Principes de base de l éclairage naturel et des études en modèles réduits. AMCO 2362 Magali Bodart

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1 Principes de base de l éclairage naturel et des études en modèles réduits AMCO 2362 Magali Bodart

2 A. Notions de base Le rayonnement solaire visible Les grandeurs photométriques fondamentales Le Facteur de lumière du jour Les instruments de mesure du FLJ Les composantes de l éclairement Les facteurs de transmission et de réflexion 2

3 Le rayonnement solaire visible Répartition du spectre solaire L homme est exposé à une grande variété de sources d énergie naturelles ou artificielles qui émettent un rayonnement sur plusieurs bandes du spectre électromagnétique 5 % - 50 % - 45 % 3

4 Les grandeurs photométriques fondamentales Le flux lumineux d une source est la quantité de lumière émise par la source dans toutes les directions. Il s exprime en lumen (lm). 4

5 Les grandeurs photométriques fondamentales L'angle solide est le rapport entre la surface (en rose) de la projection d'un objet sur une sphère et le carré du rayon de celle-ci. Ici l'objet est une surface quadrilatère (en bleu). =S/R² (sr = stéradian) L intensité lumineuse émise par une source ponctuelle dans une direction donnée est le flux lumineux émis par unité d angle solide dans cette direction. Elle se mesure en candéla (cd = lm/sr). 5

6 Les grandeurs photométriques fondamentales La luminance (cd/m 2 ) La luminance d une source est le rapport entre l intensité lumineuse émise dans une direction et la surface apparente de la source dans la direction considérée. Fondamentale car caractérise la manière dont nous voyons les objets. 6

7 Les grandeurs photométriques fondamentales L éclairement (lux) L éclairement en un point d une surface est le rapport du flux lumineux reçu par unité de surface. Seule quantité fondamentale relative au récepteur. éclairement luminance 7

8 Le Facteur de Lumière du jour (FLJ) Le facteur de lumière du jour est le rapport de l éclairement naturel intérieur reçu en un point d un plan de référence à l éclairement extérieur simultané sur une surface horizontale en site parfaitement dégagé, par ciel couvert CIE Exemple d un local de classe Définition du Facteur de Lumière du Jour 8

9 Le facteur de Lumière du Jour (FLJ) - de 1 % 1 à 2 % 2 à 4 % 4 à 7 % 7 à 12 % + de 12 % FLJ Très faible Faible Modéré Moyen Elevé Très élevé Zone considérée Zone éloignée des fenêtres (distance env. 3 à 4 fois la hauteur de la fenêtre) A proximité des fenêtres ou sous des lanterneaux Impression de clarté Sombre à peu éclairé Peu éclairé à clair Clair à très clair Impression visuelle du local Cette zone... semble être séparée. de cette zone Ambiance Le local semble être refermé sur lui-même Le local s ouvre vers l extérieur 9

10 Le FLJ : exercice Enoncé Distance au mur (m) toit Eclairement (lux) FLJ % Eclairement pour un ciel de lux Compléter le tableau Tracer la courbe de distribution du FLJ De quel type d ouverture s agit-il? FLJ E x100 / p Eext Distance au mur (m) toit Eclairement (lux) FLJ (%) Eclairement pour un ciel de FLJ (%) Echelle 1/1 188 mm Sud mm 305 mm Mesures intérieures Mesures intérieures 253 mm 655 mm 214 mm 35 mm 36 mm 10

11 Mesure du FLJ Mesure de l éclairement à l extérieur et à l intérieur simultanément à l aide d un luxmètre. Tête de luxmètre Acquisition 11

12 Les composantes de l éclairement La lumière naturelle perçue à l intérieur d un bâtiment est la résultante de trois composantes : la lumière directe due au ciel et au soleil, la partie de la lumière réfléchie sur les surfaces extérieures et celle provenant des inter réflexions dans le local Influence des obstructions extérieures Réflexion du soleil sur des parois d inclinaisons différentes Les composantes de la lumière naturelle à l intérieur d un local 12

13 Facteurs de transmission et de réflexion Le facteur de réflexion ( ) d une surface est la quantité d énergie lumineuse qu elle réfléchit par rapport à celle qu elle reçoit. Le facteur de transmission lumineuse (Tl) est le pourcentage de rayonnement solaire visible transmis au travers d une paroi 13

14 B. Les ciels standards Vu la multitude des conditions météorologiques existantes, quatre types de ciels standard ont été établis pour les études d éclairement. Chacun d eux est caractérisé par la répartition de sa luminance sur la voûte céleste. = couche très épaisse de nuages = couche de nuages clairs Un ciel intermédiaire Les différents types de ciel 14

15 E. L éblouissement Définition Se protéger de l éblouissement + cas particulier des écrans 15

16 Définition de l éblouissement L éblouissement résulte de conditions de vision dans lesquelles l individu est moins apte à percevoir les objets, suite à des luminances ou à des contrastes de luminance excessifs dans l espace et dans le temps. L éblouissement indirect provient d une réflexion perturbatrice des sources lumineuses sur des surfaces spéculaires ou brillantes telles que le papier, une table ou un écran d ordinateur. L éblouissement direct est causé par la présence d une source lumineuse intense dans le champ de vision. 16

17 Se protéger de l éblouissement (1) L éblouissement dû à l éclairage naturel provient De la vision du ciel ou du soleil au travers des fenêtres D un contraste fenêtre-parois trop important 1. Gde fenêtre plutôt que plusieurs petites 2. Diminuer le contraste fenêtre - menuiserie 3. Voiler le ciel par l utilisation de protections solaire 17

18 Se protéger de l éblouissement (2) 4. Diminuer le contraste murfenêtre en éclairant le mur contenant la fenêtre. 5. Diminuer le contraste mur - fenêtre en augmentant la part indirecte de l éclairage naturel. 6. Voiler en partie le ciel par un élément déflecteur. 7. Voiler en partie le ciel en disposant à l extérieur des éléments moins lumineux que le ciel. 18

19 Cas particulier des écrans L éclairement provenant de la lumière du jour est sujet à de fortes variations. Il convient donc : - de ne placer aucune fenêtre devant ou derrière l écran, - que l axe principal du regard soit parallèle aux fenêtres, Bonne configuration Mauvaises configurations - que les écrans de visualisation ne soient pas trop proches des fenêtres, 19

20 Cas particulier des écrans (suite) - que les fenêtre soient équipées de protection solaires (extérieures + intérieures si nécessaires). 20

21 F. Répartition de l éclairage naturel dans un local Influence du type de ciel Influence du moment (saison, heure) Influence des caractéristiques des ouvertures (orientation, inclinaison, dimension, forme, position) Influence de l aménagement intérieur du local 21

22 Influence du type de ciel Le 15 mars à 9 h un, sud Max : 1300 lx Max : 4300 lx N Max : +/ lx O E S 22

23 Influence du moment de l année Max : lx Max : lx 23

24 Influence de l heure 24

25 Influence de l orientation de l ouverture L organisation spatiale d un bâtiment devrait toujours être pensée en fonction du moment d occupation des locaux, de l activité qui s y déroule et de la course du soleil. 25

26 Influence de l inclinaison de l ouverture 26

27 Influence de la dimension de l ouverture Transmettre la lumière naturelle consiste à favoriser sa pénétration à l intérieur d un local Favorisation de la pénétration de la lumière naturelle grâce au plafond biaisé. 15/06 13 h ciel clair 27

28 Influence de la forme de l ouverture Moyenne : 2334 lx Moyenne : 2322 lx Moyenne : 2240 lx 28

29 Influence de la forme de l ouverture Moyenne : 2322 lx Moyenne : 2199 lx 29

30 Eclairement (lux) Influence de la position de l ouverture Ciel clair, le 15/6 à 13h haute à mi-hauteur basse Un clerestory est une fenêtre dont le seuil se trouve au-dessus du niveau de l oeil Répartition + uniforme Réduction des risques d éblouissement Profondeur du local (m) 30

31 Influence de l aménagement intérieur du local La nature et la couleur des surfaces intérieures (paroi et mobilier) influencent directement l éclairage naturel dû aux réflexions intérieures. Ainsi, une bonne distribution de la lumière dans tout l espace nécessite l utilisation de parois de couleurs claires. Double effet de la clarté des parois : réflexion de la lumière l œil analyse des luminances Si le coefficient de réflexion d un mur < 50 % la lumière pénétrera difficilement. Le plafond ne joue un rôle important que dans le cas de systèmes de redirection de la lumière. Le coefficient des surfaces horizontales est très important. Les meubles sont parfois de réels obstacles à la distribution de la lumière. 31

32 Le coefficient de réflexion des parois Local sous le soleil uniquement Sol noir et autres parois blanches Toutes les parois blanches 32

33 Evaluation de l éclairage naturel avec des modèles réduits AMCO 2362 Magali Bodart

34 Utilisation de maquettes A. Propriété physique de la lumière de la lumière << p/ aux dimensions d une maquette aucun effet d échelle sensation lumineuse identique B. Utilisation des modèles réduits comme outils de conception maquette = facilité de compréhension, ne demande pas un budget trop important, étude d autres aspects, permet une géométrie complexe + variation de celle-ci, résultats quantitatifs et qualitatifs, permet une étude dynamique. 34

35 Utilisation de maquettes C. Utilisation des modèles réduits comme outils de recherche Etude de nouveaux systèmes ou matériaux avant l introduction dans les logiciels de calcul d éclairage. D. Limitations des modèles réduits Ils peuvent devenir onéreux si on désire étudier très précisément l espace et les matériaux. Problème du choix des matériaux (impossibilité de réduction des matériaux inhomogènes ou présentant une texture). Modélisation de l éclairage artificiel difficile. 35

36 Instrumentation disponible Mesures sous ciel réel ou sous ciel artificiel Ciel réel Très variable dans le temps. Nécessite une instrumentation chère et précise pour le caractériser. Mesures peu comparables. Ciel artificiel L éclairage du ciel est dissocié de l éclairage du soleil Les résultats pour un ciel avec soleil sont obtenus par addition ou superposition des résultats du ciel et du soleil. 36

37 Ciels artificiels au CSTC : ciel et soleil à un patch Ciel dôme Soleil artificiel 37

38 Ciels artificiels au CSTC Mirror box 38

39 Ciels artificiels au CSTC : Mirror box 39

40 Ciels artificiels au CSTC : Mirror box 40

41 Soleil mécanique 41

42 Soleil mécanique 42

43 Soleil mécanique 43

44 Soleil mécanique 44

45 Soleil mécanique 45

46 Soleil mécanique : 21 juin - extérieur 46

47 Soleil mécanique : 21 juin - intérieur 47

48 Evaluation et analyse des résultats Analyse qualitative Pour étudier l éblouissement, les contrastes, le confort visuel Observations directes en plaçant l oeil à bonne hauteur et en étudiant diverses directions de vue Observations photographiques ou par caméra permet d archiver les mesures, de réaliser des rapports, difficultés liées à la sensibilité de l oeil - temps de pose, ouverture du diaphragme. 48

49 Evaluation et analyse des résultats Analyse quantitative Eclairements Luminances Facteurs de Lumière du jour 49

50 Conception d un modèle réduit : + d info : Echelle du modèle 1/10 ou 1/20 Géométrie du modèle et modélisation des parois Toutes les parois doivent être modélisées Modéliser les cloisons internes (et le mobilier) Utilisation possible d un miroir pour les locaux symétriques 50

51 Conception d un modèle réduit Disposition du matériel de mesure - Pouvoir accéder à l intérieur du modèle (passage des sondes et des fils). - Prévoir des ouvertures pour la caméra (Ø 70 mm) et l observation visuelle (doivent pouvoir être obstruées). - Déterminer les points de mesure à l avance. Couleurs et coefficients de réflexion des parois - Les parois doivent avoir les mêmes couleurs et coefficients de réflexion que dans la réalité (voir tableau dans le guide). Type de matériau constitutif et raccordement des parois - Les parois doivent être raccordées très précisément. - Ne pas utiliser des matériaux transparents. 51

52 Raccordement des parois 52

53 Instructions de modélisation Modélisation du sol et des locaux situés à l étage - Prévoir une feuille de papier si le sol 20 %. - Prévoir un socle si le local ne se trouve pas au premier étage. Modélisation des obstructions extérieures Modélisation des ouvertures - Modéliser les détails constructifs (ex : épaisseur de la fenêtre). - Taille de l ouverture = taille du vitrage (sauf si le châssis est modélisé). Adaptabilité du modèle Le modèle doit être adaptable facilement et rapidement en fonction de ce que l on veut étudier. Prévoir plusieurs parois pour l étude des ouvertures et faire attention au passage des fils. 53

54 Facteurs de réflexion de quelques surfaces 54

55 Facteurs de réflexion de quelques surfaces intérieures et cartons CANSON associés surface Coeff réflexion (%) Marque Canson Coeff réflexion (%) carton Table beige clair Mi teinte Vert clair Tapis vert-gris Mi teinte Vert Mur - paroi beige clair Mi teinte mauve clair Tablette dessus armoire beige clair Mi teinte vert clair Paroi armoire noir 7.97 Mi teinte bordeau Porte avant armoire noir 8.74 Mi teinte bordeau Porte 1 brun clair Mi teinte ocre Porte 1 bis brun clair Mi teinte ocre Châssis porte int 1 gris peinture Mi teinte gris Châssis porte int 1 bis gris peinture Mi teinte gris Tablette sous fenêtre gris peinture Mi teinte gris Mur sous fenêtre blanc Mi teinte beige Plinthe sous fenêtre brun clair Mi teinte gris Mur sous fenêtre latérale gris peinture Mi teinte gris Tissus fauteuil vert Mi teinte vert Plafond troué 1 beige Mi teinte jaune Plafond troué 1 bis beige Mi teinte jaune Socle porte manteau noir 6.00 Mi teinte noir Feuille présentoir blanc Mi teinte jaune clair Feuille porte blanc Mi teinte Mauve clair Latte horizontale plafond beige Mi teinte Vert clair Bois du plateau brun foncé Mi teinte Vert 55

56 Outil d aide au choix des matériaux de maquettes : 56

57 Outil d aide au choix des matériaux de maquettes 57

58 AMCO 2362 : notes de cours 58