Още древните строители са знаели как да увеличат енергийната ефективност чрез покривните линии

Вероятно мнозина са забелязвали, че за определен район всички покриви изглеждат с еднакви пропорции. Който е учил малко архитектура или строителство, знае, че наклоните на покривите е свързан със средното количество снежни валежи -  в планините и в северните страни, покривите са по-островърхи, а на юг стават по-полегати или направо плоски. Задържащият се сняг натоварва покривните конструкции, а вместо да влагаме по-здрави материали, може да го накараме да се подхлъзне и облекчи покрива.

Но един професор по машинно инженерство в Университета Дюк, Адриан Бежан (Adrian Bejan), докато е гостуващ преподавател в Беневенто, край Неапол, Италия, му хрумва друго обяснение за пропорциите на покривите в местната архитектура. Той забелязва, че с твърде ниско било са по-малките, по-стари постройки, групирани заедно.

Експерт в областта на термодинамиката и движението и потока на топлината, Бежан изчислил потока и преноса на топлина в две сходни форми: дълъг покрив с триъгълно сечение и кръгъл конусовиден покрив.

Резултатите, получени в сътрудничество с Пежман Марданпур (Pezhman Mardanpour), доцент по машинно инженерство и материалознание в Международния университет на Флорида, са публикувани онлайн на 28 март в списание International Communications of Heat and Mass Transfer. Те показват, че има форми на покриви, които максимално увеличават задържането на топлина - по-старото поколение италиански архитекти са знаели какво правят.

"Въздушните джобове са добри изолатори, а таванските помещения по същество са просто различни по форма въздушни джобове", обяснява Бежан. "Въпреки че днес пестенето на енергия е популярна дума, в минали години то е било въпрос на оцеляване."

Детайлите, свързани с формата и височината на покрива, определят как ще действа въздухът в него. При един-единствен връх на А-образна рамка или кръгъл конус, ако този връх е висок по-малко от 1 метър, въздухът ще се движи плавно и равномерно през него като вода, която се стича по стената. Но ако билото е по-високо от метър, въздухът ще се върти хаотично като дим, развълнуван от вятъра.

Въз основа на физиката на тези въздушни потоци и преноса на топлина, ако билото на покрива е по-ниско от приблизително един метър, то покривът трябва да е около три до четири пъти по-широк от височината му, за да се сведат до минимум топлинните загуби. А ако билото на покрива е по-високо от един метър, той трябва да представлява триъгълник между равностранен и равнобедрен триъгълник с равни височина и ширина.

Може би не е изненадващо, че това са приблизително същите съотношения, които могат да бъдат открити в безброй стари, скромни жилища, създадени по целия свят. И те са доста близки до покривните линии, които Бежан е видял тогава в Южна Италия.

Перфектните пропорции за покрив, които според физиката максимизират енергийната ефективност на сградата. При ламинарно движение на флуидите всяка елементарна струйка се движи успоредно на всяка друга, а при турбулентно движение, процесът е хаотичен, бурен. Кредит: A. Bejanet al; Duke University

"Този тип прозрения не е трудно да се рационализират, но е лесно да се пренебрегнат, въпреки че има примери навсякъде", отбелязва Бежан. "Важно е нашите ученици - и техните преподаватели - да отворят въображението си и да се запитат защо нещата са такива, каквито са."

Макар Бежан да се съмнява, че архитектите от миналото са прилагали термодинамиката при проектирането на покривите си, той също така не смята, че формите им са били случайни. Той обяснява, че не е трудно да си представим как откриваме, че домът на един съсед е по-топъл от този на друг и копираме дизайна му многократно в продължение на много години.

Това е урок, смята професорът, който съвременните архитекти също биха могли да обмислят.

"Съвременните домове и сгради се проектират така, че да бъдат възможно най-енергийно ефективни", коментира Бежан. "Но доколкото ми е известно, никой не разглежда физическата форма на сградата или на "нещо друго" като превозно средство като променлива, която може да помогне за тази ефективност, а може би трябва да го направим."

Справка: A. Bejan, P. Mardanpour. Why people shape roofs the same way. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2025; 164: 108909 DOI: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2025.108909

Източник: Physics Reveals the Optimal Roof Ratios for Home Energy Efficiency, Duke University