Des chercheurs de l'Iowa State University ont développé un modèle pour tester comment l'ombrage et la circulation de l'air peuvent améliorer les températures intérieures pendant la chaleur étouffante des étés du Midwest.

Nouvelle recherche de Villes Durables, un groupe de recherche dirigé par Ulrike Passe, professeur agrégé d'architecture, montre les effets de l'ombrage des arbres et de l'évapotranspiration sur les températures des bâtiments lors de chaleurs extrêmes dans le Midwest. Sustainable Cities est un projet au sein du Center for Building Energy Research, qui est dirigé par Passe.

L'équipe de recherche de Passe a récemment présenté ses travaux à la conférence Comfort at the Extremes 2019 à Dubaï. L'équipe comprend Passe; Janette Thompson, Morrill Professeur d'écologie et de gestion des ressources naturelles; Baskar Ganapathysubramanian, professeur de génie mécanique; Boshun Gao, doctorat étudiant en génie mécanique; et Breanna Marmur, doctorat étudiant en écologie et gestion des ressources naturelles.

Le Midwest devrait connaître davantage de jours d'humidité et de point de rosée élevés au cours des prochaines décennies. D'ici 2036 à 2065, une année sur 10 devrait connaître un « épisode de chaleur extrême, " définie comme une période de cinq jours plus chaude de 13 degrés qu'une période antérieure comparable, selon l'Évaluation nationale du climat.

Les effets de la chaleur extrême sur les populations vulnérables

Les quartiers à faible revenu sont touchés de manière disproportionnée par les épisodes de chaleur accablante, car de nombreuses maisons manquent de systèmes de climatisation centraux en raison de l'âge du bâtiment ou du coût de l'électricité. Dans le comté de Polk, jusqu'à 50 pour cent des foyers à faible revenu n'ont pas de climatisation centrale.

Alors l'année dernière, l'équipe des villes durables s'est associée à la ville de Des Moines et au département de la santé du comté de Polk pour mener des recherches sur la consommation d'énergie des bâtiments et sur la façon dont ils sont affectés par l'environnement environnant. La ville et le département veulent en savoir plus afin d'aider les populations les plus vulnérables de Des Moines, comme le quartier Capitol East qui a été étudié.

Chauffer un bâtiment est plus facile puisque vous ajoutez de l'énergie. Refroidir un bâtiment avec une climatisation centrale est plus complexe, chasser la chaleur du bâtiment, qui à son tour augmente la température ambiante.

Un problème supplémentaire dans l'Iowa est l'humidité élevée, ce qui augmente significativement la perception d'inconfort en été. Un mouvement d'air plus important dans un bâtiment peut atténuer cet inconfort en refroidissant le corps d'une personne. Ventilation naturelle, en comparaison, nécessite un ombrage pour permettre à l'air plus frais de circuler dans un bâtiment sans l'utilisation de systèmes mécaniques.

"Ma recherche a commencé avec des stratégies de conception passive pour permettre aux architectes d'être mieux en mesure de prédire comment les bâtiments se comporteront lorsqu'ils les conçoivent, " Passe a déclaré. " Prédire la performance exacte des bâtiments conçus avec une ventilation naturelle est difficile à calculer mathématiquement. Pourquoi ne pouvons-nous pas mieux prévoir comment l'air se déplace à l'intérieur et à l'extérieur des bâtiments ? Il y a des siècles de bons exemples, mais ils ont été conçus intuitivement. Et nous avons donné cette connaissance à cause de l'air forcé."

Comment fonctionne le modèle

D'abord, l'équipe de recherche de l'ISU a inventorié les 1, 142 arbres et 340 bâtiments dans leur quartier d'étude. Les données de l'arbre incluent la taille, emplacement, espèces et la forme de la canopée. Ces données ont été intégrées dans un modèle informatique 3D développé par l'équipe Sustainable Cities pour simuler les effets des arbres sur la consommation d'énergie d'un bâtiment. Le modèle est basé sur les travaux du laboratoire de conception durable du MIT dirigé par Christoph Reinhart, professeur d'architecture.

Alors que les modèles énergétiques courants montrent les bâtiments comme des objets autonomes, le nouveau modèle de l'équipe ISU Sustainable Cities montre non seulement l'apport énergétique des bâtiments voisins, mais aussi l'impact de l'environnement environnant, comme les arbres.

Évidemment, l'ombre portée par les arbres aide au refroidissement. Mais cette équipe a ajouté quelque chose de nouveau à la recherche, étudier à la fois l'ombrage des arbres et le refroidissement par évapotranspiration :lorsque les rayons du soleil frappent la canopée d'un arbre, l'eau s'évapore des feuilles, en les refroidissant et en réduisant la température de l'air environnant. Ces effets peuvent réduire la consommation d'énergie d'un bâtiment voisin et améliorer le confort intérieur et extérieur pour le refroidissement en été.

"Une question clé est, Pouvons-nous tirer parti des arbres et de l'aménagement paysager pour compenser les besoins énergétiques des bâtiments et produire des conditions de vie en utilisant peu ou pas d'énergie ?", a déclaré Ganapathysubramanian.

Avec un nouveau modèle et des capacités de "maillage" (un processus affiné par Gao pour simuler parfaitement la relation entre les arbres, immeubles, température de l'air et mouvement de l'air), les chercheurs de l'État de l'Iowa peuvent maintenant voir comment les arbres de différentes hauteurs et distances des bâtiments affectent la température du mur extérieur et le flux d'air environnant.

"Nous développons des modèles basés sur les données et des modèles de dynamique des fluides informatiques basés sur la physique pour voir si un bâtiment peut fonctionner avec des flux d'air naturels, ou s'il a besoin de climatisation, " Passe a déclaré. "Ces modèles sont nécessaires dans les cas de chaleur extrême lorsque le courant est coupé."

Les premiers résultats montrent que différents aménagements paysagers peuvent améliorer le contrôle de la température dans les bâtiments en cas de chaleur extrême, puisque les arbres fournissent de l'ombre, blocage des radiations et refroidissement par évapotranspiration. Plus un arbre est proche d'une maison, l'impact plus important qu'il a sur la réduction de la température et la déviation de la lumière directe du soleil. L'équipe a découvert qu'un arbre plus gros à côté d'une maison réduisait la température de surface du bâtiment jusqu'à 20 %. Cette recherche a des implications pour un meilleur placement des fenêtres sur les murs et les toits lors de la conception des maisons pour permettre une meilleure circulation de l'air et une ventilation naturelle.

Les recherches futures visent à améliorer les systèmes d'alerte lors d'épisodes de chaleur extrême. Cet été, Les membres de l'équipe Villes durables Michael Dorneich, professeur agrégé d'ingénierie des systèmes industriels et de fabrication; et son doctorat étudiant, Jacklin Stonewall, travaillent sur un prototype d'application mobile dans laquelle les utilisateurs pourraient saisir des informations sur leur maison (température, etc.). Le crowdsourcing de ces informations pourrait aider les responsables de la santé à améliorer les systèmes d'alerte et à cibler les messages liés à la chaleur dans les quartiers particulièrement vulnérables.

« Il est bien connu que les quartiers aux ressources limitées sont grandement affectés par les événements météorologiques extrêmes, chaleur particulièrement extrême, ", a déclaré Thompson. "Les personnes âgées et celles qui ont moins de ressources sont les plus vulnérables à la chaleur extrême et aussi les plus réticentes à utiliser les services communautaires tels que les transports publics et les centres de refroidissement.

"Ce qui nous motive vraiment, c'est de trouver des moyens moins coûteux de rendre le monde meilleur pour les personnes particulièrement vulnérables."