La physique révèle les rapports de toit optimaux pour l’efficacité énergétique

Tout en étant professeur invité à Bénévent, à l’extérieur de Naples, en Italie, Adrian Bejan a remarqué quelque chose sur l’architecture locale: tous les toits se ressemblaient. Avec ce qui semblait être des pics trop sur des structures plus petites et plus anciennes regroupées, c’était peut-être juste le style de l’époque.

Ou peut-être que les anciens constructeurs romains avaient été sur quelque chose. Un expert en thermodynamique et le mouvement et le flux de chaleur, Bejan, le professeur distingué de Ja Jones de génie mécanique à Duke, était la personne parfaite pour détecter une réponse.

Assis avec un crayon et du papier, Bejan a traversé les équations et les calculs qui régissent le flux de chaleur et le transfert sous deux formes similaires: un long toit avec une section transversale triangulaire et un cône circulaire.

Les résultats, obtenus en collaboration avec Pezhman Mardanpour, professeur adjoint d’ingénierie mécanique et matériaux à la Florida International University, sont publiés dans Communications internationales dans la chaleur et le transfert de masse. Ils ont montré qu’il existe en effet des formes de toit qui maximisent la rétention de chaleur – la génération plus âgée d’architectes italiens savait ce qu’ils faisaient.

“Les poches d’air sont de bons isolateurs, et les greniers ne sont essentiellement que des poches d’air de forme différente”, a déclaré Bejan. “Alors que la conservation de l’énergie est un mot à la mode populaire aujourd’hui, depuis des années, c’était une question de survie.”

Les détails de la façon dont Squat ou une ligne de toit déterminent comment l’air à l’intérieur agira. Étant donné un seul pic sur un cadre en A ou un cône circulaire, si ce pic mesure inférieur à trois pieds, l’air s’écoulera en douceur et uniformément à travers, comme une eau en train de craquer sur le côté d’un évier. Mais si le pic mesure plus de trois pieds de haut, l’air dégringolera chaotiquement comme de la fumée agitant sauvagement dans le vent.

Sur la base de la physique de ces flux d’air et du transfert de chaleur, si un pic de toit est plus court que environ trois pieds, il devrait être environ trois ou quatre fois plus large qu’il est grand pour minimiser la perte de chaleur. Et si un pic de toit est plus haut de trois pieds, il devrait être un triangle équilatéral avec un rapport hauteur / largeur d’un.

Sans surprise, ce sont à peu près les mêmes ratios qui peuvent être trouvés dans d’innombrables logements anciens et modestes créés à travers le monde. Et ils sont assez proches des lignes de toit que Bejan a vues ce jour-là dans le sud de l’Italie.

“Ce type de perspicacité n’est pas difficile à rationaliser, mais il est facile à ignorer même s’il y a des exemples partout”, a déclaré Bejan. “C’est important pour nos étudiants – et leurs professeurs – pour ouvrir leur imagination et demander pourquoi les choses sont la façon dont ils sont.”

Alors que Bejan doute que les architectes des jours passés appliquaient la thermodynamique à leurs conceptions de toit, il ne pense pas non plus que leurs formes étaient accidentelles. Ce n’est pas difficile à imaginer, dit-il, découvrant que la maison d’un voisin est plus chaude que celle d’un autre et copie sa conception à plusieurs reprises pendant de nombreuses années.

C’est une leçon, dit-il, que les architectes modernes pourraient également considérer.

“Les maisons et les bâtiments d’aujourd’hui sont conçus pour être aussi économe en énergie que possible”, a déclaré Bejan. “Mais à ma connaissance, personne ne considère la forme physique du bâtiment, ou toute« chose »comme un véhicule ou un animal, comme une variable qui pourrait aider avec cette efficacité, et peut-être que nous devrions l’être.