Rare Book & Beinecke Manuscript Library, Université Yale

New Haven, Connecticut, États-Unis

Créer des conditions sécurisées pour certains des livres les plus précieux du monde

La Beinecke Rare Book & Manuscript Library (Bibliothèque Beinecke de livres rares et manuscrits) possède l'une des plus grandes collections de livres rares au monde. Le bâtiment, conçu par Bunshaft Gordon, abrite la plupart des avoirs de la bibliothèque qui compte environ un million d'articles. En plus de sa remarquable collection, la Beinecke est connue pour son architecture. Les célèbres façades du bâtiment sont composées en grande partie de panneaux de marbre translucide qui filtrent la lumière du jour afin de protéger les objets précieux à l’intérieur et qui illuminent la bibliothèque la nuit lorsqu'elle est éclairée de l’intérieur. En 2015, 52 ans après son ouverture, la Beinecke a entrepris des rénovations majeures. 

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  • Le défi

    L’amélioration du chauffage ainsi que du système de ventilation et de climatisation (CVC) du bâtiment à des fins de conservation est ce qui a principalement motivé ces rénovations. Nous avons collaboré étroitement avec les ingénieurs en mécanique du projet (WSP Group) afin d'évaluer les différents systèmes de ventilation possibles et nous avons entrepris des analyses détaillées dans le but d'évaluer le rendement des systèmes de CVC proposés. La précision était cruciale : la Beinecke a besoin de systèmes de contrôle de la température et de l'humidité précis afin de s’assurer que sa collection inestimable — dont une bible de Gutenberg, une première édition du Paradis perdu et d’innombrables autres trésors fragiles — pourra continuer à résister à l’épreuve du temps.

  • Notre approche

    En collaboration avec les ingénieurs en mécanique, nous avons identifié trois zones où la modélisation informatique pourrait s’avérer utile dans l’évaluation de la performance du système CVC proposé. Deux des zones ciblées pour l'étude se trouvaient dans la « tour de verre » de la bibliothèque, une boîte de verre de six étages s’élevant au centre de l’édifice et contenant environ 200 000 volumes. L'autre était la zone de la grande baie, l'espace à l'intérieur de l'enveloppe du bâtiment, mais hors de la tour de verre centrale. Nous avons effectué plusieurs analyses de la mécanique des fluides numérique (CFD) afin d'évaluer la performance du système actuel et celle de celui qui était proposé.

    Dans les zones à l'intérieur de la tour de verre, l'objectif principal de notre modélisation CFD était de fournir des informations qui éclaireraient la conception du nouveau système afin d'améliorer l'uniformité des conditions dans tous les espaces. Nous avons entrepris d'analyser l'efficacité du système existant en déterminant avec précision les zones qui étaient trop ou pas assez ventilées. Nous avons procédé à des expériences en faisant varier la distribution et la quantité de l'air d'alimentation. Nous avons quantifié dans quelle mesure divers ajustements amélioreraient l'uniformité de la température de l'air et le taux de renouvellement d'air local. Nous avons également déterminé des zones d'air frais et d'air vicié.

    Notre étude de la ventilation pour la zone de la grande baie visait à répondre à plusieurs questions qui aideraient les concepteurs du système de CVC à stabiliser la température et l'humidité des documents de la bibliothèque de façon maximale. Contrairement à la plupart des bâtiments du nord des États-Unis qui possèdent des murs isolés, la Beinecke se distingue par son enveloppe de marbre et de granit, exposée à l'intérieur et à l'extérieur dans le but de permettre à la lumière de la traverser. Les panneaux de marbre de 1,5 pouce d'épaisseur qui composent les célèbres façades du bâtiment ont posé des problèmes uniques de perte de chaleur et de condensation auxquels notre analyse devait répondre.

    Notre modélisation CFD mettait l’emphase sur les points suivants :

    • quantifier les conditions météorologiques admissibles les plus exigeantes lors des hivers froids et des étés chauds de New Haven;
    • comprendre les risques de condensation et de gel associés aux panneaux de marbre dans diverses conditions météorologiques et préciser les niveaux d'humidité intérieure qui seraient acceptables;
    • estimer la capacité requise relativement au chauffage et au refroidissement, et déterminer la distribution appropriée pour l'alimentation en air chaud et froid; et
    • anticiper les valeurs et la fréquence de la pression d'air interne positive et négative ainsi qu’établir des taux appropriés d'alimentation en air extérieur. 

    Pour obtenir ces informations, nous avons dû produire un portrait détaillé de l'écoulement de l'air et de l'humidité dans diverses zones de la Beinecke. Nous avons commencé en divisant le volume d'air dans l'espace en 8 millions de cellules de calcul, fractionnant le volume en cellules plus petites près des secteurs d'intérêt. Nous avons recueilli plus d'informations détaillées près des murs afin de mieux prévoir le transfert de chaleur à travers les parois solides et comprendre comment l'air s'écoulerait sur la surface des murs. Nous avons utilisé la même approche près des diffuseurs d'air d'alimentation afin d'enregistrer la trajectoire et la diffusion des jets d'air.

  • Le résultat

    Notre analyse CFD a révélé qu'en plus du transfert de chaleur par convection intérieur et extérieur, qui touche les bâtiments courants, la Beinecke a été soumise à un important transfert de chaleur par rayonnement à onde longue de surface à surface. Le compte rendu détaillé de la physique du bâtiment que nous avons pu réaliser grâce à l'analyse CFD nous a permis d'offrir à WSP Group, nos collaborateurs sur ce projet, des estimations plus précises de la perte de chaleur par l'enveloppe dans l'espace de la grande baie que les méthodes d'ingénierie traditionnelles n'auraient pu permettre. L'analyse CFD des systèmes de ventilation existants et proposés dans les zones où se trouvent les étagères a également permis à l'équipe de conception de prendre des décisions éclairées afin d'améliorer les systèmes de distribution et d’alimentation en air. Notre analyse a permis à nos partenaires d'aller de l'avant avec les travaux tout en sachant que le plan de rénovation proposé pourrait, pour le bien des futures générations d'étudiants et de chercheurs de la Beinecke, préserver ce trésor unique composé de lettres, manuscrits, cartes et livres.