Performance Analysis of the Two-Story Windcatcher of Aghazadeh House Using Computational Fluid Dynamics (CFD) Modeling

Subject Areas : architecture

Mahdi Motamedmanesh ¹ , Hananeh Mohammadi ² , Mahya Sarlak ³

1 - Assistant Professor of Architecture, Faculty of Arts and Architecture, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran.
2 - Master Student of Architecture, Faculty of Arts and Architecture, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran.
3 - Master Student of Architecture, Faculty of Arts and Architecture, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran.

Received: 2025-02-02 Accepted : 2025-05-30 Published : 2025-07-15

Keywords: Windcatcher, Two-Story Windcatcher, Passive Ventilation, CFD Modeling, Sustainable Architecture,

Abstract :

Traditional Iranian architecture demonstrates an extraordinary ability to harmonize with the natural environment, employing indigenous knowledge to develop sustainable strategies for thermal comfort and energy efficiency. Among its most fascinating innovations stands the Aghazadeh House in Abarkuh, Iran, renowned for its exceptional two-story windcatcher (Badgir), a feature seldom observed in vernacular Iranian architecture. This research explores the unique functional attributes and aerodynamic advantages of the Aghazadeh House’s two-tier windcatcher, analyzing its behavior through computational fluid dynamics (CFD) simulations supported by principles of fluid mechanics. Windcatchers have historically played a vital role in passive cooling strategies across hot and arid regions of the Iranian Plateau, significantly minimizing reliance on mechanical ventilation systems. While single-story windcatchers are widely found across Iran’s historic buildings, the dual-level design of the Aghazadeh windcatcher raises important questions regarding its performance superiority over conventional forms. Specifically, this study investigates whether the added upper tier—by virtue of its height, specific geometry, and placement—enhances airflow dynamics, cooling efficiency, and indoor air quality
Employing a mixed-methods research approach, the study integrates qualitative historical analysis with rigorous quantitative CFD modeling. Field surveys, architectural documentation, and digital modeling using DesignBuilder software form the methodological foundation. Local climatic data—especially wind speed and direction from the EPW climate dataset for Abarkuh—provide the environmental context for simulations. Two primary configurations were analyzed: the existing twotier windcatcher and a modified single-tier version derived by computationally removing the upper level. CFD analysis assessed airflow velocity, pressure gradients, direction, and thermal performance within and around the unique structure. Findings show that the second tier significantly improves airflow management inside the building. Situated at a higher elevation, it captures stronger and cleaner air while reducing intake of hot, dust-laden air from lower altitudes. Air velocities up to 3.5 m/s were recorded at the upper openings, compared to 0.5–2.5 m/s in the lower tier—demonstrating a stronger induction effect. Pressure differential analysis confirms that the two-tier system supports bi-directional airflow—both intake and exhaust—even under low wind conditions. This vertical separation of airflow layers contributes to a more continuous and stable natural ventilation cycle
Compared to conventional single-tier designs, the Aghazadeh windcatcher provides higher air exchange rates, improved
thermal regulation, and superior indoor air quality. The upper tier functions not only as a secondary wind intake but also
as an auxiliary outlet, facilitating smoother airflow and mitigating temperature fluctuations in interior spaces. Its dualfunctionality results in a more balanced and effective passive ventilation system
This study highlights the engineering ingenuity of traditional Iranian architecture and emphasizes its relevance for
contemporary sustainable design. As modern architecture faces the pressing challenges of increased energy use and climate responsiveness, reviving ancient passive cooling methods—such as multi-tiered windcatchers—offers promising, lowenergy alternatives to mechanical HVAC systems. Integrating these proven, context-responsive technologies into modern architectural practice could advance energy efficiency, reduce carbon emissions, and promote environmentally responsible design, particularly in hot and arid regions all over the world

References:

1. اسدی، لادن؛ سعیدی، آیدین؛ و بیک محمدی، امیرحسام. (1391). مفهوم باد در فرهنگ ایرانی و چگونگی عملکرد آن در معماری سنتی کویر. همایش ملی باد و خورشید. https://civilica.com/doc/183903
2. آقایی، یاشگین؛ و کاراحمدی، مهران. (1401). نقش بادگیرهای اقلیم گرم و خشک در پایداری زیست محیطی (نمونه موردی: باغ دولت‌آباد یزد). کنفرانس ملی شهرسازی، معماری، عمران و محیط زیست. https://sid.ir/paper/1022697/fa
3. بهادری‌نژاد، مهدی؛ و دهقانی، علیرضا. (1392). بادگیر شاهکار مهندسی ایران. تهران: نشر یزدا. https://www.gisoom.com/book/
4. پیوسته‌گر، یعقوب؛ حیدری، علی‌اکبر؛ و اسلامی، مطهره. (1396). بازشناسی اصول پنجگانه استاد پیرنیا در معماری خانه‌های سنتی ایران و تحلیل آن با استناد به منابع اعتقاد اسلامی (مطالعه موردی: خانه‌های شهر یزد). مطالعات شهر ایرانی-اسلامی، دوره 7 (27)، 66-51. https://www.sid.ir/paper/177423/fa
5. جلالی‌زاده، محمد. (1401). تنظیم شرایط محیطی. تهران: آکادمی تخصصی معماری. https://www.academymemari.com
6. حکیمی، شیده؛ هاشمی‌زاده، الهه سادات؛ و طرفی، نیوشا. (1394). بررسی چگونگی تطابق بادگیرهای سنتی با معماری امروز (بادگیرهای مدرن). همایش بین المللی ایده‌های نو در معماری و شهرسازی. https://www.sid.ir/paper/823425/fa
7. دهخدا، علی اکبر. (1319). لغت‌نامه دهخدا. تهران: چاپخانه بانک ملی. https://www.gisoom.com
8. ذاکر عاملی، لیلا؛ مظفر، فرهنگ؛ و ابوئی، رضا. (1391). پیدایش بادگیر در خانه‌های دشت یزد-اردکان. مرمت و معماری ایران، سال دوم (3)، 28-15. https://mmi.aui.ac.ir/article-1-803-fa.html
9. زمرشیدی، حسین (1377). معماري ایران اجراي ساختمان با مصالح سنتی. تهران: انتشارات آزاده. https://www.gisoom.com
10. صدیق، فریبا؛ مرادی، معین؛ و ولی اللهی، حمیده. (1392). راهکارهایی در جهت بهره‌گیری از انرژی باد در ساختمان‌های مسکونی. کنفرانس بین المللی توسعه پایدار و عمران شهری. https://civilica.com/doc/462124/
11‌ کرباسفروشها، محمدعلی؛ حبیب، فرشته؛ و ذبیحی، حسین. (1401). تحلیل رفتار هیدرودینامیکی بادگیرها در میانگین دمای داخلی سکونتگاه‌های اقلیم نیمه گرم و خشک کاشان با هدف کارایی بیشتر. هویت شهر، 49، 58-49. https://sanad.iau.ir/fa/Article/793598?FullText=FullText
12. گروت، لیندا و وانگ، دیوید (1396). روش‌های تحقیق در معماری، ترجمه علیرضا عینی‌فر، تهران: انتشارات دانشگاه تهران. . https://www.gisoom.com
13. مفیدی شمیرانی، سید مجید؛ و محمودی، مهناز. (1387). تحلیلی بر گونه‌شناسی معماری بادگیرهای یزد و یافتن گونه بهینه کارکردی. نشریه هنرهای زیبا، شماره 36، 36-27. https://journals.ut.ac.ir/article_27346.html
14. معماریان، غلامحسین. (1375). آشنایی با معماري مسکونی ایران گونه‌شناسی درونگرا. تهران: انتشارات دانشگاه علم و صنعت ایران https://publication.iust.ac.ir/ .
15. محمودی، مهناز؛ و مفیدی شمیرانی، سید مجید. (1387). هویت ایرانی بادگیر و پیشینه یابی آن در معماری ایران. هویت شهر، شماره 2 (2)، 33-25. https://sanad.iau.ir/Journal/hoviatshahr/Article/795322/FullText
16. وزارت میراث فرهنگی، گردشگری و صنایع دستی. بدون تاريخ. خانه آقازاده. پرونده ثبتی.
17. هاشمی زرج‌آباد، حسن؛ و مسعودی، ذبیح الله (1391). بادگیر؛ شاهکار مهندسی معماری سنتی ایران در حاشیه کویر تحلیلی بر گونه‌شناسی معماری بادگیر در خراسان جنوبی. مطالعات اجتماعی و فرهنگی خراسان، دوره 6، شماره 4، 198-166
18. هدایت، ژاله؛ عمادیان رضوی، سیده زینب؛ و آیت اللهی، سید محمد حسین. (1398). دستیابی به الگوهای رفتاری باد در بادگیرهای سنتی یزد براساس اندازه‌گیری بلند مدت عوامل اقلیمی (نمونه موردی: بادگیر خانه مرتاض). معماری اقلیم گرم و خشک، شماره 10، 69-53. https://smb.yazd.ac.ir/article_1782.html

19. Jomehzadeh, F., Hussen, H. M., Calautit, J. K., Nejat, P., & Ferwati, M. S. (2020). Natural Ventilation by Windcatcher (Badgir): A Review on the Impacts of Geometry, Microclimate and Macroclimate. Energy and Buildings, 226, 110396. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.110396
20. Liu, M., Nejat, P., Cao, P., Jimenez-Bescos, C., & Calautit, J. K. (2024). A Critical Review of Windcatcher Ventilation: Micro-environment, Techno-economics, and Commercialisation. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 191, 114048. https://doi.org/10.1016/j.rser.2023.114048
21. Li, L., & Mak, C. M. (2007). The Assessment of the Performance of a Windcatcher System Using Computational Fluid Dynamics. Building and environment, 42(3), 1135-1141. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2005.12.015
22. Pirhayati, M. Ainechi, Sh. Torkjaziand, M and Ashrafi, E. (2013). Ancient Iran, the Origin Land of wind Catcher in the World. Research Journal of Environmental and Earth Sciences 5.8: 433-439. https://citeseerx.ist.psu.edu/document?repid=rep1&type=pdf&doi=1b76f5e4deb1eb6a48d358e9e547a5f261d1fa23
23. Saadatian, O., Haw, L. C., Sopian, K., & Sulaiman, M. Y. (2012). Review of Windcatcher Technologies. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(3), 1477-1495. https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.11.037
24. Sirror, Hala. (2024) Innovative Approaches to Windcatcher Design: A Review on Balancing Tradition Sustainability and Modern Technologies for Enhanced Performance. Energies 17.22, 5770. https://www.mdpi.com/1996-1073/17/22/5770
25. www.onebuilding.org , 2024