Etude d éclairage naturel

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1 Techniques & Logiciels Etude d éclairage naturel Présentation de l étude Version 0 Création du document Date 12/03/14 Rédigé par Marion DUPRE Vérifié par Laurent PAYET Présentation de l étude d éclairage naturel Principe L étude d éclairage naturel permet de quantifier l apport de lumière naturelle dans le bâtiment étudié à partir d une modélisation 3D de ce bâtiment et de son environnement. Pour quantifier cet apport, les logiciels de calcul s appuient sur les paramètres suivants : La géométrie du bâtiment, des pièces et des ouvertures Les caractéristiques des menuiseries installées (transmission lumineuse du vitrage, pourcentage de châssis) Les caractéristiques des revêtements intérieurs (couleur, aspect) Les caractéristiques des éventuelles protections solaires Les masques proches extérieurs. L étude d éclairage naturel doit être réalisée le plus en amont possible du projet afin d orienter les choix constructifs, puis mise à jour tout au long du projet. La réalisation de cette étude en amont du projet permet en effet de déterminer les niveaux de performance atteints en fonction du dessin initial des façades et à partir de caractéristiques standards pour les vitrages et les revêtements intérieurs. En fonction des résultats obtenus, en couplant l étude d éclairage naturel avec une étude thermique, des variantes peuvent être étudiées portant notamment sur les paramètres suivants : Pourcentage de surface vitrée Géométrie des ouvertures Page 1

2 Transmission lumineuse des vitrages Coefficients de réflexion lumineuse des revêtements intérieurs. Les résultats obtenus après simulation sont de trois natures : L éclairement naturel, s exprimant en lux, qui représente le flux lumineux reçu par une surface Le Facteur de Lumière du Jour, s exprimant en %, qui est la grandeur utilisée par les certifications HQE et BREEAM La luminance, s exprimant en cd/m², qui permet de qualifier l éblouissement. Ces résultats se présentent sous plusieurs formes : Représentation en fausses couleurs des niveaux d éclairement naturel en lux Courbes isolux Tableau de valeurs FLJ par local selon un maillage paramétrable Représentation en valeurs grises des niveaux de FLJ par local Représentation en fausses couleurs des niveaux de luminance m % m 0.00 Représentation en fausses couleurs des niveaux d'éclairement en lux Représentation en valeurs grises des niveaux de FLJ dans une pièce Un héliodon simulé en parallèle de l étude d éclairage naturel permet d observer les ombres portées des bâtiments en fonction du temps, tout au long de l année. Il détermine ainsi les façades les plus exposées au risque d éblouissement (à coupler avec les résultats de l étude d éclairage naturel), et l influence du bâtiment sur le droit au soleil et à la lumière naturelle des riverains. Dauchez Payet Page 2

3 Définitions Facteur de Lumière du Jour (FLJ) Etude des ombres portées à partir de l'héliodon En éclairage naturel, les exigences d éclairement des certifications HQE et BREEAM s expriment en valeur de Facteur de Lumière du Jour. Ce facteur est le rapport de l éclairement intérieur reçu en un point du plan de référence (en l occurrence le plan de travail) à l éclairement extérieur simultané sur une surface horizontale en site parfaitement dégagé. Il s exprime en %. ( ) Dans les conditions de ciel couvert CIE, les valeurs du FLJ sont indépendantes de l orientation des baies vitrées, de la saison et de l heure. Elles donnent ainsi une mesure de la qualité intrinsèque du bâtiment à capter la lumière naturelle. Zone de premier rang Dans le cadre de la certification HQE, la notion de zone de premier rang est introduite. La zone de premier rang est délimitée en profondeur à une distance égale à deux fois la distance entre le plan de travail (situé à 0,70 m) et la hauteur de plafond. Hauteur sous plafond 2,60m Plan de travail 0,70m 2 x (2,60 0,70) = 3,80m Zone de premier rang Dauchez Payet Page 3

4 Par exemple pour une pièce de hauteur sous plafond de 2,60 m, la zone de premier rang est la zone qui s étend de la façade à 2 * (2,60 0,7) = 3,80 m. L éblouissement et la luminance «L éblouissement est l effet de conditions de vision dans lesquelles l individu subit une réduction de l aptitude à percevoir les objets, pouvant aller jusqu à l aveuglement temporaire.» Il n existe pas d indicateur spécifique pour quantifier le risque d éblouissement associé à l éclairement naturel d un local. Néanmoins, la luminance permet d illustrer le niveau de risque associé à un local. La luminance, qui s exprime en candela par mètre carré (cd/m²), est une grandeur qui décrit la clarté d une surface. Les valeurs typiques de luminance pour des parois intérieures éclairées varient de 25 à 250 cd/m². Un risque d éblouissement existe lorsque les luminances ou rapports de luminance sont trop importants. On peut fixer à environ 400 cd/m² le seuil à partir duquel le risque d éblouissement devient un enjeu. Les logiciels utilisés Illustration de la luminance Le logiciel utilisé par Dauchez Payet pour réaliser l étude FLJ est le logiciel DIALux développé par la société DIAL GmbH, qui permet de réaliser des études d éclairage naturel et artificiel. DIALux permet une saisie graphique à partir de plans 2D. Une modélisation 3D du bâtiment est créée, à laquelle on peut associer des masques proches. Le maillage de calcul est paramétrable et les résultats peuvent être visualisés sous plusieurs formes (représentation en fausses couleurs, représentation en valeurs grises, tableau de valeurs de FLJ, courbes isolux ). Logo de DIALux Le logiciel utilisé par Dauchez Payet pour réaliser les héliodons est le logiciel SketchUp de Google, qui permet de modéliser la volumétrie du bâtiment étudié et des bâtiments alentours et d observer les ombres portées créées par ces bâtiments en fonction du temps. Logo de SketchUp Dauchez Payet Page 4

5 L éclairage naturel et les certifications HQE et BREEAM Lien avec la certification NF HQE Bâtiment Tertiaires Dans le cadre de la certification NF HQE Bâtiments Tertiaires, il est demandé pour la cible 10 «Confort visuel» d effectuer une étude FLJ et de respecter des seuils définis dans le référentiel. ESPACES DE BUREAUX Niveau Base : FLJ 1,2% pour 80% de la surface de la zone de premier rang, dans 80% des locaux concernés (en surface) Niveau Performant : FLJ 2% pour 80% de la surface de la zone de premier rang, dans 80% des locaux concernés (en surface) ET FLJ 1,2% pour 80% de la surface de la zone de premier rang, dans 90% des locaux concernés (en surface) Niveau Très Performant : FLJ 2,5% pour 80% de la surface de la zone de premier rang, dans 80% des locaux concernés (en surface) ET FLJ 1,5% pour 80% de la surface de la zone de premier rang, dans les 20% de locaux concernés restants (en surface) ET FLJ 0,7% pour 90% de la surface de la zone de second rang, dans tous des locaux concernés. Ces exigences s appliquent sur les zones de bureaux. Les seuils sont réduits de 0,5% lorsqu un travail sur écran est prévu. ESPACES ASSOCIES (espace restauration, salles de réunion, espaces détente, hall, infirmerie ) Niveau Très Performant 2 points : FLJ 1% sur 70% de la surface de 70% des espaces sensibles (en surface). Le seuil est réduit de 0,5% lorsque le local est utilisé de façon intermittente. ENTREPOTS DES PLATEFORMES LOGISTIQUES Niveau Très Performant 1 point : FLJ 1% dans 70% des locaux concernés (en surface) Niveau Très Performant 2 points : FLJ 1,5% dans 70% des locaux concernés (en surface) ET FLJ 1% dans les 20% de locaux concernés restants (en surface). ENTREPOTS DES QUAIS DE MESSAGERIE Niveau Performant : FLJ 1,5% dans 70% des locaux concernés (en surface) Niveau Très Performant 2 points : FLJ 2% dans 70% des locaux concernés (en surface) ET FLJ 1,5% dans les 20% de locaux concernés restants (en surface). Dans le cadre de la certification NF HQE Bâtiments Tertiaires, il peut également être réalisé un héliodon pour justifier le droit au soleil et à la lumière naturelle des riverains dans le cadre de la cible 1 «Relation du bâtiment avec son environnement» et la conception bioclimatique (intérêt des brises soleil par exemple) dans le cadre de la cible 4 «Gestion de l énergie». Dauchez Payet Page 5

6 Lien avec la certification BREEAM International New Construction La notion d éclairement naturel est également abordée dans le cadre de la certification BREEAM International New Construction Pour la partie Daylighting du crédit HEA 1 «Visual Comfort», il est demandé d effectuer une étude FLJ et de respecter les seuils suivants, pour les bâtiments autres que résidentiel : FLJ moyen - FLJ moyen 1,7% pour 80% des locaux concernés (en surface) pour les projet situé à une latitude comprise entre 40 et 45 N (Bordeaux, Toulouse, Toulon) - FLJ moyen 1,8% pour 80% des locaux concernés (en surface) pour les projet situé à une latitude comprise entre 45 et 50 N (Paris, Lyon, Nantes, Strasbourg, Grenoble) - FLJ moyen 2% pour 80% des locaux concernés (en surface) pour les projet situé à une latitude comprise entre 50 et 55 N (Lille) FLJ minimum supérieur ou égal à 0,3 fois le FLJ moyen demandé en fonction de la latitude du projet, pour chaque local concerné (donc respectivement 0,51%, 0,54% et 0,6%). La réalisation de l étude par Dauchez Payet La réalisation de l étude d éclairage naturel se décompose en plusieurs étapes, résumées ci-dessous : Saisie du bâtiment Saisie des masques Définition des surfaces de calcul Simulation et analyse des résultats Optimisation et variantes Saisie du bâtiment La première étape consiste en la saisie du bâtiment dans le logiciel à partir des données d entrée recueillies. Si les données d entrée ne sont pas toutes disponibles, l ingénieur en charge de l étude proposera des hypothèses qu il justifiera. La saisie du bâtiment est elle-même décomposée en plusieurs étapes : Saisie géométrique des différents niveaux Orientation du bâtiment Cloisonnement éventuel des niveaux Saisie des vitrages et lanterneaux et de leurs caractéristiques Affectation des coefficients de réflexion lumineuse aux différentes parois (mur, sol, plafond). Saisie des masques Une fois le modèle 3D du bâtiment étudié obtenu, l étape suivante consiste en la saisie de son environnement proche. Les masques à saisir peuvent être de différentes natures en fonction du projet : bâtiments alentours, arbres, protections solaires extérieures. Des coefficients de réflexion lumineuse sont également attribués aux masques en fonction de leur couleur et des matériaux. Dauchez Payet Page 6

7 Définition des surfaces de calcul A partir de la saisie du bâtiment, de ses différents niveaux et pièces, il s agit de définir les surfaces pour lesquelles on souhaite obtenir des résultats et qui seront simulées par le logiciel. Chaque pièce possède au moins une surface de calcul qui correspond à sa zone de premier rang, et éventuellement une deuxième lorsque la zone de second rang est étudiée. Simulation et analyse des résultats Une fois les éléments des étapes précédentes vérifiées, la simulation peut être lancée. Le logiciel calcule l éclairement naturel reçu sur chaque surface de calcul en fonction des caractéristiques de la pièce et de ces masques. Les résultats obtenus sont de plusieurs natures : représentation en fausses couleurs, représentation en valeurs grises, tableau de valeurs de FLJ, courbes isolux Les tableaux de valeurs FLJ de chaque surface de calcul sont extraits et font l objet d un traitement afin d obtenir les scores sous la forme demandée par la certification visée. Le traitement des résultats est donc différent selon que le projet vise une certification HQE (FLJ en pourcentage sur la zone de premier rang) ou une certification BREEAM (FLJ moyen par pièce et FLJ minimum par pièce). Optimisation et variantes Des variantes peuvent ensuite être simulées. Elles seront fonction des objectifs de l étude. Ces variantes peuvent porter sur les protections solaires extérieures et/ou le pourcentage de surface vitrée en couplant cette étude d éclairage naturel à l étude thermique STD, mais également sur les choix des revêtements intérieurs et leur coefficient de réflexion lumineuse correspondant. Données d entrée Les données d entrée nécessaires à la réalisation d une étude d éclairage naturel peuvent être classées en plusieurs catégories. D O N N E E S G E N E RALES E T C O N T E X T U E L L E S Objectif de l étude et périmètre Descriptif général de l opération Dauchez Payet Page 7

8 Adresse exacte du site Photos du site P L A N S, C OUPES ET D E T A I L S A R C H I T E C T U R A U X ( F O R M A T D W G) Plan de situation (avec hauteur des bâtiments alentours) Plan masse Plans de cloisonnement de tous les niveaux Plans de façades Plans de toiture Coupes (hauteurs sous le faux plafond) Détails architecturaux C A R A C T E RISTIQ U E S D E S M E N U I S E R I E S DOE/CCTP/Fiches techniques du lot Menuiseries extérieures Dimensions des menuiseries Plan de repérage des typologies de menuiseries Coefficient de transmission lumineuse (TLg et TLw) Coefficient de cadre ou de clair de vitrage Position par rapport au mur extérieur Caractéristiques des protections solaires extérieures C A R A C T E RISTIQ U E S D E S R E V E T E M E N T S I N T E R I E U RS DOE/CCTP/Fiches techniques du lot Peintures avec plan de repérage et identification des facteurs de réflexion lumineuse DOE/CCTP/Fiches techniques du lot Cloisons/Plâtrerie/Doublage avec plan de repérage et identification des facteurs de réflexion lumineuse DOE/CCTP/Fiches techniques du lot Sols souples avec plan de repérage et identification des facteurs de réflexion lumineuse DOE/CCTP/Fiches techniques du lot Carrelage avec plan de repérage et identification des facteurs de réflexion lumineuse DOE/CCTP/Fiches techniques du lot Faux plafonds avec plan de repérage et identification des facteurs de réflexion lumineuse Livrables Un rapport de synthèse est produit par l ingénieur en charge de l étude. Il comporte les éléments suivants : La présentation du projet La présentation des objectifs de l étude d éclairage naturel Les données de saisie du bâtiment Les hypothèses et les explications sur les données d entrée saisies La présentation graphique de la répartition de l éclairage naturel dans les locaux L analyse des résultats par rapport aux exigences de la (les) certification(s) La présentation des éventuelles variantes et les préconisations qui en découlent pour satisfaire aux exigences Dauchez Payet Page 8

9 Une mise à jour du calcul est effectuée à chaque phase du projet (programme, conception, réalisation) et le rapport est mis à jour à la suite. Limites de l étude L étude, bien que précise, possède néanmoins certaines limites : Le Facteur de Lumière du Jour ne permet pas de prise en compte du soleil direct, de l orientation, du climat Les valeurs réelles des coefficients de réflexion lumineuse des revêtements intérieurs sont difficiles à obtenir auprès des fabricants Une modélisation simplifiée des masques extérieurs proches (bâtiments environnants simplifiés, aménagement paysager souvent non pris en compte ou partiel) Les masques mouvants ne sont pas pris en compte (comme par exemple les flux de camions réguliers devant les bureaux des plateformes logistiques) Les coefficients de réflexion lumineuse des masques extérieurs sont fixés par hypothèses (sol extérieur, bâtiments environnants, arbres ) La hauteur du plan de travail est fixée par les référentiels, et peut être différente de celle du plan de travail réel Le mobilier n est pas pris en compte car l aménagement intérieur n est généralement pas connu Le logiciel ne permet pas de choisir l épaisseur des murs extérieurs, ce qui engendre des incertitudes sur la position des menuiseries par rapport au nu extérieur réel. Dauchez Payet Page 9

10 Synthèse L étude d éclairage naturel permet de quantifier l apport de lumière naturelle dans le bâtiment étudié à partir d une modélisation 3D de ce bâtiment et de son environnement. Cette étude est réalisée à partir des informations suivantes : La description géométrique en 3D du bâtiment (géométrie du bâtiment, des pièces et des ouvertures) L environnement dans lequel se trouve le projet (masques du bâtiment) Les caractéristiques des menuiseries installées (transmission lumineuse du vitrage, pourcentage de châssis) Les caractéristiques des revêtements intérieurs (couleur, aspect). Les résultats obtenus après simulation sont de trois natures : L éclairement naturel, s exprimant en lux, qui représente le flux lumineux reçu par une surface Le Facteur de Lumière du Jour (ou FLJ), s exprimant en %, qui est la grandeur utilisée par les certifications HQE et BREEAM. Ce facteur est le rapport de l éclairement intérieur reçu en un point du plan de référence (le plan de travail) à l éclairement extérieur simultané sur une surface horizontale en site parfaitement dégagé (condition de ciel couvert CIE) La luminance, s exprimant en cd/m², qui permet de qualifier l éblouissement. Dauchez Payet Page 10

11 Sur la base des informations précédentes, et réalisée en amont du projet, l étude d éclairage naturel, couplée à une étude thermique, permet d orienter les choix de conception, notamment sur les sujets suivants : Définir le pourcentage de surface vitrée du bâtiment Optimiser la géométrie des ouvertures Déterminer la transmission lumineuse optimale des vitrages Déterminer les coefficients de réflexion lumineuse optimaux des revêtements intérieurs. Un héliodon peut être simulé en parallèle de l étude d éclairage naturel afin d observer les ombres portées des bâtiments en fonction du temps, tout au long de l année. Il permet ainsi de définir quelles sont les façades les plus exposées au risque d éblouissement (en recoupant avec les résultats de l étude d éclairage naturel), et quelle est l influence du bâtiment sur le droit au soleil et à la lumière naturelle des riverains. Dauchez Payet vous propose la réalisation d études d éclairage naturel pour des bâtiments neufs ou en rénovation, afin de vous accompagner dans vos stratégies de conception bioclimatique et répondre ainsi aux objectifs environnementaux fixés pour le projet. Dauchez Payet Page 11

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