Éclairage naturel L5C 2009/2010. Aurore BONNET

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1 Éclairage naturel L5C 2009/2010 Aurore BONNET

2 Introduction : Les 2 aspects de l éclairage naturel :

3 Introduction : Les 2 aspects de l éclairage naturel : l ensoleillement et l éclairage diffus L ENSOLEILLEMENT renvoi à l étude : de la course du soleil (c est-à-dire à différent moment du jour et de l année), de la pénétration de la lumière naturelle dans un bâtiment ou un espace public, de la durée d exposition aux rayons solaires dont bénéficie un local, de protections solaires éventuelles, etc.

4 Introduction : Les 2 aspects de l éclairage naturel : l ensoleillement et l éclairage diffus L ÉCLAIRAGE DIFFUS désigne l éclairage fourni par la voûte céleste, sans les rayons solaires directs. Ainsi la quantité d éclairage naturel est directement dépendante : des conditions spatio-temporelles (latitude, jour, heure), des conditions météorologiques (conditions de ciel), des dimensions et de la position des ouvertures, de la nature des matériaux de vitrage, de l orientation des ouvertures, de la présence de masques à l extérieur, des facteurs de réflexion des parois intérieures.

5 Introduction : Plan du cours Introduction : Les 2 aspects de l éclairage naturel : l ensoleillement et l éclairage diffus 1 La photométrie : Le flux lumineux L éclairement La luminance 2 L éclairage diffus : Les conditions de ciel Le facteur de lumière du jour La convention actuelle pour l éclairage diffus 3 L ensoleillement : Les coordonnées angulaires du soleil Le diagramme solaire Construire un diagramme solaire Conclusion : La maison de verre. Un film de Richard Copans et Stan Neumann. (Architecte : Pierre Chareau, Paris ). DVD Arte Vidéo, collection Architectures (4), 2005.

6 1 La photométrie : Le but de la photométrie est de quantifier les grandeurs relatives au rayonnement lumineux en fonction de l impression visuelle produite (qualité de la lumière). Les différentes grandeurs photométriques sont : le flux lumineux, l intensité lumineuse, l éclairement, la luminance.

7 1 La photométrie : LE FLUX LUMINEUX Le flux lumineux Φ d une source lumineuse est l évaluation, selon la sensibilité de l œil, de la quantité de lumière rayonnée dans tout l espace par cette source. Le flux lumineux Φ s exprime en lumen (lm). L efficacité lumineuse (ou rendement lumineux) η d une source est le quotient de son flux lumineux Φ par sa puissance P. η = Φ/P (lm/w) Elle s exprime en lm/w.

8 1 La photométrie : LE FLUX LUMINEUX Le flux lumineux Φ d une source lumineuse est l évaluation, selon la sensibilité de l œil, de la quantité de lumière rayonnée dans tout l espace par cette source. Le flux lumineux Φ s exprime en lumen (lm). L efficacité lumineuse (ou rendement lumineux) η d une source est le quotient de son flux lumineux Φ par sa puissance P. η = Φ/P (lm/w) Elle s exprime en lm/w.

9 1 La photométrie : L ÉCLAIREMENT L éclairement E d une surface est le rapport du flux lumineux reçu à l aire de cette surface. E = Φ/S (lx) Son unité est le lux qui équivaut à 1lm/m 2. L éclairement caractérise donc la quantité de lumière reçue par une surface. Cependant, cette grandeur est très difficilement perceptible par l œil humain. Du fait de ses capacités d adaptation, l œil évalue en réalité des différences d éclairement dans l espace ou dans le temps.

10 1 La photométrie : L ÉCLAIREMENT

11 1 La photométrie : LA LUMINANCE La luminance L d une source est le rapport entre l intensité lumineuse émise dans une direction, et la surface apparente de la source lumineuse dans la direction considérée. L = I/S apparente (cd/m 2 ) La luminance s exprime en candéla (cd) par m 2. La luminance d une surface dépend de l éclairement de cette surface, de son coefficient de réflexion et de sa brillance.

12 1 La photométrie : LA LUMINANCE La luminance est la seule grandeur photométrique réellement perçue par l œil humain.

13 2 L éclairage diffus : Les conditions d éclairement d un espace intérieur vont directement dépendre de la lumière disponible à l extérieur. La lumière disponible à l extérieur est dépendante des conditions de ciel, c est-à-dire de la météorologie ou autrement dit de la couche nuageuse.

14 2 L éclairage diffus : LES CONDITIONS DE CIEL Les nuages réduisent de façon significative l éclairement. En été, par ciel serein, l éclairement horizontal au niveau de la mer peut atteindre lx. En hiver, sous nos latitudes, par ciel couvert, l éclairement horizontal extérieur peut être inférieur à 5000 lx. Ciel serein: 100% Nuages 2/10: 90% Nuages 4/10: 75% Nuages 6/10: 65% Nuages 8/10: 45% Ciel complètement couvert: 20%

15 2 L éclairage diffus : LES MODÈLES DE CIEL STANDARD: Le ciel uniforme Cette situation correspond à un ciel couvert d une couche épaisse de nuages laiteux où le soleil n est pas visible. Sa luminance est donc constante en tout point du ciel à un moment donné.

16 2 L éclairage diffus : LES MODÈLES DE CIEL STANDARD: Le ciel couvert Le ciel couvert, dit aussi ciel CIE (modèle établi par la Commission Internationale de l Éclairage), correspond à un ciel de nuages clairs qui cachent le soleil. La luminance au zénith est 3 fois plus élevée que la luminance de l horizon.

17 2 L éclairage diffus : LES MODÈLES DE CIEL STANDARD: Le ciel clair Le modèle du ciel clair représente la variation de la luminance en fonction de l orientation et de la position du soleil, mais n intègre pas le rayonnement solaire direct.

18 2 L éclairage diffus : LES MODÈLES DE CIEL STANDARD: Le ciel clair avec soleil Le ciel clair avec soleil prend en compte son rayonnement global, c est-à-dire la somme des rayonnements directs et diffus. Ce quatrième type de ciel correspond à un ciel serein dans lequel le soleil brille.

19 2 L éclairage diffus : LE FACTEUR DE LUMIÈRE DU JOUR Comme la quantité de lumière naturelle peut varier de façon importante, on introduit un rapport de proportionnalité entre l éclairement extérieur et celui disponible à l intérieur du local. C est ce qu on appelle le facteur de lumière du jour et il se calcule ainsi : Fj = E int / Eext 100 Où : Eint = niveau d éclairement horizontal à l intérieur du local Eext = niveau d éclairement horizontal extérieur en site dégagé

20 2 L éclairage diffus : LE FACTEUR DE LUMIÈRE DU JOUR Fj = E int / Eext 100 Où : Eint = niveau d éclairement horizontal à l intérieur du local Eext = niveau d éclairement horizontal extérieur en site dégagé

21 2 L éclairage diffus : LE FACTEUR DE LUMIÈRE DU JOUR: décomposition Le facteur de lumière du jour peut se décomposer de la manière suivante : Fj = FJD + FJRE + FJRI en % avec : FJD : composante directe de la voûte céleste FJRE : composante réfléchie extérieure FJRI : composante réfléchie intérieure

22 2 L éclairage diffus : LE FACTEUR DE LUMIÈRE DU JOUR: décomposition Ces trois composantes ont des importances diverses : - près des fenêtres la composante du FJD est en général prépondérante sauf s il y a un masque crée par des bâtiments devant la façade (dans ce cas là, c est la composante du FJRE qui est importante) - Par contre, au fond du local, la composante FJRI prend une valeur relativement importante alors qu elle est négligeable près des ouvertures.

23 2 L éclairage diffus : LE FACTEUR DE LUMIÈRE DU JOUR et fonction des bâtiments

24 2 L éclairage diffus : LE FACTEUR DE LUMIÈRE DU JOUR: correspondances quantitatives et qualitatives

25 2 L éclairage diffus : LE FACTEUR DE LUMIÈRE DU JOUR: correspondances quantitatives et qualitatives

26 2 L éclairage diffus : LA CONVENTION ACTUELLE Conclusion pour l éclairage diffus : LA CONVENTION ACTUELLE DU CIEL COUVERT La grande variation de l éclairement lumineux à pour conséquence de baser les études d éclairage naturel des locaux sur des conditions minimales d éclairement et donc d étudier les bâtiments sous ciel couvert. Conventionnellement, la Commission Internationale de l Éclairage propose de prendre comme base de calcul un ciel couvert donnant un niveau d éclairement de 5000 lx sur une surface horizontale en site parfaitement dégagé.

27 3 L ensoleillement :

28 3 L ensoleillement : Le soleil, à travers son rayonnement direct, est responsable de la plupart des situations critiques observées sur le plan du confort visuel (éblouissement, éclairement excessif, effet de protection solaire, etc.) Prendre en considération et se poser la question de l ensoleillement consiste à étudier la dynamique de la lumière solaire à l intérieur des locaux. Le diagramme solaire est une forme de représentation graphique de la course du soleil. Il constitue un outil facile et pratique pour repérer, depuis un point quelconque de la surface terrestre, le trajet du soleil à travers le ciel.

29 3 L ensoleillement : LE DIAGRAMME SOLAIRE Le diagramme solaire est une représentation plane en coordonnées locales de la trajectoire du soleil, perçue depuis un point de la surface terrestre.

30 3 L ensoleillement : LES COORDONNÉES ANGULAIRES DU SOLEIL La position précise du soleil dans le ciel à un moment donné se détermine à l aide de deux coordonnées : l azimut et la hauteur.

31 3 L ensoleillement : LES COORDONNÉES ANGULAIRES DU SOLEIL LA HAUTEUR est l angle formé par le rayon solaire et le plan horizontal (entre 0 et 90 ).

32 3 L ensoleillement : LES COORDONNÉES ANGULAIRES DU SOLEIL L AZIMUT est l angle formé par la trace du soleil sur le plan horizontal et la direction Nord (dans le sens des aiguilles d une montre).

33 3 L ensoleillement : LES COORDONNÉES ANGULAIRES DU SOLEIL Le quadrillage du diagramme solaire représente les angles horizontaux et verticaux des points de la voûte céleste. C est comme si l observateur repérait l azimut et la hauteur du soleil sur un hémisphère transparent au-dessus de lui et qu ensuite il déployait cette coupole sur un plan vertical.

34 3 L ensoleillement : REPÈRES SUR LE DIAGRAMME SOLAIRE

35 3 L ensoleillement : REPÈRES SUR LE DIAGRAMME SOLAIRE Le diagramme solaire est issu de la méthode des projections solaires cylindriques. Le diagramme solaire permet de déterminer les masques solaires d un bâtiment à partir de la transcription de son panorama.

36 3 L ensoleillement : CONSTRUIRE UN DIAGRAMME SOLAIRE

37 3 L ensoleillement : CONSTRUIRE UN DIAGRAMME SOLAIRE: L orientation de la façade

38 3 L ensoleillement : CONSTRUIRE UN DIAGRAMME SOLAIRE : Les auto-masques

39 3 L ensoleillement : CONSTRUIRE UN DIAGRAMME SOLAIRE : Les auto-masques

40 3 L ensoleillement : CONSTRUIRE UN DIAGRAMME SOLAIRE : Les auto-masques

41 3 L ensoleillement : CONSTRUIRE UN DIAGRAMME SOLAIRE : Les masques lointains

42 3 L ensoleillement : CONSTRUIRE UN DIAGRAMME SOLAIRE : Les masques proches

43 3 L ensoleillement : CONSTRUIRE UN DIAGRAMME SOLAIRE : La superposition des masques

44 Conclusion : La maison de verre. Un film de Richard Copans et Stan Neumann. (Architecte : Pierre Chareau, Paris ). DVD Arte Vidéo, collection Architectures (4), 2005.

45 Bibliographie indicative Sigrid Reiter, André De Herde, L'éclairage naturel des bâtiments, 2004, Presses universitaires de Louvain. Helmut Köster, Dynamic daylighting architecture. Basics, systems, projects, 2004, Birkhäuser. Marc Fontoynont, Daylight performance of buildings, 1999, James & James. Daylighting in architecture, a european reference book, 1993, James & James. La maison de verre. Un film de Richard Copans et Stan Neumann. (Architecte : Pierre Chareau, Paris ). DVD Arte Vidéo, collection Architectures (4), 2005.