Résumé Abstract Introduction générale Chapitre I Etat de l art de la simulation numérique de l éclairage...

Transcription

1 Table des matières : Résumé Abstract Introduction générale Chapitre I Etat de l art de la simulation numérique de l éclairage Introduction I.1 La propagation de la lumière entre la réalité et la simulation I.1.1 Les sources de lumière artificielle I Introduction : Les luminaires et la conception en éclairage artificiel I Mesures Goniophotométriques des luminaires I Notion de champ proche - champ lointain I Fichiers photométriques I Calcul numérique de l éclairage direct d un luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique) I.1.2 Les sources de lumière naturelle I le soleil I le ciel I les modèles de ciel...28 I Le sol extérieur I Les masques extérieurs (éléments de façade et environnement urbain) I La conception en éclairage naturel : notions de bases et méthodes de calcul I.1.3 La géométrie I Généralités I La modélisation DAO de la géométrie I.1.4 La transmission des flux à travers les éléments de façade I Ouverture simple I Vitrage classique I Vitrage à aspect bi-directionnel I Eléments de protection solaire I La goniophotométrie réelle et virtuelle des matériaux I.1.5 La réflexion de la lumière sur les différents types de matériaux I.2 Les logiciels de simulation de l éclairage I.2.1 Les algorithmes de calcul de l'éclairage Radiosité Lancer de rayons I.2.2 Exemples types des logiciels existants Adeline Genelux Inspirer DIAL / Leso-Dial Lightscape Radiance Superlite I.2.3 Domaines d utilisation des logiciels

2 I.3 La validation des logiciels de simulation de l éclairage I.3.1 Introduction I.3.2 Différents types de validation...42 I La validation analytique I La validation expérimentale I La validation comparative I.3.3 Quelques exemples de travaux de validation réalisés I Le travail de Khodulev et Kopylov I Le rapport TM 28/00 de la CIBSE I Les Benchmarks de la Tache 21 de l IEA I.3.4 Analyse de la problématique I.3.5 Proposition d une méthodologie de validation des logiciels I Introduction I Concept et approche proposés Conclusions Références Bibliographiques Chapitre II Cas-tests avec références analytiques Introduction II.1 La simulation d une source ponctuelle associée à un fichier photométrique II.1.1 Référence analytique II.1.2 Description du cas-test II.1.3 Solution de référence II.2 La simulation d une source surfacique associée à un fichier photométrique II.2.1 Référence analytique II.2.2 Description du cas-test II.2.3 Solution de référence II.3 La conservation du flux entrant à travers une ouverture II.3.1 Référence analytique II.3.2 Description du cas-test II.3.3 Solution de référence II.4 La transmission directionnelle τ d un vitrage normal II.4.1 Référence analytique II.4.2 Description du cas-test II.4.3 Solution de référence II.5 La réflexion de la lumière sur une surface de Lambert II.5.1 Référence analytique II.5.2 Description du cas-test II Surface S 2 de petite dimension II Surface S 2 de moyenne dimension (sol intérieur) II Surface S 2 de grande dimension (sol extérieur) II Etudes paramétriques II.5.3 Solution de référence II Scénario 1 (S 2 : 50 50cm) II Scénario 2 (S 2 : 4 4m) II Scénario 3 (S 2 : m)

3 II.6 La réflexion diffuse avec présence d obstructions internes II.6.1 Référence analytique II.6.2 Description du cas-test II.6.3 Solution de référence II.7 Le calcul de la composante réfléchie interne pour une géométrie avec des surfaces de Lambert II.7.1 Référence analytique II.7.2 Description du cas-test II.7.3 Solution de référence II.8 La composante directe du FJ (FJD) pour une ouverture en toiture non vitrée (sous les 16 types du ciel général CIE) II.8.1 Référence analytique II Composante directe sous un ciel CIE type 5 (Uniforme) II Composante directe au sol sous un ciel CIE type 16 (Couvert) II.8.2 Description du cas-test II.8.3 Solution de référence II Ouverture 1m 1m II Ouverture 4m 4m II.9 FJD pour une ouverture en toiture avec vitrage normal II.9.1 Référence analytique II.9.2 Description du cas-test II.9.3 Solution de référence II Ouverture 1m 1m avec vitrage clair 6mm II Ouverture 4m 4m avec vitrage clair 6mm II.10 La composante directe et la composante réfléchie externe (sol extérieur) pour une ouverture en façade non vitrée II.10.1 Référence analytique II Composante directe et composante réfléchie externe sous un ciel CIE type 5 (Uniforme) II Composante directe au sol sous un ciel CIE type 16 (Couvert) II.10.2 Description du cas-test II.10.3 Solution de référence II Ouverture 2m 1m II Ouverture 4m 3m II.11 FJD+FRE (sol extérieur) pour une ouverture en façade avec vitrage normal II.11.1 Référence analytique II.11.2 Description du cas-test II.11.3 Solution de référence II Ouverture 2m 1m avec Vitrage clair 6mm II Ouverture 4m 3m avec Vitrage clair 6mm II.12 FJD+FRE (sol extérieur + masque horizontal continu) pour une ouverture en façade non vitrée...82 II.12.1 Référence analytique II Calcul simplifié de FRE II Calcul de FJD sous un ciel uniforme II Calcul de FJD sous un ciel CIE couvert II.12.2 Description du cas-test II.12.3 Solution de référence

4 II.13 FJD+FRE (sol extérieur + masque extérieur vertical continu) pour une ouverture en façade non vitrée II.13.1 Référence analytique II Calcul simplifié de FRE II Calcul simplifié de FRE pour un ciel uniforme II Calcul de FJD sous un ciel uniforme II Calcul de FJD sous un ciel CIE couvert II.13.2 Description du cas-test II.13.3 Solution de référence II.14 Autres propositions de cas-test analytiques II.14.1 La conservation du flux des sources artificielles II.14.2 Les taches solaires II.14.3 La réflexion spéculaire II.14.4 La transmission à travers un vitrage 100% diffusant II.14.5 La transmission à travers des matériaux bidirectionnels II.14.6 La réflexion sur des matériaux bidirectionnels II.14.7 Calcul spectral II Scénario A II Scénario B II.14.8 Calcul de l éclairement extérieur II.14.9 Variation horaire et saisonnière de l éclairement extérieur II La fuite de lumière Conclusions Références bibliographiques Chapitre III Cas-tests avec références expérimentales Introduction III.1 Définition d un cahier de charges pour optimiser la fiabilité des références expérimentales III.1.1 Recommandations pour le choix et la description des scénarios III Recommandations liées à la Géométrie III Recommandations liées aux matériaux III Recommandations liées aux sources de lumière (naturelles et artificielles) III Recommandations liées aux points de mesure III.1.2 Précautions liées au protocole expérimental III Précautions générales III Précautions liées aux scénarios de lumière artificielle III Précautions liées aux scénarios de lumière naturelle III.1.3 Recommandations liées à l estimation des erreurs III Les sources d erreurs objectives III Les sources d erreurs subjectives III.1.4 Recommandations liées à la présentation des mesures III.2 Description des champs de luminances réels en éclairage naturel III.2.1 Introduction III.2.2 Méthodologie proposée pour la description et l utilisation des cartes de luminances réelles III La photo numérique calibrée III L étalonnage du Nikon Coolpix III La création des cartes de luminances (Photolux)

5 III Etude de sensibilité III Utilisation des cartes de luminances dans la simulation III.2.3 Protocole expérimental de validation III Description de la maquette et du dispositif expérimental III Protocole expérimental dans le ciel artificiel III Protocole expérimental sous un ciel réel III.2.4 La simulation numérique des scénarios avec le logiciel Radiance III.2.5 Comparaison maquette simulation pour les scénarios du ciel artificiel III Ciel artificiel, Ouvertures en toiture III Ciel artificiel, Ouvertures en façade III Analyse des résultats et des erreurs de champ proche III.2.6 Comparaison maquette simulation pour les scénarios du ciel réel III Ciel extérieur, couvert, Ouvertures en toiture III Ciel extérieur, clair, Ouvertures en façade III Utilisation d une seule photo en mode de vitesse automatique "A" III.2.7 Etude dynamique sous un ciel réel variable III Ouverture en toiture de 20cm 20cm III Etude dynamique, ciel extérieur intermédiaire, ouverture en façade de 80cm 60cm III Analyse des erreurs de saturation du scénario dynamique avec ouverture en toiture III.2.8 Conclusions et perspectives pour les cartes de luminances réelles III Conclusions générales III Perspectives III.3 Exemples de cas-tests en lumière naturelle avec utilisations des cartes de luminances réelles III.3.1 Eclairage intérieur sous une ouverture en toiture et un ciel extérieur nuageux III Description de la géométrie III Photométrie des matériaux III Description du champ de luminances externe à l ouverture III Les valeurs de référence III.3.2 Simulation de la transmission bidirectionnelle des matériaux III Introduction III Description du scénario III Mesures de référence III.4 Exemple de cas-tests en lumière artificielle III.4.1 Introduction III.4.2 Description du scénario III La géométrie III Photométrie des matériaux III La position des luminaires III La photométrie des luminaires III Les points de mesure III.4.3 Les mesures de référence III Estimation des erreurs III Valeurs d éclairements ponctuels III Valeurs d éclairement moyen III.4.4 Analyse critique du protocole III.5 Autres propositions de cas-tests avec référence expérimentale III.5.1 Transmission bidirectionnelle III.5.2 Réflexion bidirectionnelle III.5.3 Qualité spectrale des sources III.5.4 Le photo-réalisme (des images de synthèse)

6 III.5.5 Les cartes de luminances III.5.6 Les scénarios de la tâche 21 de l IEA Conclusions Références bibliographiques Chapitre IV Utilisation des cas-tests pour la validation d un logiciel de simulation de l éclairage et du concept des luminaires équivalents Introduction IV.1 Validation du logiciel Lightscape IV.1.1 Présentation du logiciel IV Description générale du logiciel IV Description des propriétés physiques des matériaux IV Description de la lumière de jour IV Description des luminaires IV Choix des paramètres de calcul IV Exploitation des résultats IV.1.2 Sélection des cas-tests applicables au logiciel IV.1.3 Comparaison des résultats aux données de référence analytiques IV Simulation des sources ponctuelles (Scénario II.1) IV Simulation des sources surfaciques (Scénario II.2) IV Conservation des flux (Scénario II.3) IV Transmission directionnelle d un vitrage clair (Scénario II.4) IV Réflexions diffuses (Scénario II.5) IV Réflexions diffuses avec obstruction (Scénario II.6) IV Inter-réflexions diffuses multiples (Scénario II.7) IV FJD pour une ouverture en toiture sans vitrage et sous un ciel couvert (CIE type 16) et un ciel clair (CIE type 12) (Scénario II.8) IV FJD pour une ouverture en toiture avec un vitrage clair et sous un ciel CIE couvert ou Clair (Scénario II.9) IV FJD + FRE (sol extérieur) pour une ouverture en façade sans vitrage et sous un ciel CIE couvert ou Clair (Scénario II.10) IV FJD + FRE (sol extérieur) pour une ouverture en façade avec un vitrage clair et sous un ciel CIE couvert ou Clair (Scénario II.11) IV FJD + FRE (sol extérieur + masque horizontal continu) pour une ouverture en façade sans vitrage et sous un ciel CIE couvert ou Clair (Scénario II.12) IV FJD + FRE (sol extérieur + masque vertical continu) pour une ouverture en façade sans vitrage et sous un ciel CIE couvert ou Clair (Scénario II.13) IV.1.4 Comparaison des résultats aux données de référence expérimentales des scénarios de lumière artificielle (CIBSE) IV Lampes Fluo-compacte, murs en gris IV Luminaire Opal, murs en gris IV Luminaire avec réflecteurs semi-spéculaires, murs en gris IV Lampes Fluo-compacte, murs en noir IV Luminaire Opal, murs en noir IV Luminaire avec réflecteurs semi-spéculaires, murs en noir IV.2 Présentation et validation de la méthode des luminaires équivalents IV.2.1 Contexte IV.2.2 Concept analytique IV Approche proposée IV Prise en considération du champ proche

7 IV Calcul de la photométrie équivalente pour une ouverture non vitrée IV Calcul de la photométrie équivalente pour une ouverture avec un vitrage à transmission directionnelle IV Calcul de la photométrie équivalente pour une ouverture avec un matériau à transmission bidirectionnelle IV.2.3 Procédure de création des photométries équivalentes IV Calcul des luminances externes IV Création des fichiers photométriques équivalents pour une ouverture avec ou sans vitrage normal IV Création des fichiers photométriques équivalents pour une ouverture avec un matériau à transmission bidirectionnelle IV.2.4 Procédure d utilisation des fichiers photométriques équivalents IV.2.5 Sélection des cas-tests applicables à la méthode IV.2.6 Comparaison des résultats des luminaires équivalents aux données de référence analytiques et à Lightscape IV Conservation des flux (Scénario II.3) IV FJD pour une ouverture en toiture sans vitrage (Scénario II.x) IV FJD pour une ouverture en toiture avec un vitrage clair (Scénario) IV FJD + FRE (sol extérieur) pour une ouverture en façade sans vitrage (Scénario II.x) IV FJD + FRE (sol extérieur) pour une ouverture en façade avec un vitrage clair (Scénario II.x) IV FJD + FRE (sol extérieur + masque horizontal continu) pour une ouverture en façade sans vitrage (Scénario II.x) IV FJD et FRE (sol extérieur + masque vertical continu) pour une ouverture en façade sans vitrage (Scénario II.x) IV.2.7 Comparaison des résultats aux données de référence expérimentales des scénarios de lumière naturelle IV Ciel artificiel, ouverture en toiture (Scénarios III.5.1-4) IV Ciel artificiel, ouverture en façade (Scénarios III.5.5-7) IV Ciel extérieur nuageux, ouverture en toiture (Scénarios III ) IV Ciel extérieur clair, ouverture en façade (Scénarios III ) IV Ciel extérieur dynamique, ouverture en toiture IV Ciel extérieur dynamique, ouverture en façade IV Ciel artificiel, ouverture en façade + obstruction IV.2.8 Etude paramétrique pour les scénarios de champ proche IV Objectifs et démarche (sélection des paramètres) IV Présentation de l échantillon utilisé IV Analyse de l échantillon et identification d une courbe de tendance entre la variation des éclairements extérieurs et la précision des résultats IV Comparaisons de la courbe de tendance des résultats analytiques aux résultats des scénarios expérimentaux IV Analyse des résultats Conclusions Références bibliographiques Conclusions et perspectives Annexe A Validation du logiciel Skylux Annexe B Solutions anlytiques de référence

8 Annexe C Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances réelles) aux mesures expérimentales Annexe D Enquête sur l utilisation des logiciels Annexe E Comparaison des logiciels en ligne Annexe F Le comité technique TC.3.33 de la CIE Annexe G Formats de fichiers photométriques Annexe H Cartes de luminances réelles au format de ciel Radiance

9 11