TECHNIQUE. Cahier. Comparaison du prix de revient de systèmes d éclairage naturel selon les quantités de lumière fournies sur le long terme

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1 Cahier TECHNIQUE Comparaison du prix de revient de systèmes d éclairage naturel selon les quantités de lumière fournies sur le long terme Au moment où l on cherche à réduire les consommations d énergie, à faire baisser la facture électrique, quel rôle économique peut jouer la lumière du jour dans l éclairage du bâtiment? L ENTPE s est livrée à une étude prospective visant à identifier des stratégies d éclairage naturel économiques. Elle montre que, si l éclairage artificiel est indispensable et incontournable, il est possible de concevoir des bâtiments bien éclairés en lumière naturelle, avec des techniques bien maîtrisées. Il y a, dans ce domaine, une marge de progression possible pour éclairer les parties du bâtiment éloignées de l enveloppe. MARC FONTOYNONT DIRECTEUR, LABORATOIRE SCIENCES DE L HABITAT (LASH) DÉPARTEMENT GÉNIE CIVIL ET BÂTIMENT (DGCB) URA CNRS 1652 VAUX-EN-VELIN pilotée par l ENTPE évalue 6 systèmes de récupération de la lumière du jour : lanterneaux, fenêtres de façade, second jour, L ÉTUDE guides de lumière, puits de lumière, association LED/capteurs photovoltaïques. Elle examine «l énergie lumineuse» fournie par chacun d eux. Les techniques ont été comparées sur la base du flux lumineux utile produit pendant la durée de l éclairage sur le plan de travail par année (unité : Mlm.h/an). La devise de référence est l euro. Les performances des systèmes sont rapportées à celles d une installation d éclairage électrique conventionnelle de luminaires plafonniers à tubes fluorescents. L objectif est de donner aux investisseurs les moyens de raisonner en termes de coût global du bâtiment (exploitation et investissements). Pour cela il faut rapporter les coûts à la quantité totale de lumière fournie par les systèmes pendant la période d utilisation du bâtiment. Évaluer le flux lumineux délivré par les systèmes Comparer des techniques d éclairage se heurte à une difficulté : elles ne sont pas parfaitement équivalentes dans leur aptitude à répartir la lumière dans l espace. Les lanterneaux et les luminaires plafonniers fournissent un éclairage zénithal au-dessus du plan de travail. L éclairement décroît à partir du point situé sous la source de lumière. Les systèmes de façade et les techniques de second jour (vitrage intérieur en haut de paroi de séparation) apportent la lumière de façon non uniforme, avec un maximum d éclairement à courte distance de la fenêtre. L éclairement décroît rapidement en fonction de la distance à la fenêtre et l angle d incidence du flux lumineux sur le plan de travail augmente rapidement. Toutefois, pour éviter les discussions sur les schémas de distribution de la lumière sur le plan de travail, nous avons retenu «l éclairement moyen» du plan de travail, et pris comme référence le flux lumineux global. Comparer le flux délivré par les systèmes d éclairage et le flux moyen conduit à calculer l utilance sur le plan utile «U» selon l équation : U = F wp /F in, où F wp est le flux lumineux sur le plan de travail en lumen ; F in, le flux lumineux apporté dans la pièce par les fenêtres ou les luminaires en lumen. Ce paramètre ne dépend pas du ratio fenêtre/surface au sol et du nombre de luminaires dans la pièce. Ce qui évite de s intéresser à la taille des ouvertures. D où la proposition de comparer les solutions d éclairage en se basant sur l énergie lumineuse incidente annuelle qui atteint le plan de travail (en lm.h/an). On notera qu il n est pas utile de tenir compte de l intégralité des données. Par exemple, si les systèmes utilisant l éclairage naturel sont surdimensionnés, une grande partie du flux sera «inutile». Autrement dit, les éclairements seront supérieurs aux spécifications. La comparaison avec d autres systèmes d éclairage ne serait pas «équitable». Nous prenons donc pour hypothèse que les systèmes d éclairage naturel sont raisonnablement dimensionnés. Elle est toutefois plus difficile à appliquer dans le cas des fenêtres de façade, la probabilité d un excédent de flux à 2 mètres de la fenêtre n est pas négligeable. NOVEMBRE/DÉCEMBRE 2005 LUX N

2 Pour nos calculs, nous avons utilisé plusieurs procédures. Les appareils plafonniers ont été simulés avec la seule référence l utilance «U». Pour les guides de lumière naturelle, nous sommes partis de données expérimentales. La simulation des sources naturelles a été réalisée sur le logiciel Lightscape (Autodesk, 1999), modifié par l ENTPE pour les calculs d éclairage naturel. Toutes les fenêtres ont été simulées en convertissant la distribution de l éclairement du ciel en fonction de la distribution lumineuse des appareils d éclairage artificiel (Maamari, 2003). Cette technique correspond d ailleurs aux spécifications d une procédure du type «benchmark» (CIE, 2005). Tous les calculs concernant la lumière naturelle se réfèrent aux données du ciel lyonnais (47.5 N). Pour les systèmes en toiture, nous avons pris en référence l éclairement total (jour et ensoleillement). Cette somme est, à Lyon, de lux sur l ensemble des heures où l éclairement excède 500 lux (4 483 heures). Cela correspond à une énergie lumineuse annuelle de 134,5 Mlm.h/an. Pour les fenêtres verticales, nous avons retenu l orientation nord pour éviter de prendre en compte les paramètres liés à la gestion des stores et nous n avons retenu que la quantité de lumière diffusée et le rôle des obstructions (supposées correspondre à une élévation de 20 ). Dans ce cas, l éclairement moyen est de lux sur une durée annuelle de h. Figure 1. Coupe d un lanterneau Dôme transparent en polycarbonate Résultats Les résultats sont exprimés en coûts actualisés euros par an pour une année de fonctionnement. Les luminaires plafonniers sont des matériels d éclairage électrique conventionnel de gamme économique. Ils sont censés procurer un éclairement de 425 lux sur le plan de travail. Bien qu ils ne fonctionnent que pendant heures sur une année dans les bureaux, nous prenons en compte leur fonctionnement sur l ensemble de la période diurne, sans leur assigner de rôle spécifique aux horaires de bureaux. Le nombre d heures correspondant a été estimé à h/an. Il représente l ensemble des heures où l éclairement horizontal extérieur global dépasse 500 lux. Ce présupposé simplifie le calcul : la totalité de la lumière du jour délivrée par les systèmes à éclairage naturel sera de ce fait pris en compte. Les lanterneaux sont utilisés dans les bâtiments industriels et les grandes surfaces commerciales. Ils occupent environ 4 à 8 % de la surface de toiture. Le ratio d ouverture minimum en France est de 1 %. Cela est lié aux contraintes réglementaires concernant l extraction des fumées en cas d incendie. La plupart des lanterneaux ont un dôme en polycarbonate, ce qui diminue la transmission du flux lumineux. Ils peuvent être répartis de façon régulière sur le toit pour accroître l uniformité de la distribution lumineuse. Sur le papier, le coût de l éclairage est bas. Le système lui-même, peu onéreux, et toute la surface horizontale placée sur le toit récupère environ trois fois plus de lumière qu une surface verticale. Une valeur de l utilance de 0,8 est représentative pour un grand bâtiment où les hauteurs sous plafond sont inférieures à celles de la pièce. Le coût du flux lumineux délivré est donc inférieur à celui de l éclairage électrique (figure 1). Taille d ouverture Niveau du toit Paroi du lanterneau Toiture métallique Les fenêtres de bureau (orientation nord) procurent à la fois le contact visuel avec l extérieur et laissent entrer en grande quantité la lumière du jour. Le ratio de zones éclairées dans l espace intérieur est assez élevé. Nous avons pris en référence la quantité totale de lumière atteignant le plan de travail. Dans cette hypothèse, la quantité importante de lumière disponible à proximité de la fenêtre est supposée compenser son insuffisance à grande distance de la fenêtre. Notre calcul inclut la totalité du flux venant du ciel et non du soleil. Nous avons supposé une hauteur d occultation de 20 (incluant le facteur de réflexion du sol 20 %). Pour le climat lyonnais, durant les heures où l éclairement extérieur horizontal est supérieur à Figure 2. Schéma montrant une fenêtre de façade et une fenêtre de second jour 54 LUX N 235 NOVEMBRE/DÉCEMBRE 2005

3 Figure 3. Second jour 500 lux, l éclairement vertical moyen est de lux. C est avec cette hypothèse que nous avons calculé la distribution de l éclairement à l intérieur du bâtiment (figure 2). Le coût du flux lumineux annuel s élève à trois fois celui que génère un système de toiture. En effet, les raisons majeures sont liées à un plus faible accès de la lumière naturelle (dans un rapport de 1 à 2,5 pour la seule lumière du jour, de 1 à 5 si on intègre la lumière solaire), et à une utilance U des fenêtres verticales qui égale à la moitié de la valeur obtenue pour les systèmes plafonniers. Nous sommes également partis de l hypothèse que la durée de vie d une fenêtre de façade est de 50 ans, de 20 ans lorsqu il s agit d une solution installée en toiture. Les systèmes dits «de second jour» laissent passer dans la pièce adjacente à la pièce en façade une partie du flux de lumière qu elle reçoit. Cette pièce adjacente n est éclairée en lumière du jour que par ce dispositif. La première pièce est celle que nous avons décrite ci-dessus. Nous avons établi nos calculs pour des conditions d éclairement identiques en nous basant sur la même méthodologie. Le calcul montre que la quantité de lumière délivrée est très faible au regard du montant de l investissement et cela en raison du niveau très bas de flux délivré par m 2 de fenêtre ; cette technique se révèle d un coût trente fois plus élevé que celle qui utilise l éclairage par les fenêtres (figure 3). Les guides de lumière sont des systèmes linéaires qui conduisent la lumière au cœur du bâtiment. Ils sont constitués d une partie destinée à «capter» la lumière, située à l extérieur, d une partie destinée à la transporter, et d un système de redistribution du flux lumineux, situé à l intérieur du bâtiment. Ordinairement, ils relient directement la surface du toit aux espaces intérieurs au moyen d un tube vertical. La surface interne du tube est traitée avec un matériau à haut pouvoir réfléchissant. De récents progrès dans la mise au point de films réfléchissants permettent de transporter maintenant des quantités significatives de lumière du jour sur des distances excédant 20 fois le diamètre du guide de lumière (Marty, 2003) (figure 4). Les résultats montrent que ces matériels sont trois fois moins coûteux que des systèmes de second jour, s il n y a qu un niveau de plancher à traverser au-dessus de l espace considéré. Ce coût est largement dépendant du coût des travaux de modification du toit. L utilisation type des guides de lumière nécessite des sections relativement petites, ce qui par conséquent réduit souvent le flux récupéré. En contrepartie, comme le collecteur est souvent placé sur le toit, l efficacité globale est très élevée. En moyenne, 40 % de la lumière entrante est rediffusée à l intérieur du bâtiment sur une distance comprise entre 10 et 20 fois le diamètre du tube. Cet apport peut être très utile dans les zones les plus sombres d un bâtiment. Le potentiel de réduction des coûts liés à cette technologie est très élevé. Dans l hypothèse d une durée de vie de 30 ans, on peut imaginer changer le système tubulaire sans modifier le reste de l installation. Cette opération coûterait environ 600 euros, ce qui ferait considérablement baisser le coût de l énergie lumineuse fournie. Les puits de lumière. Nous avons restreint notre approche aux seuls puits de lumière conçus et construits spécialement pour le bâtiment. Les parois sont recouvertes de peinture réfléchissante, la partie supérieure est fermée par une pyramide de verre à structure aluminium. Le coût obtenu par calcul est quatre fois plus élevé que celui d un guide de lumière. Cela Figure 4. Guide de lumière NOVEMBRE/DÉCEMBRE 2005 LUX N

4 Figure 5. Puit de lumière Dôme Taille d ouverture Aluminium anodisé Diffuseur est lié à la différence d efficacité entre chacun des tubes. Nous avons en effet considéré que les pertes de flux aux deux extrémités, dans les deux systèmes, ne présentaient pas de différence significative. Il faut en revanche prendre en compte la large surface de plancher, située audessus du puits, qui est neutralisée. Un tel espace est rarement disponible. Enfin, la rénovation à long terme paraît difficile (figure 5). Systèmes d éclairage artificiel à LED, fonctionnant sur des panneaux photovoltaïques. La plupart des installations d éclairage associées à des panneaux photovoltaïques nécessitent un stockage sur batterie afin de fournir de l énergie en régime de nuit. Ici, nous proposons un système sans batterie et des sources qui utilisent directement l énergie fournie par les panneaux grâce à un adaptateur de tension et d intensité qui leur fournit un courant continu régulé. Un tel système est en cours de développement et met en œuvre des LED (Marty, 2005). Cette technologie peut être comparée aux systèmes tubulaires de guidage de la lumière naturelle. Ils visent à éclairer le bâtiment en profondeur en utilisant la lumière disponible au niveau du toit. La nuit, le système ne fonctionne pas (figure 6). D après les résultats obtenus, et dans l hypothèse des prix du marché en 2006 (LED blanches de puissance, 30 lm/w à 2 euros/w), le coût de l éclairement est comparable à celui des guides de lumière (figure 7 page 57 et tableau 1). Commentaires Deux technologies ont encore un fort potentiel d économie pour permette à l avenir de réduire les coûts de l éclairage. Les guides de lumière, dont la production mondiale n est que de unités par an. Une augmentation des quantités fabriquées à unités en réduirait considérablement le coût ; si les infrastructures de distribution et d installation se développent, le coût d installation diminuera aussi. Nous estimons ce potentiel à 30 %. Figure 6. Éclairage artificiel LED et panneaux photovoltaïques Contrôleur PHOTO DR 56 LUX N 235 NOVEMBRE/DÉCEMBRE 2005

5 Figure 7. Scénario d éclairage et coûts correspondants ( /Mlm.an) Les solutions techniques comme les systèmes de second jour ne sont pas les plus économiques lorsqu il s agit d apporter la lumière au plus profond du bâtiment. Les guides de lumière et le couple LED/PV à fort potentiel seront probablement attractifs dans les 10 prochaines années. COÛT DURÉE OBJECTIF DE DE L ÉCLAIRAGE DE VIE COÛT POTENTIEL ( / Mlm.h.an) (année) ( / Mlm.an) Luminaires plafonniers tubes fluorescents 6, Lanterneaux 0, ,30 Fenêtres en facade orientées au nord 1, Systèmes de second jour 29, Guides de lumière 8, à 6 Puits de lumière 44, Systèmes photovoltaïques à LED 12,21 40 / 15 8 à 10 Tableau 1. Prix de revient de diverses techniques d éclairage pour des quantités identiques de lumière fournies chaque année sur le plan utile. Des chiffres du tableau on peut déduire qu il existe une possibilité réelle de fournir au bâtiment tout l éclairement dont il a besoin dès lors que les conditions climatiques se situent au-dessus d un seuil minimum de lux sur le plan horizontal en extérieur. Des bâtiments performants sur le plan économique, utilisant beaucoup de lumière naturelle, feraient dans ce cas appel, pendant les heures diurnes, à l ensemble des systèmes décrits. LED/photovoltaïque. Cette technique engage deux champs majeurs de l optoélectronique : l industrie photovoltaïque et l industrie des LED. Pour la première, il y a peu de chance que les coûts baissent si on en reste à la technologie du silicium ; mais, dans les cinq prochaines années, de nouvelles techniques sont prometteuses comme celles qui utilisent les couches minces ou les revêtements en verre. Concernant les LED, les progrès sont tels que l on peut espérer passer d une efficacité lumineuse de 30 lm/w aujourd hui au double dans deux ans, voire 100 lm/w en De toutes les technologies présentées ici, ce couple est probablement celui qui présente la plus grande marge de progrès rapportée au coût de l éclairement délivré. Des valeurs inférieures à 5 /Mlm.h/an sont envisageables. Mais il s agira de lumière artificielle. L étude suggère d étendre l approche à l évaluation du prix horaire d un bon éclairage au lieu de considérer les données d éclairement seules. Mais plus nous entrerons dans le détail, plus le champ deviendra précis, et plus il deviendra difficile de généraliser. En effet, il faudrait inclure les calendriers horaires, la latitude, le coût de l énergie nécessaire à la production, au transport et à l installation des systèmes. Les limites de l étude Il s agissait de produire des données nouvelles sur les possibilités d éclairage à faible consommation d énergie. Il est évident que les données finales dépendent étroitement de l hypothèse de départ : le climat de Lyon, la durée de vie des systèmes, l uniformité de la répartition lumineuse, etc. Cependant, elle a fourni des valeurs économiques associées aux quantités de flux lumineux délivré. Or éclairer un bâtiment est un exercice visant, pour partie, à fournir des lumens là où on en a besoin. La qualité de la lumière fournie est un autre débat. Les intervenants Pascale Avouac Bastie (ENTPE) Laurent Escaffre (Ingélux) Gérald Fernez (Girus) Steve Selkowitz (Head Building Technologies Department) Lawrence Berkeley National Laboratory NOVEMBRE/DÉCEMBRE 2005 LUX N