileras när ventilationen främst drivs av vind. I kontrast, vind kan öka ventilationshastigheten med så mycket som 40 % över den som drivs av en temperaturskillnad mellan ett rum och utomhus. Den exakta ventilationshastigheten beror på rummets geometri.

Resultaten, redovisas i tidskriften Byggnad och miljö , skulle kunna användas för att hjälpa designers och stadsplanerare att införliva naturliga ventilationsprinciper i sin design, så att byggnader kan hållas vid en behaglig temperatur samtidigt som den använder mindre energi.

Värme och kyla står för en betydande del av energianvändningen i byggnader:i USA, det är så högt som 50 procent. Dessutom, när den globala temperaturen fortsätter att stiga, efterfrågan på luftkonditionering – som släpper ut växthusgaser – ökar också, skapa en skadlig återkopplingsslinga.

Naturlig ventilation, som styr inomhustemperaturen utan att använda några mekaniska system, är ett alternativ till traditionella uppvärmning och kylningsmetoder, vilket minskar energianvändningen och utsläppen av växthusgaser.

"Naturlig ventilation är ett lågenergi sätt att hålla byggnader vid en behaglig temperatur, men för att öka dess användning, vi behöver enkla, exakta modeller som kan reagera snabbt på förändrade förhållanden, " sa huvudförfattaren Dr. Megan Davies Wykes från Cambridges Department of Engineering.

Det finns två huvudtyper av naturlig korsventilation:vinddriven och flytkraftsdriven. Korsventilation sker i rum som har fönster på motsatta sidor av ett rum. Vind som blåser på en byggnad kan resultera i ett högt tryck på lovartsidan och ett lågt tryck på läsidan, som driver flödet över ett rum, ta in frisk luft utifrån och ventilera ett rum. Ventilationen kan också drivas av temperaturskillnader mellan insidan och utsidan av ett rum, eftersom inkommande luft värms upp av människor eller utrustning, vilket resulterar i ett flytkraftsdrivet flöde vid ett fönster.

"Vi har alla vant oss vid att ha en välkontrollerad, smalt temperaturintervall i våra hem och kontor, ", sa Davies Wykes. "Att kontrollera naturliga ventilationsmetoder är mycket mer utmanande än att slå på värmen eller luftkonditioneringen, eftersom du måste ta hänsyn till alla variabler i ett rum, som antalet människor, antalet datorer eller annan värmealstrande utrustning, eller vindens styrka."

I den aktuella studien, forskarna använde ett miniatyrmodellrum placerat inuti en ränna för att återskapa luftrörelserna i ett rum när fönster öppnas under olika temperatur- och vindförhållanden.

Med hjälp av resultaten från labbbaserade experiment, Davies Wykes och hennes kollegor byggde matematiska modeller för att förutsäga hur temperaturskillnaden mellan inne och ute påverkar hur väl ett rum ventileras.

Forskarna fann att ventilationshastigheten beror mindre på temperatur och mer på vind. Den som har försökt svalka sig en varm natt genom att öppna fönstret kommer utan tvekan att känna till hur ineffektivt detta är när det inte blåser.

Detta beror på att i många rum, fönster är placerade halvvägs upp på väggen, och när de öppnas, den varma luften nära taket kan inte lätt fly. Utan den "blandningseffekt" som vinden ger, den varma luften stannar vid taket, såvida det inte finns ett annat sätt för den att fly längst upp i rummet.

"Det var förvånande att även om temperaturskillnader inte har en stark effekt på luftflödet genom ett fönster, även små temperaturskillnader kan ha betydelse när man försöker ventilera ett rum, " sa Davies Wykes. "Om det inte finns några öppningar nära taket i ett rum, varm inomhusluft kan fastna nära taket och vinden är inte effektiv för att ta bort den instängda luften."

Nästa steg blir att införliva resultaten i byggnadsdesign, gör det lättare att skapa välventilerade, lågenergibyggnader.