מגדל צינון מדברי

‫מגדל צינון מדברי‬
‫עקרונות הבנייה התרמית והצינון הפסיבי לא הומצאו במאה הזאת‪ .‬עוד בימי קדם‪ ,‬כאשר לא היו‬
‫מקורות האנרגיה המצויים כיום‪ ,‬ידעו עמים שונים שחיו במדבר ובאזורים חמים ויבשים )פרסים‪,‬‬
‫נבטים‪ ,‬אצטקים ועוד( לבנות את בתיהם תוך שימוש נבון בחוקים פיסיקליים אלמנטריים‪ .‬אופני‬
‫בנייה עתיקים אלה אפשרו לתושבים ליצור בביתם תנאי חיים נעימים גם באזורי אקלים שהמאפיין‬
‫שלהם הוא מעברים חדים בין יום ללילה ובין קיץ לחורף‪.‬‬
‫העידן הטכנולוגי יצר נתק בין האדריכלות המודרנית לבין מקורות אנרגיה פשוטים וטבעיים‪ .‬רק‬
‫בשנים האחרונות‪ ,‬בשל משבר האנרגיה של שנות השבעים וגם בשל מגמות שיבה אל הטבע‪ ,‬החלו‬
‫מחקרים מעשיים בעניין‪ ,‬וברחבי העולם נבנו עשרות מבנים על פי עקרונות הבניה התרמית‪.‬‬
‫המבנים התרמיים עשויים קירות עבים שיש להם קיבול חום גדול )עם או בלי בידוד( ובשל כך‬
‫ממתנים מאד את מעברי הטמפרטורות בין פנים הבית לחוץ הבניין‪ ,‬יוצרים בידוד ומאפשרים תנאי‬
‫חימום פסיבי סולרי בחורף וקירור פסיבי בקיץ‪ .‬בתכנון המבנה יש להביא בחשבון עוד גורמים‬
‫חשובים‪ :‬כיוון הקירות‪ ,‬הפתחים השונים )דלתות‪ ,‬חלונות(‪ ,‬סביבת המבנה ומיקומו‪ :‬אמצעי הצללה‪,‬‬
‫חצרות פנימיות‪ ,‬צמחייה וכו'‪.‬‬
‫בעולם נעשו מחקרים רבים שהדגש בהם היה על חימום באמצעות אנרגיית השמש‪ .‬מיעוטם‬
‫התייחסו לצינון של מבנים מדבריים וגם אז הכיוון היה על פי רוב שיטות קירור אקטיביות‬
‫ומתוחכמות או פתרונות קיצוניים כגון בנייה תת קרקעית‪ ,‬איטום לאוויר ובידוד תרמי וכיווני‬
‫פתחים מוגבלים ביותר‪ ,‬מחקר זה )מגדל צינון פסיבי למבנה במדבר( מתמקד בעיקר באופני הצינון‪.‬‬
‫אחת הסיבות העיקריות למחקר זה היא תנאי החיים הקשים שיוצר האקלים המדברי‪ .‬כשהגענו‬
‫לנאות סמדר התברר לנו שבניני המגורים לא מתאימים לחיים במדבר‪ .‬בחורף קר מאד בבית ובקיץ‬
‫החום כבד ויש צורך לצננו באמצעות מזגנים‪ .‬מתברר שלאורך זמן לא נעים ולא בריא לחיות "בתוך‬
‫מזגן" וההוצאות על קירור וחימום באמצעות חשמל גבוהות‪.‬‬
‫מגדל הצינון המדברי – עקרונות הפעולה‬
‫‪ .1‬עיקרון הצינון על ידי אידוי מים‬
‫אוויר הבא במגע עם מים מצטנן תוך כדי אידוי חלק מהם‪ .‬וכך‪ ,‬לחותו גדלה‪ .‬בתנאים מסוימים זוהי‬
‫דרך יעילה לצינון ישיר של מבנים‪ .‬חום האידוי של המים גבוה מאד‪ ,‬והאנרגיה הדרושה לאידוי‬
‫)החום הכמוס( מתקבלת מהסביבה הקרובה‪ ,‬כלומר מהאוויר‪.‬‬
‫ככל ששטח המגע בין הנוזל האוויר גדול יותר‪ ,‬יעילות האידוי רבה יותר‪ .‬שטח פנים גדול זה מושג‬
‫על ידי ריסוס האוויר במתזי מים דקיקים‪ .‬בשיטה זו רוב החום נספג מהאוויר עצמו‪ ,‬שכן המגע עם‬
‫הדפנות מועט בשל מהירות האוויר‪.‬‬
‫אופן אחר של צינון הוא על ידי אידוי על גבי דופן נקבובית של חומר כגון חרס‪ .‬במקרה זה אנרגיית‬
‫החום הנספגת נלקחת בחלקה מהדופן אשר יכולה לקרר ישירות את הסביבה )למשל‪ ,‬חצר או‬
‫מרפסת(‪.‬‬
‫צינון על ידי אידוי מים יעיל בעיקר במדבר ובשעות היום‪ .‬אז‪ ,‬החום גבוה והלחות היחסית הנמוכה‬
‫מאפשרים את הורדת הטמפרטורה במעלות רבות‪) .‬היעילות גדלה והולכת ככל שהאוויר חם ויבש‬
‫יותר‪ ,‬כמו בזמן שרב‪ ,‬וזאת בהתאם ליחסים הניתנים לחיזוי על ידי הטבלה הפסיכרומטרית‪ (.‬מעצם‬
‫פעולת הצינון מתווספת לחות לאוויר‪ ,‬המשפרת את תנאי האקלים‪.‬‬
‫קירור ישיר על ידי אוויר פנים הבניין‪ ,‬מוגבל בהספק הקירור שלו על ידי אותו גורם עצמו – הלחות‬
‫הגבוהה שהוא מוסיף לאוויר בשעות מסוימות‪ .‬כמו כן‪ ,‬הקירור הישיר מוגבל על ידי מהירות זרימת‬
‫האוויר הנעימה לאדם‪ .‬הזרמת אוויר בתוך חללים בתקרה ובקירות מספקת קירור עקיף‪ ,‬כאשר‬
‫הדפנות משמשות כמחליפי חום‪ .‬מערכת זו מסוגלת לנצל את מלוא הספק הקירור של המגדל בכל‬
‫שעות היממה‪.‬‬
‫‪ .2‬עיקרון צניחת האוויר הקר‬
‫אוויר קר הוא בעל משקל סגולי גבוה משל אוויר חם‪ ,‬ולכן הוא צונח במגדל כלפי מטה וצובר‬
‫מהירות )התלויה בשורש הריבועי של הגובה(‪ .‬מהירות זו מאפשרת לו לעבור במנהרות‪ ,‬להיכנס‬
‫למבנים ולדחוף כלפי חוץ את האוויר החם המצטבר בהם מתחת לתקרה‪ ,‬וזאת דרך פתחים‬
‫הממוקמים בה‪.‬‬
‫אפקט זה מאפשר את צינון המבנים גם כשאין רוח וללא שימוש במפוחים‪ .‬הרוח‪ ,‬בשעות שהיא‬
‫נושבת‪ ,‬מצטרפת לתהליך זה על ידי לכידתה בכונס אוויר מתכוונן וצינונה על ידי הזלפת מים‪) .‬צירוף‬
‫שני התהליכים ניתן לחישוב על ידי שקול וקטורי‪ (.‬הכוונת הרוח לתוך המגדל חשובה למניעת‬
‫הפעולה של יניקת אוויר מהמגדל החוצה )אפקט ונטורי(‪.‬‬
‫‪ .3‬עיקרון האוורור על ידי הרוח‬
‫כמחצית הספק הקירור הנדרש למבנה במדבר יכולה להיות מושגת על ידי אוורור אינטנסיבי בשעות‬
‫הלילה‪ .‬עובדה זו מתאפשרת בזכות הפרש הטמפרטורות הגדול בין היום ללילה האופייני לאקלים‬
‫המדברי‪.‬‬
‫אוורור אינטנסיבי במהירויות גבוהות של אוויר אפשרי בשעות שבהן המבנה ריק מאנשים ועם זאת‬
‫הוא אינו יכול להיות תלוי בפתיחת חלונות וסגירתם‪ .‬בקומפלקס בנינים צפוף בעל חצר סגורה‬
‫מהירות הרוח מופרעת במידה רבה‪ ,‬וכאן מסייע המגדל בעל כונס הרוח המתכוונן אשר בצירוף‬
‫לפתחי היציאה המבוקרים בגגות הוא קולט את הרוח החזקה הנושבת בגובה‪ ,‬שהיא גם נקייה‬
‫מאבק‪ ,‬ומתעל אותה למבנים בלי תלות בכיוונה‪ .‬תחלופת האוויר נעזרת גם בתת לחץ הנוצר על‬
‫אותה רוח עצמה כשהיא חולפת מעל הגגות )אפקט ונטורי‪ ,‬הפעם בשימוש רצוי(‪ ,‬כל זאת בשעות‬
‫שבהן שככל שהיא גדולה יותר היא ניתנת פחות לתנודות )כמו כל מסה(‪.‬‬
‫הטמפרטורה‪ ,‬הלחות היחסית והרוח בסביבת המבנה משתנות ללא הרף באופן מחזורי או אקראי‪.‬‬
‫שיטות הצינון הפסיביות תלויות בגורמים אלה הרבה יותר מאשר קירור קונבנציונלי עתיר אנרגיה‬
‫ומצויד בתרמוסטט‪.‬‬
‫ללא מיתון השינויים בין שעות היממה וגם השינויים בטווח של ימים אחדים )למיתון השפעות‬
‫שרב(‪ ,‬לא היו מתאפשרים תנאים של נוחות תרמית במבנה המצונן באופן פסיבי‪ .‬קירות מסיביים‬
‫בעובי ‪ 60‬ס"מ אמורים לספק השפעה בעלת טווח של ימים אחדים‪ .‬יחד עם זאת‪ ,‬התנודות הנותרות‬
‫מאפשרות קרבה לאירועים אטמוספיריים כפי שהם‪ ,‬ללא קוטביות מזיקה‪ .‬מערכת הזלפת המים‬
‫אינה מופעלת‪.‬‬
‫‪ .4‬עיקרון מיתון תנודות הטמפרטורה ואגירת אנרגיה‬
‫העיקרון הרביעי המשלים את עקרונות הצינון הוא עיקרון המיתון של תנודות הטמפרטורה על ידי‬
‫מסה תרמית‪,‬‬
‫במופע אחר של אותה תכונה‪ ,‬המסה היא בעלת יכולת אגירה של אנרגיית החימום או הקירור‪ .‬כך‬
‫למשל אוורור על ידי רוח לילית הוא משמעותי לגבי הנוחות התרמית של המשתמשים במבנה‬
‫בשעות היום רק אם מסת הבניין גדולה )הנוחות התרמית היא במידה רבה תוצאת ההקרנה של‬
‫טמפרטורת הדפנות כלפי פנים והיחס הנכון שבין טמפרטורת הדפנות לטמפרטורת האוויר‪ ,(.‬שכן‬
‫מסה גדולה של מעטפת הבניין גורמת לכך שטמפרטורת הדפנות נשארת כמעט קבועה במשך היממה‬
‫ומידתה היא תוצאה של צירוף פעולות הצינון במשך היום והלילה‪ .‬אם מסת המבנה אינה ניכרת‪,‬‬
‫פעולת הצינון בשעות הלילה חסרת משמעות‪ ,‬במיוחד במבנה ציבור‪ ,‬שכן היא לא נאגרת ליום הבא‪.‬‬
‫המסה התרמית יכולה להימצא במקום כלשהו במערכת הכוללת את המבנה ואת יחידת הצינון‪.‬‬
‫זמינותה של המסה בטווח היומי או השבועי ניתנת על ידי יחסים ידועים‪ .‬ניתן להגביר את יכולת‬
‫המיתון והאגירה במערכת פסיבית על ידי מגע מוגבר של זרם האוויר המשמש לצינון עם קרקע‬
‫עמוקה )ורצוי לחה( וכן על ידי מאגר של אבנים או חצץ גס המשמש מסה זמינה‪.‬‬
‫סיכום‬
‫ארבעת עקרונות הפעולה הללו מאפשרים לצנן מבנים באופן פסיבי ונקי לחלוטין‪ ,‬ללא השקעת‬
‫אנרגיה יקרה‪ ,‬ללא רעש של מפוחים ותוך הגדלת הלחות היחסית לרמה נוחה ונשלטת‪.‬‬
‫מגדל הצינון של בית האומנויות‬
‫רכיבי מערכת הצינון‬
‫‪ .1‬גוף המגדל ומערכת תעלות\מנהרות האוויר‪.‬‬
‫זה החלק הבנוי‪ ,‬הבלתי משתנה של המערכת‪ .‬בתכנון‬
‫החלק הזה נקבעים היחסים שבין גובה המגדל ובין שטח‬
‫החתך שלו והיחס בין אלה‪ ,‬לחתך ואורך המנהרות‪ .‬נתונים‬
‫אלה נקבעים בהתאם לספיקת האוויר הנדרשת לצינון‬
‫חלל בממדים נתונים וכן בהתאם למהירות זרימת האוויר‬
‫הנדרשת למעבר האוויר לאורך מערכת המנהרות והתעלות‬
‫עד לכניסתו לחלל המבנה‪.‬‬
‫במקומות שונים לאורך מערכת התעלות והמנהרות ניתן‬
‫למקם תריסים ובעזרתם לכוון את זרימת האוויר‪,‬‬
‫להגבירה במקומות מסוימים ואף להפסיק את כניסת‬
‫האוויר הקר במקומות שבהם אינה רצויה בזמן נתון‪.‬‬
‫פתחי יציאת האוויר החם מתוך המבנה‪ ,‬שאף הם ניתנים‬
‫לוויסות על ידי תריסים‪ ,‬הם חלק חיוני ממרכיב זה‬
‫במערכת הצינון‪.‬‬
‫‪ .2‬מעטפת הגנה תרמית למגדל‬
‫מעטפת זו נועדה להגדיל את יעילות פעולת מערכת הצינון‪ .‬זהו אלמנט שמגן על המגדל )בדרך כלל‬
‫בטון חשוף( מחימום יתר על ידי השפעת הקרינה הישירה של השמש‪ ,‬לה הוא נתון במשך כל שעות‬
‫היום‪.‬‬
‫ניתן להגן על המגדל על ידי עיבויו )הגדלת המסה התרמית( בחומר בעל מוליכות חום נמוכה משל‬
‫הבטון כגון לבני בוץ או בעזרת מעטפת הצללה‪ .‬מעטפת ההצללה מונעת קרינת חום ישירה ואף‬
‫עשויה‪ ,‬בתכנון נכון ליצור שכבת אויר כלוא בינה לבין גוף המגדל‪ ,‬המבודדת את גוף המגדל מפני‬
‫עומס החום החיצוני‪.‬‬
‫‪ .3‬כונס אוויר ורוח‪.‬‬
‫מרכיב זה הוא חיוני לצורך פעולת המערכת כולה‪ .‬לכונס שני תפקידים עיקריים‪:‬‬
‫א‪ .‬למנוע שאיבת אוויר מתוך חלל המבנה דרך המגדל )אפקט ונטורי(‪ .‬שאיבת אוויר החוצה‪ ,‬דרך‬
‫המגדל עצמו‪ ,‬סותרת ותבטל לחלוטין את פעולת מערכת הצינון‪.‬‬
‫ב‪ .‬קליטת הרוח והפנייתה אל תוך המגדל‪ .‬דבר זה מאפשר ניצול נכון של אנרגית הרוח כתוספת‬
‫משמעותית להאצת תנועת האוויר במגדל במנהרות ובתעלות האוויר‪ .‬תנועה מואצת זו מסייעת‬
‫לאוורור פנים המבנים גם בשעות הלילה כאשר מערכת הצינון עצמה אינה בפעולה‪.‬‬
‫כונס האוויר יכול להיות כונס בעל פתח שמתכוונן לעבר הרוח‪ .‬כונס מתכוונן יכול להיות מונע בכוח‬
‫הרוח עצמה על ידי פעולת הרוח על זנב מפרש‪ ,‬או מכוח מנוע הניזון מחשמל המיוצר בפנלים‬
‫סולריים ואשר פעולתו מבוקרת על ידי חיישנים לרוח‪ .‬כונס מתכוונן הוא בעל יעילות מקסימלית‪.‬‬
‫הכונס יכול להיות בעל פתחי אוויר סטטיים שבהם מותקנים תריסים חד כווניים‪ .‬תריסים אלה‬
‫מאפשרים כניסת אוויר אל תוך המגדל ומונעים שאיבתו החוצה‪ .‬כמו כן מכוונים התריסים את‬
‫משבי הרוח לכוון זרימה נכון במגדל ומונעים הפרעות העשויות לנבוע ממערבולות אוויר‪.‬‬
‫הכונס בעל פתחי כניסה סטטיים מתאים למגדלים בקוטר גדול‪ ,‬העלויות הקשורות בבנייתו והצבתו‬
‫נמוכות יותר וגם אחזקתו השוטפת פשוטה יותר‪.‬‬
‫‪ .4‬משאבות ומערכת התזת מים‬
‫מערכת התזת המים מורכבת ממספר מתזים המותקנים בראש המגדל‪ .‬ניתן לקבוע את ספיקת המים‬
‫הרצויה לאידוי מים אופטימלי על ידי בחירת מתזים תואמים‪ .‬ניתן להביא להתזה בלחץ מים רגיל‪,‬‬
‫אך במידה ויש צורך להתיז מים בערפול נדרשת משאבה להעלאת לחץ המים‪ .‬בנוסף לאלה‪ ,‬יש צורך‬
‫במשאבה טבולה על מנת לנקז את עודפי המים מתחתית המגדל‪ .‬המשאבה הטבולה מופעלת מידי‬
‫פעם כאשר מצטברים מים מעל גובה מסוים והיא מופעלת על ידי חשמל המוזן מפנלים סולריים‪.‬‬