La simulation numérique de l'éclairage, limites et potentialités

Transcription

1 N d ordre : 04 ISAL 0016 Année 2004 Thèse La simulation numérique de l'éclairage, limites et potentialités Présentée devant L Institut National des Sciences Appliquées de Lyon Pour obtenir Le grade de Docteur Formation doctorale : Génie Civil Ecole doctorale : MEGA par Fawaz MAAMARI Soutenue le 29 mars 2004 devant la commission d examen : Professeur Gilbert ACHARD (Rapporteur) Professeur Peter TREGENZA (Rapporteur) Professeur Jean-Jaques ROUX HDR Marc FONTOYNONT (Directeur) HDR Dominique DUMORTIER (Tuteur) M.Sc. Wout VAN BOMMEL (expert) Laboratoire des Sciences de l Habitat Département Génie Civil et Bâtiment (DGCB) URA CNRS 1652 Ecole Nationale des travaux publics de l Etat

2 Table des matières 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

3 Table des matières 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)

4 Table des matières 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

5 Table des matières 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)

6 Table des matières 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)

7 Table des matières 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

8 Table des matières 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

9 Table des matières 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

10 Table des matières 11

11 Résumé : La simulation numérique de l éclairage gagne en importance dans le monde de conception de l éclairage à travers l utilisation des logiciels qui sont de plus en plus nombreux sur le marché international. Cependant, ces logiciels manquent souvent de transparence sur leurs capacités réelles et sur leur domaine d application. L objectif de ce travail est de contribuer à mieux définir les capacités et les limites des logiciels existants, et de contribuer à l amélioration des capacités et au dépassement des limites de ces logiciels. Dans la première partie, nous commençons par une analyse de l état de l art de la simulation numérique de l éclairage. Cette analyse nous permet en particulier d identifier les difficultés rencontrées dans le domaine de validation des logiciels, et d en déduire une méthodologie de validation adaptée qui permette de surmonter ces difficultés. Le principe de base derrière cette méthodologie est de créer une série de cas-tests, avec des références analytiques ou expérimentales traitant chacun un certain aspect de la propagation de la lumière dans les bâtiments. Dans la deuxième partie, et dans le cadre de la méthode de validation proposée, nous proposons une série de cas-tests basés sur des calculs analytiques. Ces cas-tests ont l avantage de limiter voire éliminer les incertitudes sur les valeurs de référence. Dans la troisième partie, nous abordons les problèmes liés à la création et l utilisation des références expérimentales pour la validation des logiciels. Nous proposons ensuite un cahier de charges à respecter lors de la création et/ou l utilisation de ces références, l objectif étant de limiter les sources d erreurs et d incertitudes liées à la référence expérimentale. Un des points importants du cahier de charge proposé est la nécessité de décrire avec précision le champ de luminances réel dans un scénario d éclairage naturel. Ceci reste difficile à réaliser, en particulier à cause de la complexité des dispositifs existants pour la mesure des champs de luminances externes en parallèle à des mesures à l intérieur d un bâtiment. En réponse à cette difficulté, nous proposons de tester une nouvelle méthode de description et d utilisation des cartes de luminances réelles. Ces cartes sont créées à partir de photos numériques calibrées. Elles sont utilisées en tant que modèles de ciel dans les logiciels de simulation de la lumière naturelle. Pour valider cette méthode, nous menons une campagne de mesures d éclairements à l intérieur d une maquette en parallèle à des photos de l environnement extérieur. Les photos sont analysées et utilisées dans le logiciel Radiance en tant que modèles de ciel. La comparaison entre les mesures expérimentales et les résultats des simulations prouvent la validité de la méthode. Cette validation nous permet alors de proposer un nombre de cas-tests basés sur des mesures réalisés dans notre maquette expérimentale. Ces cas-tests comprennent des scénarios de lumière naturelle avec des ouvertures en toiture ou en façade dont un scénario dédié à la simulation des matériaux à transmission bi-directionnelle. En plus des cas-tests en lumière naturelle, nous présentons un nombre de cas-tests en lumière artificielle où les mesures d éclairement sont associées à une description précise du scénario et en particulier des luminaires utilisés. Ces cas-tests sont basés sur le rapport TM28 de la CIBSE. 11

12 Dans la quatrième partie, nous utilisons les différents cas-tests proposés pour la validation d un logiciel de simulation de la lumière, Lightscape 3.2. A travers cette étude, nous obtenons une idée précise sur les capacités et les limites de ce logiciel. Nous notons en particulier une bonne précision dans le calcul de radiosité et des scénarios de lumière artificielle, et une précision réduite dans le calcul de l entrée de la lumière de jour. En réponse à cette limitation, qui est commune à un nombre important de logiciels, nous proposons une méthode de simulation de la lumière naturelle en tant que luminaire associé à une photométrie équivalente à l environnement extérieur. Pour la validation de cette méthode, nous utilisons les cas-tests basés sur des scénarios de lumière naturelle. Nous comparons les résultats de la méthode des luminaires équivalents à ceux des logiciels Lightscape 3.2 et/ou Radiance. Cette comparaison prouve une fiabilité satisfaisante de la méthode y compris pour des scénarios en champ proche. Nous terminons ce travail par en tirer les conclusions sur l apport de la méthode de validation proposée ainsi que sur la validité des modèles de ciel réels, du logiciel testé et de la méthode des luminaires équivalents. Nous joignons à ces conclusions une liste de perspectives envisageables pour compléter ce travail. 12

13 Abstract The ability to simulate light propagation is gaining interest in the domain of building design through the use of the lighting computer programs, which are increasing in number and power on the international market. However, these programs usually do not offer enough transparency on their real potential and their domain of application. The objective of this work is to contribute to the assessment of the potentials and the limits of the existing programs, and to the enhancement of these capabilities. In the first part, we start with an analysis of the state of the art of the lighting simulation domain. This analysis allows us in particular to identify the difficulties encountered in the domain of validation of lighting programs, and to deduce an adapted validation methodology which makes it possible to overcome these difficulties. The guiding principle behind this methodology is to create a series of test-cases, with analytical or experimental references, and where each test-case treats a certain aspect of the light propagation in buildings. In the second part, and within the framework of the proposed validation methodology, we propose a series of test-cases based on analytical calculations. These test-cases have the advantage of limiting or even eliminating the uncertainties in the reference values. In the third part, we address the problems related to the creation and the use of experimental references for the validation of computer programs. We propose a set of recommendations to be followed when creating and/or using this type of references. The objective of these recommendations is to limit the error sources and the uncertainties related to the experimental reference. One of the significant points of the proposed recommendations, is related to the need for describing with precision the real luminance distribution in a daylighting scenario (including sky, external ground and build environment). This remains difficult to realize, in particular because of the complexity of the existing devices for the measurement of external luminance fields simultaneously with measurements inside a building. As an answer to this problem, we propose to test a new method for the description and the use of real luminance maps. These maps are generated from calibrated digital photos, and are used as sky models in daylighting simulation programs. To validate this method, we conduct a series of illuminance measurements inside a scale model simultaneously with digital photographs of the external environment. The photos are analyzed and used in the Radiance software as a sky description. The comparison between the experimental measurements and the simulation results proves the validity of the method. This validation enables us to propose a number of test-cases based on experimental measurements conducted in our scale model. These test-cases include a set of daylighting scenarios with roof or façade openings and in particular a scenario dedicated to the simulation of the bi-directional transmission in complex fenestration systems. In addition to the daylighting test-cases, we present a number of test-cases for artificial lighting where illuminance measurements are associated to a detailed description of the scenario and in particular of the luminaires used. These test-cases are based on the TM/28 report of the CIBSE. In the fourth part, we use the various proposed test-cases for the validation of a lighting software : Lightscape 3.2. This study gives a precise idea on the capacities and the limits of 13

14 this software. We note in particular a good accuracy in the radiosity calculations and in the artificial lighting scenarios, but a limited accuracy in the daylighting calculations inside the buildings. As an answer to this limitation, which is common to a significant number of lighting programs, we propose a method for simulating the daylight entrance in buildings through the use of a luminaire associated to an equivalent photometry of the external environment. For the validation of this method, we use the proposed test-cases that are related to daylighting simulation. We compare the results of the equivalent luminaire simulation to those of Lightscape 3.2 and/or Radiance. This comparison shows a good reliability of the method, including for scenarios with near-field masks. We complete this work by drawing the conclusions on the advantages of the proposed validation method as well as on the validity of the use of real sky models, of the tested software and of the equivalent luminaire concept. We join to these conclusions a list of suggested perspectives to supplement this work. 14

15 Introduction Introduction générale: La prise en compte de l'éclairage dans la conception des bâtiments joue un rôle important dans l'amélioration de la qualité des ambiances et dans la maîtrise des consommations et des coûts. Les outils de simulation numérique de l'éclairage ont effectué des progrès considérables au cours des dernières années, ce qui leur permet aujourd hui de jouer un rôle de plus en plus important dans la conception énergétique des bâtiments. Ce rôle est souvent accompli à travers une analyse de la disponibilité de lumière naturelle pour en déduire un dimensionnement et une stratégie de contrôle optimisés pour les systèmes d éclairage naturel et artificiel. L évolution du domaine de la simulation numérique de l éclairage s est accompagnée d une augmentation du nombre des logiciels scientifiques et commerciaux proposés au niveau international. Ces logiciels varient souvent dans leurs interfaces, dans les fonctionnalités proposées, dans les algorithmes utilisés ainsi que dans leurs vocations. Cependant, nous remarquons que ces logiciels manquent souvent d information transparente sur leurs réelles capacités et limites ainsi que sur leur champ d application. Ceci conduit à un manque ou un excès de confiance dans ces logiciels par les utilisateurs potentiels dans le domaine de la conception en éclairage. Le manque de confiance empêche encore de nos jours des concepteurs de bénéficier des avantages de la simulation numérique de l éclairage. Alors que l excès de confiance conduit souvent à des bâtiments dont la performance ne correspond pas aux estimations annoncées lors de la phase de conception. On se trouve alors souvent avec des problèmes de confort et/ou des surcoûts de consommation énergétique. Le manque d information sur la fiabilité des logiciels ne provient souvent pas d un manque de travaux de validation, mais surtout de la possibilité d en sortir avec des conclusions concrètes sur le domaine de validité d un logiciel testé. Ceci ne met pas forcement en cause la qualité des travaux de validation menés, mais il met en évidence la difficulté du domaine de la validation. La majorité des travaux de validation existants se situent en général dans 3 catégories : 1. Validation par comparaison entre simulations et mesures dans des maquettes expérimentales [Grynberg, 1988] [Aizlewood, 1997] [Caroll, 1999] [Fontoynont, 1999] 2. Validation par comparaison entre simulations et mesures dans des scènes réelles [Chuard, 1989] [Love, 1991] [Mahdavi, 1993] [Jarvis, 1997] [Galasiu, 1998] [Mardaljevic, 2001] 3. Validation par comparaison entre simulations de différents logiciels [Selkowitz, 1982] [Bresciani, 1989] [Houser, 1996] [Khodulev, 1996] [Fontoynont, 1999] [Maamari, 2003] Lors d une comparaison des simulations numériques aux mesures expérimentales dans des maquettes ou dans des bâtiments existants, le problème principal reste dans l incertitude liée aux valeurs mesurées et à la description du scénario. Cette incertitude est liée au nombre souvent élevé de sources d erreurs. Ainsi, d une part nous nous trouvons souvent avec des références expérimentales associées à une marge d incertitude trop importante. Et d autre part nous nous trouvons avec des scénarios complexes où il est difficile d identifier les sources de différences entre la simulation et les mesures. Avec ce type de scénarios nous risquons également de ne pas identifier toutes les sources d erreurs car certaines peuvent être compensées par d autres. C est ce que nous avons pu remarquer par exemple dans l utilisation des références 15

16 Introduction expérimentales de la tache 21 de l IEA pour le test d un logiciel commercial [Maamari, 2002]. En conséquence, et en prenant en considération les coûts considérables nécessaires pour la création des données expérimentales, nous constatons l importance de définir des règles générales qui permettent d exploiter au mieux les données expérimentales en tant que références fiables pour la validation des logiciels. Nous constatons également l intérêt des références basées sur un calcul analytique qui sont rarement utilisées malgré l avantage qu ils représentent dans la limitation des incertitudes et des coûts [Aizlewood, 1997] [Maamari, 2003]. Partant de ces constatations, le but principal de ce travail est de décrire une méthodologie de validation dont le rôle est de dépasser les limites des travaux déjà réalisés, et donc de mieux identifier les capacités et les points de faiblesse d un logiciel testé. Un autre objectif de cette méthode est de faciliter la comparaison objective entre les logiciels à travers la standardisation d une série de cas-tests fiables et couvrant les différents aspects de la propagation de la lumière. Au-delà de la méthode de validation, nous proposons et nous validons dans ce travail deux nouvelles méthodes de simulation de la lumière naturelle : L utilisation des modèles de ciel réels et le concept des luminaires équivalents. 16

17 Introduction Références bibliographiques AIZLEWOOD M., BUTT, J., ISAAK, K., LITTLEFAIR, P. Daylighting in atria: a comparison of measurements, theory and simulation. Lux Europa 1997, Amsterdam- Netherlands, BRESCIANI F., RINALDI, P. P., TAPPARO, F. Applications and Comparisons of Different Mathematical Methods to Compute Form Factors for Radiosity Images. Workstations for Experiments, IP WG 5.10 International Working Conference, Berlin, Germany. Springer- Verlag, 1989, pp CAROLL W. L., HITCHCOCK, R. J. Recent Comparisons of SUPERLITE to Scale Model Data. LBNL Lawrence Berkeley National Laboratory, CHUARD P. D. Calculs d'éclairage - Comparaison mesure - calcul. SAURANE SA, Lausanne, FONTOYNONT M., LAFORGUE, P., MITANCHEY, R., AIZLEWOOD, M., BUTT, J., CARROLL, W., HITCHOCK, R., ERHORN, H., DE BOER, J., DIRKSMÖLLER, M., MICHEL, L., PAULE, B., SCARTEZZINI, J-L., BODART, M AND ROY G. Validation of daylighting simulation programs. IEA SHC Task 21/ ECBCS Annex , 28 p. GALASIU A., ATIF, M. Applicability of Daylighting Computer Modeling in Real Case Studies: Comparison between Measured and Simulated Daylight Availability and Lighting Consumption. IEA SHC Task 21 / IEA ECBCS, Annex 29; Daylight in Buildings,. International Energy Agency, National Research Council Canada, 1998, 68 p. GRYNBERG A. Comparison and Validation of Radiance and Superlite. Rapport interne. Lawrence Berkeley National Laboratory, HOUSER K. W. A Comparison of Luminance Images: Lightscape, Radiance, and an IQCam. Contract Number Nepean - Ontario: Public Works and Government Services - Canada, JARVIS D., DONN, M. Comparison of Computer and Model Simulations of a Daylit Interior with Reality. 5th International conference on Building Performance and Simulation Association, Prague, Czech Republic, 1997, pp KHODULEV A. B., KOPYLOV, E. A. Physically accurate lighting simulation in computer graphics software. GraphiCon 96: The 6th International Conference on Computer graphics and Visualization, St. Petersburg, Russia, 1996, pp LOVE J. A., NAVVAB, M. Daylighting Estimation Under Real Skies: a Comparison of Full- Scale Photometry, Model Photometry and Computer Simulation. IES, 1991, vol. 20, n 1. MAAMARI F., FONTOYNONT, M. Use of IEA-SHC Task 21 C benchmarks to assess performance of Lightscape 3.2 in daylighting calculations. EPIC, Lyon, France, 2002, pp

18 Introduction MAAMARI F., FONTOYNONT, M. Analytical tests for investigating the accuracy of lighting programs. Lighting Research and Technology, 2003, vol. 3, n 35, pp MAAMARI F., FONTOYNONT, M., HIRATA, M., KOSTER, J., MARTY, C., TRANSGRASSOULIS, A. Reliable Datasets for Lighting Programs Validation, Benchmark results. CISBAT 2003 Conference, 2003, pp. 6. MAHDAVI A., BERBERIDOU-KALLIVOKA, L. A Two-Way Inference Approach to Daylighting Simulation. IES, 1993, vol. 22, n 1. MARDALJEVIC J. The BRE-IDMP dataset: a new benchmark for the validation of illuminance prediction techniques. Lighting Research and Technology, 2001, vol. 33, n ISSN , pp SELKOWITZ S., KIM, J., NAVVAB, M., WINKELMANN, F. The DOE-2 and SUPERLITE Daylighting Programs. Rapport interne. Lawrence Berkeley National Laboratory,

19 Chapitre I Chapitre I Etat de l art de la simulation numérique de l éclairage Résumé Dans ce chapitre nous réalisons une étude bibliographique dans le domaine de la simulation numérique de l éclairage. Nous commençons par une description des phénomènes de propagation de la lumière et des méthodes existantes pour leur simulation. Nous faisons ensuite le point sur les logiciels de simulation de l éclairage, sur les différents types existants, leurs limites et leurs capacités. Nous faisons également l analyse du domaine de validation de ces logiciels, les travaux déjà réalisés, leurs catégories et leurs problématiques. Nous concluons par les besoins dans ce domaine afin d y répondre au mieux par ce travail de thèse. 19

20 Chapitre I 20

21 Chapitre I Table des matières 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 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 I.3 La validation des logiciels de simulation de l éclairage I.3.1 Introduction I.3.2 Différents types de validation 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

22 Chapitre I I Introduction I Concept et approche proposés Conclusions Références Bibliographiques

23 Chapitre I Introduction On entend par logiciel de simulation de la lumière un outil informatique qui permet de simuler la propagation de la lumière dans un milieu donné. Cette propagation est caractérisée par un certain nombre d aspects d ordre physique. Nous citons par exemple : - La photométrie des sources (naturelles ou artificielles) - Le transfert des flux à travers des matériaux vitrés (à caractéristiques bidirectionnelle ou non) - La réflexion de la lumière sur les différents types de matériaux (brillants, mats, ) - Le rôle des obstructions et des masques - L aspect spectral des sources et des matériaux - Le rendu graphique des résultats. Nous menons dans cette partie du travail une étude bibliographique pour mieux comprendre ces différents aspects et les méthodes utilisées pour leur simulation. I.1 La propagation de la lumière entre la réalité et la simulation Dans cette partie nous listons les différents éléments qui affectent la propagation de la lumière dans un bâtiment, et nous faisons le lien avec les moyens existants pour leur simulation. I.1.1 Les sources de lumière artificielle Les premiers éléments à prendre en considération dans la propagation de la lumière sont les sources de lumière. Nous commençons par la lumière artificielle qui est encore de nos jours mieux maîtrisée que la lumière naturelle dans le domaine de la conception et de la simulation numérique de l éclairage. I Introduction : Les luminaires et la conception en éclairage artificiel L élément de base de la lumière artificielle est la lampe. Vis-à-vis des phénomènes de propagation de la lumière, une lampe est caractérisée en particulier par le flux lumineux et sa répartition spectrale et spatiale. Cependant, les lampes sont généralement combinées à des optiques dont le but est de réorienter le flux sortant d une lampe afin d améliorer son efficacité en particulier du point de vue des éclairements résultants sur les zones utiles et du confort visuel de l occupant. Cette combinaison entre lampe et optique représente ce qu on appelle un luminaire. Ainsi un luminaire est caractérisé par la quantité du flux lumineux sortant qui dépend du flux de la lampe et des absorptions dans l optique, par la répartition spectrale de ce flux qui correspond souvent à celle de la lampe utilisée, et finalement par la répartition du flux sortant dans l espace affectée surtout par la géométrie et les matériaux de l optique et par la position de la lampe par rapport à celui-ci. L ensemble de ces caractéristiques représente la photométrie d un luminaire qui est un élément de base dans la conception et la simulation de l éclairage artificiel. En effet, la prise en considération de la lumière artificielle dans un projet d éclairage porte principalement sur les paramètres suivants : 1. Niveau d éclairement requis sur les plans de travail 2. Confort visuel (éblouissement direct, contrastes dans le champ de vision ) [Achard, 1994] 3. Systèmes de contrôle et interaction avec l éclairage naturel 23

24 Chapitre I 4. Consommation énergétique 5. Coût d installation et de maintenance 6. Esthétique et intégration architecturale (rendu de couleur..) Les outils d aide à la conception intégrant ces paramètres peuvent varier entre les méthodes simplifiées de calcul manuel (souvent associées à des abaques) et les logiciels basés sur des algorithmes de calcul physique, de plus en plus complexes et performants (Radiosité, Lancer de rayon). [CIE, 1978] [IESNA, 1982] [CIE, 1982] [CIE, 1984] [AFE, 1987] [CIE, 1989] [CIE, 1992] [CIE, 1995] [IESNA, 1991] [IESNA, 1991] I Mesures Goniophotométriques des luminaires Pour pouvoir calculer l éclairement direct dû à un luminaire, il est nécessaire de connaître le flux lumineux sortant et sa distribution directionnelle. Cette distribution, dite aussi distribution des intensités, courbe photométrique ou solide photométrique, est mesurée à l aide d un goniophotomètre. Un goniophotomètre consiste à présenter sous différents angles un luminaire muni d une lampe et d un ballast étalonnés, à un capteur d éclairement situé à une grande distance. Les premiers goniophotomètres conçus par "Ferris Wheel" permettaient de faire tourner le luminaire dans un plan horizontal et de faire tourner le capteur dans un plan vertical, ce qui nécessite des grands espaces. De nos jours, on utilise surtout des goniophotomètres à miroir, où le luminaire fait des rotations dans le plan horizontal, et un miroir fait une rotation verticale autour du luminaire de façon à réfléchir la lumière incidente du luminaire vers un capteur fixe placé à une certaine distance. Figure I.1: Exemple d un goniophotomètre à miroir On utilise également une deuxième méthode de mesures goniophotométriques, dite "photométrie à distance d application". Elle consiste à mesurer point par point les éclairements reçus sur une surface située à une certaine distance du luminaire. Ces mesures seront interpolées de façon à conclure une distribution des intensités équivalentes qui produirait les mêmes valeurs si elle était positionnée au centre photométrique du luminaire. L inconvénient de cette méthode est qu elle n est applicable que pour une certaine distance. 24

25 Chapitre I Une troisième méthode consiste à utiliser des capteurs CCD calibrés en luminance pour mesurer le champ de lumière entourant la source. Cette méthode est dite de "photométrie à champ de luminances" et elle est de plus en plus utilisée dans le domaine de la photométrie en champ proche. [CIE, 1987] [CIE, 1996] [Ashdown, 2001] [Deniel, 2002] I Notion de champ proche - champ lointain Pour une mesure goniophotométrique d un luminaire, il faut faire la différence entre mesures en champ proche et en champ lointain. Les mesures en champ lointain supposent que la source de lumière mesurée est infiniment petite, et pour laquelle peut s appliquer la loi de l inverse du carré. Cette hypothèse est généralement vérifiée à 2% près pour les cas où le point de mesure est à une distance du luminaire d au moins cinq fois sa largeur (règle des 5x). Cependant cette notion n est pas toujours applicable, comme par exemple pour les luminaires indirects de grande dimension (e.g. à tubes fluorescents). Les mesures en champ proche prennent en considération l hétérogénéité de la distribution des intensités entre différentes zones d une source. Ca consiste à mesurer la distribution de la lumière à une distance proche du luminaire. La photométrie en champ proche produit un grand nombre de données, dont l exploitation n est pas encore à la portée de la majorité des logiciels de simulation de l éclairage existants. C est pourquoi nous ne traitons pas la photométrie en champ dans notre travail. [IESNA, 1993] [Ashdown, 1993] [Ashdown, 2001] [Deniel, 2002] I Fichiers photométriques Les mesures goniophotométriques (en champ lointain) d un luminaire sont souvent présentés sous forme de tableaux de valeurs ou des graphiques, associant une valeur d intensité lumineuse à chaque direction (repérée par un angle vertical et un angle horizontal à partir du centre photométrique du luminaire, i.e. centre de la rotation du luminaire). La valeur donnée de l intensité peut être une valeur absolue mesurée ou bien une valeur relative en cd/m² pour un flux de 1000lm produit par la ou les lampes du luminaire. Pour prendre en considération ces données photométriques dans une simulation de l éclairage, un certain nombre de formats de fichiers numérique a été créé : 7. Le format IESNA dit IES, défini et publié en 1986 par l IESNA (Illumination Engineering Society for North America) et depuis adopté par les constructeurs américains de luminaires et par les développeurs de logiciels de calcul d éclairage. Ce format a été révisé en 1991, en 1995 [IESNA, 1995] et plus récemment en [ANSI/IESNA, 2002] 8. Le format CIBSE TM 14 "CIBSE standard file format for the electronic transfer of luminaire photometric data", publié en 1988 et largement utilisé au Royaume Uni. [CIBSE, 1988] 9. Le format Eulumdat, proposé par Stockmar, A. en 1990 et largement adopté par l industrie européenne de l éclairage. [Stockmar, 1990] [Stockmar, 2000] [Ashdown, 1999] 10. Le format CIE , "Recommended file format for electronic transfer of luminaire photometric data". Ce rapport a été publié par la CIE dans l objectif de standardiser un format international et unique, mais il n a pas été suffisamment soutenu par l industrie de l éclairage ou par les développeurs de logiciels, ce qui était le cas également pour d autres tentatives. [CIE, 1993] 25

26 Chapitre I Figure I.2: Exemples de visualisation 3D de fichiers photométriques associés à la géométrie d un luminaire De façon générale, les différents formats proposés prévoient une partie pour les informations générales (sur le luminaire et les lampes utilisées, sur le flux, sur les conditions de mesure ), une partie pour la description des angles de mesures (nombre d angles verticaux et horizontaux, et leurs valeurs, les axes de symétrie s ils existent ), puis une partie pour présenter les valeurs d intensité à associer à chaque angle de mesure. En ce qui concerne le flux réel à utiliser pour la simulation, il peut être déduit de l intégration des intensités corrigées ou non par un facteur multiplicateur (pour passer des valeurs relatives aux valeurs réelles), ou bien il peut être donné en valeur absolue dans le fichier. (Voir les exemples présentés dans l annexe G). I Calcul numérique de l éclairage direct d un luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique) L exploitation d un fichier photométrique dans un logiciel se fait à l aide d une interpolation des valeurs données pour les différentes directions de mesure pour en déduire des valeurs d intensité à affecter à toutes les autres directions. Il existe plusieurs méthodes d interpolation, dont les plus utilisées la méthode dite"spline", la méthode "linéaire" et la méthode dite "Séries de Fourier". Quelle que soit la méthode d interpolation utilisée, il existe une source d erreur potentielle en particulier dans le cas de variation rapide des valeurs d intensité réelles entre les directions mesurées. Pour cela, il est conseillé de faire des mesures goniophotométriques avec des pas de mesure assez fins en particulier pour les luminaires à photométrie complexe. Suite à cette interpolation, le logiciel dispose d une distribution d intensité complète, dite aussi solide photométrique, qu il pourra utiliser pour calculer les éclairements directs reçus sur les différentes surfaces de la géométrie. Ce calcul est basé sur la formule définissant la relation entre l intensité (I ox ) d une source ponctuelle (O) dans la direction d un point donné (X), l angle d incidence par rapport à la surface de mesure (θ) et la valeur d éclairement résultante sur ce point (E = I ox cosθ / d²). Etant donné que ce calcul prend en considération une source point (caractérisée par le solide photométrique souvent placé au centre photométrique du luminaire), il est important de vérifier la loi de 5x entre la distance d et la longueur du luminaire. Cependant la majorité des logiciels existants procèdent à une subdivision automatique d une source linéaire ou surfacique en une série de sources points et cela en fonction de sa dimension et de sa distance des points de mesure afin de vérifier la loi de 5x. Le même solide 26

27 Chapitre I photométrique sera attribué à toutes les sources points avec un flux qui correspond à une partie du flux initial de la grande source. Il faut noter que cette subdivision d un luminaire en une série de sources points ne prend pas en considération l hétérogénéité de la distribution des intensités entre les différentes zones de ce luminaire. Ce qui fait introduire une source d erreur qui doit être prise en considération en comparant les résultats d une simulation (basée sur un solide photométrique obtenu par des mesures goniophotométriques en champ lointain) à des mesures expérimentales d éclairement. [IESNA, 1993] [Ashdown, 2001] [Deniel, 2002] I.1.2 Les sources de lumière naturelle Malgré l utilisation intense de la lumière artificielle dans notre mode de vie, la source principale de lumière reste la lumière de jour. Pour parler de la lumière du jour, il faut bien évidemment parler du soleil et du ciel, mais aussi du sol extérieur et de l environnement urbain. [CIE, 1970] [IESNA, 1993] [Dumortier, 1995] I le soleil A l origine de la lumière du jour on trouve le soleil qui est la source primaire de rayonnement sur la terre. La variation de l inclinaison des rayons du soleil à la fois dans le temps et dans l espace crée un véritable dynamisme et dessine les grandes lignes de la géographie des climats. La position apparente du soleil par rapport à un point donné de la terre est exprimée par deux paramètres : la hauteur solaire, qui représente l angle vertical du soleil avec l horizon, et l azimut solaire, qui représente l angle horizontal (dans le sens des aiguilles de la montre) du soleil avec le sud. L éclairement solaire direct reçu sur une surface donnée dépend en particulier de l angle d incidence du rayonnement solaire sur la surface (variant avec l orientation de la surface et la position du soleil), de la distance entre le soleil et cette surface (variant avec l orbite elliptique de la terre) et de l atténuation du flux lumineux dans l atmosphère (variant avec la densité des nuages et des aérosols). Cet éclairement dépend aussi de l Exitance énergétique du soleil exprimée par la Constante solaire qui représente l éclairement énergétique (en klx) produit par le rayonnement solaire extraterrestre sur une face perpendiculaire aux rayons solaires à la distance moyenne Soleil-Terre. Cette constante est pondérée par l efficacité lumineuse relative du rayonnement solaire. La prise en considération du soleil dans une simulation numérique se fait surtout à travers des algorithmes mathématiques qui servent à calculer la position du soleil par rapport à la latitude et la longitude du site, au jour de l année (de 1 à 365), et au temps local. Cette position est alors utilisée pour évaluer la pénétration à l intérieur du bâtiment. I le ciel Avant d atteindre la surface de la terre, les rayons solaires traversent et subissent les effets de la couche gazeuse qui enveloppe la terre : l atmosphère. Sa densité et sa pression diminuent au fur et à mesure que l altitude augmente. Trois régions sont définies pour caractériser la composition de l atmosphère : l homosphère, l hétérosphère et la photosphère. Seule l homosphère intervient dans les phénomènes de propagation du rayonnement solaire car elle contient l air sec et pratiquement la totalité de l eau atmosphérique et les aérosols, principaux éléments qui influencent la composition spectrale et la propagation de la lumière. 27

28 Chapitre I Ainsi, avec la position du soleil et les conditions climatiques (e.g. densité des nuages, densité des aérosols ) se dessine une distribution spatiale des luminances de la voûte céleste vue par un site donné de la terre. Cette distribution des luminances détermine l éclairement horizontal sur un site donné et joue un rôle principal dans la propagation de la lumière de jour à l intérieur des bâtiments. La prise en considération des champs de luminances des ciels dans une simulation numérique de l éclairage se fait très souvent à travers les modèles numériques de ciels. I les modèles de ciel Pour pouvoir prédire avec précision les éclairements obtenus à l intérieur d une pièce éclairée en lumière de jour, il est essentiel de pouvoir déterminer la distribution des luminances du ciel. Pour cela, des recherches et des observations ont été menées à travers le monde, et plusieurs modèles numériques ont été créés et standardisés afin de décrire des répartitions types de luminances qui correspondent le mieux aux conditions de ciel les plus rencontrées dans la réalité. Ces modèles sont généralement décrits par des formules exprimant la variation des luminances des différentes zones/mailles du ciel souvent par rapport à la luminance au zénith et selon la position du soleil et les caractéristiques de l atmosphère. A noter que de manière générale, ces modèles de ciel ne prennent pas en considération le rayonnement direct du soleil. Parmi les modèles de ciel existants, nous citons les suivants : 1. Ciel Uniforme, utilisé auparavant pour le calcul du facteur de lumière de jour 2. Ciel clair CIE basé sur le modèle défini par kittler en 1965 [Kittler, 1965] [CIE, 1973] [CIE, 1990] 3. Ciel couvert CIE basé sur le modèle de "Moon and Spencer" et largement utilisé comme référence pour le calcul du facteur de lumière de jour depuis sa recommandation par la CIE en 1970 [Moon, 1942] [CIE, 1970] [CIE, 1990] 4. Ciel intermédiaire de Nakamura [Nakamura, 1989] 5. Ciels IESNA, Pour déterminer la répartition des luminances d un ciel, l IESNA utilise les équations utilisées par la CIE pour les ciels clair et couvert, et propose une autre équation pour un ciel intermédiaire. Cependant, en plus de la répartition des luminances, l IESNA propose l utilisation d une équation pour obtenir une valeur absolue de l éclairement horizontal, et une autre équation pour en déduire directement la luminance au zénith. Les paramètres associés aux deux équations dépendent de la condition du ciel (clair, intermédiaire ou couvert) et de la position du soleil [Karayel, 1984] 6. Modèle tout temps de Perez, C est un modèle empirique basé sur un algorithme unique qui à partir de la variation de deux paramètres liés aux conditions climatiques (clarté et luminosité) décrit des répartitions de luminances correspondantes à des conditions de ciel allant du ciel sans nuages au ciel complètement couvert [Perez, 1993] 7. Modèle du Ciel Général de la CIE, qu on peut considérer comme une dérivée du ciel tout temps de Perez. Il est défini par une équation unique et 15 séries de paramètres pour décrire 15 conditions types de ciel et la distribution des luminances propre à chacune de ces conditions [CIE, 2002] Même si la majorité de ces modèles tentent de représenter les champs de luminances des ciels le plus fidèlement possible à la réalité, il est important de noter qu il sera difficile, sinon 28

29 Chapitre I impossible, de représenter tous les cas de figures qui peuvent exister dans un ciel réel par des simples formules. Ceci est particulièrement vrai si nous voulons prendre en considération ce qui peut apparaître dans un champ de luminances externe à une ouverture zénithale ou verticale (masques, sol extérieur ). Face à la complexité des champs de luminances réels, plusieurs tentatives ont été menées afin de transformer un champ de luminances réel en un modèle de ciel à travers des mesures de scanner de ciel ou bien à travers des photos numériques étalonnées [Roy, 1998] [Mardaljevic, 2001] [Dumortier, 2001]. Au-delà de la variation des luminances d un ciel, certaines études se sont intéressées à la variation de la température de couleur proximale et de la répartition spectrale [Chain, 1999]. I Le sol extérieur La lumière naturelle réfléchie sur le sol extérieur peut jouer un rôle important dans la propagation de la lumière du jour à l intérieur des bâtiments. En effet elle représente en moyenne 10 à 15% de l éclairement vertical direct sur une façade, et peut dépasser cette valeur dans le cas d un sol clair. En général cette lumière est renvoyée par les surfaces du plafond ou des murs vers les autres surfaces internes, et participe ainsi à la composante réfléchie interne du facteur de lumière de jour. La prise en considération du sol extérieur dans une simulation numérique de l éclairage se fait souvent en supposant une luminance uniforme de celui-ci, variant avec l éclairement Hz et le facteur de réflexion moyen du sol. Cependant, dans certains logiciels il est nécessaire de modeler le sol extérieur par une surface de grande dimension. Dans ce cas, le moteur de calcul doit procéder au calcul de la répartition de la luminance sur le sol avant de calculer sa contribution à l éclairage intérieur. I Les masques extérieurs (éléments de façade et environnement urbain) Dans le calcul de la lumière du jour à l intérieur d un bâtiment, il est important de prendre en considération les éléments de façade et l environnement urbain. Ceux ci peuvent représenter à la fois une obstruction à l entrée de la lumière de jour directe dans le bâtiment, et une source secondaire de lumière naturelle par réflexion (composante réfléchie externe). Ainsi, par exemple, une pièce au premier étage sera moins éclairée qu une autre au 5 ème étage dans le cas d un bâtiment en vis à vis. Ou encore la même pièce sera mieux éclairée avec un facteur de réflexion plus élevé de la façade en face. La prise en considération des masques dans certaines méthodes de calcul simplifiées se fait à travers la détermination de l angle d obstruction (entre le centre de la fenêtre et la ligne limite entre le masque et le ciel) et du facteur de réflexion moyen du masque. Un calcul plus précis de l influence d un scénario urbain donné sur l entrée de la lumière du jour dans une pièce peut se faire à l aide des algorithmes de calcul physiques (radiosité ou lancer de rayon). Cependant, cela nécessite la modélisation géométrique des masques extérieurs ce qui entraîne un temps de calcul relativement long. 29

30 Chapitre I I La conception en éclairage naturel : notions de bases et méthodes de calcul Généralités : On entend par conception de l éclairage naturel dans un bâtiment, le choix des composants et des caractéristiques des parois vitrées: leur position, leurs dimensions, les spécifications des vitrages et des protections solaires. Ces choix sont guidés par des considérations thermiques (apport solaire et surchauffe, déperditions par l enveloppe), acoustiques, énergétiques (éclairage artificiel, systèmes de chauffage et de climatisation), ergonomiques (confort visuel) ainsi qu esthétiques et architecturales. Il est également nécessaire de prendre en considération les interactions entre ces différents paramètres afin d arriver à un compromis qui répond le mieux aux exigences du projet. Par exemple, laisser passer plus de lumière naturelle en agrandissant les surfaces vitrées entraînerait une augmentation de l apport solaire et des surchauffes en été, et de la déperdition et de la consommation énergétique du chauffage en hiver. Avec les progrès technologiques apportés aux systèmes de contrôle, on arrive de nos jours à mieux gérer ces interactions, en particulier le contrôle des protections solaires en relation avec le confort visuel, et le contrôle de l éclairage artificiel en relation avec la disponibilité de la lumière de jour sur le plan de travail (systèmes de "dimming", contrôles automatisés, zonage ). Cependant, pour que la conception de l éclairage naturel dans un bâtiment aboutisse à une meilleure efficacité énergétique, il est important de s y intéresser dès les premières phases de la conception du bâtiment (orientation, dimensionnement ). [ASHRAE- IESNA, 1989] [CIE, 1994] [Leslie, 2003] Eclairement intérieur requis : Un paramètre clé dans la conception de l éclairage naturel est l éclairement intérieur (en particulier sur le plan de travail). Cet éclairement subit des variations importantes avec le temps dues au dynamisme de la distribution des luminances du ciel (en particulier la zone vue par un point de référence). Dû à cette dynamique, et pour simplifier la prise en considération de ce paramètre dans la conception d un bâtiment, la notion de l éclairement minimum toléré a été introduite. Ainsi on s intéresse à un seuil minimum d éclairement nécessaire pour assurer le bon fonctionnement des tâches pour lesquelles est dédié un local. Le dépassement de ce seuil est supposé comme généralement compensé par l adaptation de l œil. Disponibilité de la lumière de jour: L éclairement intérieur est directement lié à la disponibilité de la lumière de jour à l extérieur du bâtiment. Cette dernière est exprimée par l éclairement sur une surface horizontale dégagée. Sa variation avec le temps et la géographie a été étudiée à partir de plusieurs campagnes de mesure à travers le monde. [Dumortier, 2003] Ainsi la disponibilité de la lumière de jour a pu être décrite par des diagrammes en fonction de la latitude et d un pourcentage des heures d une année pour une période journalière donnée (9h à 17h par ex.) pour lesquelles l éclairement horizontal extérieur dépasse un certain seuil. Ces diagrammes ne prennent souvent en considération que l éclairement diffus. De nos jours, on arrive à estimer la disponibilité de la lumière de jour par l analyse des images satellites. Nous citons dans ce domaine le serveur Web "Satel-Light" développé au 30

31 Chapitre I LAboratoire des Sciences de l Habitat de l ENTPE [Dumortier, 1995] [Satel-Light, 1995] [Dumortier, 2002] [Dumortier, 2003]. Facteur de lumière de jour: Afin de déterminer une relation entre l éclairement intérieur (en un point de la pièce) et la disponibilité de la lumière du jour à l extérieur d un bâtiment, la notion du Facteur de Lumière de Jour est utilisée : FJ= (Eint/Eext)% Ce ratio est subdivisé en plusieurs composantes : - La composante directe "FJD" (varie avec la distribution des luminances du ciel vues par le point de référence) - La composante réfléchie externe "FRE" (varie avec la contribution de la lumière réfléchie sur le sol et les masques extérieurs) - La composante réfléchie interne "FRI" (varie avec les inter-réflexions au niveau des surfaces intérieures, et dépend du facteur de réflexion de ces surfaces) Ainsi FJ = FJD + FRE + FRI Pour le calcul d un facteur de lumière de jour, en particulier sa composante directe, il est important de caractériser la répartition des luminances dans le ciel. Alors que pour des raisons de simplification on supposait une répartition uniforme (en azimut et en zénith) de la luminance du ciel, la CIE a proposé l adoption du ciel CIE couvert standard étant donné qu il représente mieux de la distribution réelle des luminances d un ciel nuageux. L utilisation d un ciel nuageux pour la mesure ou le calcul du facteur de lumière de jour est compatible avec la notion de l éclairement minimum toléré. En effet les autres conditions possibles de ciel aboutissent généralement à une meilleure pénétration de la lumière diffuse ou à une compensation par la lumière directe du soleil. Ainsi en adoptant le facteur de lumière de jour sous un ciel nuageux comme référence pour la conception, on garantit une marge de sécurité et un niveau minimum. Diagrammes d autonomie: A l aide des paramètres décrits ci-dessus : l éclairement intérieur requis, les diagrammes de disponibilité de la lumière de jour, et le facteur de lumière de jour, il est possible de décrire des diagrammes d autonomie en lumière de jour. Ces diagrammes permettent de définir un pourcentage de temps garanti où l éclairement intérieur (naturel) en un point donné dépassera un certain seuil. Ou bien il permet de définir un facteur de lumière de jour minimum requis afin de garantir un certain pourcentage de temps de dépassement d un seuil d éclairement intérieur. [ASE, 1989] [Satel-Light, 1995] Calcul dynamique de l éclairage naturel (coefficient de FLJ) : La nouvelle tendance dans la conception en éclairage naturel n est plus basée sur la notion de l éclairement minimum toléré, mais sur un calcul dynamique de l entrée de la lumière en utilisant les fichiers climatiques d un site donné. Cette méthode, plus réaliste mais plus lourde en calcul, est devenue utilisable grâce à l évolution des capacités du matériel informatique. Sa mise en place utilise l approche du "facteur de lumière de jour directionnel" pour pré-calculer la contribution relative des différentes mailles du ciel à l éclairement des différents points d un espace intérieur. [Tregenza, 1983] [Mardaljevic, 2000] [Reinhart, 2000] [Dumortier, 1995] 31

32 Chapitre I Outils de conception : En ce qui concerne les méthodes existantes pour le calcul et l évaluation de l entrée de la lumière de jour à l intérieur du bâtiment, elles sont classées selon les catégories suivantes [De Boer, 1999] : - Les méthodes de calcul manuel (méthode de lumen ) - Les méthodes graphiques basées sur des diagrammes selon des configurations types du bâtiment. Ces diagrammes sont complétés par des facteurs de correction à prendre en considération en relation avec la transmission des vitrages, la dégradation due à l accumulation des saletés, le facteur de réflexion moyen des surfaces intérieures - Des mesures expérimentales dans des maquettes à échelle réduite ou réelle, sous un ciel artificiel ou réel - Les logiciels de simulation basés en particulier sur les méthodes de radiosité et de lancer de rayon Un autre aspect de conception en éclairage naturel (que celui de l entrée de la lumière du jour) consiste à prendre en considération les taches solaires à l intérieur du bâtiment, en particulier du point de vue de l apport thermique et du confort visuel. L étude des taches est le plus souvent limitée à certains jours représentatifs de l année (en particulier les solstices) et pour différentes heures de la journée. Les méthodes existantes pour l étude des taches solaires sont : - Des méthodes manuelles utilisant des diagrammes solaires - Des études sur maquette réduite sous un héliodon - Des méthodes numériques utilisant des algorithmes mathématiques pour définir la position du soleil et des algorithmes de lancer de rayon pour simuler l entrée de la lumière solaire directe à travers l enveloppe du bâtiment. Certains logiciels sont développés spécialement pour l étude des taches solaires, on parle alors d héliodons numériques. En plus que les outils de simulation, nous traitons dans notre travail les mesures expérimentales dans des maquettes d étude. I.1.3 La géométrie I Généralités Comme la source lumineuse, la géométrie d un espace est un élément clé pour calculer et prédire la propagation de la lumière à l intérieur de cet espace. Pour un calcul d éclairage (manuel ou numérique), la description de cette géométrie doit inclure une description tridimensionnelle de l espace ainsi qu une caractérisation physique de ses matériaux. Dans cette partie nous nous intéressons à la description tri-dimensionnelle de l espace dans la simulation numérique de l éclairage. Les éléments de la géométrie à prendre en considération dans une simulation sont généralement les surfaces visibles des matériaux opaques du volume intérieur. Dans un scénario d éclairage naturel, nous considérons également les surfaces du sol et des masques extérieurs ainsi que les composants des parois vitrées. On parle de surfaces visibles des matériaux opaques, car contrairement au cas des échanges de flux thermiques, l influence des matériaux opaques sur la propagation des flux lumineux se limite à ces surfaces. 32

33 Chapitre I La prise en considération des parois vitrées, du sol et des masques extérieurs peut varier entre les différents logiciels. Ainsi, l influence de ces éléments (vitrage, store vénitien, masque vertical ou horizontal ) peut être calculée analytiquement dans un logiciel, et à l aide d un lancer de rayon ou un calcul de radiosité dans un autre. Le premier cas ne nécessite qu une description paramétrique (type de vitrage, couleur et orientation des lames, angle d obstruction ) et le deuxième nécessite une modélisation précise des éléments. I La modélisation DAO de la géométrie Bien que certains logiciels offrent la possibilité d une automatisation de l entrée de la géométrie 3D, celle ci est en fin de compte décrite par un ensemble de polygones définis par les coordonnées cartésiennes de leurs sommets (x, y, z). Pour les logiciels de simulation qui n offrent pas une interface de DAO pour l entrée de la géométrie, il est possible d importer cette dernière à partir d un logiciel de DAO externe [IESNA, 1999]. La plupart des logiciels de simulation sont compatibles avec le format DXF, créé par Autodesk et standardisé par la suite pour le transfert de données géométriques. [Autodesk, 1999] Parmi les logiciels de DAO souvent utilisés pour modéliser la géométrie 3D nous citons AutoCAD, ArchiCAD et Microstation. Cependant, lorsqu une géométrie est décrite à l aide d un logiciel externe, il est important de prendre certaines précautions dans le mode de dessin afin de garantir une meilleure compatibilité avec la plupart des logiciels de simulation de l éclairage. Les précautions à prendre et leurs importances sont différentes d un logiciel à un autre, mais souvent le but est d éviter les confusions lors du transfert qui peuvent mener à des erreurs de calcul. Par exemple, il peut s agir de respecter la notion de l orientation des surfaces qui est importante dans certains logiciels, ou bien de limiter la modélisation des surfaces de la géométrie aux parties apparentes pour éviter les fausses ombres. [Foley, 1990] I.1.4 La transmission des flux à travers les éléments de façade La propagation de la lumière naturelle à l intérieur d un bâtiment débute par un transfert des flux à travers les parois vitrées. Ainsi il est important de prendre ces dernières en considération pour une prédiction précise de l éclairage naturel dans un bâtiment. La caractérisation d un composant d une paroi vitrée en transmission lumineuse se fait généralement à travers des mesures goniophotométriques. Ainsi à partir d une série de mesures de transmission en direct-direct seront déduites les fonctions de transfert directhémisphérique et hémisphérique-hémisphérique qui caractérisent un matériau donné. [CIE, 1998] Cependant, une paroi vitrée peut se présenter sous différentes formes à différents niveaux de complexité. Nous listons ci-dessous les principaux cas de figures. I Ouverture simple Le cas le plus basique est celui d une simple ouverture sans vitrage. L influence d une telle ouverture sur la propagation de la lumière naturelle se limite à sa dimension et son épaisseur qui déterminent la partie du champ de luminances externe rendue visible aux points intérieurs. L aspect directionnel, qualitatif et quantitatif du flux lumineux incident est conservé lors du passage à travers cette ouverture et ne subit aucune déviation ni atténuation (si ce n est la réflexion sur les bords). 33

34 Chapitre I La prise en considération d une ouverture dans une simulation de l éclairage naturel se fait souvent à l aide d un maillage de sa surface. La luminance apparente des mailles est ensuite calculée (à partir de la luminance de la zone du ciel apparente à travers cette maille par un point donné), et finalement est calculée la contribution de chaque maille à l éclairement du point étudié. Dans un certain nombre de logiciels, le calcul commence par une détection du champ de vision d un point de mesure à travers l ouverture. Cette détection se fait généralement à l aide d un lancer de rayons qui permet de définir les limites du masque constitué par les murs entourant l ouverture. I Vitrage classique Dans le cas d une ouverture vitrée (vitrage classique), le flux incident subit l influence de la transmission directionnelle du vitrage. Cette transmission diminue avec l augmentation de l angle d incidence du rayonnement lumineux, et varie selon le type de vitrage (simple, double, teinté ). Il existe plusieurs références pour déterminer la variation théorique de la transmission lumineuse d un vitrage avec l angle d incidence. Mais en général, la majorité d un flux lumineux transmis à travers un vitrage classique est supposé garder sa directionnalité (angle de transmission = angle d incidence) et ne subit qu une simple atténuation selon l angle d incidence. [Hopkinson, 1966] [Hopkinson, 1966; Tregenza, 1993] La prise en considération d une ouverture vitrée dans une simulation d éclairage naturel suit le même principe que pour une ouverture non vitrée, mais en plus une atténuation de la contribution d une maille à l éclairement d un point est calculée selon l angle d incidence entre cette maille et ce point de mesure. Cependant certains logiciels ne prennent pas en considération la transmission directionnelle d un vitrage et se contentent d affecter un facteur de transmission uniforme. I Vitrage à aspect bi-directionnel Il existe sur le marché de la construction de plus en plus de vitrages à propriétés bidirectionnelles dont le but est souvent de favoriser le cheminement d un flux lumineux incident dans une direction donnée (Laser Cut Panel, Serraglaze, etc.). Par exemple, dans le cas d une ouverture verticale, l objectif est souvent de favoriser l orientation du flux transmis vers le plafond afin de permettre une entrée plus profonde de la lumière et afin d éviter ou au moins d atténuer les taches solaires. Dans le cas d une ouverture zénithale, l objectif est de favoriser l entrée verticale de la lumière provenant de toutes les directions de l hémisphère extérieur. Le flux lumineux incident sur ce type de matériaux est transmis avec changement d orientation partielle ou totale, dans le même plan d incidence ou bien dans tout l hémisphère de sortie. La prise en considération d un matériau à transmission bidirectionnelle dans une simulation de l éclairage naturel est d une complexité importante. Elle nécessite l utilisation des fonctions de transfert bidirectionnelles dite "BTDF" qui sont assez lourdes en calcul. Les logiciels permettant ce type de simulations sont encore assez rares et limités au domaine de la recherche scientifique. [Fontoynont, 1999] [Greenup, 2000] [Andersen, 2003] 34

35 Chapitre I I Eléments de protection solaire Le rôle des éléments de protection solaire est de bloquer, d atténuer ou de réorienter la lumière directe du soleil. Parmi les types les plus utilisés nous citons en particulier les stores vénitiens (à effet de réorientation), les brises soleil (à effet de masque) et les stores en toile (à effet de diffusion). La prise en considération des éléments de protection solaires dans une simulation de l éclairage naturel dépend de leur type. Par exemple les protections solaires à effet de masque nécessitent un simple calcul de lancer de rayons, alors que la simulation des éléments à effet de réorientation suit le même principe que pour les vitrages bidirectionnels. [Klems, 1995] [Shareef, 2001] I La goniophotométrie réelle et virtuelle des matériaux Pour caractériser le comportement des parois vitrées afin de mieux les prendre en considération dans le calcul ou la simulation de l éclairage, on a recours aux mesures goniophotométriques. Ces mesures peuvent s avérer d une grande complexité, en particulier dans le cas des matériaux bidirectionnels, puisqu ils nécessitent des mesures hémisphériques en entrée et en sortie. De nos jours, plusieurs développements sont en cours afin de simplifier les procédures de mesure ou de conduire ces mesures numériquement à l aide d algorithmes physiques [Mitanchey, 1995] [Andersen, 2003] [Andersen, 2003] [De Boer, 2003] D autres efforts sont également investis dans le but de simplifier la présentation des données goniophotométriques. [Roy, 1995] [Mitanchey, 1996] [IEA-SHC, 1999] I.1.5 La réflexion de la lumière sur les différents types de matériaux Si l éclairage direct reçu des sources de lumière (naturelles ou artificielles) est un élément de base dans un phénomène de propagation de la lumière, l éclairage dit indirect n est pas de moindre importance. En effet, l éclairage indirect, dû aux inter-réflexions du flux lumineux sur les différentes surfaces d une scène, peut représenter une proportion importante de l éclairement total par rapport à l éclairement direct. C est le cas notamment des luminaires indirects ou des systèmes de ré-acheminement de la lumière directe du soleil. Les inter-réflexions du flux lumineux sur les surfaces d une géométrie dépendent de la photométrie de ces surfaces (ou des matériaux qui les constituent). Cette photométrie est caractérisée en particulier par trois paramètres : - Le facteur de réflexion global, - La directionnalité de la lumière réfléchie, - L influence spectrale sur la lumière réfléchie. Le premier représente le rapport entre le flux total réfléchi sur une surface et le flux initial incident. Pour faciliter la mesure de ce paramètre, un nombre de matériaux standards a été défini comme référence. [CIE, 1979] [CIE, 1979] [CIE, 1998] Le deuxième paramètre prend en considération la ou les directions de réflexion d un flux incident avec une direction donnée. Cette directionnalité dépend de la géométrie microscopique de la surface (apparente) d un matériau opaque. On distingue en particulier deux types de réflexion théoriques : Les réflexions parfaitement spéculaires et les réflexions 35

36 Chapitre I parfaitement diffuses. Bien que ces cas extrêmes n existent pas dans la réalité, les lois théoriques relatives sont bien définies (La loi de Descartes pour le premier, et loi de Lambert et les formules de facteur de forme pour le deuxième). Au-delà de ces deux cas théoriques simplifiés, un nombre de travaux a été mené pour décrire des modèles analytiques plus complets qui s approchent mieux de la réalité mais qui représentent un degré de complexité plus élevé. [Trowbridge, 1975] [Kajiya, 1985] [Uetani, 1992] [Balocco, 2001] [Deniel, 2002] Dans la majorité des logiciels existants, la réflexion de la lumière sur une surface est simulée par une combinaison de réflexions diffuses et spéculaires. Ainsi une partie du flux est réfléchie en obéissant à la loi de Descartes, et une autre partie est diffusée uniformément dans l espace. Les algorithmes utilisés sont également en général une combinaison de radiosité et de lancer de rayons. Certains logiciels n utilisant que les algorithmes de radiosité se contentent de supposer les surfaces comme 100% diffuses. D autres logiciels, qui restent assez rares, prennent en considération les fonctions de réflexions bidirectionnelles (BRDF) théoriques ou mesurées. Cependant il faut noter que de nos jours, la précision des mesures de ces fonctions nécessite encore des moyens financiers et logistiques trop importants. Le troisième paramètre prend en considération la qualité spectrale de la lumière réfléchie par rapport à celle de la lumière incidente. Elle dépend en particulier de l absorption spectrale sélective du matériau. En effet, le facteur d absorption d un matériau peut être plus ou moins élevé selon la longueur d onde avec laquelle arrive une partie du flux incident. Ainsi le spectre de la lumière réfléchie peut être complètement différent de celui de la lumière incidente. Les matériaux qui ont le même facteur de réflexion pour toutes les longueurs d onde sont dits spectralement neutres. [CIE, 1986] [Smith, 1992] [CIE, 1996] Plusieurs approches sont proposées pour traiter l aspect spectral ou colorimétrique de la propagation de la lumière. Les approches les plus utilisées dans les logiciels de simulation de la lumière sont basées sur une caractérisation à trois composantes de la couleur (de la source lumineuse ou des surfaces). Nous citons les systèmes XYZ (de la CIE), RGB, CMY et HSV. Cependant, si ce type de caractérisation est convenable pour la représentation des couleurs, il s avère insuffisant pour simuler la variation du spectre du flux lumineux à travers les interréflexions sur les surfaces intérieures d un espace [Mitanchey, 1996]. Pour plus de précision, il est alors recommandé d utiliser les approches basées sur une discrétisation plus ou moins fine du spectre. Mais l implémentation de telles approches dans les logiciels existants est loin d être courante [Smith, 1992] [Mitanchey, 1996]. I.2 Les logiciels de simulation de l éclairage Il existe sur le marché international un nombre important de logiciels dédiés à la simulation numérique de l éclairage. Dans une enquête menée par le groupe 3D lumière en 2000 auprès de 74 professionnels [3D-lumière, 2000], environ quarante logiciels ont été cités par les enquêtés comme outils de travail en éclairage. Dans une deuxième étude plus spécialisée dans le calcul d éclairage naturel et menée par l agence international d énergie IEA SHC Task 21- C2 [Fontoynont, 1999], vingt cinq logiciels ont été cités. Vingt deux de ces logiciels ne sont pas connus par les utilisateurs français enquêtés par 3D lumière. Finalement nous citons l enquête de l IENSA [IESNA, 1999] présentant un nombre de logiciels existants au niveau international. Les logiciels existants diffèrent entre eux par les algorithmes qu ils utilisent, par leurs approches DAO, par la prise en considération des différents types de sources lumineuses, par 36

37 Chapitre I leur capacité à simuler les phénomènes de propagation de lumière plus ou moins complexes, par leur interface utilisateur et finalement par leurs vocations et leurs domaines d application. I.2.1 Les algorithmes de calcul de l'éclairage Le rôle des algorithmes dans une simulation d éclairage est de gérer le calcul de la propagation de la lumière entre les sources et les surfaces d une géométrie, puis les interréflexions entre ces surfaces. Les algorithmes utilisés dans les logiciels de simulation de l éclairage sont des algorithmes dits d éclairement global (global illumination) puisqu ils font un calcul tridimensionnel de la propagation de la lumière. Ils peuvent être classés sous deux grandes familles : la radiosité et le lancer de rayons. Ces deux familles tendent à avoir des avantages et des inconvénients complémentaires, ce qui fait que certains logiciels utilisent une logique hybride combinant les deux familles. [IEA-SHC, 1999] [Mitanchey, 1996] Radiosité Les algorithmes de radiosité utilisés pour le calcul de l éclairage datent du début des années 80. Ils ont été adaptés à partir des algorithmes de radiosité utilisés depuis les années 60 pour le calcul des échanges radiatifs thermiques sur la base de l équilibre énergétique. Les algorithmes de radiosité procèdent en général à une discrétisation de l environnement simulé à travers un maillage (subdivision en petites mailles) des surfaces d une géométrie éclairée par une source donnée (voir figure I.3). Tout d abord un calcul de la lumière directe reçue par chaque maille est effectué. Ensuite chaque maille est traitée comme une source lumineuse émettant une partie du flux lumineux qu elle a reçu (selon son facteur de réflexion) vers les autres mailles de la géométrie. Cette lumière indirecte subit plusieurs inter-réflexions jusqu à ce que la quasi-totalité du flux initial soit absorbée. Suite à ce calcul, on est capable de savoir la quantité de flux lumineux direct et indirect reçue et émise par une maille donnée, et donc l éclairement et la luminance de cette maille. [Scartezzini, 1993] [Ashdown, 2001] Figure I.3: Exemple d un calcul de Radiosité à l intérieur d une géométrie Bien que le principe général de la radiosité décrit ci-dessus soit le même pour tous les algorithmes de radiosité existants, ceux-ci diffèrent dans la méthode adoptée pour le maillage de la géométrie et pour le suivi du flux. La radiosité peut être en principe appliquée à tout type de réflexion, cependant, les algorithmes existants sont encore limités aux réflexions 100% diffuses. Ce qui entraîne des erreurs plus ou moins importantes selon le comportement réel du matériau simulé. La 37

38 Chapitre I radiosité présente aussi quelques autres inconvénients dont particulièrement un temps de calcul assez long, une lourde consommation en mémoire et une faible performance en qualité graphique. Cependant le calcul de radiosité a l avantage d être indépendant de la position de l observateur. Ainsi un seul calcul est suffisant pour connaître l éclairement de tous les éléments de la géométrie et pour la visualiser à partir d une infinité de points de vue. Une nouvelle génération d algorithmes de radiosité est apparue en 1988, elle permet d obtenir un résultat graphique immédiat qui s améliore progressivement en précision et en qualité visuelle, d où son nom "progressive refinement radiosity" [Cohen, 1988] [Autodesk, 1999]. Une autre évolution des algorithmes de radiosité fut le concept de maillage adaptatif où le logiciel commence à calculer à partir d un maillage de faible précision. Ensuite il procède à des subdivisions supplémentaires là où il y a une grande différence d éclairement entre les mailles. Cette méthode conduit à une économie dans le temps de calcul et dans l utilisation de mémoire Lancer de rayons La deuxième famille d algorithmes est la plus ancienne, elle a connu plus de développements et présente une plus grande variété de méthodes. Ces méthodes ont l avantage de calculer avec précision l éclairement direct, de calculer les effets spéculaires des matériaux, de mieux définir les ombres et de considérer les réfractions à travers les surfaces transparentes. C est donc les algorithmes qui donnent les meilleurs résultats graphiques, d où ce qu on appelle le photo-réalisme des images de synthèse. Il existe plusieurs catégories d algorithmes basées sur le lancer de rayon, nous citons les suivantes : Figure I.4: Exemple d un calcul de Lancer de rayons (inverse) 1. Tracé de rayons ou Lancer de rayons depuis l observateur, dite aussi Lancer inverse de rayons (backward ray tracing): les rayons sont générés depuis l œil de l observateur et cheminent à travers des réflexions multiples sur les parois jusqu aux sources de lumière (voir figure I.4). Ainsi seuls les rayons utiles pour la construction de l image seront générés et suivis à travers les différentes inter-réflexions, mais la solution est valide pour un seul point de vue. [Whitted, 1980] 2. Suivi de rayons ou Lancer direct de rayons (forward ray tracing) : cette méthode génère les rayons lumineux depuis la source vers les surfaces réceptrices, quand un rayon atteint une surface il est dirigé selon la photométrie rencontrée jusqu à l épuisement de son énergie. [Fontoynont, 1991] 3. Technique statistique de monte-carlo "backward ou forward" : La méthode de Monte- Carlo associée à des méthodes de lancer de rayons, a recours à une technique statistique 38

39 Chapitre I pour la distribution des rayons réfléchis. Elle nécessite un temps de calcul élevé [IEA- SHC, 1999]. I.2.2 Exemples types des logiciels existants Les logiciels existants sur le marché international et utilisés comme outils de conception en éclairage peuvent être classés en différentes familles [De Boer, 1999] [IESNA, 1999] : 1. Les logiciels basés sur les formules de base de calcul de l éclairage artificiel. Ces logiciels sont souvent distribués par les constructeurs de luminaires et munis de leur bibliothèque de luminaires. 2. Des logiciels basés sur des formules de base de calcul en éclairage naturel ou sur des données empiriques (ou pré-simulées). Ces logiciels sont souvent dédiés à l utilisation dans les phases préliminaires de la conception d un projet. (ex. : Dial, Sodalight, etc.) 3. Les logiciels capables de calculer l éclairage direct uniquement. Ils sont très souvent intégrés dans des logiciels de DAO. Leur objectif est limité à l amélioration du rendu graphique d un projet ou au mieux à une étude de taches solaires (ex. : Archicad). Cependant, ce type de logiciels devient de plus en plus rare. En effet, vu leurs potentiels, un certain nombre de ces logiciels a été mis à niveau par les développeurs et a passé ainsi à la famille suivante. (ex. : Microstation et 3D Studio) 4. Les logiciels dits d éclairement global. Ils utilisent souvent des algorithmes de calcul physique (en particulier de radiosité et lancer de rayons). Nous distinguons cependant dans cette catégorie les logiciels développés dans un cadre scientifique (ex. : Radiance, Génélux, CSTB) de ceux développés et diffusés dans un cadre commercial (Lightscape, Dialux ). En général, les logiciels commerciaux possèdent des interfaces plus conviviales, mais les logiciels scientifiques offrent des fonctionnalités plus complètes. Par exemple, certains logiciels scientifiques sont capables de prendre en considération l aspect spectral de la propagation de la lumière, et/ou de traiter les fonctions bidirectionnelles. Finalement nous notons que les logiciels commerciaux manquent le plus de transparence sur leur fiabilité dans les différents domaines d application (manque de travaux de validation). Dans notre travail de thèse, nous nous intéressons en particulier à la dernière famille. Ne pouvant pas enquêter sur tous les logiciels existants, nous nous contentons de citer (par ordre alphabétique) quelques logiciels sur lesquels il y a eu des publications scientifiques et des travaux de validation [Fontoynont, 1999] : Adeline Développé dans le cadre de l IEA, Adeline a été fondé sur les logiciels Superlite et Radiance par le biais d un modeleur graphique et d outils de DAO. Ainsi il permet de définir la géométrie avec son propre système de DAO, par l entrée manuelle des coordonnés cartésiennes ou à partir d un fichier DXF. Le logiciel est muni d une bibliothèque de base de données de matériaux, de luminaires et de mobilier. Il produit des résultats numériques ou bien graphiques. Au-delà des éclairements et des luminances, Adeline permet de calculer l énergie consommée par l éclairage artificiel en fonction des apports de lumière du jour. [Erhorn, 1998] [Scartezzini, 1993] Genelux Le logiciel Genelux, développé au laboratoire des sciences de l habitat, utilise un algorithme de lancer direct et suivi de rayons lumineux (Forward Ray tracking). La distribution des rayons réfléchis est effectuée en ayant recours à une technique statistique de Monte Carlo. 39

40 Chapitre I Dans le cas où les surfaces seraient parfaitement diffusantes, il est possible de faire appel à un algorithme basé sur la méthode de radiosité afin de réduire les temps de simulation. Genelux peut modéliser les surfaces spéculaires, diffuses ou mixtes en transmission et/ou réflexion. Il peut également prendre en considération des quantités spectrales en décomposant les rayons incidents par bandes spectrales. [Mitanchey, 1996] [Maamari, 2003] Inspirer Destiné surtout au domaine de l architecture, avec comme fonctionnalités : les calculs de l éclairage, les analyses de visibilité et la visualisation des projets. Pour le calcul de l éclairage, il utilise des approches hybrides surtout la méthode bi-directionnelle de Monte Carlo au Lancer de Rayons. Ce qui différencie le plus ce logiciel est l utilisation des formules de BRDF qui permet de respecter les variations de réflexion et de transmission (diffuse et spéculaire) ainsi que des couleurs, selon l angle d incidence et de vision. [Maamari, 2003] DIAL / Leso-Dial Le but du logiciel est de donner aux architectes des informations utiles concernant l utilisation de la lumière de jour dans un bâtiment dès la phase de l avant projet. Il calcule le facteur de lumière du jour sur le plan utile grâce à une utilisation hybride de formule analytique et empirique. [Paule, 1995] Lightscape 3.2 C est un logiciel qui est destiné à des utilisations graphiques, mais il offre également des fonctionnalités intéressantes pour la simulation physique de la lumière. Il utilise un algorithme de radiosité pour le calcul quantitatif, et un algorithme de lancier de rayons pour l amélioration qualitative et visuelle des images de synthèses. Ce logiciel est décrit en détail dans la partie IV.1.1 de ce document. [Khodulev, 1996] [Maamari, 2002] Radiance Le logiciel Radiance utilise un algorithme de lancer inverse de rayons. Le lancer des rayons peut être stoppé si leur énergie est jugée insuffisante. Les rayons réfléchis peuvent être générés selon une fonction de distribution permettant la simulation de réflexions spéculaires, semi-spéculaires ou diffuses. Ce lancer de rayons est complété d un calcul statistique de réflexion diffuse pour distribuer le flux résiduel. [Ward, 1994] [Grynberg, 1988] Superlite Le logiciel Superlite utilise une méthode point à point de radiosité. Toutes les surfaces sont supposées être parfaitement diffusantes. C est la méthode la plus rapide, mais elle est toutefois limitée aux surfaces diffuses. [Grynberg, 1988] I.2.3 Domaines d utilisation des logiciels L utilisation des logiciels de simulation de l éclairage se généralise de plus en plus dans le domaine de conception en éclairage et au-delà. Ainsi de nos jours ces logiciels sont utilisés aussi bien par des bureaux d étude du bâtiment et des architectes, que par des développeurs de jeu vidéo. Les applications peuvent être entre autres [IESNA, 1999] [3D-lumière, 2000] [Maamari, 2002] : 1. La conception en éclairage artificiel. Que ce soit pour l éclairage intérieur des bâtiments, l éclairage des façades, des monuments, des voiries, des trottoirs, ou l éclairage des 40

41 Chapitre I tunnels etc. Elle comprend entre autre le dimensionnement des systèmes, l analyse du confort visuel et de la consommation etc. 2. La conception en éclairage naturel : dimensionnement des ouvertures et des protections solaires, orientation des projets, analyse de l entrée de la lumière du jour et études des FLJ 3. Le rendu et la présentation des projets par les architectes et par les décorateurs d intérieur. 4. La création de scènes de réalité virtuelle pour le monde du cinéma, de la publicité ou des jeux vidéo 5. La conception même des optiques de luminaires ou de phares de voitures Le domaine d utilisation d un logiciel donné dépend des fonctionnalités proposées par ce logiciel, de ses capacités à simuler avec un certain degré de fiabilité et de facilité les différents domaines de la propagation de la lumière en relation avec les besoins de l utilisateur. Bien que les algorithmes de calcul utilisés dans les logiciels se ressemblent, ces derniers ne sont pas tous adaptés pour les même types d applications et ne répondent pas aux mêmes besoins. Ainsi certains utilisateurs cherchent en priorité la facilité d utilisation des fonctionnalités en relation avec leur propre activité en dépit des autres fonctionnalités et même parfois en dépit de la validité des résultats. D ailleurs, c est à cause de ce contexte que des développeurs de logiciels commerciaux ont tendance à proposer des interfaces et des fonctionnalités optimisées et orientées vers un domaine d application donné. Ainsi nous commençons à trouver par exemple des logiciels dédiés à la conception de l éclairage public et/ou des tunnels (ex. : Tunnel-Lite), d autres à la conception des protections solaires (ex. : ParaSol), etc. Cependant, il est encore difficile de nos jours à un concepteur de bâtiment de savoir quel est le ou les logiciels existants qui répondent le mieux à ses propres besoins. C est ce qui ressort dans les différentes enquêtes menées sur l utilisation des logiciels, en particulier celle menée par le club 3D-Lumière [3D-lumière, 2000] et celle que nous avons menée au "Light and Building 2002" [Maamari, 2002] (voir annexe D). Nous notons par exemple dans ces deux enquêtes, l utilisation par des concepteurs lumière de logiciels graphiques (Photoshop) en tant qu outils de conception. I.3 La validation des logiciels de simulation de l éclairage I.3.1 Introduction Comme son nom l indique, un logiciel de simulation de l éclairage est supposé simuler la réalité. Mais la fidélité de la simulation à la réalité est loin d être vérifiée pour tous les logiciels existants sur le marché international. D ailleurs, le niveau de précision et de similitude (entre les résultats d une simulation numérique de l éclairage et la réalité) exigé ou souhaité par les différents utilisateurs n est pas nécessairement le même, et peut varier largement selon la spécificité de leurs domaines d activité [Maamari, 2002]. Ainsi, pour des utilisateurs qui s intéressent uniquement au rendu graphique, une image de synthèse réaliste sans être nécessairement proche de la réalité peut être suffisante. Pour eux, la question de la validation scientifique du logiciel utilisé ne se pose pas trop. Alors que pour des utilisateurs qui comptent extraire d une simulation des cartes de luminances pour analyser le confort visuel de l occupant, la validité du logiciel devient d une 41

42 Chapitre I importance de premier ordre. Ceci est également vrai pour les concepteurs en éclairage qui ont besoin de vérifier que le niveau d éclairement est suffisant sur le plan de travail. Mais quel que soit le niveau de précision souhaité, il est important pour un futur utilisateur de savoir la précision qu il peut attendre de la part du logiciel qu il souhaite utiliser pour un type donné de tâches. Cette information est même indispensable pour aboutir à une utilisation responsable des logiciels de simulation, mais cela ne peut être possible qu à travers une validation rigoureuse et transparente de ce logiciel. Une validation rigoureuse et transparente des logiciels de simulation de l éclairage est une tâche immense et d une complexité non négligeable. Ce qui est vrai pour tous les logiciels basés sur des lois physiques comme par exemple les logiciels de simulation thermique. Cette complexité est d autant plus vraie quand on s intéresse à l orientation du choix des utilisateurs vers un logiciel qui répond le mieux à leurs propres besoins. Dans ce contexte, on souhaite vérifier la capacité du logiciel à simuler avec précision les différents aspects de la propagation de la lumière liés au domaine d utilisation, mais aussi on veut comparer cette capacité à d autres logiciels existants. La multitude des aspects qui entrent en jeu dans un phénomène de propagation de la lumière, combinée à la diversité des logiciels de simulation de l éclairage, contribuent à cette complexité. Ainsi un logiciel capable de simuler des luminaires à optique diffusante n est pas nécessairement capable de simuler un luminaire avec une optique asymétrique. De même, un logiciel capable de simuler l entrée de la lumière du jour à travers un vitrage ordinaire n est pas nécessairement capable de simuler l entrée de la lumière de jour à travers un vitrage ou un système de protection solaire à aspect bidirectionnel, etc. Nous présentons ci-dessous une étude bibliographique sur l état de l art du domaine de la validation des logiciels de simulation de l éclairage. I.3.2 Différents types de validation En ce qui concerne les types de travaux de validation réalisés, nous avons pu identifier les suivants : I La validation analytique La validation analytique, comme son nom l indique, porte sur des cas théoriques pour lesquels il existe des lois analytiques. Ces lois sont issues des notions de base de la science physique liées au rayonnement électromagnétique. Les travaux de validation basés sur des références analytiques sont assez rares parmi les travaux réalisés que nous avons pu trouver lors de notre recherche bibliographique. Cependant, la validation analytique présente des avantages considérables comme la possibilité de limiter les paramètres liés à la propagation de la lumière qui entrent en jeu dans un scénario test. Nous notons aussi l avantage de donner des solutions de références avec des incertitudes nulles ou négligeables. En contrepartie, la validation analytique ne peut couvrir que des domaines limités de la propagation de la lumière. Ce sont en général des cas de figures simples pour lesquels existe une loi théorique. [Aizlewood, 1997] 42

43 Chapitre I I La validation expérimentale Dans ce type de validation, les résultats des logiciels sont comparés à des mesures expérimentales. Ces mesures peuvent être réalisées dans : a. des maquettes d étude à échelle réduite [Caroll, 1999] b. des cellules tests à échelle 1/1 c. ou des pièces réelles [Galasiu, 1998] [Jarvis, 1997] Quel que soit le type des mesures réalisé, la création de références expérimentales à utiliser pour des travaux de validation est confrontée à des obstacles considérables. Le premier est lié aux sources d erreur introduites lors de la description du scénario expérimental afin de le reproduire dans une simulation numérique. L importance de cet obstacle est aggravée par la multitude des paramètres qui entrent en jeu dans un scénario expérimental et par l interaction entre les sources d erreurs liées à chacun de ces paramètres. A titre d exemple, les sources d erreur peuvent survenir lors de la description de la source de lumière (artificielle ou réelle), lors de la description de la photométrie des matériaux (réflexion bidirectionnelle, caractéristiques spectrales ), etc. Un autre obstacle est dû à l incertitude qui existe dans la valeur mesurée, et cela quelle que soit la précision du protocole expérimental appliqué. Cette incertitude est liée en partie à la précision de l appareil de mesure et à son positionnement. Dû à tous ces obstacles, la comparaison entre les résultats d une simulation numérique et les mesures expérimentales permet difficilement de conclure sur la précision du logiciel testé. Il est aussi important de noter qu un des plus grands obstacles à la création de références expérimentales fiables reste celui des moyens techniques, financiers et humains nécessaires aux expérimentations. I La validation comparative Elle porte sur une comparaison des résultats de simulation de plusieurs logiciels entre eux. Cela peut être fait avec l existence ou non d une référence expérimentale ou analytique. L avantage des comparaisons est de donner la possibilité aux utilisateurs de mieux choisir entre plusieurs logiciels selon leur performance dans un domaine donné de la simulation. Cependant l utilisation des résultats d une comparaison afin de juger des logiciels les uns par rapport aux autres nécessite un maximum de transparence, en particulier sur la complexité des procédures et sur le temps de calcul nécessaire pour obtenir ces résultats. [Grynberg, 1988] [Fontoynont, 1999] [Maamari, 2003] I.3.3 Quelques exemples de travaux de validation réalisés Les travaux de validation réalisés sur des logiciels de simulation d éclairage ne manquent pas en nombre, cependant c est la crédibilité de ces travaux qui n est pas toujours vérifiée. En ce qui concerne les rares travaux de validation existants qui bénéficient d une crédibilité scientifique ou celle d un organisme agréé nous citons les suivants : 43

44 Chapitre I I Le travail de Khodulev et Kopylov Ce travail réalisé et publié par Andrei B. Khodulev et Edward A. Kopylov en 1996 [Khodulev, 1996] est l un des rares travaux de validation qui ont utilisé une référence analytique. Le travail porte sur une validation comparative entre les logiciels Lightscape, Specter et Radiance. Une description des trois logiciels est donnée portant sur plusieurs critères y compris l interface utilisateur. Un des scénarios utilisés pour la comparaison est celui d une pièce cubique fermée avec une source lumineuse isotrope au centre. La comparaison porte sur l éclairement au niveau des points de mesure situés sur le sol. La valeur de référence de cet éclairement est calculée semianalytiquement pour prendre en considération la composante réfléchie interne. I Le rapport TM 28/00 de la CIBSE Ce rapport représente un exemple idéal sur la création des données expérimentales fiables pour la validation des logiciels de simulation d éclairage. [Slater, 2002] Le travail décrit dans ce rapport porte sur un protocole expérimental qui a été défini et conduit d une manière remarquablement rigoureuse dans une cellule test à échelle 1/1. Le but est de créer une base de données expérimentales pour la validation des logiciels de calcul de l éclairage artificiel. Le rapport comprend une description précise du scénario expérimental y compris les dimensions de la géométrie (une pièce carrée), la position des lampes ou des luminaires, la position des points de mesure ainsi que le coefficient de réflexion des surfaces. La description du scénario comprend aussi les fichiers photométriques des luminaires au format CIBSE TM 14, sachant que la photométrie réelle de chaque luminaire a été mesurée séparément dans un laboratoire agréé. Le protocole expérimental comprend un contrôle du flux lumineux à travers l observation et le contrôle des fluctuations du courant électrique et de la température de la pièce. Les lampes et les ballasts ont été vieillis. Les lampes ont été préchauffées une heure avant les mesures. Les capteurs ont été calibrés et fixés sur un trolley afin de garantir la répétitivité de leur position. Six différentes mesures ont été prises pour chaque point à l aide de deux capteurs différents, la moyenne de ces mesures a été utilisée comme référence. Une estimation des erreurs de mesures a été calculée, ainsi que des erreurs de simulation dues à l incertitude dans la description du scénario. Les résultats ont alors été présentés sous forme de deux bandes de valeurs, la première bande est celle des mesures prises + ou l estimation des erreurs de mesure, et l autre est celle des mesures + ou le total des erreurs estimées y compris les erreurs de simulation. I Les Benchmarks de la Tache 21 de l IEA Ce travail a été mené dans le cadre de la tache 21 de l Agence Internationale de l Energie, intitulée "lumière naturelle dans les bâtiments". En effet, un projet a été dédié au thème de la validation des logiciels de calcul en éclairage, et a fait l objet d une collaboration entre les laboratoires de six nations différentes parmi lesquels le Laboratoire des Sciences de l Habitat de l ENTPE. [Fontoynont, 1999] [Maamari, 2002] Dans le cadre de ce projet, des données expérimentales ont été récoltées à travers des mesures d éclairement à l intérieur d une série de maquettes à échelle réduite, placées sous des ciels 44

45 Chapitre I artificiels. Trois bâtiments types ont été testés sous plusieurs configurations en changeant les types d ouverture et/ou les coefficients de réflexion des surfaces. Les scénarios expérimentaux ont été simulés à l aide des logiciels d éclairage naturel : Adeline, Genelux, Leso-DIAL, Radiance et Superlite. Les résultats des simulations ont été comparés entre les différents logiciels, et confrontés aux mesures expérimentales. Cette comparaison a montré que le calcul des éclairements à l intérieur du bâtiment dus à l éclairage naturel demande une description minutieuse des luminances des portions de la voûte céleste vues par la fenêtre. Les éclairements directs à l intérieur du bâtiment sont alors calculés avec une précision de l ordre de 5%. La précision des calculs des réflexions multiples à l intérieur de la pièce dépend quant à elle des propriétés des surfaces intérieures, et en particulier de la l aspect bidirectionnel de ces surfaces. Cette étude a montré finalement que les programmes doivent être utilisés avec beaucoup de précautions car les résultats de simulation sont très sensibles à la qualité des hypothèses et des paramètres d entrée : description de la source de lumière, géométrie du bâtiment, paramètres de simulation. I.3.4 Analyse de la problématique D après la recherche bibliographique présentée ci-dessus sur le domaine de la validation des logiciels de simulation de l éclairage, nous pouvons résumer la problématique de ce domaine dans les points suivants : 1. Difficulté d accès à l information. Elle est due en particulier à l absence de sources publiques spécialisées dans le domaine. 2. Manque de transparence. Ainsi nous trouvons souvent des résultats de validation présentés sans suffisamment d information sur les procédures qui ont abouti à ces résultats. 3. Manque de crédibilité : une partie importante des travaux de validation existants est réalisée par les développeurs des logiciels testés, les sources d incertitudes dans les valeurs de référence ne sont souvent pas prises en considération, etc. 4. Manque de travaux concluants sur la validité du logiciel testé. Ceci est dû en partie à la complexité des scénarios expérimentaux et à la restriction des domaines testés. Ainsi il est rarement possible d identifier avec certitude les points de faiblesse et les domaines d application d un logiciel testé. 5. Absence de références standardisées. Ce qui fait qu un certain aspect de la propagation de la lumière est testé dans différents logiciels avec des protocoles différents. Ce qui ne permet pas une comparaison transparente et objective entre ces différents logiciels. 6. Manque de validations analytiques, malgré les avantages de ce type de validation. En réponse aux problèmes listés ci-dessus, nous identifions en particulier le besoin d une standardisation et d une mise à disposition des références de validation fiables, de préférence sous la garantie et le contrôle d un ou plusieurs organismes crédibles. I.3.5 Proposition d une méthodologie de validation des logiciels I Introduction Le premier objectif qu on pourrait attendre des travaux de validation, c est de pouvoir améliorer la confiance des utilisateurs dans les logiciels de simulation. A savoir qu améliorer la confiance ne veut pas forcément dire l augmenter. Mais plutôt sensibiliser les utilisateurs aux capacités et aux limites des différents logiciels dans les différents domaines de la simulation numérique de l éclairage. Ainsi à travers l identification des points de faiblesse 45

46 Chapitre I d un logiciel et de ces domaines d application, on pourra aboutir à une utilisation responsable de ces logiciels. D où le besoin d une méthodologie de validation qui permet de tester la capacité d un logiciel à simuler les différents aspects de la propagation de la lumière. Cette méthodologie doit également palier les défaillances rencontrées dans le domaine, à noter crédibilité, fiabilité et accessibilité. I Concept et approche proposés Pour atteindre les objectifs fixés ci-dessus, la méthodologie de validation proposée repose un concept de base qui est celui de tester séparément les différents aspects de la propagation de la lumière. Ceux-ci peuvent être classés sous 3 grands groupes : 1. La description de la source de lumière et le calcul de l éclairement direct. 2. Le transfert du flux lumineux à travers les composants de la fenêtre et l influence des masques. 3. Les inter-réflexions sur les différents matériaux avec différentes photométries. Pour appliquer ce concept, cette méthodologie de validation est basée sur une série de castests, chacun traitant un scénario d éclairage simple (un nombre limité de paramètres) où un certain aspect de la propagation de lumière est mis en évidence. La description des cas-tests comprend la géométrie, les sources de lumière ainsi qu une série de valeurs de référence à utiliser pour tester la capacité du logiciel à simuler l aspect en question. Ces valeurs de référence sont obtenues soit à l aide d un calcul analytique quand c est possible (pour des scénarios théoriques) ou bien à partir de mesures expérimentales. Ainsi, chaque cas-test est applicable à tout logiciel proposant des fonctionnalités liées à l aspect traité (dans ce cas-test), indépendamment des algorithmes utilisés, des méthodes de calcul adoptées ou des paramètres utilisés. Cependant, il est possible d associer à chaque test une étude paramétrique propre à chaque logiciel. Une telle étude permet de mieux comprendre l influence des différents paramètres proposés sur la précision du logiciel dans un aspect donné de la propagation de la lumière. Pour une utilisation optimale de cette méthodologie de validation, les cas-tests doivent couvrir tous les aspects de la propagation de la lumière. Ils seront alors utilisés en tant qu outil unique et complet pour tester un logiciel donné. Une comparaison générale des résultats des simulations d un logiciel donné aux valeurs de références de la série de cas-tests donnera une idée claire sur les domaines où le logiciel testé respecte ou non les lois physiques. Ceci permettra à un utilisateur de vérifier si ce logiciel est compatible avec son propre domaine d activité, et à un développeur de vérifier si son logiciel a atteint les perspectives souhaitées. De la même façon, une comparaison entre les résultats de différents logiciels et les valeurs de référence permet d offrir une vision objective sur le logiciel qui répond le mieux à une exigence donnée. 46

47 Chapitre I Conclusions Suite à notre étude bibliographique sur le domaine de la simulation numérique de l éclairage, nous avons orienté le travail de cette thèse (à travers les chapitres suivants) de façon à répondre à certains des problèmes identifiés dans ce domaine. Ainsi, en ce qui concerne le manque de fiabilité dans les travaux de validation des logiciels, nous développons la méthode de validation que nous avons proposée. Dans ce cadre, nous créons une série de cas-tests en relation avec différents aspects de la propagation de la lumière traités ci-dessus. Ces cas-tests sont répartis en deux familles, l une avec des scénarios théoriques et des références analytiques, et l autre avec des références expérimentales répondant à des critères de contrôle de qualité que nous avons définis. En ce qui concerne la difficulté de simuler des scénarios réels de lumière naturelle, nous proposons et validons une méthode de simulation à partir des cartes de luminances réelles à haute définition. Finalement, nous proposons et nous validons une méthode de simulation de la lumière naturelle à l aide des luminaires équivalents. Cette méthode permet à la simulation de la lumière de jour de bénéficier de la présence confirmée des outils de simulation de la lumière artificielle dans le domaine de la conception des bâtiments. Elle permet également de surmonter un nombre de difficultés rencontrées dans certains logiciels classiques de simulation la lumière naturelle, en particulier celles liées à la précision des résultats par rapport au temps de calcul et à la simulation des masques extérieurs. 47

48 Chapitre I Références Bibliographiques 3D-LUMIÈRE. Enquête sur la connaissance et l utilisation des systèmes informatiques de simulation d éclairage. Paris: Club 3D Lumière, 2000, 11 p. ACHARD G., LAFORGUE, P., SOUYRI, B., FONTOYNONT, M., BASTIE, A., MITANCHEY, R. Etude d'un système Metrologique de Confort Radiatif Integrant l'aspect Thermique et l'aspect Visuel. Paris, 1994, 60 p. AFE. Les sources de lumière. Société d'edition Lux, 1987, 199 p. AIZLEWOOD M., BUTT, J., ISAAK, K., LITTLEFAIR, P. Daylighting in atria: a comparison of measurements, theory and simulation. Lux Europa 1997, Amsterdam- Netherlands, ANDERSEN M., RUBIN, M., POWLES, R., SCARTEZZINI, J. L. Bi-directional light transmission properties assessment for venetian blinds: Computer simulations compared to photogoniometer measurements. ISES Solar World Congress Solar Energy for a Sustainable Future, Gothenburg - Sweden. International Solar Energy Society, ANDERSEN M., RUBIN, M., SCARTEZZINI, J.-L. Comparison between ray-tracing simulations and bi-directional transmission measurements on prismatic glazing. Solar Energy, 2003, vol. 74, n 2, pp ANSI/IESNA. ANSI/IESNA LM-63-02, ANSI Approved Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data and Related Information. ANSI/IESNA LM , 26 p. ASE. Eclairage intérieur par la lumière du jour. Norme Suisse SN Zürich: Association Suisse des Electriciens, ASHDOWN I. Near-Field Photometry: A New Approach. IES, 1993, vol. 22, n 1, pp ASHDOWN I. EULUMDAT File Format Specification [en ligne]. Disponible sur: < (09 Mars 2004). ASHDOWN I. Thinking photometrically Part II Las Vegas: workshop-lightfair International, 2001, 42 p. ASHRAE-IESNA. Energy efficient design of new buildings except new low-rise residential buildings. ASHRAE/IES American Society of Heating, Refrigerating and Air- Conditionaing Engginers, AUTODESK. Lightscape 3.2 Users Guide Autodesk, 1999, 352 p. BALOCCO C., FORASTIERE, M. A., GRAZZINI, G., RIGHINI, G. C. Experimental results of transparent, reflective and absorbing propoerties of some building materials. Energy and Buildings, 2001, vol. 33, pp

49 Chapitre I CAROLL W. L., HITCHCOCK, R. J. Recent Comparisons of SUPERLITE to Scale Model Data. LBNL Lawrence Berkeley National Laboratory, CHAIN C., DUMORTIER, D., FONTOYNONT, M. A comprehensive model of luminance, correlated colour temperature and spectral distribution of skylight: Comparison with experimental data. Solar Energy, 1999, vol. 65, n 5, pp CIBSE. CIBSE standard file format for electronic transfer of luminaire photometric data. CIBSE TM 14. London: CIBSE, CIE. Daylight. CIE-16. Vienne: Commission Internationale de l'eclairage, 1970, 79 p. CIE. Standardization of Luminance Distribution on Clear Skies. CIE-22. Vienne: Commission Internationale de l'eclairage, CIE. Calculations for Interior Lighting: Basic Method. CIE-40. Vienne: Commission Internationale de l'eclairage, CIE. Absolute Methods for Reflection Measurements. CIE-44. Vienne: Commission Internationale de l'eclairage, CIE. A Review of Publications on Properties and Reflection Values of Material Reflection Standards. CIE-46. Vienne: Commission Internationale de l'eclairage, 1979, 99 p. CIE. Calculations for Interior Lighting: Applied Method. CIE-52. Vienne: Commission Internationale de l'eclairage, CIE. The Spectroradiometric Measurement of Light Sources. CIE-63. Vienne: Commission Internationale de l'eclairage, CIE. Colorimetry, 2nd Edition. CIE Vienne: Commission Internationale de l'eclairage, CIE. The Measurement of Absolute Luminous Intensity Distributions. CIE-70. Vienne: Commission Internationale de l'eclairage, CIE. The Measurement of Luminous Flux. CIE-84. Vienne: Commission Internationale de l'eclairage, CIE. Standard overcast and clear sky. 3rd Draft. Vienne: Commission Internationale de L Eclairage, CIE. Electric Light Sources, State of the Art CIE-96. Vienne: Commission Internationale de l'eclairage, CIE. Recommended file format for electronic transfer of luminaire photometric data. CIE Vienne: Commission Internationale de l'eclairage, CIE. Guide to Recommended Practice of Daylight Measurement. CIE-108. Vienne: Commission Internationale de l'eclairage,

50 Chapitre I CIE. Discomfort Glare in Interior Lighting. CIE-117. Vienne: Commission Internationale de l'eclairage, CIE. The Photometry and Goniophotometry of Luminaires. CIE-121. Vienne: Commission Internationale de l'eclairage, CIE. The Relationship Between Digital and Colorimetric Data for Computer-Controlled CRT Displays. CIE-122. Vienne: Commission Internationale de l'eclairage, CIE. Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance. CIE-130. Vienne: Commission Internationale de l'eclairage, CIE. Spatial distribution of daylight - CIE standard general sky. Vienne: Commission Internationale de l'eclairage, 2002, 7 p. COHEN M. F., CHEN, S. E., WALLACE, J. R., GREENBERG, D.P. A progressive refinement approach to fast radiosity image generation. 15th annual conference on computer graphics and interactive techniques. ACM Press New York, 1988, pp DE BOER J. Encorporation of numerical goniophotometry into daylighting design. CISBAT 2003, Lausanne. EPFL, 2003, pp DE BOER J., ERHORN, H. Survey Simple Design Tools. IEA, 1999, 49 p. DENIEL J. M. Modélisation des luminaires et des BRDF : Réalisation, mesure et compression. Thèse en Informatique. Rennes: Université de Rennes 1, 2002, 277 p. DUMORTIER D. Mesure, Analyse et Modélisation du gisement lumineux. Application à l'évaluation des performances de l'éclairage naturel des bâtiments. Thèse en Génie Civil et Sciences de l'habitat. Vaulx en Velin: ENTPE, Universitée de Savoie, 1995, 295 p. DUMORTIER D. Lumière naturelle et rayonnement solaire - Mesures au sol et estimations à partir d'images satellites - Développement de services Web pour l'éclairage naturel des bâtiments. HDR Thermique et Energétique. Vaulx en Velin: ENTPE, 2003, 161 p. DUMORTIER D., VAN ROY, F. SODA daylighting resource. SODA Deliverable 5.3.C DUMORTIER D., VETRO, P. Luminance calibration of the Nikon 950 digital cameras. Lux Europa, Reykjavik, ERHORN H., DE BOER, J., DIRKSMOLLER, M. ADELINE - An Integrated Approach to Lighting Simulation. Daylighting '98, Ottawa, FOLEY D. J., VAN-DAM, A., FEINER, S. K., HUGHES, J. F. Computer Graphics, Principles and Practice. Second Edition. ADDISON-WESLEY, (The systems programming series. 50

51 Chapitre I FONTOYNONT M. Le point sur les méthodes de simulation et sur l utilisation de l image de synthèse en éclairage. LUX, FONTOYNONT M., LAFORGUE, P., MITANCHEY, R., AIZLEWOOD, M., BUTT, J., CARROLL, W., HITCHOCK, R., ERHORN, H., DE BOER, J., DIRKSMÖLLER, M., MICHEL, L., PAULE, B., SCARTEZZINI, J-L., BODART, M AND ROY G. Validation of daylighting simulation programs. IEA SHC Task 21/ ECBCS Annex , 28 p. GALASIU A., ATIF, M. Applicability of Daylighting Computer Modeling in Real Case Studies: Comparison between Measured and Simulated Daylight Availability and Lighting Consumption. IEA SHC Task 21 / IEA ECBCS, Annex 29; Daylight in Buildings,. International Energy Agency, National Research Council Canada, 1998, 68 p. GREENUP P. J., EDMONDS, I. R., COMPAGNON, R. RADIANCE algorithm to simulate laser-cut panel light-redirecting elements. Lighting Research & Technology, 2000, vol. 32, n 2, pp GRYNBERG A. Comparison and Validation of Radiance and Superlite. Rapport interne. Lawrence Berkeley National Laboratory, HOPKINSON R. G., PETHERBRIDGE, P., LONGMORE, J. Daylighting. William Heinneman Ltd. London., IEA-SHC. Daylighting simulation: Methods, Algorithms and Ressources. Agence Internaitonale de l'energie - SHC, IEA-SHC. Measurement of Luminous Characteristics of Daylighting Materials. Agence Internationale de l'energie - SHC - Tâche 21, IESNA. Calculating Coefficients of Utilisation, Wall and Ceiling Cavity Exitance. IES LM- 57. New York: Illuminating engineering Society of North America, IESNA. The Determination of Illuminance at a Point in Interior Spaces. IES LM New York: Illuminating engineering Society of North America, 1991, 34 p. IESNA. An Introduction to Light and Lighting. IES ED-50. New York: Illuminating engineering Society of North America, 1991, 51 p. IESNA. Lighting Handbook. 8th Edition. New York: Illuminating engineering Society of North America, IESNA. IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data. IESNA LM New York: Illuminating engineering Society of North America, 1995, 5 p. IESNA IESNA Software Survey. Lighting Design + Application, 1999, vol. 29, n 12, pp JARVIS D., DONN, M. Comparison of Computer and Model Simulations of a Daylit Interior with Reality. 5th International conference on Building Performance and Simulation Association, Prague, Czech Republic, 1997, pp

52 Chapitre I KAJIYA J. T. Anisotropic Reflection Models. SIGGRAPH'85, San Francisco, 1985, pp KARAYEL M., NAVVAB, M., NE'EMAN, E., SELKOWITZ, S. Zenith Luminance and sky luminance distributions for daylighting calculations. Energy Build., 1984, vol. 6, n 3, pp KHODULEV A. B., KOPYLOV, E. A. Physically accurate lighting simulation in computer graphics software. GraphiCon 96: The 6th International Conference on Computer graphics and Visualization, St. Petersburg, Russia, 1996, pp KITTLER R. Standardisation of outdoor conditions for the calculation of daylight factor with clear skies. Sunlight in Buinldings: CIE Intercessional conference, Newcastle-Upon-Tyne, KLEMS J. H., WARNER, J. L. Measurement of bidirectional optical properties of complex shading devices. ASHRAE Symposium, Chicago, LESLIE R. P. Capturing the daylight in buildings: why and how? Building and Environment, 2003, vol. 38, pp MAAMARI F. International survey on lighting simulation tools - "Light and Building 2002". IEA-SHC-Task-31, 2002, 7 p. MAAMARI F., FONTOYNONT, M. Use of IEA-SHC Task 21 C benchmarks to assess performance of Lightscape 3.2 in daylighting calculations. EPIC, Lyon, France, 2002, pp MAAMARI F., FONTOYNONT, M., HIRATA, M., KOSTER, J., MARTY, C., TRANSGRASSOULIS, A. Reliable Datasets for Lighting Programs Validation, Benchmark results. CISBAT 2003 Conference, 2003, pp. 6. MAAMARI F., JONGEWAARD, M., KOSTER, J., TRANSGRASSOULIS, A. FONTOYNONT, M. A Step Toward A Complete And Objective Validation Methodology For Lighting Simulation Tools. CIE 25th Session, San Diego, 2003, pp. 4. MARDALJEVIC J. Daylight Simulation: Validation, Sky Models and Daylight Coefficients. Leicester, UK: Montfort University, MARDALJEVIC J. The BRE-IDMP dataset: a new benchmark for the validation of illuminance prediction techniques. Lighting Research and Technology, 2001, vol. 33, n ISSN , pp MITANCHEY R. Synthèse d'images appliquée à l'éclairagisme intérieur des bâtiments. Thèse en Informatique, spécialité images. Saint-Etienne: L'école Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, 1996, 200 p. 52

53 Chapitre I MITANCHEY R., PERIOLE, G., FONTOYNONT, M. Goniophotometric measurements: Numerical simulation for research and development applications. Lighting Research and Technology, 1995, vol. 27, n 4, pp MOON P., SPENCER, D. E. Illumination from a nonuniform sky. Illum. Eng., 1942, vol. 37, n 12, pp NAKAMURA H., OKI, M., AYASHI, Y. Luminance distribution of intermediate sky. Light Visual Environ, 1989, vol. 9, n 1, pp PAULE B., COMPAGNON, R., SCARTEZZINI, J. L. Towards a new daylighting design computer tool. Right Light Three conference, Newcastle upon Tyne, England, PEREZ R., SEALS, R., MICHALSKY, J. All-Weather model for sky luminance distribution, Preliminary configuration and validation. Solar Energy, 1993, vol. 50, n 3, pp REINHART C. F., HERKEL, S. The simulation of annual daylight illuminance distributions a state-of-the-art comparison of six RADIANCE-based methods. Energy and Buildings, 2000, vol. 32, n ROY G., HAYMAN, S., JULIAN, W. Sky Modeling from Digital Imagery. ARC Project No. A Sidney: The University of Sidney & Murdoch university, ROY G., RUCK, N., REID, G., JULIAN, W. Sky luminance:standard Digital Form for modelling... Lighting Research & Technology, 1995, vol. 27, n 3, pp SATEL-LIGHT. Satel-Light: the European Database for Daylight and Solar Radiation [en ligne]. Disponible sur: < (27 janvier 2004). SCARTEZZINI J. L., COMPAGNON, G., WARD, G., PAULE, B. Outils Informatiques en Lumière Naturelle. NEFF Université de Genève, EPFL, 1993, 142 p. SHAREEF F. M., OLDHAM, D. J., CARTER, D. J. A computer model for predicting the daylight performance of complex parallel shading systems. Building and Environment, 2001, vol. 36, pp SLATER A., GRAVES, H. Benchmarking Lighting Design Software. TM 28/00. London: CIBSE, 2002, 33 p. SMITH B., SPIEKERMANN, C., SEMBER, R. Numerical methods for colorimetric calculations: A comparison of integration methods. Color Research and Application, 1992, vol. 17, n 6. STOCKMAR A. Eulumdat file format. CIBSE/ILE National Lighting Conference, York, STOCKMAR A. W. EULUMDAT, ein leuchtendatenformat fur den europaischen beleuchtungplaner. Tagungsband Licht, 1990, pp

54 Chapitre I TREGENZA P. Daylighting algorithms. ETSU S UK Department of Trade and Industry on behalf of the Energy Technology Support Unit, 1993, 43 p. TREGENZA P. R., WATERS, I. M. Daylight Coefficients. Lighting Research & Technology, 1983, vol. 15, n 2, pp TROWBRIDGE T. S., REITZ, K. P. Average Irregularity Representation of a Rough Surface for Ray Reflection. Opt Soc. Am., 1975, vol. 65, n 5, pp UETANI Y., MATSUURA, K. A Method of Luminance Calculation in an Anisotropic Diffuse Reflecting Interior. IESNA Annual Conference Technical Papers, San Diego, WARD G. J. The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System. SIGGRAPH Computer graphics, 1994, pp WHITTED T. An improved illumination model for shaded display. Computer graphics & Image processing,

55 Chapitre II Chapitre II Cas-tests avec références analytiques Résumé Nous proposons dans ce chapitre une série de cas-tests avec références analytiques. Chacun de ces cas-tests permet de tester un aspect différent de la propagation de lumière. Les aspects traités sont liés à : - La simulation des luminaires par des sources ponctuelles ou surfaciques, - la conservation des flux, - la transmission directionnelle des vitrages, - l inter-réflexion de la lumière dans une géométrie, - le calcul de l éclairement direct sous différents scénarios de lumière naturelle : avec des ouvertures en façade ou en toiture, avec et sans vitrage et avec et sans masques extérieurs. Les références analytiques sont données pour chacun de ces scénarios pour les 16 types du Ciel CIE Général. A la fin de ce chapitre, nous proposons en perspective une série de cas-tests couvrant d autres aspects de la propagation de la lumière. 55

56 Chapitre II 56

57 Chapitre II Table de matières 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) 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

58 Chapitre II 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 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 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

59 Chapitre II Introduction Dans le chapitre I, nous avons identifié le besoin d une méthodologie de validation adaptée aux logiciels de simulation de l éclairage. Nous avons également proposé le concept de base pour cette méthodologie, portant en particulier sur une série de cas-tests traitant chacun un aspect différent des phénomènes de propagation de la lumière. Nous avons également marqué l importance de l utilisation de cas-tests à références analytiques. L avantage étant d éviter les erreurs liées à la solution de référence, et de limiter le nombre de sources d erreur qui interviennent dans une simulation. Ceci permet alors de mieux identifier les points faibles d un logiciel. Dans ce chapitre, nous proposons une série de cas-tests traitant différents aspects liés au phénomène de propagation de la lumière, et pour lesquels une solution analytique peut être calculée. Ces cas-tests sont liés à la description des sources naturelles et artificielles, à la transmission des flux à travers les ouvertures et les vitrages, à l influence des masques extérieurs ainsi qu aux inter-réflexions à l intérieur d une géométrie. Nous notons que les cas-tests proposés permettent de tester séparément la capacité d un logiciel à calculer l éclairement direct sous différents types de scénarios, de celle de simuler les inter-réflexions à l intérieur d une géométrie. Ceci s inscrit dans l esprit de la méthodologie de validation proposée qui vise en particulier à limiter les paramètres qui entrent en jeu dans un scénario-test donné. II.1 La simulation d une source ponctuelle associée à un fichier photométrique La plupart des logiciels de simulation de l éclairage sont capables de simuler des luminaires en utilisant les fichiers photométriques représentant la distribution des intensités de ce luminaire. Les formats les plus utilisés pour décrire la distribution photométrique des intensités sont le format IESNA utilisé sur le niveau international, et le format Eulumdat utilisé surtout en Europe. La source d erreur principale dans la simulation des luminaires à l aide de leurs fichiers photométriques reste dans l interpolation des intensités. Cette interpolation varie d un logiciel à un autre. On doit noter aussi qu il peut exister une différence plus ou moins importante entre la photométrie mesurée ou donnée par le constructeur du luminaire, et la photométrie réelle du luminaire utilisé. L objectif du cas-test proposé est de pouvoir tester la capacité d un logiciel à faire une interpolation correcte en cas d une photométrie lisse, et de calculer les éclairements directs qui en résultent. Pour cela, un luminaire d une photométrie théorique et simplifiée sera utilisée. II.1.1 Référence analytique Pour simuler un luminaire à l aide de son fichier photométrique, un logiciel doit procéder à une interpolation afin de calculer les intensités non données dans le fichier. Les intensités calculées seront alors utilisées pour déterminer l éclairement direct obtenu sur les différentes zones des différentes surfaces, à l aide de la formule suivante : E = I ox cosθ / d² (1) où : 59

60 Chapitre II E I ox θ d = Eclairement direct en un point X (lx) = Intensité de la source ponctuelle O dans la direction du point X (cd) = Angle d incidence du flux arrivant sur le point X et provenant de la source O (radians) = Distance entre la source lumineuse et le point X (m) (Voir figure II.1) II.1.2 Description du cas-test La géométrie utilisée pour ce test est une surface horizontale de dimension (4m 4m) avec une source lumineuse ponctuelle à 3m de hauteur au dessus du centre de la surface. La source lumineuse possède une photométrie diffuse Lambertienne décrite à l aide d un fichier photométrique de distribution des intensités avec un pas de 10 pour les angles verticales et avec une symétrie axiale. L intensité maximale I o est de 1000 cd (pour θ = 0). Le flux lumineux total émis par la source est égal à 3142 lm. L intensité I θ pour un certain angle d émission ϕ (égal à l angle d incidence θ) est obtenue par la relation suivante : I θ = I ox = I 0.cosϕ = I 0.cosθ (2) o Distribution Diffuse des intensités surface horizontale 4mx4m 3 m R=0.5(Io) ϕ Iθ I0 θ Ex 2 m 2 m Figure II.1: Calcul de l éclairement direct sous une source ponctuelle II.1.3 Solution de référence L éclairement direct reçu sur les points de mesures A à J de la surface horizontale (voir figure II.2) est calculé à l aide de l équation 1 où θ et d sont définis géométriquement, et I ox est obtenu à l aide de l équation 2. 60

61 Chapitre II 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 D C B A G F E 4m 0,5 0,5 I J H 0,5 Figure II.2: Emplacement des points de référence pour le cas-test des sources ponctuelles Les éclairements directs calculés analytiquement pour les différents points de mesure sont présentés dans le tableau II.1 ci-dessous : Points d (m) θ ( ) I (cd) E (lx) A B C D E F G H I J Tableau II.1: Calcul de l éclairement direct horizontal sur les points de référence pour le cas-test des sources ponctuelles II.2 La simulation d une source surfacique associée à un fichier photométrique II.2.1 Référence analytique Dans le cas d une source surfacique diffuse, l éclairement direct en un point donné à partir de cette source est calculé analytiquement à l aide des formules de facteur de forme. Nous avons : E 1 = M 2 F 12 (3) où : E 1 M 2 F 12 = éclairement reçu sur le point 1 par la source S 2 (lx) = Exitance lumineuse de la source lumineuse diffusante S 2 (lm/m²) = π L = Facteur de forme entre la surface réceptrice élémentaire ds 1 et la surface diffusante S 2 61

62 Chapitre II Dans le cas d une surface réceptrice parallèle à la source surfacique, le facteur de forme F 12 entre la surface réceptrice élémentaire (ds 1 ) représentant le point de référence et source surfacique (S 2 ) est donné par la relation suivante : Figure II.3: Calcul du facteur de forme pour deux surfaces parallèles F 12 = 1 X arctan Y + Y arctan X 2π 1+ X 2 1+ X 2 1+ Y 2 1+ Y 2 où : X = a h (4) Y = h b a, b et h sont ceux présentés dans la figure II.3 Dans le cas d une surface réceptrice perpendiculaire à la source surfacique, le facteur de forme F 12 entre la surface réceptrice élémentaire (ds 1 ) représentant le point de référence et la source surfacique (S 2 ) est donné par la relation suivante : Figure II.4: Calcul du facteur de forme pour deux surfaces perpendiculaires F 12 = où : 1 arctany 2π 1 1+ X 2 arctan Y 1+ X 2 (5) X = h a Y = h b a, b et h sont ceux présentés dans la figure II.4 62

63 Chapitre II II.2.2 Description du cas-test 3m 0.5 2m 2m 1 4m Figure II.5: Description de la géométrie et des points de référence pour le cas-test des sources surfaciques La géométrie utilisée pour ce cas-test est une pièce carrée d une dimension de 4m 4m 3m avec une source surfacique de 1m 1m située au centre du plafond (voir figure II.5). Cette source possède une photométrie parfaitement diffuse (Lambertienne) décrite à l aide d un fichier photométrique de distribution des intensités avec un pas de 10 pour les angles verticaux, et avec une symétrie axiale. L intensité maximale I o est de cd (pour θ = 0). Le flux lumineux total émis par la source est égal à 1000 lm. Nous avons alors une Exitance M 2 = 1000lm/m² et une luminance constante L = cd/m². Les surfaces intérieures de la pièce sont noires avec un facteur de réflexion de 0% afin d éviter les erreurs liées aux inter-réflexions. II.2.3 Solution de référence Les points de mesure sont positionnés comme décrits dans la figure II.5. Le point 1 étant au centre du sol, le point 5 étant sur le sol à l intersection avec le mur, et le point 6 étant sur le mur à l intersection avec le sol. La solution analytique pour l éclairement direct reçu par les points de mesure est donnée dans les tableaux suivants : Points Eclairement (lx) Tableau II.2: Variation de l éclairement direct au sol pour le cas-test des sources surfaciques Points Eclairement (lx) Tableau II.3: Variation de l éclairement direct au mur pour le cas-test des sources surfaciques II.3 La conservation du flux entrant à travers une ouverture Dans une simulation de l éclairage naturel, il est important de vérifier si le flux lumineux incident sur la surface d une ouverture est transmis correctement à l intérieur du bâtiment ou non. La conservation de ce flux est à vérifier en premier lieu, en particulier avant sa distribution dans les différentes directions de l espace. 63

64 Chapitre II L objectif du cas-test proposé est de vérifier cette conservation de flux à travers la comparaison du flux arrivant à la surface de l ouverture avec le total des flux directs reçus sur les surfaces intérieures. II.3.1 Référence analytique Théoriquement, dans le cas d une pièce avec une ouverture non vitrée, de surfaces noires à 0% de facteur de réflexion, la somme des flux lumineux directs arrivant sur les différentes surfaces intérieures, F i, est égale au flux arrivant sur la surface de l ouverture F o : F i = F o où : F o E o S o = Flux incident = E o.s o (lm) = Eclairement moyen sur la surface d ouverture (lx) = Aire de la surface d ouverture (m²) F i = Flux direct total transmis à travers l ouverture = F n = E n.s n, F n E n S n = Flux lumineux arrivant sur une surface intérieure n (lm) = Eclairement moyen de la surface n (lx) = Aire de la surface n (m²) II.3.2 Description du cas-test Le flux lumineux arrivant sur une surface d ouverture dépend du modèle de ciel utilisé par le logiciel à tester, et peut donc varier d un logiciel à un autre. Indépendamment de cette variation, la notion de conservation de flux définie ci-dessus doit être toujours vérifiée. Nous avons défini une série de géométries qui peuvent être utilisées pour vérifier si cette notion est bien respectée pour des scénarios avec une ouverture en toiture ou en façade, et si cet équilibre de flux est affecté par la dimension des ouvertures. La géométrie est celle d une pièce de dimensions 4m 4m 3m, avec une ouverture au centre de la toiture ou de la façade. L ouverture en toiture est de dimensions : 1m 1m, 2m 2m, 3m 3m ou 4m 4m (ouverture totale) et d une épaisseur de 200 mm. L ouverture de façade est de 2m 1m, 3m 2m ou 4m 3m (ouverture totale) avec une épaisseur de 200 mm. Les surfaces intérieures sont définies avec un facteur de réflexion de 0% afin d éliminer les erreurs de simulation liées aux inter-réflexions. Le sol extérieur n est pas pris en considération dans le cas d une ouverture en façade (sol extérieur à 0% de réflexion) Il existe des logiciels qui ne permettent pas de calculer l éclairement direct séparément. En effet, certains affectent une valeur epsilon en plus ou en moins aux facteurs de réflexion proches de 0% (ou de 100%). Une source d erreur potentielle qui peut résulter de la valeur epsilon "ε" affectée au facteur de réflexion de 0%, doit alors être prise en considération. Cette erreur (Er ε ) est égale à l éclairement moyen indirect correspondant à "ε" : Er ε = où : S T 1 ε ε (6) S F0 T = somme des aires de toutes les surfaces intérieures 64

65 Chapitre II Quelle que soit la condition du ciel utilisé, l éclairement moyen horizontal ou vertical (E o ) résultant sur la surface d ouverture (S o ) doit être calculé en vérifiant son uniformité sur la totalité de cette surface, et cela afin de calculer le flux incident F o arrivant sur la surface d ouverture (F o = E o.s o ). Ensuite, l éclairement moyen sur les différentes surfaces intérieures, y compris les surfaces de l épaisseur des ouvertures, doit être mesuré afin de calculer le flux total transmis F i (F i = E n.s n ). II.3.3 Solution de référence En théorie, la relation F i / F o doit être égale à 1. Si R s = F i / F o correspond aux résultas de la simulation, la relation 100(R s - 1) est alors utilisée pour calculer l erreur en pourcentage due à une réduction ou une augmentation du flux transmis. Le tableau II.4 est un exemple de présentation des résultats d une simulation à comparer à la solution de référence (F i / F o = 1). Type d ouverture F i / F o Analytique x 1 R s = F i / F o Simulation erreur (%) 100(R s - 1) Tableau II.4: Exemple de présentation des résultats pour le cas-test de conservation des flux II.4 La transmission directionnelle τ d un vitrage normal La transmission d un rayonnement lumineux à travers un matériau vitré diminue avec l angle d incidence du rayonnement par rapport à la surface du matériau. Cette transmission directionnelle joue un rôle important dans la distribution des éclairements dus à la lumière de jour entrant à travers une fenêtre vitrée dans un bâtiment. En effet, elle réduit considérablement le niveau des éclairements dans la zone proche d une fenêtre en façade, ou bien dans les zones éloignées de la projection d une ouverture zénithale. De même, elle joue un rôle avantageux sur la diminution de l apport thermique en été. L objectif du cas-test proposé est de tester la capacité d un logiciel à prendre en considération cette directionnalité en déduisant la transmission simulée pour un angle d incidence donné et en la comparant aux références analytiques existantes. II.4.1 Référence analytique Il existe plusieurs références analytiques, voire empiriques, qui sont utilisées pour calculer la transmission direct-direct à travers un vitrage normal [Tregenza, 1993] [Hopkinson, 1966]. Ces références prennent généralement en considération l absorption à l intérieur du vitrage qui varie avec, entre autre, l épaisseur et la composition de ce vitrage. A titre d exemple, nous choisissons pour ce cas-test le cas simplifié d un vitrage clair où l absorption n est pas prise en considération. La référence analytique que nous avons choisi pour calculer la transmission direct-direct pour un vitrage clair est décrite par l équation suivante [Mitilas, 1968] [Tregenza, 1993]: 2 3 τ θ = cosθ cos θ cos θ où : cos θ cos θ (7) 65

66 Chapitre II τ θ = La transmission directe-directe pour un angle d incidence θ θ = Angle d incidence II.4.2 Description du cas-test La géométrie utilisée pour ce cas-test est une pièce carrée de dimensions 4m x 4m x 3m, avec une ouverture centrale en toiture de 1m x 1m d une épaisseur de 200 mm. Un vitrage clair est positionné sur la partie supérieure de cette ouverture. Les surfaces intérieures ont un facteur de réflexion de 0%. Une série de simulations sera conduite avec un faisceau lumineux parallèle, orienté de l extérieur vers le centre de la surface d ouverture avec un angle d incidence (θ) variant de 0 à 90 avec un pas de 10. Pour chaque position de la source, le flux total transmis à l intérieur de la pièce (F i = E n.s n ) sera calculé avec et sans le vitrage. τ θ est égal au rapport entre le flux total transmis avec le vitrage et le flux total transmis sans le vitrage pour l angle d incidence donné (θ), et doit respecter la référence analytique définie dans le tableau II.5. II.4.3 Solution de référence Analytiquement, la relation entre la transmission directe-directe τ θ d un vitrage clair pour un angle d incidence θ, et la transmission normale-normale τ 0 est donnée par le tableau suivant (N.B. dans ce tableau, τ θ ne prend pas l absorption du vitrage en considération, et τ θ /τ 0 représente la transmission directionnelle relative) : θ τ θ τ θ /τ Tableau II.5: variation de la transmission d un vitrage clair en fonction de l angle d incidence II.5 La réflexion de la lumière sur une surface de Lambert Les inter-réflexions diffuses jouent un rôle majeur dans les composantes réfléchies interne et externe dans un scénario d éclairage. Ces deux composantes peuvent constituer une partie considérable de l éclairement global d une scène. Dans une simulation numérique de l éclairage, les surfaces mats d une géométrie sont souvent considérées comme surfaces parfaitement diffusantes. Les inter-réflexions diffuses sont alors calculés par la méthode de radiosité qui est basée sur les formules de facteur de forme. Cellesci servent à définir la fraction du flux lumineux quittant une surface parfaitement diffusante S 1 qui atteint une surface élémentaire ds 2. Dans un calcul de radiosité, l éclairement direct est calculé en premier lieu, puis chaque surface éclairée est considérée comme une source lumineuse qui réfléchit d une façon diffuse, une partie du flux direct reçu vers les autres surface de la géométrie. Le but de ce cas-test est de vérifier la capacité d un logiciel à calculer correctement les réflexions diffuses sur une surface de Lambert. 66

67 Chapitre II II.5.1 Référence analytique Analytiquement, l éclairement indirect reçu sur une surface élémentaire ds 1 depuis une surface diffuse réfléchissante S 2 est donné par la relation suivante : E 1 = M 2 F 12 (8) où : E 1 M 2 F 12 = éclairement indirect reçu au point 1 depuis la surface S 2 (lx) = Exitance lumineuse de la surface diffusante S 2 (lm/m²) = π L 2 (9) = Facteur de forme entre la surface réceptrice élémentaire ds 1 et la surface diffusante S 2 (voir équation 4 et 5) Pour une première réflexion, M 2 dépend de l éclairement direct uniforme reçu sur la surface S 2. nous avons : M 2 = E 2 ρ S2 (10) où : E 2 = éclairement direct reçu sur la surface S 2 (lx) ρ S2 = Facteur de réflexion de la surface diffusante S 2 II.5.2 Description du cas-test Le scénario utilisé pour ce cas-test est constitué des éléments suivants (voir figures II.6, II.7 et II.8): - Une surface horizontale diffusante S 2 spectralement neutre et représentant un sol recevant un éclairement direct et uniforme (Soleil ou source artificielle éloignée) - Une surface réceptrice verticale S 1-v représentant un mur - Une surface réceptrice horizontale S 1-hz (orientée vers le bas) représentant un plafond et adjacente au mur Les surface réceptrices S 1-v et S 1-hz ne reçoivent pas de l éclairement direct et ne réfléchissent pas de lumière (0% de facteur de réflexion), mais elles reçoivent une partie du flux diffusé par S 2. Afin de prendre en considération l influence de la taille de la surface diffusante S 2 sur les résultats du logiciel testé, trois scénarios sont proposés : II Surface S 2 de petite dimension La configuration géométrique de ce scénario est montrée dans la figure II.6. Elle est décrite comme suit : - La surface S 2 est centrée par rapport au plafond avec une dimension de 50cm 50cm. Elle a un facteur de réflexion de 80%. - La surface réceptrice S 1-v est positionnée à 2m du centre de S 2 et a comme dimension 4m de largeur et 3m de hauteur. - La surface réceptrice S 1-hz est positionnée à 3m du sol, orientée vers celui-ci, elle est adjacente à S 1-v et elle a comme dimensions 4m 4m. 67

68 Chapitre II - Les surfaces S 1-v et S 1-hz sont protégées par une enveloppe extérieure afin d éviter des erreurs liées aux fuites de lumière. - La source primaire est orientée avec un angle de 45 pour éviter l éclairement direct sur S 1-v, et elle produit un éclairement horizontal uniforme Ehz sur S 2. Flux direct incident (45 ) S1-V 4mx3m S1-Hz 3m 1.75m 1.75m 4m S2 50cmx50cm Figure II.6: Description du cas-test des réflexions diffuses pour une surface S 2 de 50cm 50cm II Surface S 2 de moyenne dimension (sol intérieur) La configuration géométrique de ce scénario est montrée dans la figure II.7, elle est décrite comme suit : Flux direct incident (35 ) S1-V 4mx2.5m S1-Hz 0,5 3m S2 4mx4m 4m Figure II.7: Description du cas-test des réflexions diffuses pour une surface S 2 de 4mx4m - La surface S 2 a une dimension de 4m 4m. Elle a un facteur de réflexion de 30%. - La surface réceptrice S 1-v est positionnée à 50 cm du sol et à 2m du centre de S 2 et a comme dimension 4m de largeur et 2m50cm de hauteur. - La surface réceptrice S 1-hz est positionnée à 3m du sol, orientée vers celui-ci, elle est adjacente à S 1-v et elle a comme dimensions 4m 4m. - Les surfaces S 1-v et S 1-hz sont protégées par une enveloppe extérieure afin d éviter des erreurs liées aux fuites de lumière. - La source primaire est orientée avec un angle de 35 pour éviter l éclairement direct sur S 1-v et pour garantir en même temps l homogénéité de l éclairement sur S 2 (voir figure II.7). 68

69 Chapitre II II Surface S 2 de grande dimension (sol extérieur) La configuration géométrique de ce scénario est montrée dans la figure II.8, elle est décrite comme suit : Flux direct incident (45 ) S1-V 4mx3m S1-Hz 4m S2 500mx500m 4m Figure II.8 : Description du cas-test des réflexions diffuses pour une surface S 2 de 500m 500m - La surface S 2 a une dimension de 500m 500m. Elle a un facteur de réflexion de 30%. - La surface réceptrice S 1-v est positionnée à 4m de S 2. Elle a comme dimension 4m de largeur et 3m de hauteur et son axe médian est aligné avec celui de S 2. - La surface réceptrice S 1-hz est positionnée à 3m du sol, orientée vers celui-ci, elle est adjacente à S 1-v et elle a comme dimensions 4m 4m. - Les surfaces S 1-v et S 1-hz sont protégées par une enveloppe extérieure afin d éviter des erreurs liées aux fuites de lumière à leur intersection. - La source primaire est orientée avec un angle de 45 et elle produit un éclairement horizontal uniforme Ehz sur S 2. II Etudes paramétriques Nous proposons d associer à chacun de ces scénarios une étude de sensibilité sur l effet de l orientation de la source, du niveau d éclairement horizontal et du facteur de réflexion de S 2. II.5.3 Solution de référence F E D C B A G H I J K L M N 3m 4m S1-V 2m 2m S1-Hz Figure II.9 : Emplacement des points de référence pour le cas-test des réflexions diffuses 69

70 Chapitre II Pour permettre la comparaison des résultats aux référence analytiques quel que soit l éclairement horizontal obtenu sur S 2 ou le facteur de réflexion utilisé, nous présentons les résultats aux points de mesure sous forme de E/(Ehz ρ), qui est égale à la valeur du facteur de forme entre le point de référence et S 2 (voir équations 4 et 5) Les points de mesure sont positionnés sur les surfaces S 1-v et S 1-hz comme le montre la figure II.9 ci-dessus. II Scénario 1 (S 2 : 50 50cm) Points de mesure sur S1-v A B C D E F E/(Ehz ρ) (%) Points de mesure sur S1-hz G H I J K L M N E/(Ehz ρ) (%) Tableau II.6: variation de E/(Ehz ρ) pour le cas-test des réflexions diffuses avec une surface de 50cm 50cm II Scénario 2 (S 2 : 4 4m) Points de mesure sur S1-v A B C D E F E/(Ehz ρ) (%) Points de mesure sur S1-hz G H I J K L M N E/(Ehz ρ) (%) Tableau II.7: variation de E/(Ehz ρ) pour le cas-test des réflexions diffuses avec une surface de 4m 4m II Scénario 3 (S 2 : m) Points de mesure sur S1-v A B C D E F E/(Ehz ρ) (%) Points de mesure sur S1-hz G H I J K L M N E/(Ehz ρ) (%) Tableau II.8: variation de E/(Ehz ρ) pour le cas-test des réflexions diffuses avec surface de 500m 500m II.6 La réflexion diffuse avec présence d obstructions internes La présence d obstructions internes est assez courante dans les scénarios réels. Cela comprend par exemple les meubles et les cloisons intérieures. La prise en considération de ces obstructions représente un degré de complexité plus élevé que pour les géométries de type "boîte à chaussures". Une source d erreur supplémentaire et plus importante est donc 70

71 Chapitre II introduite, ce qui rend les résultats plus sensibles aux paramètres de calcul (maillage de radiosité, paramètres liés au calcul des ombres, etc.). Le but de ce cas-test est de vérifier la capacité d un logiciel à simuler correctement l influence de ce type d obstructions sur les inter-réflexions diffuses. II.6.1 Référence analytique La référence analytique pour le calcul des éclairements indirects est la même que pour le scénario II.5. Cependant, pour ce cas-test, la dimension de la zone perçue de la surface diffusante S 2 est à calculer pour chaque point de référence en fonction de sa position. II.6.2 Description du cas-test Le scénario utilisé pour ce cas-test est constitué des éléments suivants (voir figure II.10): - Une surface verticale diffusante S 2 spectralement neutre et représentant un mur recevant un éclairement direct et uniforme Ev (Soleil ou source artificielle éloignée) - Une surface réceptrice verticale S 1-v représentant un mur parallèle à S 2 - Une surface réceptrice horizontale S 1-hz adjacente à S 1-v et représentant un sol - Une obstruction verticale située entre S 1-hz et S 2 Les surfaces réceptrices S 1-v et S 1-hz ne reçoivent pas de l éclairement direct et ne réfléchissent pas la lumière (0% de facteur de réflexion), mais elles reçoivent une partie du flux diffusé par la zone perçue de S 2. La géométrie utilisée est montrée dans la figure II.10, elle est décrite comme suit : Flux direct incident (60 ) S2 S1-V 3 1 S1-Hz 1,3 4 2,5 Figure II.10: Description du cas-test des réflexions diffuses avec obstruction La surface S 2 a une dimension de 4m 3m. Elle a un facteur de réflexion de 60%. La surface réceptrice verticale S 1-v a une dimension de 4m 3m et elle est positionnée face à S 2 et à 4m de celle-ci. La surface réceptrice horizontale S 1-hz est positionnée au niveau du sol. Elle est adjacente à S 1- v et elle a comme dimensions 2.50m 4m. L obstruction verticale a une dimension de 4m de largeur et de 1m de hauteur et 20 cm d épaisseur. Elle a un coté à 2m50 de S 1-v et l autre à 1m30 de S 2 71

72 Chapitre II Les surfaces S 1-v et S 1-hz sont protégées par une enveloppe extérieure afin d éviter des erreurs liées aux fuites de lumière, et afin d éviter l éclairement direct sur ces surfaces (voir figure II.10). La source primaire est orientée avec un angle de 60 et elle produit un éclairement vertical uniforme Ev sur S 2. II.6.3 Solution de référence Pour permettre la comparaison des résultats aux référence analytiques quel que soit l éclairement vertical obtenu sur S 2 ou le facteur de réflexion utilisé, nous présentons dans le tableau II.9 les résultats aux points de mesure sous forme de E/(Ev ρ), qui est égal à la valeur du facteur de forme entre le point de référence et S 2. Les points de mesure sont positionnés sur les surfaces S 1-v et S 1-hz comme le montre la figure II.11 ci-dessous S2 0.2 K J S1-V S1-Hz 2.5 I H G A B C D E F 2m 2m m 0.25 Figure II.11: Emplacement des points de référence pour le cas-test des réflexions diffuses avec obstruction Points de mesure sur S1-v A B C D E F E/(Ev ρ) (%) Points de mesure sur S1-hz G H I J K E/(Ev ρ) (%) Tableau II.9: variation de E/(Ev ρ) pour le cas-test des réflexions diffuses avec obstruction interne II.7 Le calcul de la composante réfléchie interne pour une géométrie avec des surfaces de Lambert Dans un scénario d éclairage, la composante réfléchie interne peur constituer une partie importante de l éclairement global à l intérieur d une pièce. Cette composante est liée directement au facteur de réflexion des surfaces intérieures. Le but de ce cas-test est de vérifier la capacité d un logiciel à prendre en considération l influence du facteur de réflexion sur un calcul de radiosité dans une pièce. 72

73 Chapitre II II.7.1 Référence analytique Analytiquement, et dans le cas d une sphère fermée avec des surfaces intérieures diffuses, le flux indirect F i arrivant en un point intérieur de la sphère est donné par la relation suivante : F i où : F = ρf+ρ 2 F+ρ 3 F+... = ρ.f 1 ρ = Flux lumineux direct entrant dans la sphère (11) L éclairement indirect reçu par un point intérieur de la sphère est donné par la relation : E = 1 ST ρf 1 ρ où : E = Éclairement indirect en un point intérieur de la sphère (lx) S T = L aire de la surface interne de la sphère (m²) ρ = Facteur de réflexion de la surface intérieur de la sphère (%) F = Flux lumineux direct entrant dans la sphère (lm) Dans le cas d une pièce cubique avec un facteur de réflexion uniforme sur toutes les surfaces intérieures (diffuses), la relation 12 pourra être utilisée pour estimer un éclairement indirect moyen à l intérieur de la pièce. Elle devient : E moy = 1 ST ρf 1 ρ où : E moy = Éclairement indirect moyen à l intérieur de la sphère (lx) S T = L aire totale des surfaces internes de la pièce (m²) ρ = Facteur de réflexion des surfaces intérieures de la pièce (%) F = Flux lumineux direct entrant dans la pièce (lm) (12) (13) II.7.2 Description du cas-test La géométrie utilisée pour ce cas-test est celle d une pièce cubique de dimensions 4m 4m 4m (ST = 96 m²). Les surfaces intérieures sont parfaitement diffusantes et spectralement neutres. Une source lumineuse point est située au centre de la pièce avec un flux lumineux F de10000lm. Le facteur de réflexion des surfaces intérieures varie de 0 à 100%. 73

74 Chapitre II II.7.3 Solution de référence La variation de l éclairement indirect moyen à l intérieur de la pièce, calculé analytiquement à l aide de la relation 13 pour des facteurs de réflexion allant de 0 à100%, est présentée dans le tableau II.10 ci-dessous. ρ E moy (lx) Tableau II.10: Variation de l éclairement indirect moyen avec le facteur de réflexion II.8 La composante directe du FJ (FJD) pour une ouverture en toiture non vitrée (sous les 16 types du ciel général CIE) Bien qu il soit recommandé d utiliser la répartition de luminances d un ciel couvert pour le calcul du facteur de lumière de jour, ce dernier reste une information significative et utilisable pour comparer la performance d un système d éclairage naturel sous d autres types de ciel. Le cas-test proposé a pour objectif de tester la capacité d un logiciel à calculer l éclairement direct intérieur dû aux différentes conditions de ciel. Les types du "Ciel CIE général" seront utilisés étant donné que ce modèle a fait l objet d une standardisation récente par la CIE [CIE, 2002]. Le cas-test est limité au calcul de la composante directe sans prendre en considération l épaisseur de la costière ou la présence d un vitrage afin d éviter l interférence de plusieurs sources d erreur. II.8.1 Référence analytique Le calcul de la composante directe du facteur de lumière de jour à l intérieur d une pièce consiste à prendre en considération uniquement l éclairement direct reçu à travers les ouverture depuis les zones visibles du ciel. Cet éclairement varie pour un point donné selon la répartition des luminances de la voûte céleste, et en particulier la zone de la voûte visible depuis ce point. Il existe des algorithmes pour calculer analytiquement cet éclairement pour un ciel CIE couvert (Ciel CIE Général type 16) ou bien pour un ciel uniforme (Ciel CIE Général type 5) que nous décrivons dans les paragraphes qui suivent. Pour les autres types du ciel CIE général, nous utilisons un modèle numérique (Skylux) développé au sein de notre laboratoire par D. Dumortier et F. Van Roy. La surface de l ouverture est subdivisée avec un maillage très fin, et pour chaque maille est calculée une luminance moyenne qui correspond à la zone du ciel couverte par cette maille pour un point donné. L éclairement direct en un point donné est obtenu par intégration des contributions de chaque maille. Nous avons validé ce modèle en comparant ses résultats à ceux calculés par les algorithmes existants pour les ciels couverts et uniformes. En utilisant un maillage assez fin, la précision des résultas obtenus est à 1/1000 près, ce qui nous permet de les adopter en tant que solution de référence (voir A.1 et A.2 de l annexe A). 74

75 Chapitre II II Composante directe sous un ciel CIE type 5 (Uniforme) La composante directe due à un ciel uniforme est égale à la valeur du facteur de forme qui peut être calculée par les formules de facteur de forme entre les surfaces de l ouverture et les points de mesure (FJD=F 12 ). Dans le cas d une ouverture parallèle à la surface réceptrice (point de référence au sol), le facteur de forme F 12 entre la surface réceptrice élémentaire (ds 1 ) représentant le point de référence et la surface de l ouverture (S 2 ) à travers laquelle le ciel uniforme est visible, est donné par la relation 4. Dans le cas d une ouverture perpendiculaire à la surface réceptrice (point de référence au mur), le facteur de forme F 12 entre la surface réceptrice (ds 1 ) représentant le point de référence et la surface de l ouverture (S 2 ) à travers laquelle le ciel uniforme est visible, est donné par la relation 5. II Composante directe au sol sous un ciel CIE type 16 (Couvert) La composante directe en un point (d une surface réceptrice horizontale) sous la projection verticale d un coin d une ouverture horizontale rectangulaire en toiture avec un ciel CIE couvert, est donnée par la relation suivante[tregenza, 1993]: FJD = [1.5z(dsina+csinb)+zπ +z(sin2bsinc+sin2asind) -2z{arcsin(cosα cosa)+arcsin(sinα cosb)}]x100% (14) où : 1 z = 7π α = arctan tana tanb les angles a, b et c sont en radians et sont présentés dans la figure II.12 Figure II.12: Calcul de la composante directe sous un ciel CIE couvert et une ouverture horizontale 75

76 Chapitre II II.8.2 Description du cas-test A B C D E F G H I m 2m 2m J K L M N m 0.25 Figure II.13: Description de la géométrie et des points de référence pour le cas test des FJD avec une ouverture en toiture La géométrie utilisée pour ce cas-test est celle d une pièce rectangulaire de 4m 4m 3m, avec une ouverture centrée en toiture de dimensions variables de 1m 1m ou de 4m 4m. l épaisseur de l ouverture est supposée nulle. Les surfaces intérieures sont des surfaces de Lambert de couleur noire avec un facteur de réflexion de 0%. La carte de luminances utilisée pour le calcul de la composante directe est celle des 16 types du ciel CIE général avec un soleil de luminance nulle à 60 de hauteur en plein Sud. II.8.3 Solution de référence La position des points de mesure est décrite dans la figure II.13. II Ouverture 1m 1m Les valeurs de référence complètes pour la variation des FJD au mur et au sol, sous une ouverture en toiture de 1m 1m et sous les 16 types du Ciel CIE Général, sont présentées dans les tableaux B.1 et B.2 de l annexe B. Une partie de ces valeurs est présentée graphiquement dans la figure II14 pour les ciels CIE type 1 (couvert), 9 et 12(clair). FJD (%) A B C D E F FJD (%) G H I J K L M N CIE-T1 CIE-T9 CIE-T12 CIE-T1 CIE-T9 CIE-T12 Figure II.14: Variation des FJD sous les ciels CIE types 1, 9 et 12, pour une ouverture en toiture non vitrée de 1m 1m II Ouverture 4m 4m Les valeurs de référence complètes pour la variation des FJD au mur et au sol, sous une ouverture en toiture de 4m 4m et sous les 16 types du Ciel CIE Général, sont présentées dans les tableaux B.3et B.4 de l annexe B. 76

77 Chapitre II Une partie de ces valeurs est présentée graphiquement dans la figure II.15 pour les ciels CIE type 1, 9 et 12. FJD (%) A B C D E F CIE-T1 CIE-T9 CIE-T12 FJD (%) G H I J K L M N CIE-T1 CIE-T9 CIE-T12 Figure II.15: Variation des FJD sous les ciels CIE types 1, 9 et 12, pour une ouverture en toiture non vitrée de 4m 4m II.9 FJD pour une ouverture en toiture avec vitrage normal La présence d un vitrage sur l ouverture d une pièce peut jouer un rôle important sur la distribution des éclairements à l intérieur de celle-ci. L influence des vitrages dits normaux est limitée à leur transmission directionnelle étant donné que leur influence bidirectionnelle est négligeable. L objectif du cas-test proposé est de tester la capacité d un logiciel à simuler l influence d un vitrage avec une courbe de transmission donnée sur la répartition des éclairements intérieurs sous les différents types du ciel CIE général. II.9.1 Référence analytique Pour la courbe de transmission, nous utilisons celle du vitrage clair définie par Mitalas et Arseneault [Mitilas, 1968] [Tregenza, 1993]. Pour le calcul des éclairements directs intérieurs dus aux luminances d un ciel à travers ces vitrages, nous avons utilisé le logiciel Skylux (voir annexe A). La contribution de chaque maille à l éclairement d un point donné est corrigée par le facteur de transmission qui dépend de l angle d incidence moyen entre la maille et le point considéré. Ce logiciel a été validé en comparant ses résultats à la référence analytique existante pour le calcul de l éclairement direct sous un ciel CIE couvert avec un vitrage clair de 6mm d épaisseur. (voir A.3 de l annexe A) FJD au sol sous un ciel CIE type 16 (couvert) et un vitrage clair de 6mm d épaisseur : Pour les points de référence situées au sol, cette composante peut être calculée analytiquement à partir de la relation 14 après multiplication par la transmission moyenne T définie par la relation suivante [Mitilas, 1968] [Tregenza, 1987]: T = cosb 0.137cos²b cosa 0.66cosacosb cosacos²b 0.285cos²a+0.427cos²acosb 0.246cos²acos²b (15) II.9.2 Description du cas-test Le scénario utilisé pour ce cas-test est le même que celui utilisé pour le cas-test précédent (II.8.2), avec la présence d un vitrage au niveau de la surface de cette ouverture. 77

78 Chapitre II II.9.3 Solution de référence La position des points de mesure est décrite dans la figure II.13. II Ouverture 1m 1m avec vitrage clair 6mm Les valeurs de référence complètes pour la variation des FJD sur le mur et sur le sol, sous une ouverture en toiture de 1m 1m avec vitrage clair de 6mm et sous les 16 types du Ciel CIE Général, sont présentés dans les tableaux B.5 et B.6 de l annexe B. II Ouverture 4m 4m avec vitrage clair 6mm Les valeurs de référence complètes pour la variation des FJD sur le mur et sur le sol, sous une ouverture en toiture de 4m 4m avec vitrage clair de 6mm et sous les 16 types du Ciel CIE Général, sont présentés dans les tableaux B.7 et B.8 de l annexe B. II.10 La composante directe et la composante réfléchie externe (sol extérieur) pour une ouverture en façade non vitrée Ce qui différencie l influence d une ouverture en façade par rapport à une ouverture en toiture, c est la composante réfléchie externe qui entre en jeu avec une importante influence sur la composante réfléchie interne à travers la réflexion sur les murs et sur le plafond. Le but de ce cas-test est de vérifier la capacité d un logiciel à prendre en considération à la fois la contribution des luminances du ciel et celles du sol extérieur sur l éclairement direct à l intérieur d une pièce. II.10.1 Référence analytique Pour le calcul des références analytiques nous utilisons le logiciel Skylux qui a été validé en comparant ses résultats à la solution analytique pour un ciel uniforme et celle pour un ciel CIE type 16 (couvert), (voir A.4 et A.5 de l annexe A). II Composante directe et composante réfléchie externe sous un ciel CIE type 5 (Uniforme) P1 S2 S3 Figure II.16: Calcul de la composante directe et la composante réfléchie externe sous un ciel uniforme et une ouverture en façade Pour les points de référence situés au sol, c est uniquement la composante directe qui est prise en considération et elle est calculée à partir de la relation suivante : FJD = F 12 (16) où : 78

79 Chapitre II FJD F 12 = Composante directe (due au ciel) = facteur de forme entre la surface réceptrice (ds 1 ) représentant le point de référence et la partie (S 2 ) de l ouverture à travers laquelle le ciel uniforme est visible ( voir figure II.16). (pour un point au sol, S 2 est égale à la surface totale de l ouverture) Pour les points de référence situés sur le plafond, c est uniquement la composante réfléchie externe qui est prise en considération. Nous supposons que la luminance du sol extérieur est uniforme. La composante réfléchie externe est alors calculée à partir de la relation suivante : FRE = F 13 ρ (17) où : FRE = Composante réfléchie externe (due au sol extérieur) F 13 = facteur de forme entre la surface réceptrice (ds 1 ) représentant le point de référence et la partie (S 3 ) de l ouverture à travers laquelle le sol extérieur est visible ( voir figure II.16). (pour un point au plafond, S 3 est égale à la surface totale de l ouverture) ρ = Facteur de réflexion uniforme du sol extérieur Pour les points de référence situés sur le mur en face de l ouverture, et sachant que la composante réfléchie interne FRI est nulle, le calcul du facteur de lumière du jour peut être calculé par la relation suivante : FJ = FJD+FRE F 12 + F 13.ρ (18) II Composante directe au sol sous un ciel CIE type 16 (Couvert) La composante directe en un point de référence (d une surface réceptrice horizontale) due à un ciel CIE couvert (ciel CIE général type 16) vu à travers une ouverture rectangulaire en façade non vitrée dont le coté inférieur est dans le même plan du point de référence, et dont un coté vertical se situ dans un plan perpendiculaire à l ouverture et passant par ce point de référence est donnée par la relation suivante [Tregenza, 1993]: FJD = 1.5( b ccosa) + 2arcsin(sinbsina) sin2asinc 100% 7π (19) où : a = arctan H D b = c = arctan W D arctan W H² + D² les angles a, b et c sont en radians et sont présentés dans la figure II.17, avec D, H et W 79

80 Chapitre II Figure II.17: Calcul de la composante directe sous un ciel CIE couvert et une ouverture verticale II.10.2 Description du cas-test G' H' I' J' K' L' M' N' A B C D E 4m F G H I J K L M N 2m 2m 3m Figure II.18: Description de la géométrie et des points de référence pour le cas-test des FJD et de FRE avec une ouverture en façade La géométrie utilisée pour ce cas-test est celle d une pièce rectangulaire de 4m 4m 3m, avec une ouverture centrée en façade de dimensions variables de 2m 1m ou de 4m 3m (voir figure II.18). l épaisseur de l ouverture est supposée nulle. Les surfaces intérieures sont des surfaces de Lambert de couleur noire avec un facteur de réflexion de 0%. La carte de luminances de ciel utilisée pour le calcul de la composante directe est celle des 16 types du Ciel CIE Général avec un soleil de luminance nulle à 60 de hauteur en plein Sud. Le calcul de la composante réfléchie externe est basé sur une luminance uniforme du sol, calculée à partir de l éclairement extérieur horizontal dû au ciel et à un facteur de réflexion uniforme de 30%. II.10.3 Solution de référence La position des points de mesure est décrite dans la figure II.18. II Ouverture 2m 1m Les valeurs de références complètes pour la variation des FJD et des FRE sur le mur, sur le sol et le plafond, avec une ouverture en façade de 2m 1m non vitrée et sous les 16 types du Ciel CIE Général, sont présentés dans les tableaux B.9, B.10 et B11 de l annexe B. Une partie de ces valeurs est présentée graphiquement dans la figure II.19 pour les ciels CIE type 1, 9 et

81 Chapitre II FJD+FRE (%) A B C D E F CIE-T1 CIE-T9 CIE-T12 FJD (%) G H I J K L M N CIE-T1 CIE-T9 CIE-T12 Figure II.19: Variation de FJD+FRE sous les ciels CIE types 1, 9 et 12, pour une ouverture en façade non vitrée de 2m 1m II Ouverture 4m 3m Les valeurs de références complètes pour la variation des FJD et des FRE sur le mur, sur le sol et le plafond, avec une ouverture en façade de 4m 3m non vitrée et sous les 16 types du Ciel CIE Général, sont présentés dans les tableaux B.12, B.13 et B14 de l annexe B. Une partie de ces valeurs est présentée graphiquement dans la figure II.20 pour les ciels CIE type 1, 9 et 12. FJD+FRE (%) A B C D E F CIE-T1 CIE-T9 CIE-T12 FJD (%) G H I J K L M N CIE-T1 CIE-T9 CIE-T12 Figure II.20: Variation de FJD+FRE sous les ciels CIE types 1, 9 et 12, pour une ouverture en façade non vitrée de 4m 3m II.11 FJD+FRE (sol extérieur) pour une ouverture en façade avec vitrage normal Le but de ce cas-test est de vérifier la capacité d un logiciel à calculer correctement le facteur de lumière de jour sous les 16 types du ciel général CIE avec la présence de différents types de vitrages. II.11.1 Référence analytique Le calcul des valeurs de référence est fait à l aide du logiciel Skylux. Ce logiciel a été validé en comparant ses résultats à la référence analytique donnée existante pour le calcul de la composante directe sous un ciel CIE couvert et un vitrage clair de 6mm d épaisseur. (voir A.6 de l annexe A) FJD au sol sous un ciel CIE type 16 (couvert) et un vitrage clair de 6mm d épaisseur : Pour les points de référence situées au sol, cette composante peut être calculée analytiquement à partir de la relation 19 après multiplication par la transmission moyenne T définie par la relation

82 Chapitre II II.11.2 Description du cas-test Le scénario utilisé pour ce cas-test est le même que celui utilisé pour le cas-test précédent (II.10.2) avec la présence d un vitrage au niveau de la surface de l ouverture. II.11.3 Solution de référence La position des points de mesure est décrite dans la figure II.18. II Ouverture 2m 1m avec Vitrage clair 6mm Les valeurs de références complètes pour la variation des FJD et des FRE sur le mur, sur le sol et le plafond, avec une ouverture en façade de 2m 1m avec vitrage clair de 6mm et sous les 16 types du Ciel CIE Général, sont présentés dans les tableaux B.15, B.16 et B.17 de l annexe B. II Ouverture 4m 3m avec Vitrage clair 6mm Les valeurs de références complètes pour la variation des FJD et des FRE sur le mur, sur le sol et le plafond, avec une ouverture en façade de 4m 3m avec vitrage clair de 6mm et sous les 16 types du Ciel CIE Général, sont présentés dans les tableaux B.18, B.19 et B.20 de l annexe B. II.12 FJD+FRE (sol extérieur + masque horizontal continu) pour une ouverture en façade non vitrée Les éléments de façade, type avant toit, peuvent influencer considérablement la répartition des éclairements à l intérieur d un bâtiment. Le but de ce cas-test est de vérifier la capacité d un logiciel donné à simuler correctement l influence d un masque extérieur (type avant toit) sur l éclairement intérieur direct. Le type de masque et les types de ciel utilisés ont été choisis d une façon à permettre un calcul analytique de la solution de référence. Ainsi nous avons utilisé comme masque extérieur un avant toit d une longueur infinie et d une luminance uniforme. Comme type de ciel nous avons choisi les 16 types du ciel CIE général. II.12.1 Référence analytique S4 S3 P1 Figure II.21: Calcul de la composante directe et la composante réfléchie externe pour une ouverture en façade avec masque horizontal Le facteur de lumière de jour à l intérieur d une pièce noire (0% de réflexion) avec une ouverture en façade et sous un ciel donné et un avant-toit de luminance uniforme et d une longueur infinie est défini par la relation suivante : FJ = FJD + FRE où : 82

83 Chapitre II FJ = Facteur de lumière de jour FJD = Composante directe (due au ciel) FRE = Composante réfléchie externe (due au masque) F 14 L ob E hz = F 14 (π.l ob /E hz ) (20) = Facteur de forme entre le point de référence P 1 et la partie de l ouverture transmettant le flux lumineux incident du masque (S 4 ), (voir figure II.21). = Luminance uniforme du masque = Eclairement horizontal extérieur Pour le calcul des valeurs de références de FJD, nous utilisons le logiciel Skylux en prenant en considération la taille de la partie S 3 de l ouverture par rapport à chaque point de référence (voir figure II.21). Pour le calcul des valeurs de référence de FRE, nous pouvons utiliser la référence simplifiée ci-dessous. II Calcul simplifié de FRE Si nous supposons que le masque et le sol extérieurs sont des surfaces de luminance uniforme, nous avons pouvons écrire : L ob = ½ (L sol ρ ob ) L sol = (E hz ρ sol )/π (en supposant que E sol = E hz ) où L sol = Luminance uniforme du sol extérieur ρ ob = Facteur de réflexion du masque ρ sol = Facteur de réflexion du sol extérieur Nous avons alors d après la relation 20: FRE = ½ (F 14 ρ sol ρ ob ) (21) Certains logiciels permettent l attribution d une valeur absolue à L ob. FRE pourra alors être calculée par rapport à l E hz à partir de la relation 20. II Calcul de FJD sous un ciel uniforme En ce qui concerne la composante directe due au ciel, et dans le cas d un ciel uniforme, elle est définie par la relation suivante : FJD= F 13 où : F 13 = Facteur de forme entre le point de référence P 1 et la partie de l ouverture transmettant le flux lumineux incident du ciel (S 3 ), (voir figure II.21) II Calcul de FJD sous un ciel CIE couvert Dans le cas d un ciel CIE couvert, et pour les points situés au sol, la composante directe est calculée à l aide de la relation 19 en prenant en considération la partie S 3 de l ouverture. 83

84 Chapitre II II.12.2 Description du cas-test 2 1 0, Figure II.22: Description de la géométrie pour le cas-test avec masque horizontal La géométrie utilisée est une pièce rectangulaire de dimensions 4m 4m 3m, avec une ouverture centrée en façade de 2m 1m de dimensions et à 1m du sol. L épaisseur de l ouverture n est pas prise en considération, et il n y a pas de matériau vitré. Le masque extérieur est un avant toit d une longueur infinie, d une hauteur de 3m et d une largeur variante entre 0.5m, 1m et 2m. La luminance du masque est supposée uniforme et due à la luminance uniforme du sol extérieur. II.12.3 Solution de référence Les points de référence sont décrits dans la figure II.23. Les valeurs de référence en FRE sont calculées à partir de la référence analytique simplifiée décrite en II Les valeurs de FJD sont calculées à l aide de Skylux en prenant en considération la portion de la fenêtre S 3 à partir de laquelle chaque point de référence aperçoit le ciel. L ensemble des résultats pour les 16 types de ciel et les 3 configurations de masque sont présentées dans les tableaux B21, B22 et B23 de l annexe B. 4m A B C D E F G H 4m FJD+FRE (% A B C D E F G H ,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0, FJD FRE Figure II.23: Emplacement des points de référence et présentation des résultats pour un ciel CIE type 1 et un masque de 2m de largeur 84

85 Chapitre II II.13 FJD+FRE (sol extérieur + masque extérieur vertical continu) pour une ouverture en façade non vitrée II.13.1 Référence analytique S4 S3 P1 Figure II.24: Calcul de la composante directe et la composante réfléchie externe pour une ouverture en façade avec masque vertical Le facteur de lumière de jour à l intérieur d une pièce noire (0% de réflexion) avec une ouverture en façade et sous un ciel donné et un masque extérieur verticale infini de luminance uniforme est défini par la relation suivante : FJ = FJD + FRE où : FJ = Facteur de lumière de jour FJD = Composante directe (due au ciel) FRE = Composante réfléchie externe (due au masque extérieur) = F 13 (π.l ob /E hz ) (22) F 13 L ob E hz = Facteur de forme entre le point de référence P 1 et la partie de l ouverture transmettant le flux lumineux incident du masque extérieur (S 3 ), (voir figure II.24) = Luminance uniforme du masque extérieur = Eclairement horizontal extérieur Pour le calcul des valeurs de référence de FJD, nous utilisons le logiciel Skylux en prenant en considération la taille de la partie S 3 de l ouverture par rapport à chaque point de référence (voir figure II.24). Pour le calcul des valeur de référence de FRE, nous pouvons utiliser la référence simplifiée ci-dessous. II Calcul simplifié de FRE Si nous supposons que le masque et le sol extérieurs sont des surfaces de luminance uniforme, nous pouvons écrire : L ob = (½ L sol ρ ob )+(E v ρ ob /π) L sol = ρ sol E hz /π (en supposant que E sol = E hz ) où 85

86 Chapitre II L sol ρ ob E v E hz = Luminance uniforme du sol extérieur = Facteur de réflexion du masque extérieur = Eclairement vertical du masque extérieur dû au ciel seul = Eclairement extérieur horizontal dû au ciel Nous avons alors à partir de la relation 22 : FRE = F 13 ρ ob ((½ ρ sol )+(E v /E hz )) (23) II Calcul simplifié de FRE pour un ciel uniforme Dans le cas d un ciel uniforme nous avons : Ehz = π L Ev = ½ π L Et la relation 23 peut s écrire sous la forme: FRE = ½ F 13 ρ ob (ρ sol +1) (24) II Calcul de FJD sous un ciel uniforme En ce qui concerne la composante directe due au ciel elle définie par la relation suivante : FJD = F 14 (25) où : F 14 = Facteur de forme entre le point de référence P 1 et la partie de l ouverture transmettant le flux lumineux incident du ciel (S 4 ). II Calcul de FJD sous un ciel CIE couvert Dans le cas d un ciel CIE couvert, et pour les points de mesure situés au sol, la composante directe est calculée à l aide de la relation 19. II.13.2 Description du cas-test Figure II.25: Description de la géométrie pour le cas-test avec masque vertical La géométrie utilisée est une pièce rectangulaire de dimensions 4m x 4m x 3m, avec une ouverture centrée en façade de 2m x 1m de dimensions et à 1m du sol. L épaisseur de l ouverture n est pas prise en considération, et il n y a pas de matériau vitré. Le masque extérieur est vertical d une longueur infinie, à 6m de la façade et d une hauteur variable de 3m, 6m ou 9m. La luminance du masque extérieur est supposée uniforme. 6 86

87 Chapitre II II.13.3 Solution de référence La position des points de mesures est décrite dans la figure II.23. Les valeurs de référence en FRE sont calculées à partir de la référence analytique simplifiée décrite en II Les valeur de FJD sont calculées à l aide de skylux en prenant en considération la portion de la fenêtre S4 à partir de laquelle chaque point de référence aperçoit le ciel. L ensemble des résultats pour les 16 types de ciel et les 3 configurations de masque sont présentées dans les tableaux B24, B25 et B26 de l annexe B. II.14 Autres propositions de cas-test analytiques Nous proposons de compléter la série de cas-tests analytiques présentés ci-dessus avec des scénarios liés aux aspects suivants : II.14.1 La conservation du flux des sources artificielles Le test de la conservation des flux à travers une ouverture, traité dans II.3, peut être appliqué aux sources artificielles à travers les scénarios proposés avec sources ponctuelles ou surfaciques (II.1 et II.2). II.14.2 Les taches solaires Pour valider la capacité d un logiciel à calculer les taches solaires, nous proposons de développer un cas-test basé sur le scénario suivant : Une pièce carrée est éclairée par le soleil à travers une ouverture rectangulaire en façade et suivant une direction donnée. La solution de référence est définie par la forme géométrique de la tache solaire sur les parois intérieures de la pièce. Cette forme est le résultat de la projection parallèle de l ouverture sur les parois dans la direction du soleil. Pour faciliter la comparaison d une solution simulée à cette référence, la description du scénario peut se faire de façon à diviser la paroi en deux surfaces : l une correspond à la tache solaire, et l autre à la partie restante de la paroi. La vérification des solutions simulées peut se faire à partir des valeurs statistiques de l éclairement direct reçu sur les deux parties de la paroi. En effet, l éclairement direct sur la surface correspondant à la tache solaire doit avoir un éclairement égal à l éclairement direct théorique (avec une tolérance liée à l effet de réfraction de la lumière sur les bords de l ouverture). L éclairement direct sur l autre partie de la paroi (hors projection géométrique de la tache) doit être égal à zéro (avec une tolérance liée à la réfraction). II.14.3 La réflexion spéculaire Pour valider la capacité d un logiciel à traiter les réflexions spéculaires, nous proposons de développer un cas-test basé sur le scénario suivant : Une surface horizontale 100% spéculaire reçoit le rayonnement solaire avec un angle d incidence donné. Le flux lumineux reçu est réfléchi dans la direction d une surface verticale (protégée du rayonnement direct). La solution de référence est définie par la géométrie de la tache réfléchie sur la surface verticale. La vérification des résultats d une simulation peut se faire de la même façon que pour le cas-test des taches solaires (II.14.2). 87

88 Chapitre II II.14.4 La transmission à travers un vitrage 100% diffusant Pour valider la capacité d un logiciel à simuler un vitrage parfaitement diffusant, nous pouvons utiliser un cas-test théorique où la solution de référence est calculée par les formules de facteur de forme. II.14.5 La transmission à travers des matériaux bidirectionnels Pour valider la capacité d un logiciel à traiter les fonctions de transmission bi-directionnelles des matériaux (BTDF), nous proposons de développer un cas-test basé sur le scénario suivant : Une pièce carrée reçoit le rayonnement solaire (avec un angle d incidence donné) à travers une ouverture rectangulaire munie d un vitrage à aspect diffusant et décrit par une fonction BTDF théorique. La solution de référence est calculée par une approche d élément fini (Skylux). En effet, nous pouvons utiliser la fonction BTDF théorique (associée au rayonnement solaire) pour calculer la luminance moyenne d une maille de l ouverture perçue par un point de référence donné. Nous pouvons ainsi calculer la contribution de chaque maille à l éclairement direct de ce point. II.14.6 La réflexion sur des matériaux bidirectionnels Pour valider la capacité d un logiciel à traiter les fonctions de réflexion bi-directionnelles des matériaux (BRDF), nous proposons de développer un cas-test basé sur le scénario suivant : Une surface opaque horizontale avec un aspect satiné décrit par une fonction BRDF théorique reçoit le rayonnement solaire avec un angle d incidence donné. Une partie du flux lumineux réfléchi est reçue par une surface verticale (protégée du rayonnement direct). La solution de référence est calculée de la même façon que pour le cas-test II Le scénario peut également être défini avec une surface opaque de très petite dimension par rapport à la surface réceptrice (distance >> 5 la taille de l échantillon). La solution de référence est alors calculée comme pour une source ponctuelle ayant une distribution d intensités équivalente à la fonction BRDF associée au rayonnement solaire. II.14.7 Calcul spectral Pour valider la capacité d un logiciel à simuler l aspect spectral de la propagation de la lumière, nous proposons deux cas-tests basés sur les scénarios suivants : II Scénario A Une source lumineuse caractérisée par un spectre donné (continu, théorique ou non) éclaire d une façon homogène une surface de Lambert caractérisée par son absorption spectrale (palette de couleurs standards de la CIE). La solution de référence est alors la couleur apparente de la surface horizontale (caractérisée par le spectre résultant de la lumière réfléchie). II Scénario B Une source lumineuse caractérisée par un spectre discontinu éclaire d une façon homogène une surface de Lambert ayant une absorption sélective inverse à la source (spectre discontinu inverse). 88

89 Chapitre II Une partie de la lumière réfléchie par cette surface est reçue sur une surface verticale spectralement neutre. La valeur de référence est un éclairement = 0 sur la surface verticale et/ou une luminance = 0 de la surface horizontale. Nous notons que les scénarios A et B peuvent être appliqués à des logiciels utilisant une représentation à 3 composantes de la couleur (RGB, XYZ, etc.), cependant il faut prendre en considération les réserves mentionnées dans I.1.5. II.14.8 Calcul de l éclairement extérieur Pour valider la capacité d un logiciel à calculer l éclairement extérieur sous différents types de ciels, nous proposons d adapter les cas-tests liés au sujet et présentés dans [Maamari, 2000], aux différents types du ciel CIE général. Ces cas-tests définissent alors des solutions de référence en éclairement direct calculées en fonction du type de ciel utilisé, d une valeur donnée de Lz, de la position du soleil et de l orientation des surfaces réceptrices. Nous pouvons utiliser en particulier la variation de l éclairement horizontal et vertical (pour différentes orientations) et le rapport entre les deux [Love, 1990]. II.14.9 Variation horaire et saisonnière de l éclairement extérieur Pour valider la capacité d un logiciel à prendre en considération les références existantes sur la variation horaire et saisonnière de l éclairement extérieur [IESNA, 1984] nous proposons d utiliser le cas-test correspondant décrit dans [Maamari, 2000]. II La fuite de lumière Pour traiter le problème de fuite de lumière dû aux techniques d interpolation, nous proposons un cas-test basé sur le scénario suivant : Un soleil éclaire une boîte carrée vide (4 coté verticaux et coté supérieur) positionnée sur une surface horizontale plus grande. La valeur de référence est un éclairement nul en dessous de la boîte, et une absence de faux ombre sur la surface horizontale du coté extérieur de la boîte. Conclusions Les cas-tests proposés dans ce chapitre couvrent un domaine assez large de la propagation de la lumière. Ils peuvent être utilisés pour tester un logiciel donné ou pour comparer un nombre de logiciels, par rapport à un aspect donné de la propagation de la lumière ou par rapport aux différents aspects traités. Dans une perspective de certification des logiciels selon leurs domaines d application, les castests proposés peuvent être classés selon les critères suivants : lumière naturelle / artificielle, éclairement direct / indirect, transmission directionnelle / bi-directionnelle, réflexion diffuse / spéculaire / bi-directionnelle, aspect spectral / non. Selon les exigences propres à un domaine d utilisation donné, on s intéresse à la précision du logiciel avec les cas-tests d une ou de plusieurs des catégories ci-dessus. Par exemple, pour la simulation de scénarios classiques d éclairage artificiel, on s intéresse plutôt aux cas-tests liés à la lumière artificielle, à l éclairement direct et aux réflexions diffuses. Le tableau II.11 présente le classement des cas-tests proposés avec référence analytique par rapport aux critères listés ci-dessus. 89

90 Chapitre II Référence Thème Art Nat Direct Ind. BRDF BTDF Spectr II.3 Conservation des flux à travers les ouvertures x x x II.8 FJD, ouverture en toiture, sans vitrage x x II.9 FJD, ouverture en toiture, vitrage clair x x x* II.10 FJD+FRE, sol extérieur sans obstruction, ouverture en façade, sans vitrage x x II.11 FJD+FRE, sol extérieur sans obstruction, ouverture en façade, vitrage clair x x x* II.12 FJD+FRE, sol extérieur + obstruction horizontale continue, ouverture en façade, sans x x vitrage II.13 FJD+FRE, sol extérieur + obstruction verticale continue, ouverture en façade, sans vitrage x x x* II.14.2 Taches solaires x x II.14.3 Réflexions spéculaires x x x II.14.5 Transmission bidirectionnelles x x II.14.6 Réflexion bidirectionnelles x x x II.14.7 Calcul spectral x x x x x II Calcul de l éclairement extérieur x x II Fuite de lumière x x x x Tableau II.11: Classement des cas-test proposés avec référence analytique (* : transmission directionnelle du vitrage) Cependant, il est important dans l esprit de la méthodologie de validation proposée, de compléter ce travail par des scénarios plus réalistes et traitant d autres aspects de la propagation de la lumière. Mais pour lesquels il est difficile de définir une référence analytique. D où le besoin de créer et d utiliser des références expérimentales, un sujet que nous traitons dans le chapitre suivant. Références bibliographiques CIE. Spatial distribution of daylight - CIE standard general sky. Vienne: Commission Internationale de l'eclairage, 2002, 7 p. HOPKINSON R. G., PETHERBRIDGE, P., LONGMORE, J. Daylighting. William Heinneman Ltd. London., IESNA. Calculation of daylight availability. IES-RP-21. New York: IIlluminating engineering Society of North America, 1984, 9 p. LOVE J. A. The vertical-to-horizontal illuminance ratio: Development of a new indicator of daylighting performance. Michigan: University of Michigan, MAAMARI F. Protocoles de tests de logiciels de simulation d éclairage. DEA en Génie Civil. Vaulx en Velin - Lyon: ENTPE, 2000, 47 p. MITILAS G. P., ARSENEAULT, J.G. Fortran IV program to calculate absorption and transmission of thermal radiation by single and double glazed windows. Ottawa: National Research Council, TREGENZA P. Daylighting algorithms. ETSU S UK Department of Trade and Industry on behalf of the Energy Technology Support Unit, 1993, 43 p. TREGENZA P. R. Subdivision of the Sky Hemisphere for Luminance Measurements. Lighting Research & Technology, 1987, vol. 1, n 19, pp

91 Chapitre III Chapitre III Cas-tests avec références expérimentales Résumé Il est légitime de vouloir comparer des résultats de simulation à des valeurs de référence mesurées lors d expérimentations, mais cette tâche n est pas sans difficultés. Nous nous intéressons dans ce chapitre à l identification des limites et des potentiels de ce type de références. Ainsi nous commençons par identifier les sources d erreurs liées aux références expérimentales puis nous cherchons à définir un cahier de charges à respecter pour minimiser les incertitudes liées aux scénarios expérimentaux et à leurs simulations. Ce cahier des charges traite à la fois du choix des scénarios, de leur description, ainsi que des précautions liées aux protocoles. Ensuite nous nous intéressons à l un des obstacles majeurs à la création de références expérimentales fiables en éclairage naturel qui est la description des champs de luminances réels. Nous proposons dans ce cadre l utilisation des photos numériques étalonnées en luminances avec un champ de vision de 180 degrés pour une description précise du champ de luminances externe à l ouverture. Nous validons cette méthode à travers une série de mesures d éclairement à l intérieur d une maquette à échelle réduite que nous comparons à des simulations numériques exploitant les mêmes données de luminance. Comme exemple d application de ce concept, nous présentons des cas-tests basés sur des mesures expérimentales que nous avons réalisées avec des scénarios simples, et où nous utilisons des cartes de luminances réelles. Nous présentons également une analyse critique d un cas-test expérimental fiable en lumière artificielle. Ce cas-test a été défini en se basant sur des travaux expérimentaux réalisés par le CIBSE en Grande Bretagne. Le choix du scénario et le protocole conduit sont d un rigoureux exemplaire. Cependant, et malgré toutes les précautions prises, l estimation des erreurs potentielles restantes dépasse la marge de +/- 10% pour les éclairements ponctuels. A la fin de ce chapitre, nous concluons sur les limites de la validation par expérimentation des logiciels physiques et sur les moyens d amélioration de la fiabilité des références expérimentales. Nous avons également tracé quelques perspectives pour la création de castests expérimentaux fiables et utiles à la validation des logiciels de simulation de l éclairage. 91

92 Chapitre III 92

93 Chapitre III Table de matières 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) 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 135 III Analyse des erreurs de saturation du scénario dynamique avec ouverture en toiture.136 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

94 Chapitre III 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) III.5.5 Les cartes de luminances III.5.6 Les scénarios de la tâche 21 de l IEA Conclusions Références bibliographiques

95 Chapitre III Introduction Dans la suite du chapitre II de ce travail, et toujours dans le cadre de la méthodologie de validation des logiciels de simulation de l éclairage identifiée à la fin du chapitre I, il paraît nécessaire d aller au-delà des cas-tests à référence analytique afin de mieux couvrir tous les aspects de la propagation de la lumière. D où l intérêt de l utilisation des références expérimentales. Cependant, l utilisation de ce type de références pour la validation n est pas sans problèmes et nécessite énormément de précautions. En effet le problème majeur de l utilisation des mesures expérimentales en tant que références de validations vient des incertitudes liées à la description des scénarios. Ceci inclut en particulier la mesure des données photométriques des surfaces et leur prise en considération dans la simulation numérique. Ainsi nous trouvons des incertitudes inévitables liées à la définition du facteur de réflexion et de son homogénéité, à la mesure des réflexions bidirectionnelles des matériaux et à la possibilité de leur simulation, à la mesure des valeurs d éclairement sur les points de mesure, etc. A noter également l importance des incertitudes liées à la description des sources lumineuses. Pour les scénarios de lumière artificielle, la description de la source se fait à travers des mesures goniophotométriques, et nécessite des expérimentations à échelle réelle. Ainsi une première source d erreurs dans ce genre de scénarios vient de la différence entre les mesures goniophotométriques et le comportement réel des luminaires après installation (Etat des matériaux, position exacte, source électrique, etc.). [CIE, 1996] Pour les scénarios de lumière naturelle, les expérimentations peuvent se dérouler dans des cellules de test ou bien dans des maquettes à échelle réduite souvent placées sous des ciels artificiels. La description de la source de lumière porte surtout sur le champ de luminances externes à l ouverture. Cependant, on se contente souvent de décrire ce champ de luminances à travers des modèles de ciel standards et une simplification de l environnement urbain par des surfaces de luminance uniforme et supposées dans un champ lointain. Ce qui introduit des sources d erreurs importantes. [Mardaljevic, 2002] [Mardaljevic, 2002] Le cumul de toutes ces erreurs risque de conduire à des travaux de validation peu concluants à cause d une marge d incertitude trop importante et difficilement quantifiable. L utilité d un travail de validation peut également être affectée par l interaction entre différentes sources d erreurs dans des scénarios à multiples paramètres où l identification des points de faiblesse d un logiciel devient presque impossible. [Maamari, 2002] En prenant en compte tous les points évoqués ci-dessus ainsi que les coûts élevés d un travail expérimental, il est indispensable d être prudent lors de la création et/ou la sélection de références expérimentales destinées à la validation des logiciels. La première partie de ce chapitre sert à définir un cahier de charges à respecter pour minimiser les incertitudes d une référence expérimentale. Dans la deuxième partie nous proposons quelques exemples de références fiables répondant à ce cahier de charges. 95

96 Chapitre III III.1 Définition d un cahier de charges pour optimiser la fiabilité des références expérimentales Dans l objectif de mieux garantir la fiabilité des références expérimentales dans la validation des logiciels, nous proposons une série de recommandations à respecter lors de la conduction de mesures expérimentales. Le respect de ces précautions est important puisqu il permet de minimiser les sources d erreurs et les incertitudes dans les données obtenues, et ainsi d améliorer leur utilité et leur fiabilité. Les recommandations proposées traitent du choix de scénarios adaptés à des travaux de validation dans l esprit de la méthodologie proposée (configuration simple, mise en valeur d un aspect particulier de la propagation de lumière, etc.), de la description de ces scénarios, de l estimation des erreurs potentielles et de la présentation des données de référence. Ces recommandations sont issues en grande partie des références suivantes : [IESNA, 1993] [CIE, 1996] [Slater, 2002] [Maamari, 2003] III.1.1 Recommandations pour le choix et la description des scénarios Le choix préalable et réfléchi des scénarios destinés à la création de références expérimentales est d une grande importance puisqu il permet d éviter certaines sources d erreurs liées à la configuration choisie. Les recommandations ci-dessous sur le choix des scénarios sont en relation avec la géométrie, les matériaux choisis, les sources de lumière, ainsi que les points de mesure. Ces recommandations ont pour objectifs de limiter les paramètres qui entrent en jeu dans un scénario ainsi que les erreurs liées à ces paramètres. Elles sont proposées sous forme de choix à appliquer de préférence et selon les objectifs à atteindre, et en particulier selon l aspect de la propagation de lumière à mettre en valeur. Ainsi les cas-tests avec une configuration simple sont à privilégier avant de passer, si nécessaire, à des degrés de complexité plus élevés où il devient plus difficile d identifier les sources d erreurs introduisant les différences entre la simulation et les mesures de référence [Maamari, 2002]. La description d un scénario est de la même importance que son choix car elle permet aux éventuels testeurs de le reprendre avec fidélité dans un logiciel de simulation. Ainsi une description complète et détaillée doit être faite et donnée pour tous les éléments et les paramètres du scénario. Cependant, il est important de préciser la marge de précision dans les valeurs attribuées à chacun de ces paramètres, et si possible l influence de cette marge sur les résultats de la simulation. Nous avons inclus dans les recommandations ci-dessous des conseils pour une meilleure description des différents éléments d un scénario. III Recommandations liées à la Géométrie - Utiliser des configurations géométriques simples (pièce rectangulaire, sans obstruction interne). - Pour des scénarios de lumière naturelle, utiliser une seule ouverture par test. - Si nécessaire, introduire une étude de sensibilité sur l influence d un certain paramètre à mettre en valeur, i.e. la dimension ou l épaisseur des ouvertures. - Les dimensions sont à mesurer avec une tolérance inférieure à 0.2%. - Inclure une description détaillée et complète de la géométrie testée afin de garantir sa reproduction fidèle dans la simulation. Ceci comprend entre autres la position et l épaisseur des ouvertures, la position des luminaires etc. - Il est préférable de fournir un fichier DAO de cette géométrie. 96

97 Chapitre III III Recommandations liées aux matériaux - Utiliser de préférence des surfaces de couleur noire (facteur de réflexion <5%) pour limiter le scénario à l aspect direct de la propagation de la lumière et pour éviter l erreur liée à l aspect indirect à travers les inter-réflexions internes. - Si nécessaire, introduire une étude de sensibilité sur l influence du facteur de réflexion des surfaces internes. Il est alors conseillé d inclure un test avec des surfaces noires afin de séparer l erreur du calcul direct de celle du calcul des inter-réflexions. - Utiliser de préférence les couleurs spectralement neutres pour éviter les erreurs liées à l absorption sélective des surfaces en particulier lors de l utilisation de surfaces avec un facteur de réflexion > 5%. - Utiliser de préférence des matériaux avec un type de réflexion diffus puisque la majorité des logiciels existants ne sont pas capable de prendre en considération les réflexions bidirectionnelles. - La photométrie des matériaux utilisés doit être mesurée avec un maximum de précision et incluse dans la description du scénario. - Le facteur de réflexion est à mesurer à l aide d une sphère intégratrice ou bien à l aide d un échantillon standard. La précision de ces mesures doit être estimée et notée. [CIE, 1998] - Lorsque les surfaces utilisées sont supposées avoir une réflexion diffuse, cette hypothèse doit être justifiée à travers des mesures goniophotométriques sur un échantillon du matériau utilisé. La variation des luminances de l échantillon (exposé à une source de lumière), mesurées sous un angle d incidence variant de 90 + à ne doit pas dépasser les 10%. - Il est également conseillé de réaliser des mesures goniophotométriques complètes afin de caractériser la bidirectionalité de la réflexion du matériau (BRDF), et ceci afin de permettre aux logiciels capables de la prendre en compte de réduire leurs erreurs de simulation. - Si nécessaire, effectuer des mesures spectrales sur le matériau utilisé (en particulier s il n est pas spectralement neutre) afin de tester la capacité d un logiciel à simuler l aspect spectral de la propagation de la lumière. III Recommandations liées aux sources de lumière (naturelles et artificielles) - Pour un scénario avec lumière artificielle, utiliser de préférence un nombre réduit de luminaires. - La distance entre les points de mesure et les luminaires doit respecter la loi des 5, afin de réduire les erreurs liées au champ proche. - Le choix des luminaires doit prendre en considération l objectif du scénario expérimental. Par exemple, si l objectif est de tester le calcul de l éclairement direct sous un luminaire de petites dimensions, il est alors préférable d éviter les photométries à grande directionnalité afin d éviter les erreurs liées à la précision de l orientation du luminaire. - En général, il est préférable d éviter les luminaires munis d optiques avec des surfaces hautement spéculaires car leur performance est trop sensible à la position exacte de la lampe dans le luminaire. Ce genre de luminaire peut alors présenter des différences de performance très importantes entre les mesures au laboratoire et celles de l installation. - La photométrie doit être mesurée séparément pour chaque luminaire utilisé. Pour minimiser les erreurs d interpolation, les pas de mesures goniophotométriques doivent être choisis selon la particularité du luminaire testé. En général, les angles verticaux 97

98 Chapitre III doivent être mesurés avec un pas variant de 1 à 5 et les angles horizontaux avec un pas de 5 à 15. Une meilleure précision peut être nécessaire dans le cas d une variation rapide des intensités mesurées. Aucune symétrie ne doit être supposée dans la photométrie mesurée pour éviter les erreurs correspondantes. Les mesures de photométrie doivent être réalisées dans des laboratoires certifiés, et si possible dans des conditions qui s approchent des conditions expérimentales après l installation (puissance électrique, température, etc.). - Fournir les mesures photométriques du luminaire sous forme de fichier électronique dans l un ou plusieurs des formats standardisés (IES, TM-14, EULUMDAT, LTL-I, CIE ). - La position et l orientation de chaque luminaire doivent être clairement identifiées de façon à bien positionner les photométries correspondantes dans la simulation. Une illustration DAO pourra être fournie pour cette information. - Dans le cas où le fichier photométrique décrit des intensités relatives par rapport à un flux de référence (une valeur de 1000 lm est généralement utilisée), il faut donner également la valeur absolue du flux à associer au luminaire dans la simulation. - Pour un scénario avec lumière naturelle, s assurer qu il existe un rapport d échelle suffisamment important entre la pièce testée (ou maquette) et le champ des luminances externes (ciel extérieur + environnement urbain ou ciel artificiel), et ceci afin d éviter les erreurs liées au champ proche. - Pour un scénario réel, éviter les champs de luminances trop complexes (végétation, contrastes importants, etc.) à moins qu il soit possible de créer une carte de luminances précise de ce champ, en même temps que les mesures d éclairement à l intérieur de la pièce/maquette. - Il est important de pouvoir décrire avec précision le champ de luminances externe en même temps que les mesures, aussi bien pour un ciel artificiel que pour un ciel réel. III Recommandations liées aux points de mesure - La sélection des points de mesure doit se faire selon les objectifs. Leur disposition doit servir à mettre en valeur l aspect qu on cherche à tester dans un scénario. Par exemple, un axe de mesure perpendiculaire à une ouverture en façade permettrait de vérifier l entrée de la lumière en profondeur dans la pièce, et si besoin de vérifier l influence d un matériau vitré. - Pour des mesures d éclairement, éviter les points de mesure exposés avec un angle rasant à la source principale de lumière (i.e. luminaire ou fenêtre) afin d éviter les erreurs liées à la correction de cosinus des capteurs. - Eviter de positionner les points de mesure près des lignes d ombre où une faible variation dans la position du capteur peut entraîner un changement important des éclairements reçus. - Eviter de prendre des mesures de référence dans des zones ou des scénarios à faible niveau d éclairements, et dans tous les cas respecter le domaine d application (marge mesurable) des capteurs. - Si possible, prendre suffisamment de points de mesure afin de pouvoir calculer l éclairement moyen. Un maillage régulier doit être utilisé dans ce cas. - Garantir une répétitivité précise des points de mesure. - La position des capteurs doit être mesurée et décrite en détail et avec une tolérance inférieure à 0.2% y compris par la hauteur de la surface supérieure des capteurs. - Pour des mesures de luminance, il est préférable d utiliser un luminance-mètre, avec une description précise de la position et de l angle d ouverture utilisés. Si possible, utiliser un luminance-mètre avec un champ de vision hémisphérique et continu. 98

99 Chapitre III - En cas d utilisation d un luminance-mètre, éviter les zones exposées à des réflexions spéculaires non contrôlées. Il est important de décrire avec précision la position du luminance-mètre ainsi que le point mesuré en particulier si l aspect spéculaire des matériaux fait partie des cibles du scénario. III.1.2 Précautions liées au protocole expérimental La rigueur dans la définition et l application d un protocole expérimental joue un rôle primordial sur la limitation des marges d erreurs dans les mesures de référence. Nous listons ci-dessous les importantes règles à respecter dans une expérimentation, en particulier si elle est dédiée à la validation des logiciels. [Slater, 2002] III Précautions générales - Tous les capteurs de mesure doivent être calibrés par leur constructeur. Cette calibration ne doit pas dater de plus de 6 mois avant la date des mesures. [CIE, 1987] - L erreur absolue des capteurs donnée par le constructeur doit être notée ainsi que la gamme des éclairements à laquelle cette erreur est appliquée. - Si une série de capteurs est utilisée, il est conseillé de comparer chacun de ces capteurs à un capteur de référence. La variation sera alors notée en %, et un facteur de correction sera appliqué aux mesures de chaque capteur afin d avoir une référence unique de calibration. - Il est conseillé de pouvoir prendre plusieurs mesures avec différents capteurs pour une seule valeur de référence. - Il est important de maintenir l état des matériaux dans des conditions proches de celles des mesures photométriques (propreté, facteur de réflexion, aspect mat de la peinture, etc.). Si une variation considérable est observée, il est conseillé de rafraîchir la peinture et/ou de mesurer à nouveau le facteur de réflexion. III Précautions liées aux scénarios de lumière artificielle - Pour les scénarios de lumière artificielle, il est conseillé d utiliser une alimentation électrique stabilisée et de maintenir un voltage égal à celui utilisé lors des mesures de laboratoire. - La variation du flux sortant des luminaires doit être observée pendant la période de mesures, en particulier en cas d absence de régulateur. Un capteur doit alors être utilisé en une position fixe dans la pièce pendant toute la durée du test, et une mesure sera enregistrée en parallèle à chaque mesure de référence dans un même scénario. La position de ce capteur ne doit pas être affectée par le déplacement des autres capteurs et ne doit pas créer un masque sur ceux-ci non plus. - Le transport et l installation des luminaires doivent se faire avec soin afin d éviter un changement de performance par rapport aux mesures de laboratoire. Deux aspects sont à observer en particulier : la position de la lampe et la propreté des surfaces de l optique. - Avant de prendre les mesures de référence, les luminaires doivent être préchauffés jusqu à la stabilisation de leur flux. Ceci peut être vérifié lorsque la variation des éclairements en dessous du luminaire est inférieure à 2% (voire à 1%) dans un intervalle de temps de 10 minutes. - La température de la pièce doit être contrôlée pour être égale à celle utilisée pendant les mesures de laboratoire. La température standard est en général de 20 à 25 C. Si la température pendant la période de test est différente de celle des mesures de 99

100 Chapitre III laboratoire, les variations de performance des luminaires doivent être prises en considération. - Les lampes et les ballasts doivent être vieillis pour une durée correspondante au type de lampes utilisé. En général, cette durée est de 0.5 à 1% de la durée de vie de la lampe. [IESNA, 1998] [IESNA, 1998] [IESNA, 1999] [IESNA, 2000] [Ashdown, 2001] III Précautions liées aux scénarios de lumière naturelle - Pour un scénario de lumière naturelle, il est important d observer la variation du champ de luminances externe à l ouverture. Celui-ci peut en effet changer brusquement, en particulier dans le cas d un ciel réel, et fausser la description du scénario en relation avec les mesures de référence. - Il est préférable de pouvoir prendre les mesures de référence en parallèle à la mesure du champ de luminances externe à l ouverture. Cette dernière peut être faite à l aide d un scanner de ciel ou d un photo-luminance-mètre avec un angle d ouverture de 180. Cette précaution est également valable dans le cas d un ciel artificiel où la répartition supposée des luminances correspond rarement à la réalité. - Il est important de vérifier que le champ des luminances se trouve dans un champ éloigné de la géométrie testée. Ceci peut être vérifié à travers la variation des éclairements extérieurs reçus sur la surface de l ouverture. Cette variation doit être inférieure à 5% pour limiter les erreurs liées à un champ de luminances proche. - Si le champ de luminances se trouve dans un champ proche (variation de l éclairement sur la surface de l ouverture > 5%), il est alors conseillé de prendre des mesures du champ de luminances à partir d un maillage adapté de la surface d ouverture. - Lors de l utilisation de matériaux vitrés, prendre des mesures avec et sans ces matériaux afin de séparer l erreur liée à la transmission directionnelle du vitrage de celle du calcul de la composante directe et de la composante réfléchie externe. III.1.3 Recommandations liées à l estimation des erreurs Quelle que soit la précision du protocole expérimental, il existe toujours un nombre de sources d erreurs potentielles dans les valeurs physiques collectées. Ces erreurs peuvent en général être classées dans deux catégories : - les "erreurs objectives" : erreurs dues aux limites des instruments de mesure, - les "erreurs subjectives" : erreurs liées au protocole expérimental. Certaines de ces erreurs sont liées directement à la précision de la valeur mesurée, d autres n apparaissent qu à travers la simulation, elles sont généralement liées aux imprécisions dans la description du scénario. Nous présentons ci-dessous une liste des erreurs potentielles dans une mesure expérimentale avec (quand c est possible) une méthode d estimation quantitative (supposant une bonne fiabilité du protocole expérimental). Lors de la description d un scénario expérimental en tant que cas-test de validation, il est important de pouvoir chiffrer ces erreurs en (+/-) % par rapport aux mesures de référence. L erreur totale dans les valeurs de mesure peut être calculée par la formule suivante [Slater, 2001] : Er M( ouer G) = 2 i( erreur(i) ) (26) où : 100

101 Chapitre III Er-M = Estimation de l erreur totale liée aux mesures Er-G = Estimation de l erreur globale y compris les erreurs liées à la simulation i = nombre des sources d erreurs III Les sources d erreurs objectives Les erreurs objectives suivantes sont liées à la valeur de référence mesurée : - La précision du capteur : elle est estimée suite à la calibration. Elle doit être de préférence inférieure à 3%. - La correction de cosinus du capteur : elle est chiffrée par le constructeur. En général, l erreur correspondante est inférieure à 3% pour une mesure ponctuelle et à 1% pour une mesure d éclairement moyen. Cependant, cette erreur devient considérable lorsque la majorité du flux incident arrive avec un angle d incidence supérieur à La sensitivité spectrale du capteur (sa corrélation avec la courbe de réponse spectrale de l œil humain). Elle est donnée par le constructeur et l erreur correspondante dépend de la source de lumière. Cette erreur est en général de l ordre de 1%. - La variation du flux lumineux (des luminaires) due à une variation de la température ou bien à une fluctuation du courant électrique. Cette erreur peut être évitée en suivant les recommandations correspondantes décrites dans III Si la variation du flux n a pu être observée tout au long des mesures, elle doit être estimée à partir de l observation de la variation des températures et du courant électrique. Les erreurs objectives ci-dessous sont liées à la simulation : - Le champ proche, qu il s agisse d un scénario de lumière artificielle ou de lumière naturelle, la prise en considération de la photométrie de la source suppose souvent une situation de champ lointain. Cette hypothèse peut entraîner des erreurs en particulier dans le cas de luminaires de grandes dimensions ou bien dans le cas de ciels artificiels ou de masques proches [Mardaljevic, 2002]. - Les mesures photométriques des luminaires : une différence inévitable existe toujours entre les mesures de laboratoire d une part et le flux et la distribution réels du luminaire d autre part. L erreur liée à la différence de flux peut dépasser les 5%. L erreur liée à la distribution a une influence minime (<1%) sur un éclairement moyen, mais peut dépasser les 5% pour une mesure d éclairement ponctuelle. - Les interpolations des intensités mesurées dans la simulation : l erreur correspondante dépend de l algorithme d interpolation utilisé par le logiciel ainsi que du pas de mesure de la distribution photométrique et de la régularité de cette distribution. - Le facteur de réflexion des surfaces : l erreur de précision de cette valeur dépend de la méthode et des instruments de sa mesure. Son influence sur les résultats de la simulation peut être analysée à partir de la formule suivante : Em ρ = (1 ρ) (1 ( ρ+ ρ)) S F0 T où: Em = Erreur en E indirect moyen liée à l imprécision du ρ mesuré ρ = Erreur de mesure de la valeur de ρ = (ρ mesuré -ρ réel ) F O = Flux entrant dans la pièce = Aire totale des surfaces intérieures S T (27) 101

102 Chapitre III Pour une géométrie donnée, l erreur résultante en éclairement global est donc proportionnelle au flux lumineux entrant et inversement proportionnelle à l exposition directe du point de mesure à la source. - L homogénéité du facteur de réflexion des surfaces : elle peut être estimée à travers une série de mesures (de facteur de réflexion) à travers différentes zones d une surface. La variation éventuelle de la réflexion entraîne une erreur additionnelle calculée de la même façon que ci-dessus. - La réflexion bidirectionnelle des surfaces : l erreur correspondante est liée à l hypothèse qu une surface est un diffuseur idéal alors qu il existe toujours une certaine directionnalité dans la réflexion des surfaces même quand elles sont mats. Plus cette directionnalité est marquée, plus l erreur liée est importante et difficilement quantifiable. En général cette erreur augmente avec le facteur de réflexion de la géométrie interne et avec le pourcentage de la composante réfléchie interne reçu par le point de mesure. Elle augmente également avec la proximité des surfaces adjacentes et avec le risque de recevoir des réflexions spéculaires incontrôlées. III Les sources d erreurs subjectives Les erreurs subjectives suivantes sont liées à la valeur de référence mesurée : - L influence des instruments de mesures (effet de masque) : cette erreur peut intervenir lorsqu on ne prend pas en considération l influence de la présence des instruments de mesures sur la propagation de la lumière dans la pièce et donc sur l éclairement reçu par les capteurs. Cette influence peut être estimée en prenant deux mesures différentes par un seul point avant et après l installation du dispositif complet dans la pièce. - La précision de la position et l orientation du point de mesure : l erreur peut être estimée à travers une série de mesures répétitives en un point donné tout en stabilisant les autres paramètres du scénario. Cette erreur peut varier d un point à l autre selon l exposition aux sources de lumière et peut aller jusqu à 3%. Cependant elle est négligeable pour l éclairement moyen sur une surface. Les erreurs subjectives suivantes sont liées à la simulation : - La précision des dimensions : l influence d une tolérance donnée dans les mesures de dimensions de la pièce peut être estimée à travers une étude paramétrique dans le logiciel de simulation en variant les dimensions de la pièce et la position des luminaires d une valeur égale à la tolérance estimée. Cette erreur est souvent inférieure à 1%. - La précision de la position du luminaire : comme pour la position des capteurs, l erreur correspondante dépend de la photométrie du luminaire et de l exposition du point mesure. III.1.4 Recommandations liées à la présentation des mesures La présentation des données de référence doit se faire avec un maximum de clarté et doit permettre une comparaison facile avec les résultats de simulation. Ci dessous quelques recommandations qui permettront de mieux atteindre cet objectif. - Les points de mesure doivent être définis avec précision dans la description du scénario. Il est préférable d y joindre un fichier DAO pour illustrer leur position dans la géométrie. - Un résumé de l analyse des erreurs doit être présenté et doit inclure la liste et l estimation des erreurs potentielles. Le total des erreurs potentielles doit être donné 102

103 Chapitre III pour les erreurs liées directement à la valeur de référence avec ou sans les erreurs liées à la simulation. - Si besoin, il est possible de donner une estimation de ces erreurs calculée séparément pour différents points ou types de mesure. Cela pourrait être justifié dans le cas où certains points de mesure seraient moins exposés à certaines sources d erreurs que d autres points. Par exemple, pour un point de mesure horizontal avec une ouverture en façade, l erreur liée à la correction du cosinus est généralement plus importante en s éloignant de la fenêtre. De même l erreur des éclairements moyens mesurés est beaucoup moins importante que pour les éclairements. - Les valeurs de référence doivent être données pour chaque point de mesure. Il est recommandé de les présenter sous forme de marge(s) de valeurs acceptables pour les résultats de la simulation. Ces marges sont égales à la valeur mesurée + ou - l erreur totale estimée avec ou sans les erreurs liées à la simulation. - Ces valeurs peuvent alors être présentées dans des tableaux où il est possible de laisser une ligne pour les valeurs de la simulation (voir tableau III.1). Il est également possible et préférable de joindre une copie numérique des résultats qui permettrait d extraire des graphiques et d offrir une meilleure lisibilité des résultats (voir figure III.1). E (lx) sur les points de mesure A1 A2 A3 A4 limite supérieure globale limite supérieure mesures Simulation limite inférieure mesures limite inférieure globale Tableau III.1: Exemple de présentation des mesures expérimentales Eclairement (lx) A1 A2 A3 A4 limite supérieure globale limite inférieure mesures limite supérieure mesures limite inférieure globale Figure III.1: Exemple de présentation graphique des mesures expérimentales comparées aux résultats d une simulation 103

104 Chapitre III III.2 Description des champs de luminances réels en éclairage naturel La répartition des luminances à l extérieur d un bâtiment, comprenant le ciel, les masques et le sol extérieur, joue un rôle important dans la répartition des éclairements à l intérieur de ce bâtiment. De nos jours, une des limitations principales de la simulation de l éclairage naturelle, est la simulation des champs de luminances réelles souvent très complexes pour être simplifiés par un modèle de ciel ou par un sol extérieur et des masques à luminance uniforme. Il s en suit que les prédictions de l éclairage naturel dans un bâtiment à construire ou à rénover sont très souvent différentes de la réalité. Ce qui compromet (dans le cas de prédictions trop optimistes) les objectifs d économie d énergie et du temps de retour des investissements. Cette limitation influence aussi la possibilité de valider les logiciels en comparant les résultats numériques aux mesures expérimentales (validation empirique), puisqu il est difficile de représenter avec fidélité le champ de luminances réel dans la simulation entraînant ainsi une source d erreurs difficile à quantifier. III.2.1 Introduction Dans une simulation physique en éclairage naturel, la composante directe de l éclairement reçu à l intérieur d une pièce est calculée à l aide des algorithmes de lancer de rayons ou de radiosité combinés à une carte de luminances du ciel. Ces algorithmes de calcul procèdent en général à une intégration des contributions des différentes zones du ciel (selon leur luminance) à l éclairement d un point ou d une zone donnée de la géométrie interne. La carte de luminances du ciel est présentée sous forme d un maillage. La variation des luminances à travers les mailles d un ciel peut être obtenue à travers des modèles de ciel standards qui sont de plus en plus nombreux dans l objectif de mieux s approcher de la réalité. Or dans un contexte de validation nécessitant une comparaison entre des mesures expérimentales et des résultats de simulation, il s avère que les modèles de ciel sont rarement suffisamment proches des champs de luminances réelles lors de la prise des mesures. Ceci est valable pour des scénarios d un ciel réel à cause de la variation rapide des luminances du ciel et de la présence de masques souvent trop complexes pour être présentés par des simples surfaces à luminances uniformes (ce que font la majorité des logiciels). Mais ceci est également vrai dans le cas des ciels artificiels supposés avoir une répartition des luminances équivalente à celle des ciels standards (uniforme et CIE couvert en particulier). En effet, quel que soit le type de ciel artificiel utilisé, il existe toujours une différence entre le champ de luminances du ciel artificiel et le modèle standard correspondant. Pour essayer de remédier à ce problème, certaines études utilisent des mesures de scanner de ciel pour créer des cartes de luminances qui remplacent les modèles de ciel standards dans la simulation [Mardaljevic, 1995]. Or cette méthode est confrontée en particulier aux problèmes suivants : - Les mesures de luminance sont limitées à 145 points de la voûte céleste. Dans certaines conditions de ciels contrastés, il est possible que ces 145 valeurs ne reflètent pas assez fidèlement la répartition complète des luminances réelles. - Le temps nécessaire pour effectuer ces 145 mesures se situe entre une et trois minutes pour la plupart des scanners de ciel de dernière génération. Avec la dynamique du gisement lumineux et les variations rapides que peuvent subir les luminances du ciel, cette marge de temps s avère trop importante et peut entraîner une erreur considérable par rapport aux mesures d éclairement effectuées en parallèle. 104

105 Chapitre III - Ce genre de mesures nécessite des coûts trop élevés et des dispositifs trop lourds pour les travaux de validation. - Dans le cas d une ouverture en façade, la caractérisation du champ de luminances de la voûte céleste n est pas suffisante, puisqu on est toujours confronté au problème de la simplification de l autre partie du champ des luminances (sol extérieur et environnement urbain). - La luminance du soleil ne peut être mesurée, et l appareil doit être programmé pour éviter une mesure dans la direction du soleil (selon la date et l heure de la mesure). La luminance du soleil est alors estimée à partir du rayonnement direct mesuré en même temps que les mesures de luminance. Pour donner une meilleure réponse au problème de la description des champs de luminances réels, nous proposons dans ce qui suit l utilisation des photos numériques calibrées qui permettent d enregistrer une distribution continue des luminances extérieures. III.2.2 Méthodologie proposée pour la description et l utilisation des cartes de luminances réelles III La photo numérique calibrée [Dumortier, 2003] Le recours à la photographie pour produire des cartes de luminances a plus de 25 ans. En 1966, Hopkinson [Hopkinson, 1966] et Nakamura [Nakamura, 1975] avaient proposé des méthodes pour produire des luminances à partir de photos en noir et blanc. Dans le milieu des années 80, les premiers appareils photos à base de capteurs CDD sont apparus. Un capteur CDD (Charge Coupled Device) est un circuit intégré comportant des cellules photosensibles. Chaque cellule produit une quantité d électricité proportionnelle à la quantité de lumière qu elle reçoit. L électricité produite par chaque cellule est amplifiée et utilisée pour produire un signal vidéo ou une image numérique. Les méthodes basées sur des appareils photos équipés de capteur CCD améliorent la précision des méthodes basées sur les pellicules classiques. Elles permettent d éliminer les imprécisions souvent aléatoires, entraînées par le traitement chimique utilisé pour développer les photographies. De 1985 à 1995, plus d une vingtaine de "vidéo luminance mètres" basés sur des capteurs CCD ont été développés dans le monde [Berruto, 1995]. Depuis 1992, le laboratoire des sciences de l habitat de l ENTPE s est intéressé à tester le potentiel des capteurs CCDs dans le domaine de mesure des cartes de luminances. Les résultats de ces tests [Berruto, 1995] ont montré qu il était possible d atteindre une précision de 10% avec les meilleurs appareils de l époque. Cela était possible uniquement avec des capteurs CCD ayant une réponse qui ne dépend que de la vitesse de la prise de vue et de l ouverture du diaphragme (sans aucune correction automatique et incontrôlable). Cependant, les capteurs saturaient pour des niveaux de luminance tels que ceux des ciels extérieurs. Un autre problème des appareils de l époque était le prix élevé (jusqu à pour les meilleurs) ainsi qu un volume et un poids encombrants. Durant les cinq dernières années, le marché des appareils photo numériques (basés sur les capteurs CCD) a subi une forte évolution. Ainsi la taille et le poids des appareils ont diminué ainsi que les prix alors que la performance et la flexibilité d utilisation se sont améliorées. Depuis l année 2000, le groupe "éclairage et rayonnement électromagnétique" de notre laboratoire s est intéressé aux appareils photos numériques Nikon Coolpix qui ont l avantage de pouvoir être équipés de différents objectifs dont un objectif fish-eye qui permet d obtenir une vue à 180 de tout l espace. Les premiers travaux d étalonnage sur ce type d appareils ont été effectués en 2000 sue le Nikon Coolpix 950 [Vetro, 2000] [Dumortier, 2001]. En parallèle 105

106 Chapitre III à cet étalonnage, l équipe (D. Dumortier et F. Van Roy) a commencé le développement de PHOTOLUX, un logiciel permettant le traitement des images du Coolpix et la production des cartes de luminances. C est suite à ces travaux que nous nous sommes intéressés à l utilisation de cet outil dans la simulation numérique de l éclairage naturel [Maamari, 2001]. Nous avons ainsi pu contribuer à la validation du logiciel PHOTOLUX ainsi qu aux travaux d étalonnage d un autre modèle plus récent de chez Nikon : le Coolpix 990 [Coutelier, 2001]. Ces nouveaux travaux ont conduit à une amélioration considérable dans la précision des luminances calculées et dans la caractérisation spatiale de l image produite. III L étalonnage du Nikon Coolpix 990 Figure III.2: Le Nikon Coolpix 990 et l objectif fish-eye FC-E8. L étalonnage du Coolpix 990 a été effectué dans notre laboratoire par Bruno Coutelier [Coutelier, 2001; Dumortier, 2003]. Ce travail a permis d identifier une relation entre la luminosité d un pixel et la luminance réelle de la zone ds (représentée par ce pixel) en fonction de l Indice de Lumination IL qui dépend de la vitesse et de l ouverture du diaphragme. Notre participation à ces travaux se résume aux points suivants : - La vérification du champ de vision - La validation des courbes d étalonnage en luminance à travers l utilisation de PHOTOLUX (vérification des résultats en luminance et en éclairement au niveau de l objectif) III La création des cartes de luminances (Photolux) Les résultats de l étalonnage ont été intégrés dans le logiciel PHOTOLUX (développé par Frans Van Roy) qui est capable de produire des cartes de luminances à partir des photos prises par le Nikon Coolpix 990 muni de l objectif Fish-eye. Figure III.3: Chargement d une image dans PHOTOLUX. 106

107 Chapitre III L analyse d une image commence par son chargement via le menu «fichier» habituel. Le programme lit les informations contenues dans l entête: date et heure, ouverture, temps de pose, sensibilité. PHOTOLUX vérifie si la photographie a été prise dans les conditions de l étalonnage : sensibilité de l appareil fixée à 100 ISO, balance des blancs fixée à lumière du jour. Si les réglages ont été effectués correctement, il transforme l image du mode RVB au mode L*ab, calcule l indice de lumination, puis calcule la luminance de chacun des pixels à l aide d une relation définie à partir des travaux d étalonnage. Si la luminance de certains pixels se trouve en dehors de la gamme mesurable avec l IL utilisé, le logiciel offre la possibilité d utiliser une ou plusieurs autres photos (du même scénario) avec des IL différents pour compléter la carte de luminances en remplaçant les pixels sous exposés ou bien saturés. Suite à l analyse de la ou des photos, le logiciel crée une carte de luminances résultante présentée en image en fausse couleur (voir figure III.4). Les pixels dont la luminance se trouve en dehors de la gamme de mesure des IL utilisés sont marqués en blanc pour les pixels saturés (ex. : la zone circumsolaire dans la figure III.4) et en violet pour les pixels sous exposés. Figure III.4: Production d une carte de luminances par PHOTOLUX Figure III.5: Production d une carte de luminances par PHOTOLUX. Affichage d une grille de fond et calculs statistiques. 107

108 Chapitre III La carte de luminances produite est active, c est-à-dire elle permet d afficher (et de marquer si besoin) la valeur du pixel visé par le pointeur de la souris. Photolux est également capable de produire des informations statistiques sur les valeurs de luminances : minimum, maximum, moyenne et écart type. Ces informations peuvent être données pour une zone définie par l utilisateur ou bien pour tout l hémisphère représenté par l image. Ces zones dites statistiques peuvent être sauvegardées afin de les utiliser sur une autre carte de luminances. III Etude de sensibilité En tant que testeurs de PHOTOLUX, nous menons dans cette partie du travail une étude de sensibilité sur la variation des résultats de l analyse (pour un scénario donné) avec la variation des réglages de l appareil photo. Nous avons utilisé pour cette étude le ciel artificiel de l ENTPE avec différentes configurations de réglage de l appareil et de champ de luminances. Nous avons pris une série de 25 photos verticales en mode manuel avec une vitesse de 1/4, 1/15, 1/60, 1/250 et1/1000 s, et des ouvertures f : 6.2, 4.9, 3.9, 3.1 et 2.5. Variation des cartes de luminances en fonction de IL : Pour ce test, nous avons généré une carte de luminances à partir de chacune des photos (une seule photo par carte). Nous avons ensuite étudié la variation des valeurs statistiques des luminances et de l éclairement vertical (Ev) calculé par rapport à IL. Nous avons également pris en compte la variation du nombre des pixels sous exposés ou saturés par carte Varation du nombre de pixels saturés/sous-exposés Variation de l'erreur de Ev calculé avec IL Kilo pixels % d'erreur IL pix. sous exp pix. Saturés IL Figure III.6: Variation du nombre des pixels sous exposés ou saturés et de l erreur de Ev calculé avec IL En comparant les éclairements verticaux calculés à ceux mesurés en même temps que les photos, nous remarquons que la différence entre les deux diminue considérablement avec l augmentation de l IL et la diminution du nombre de pixels saturés. Cependant une réaugmentation de la différence est observée à partir de IL Cette augmentation est due à l augmentation du nombre de pixels sous-exposés et de la valeur de luminance qui leur est attribuée (égale à la luminance minimale observée dans la zone sans sous-exposition). A partir de ces résultats, et dans le cas d utilisation d une seule photo par carte de luminances, nous pouvons avoir une estimation préliminaire de la précision de cette carte selon le nombre de pixels saturés ou sous-exposés. Stabilité des résultats pour un même IL avec la variation des paramètres d ouverture et de vitesse : A partir des résultats statistiques des 25 cartes de luminances, nous avons remarqué que pour une valeur donnée de IL (par exemple 13.22) obtenue avec deux réglages différents (f: 6.2, v: 1/250, et f: 3.1 v: 1/1000), il existe une différence sensible entre les éclairements résultants 108

109 Chapitre III des deux cartes de luminances correspondantes (4124 lx pour le premier couple de paramètres et 4278 lx pour le deuxième). Cette différence prouve probablement que la réponse du capteur n est pas forcement la même pour un même IL avec des ouvertures et des vitesses différentes. Cette hypothèse est confirmée à travers l observation de la variation des éclairements avec IL, où nous remarquons une série de couples de valeurs avec un même éclairement calculé mais avec un écart d IL. (voir figure III.6 ci-dessus) Stabilité des résultats avec la variation des paramètres d ouverture : Nous avons calculé trois cartes de luminances à partir de trois séries de photos avec trois ouvertures différentes (6.2, 4.9 et 3.9) et 4 vitesses différentes pour chaque ouverture (1/1000, 1/250, 1/60 et 1/15). L analyse des photos a été faite en commençant par la vitesse de 1/1000 secondes puis en utilisant la vitesse en dessous pour remplacer les pixels sous-exposés restants jusqu à l analyse de tous les pixels. La comparaison des trois cartes de luminances présente des variations légèrement sensibles pour la luminance maximale (7726 cd/m² pour f :6.2, 7280cd/m² pour f :4.9 et 7493 cd/m² pour f :3.9) et pour l éclairement résultant (4083 lx, 3847lx et 4020lx). Influence du sens de l analyse des photos par rapport à IL : Pour ce test, nous avons utilisé la série des photos prises avec une ouverture de 6.2 et les 4 vitesses différentes. Et nous avons calculé une carte de luminances en commençant cette fois par la vitesse de 1/15 et choisissant la vitesse en dessus pour compléter l analyse des pixels. Nous avons comparé la variation des résultats statistiques entre les deux cartes de luminances calculées dans le sens descendant et ascendant des vitesses, et nous avons trouvé une variation légèrement sensible pour les luminances moyennes (1089 et 1140cd/m²) et pour l éclairement (4083 et 4299lx). Nous notons que la carte calculée dans le sens descendant (en commençant par 1/1000) donne un éclairement plus proche de la mesure. Ceci est lié au mode d exploitation des courbes d étalonnage en fonction des gammes de luminances mesurables pour chaque IL. En commençant par un IL élevé, nous donnons la priorité à un calcul précis des pixels à hautes luminances, qui sont les pixels les plus importants pour le calcul de l éclairement résultant. Influence de la distribution des luminances : Pour ce test, nous avons pris des séries de photos verticales à différentes hauteurs et sous une même luminance du plafond. Un masque horizontal est positionné dans le champ de vision de l objectif afin de créer une variation sensible des champs de luminances vues à partir des différentes hauteurs. Pour chaque position de l appareil, nous avons pris une série de photos en mode manuel avec une ouverture de 6.2 et des vitesses de 1/4, 1/15, 1/60, 1/250 et 1/1000 s. Nous avons fixé dans le champ de vision de l objectif un nombre de repères pour lesquels nous avons calculé les données statistiques (ou les valeurs ponctuelles) à partir des différentes cartes de luminances (calculées à partir des photos prises à des hauteurs différentes). En comparant les valeurs de luminance des différents repères entre les différentes cartes de luminances (pour différentes hauteurs), nous constatons une faible variation. Cependant, cette variation est relativement négligeable par rapport à l erreur potentielle liée à la variation de l angle solide avec lequel les repères sont vus par l objectif. 109

110 Chapitre III Figure III.7: carte de luminances à 15cm Figure III.8: carte de luminances à +15cm Nous notons cependant que ce test nous a permis auparavant de mettre en évidence une imprécision plus importante des courbes d étalonnage utilisées dans les premières versions de Photolux et qui étaient basée sur les premiers travaux de calibration. Ainsi, ces nouveaux résultats montrent une amélioration considérable dans la précision de la version actuelle du logiciel. Cette amélioration est due en grande partie à la suppression de l erreur liée aux pixels sous-exposés. La suppression de cette erreur est rendue possible grâce à la procédure d analyse de plusieurs photos par carte. III Utilisation des cartes de luminances dans la simulation Suite aux premiers travaux d étalonnage (2000), nous nous sommes intéressés au potentiel d utilisation de cet outil dans la simulation numérique de l éclairage naturel. Le premier objectif était de tester l utilisation des cartes de luminances réelles dans la simulation de la lumière naturelle en tant que luminaire à photométrie équivalente dans un logiciel de simulation de l éclairage artificiel. Le concept est expliqué en détail dans IV.2, il consiste à créer une distribution photométrique équivalente à la distribution des luminances externes à une ouverture. Pour valider ce concept, nous avons commencé les premiers essais en 2000 dans le ciel artificiel de l ENTPE sur une maquette de cm [Maamari, 2001]. Des mesures d éclairement ont été prises à l intérieur de la maquette en parallèle à une photo de l espace extérieur (ciel artificiel + sol) à partir de la surface de la fenêtre. La photométrie équivalente a été créée à partir des cartes de luminances au format IES par D. Dumortier. Nous l avons utilisé dans le logiciel Lightscape pour décrire la surface de la fenêtre en tant que source surfacique. Le flux affecté à la source a été calculé à partir de l éclairement vertical, lui calculé à partir de la carte de luminances. Les résultats étaient prometteurs malgré la simplicité du dispositif expérimental utilisé et les nombreuses sources d erreurs potentielles (fixation des appareils de mesure et de l appareil photo non optimisée, étalonnage en luminance non terminé, faibles niveaux d éclairement, spécularité des surfaces intérieures, etc.). La différence entre les mesures d éclairement à l intérieur de la maquette et les résultats de la simulation était inférieure à 25% et il a été possible de la réduire en dessous des 10% à travers une correction systématique du flux utilisé. Ces résultats nous ont encouragé à proposer l intégration du format IES dans le logiciel PHOTOLUX. Ainsi, les cartes de luminances créées par PHOTOLUX peuvent être sauvées au format graphique BMP, mais aussi dans un fichier texte : au format IES [IESNA, 1995] ou au format de ciel GENELUX [Mitanchey, 1996], ou au format Radiance. Le format IES (Illumination Engineering Society) est un format standard utilisé pour décrire la distribution 110

111 Chapitre III photométrique des sources de lumière artificielle. Le format GENELUX est celui utilisé par le logiciel de simulation du même nom développé à l ENTPE, par R. Mitanchey. Ces deux formats utilisent un maillage régulier de l espace aux nœuds duquel ils affectent une intensité lumineuse moyenne (format IES) ou une luminance moyenne (GENELUX). A travers une collaboration avec l Université d Athènes, il nous a été possible d obtenir également des cartes de luminances au format de ciel Radiance. PHOTOLUX offre ainsi la possibilité d utiliser des scènes réelles comme sources de lumière dans différents types de programmes de simulation. Ce qui nous intéresse dans cette partie du travail, c est l utilisation des cartes de luminances réelles pour décrire avec précision la source de lumière naturelle en particulier dans le cas d un scénario destiné à la validation des logiciels. C est pourquoi nous avons effectué des travaux de validation expérimentale pour tester la fiabilité des cartes de luminances en tant que modèles de ciel dans les logiciels de simulation de l éclairage. III.2.3 Protocole expérimental de validation La validation expérimentale de cette méthode suit la procédure suivante : - prendre des mesures d éclairement à l intérieur d une maquette à simple géométrie (carré avec ouverture rectangulaire en toiture ou en façade, avec des surfaces noires afin de limiter les erreurs dues aux inter-réflexions), - prendre en parallèle une ou plusieurs photos à 180 de projection (Nikon objectif Fish-eye) du champ de luminances à partir de l ouverture, - analyser la photo et exporter le résultat sous un format de ciel compatible avec un ou plusieurs logiciels de simulation de l éclairage, - lancer une simulation numérique du scénario en utilisant le ciel généré - confronter les résultats numériques aux mesures expérimentales afin de déterminer la marge de confiance qu on peut accorder à cette méthode. III Description de la maquette et du dispositif expérimental La géométrie : La maquette utilisée est en bois et représente une pièce carrée de 4m 4m 3m avec une échelle de 1/4. Elle est composée d une partie fixe comprenant le sol et 3 murs intérieurs (cotés Est, Nord et Ouest théoriques), et d une série de façades (coté Sud théorique) et de toitures avec des ouvertures de différentes dimensions et toujours centrées par rapport à la surface intérieure de la façade ou de la toiture. La maquette offre également la possibilité de garder une ouverture complète en façade ou bien en toiture. Une seule ouverture est utilisable en même temps. Les différentes configurations géométriques possibles sont les suivantes : 1. Ouverture en toiture de 20cm 20cm (représentant une ouverture de 1m 1m à l échelle réelle). Les dimensions intérieures sont 80cm 80cm au sol et 60cm de hauteur. L épaisseur de l ouverture est de 36mm. 111

112 Chapitre III Figure III.9: Maquette avec ouverture en toiture de 20cm 20cm 2. Ouverture en toiture de 40cm 40cm (2m 2m). Les dimensions intérieures sont 80cm 80cm au sol et 60cm de hauteur. L épaisseur de l ouverture est de 36mm. Figure III.10: Maquette avec ouverture en toiture de 40cm 40cm 3. Ouverture en toiture de 60cm 60cm (3m 3m). Les dimensions intérieures sont 80cm 80cm au sol et 60cm de hauteur. L épaisseur de l ouverture est de 36mm. Figure III.11: Maquette avec ouverture en toiture de 60cm 60cm 112

113 Chapitre III 4. Ouverture totale en toiture de 80cm 80cm (4m 4m). Les dimensions intérieures sont 80cm 80cm au sol et 61.8cm de hauteur. Figure III.12: Maquette avec ouverture en toiture de 80cm 80cm 5. Ouverture en façade de 40cm 20cm (représentant une ouverture de 2m 1m à l échelle réelle). Les dimensions intérieures sont 80cm 80cm au sol et 60cm de hauteur. L épaisseur de l ouverture est de 36mm (18cm à l échelle réelle). Figure III.13: Maquette avec ouverture en façade de 40cm 20cm 6. Ouverture en façade de 60cm 40cm (3m 2m). Les dimensions intérieures sont 80cm 80cm au sol et 60cm de hauteur. L épaisseur de l ouverture est de 36mm. Figure III.14: Maquette avec ouverture en façade de 60cm 40cm 113

114 Chapitre III 7. Ouverture totale en façade de 80cm 60cm (4m 3m). Les dimensions intérieures sont 80cm 81.8cm au sol et 60cm de hauteur. La dimension de 81.8cm est entre l ouverture et le mur de fond (Nord). Figure III.15: Maquette avec ouverture en façade de 80cm 60cm Pour les scénarios avec une ouverture en façade, il est possible d ajouter un avant toit horizontal d une largeur de 20 cm. La hauteur de l avant toit (surface inférieure) peut varier par rapport au niveau du plafond entre +5cm et jusqu à 20cm (pour une ouverture de 20cm 20cm). Figure III.16: Exemples de positions possibles pour l avant toit mobile Photométrie des surfaces intérieures : Le bois utilisé est du "contreplaqué intérieur" d une épaisseur de 18mm. Toutes les surfaces intérieures de la maquette ainsi que l épaisseur des ouvertures sont couvertes d une peinture noire à aspect mat. Le facteur de réflexion a été mesuré à l aide d un luminance-mètre et d une plaque de référence d un facteur de réflexion de 95%. Une dizaine de mesures ont été faites sur différentes surfaces de la maquette une semaine après l application de la peinture. La valeur moyenne mesurée du facteur de réflexion est de / Une mesure goniophotométrique a été effectuée pour caractériser la directionnalité de la réflexion du rayonnement lumineux sur les surfaces de la maquette. Un échantillon du bois utilisé pour construire la maquette et peint avec la même peinture que celle utilisée pour les surfaces intérieures a été testé. Il a été placé sur un goniophotomètre plan. Deux orientations différentes de l échantillon ont été utilisées avec une rotation de 90 entre les deux, afin de pouvoir prendre en considération l influence de la direction des veines naturelles du bois. La source de lumière a été utilisée avec un angle d incidence sur l échantillon de 15, 45 et

115 Chapitre III Des mesures de luminances ont été prises sur l échantillon avec un pas de mesures de 5 et de 1 en face du pic de spécularité. La variation des luminances mesurées est en générale en dessous des 10% sauf pour le pic de spécularité où elle peut atteindre les 20%. La figure III.17 ci-dessous présente un exemple des mesures goniophotométriques réalisées, sous forme d une indicatrice de luminances relatives Figure III.17: Indicatrice de luminances relatives pour un échantillon des surfaces intérieures de la maquette (angle d incidence = 45, angles de mesure entre 0 et 80 par rapport à la normale) Compte tenu de la faible directionnalité de la réflexion sur les surfaces utilisées, nous considérons les surfaces intérieures de la maquette comme des diffuseurs parfaits. Avec le faible facteur de réflexion, l erreur potentielle liée à cette hypothèse est négligeable. Points de mesure de l éclairement intérieur : La maquette fournit la possibilité de placer des capteurs sur la surface du sol, celle du mur adjacent à la façade (E) et du mur de face. Le dispositif utilisé pour le positionnement des capteurs est adapté à la taille des capteurs LI-COR LI-210, et permet de garantir une répétitivité des postions avec un maximum de précision (à moins de 1mm près pour la position et le niveau, et à moins de 1 près pour l horizontalité). Le plan de mesure des capteurs est à 1mm de la surface intérieure. Le dispositif de positionnement des capteurs est montré dans les figures III.18-III.21. Figure III.18: Emplacement d un capteur mural vu de l extérieur Figure III.19: Capteur LI-COR210 positionné sur son support 115

116 Chapitre III Figure III.20: Capteur en position de mesure vu de l extérieur Figure III. 21: Capteur en position de mesure vu de l intérieur Les emplacements possibles des capteurs sont montrés dans la figure III.22 ci-dessous. Points de mesure au sol Sur le mur de fond (N) Sur le mur de droite (E) Figure III.22: Positions possibles pour les points de mesure à l intérieur de la maquette Positionnement de l appareil photo numérique : L appareil photo doit être positionné d une façon à permettre l acquisition du champ des luminances externes à l ouverture. Pour cela nous avons construit un dispositif qui permet d orienter l axe de vision de l appareil perpendiculairement à la surface de l ouverture et vers l extérieur de la maquette. Le plan de l objectif Fish-eye est alors parallèle à la surface de l ouverture et il est placé à environ 3mm à l extérieur de celle-ci. La répétitivité de la position de l appareil est optimisée à l aide d une fixation mécanique (en acier) montée sur la partie du dispositif porteuse de l appareil. La précision est de +/- 3mm pour la position et le niveau (supposé à +3mm par rapport à la surface de l ouverture) et de +/- 1 pour l orientation (supposée parallèle à la surface d ouverture). Quatre dispositifs différents ont été construits pour être utilisés selon le scénario testé : 1. Pour un scénario dans le ciel artificiel avec une ouverture en toiture : Le dispositif utilisé permet une position horizontale de l objectif Fish-eye qui est centrée par rapport à la surface du plafond. Ce dispositif est interchangeable avec les éléments de la toiture. La position centrée par rapport à l emplacement de l ouverture permet de minimiser les erreurs liées au champ proche. 116

117 Chapitre III Figure III.23: Dispositif de positionnement de l appareil photo en toiture dans le ciel artificiel 2. Pour un scénario dans le ciel artificiel avec une ouverture en façade : le dispositif utilisé permet une position verticale de l objectif Fish-eye qui est centré perpendiculairement à la surface de l ouverture. Il permet également un déplacement vertical du Fish-eye entre 25cm et +25cm par rapport au centre de l ouverture, ce qui permet d observer la variation du champ des luminances externes à l ouverture avec la hauteur du point de vue. Le dispositif est également muni d un emplacement pour 2 capteurs utilisés pour la mesure de Ev à la hauteur de l objectif. Figure III.24: Dispositif de positionnement de l appareil photo en façade dans le ciel artificiel 3. Pour un scénario sous un ciel réel (extérieur) avec une ouverture en toiture : le dispositif utilisé permet une position horizontale de l objectif Fish-eye. L appareil photo est placé sur le coté gauche (O) de l ouverture sur un axe central de celle-ci (voir figure III.24). Ceci permet de prendre des mesures en même temps que les photos du ciel. Etant donné que pour ce genre de scénarios le champ de luminances externe se situe généralement dans un champ lointain, la différence entre le champ de luminances vu par le centre de l ouverture et celui vu par l appareil est négligeable. Le dispositif est également muni d un emplacement pour un capteur utilisé pour la mesure de Ehz extérieur. 117

118 Chapitre III Figure III.25: Dispositif de positionnement de l appareil photo en toiture sous le ciel extérieur 4. Pour un scénario sous un ciel réel avec une ouverture en façade. Le dispositif utilisé permet une position verticale de l objectif Fish-eye. L appareil photo est placé sur le coté gauche (O) de l ouverture sur un axe central horizontal passant par le centre de celle-ci. Ceci permet de prendre des mesures en même temps que les photos de l environnement extérieur. L erreur introduite liée au champ proche est négligeable. Le dispositif est également muni d un emplacement pour un capteur utilisé pour la mesure de Ev extérieur. Figure III.26: Dispositif de positionnement de l appareil photo en façade sous le ciel extérieur Appareils de mesure : Les capteurs utilisés sont des LI-COR LI-210 dont 6 du modèle LI-210SA, et 4 du modèle LI- 210SZ. Ces capteurs ont été étalonnés par le constructeur en juin Deux centrales d acquisition LI-COR LI-1400 sont utilisées pour collecter les données mesurées par les 10 capteurs. Le coefficient multiplicateur de calibration de chacun des capteurs a été enregistré sur le canal correspondant de la centrale réceptrice. La centrale peut être programmée pour collecter automatiquement les données sur une période de temps donnée et avec un intervalle choisi, mais elle permet également d enregistrer manuellement et/ou de faire une lecture instantanée des valeurs mesurées. Lors d un enregistrement automatique, il est possible de choisir entre des valeurs instantanées et une moyenne de ces valeurs sur une période donnée. 118

119 Chapitre III Figure III.27: Les deux centrales d acquisition LI-COR LI-1400 III Protocole expérimental dans le ciel artificiel Nous avons choisi de commencer nos tests de validation dans un ciel artificiel étant donné qu il permet un meilleur contrôle de la variation du champ des luminances par rapport à un ciel réel. Description du ciel artificiel : Figure III.28: Ciel artificiel de l ENTPE Le ciel artificiel utilisé est celui de l ENTPE. C est une pièce carrée de 2m 2m, et de 2.1 m de hauteur. Le sol et la partie inférieure des parois verticales (jusqu à 80 cm du sol) sont couverts d une moquette verte avec un facteur de réflexion d environ 10% avec en dessous un diffuseur qui permet d obtenir une meilleure uniformité des luminances du plafond. La partie supérieure des quatre parois verticales est couverte de miroirs qui permettent par réflexion d'étendre à l'infini la surface du plafond. Ainsi ce dispositif permet de simuler un ciel continu avec un champ de luminances continu et une distribution proche du ciel CIE couvert. Un gradateur haute fréquence permet de faire varier le flux des lampes de façon à fournir différentes gammes de luminances au plafond (entre 2000 et 8000 cd/m²) et un éclairement horizontal (à 80cm du sol) variant entre 4000 et lx. 119

120 Chapitre III Positionnement de la maquette : La maquette a été placée à l intérieur du ciel artificiel, pour la plupart des scénarios au centre de celui-ci, avec la partie supérieure de la toiture à une hauteur de 145cm. Nous avons réglé l horizontalité de la maquette et contrôlé la stabilité (ou répétitivité) de sa position pour un scénario donné. Géométries utilisées : Les configurations géométriques utilisées sont celles de la maquette comme décrites dans III (ouverture en toiture de 40 20cm, 60 40cm ou 80 60cm, ou bien ouverture en façade de 20 20cm, 40 40cm, 60 60cm ou 80 80cm). Points de mesure utilisés : Six points de mesure différents (A1-A5 et B5) ont été utilisés à l intérieur de la maquette et positionnés comme le montre la figure III.29. Figure III.29: Position des capteurs à l intérieur de la maquette Les capteurs A1-A5 sont branchés sur la centrale LI1400-A et B5 sur la centrale LI1400-B. Synchronisation des appareils de mesure : La date et l heure ont été synchronisées entre les deux centrales et avec l appareil photo afin de permettre un repérage plus facile des photos correspondant à chaque série de mesures. Prise des photos et des mesures pour une ouverture en toiture : Pour chaque série de mesures dans le ciel artificiel, une série de photos du ciel est prise à partir du niveau de l ouverture avec un IL variant de 5.26 à La variation de IL est obtenue avec une ouverture f:6.2 et 3 à 6 vitesses différentes variant selon le niveau des luminances entre 1s, 1/4s, 1/15s, 1/60, 1/125s, 1/250s, 1/500s et 1/1000s. Suite à la série des photos, le dispositif de positionnement du Nikon est remplacé successivement par les différents éléments de toiture (ou de façade) avec ouverture. Pour chaque ouverture, une série de mesures est prise à l intérieur de la maquette. Afin d éliminer les erreurs liées à la fluctuation du flux lumineux des lampes entre le temps de prise des photos et le temps des mesures intérieures (due à la fluctuation de la température et du courant électrique), nous avons placé un dispositif d observation de la variation de l éclairement extérieur à travers 4 capteurs horizontaux (B1-B4) placés sur les 4 cotés de la maquette (voir figures III.9-III.12). Les éclairements extérieurs sont enregistrés en même temps que les séries de mesures à l intérieur de la maquette et que les photos du ciel. 120

121 Chapitre III Prise des photos et des mesures pour une ouverture en façade : La procédure de prise de photos et des mesures d éclairement pour les scénarios avec ouverture en façade est la même que pour les scénarios avec ouverture en façade sauf pour les points suivants : - Le dispositif de positionnement de l appareil photo est utilisé avec les éléments de façade en place afin que le champ des luminances externes ne change pas entre la prise des photos et les mesures d éclairement à l intérieur. Figure III.30: Différence de champ de luminances entre les photos prises avec et sans l élément de façade - Pour observer la fluctuation du flux du ciel artificiel, l éclairement extérieur est mesuré en même temps que les mesures à l intérieur de la maquette (B3 en horizontal et B4 en vertical) et que les photos prises (B3 en horizontal, B1, B2 et B4 en vertical). Valeurs de référence et correction des flux : Pour pouvoir comparer l éclairement mesuré à l intérieur de la maquette aux résultats de la simulation (utilisant la carte de luminances réelle), il était nécessaire de pondérer les premiers par rapport à la variation du flux du ciel artificiel entre le temps de mesure et celui de la prise des photos qui ont servi à la création de la carte de luminances. En utilisant l éclairement extérieur comme indicateur de cette variation de flux, les mesures d éclairement internes ont été corrigées avec un coefficient égal au rapport entre l éclairement extérieur mesuré en même temps que les mesures internes et la moyenne des éclairements extérieurs mesurés en même temps que les photos utilisées. Ehz ext en // aux photos Ouverture f vitesse B1 B2 B3 B4 Ehz moy /1000s /250s /60s /15s Ehz ext en // aux mesures internes B1 B2 B3 B4 Ehz moy Coefficient de correction des mesures Tableau III.2: Exemple de calcul du coefficient de correction des mesures pour un scénario d ouverture en toiture 121

122 Chapitre III Ev ext en // aux photos Ouverture f vitesse B4 Ev moy /1000s /250s /60s 6035 Ev ext (B4) en // aux mesures internes 6027 Coefficient de correction des mesures Tableau III.3: Exemple de calcul du coefficient de correction des mesures pour un scénario d ouverture en façade Une autre correction a été nécessaire pour les résultats de la simulation par rapport à la différence entre le flux calculé à partir de la carte de luminances et celui calculé à partir de la mesure de E ext. Ces résultats sont alors multipliés par le rapport entre l éclairement moyen mesuré et l éclairement calculé à partir de la carte de luminances utilisée pour la simulation. Ehz moyen mesuré (lx) Ehz simulé (lx) Coefficient de correction de flux Tableau III.4: Exemple de calcul du coefficient de correction des flux Dans la présentation des valeurs de référence, nous prenons également en considération les erreurs potentielles liées aux mesures et à l influence des imprécisions dans la description des scénarios sur les résultats de la simulation. Afin de séparer l erreur liée à la méthodologie proposée de celle liée à la précision du logiciel utilisé pour la simulation, nous incluons cette dernière dans les erreurs liées à la simulation. Dans les tableaux III.5 et III.6 ci-dessous, nous exposons les différentes sources d erreurs liées aux mesures et à la simulation. Source d erreurs Valeur estimée de l erreur potentielle (+/-%) Précision des capteurs 3 Correction de cosinus Entre 0.5 et 6% : 0.5% pour A2 et A3 avec une ouverture en toiture de 1 1, et 6 pour A4 avec une ouverture en façade de 2 1 Sensibilité spectrale 1 Fluctuation du flux entrant 2 (après correction) La position des capteurs Entre 0.5 et 2% (> vers limite de zone d ombre) Tableau III.5: liste des erreurs potentielles liées à la mesure Source d erreurs Valeur estimée de l erreur potentielle (+/-%) Champ proche 1-6 Facteur de réflexion (ρ) 1 Homogénéité de ρ 0.5 Réflexion directionnelle 1 Dimension de la géométrie 0.5 Précision du logiciel <2% pour un logiciel et des paramètres de calcul de bon niveau de précision Tableau III.6: liste des erreurs potentielles liées à la simulation L erreur potentielle globale est calculée à l aide de la relation 26, et elle est utilisée pour définir les limites supérieures et inférieures de la bande de tolérance (valeurs mesurées +/- erreur globale). 122

123 Chapitre III Nous supposons alors que tout dépassement des résultats de la simulation en dehors de cette bande de tolérance est lié à la fiabilité de la méthodologie proposée y compris la précision des cartes de luminances. Ci-dessous nous exposons les sources d erreurs prévisibles liées à la méthodologie proposée. Source d erreurs Valeur de l erreur potentielle (+/-%) Orientation de la photo Augmente avec l hétérogénéité du champ des luminances Précision des luminances Estimée selon différence entre E ext. mesuré et calculées E ext. calculé à partir de la carte des luminances Maillage et interpolation des Varie selon la précision du maillage et des luminances extrapolées luminances dans la simulation à partir des cartes de luminances Tableau III.7: liste des erreurs potentielles liées à la méthodologie proposée III Protocole expérimental sous un ciel réel Les tests sous un ciel réel présentent l avantage de minimiser les erreurs liées au champ proche, mais aussi l inconvénient dû à la dynamique de la répartition des luminances à l extérieur de l ouverture. Nous contournons ce problème à l aide du dispositif utilisé qui permet de prendre des photos du champ de vision extérieur en même temps que les mesures d éclairement à l intérieur de la maquette. Le protocole expérimental est similaire à celui du ciel artificiel à quelques différences près listées ci-dessous. Les scénarios testés : Figure III.31: Ouverture en toiture sous un ciel réel Figure III.32: Ouverture en façade Figure III.33: Exemple de champ de vision horizontal Figure III.34: Exemple de champ de vision vertical 123

124 Chapitre III Utiliser notre dispositif expérimental dans un environnement réel nous a permis de tester notre méthodologie avec des champs de luminances beaucoup plus variés et complexes que ceux du ciel artificiel. Les configurations géométriques et les points de mesure utilisés sont les même que pour les scénarios du ciel artificiel. La maquette a été placée sur le toit de l ENTPE à 80 cm du sol, différentes orientations ont été utilisées avec un contrôle de l horizontalité de la surface de toiture. Les ciels rencontrés varient du ciel couvert au ciel clair en passant par des ciels intermédiaires plus ou moins contrastés et hétérogènes. Le champ de vision des ouvertures en façade comprenait différentes scènes d environnement urbain (sol et masques extérieurs). Les luminances maximales rencontrées dans les différents scénarios testés variaient entre et cd/m² (hors zone circomsolaire). Les éclairements horizontaux (globaux) variaient entre et 78000lx. Les éclairements verticaux sur les ouvertures en façade variaient entre et 18000lx. Pour les ouvertures en toiture, la variation des éclairements horizontaux entre les quatre côtés de la toiture ne dépassait pas les 2%. Pour les ouvertures verticales, la variation de l éclairement vertical entre la partie inférieure et la partie supérieure de la façade ne dépassait pas les 8%. Ceci nous a permis de considérer que pour les scénarios testés le champ de luminances externe se trouve dans un champ lointain par rapport à la maquette. Prise des photos et des mesures : A la différence des scénarios du ciel artificiel, les photos du ciel extérieur sont prises en même temps que les éclairements intérieurs et extérieurs. L appareil photo est fixé sur le côté droit de la toiture ou de la façade (voir figures III.31 et III.32). Ainsi, pour les ouvertures en façade, une seule position de l appareil est utilisée. Ceci est justifié puisque, contrairement aux scénarios du ciel artificiel, on est dans un cas de champ lointain. Pour les éclairements extérieurs, et à la différence des scénarios en ciel artificiel, l éclairement vertical est mesuré sur les quatre côtés de la façade avec ouverture (B1-B4, voir figure III.32 ci dessus). Les mesures d éclairement extérieur et intérieur sont enregistrées en même temps toutes les cinq secondes. Les photos sont prises toutes en parallèle aux mesures toutes les une à cinq minutes. A chaque intervalle, nous prenons une seule photo (en mode automatique) ou une série de deux à trois photos consécutives (environ 10 secondes entre deux photos) avec des indices d illumination IL différents (en variant la vitesse). Cet IL varie selon la distribution des luminances rencontrées, entre 9.17 et Valeurs de référence et correction des flux : Pour la description des scénarios et des résultats de référence, chaque photo est associée à la série de mesures prise au moment le plus proche de celui de la prise de photo. La valeur de référence pour chaque point de mesure est alors la moyenne des mesures obtenues en même temps que les photos d un scénario donné (pas de correction à faire). Les erreurs potentielles sont les mêmes que pour un scénario en ciel artificiel sauf pour l erreur liée à la fluctuation des flux qui risque d être plus importante dans certains scénarios (ciel variable : erreur maximale estimée à 2%) et pour les erreurs liées au champ proche qui sont moins présentes (Toiture : 0%, Façade : 0.5%-2%, avant toit : 1%-4%) 124

125 Chapitre III III.2.4 La simulation numérique des scénarios avec le logiciel Radiance Le logiciel choisi pour la simulation des différents scénarios testés est Radiance, qui est l un des logiciels les plus fiables dans la simulation numérique de l éclairage. Les cartes de luminances sont exportées au format de ciel Radiance à partir de Photolux. Ce format est constitué des lignes suivantes : - Nombre de séries de valeurs (exemple 2 pour une série de valeurs en vertical et une série en horizontal) - Premier angle en vertical, dernier angle en vertical, nombre d incréments (exemple : 0, 90, 9 avec la même valeur à l angle 90 pour tous les angles horizontaux) - Premier angle en horizontal, dernier angle en horizontal, nombre d incréments (exemple : 0, 360, 31 avec les mêmes valeurs verticales pour les angles 0 et 360 ) - Les valeurs en radiance (=Luminance/179) pour le premier angle vertical (exemple : v0 h0, v0 h12, v0 h24, v0 h36,, v0 h360 ) - Les valeurs en radiance (=Luminance/179) pour le deuxième angle vertical (exemple : v10 h0, v10 h12, v10 h24, v10 h36,, v10 h360 ) - - Les valeurs pour le dernier angle vertical (exemple : v90 h0, v90 h12, v90 h24, v90 h36,, v90 h360 ) Les angles horizontaux sont mesurés à partir du sud (0 ) dans un sens horaire. Pour les scénarios avec ouverture en toiture, le sud théorique de la carte est supposé du coté du point A1. Pour les scénarios avec ouverture en façade, le sud théorique de la carte est supposé vers le haut. Pour les scénarios avec ouverture en façade, la géométrie est tournée de 90 dans la simulation de façon à pouvoir utiliser la carte de luminances (du champ vertical vu par l ouverture) en tant que ciel équivalent.. L éclairement horizontal (ou vertical) est recalculé par le logiciel selon le maillage choisi pour le ciel. III.2.5 Comparaison maquette simulation pour les scénarios du ciel artificiel Pour comparer les résultats de la simulation aux mesures expérimentales, nous commençons par la description des scénarios à travers la configuration géométrique utilisée, la carte de luminances et la photo du champ de vision de l ouverture. Pour les scénarios du ciel artificiel nous corrigeons les mesures d éclairement internes par rapport à la variation de l éclairement extérieur (au niveau de l ouverture) entre le temps des mesures et de la prise des photos. Pour les scénarios à l extérieur, les mesures de référence sont celles prises en même temps que la photo (ou la moyenne des mesures en cas d utilisation de plusieurs photos). Les résultats de la simulation sont alors comparés aux mesures avec ou sans la correction de flux due à la différence entre l éclairement extérieur mesuré (au niveau de l ouverture) et l éclairement calculé à partir de la carte de luminances analysée des photos. Deux types de comparaison sont possibles : une comparaison aux valeurs absolues mesurées et corrigées (si besoin), et une comparaison à la bande de tolérance de ces valeurs. Cette bande a comme limites supérieure et inférieure la valeur mesurée (et corrigée si besoin) +/- l erreur globale calculée en tenant compte des erreurs de la simulation. Afin de simplifier le deuxième type de comparaison, nous supposons une erreur globale homogène sur tous les 125

126 Chapitre III points de mesure et tous les scénarios. La valeur choisie est proche de l erreur maximale calculée à partir des scénarios les plus défavorables des paramètres listés dans les tableaux III.5, III.6 et III.7. Cette valeur est égale à +/- 6%. La description complète des résultats est présentée dans l annexe C. Cependant, nous présentons ci-dessous un résumé et une analyse de ces résultats. III Ciel artificiel, Ouvertures en toiture Distribution des luminances : Figure III.35: Photo et carte des luminances du ciel artificiel vu à partir du centre de la toiture Comparaison des résultats de la simulation aux valeurs de référence : E (lx) E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Ouverture 20cmx20cm 1400 A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Ouverture 40cmx40cm E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Ouverture 60cmx60cm E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Ouverture 80cmx80cm Figure III.36: Comparaison entre les résultats de la simulation et les données de référence pour les points de mesure A1- A4 (ciel artificiel, ouverture en toiture) Les graphiques de la figure III.36 ci-dessus montrent une bonne corrélation entre les mesures d éclairement à l intérieur de la maquette et les résultats de la simulation. Cette corrélation est moins bonne pour le scénario d une ouverture de 40cm 40cm. Cependant, nous montrons dans III que cela est dû à un problème de champ proche. 126

127 Chapitre III III Ciel artificiel, Ouvertures en façade E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Carte de luminances pour l ouverture de 40x20 Ouverture 40cmx20cm E (lx) E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Ouverture 60cmx40cm Ouverture 80cmx60cm Figure III.37: Comparaison entre les résultats de la simulation et les données de référence pour les points de mesure A1- A4 (ciel artificiel, ouverture en façade) Les graphiques de la figure III.37 ci-dessus montrent, comme pour les ouvertures en toiture, que l utilisation des cartes de luminance réelles permet d obtenir une bonne corrélation entre les mesures et les résultats de la simulation. III Analyse des résultats et des erreurs de champ proche S-réelle S-simulée Plafond Miroir 29 Maquette A4 A3 A2 A1 Figure III.38: Champs de vision réel et simulé de A4 127

128 Chapitre III En comparant les résultats de la simulation aux mesures expérimentales dans le ciel artificiel, nous remarquons une meilleure corrélation pour les scénarios avec ouverture en façade ou pour l ouverture en toiture de 20 20, que pour les autres ouvertures en toiture (40 40, et 80 80cm). Nous estimons que la cause principale de cette différence est liée à un problème de champ proche, et nous menons une étude adaptée afin de vérifier l exactitude de cette hypothèse. Nous commençons par analyser la différence entre le champ de vision d un point de mesure à l intérieur de la maquette et celui de l objectif utilisé. Pour l exemple d une ouverture de cm (voir figure III.36), une partie du plafond est vue par A4 avec un angle d ouverture (sur un axe Nord-Sud) de 29. Cette même zone est vue par l objectif avec un angle d ouverture de 56 qui se situe entre 8 au Nord et 48 au sud (voir figure III.38). Cette importante différence entre les deux champs de vision caractérise la présence de champ proche et elle est due au faible rapport d échelle entre les dimensions de la maquette et celles du ciel artificiel. En ce qui concerne la simulation numérique, la carte de luminances enregistrée par l objectif est simulée en tant que modèle de ciel situé dans un champ infini, ce qui suppose qu une zone donnée de cette carte (ce ciel) est vue avec un angle quasiment constant à partir de tout point de la maquette. Ainsi l angle d ouverture de 29, avec lequel le point A4 aperçoit la zone "Sréelle" du plafond, est utilisé pour repérer les mailles du ciel qui contribuent à l éclairement de A4. Cet éclairement est alors calculé à partir de la luminance moyenne de la zone "Ssimulée" du plafond au lieu de celle de S-réelle. Etant donné que le ciel artificiel ne présente pas une uniformité parfaite, cette différence entre le champ de vision réel et le champ de vision simulé peut être à l origine de la différence entre la courbe simulée des éclairements et la courbe mesurée (les courbes limites de la bande de tolérance). C est ce que nous avons vérifié en calculant la luminance moyenne de la projection de S-réelle et celle de S-simulée sur la carte de luminances. Cette vérification a été faite à l aide de Photolux en utilisant la fonction des zones statistiques (voir figure III.39). Figure III.39: Calcul de L moyenne de S-simulée Pour l exemple du point A4, la projection de S-réelle se trouve entre un angle de 8 au nord et de 48 au sud, et entre un angle de 32 à l'est et de 32 à l'ouest. La luminance moyenne 128

129 Chapitre III obtenue est de 5999 cd/m². La projection de S-simulée (présentée dans la voir figure III.39) se trouve entre un angle de 10 au sud et 38 au sud, et entre un angle de 17 à l est et de 17 à l ouest. La luminance moyenne obtenue est de 6097 cd/m². De la même façon, nous avons obtenu les valeurs suivantes pour les autres points de mesure du sol : A1 : Luminance moyenne de S-réelle : 6322 cd/m² Luminance moyenne de S-simulée : 6668 cd/m² A2 : Luminance moyenne de S-réelle : 6072 cd/m² Luminance moyenne de S-simulée : 5961 cd/m² A3 : Luminance moyenne de S-réelle : 6018 cd/m² Luminance moyenne de S-simulée : 5678 cd/m² En corrigeant les résultats de la simulation à l aide d un coefficient de correction égal au rapport entre la luminance moyenne de S-réelle et celle de S-simulée, nous obtenons une meilleure corrélation des courbes de variation des éclairements à l intérieur de la maquette entre les mesures et la simulation (voir figure III.40). E (lx) A1 A2 A3 A4 limite supérieure corr Champ proche Radiance+corr flux limite inférieure Figure III.40: Correction des résultats par rapport à la différence de luminance moyenne entre champ de vision réel et simulé Ceci prouve que la mauvaise corrélation obtenue pour les scénarios du ciel artificiel en toiture (40 40, et 80 80cm) est bien due à un problème de champ proche. Cette conclusion est également confirmée par la meilleure corrélation obtenue pour les autres scénarios en particulier ceux de la toiture sous un ciel réel. Le scénario de l ouverture en toiture de sous le ciel artificiel n est pas affecté par le problème de champ proche du fait que les zones S-réelle et S-simulée ne présentent pas une différence sensible en luminance moyenne. En ce qui concerne l ouverture en façade, le problème du champ proche est moins présent grâce à l effet des miroirs. Finalement nous notons que les conclusions de cette analyse rejoignent la recommandation mentionnée dans III où il est préconisé de respecter un rapport d échelle assez élevé entre les dimensions d une maquette expérimentale et celles du ciel artificiel utilisé. 129

130 Chapitre III III.2.6 Comparaison maquette simulation pour les scénarios du ciel réel La description complète des résultats est présentée dans l annexe C. Cependant, nous présentons ci-dessous un résumé et une analyse de ces résultats. Nous rappelons que la mesure de référence en en point donné est la moyenne des mesures prises en parallèle aux différentes photos utilisées pour la génération de la carte des luminances. III Ciel extérieur, couvert, Ouvertures en toiture E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Carte de luminances pour l ouverture de 20cmx20cm Ouverture 20cmx20cm E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Ouverture 40cmx40cm Ouverture 60cmx60cm Figure III.41: Comparaison entre les résultats de la simulation et les données de référence pour les points de mesure A1-A4 (ciel extérieur, ouverture en toiture) Comme pour les scénarios de ciel artificiel, les graphiques de la figure III.41 montrent une bonne corrélation entre les mesures et les résultats de la simulation. Cependant, nous remarquons un écart plus important entre les résultats avant et après la correction de flux. Ceci est dû à l écart entre les éclairements extérieurs mesurés et calculés (à partir de la carte des luminances). En effet cet écart est plus important que celui observé dans le ciel artificiel, probablement à cause des hautes luminances observées en ciel extérieur. Mais ceci n a pas empêché de respecter la tendance de la courbe des éclairements, même sans correction des flux. 130

131 Chapitre III III Ciel extérieur, clair, Ouvertures en façade E (lx) Carte de luminances pour l ouverture de 40cmx20cm 100 A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Ouverture 40cmx20cm E (lx) E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Ouverture 60cmx40cm 0 A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Ouverture 80cmx60cm Figure III.42: Comparaison entre les résultats de la simulation et les données de référence pour les points de mesure A1-A4 (ciel extérieur, ouverture en façade) Comme pour les scénarios avec ouverture en toiture, nous observons dans les graphiques de la figure III.42 ci-dessus une bonne corrélation entre les mesures et les simulations, ainsi qu un grand écart entre les résultats avant et après la correction des flux. III Utilisation d une seule photo en mode de vitesse automatique "A" Afin de simplifier la procédure, nous testons la méthodologie proposée avec l utilisation d une seule photo pour la création des cartes de luminances et comparons les résultats à la précision de la procédure avec plusieurs photos par scénario. Pour une comparaison plus objective, nous avons pris pour un même scénario (délai assez court) une photo en mode vitesse automatique (f:6.2) suivie d une série de 5 photos avec des vitesses de 1/1000, 1/500, 1/250, 1/125, 1/60. Nous avons ensuite réalisé deux simulations, la première avec une carte de luminances analysée à partir de la photo en mode automatique, la deuxième simulation avec une carte analysée à partir de la série de photos prises en mode manuel. Scénario sous ciel extérieur, couvert, ouverture en toiture de 40cm 40cm : La photo (en mode de vitesse automatique) et les mesures sont prises le 9 octobre à 16h50 juste avant celles du scénario III auquel seront comparés les résultats de la simulation. Les résultats de la simulation sont quasi similaires à ceux avec une série de photos. En effet, dû à l homogénéité des luminances du champ de vision, l analyse de la photo en mode "A" ne présente des zones de saturation que vers l horizon où l effet sur l éclairement intérieur est négligeable. 131

132 Chapitre III Eclairement (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Correction flux Radiance Limite inférieure Figure III.43: Carte de luminances générée à partir d une photo en mode de vitesse automatique Figure III.44: Résultats de la simulation à partir d une photo en mode de vitesse automatique Scénario sous ciel extérieur, couvert, ouverture en façade de 40cm 20cm : La photo (en mode de vitesse automatique) et les mesures sont prises le 10 octobre à 11h47 juste avant celles du scénario III auquel seront comparés les résultats de la simulation. Eclairement (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Correction flux Limite inférieure Figure III.45: Carte de luminances générée à partir d une photo en mode de vitesse automatique Figure III.46: Résultats de la simulation à partir d une photo en mode de vitesse automatique Comme pour le scénario précédent, les résultats de la simulation à l aide d une photo en mode "A" sont quasi similaires à celle avec une série de photos. Même si la zone de saturation est importante pour la carte de luminances de ce test, son influence sur les résultats est limitée. En effet la zone de saturation correspond à une partie du sol extérieur dont la contribution est limitée à la composante réfléchie externe qui elle ne contribue pas sensiblement à l éclairement intérieur à cause du faible facteur de réflexion du plafond de la maquette. Les deux exemples mentionnés ci-dessus, ainsi que tous les autres tests que nous avons menés avec des photos en mode "A", nous ont permis de conclure sur la précision acceptable de cette procédure (an cas d une répartition peu contrastée des luminances) et d envisager l utilisation de notre méthode dans un test dynamique décrit dans la partie suivante. III.2.7 Etude dynamique sous un ciel réel variable III Ouverture en toiture de 20cm 20cm Dans cette partie, nous étudions la capacité de la méthode proposée à simuler la variation dynamique de la répartition des luminances de la voûte céleste. Nous avons placé la maquette à l extérieur. Des mesures d éclairement à l intérieur de la maquette ont été enregistrées toutes les secondes pendant une durée d environ 50 minutes. Des photos en mode "A" ont été prises toutes les 2 minutes environ. Pendant la période des mesures, le ciel était du type intermédiaire avec des éclaircies occasionnelles (voir les photos de la figure III.47). 132

133 Chapitre III L éclairement extérieur horizontal (global) variait entre et lux. (voir figure III.48) 10 octobre h46 10 octobre h49 10 octobre h57 10 octobre h03 10 octobre h06 10 octobre h10 10 octobre h13 10 octobre h19 10 octobre h30 Figure III.47: variation de l état du ciel pendant la période des mesures (ouverture en toiture) Variation de l éclairement extérieur : E (lx) :38 14:52 15:07 15:21 15:36 15:50 Ehz mesuré E hz calculé Figure III.48: Variation de l éclairement horizontal mesuré et calculé entre 14h45 et 15h35 La figure III.48 ci-dessus montre la variation des éclairements horizontaux calculés (par Photolux à partir des cartes de luminances) par rapport aux éclairements extérieurs mesurés. Nous remarquons une bonne corrélation entre les deux séries de valeurs sauf pour les deux 133

134 Chapitre III mesures prises avec une présence du rayonnement direct du soleil, ce que nous analysons dans III Variation de l éclairement intérieur : E (lx) :38 14:52 15:07 15:21 15:36 15:50 Temps de mesure A1 Mesures A1 Radiance Variation de E (lx) au point A1 E (lx) :38 14:52 15:07 15:21 15:36 15:50 Temps de mesure A2 Mesures A2 Radiance Variation de E (lx) au point A E (lx) :38 14:52 15:07 15:21 15:36 15:50 Temps de mesure A3 Mesures A3 Radiance Variation de E (lx) au point A3 E (lx) :38 14:52 15:07 15:21 15:36 15:50 A4 Mesures Temps de mesure Variation de E (lx) au point A4 A4 Radiance E (lx) :38 14:52 15:07 15:21 15:36 15:50 Temps de mesure A5 Mesures A5 Radiance Variation de E (lx) au point A5 E (lx) :38 14:52 15:07 15:21 15:36 15:50 Temps de mesure B5 Mesures B5 Radiance Variation de E (lx) au point B5 Figure III.49: Variation de l éclairement mesuré et simulé pour les différents points pendant la période de mesure Les graphiques de la figure III.49 ci-dessus montrent une bonne corrélation entre les mesures d éclairement à l intérieur de la maquette et les résultats des simulations numériques dans Radiance. Cependant, nous remarquons une différence importante entre la simulation et les deux valeurs mesurées environ 15h20, ce que nous analysons dans III Nous remarquons également une corrélation moins bonne pour le point B5. Ceci est probablement expliqué par la position de ce point de mesure dans la maquette (partie haute du mur, voir figure III.29). Finalement, nous notons que l utilisation des cartes de luminances réelles permet de mettre en évidence la différence entre la courbe des éclairements extérieurs et celle des différents points de mesure intérieurs. Cette différence dépend de la distribution des luminances de la zone du ciel perçue par chaque point. 134

135 Chapitre III III Etude dynamique, ciel extérieur intermédiaire, ouverture en façade de 80cm 60cm Le protocole appliqué à ce test est le même que pour le scénario précédent. Pendant la période des mesures, le ciel était du type clair puis au fur et à mesure s est transformé en ciel nuageux (voir figure III.50). L éclairement extérieur vertical au niveau de la façade (orientée sud-ouest) variait entre et lux. (voir figure III.51) 10 octobre h36 10 octobre h38 10 octobre h44 10 octobre h48 10 octobre h54 10 octobre h57 10 octobre h07 10 octobre h13 10 octobre h15 Figure III.50: variation de l état du ciel pendant la période des mesures Variation de l éclairement extérieur : E (lx) :33 13:40 13:48 13:55 14:02 14:09 14:16 14:24 Ev mesuré Ev Calculé Figure III.51: Variation de Ev mesuré et calculé entre 13h36 et 14h17 135

136 Chapitre III Comme pour l éclairement horizontal, la figure III.51 ci-dessus montre une bonne corrélation entre les éclairements verticaux mesurés et ceux calculés à partir des cartes de luminances. Variation de l éclairement intérieur : E (lx) :26 13:40 13:55 14:09 14:24 Temps de mesure A1 Mesures A1 Radiance Variation de E (lx) au point A1 E (lx) :26 13:40 13:55 14:09 14:24 A2 Mesures Temps de mesure Variation de E (lx) au point A2 A2 Radiance E (lx) :26 13:40 13:55 14:09 14:24 Temps de mesure A3 Mesures A3 Radiance E (lx) :26 13:40 13:55 14:09 14:24 Temps de mesure A4 Mesures A4 Radiance Variation de E (lx) au point A3 Variation de E (lx) au point A4 E (lx) :26 13:40 13:55 14:09 14:24 A5 Mesures Temps de mesure Variation de E (lx) au point A5 A5 Radiance E (lx) :26 13:40 13:55 14:09 14:24 Temps de mesure B5 Mesures Variation de E (lx) au point B5 B5 Radiance Figure III.52: Variation de l éclairement mesuré et simulé pour les différents points pendant la période de mesure III Analyse des erreurs de saturation du scénario dynamique avec ouverture en toiture. Comme nous l avons noté dans III.2.7.1, une surestimation importante apparaît pour le scénario avec ouverture en toiture pour les simulations de 15h19 et de 15h21. En vérifiant l éclairement extérieur mesuré à la même heure (mesures sur la toiture de la maquette et celles de la station météo IDMP de l ENTPE) et en regardant les photos correspondantes nous constatons une présence importante de rayonnement direct du soleil (34000 lux d éclairement direct sur lux d éclairement global selon les données de la station à 15h20). L éclairement horizontal global calculé à partir de la carte de luminances est d environ lux, c est-à-dire assez proche de l éclairement diffus mesuré. Ceci vient du fait que la zone qui correspond au cercle circumsolaire est en saturation ce qui fait que l apport du soleil n est pas pris correctement en compte dans la carte des luminances (voir figure III.53). 136

137 Chapitre III E (lx) Figure III.53: Carte de luminances calculée avec la zone de saturation A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance + Flux corrigé E Radiance (lx) Limite inférieure Figure III.54: Comparaison des résultats de la simulation avec et sans correction de flux Or la correction des flux affectée aux résultats de la simulation est calculée à partir du rapport entre Ehz (global) mesuré et Ehz calculé. Donc cette correction a été faussée pour ces deux cas particuliers et a conduit à la sur-estimation des éclairements intérieurs. D un autre côté, les résultats de la simulation avant correction de flux, étaient assez proches de la bande de tolérance avec une bonne corrélation et une différence égale à l écart moyen observé dans les autres scénarios entre Ehz mesuré et Ehz calculé (voir figure III.54). Ceci est dû au fait que l éclairement direct n atteint pas les points de mesure intérieurs. III.2.8 Conclusions et perspectives pour les cartes de luminances réelles III Conclusions générales Les comparaisons présentées ci-dessus et dans l annexe C montrent que la méthode proposée produit des résultats assez proches des mesures expérimentales en éclairement. Une bonne corrélation est trouvée dans la majorité des scénarios entre les courbes des éclairements simulés et mesurés avec une différence moyenne généralement en dessous des 6% en valeur absolue. C est à dire en dessous de l erreur estimée des mesures. Pour les ouvertures en façade dans le ciel artificiel, une meilleure corrélation est observée pour les points de mesure au sol (A1-A4) par rapport aux points du mur (A5, B5) où la différence peut dépasser les 20%. Les plus grandes différences sont observées pour les scénarios du ciel artificiel avec une ouverture de 40 40, ou de 80 80cm, ainsi que pour les scénarios en extérieur avec une ouverture de 40 20cm. Dans l étude dynamique, nous observons une bonne corrélation entre les mesures et les simulations sauf pour la période avec une présence importante du rayonnement solaire direct (Scénario avec ouverture en toiture). En conclusion de l étude de validation expérimentale, nous estimons que la méthode proposée peut être considérée comme une réponse valable au problème de description de la source de lumière naturelle dans les scénarios destinés à la création de références de validation. Cette méthode est également plus adaptée que les modèles de ciel standards pour la simulation des scénarios de champs de luminances complexes (ciel hétérogène, masques ). Au-delà du problème de saturation en cas de présence du soleil dans le champ de vision de l objectif (qui est commun à tous les systèmes de mesure de luminances de ciel), les limitations majeures auxquelles est confrontée cette méthode sont liées à l étalonnage des 137

138 Chapitre III appareils photo. Ainsi nous avons un écart entre l éclairement extérieur mesuré et calculé qui peut dépasser les 20%. Nous estimons que ceci est dû à un problème d étalonnage pour les hautes luminances. Cependant, ces limitations ne mettent pas en cause le concept proposé, et n empêchent pas d obtenir des bonnes précisions après normalisation des résultats par rapport à cet écart. III Perspectives Les perspectives envisageables pour l amélioration de la fiabilité et de l exploitation de la méthode sont liées aux points suivants : - L utilisation des nouvelles générations des Nikon Coolpix avec un temps d exposition jusqu à 1/4000s permettrait de minimiser les erreurs liées à la saturation de la zone circomsolaire. - Mener une procédure d étalonnage plus poussée (sous un ciel extérieur, prendre en compte l influence de l angle d incidence, des contrastes, de l aspect spectral et de la sensibilité de l œil ) devrait permettre d améliorer la précision des cartes de luminances et de se passer de la correction des flux. - Pour optimiser l utilisation de la méthode dans le domaine de la validation, il est possible d ajouter à la procédure la prise d une photo de l espace intérieur de la maquette pour permettre une observation plus complète de la distribution de la lumière. - Cette méthode pourra être utilisée dans la simulation de scénarios réels pour une meilleure prise en compte de l environnement urbain. Ceci permettrait par exemple d avoir une estimation plus précise de la performance des solutions d éclairage naturel envisagées dans un projet de rénovation. En effet, l utilisation des cartes de luminances réelles permet d éviter les différences (entre réalité et simulation) liées à la simplification des masques extérieurs par des surfaces à luminance uniforme. Ainsi on pourra mieux répondre aux exigences de garantie de rendement qui apparaissent de nos jours dans le domaine du bâtiment. - La bonne corrélation dynamique entre les résultats des simulations avec les cartes de luminances créées et les mesures d éclairement extérieur et intérieur, permet d envisager l utilisation des appareils photo étalonnés en luminance en tant que Scanner de ciel. Ceci nécessiterait une automatisation de la prise des photos avec des IL différents, ainsi que l intégration d un dispositif de protection du rayonnement direct. Ce type de système aurait comme avantage par rapport aux scanners de ciel standards, le fait de pouvoir créer des cartes de luminances continues (des milliers de points au lieu des 145 points) dans un délai beaucoup plus court (égal au temps d exposition de la photo). III.3 Exemples de cas-tests en lumière naturelle avec utilisations des cartes de luminances réelles. La précision obtenue avec la méthode proposée pour la description des champs de luminances permet de l utiliser dans la description des scénarios expérimentaux destinés aux travaux de validation. Ainsi tous les scénarios, utilisés ci-dessus pour la validation de la méthode, où une bonne corrélation est obtenue entre les mesures et les simulations ( différence < erreur globale calculée), peuvent être considérés comme des cas-tests fiables pour la validation des logiciels de simulation de l éclairage naturel. Ci-dessous, nous présentons 2 exemples types de description de cas-test avec utilisation des cartes de luminances réelles. 138

139 Chapitre III III.3.1 Eclairage intérieur sous une ouverture en toiture et un ciel extérieur nuageux III Description de la géométrie La géométrie utilisée est celle de la maquette de l ENTPE avec une ouverture en toiture. Les dimensions intérieures sont de 80cm 80cm au sol avec 60cm de hauteur. L ouverture a une dimension de 40cm 40cm centrée par rapport à la surface du plafond avec 36mm d épaisseur. Les points de mesure utilisés sont décrits dans la figure III.29. III Photométrie des matériaux Les surfaces intérieures sont en bois contreplaqué peint en noir. Le facteur de réflexion est de 5% avec une variation de +/-0.5%. L aspect bidirectionnel de la réflexion de la lumière sur ces surfaces est caractérisé par l indicatrice de luminances de la figure III.17. III Description du champ de luminances externe à l ouverture La source de lumière est un ciel extérieur nuageux avec une distribution de luminances enregistrée en même temps que les mesures d éclairement à l intérieur de la maquette. Cette distribution est décrite par la carte des luminances hémisphérique montrée dans la figure 14 de l annexe C ainsi que par le ciel équivalent décrit au format Radiance avec un maillage régulier de 1 en horizontal et 1 en vertical (voir annexe H). L éclairement horizontal résultant est égal à lux. La luminance moyenne du ciel est de 3539 cd/m². La luminance maximale est de cd/m². La luminance minimale est de 167 cd/m². III Les valeurs de référence L estimation des erreurs potentielles des mesures est représentée dans le tableau III.8 cidessous. Sources d erreurs de mesure Valeur estimée de l erreur potentielle (+/-%) Précision des capteurs 3 Correction de cosinus 2 Sensitivité spectrale 1 Fluctuation du flux entrant 2 La position des capteurs 1 Sources d erreurs liées à la simulation Champ proche 0 Facteur de réflexion (ρ) 1 Homogénéité de ρ 0.5 Réflexion directionnelle 1 Dimension de la géométrie 0.5 Précision des luminances calculées 3 Maillage et interpolation des luminances dans la simulation 1 Tableau III.8: Estimation des erreurs potentilles L erreur potentielle globale calculée est égale à 5.5%. Les valeurs de référence sont alors présentées sous forme d une bande de tolérance égale à l éclairement mesuré sur chaque point 139

140 Chapitre III (après normalisation par rapport à l écart des flux entre mesure et carte des luminances) +/- 5.5% (voir tableau III.9 et figure III.55). Points de mesure A1 A2 A3 A4 A5 B5 Limite supérieure (lx) E Simulation (lx) Limite inférieure (lx) Tableau III.9: La bande de tolérance pour les valeurs d éclairement au sol et au mur Eclairement (lx) A1 A2 A3 A4 A5 B5 Limite supérieure Limite inférieure Figure III.55: La bande de tolérance pour les valeurs d éclairement au sol et au mur III.3.2 Simulation de la transmission bidirectionnelle des matériaux III Introduction Une des plus grandes limitations de la simulation numérique de l éclairage de nos jours est la transmission bidirectionnelle à travers les matériaux complexes de plus en plus utilisés dans les systèmes de fenêtres. Tout d abord cette limitation est liée à un problème de mesures des caractéristiques bidirectionnelles de ces matériaux : la précision de ces mesures nécessites des moyens logistiques et financiers trop importants. Ensuite, c est le problème de l exploitation de ce type de mesures qui s impose. De nos jours, de nombreux efforts sont menés au niveau international et européen afin d améliorer la maîtrise des mesures bidirectionnelles des matériaux avec des moyens moins lourds, que ça soit des dispositifs expérimentaux [Andersen, 2003] ou numériques [Andersen, 2003] [De Boer, 2003] [Greenup, 2000] [Mitanchey, 1995]. Quel que soit le moyen utilisé pour la caractérisation de ce type de matériaux, l objectif final est généralement de pouvoir déterminer leur performance en matière de distribution des flux lumineux incidents à l intérieur des espaces. Dans le cadre de ce contexte, et dans l esprit de notre méthodologie de validation, nous nous sommes intéressés à la création de références expérimentales qui permettent de vérifier la précision des méthodes utilisées dans la simulation des performances des matériaux vitrés à aspect bidirectionnel. L importance de cette tâche est due à la rareté, malgré le besoin, des références de ce type. Nous utilisons dans notre protocole la maquette expérimentale de l ENTPE, mais aussi et surtout notre méthode de caractérisation des champs de luminances. En effet, dans un 140

141 Chapitre III phénomène de propagation de la lumière à travers ce type de matériaux, la distribution des flux à l intérieur est extrêmement sensible à la description de la source extérieure. Le protocole expérimental utilisé consiste à prendre des mesures d éclairement à l intérieur de la maquette avec et sans la présence de l échantillon à tester. En même temps que ces mesures, nous enregistrons la répartition du champ des luminances externes à l aide du Nikon Coolpix. La couleur noire des surfaces intérieures permet de limiter l influence des inter-réflexions internes. Les mesures sans échantillon permettent de séparer l erreur liée aux mesures et à la description générale du scénario, de celle liée à l aspect bidirectionnel du matériau. III Description du scénario La géométrie utilisée et la photométrie des surfaces intérieures sont les mêmes que pour le cas-test précédent. Le matériau vitré utilisé est un échantillon de Serraglaze de 25cm 25cm. Sa géométrie et son positionnement sont décrits dans les Figures suivantes. Figure III.56: Description géométrique du Serraglaze Position de l échantillon sur l ouverture Vue de l intérieur Vue de l extérieur Figure III.57: Positionnement du Serraglaze sur l ouverture de la maquette Le champ de luminances enregistré en même temps que les mesures est décrit par la carte de luminances montrée dans la figure III.58 ci-dessous. 141

142 Chapitre III Figure III.58: Carte de luminances enregistrées L éclairement horizontal résultant est égal à lux. La luminance moyenne du ciel est de 4476 cd/m². La luminance maximale est de 7323 cd/m². La luminance minimale est de 274 cd/m². III Mesures de référence L erreur globale estimée des mesures effectuées sans l échantillon est estimée à +/-6%. Pour les mesures avec l échantillon, cette erreur est estimée à +/-10% y compris l erreur liée à la position exacte de l échantillon. Bande de tolérances des mesures sans échantillon : Points de mesure A1 A2 A3 A4 A5 B5 Limite supérieure (lx) E Simulation (lx) Limite inférieure (lx) Tableau III.10: Données de référence en éclairement (sans l échantillon) Bande de tolérances des mesures avec l échantillon : Points de mesure A1 A2 A3 A4 A5 B5 Limite supérieure (lx) E Simulation (lx) Limite inférieure (lx) Tableau III.11: Données de référence en éclairement (avec l échantillon) La transmission hémisphérique-directe du matériau pour les différents points de mesure et sous le champ des luminances testé est calculée à partir du rapport entre les mesures avec et sans échantillon. Elle est présentée dans le tableau 21 ci-dessous avec une marge de tolérance de +/- 10%. Points de mesure A1 A2 A3 A4 A5 B5 Limite supérieure (%) Simulation (%) Limite inférieure (%) Tableau III.12: Données de référence en transmission hémisphérique-directe 142

143 Chapitre III III.4 Exemple de cas-tests en lumière artificielle III.4.1 Introduction Le cas-test suivant est défini à partir d un travail expérimental conduit par la CIBSE en Grande Bretagne et dont la description a été publiée dans le rapport TM 28/00 de la CIBSE [Slater, 2002] Le but de ce travail était de produire des données de validation pour les logiciels de simulation de l éclairage artificiel. Un effort remarquable a été effectué pour minimiser et analyser l importance des sources d erreurs potentielles. Le protocole expérimental de ce travail comprenait 6 scénarios différents en lumière artificielle. La photométrie de chaque luminaire a été mesurée séparément. Vu l intérêt de ce travail dans le domaine de la validation, et vu la difficulté et les coûts importants qu engendrent de telles expérimentations, nous avons choisi l un de ces scénarios pour définir un exemple type de cas-test avec référence expérimentale en générale et en lumière artificielle, en particulier. Nous avons rédigé la description de ce cas en suivant les recommandations mentionnées dans III.1.1 ainsi que le modèle type défini dans l esprit de notre méthodologie de validation proposée. La totalité des 6 scénarios a été présentée sous forme de 6 cas-tests avec références expérimentales dans le cadre de l activité du TC.3.33 de la CIE. III.4.2 Description du scénario III La géométrie La pièce testée est de forme rectangulaire d une dimension de 6m78 par 6m72. La hauteur du plafond est de 3m24. Figure III.59: Plan de la pièce de test avec la position des luminaires et des points de mesure III Photométrie des matériaux - La surface du plafond est noire avec un facteur de réflexion moyen de / Le sol a une couleur brun foncé avec un facteur de réflexion de 0.06+/ Les murs sont peints en noire mat avec un facteur de réflexion de 0.04+/-0.01 N.B. Aucune mesure bidirectionnelle n a été conduite sur les surfaces intérieures de la pièce. 143

144 Chapitre III III La position des luminaires Quatre luminaires sont utilisés et placés sur une trame de 2 2 avec un espacement de 3m39 le long de l axe des X et de 3m36 le long de l axe des Y. - Le luminaire 1 est placé sur le coté gauche du haut comme indiqué dans la figure III.59. Il a les coordonnés suivants : X=1m695, Y=1m Le luminaire 2 est placé sur le coté gauche du bas (X=1m695, Y=5m040). - Le luminaire 3 est placé sur le coté droit du haut (X=5m085, Y=1m680). - Le luminaire 4 est placé sur le coté droit du bas (X=5m085, Y=5m040). La hauteur des luminaires est de 3m20. L axe CO des quatre luminaires est parallèle à l axe des Y et orienté vers le mur de bas. III La photométrie des luminaires Les luminaires utilisés dans ce test sont munis de réflecteurs semi-spéculaires : dimension carrée de 60cm 60cm, Cat. No. U1701/318 P1, avec 3 lampes Philips nouvelle génération TL-18W, et des ballasts de 18W à haute fréquence. Le flux total sortant de chaque luminaire est comme suit : - Luminaire 1: lm - Luminaire 2: lm - Luminaire 3: lm - Luminaire 4: lm Les données photométriques des luminaires sont présentées au format CIBSE TM14 [CIBSE, 1988]. III Les points de mesure Les points de mesure sont définis sur une trame régulière de 7 7 centrée par rapport aux murs (voir figure III.59). Le plan de mesure est à une hauteur de 80 cm du sol. III.4.3 Les mesures de référence III Estimation des erreurs L erreur totale estimée des mesures (Em) est de : - +/- 6.7% pour l éclairement ponctuel - +/- 3.8% pour l éclairement moyen L erreur globale estimée (Eg, y compris les erreurs de simulation) est de : - +/- 10.5% pour l éclairement ponctuel - +/- 6.3% pour l éclairement moyen III Valeurs d éclairements ponctuels Pour les éclairements ponctuels, les valeurs de référence sont présentées sous forme de tableau avec 2 paires de limites supérieures ou inférieures. La première paire correspond aux erreurs de mesure et elle est égale aux valeurs mesurées +/- 2 Em (+/- 13.4%). La deuxième paire de limites comprend les erreurs de simulation en plus des erreurs de mesure et elle est égale aux valeurs mesurées +/- 2 Eg 20%). Entre les deux paires de limites, une ligne est 144

145 Chapitre III réservée aux résultats de la simulation. Le tableau III.13 donne un exemple de la présentation des valeurs de référence. Position Capteur LS-Eg (lx) LS-Em (lx) Simulation LI-Em (lx) LI-Eg (lx) Tableau III.13: Les limites supérieures et inférieures pour les mesures d éclairement ponctuel LS-Em est la limite supérieure liée aux erreurs de mesure. LI-Em est la limite inférieure. LS-Eg est la limite supérieure liée aux erreurs globales. LI-Eg est la limite inférieure. III Valeurs d éclairement moyen Pour l éclairement moyen sur le plan de mesure, les valeurs de référence sont présentées dans le tableau III.14 sous forme de limite supérieure et inférieure en relation avec l erreur globale (mesures+/- 2 Eg = mesures +/- 12.6) éclairement moyen Limite supérieure (lx) Simulation Limite inférieure (lx) Tableau III.14: Les limites supérieures et inférieures pour les mesures d éclairement moyen III.4.4 Analyse critique du protocole Le protocole utilisé pour la réalisation de ce travail représente un exemple à suivre pour la production de références expérimentales de validation. Cependant nous notons quelques remarques et quelques propositions d amélioration qu on pourrait intégrer dans ce type de travaux si les budgets financiers le permettaient : - Il est préférable, pour un scénario donné, de prendre toutes les mesures à l intérieur en même temps, - Le fait de négliger l aspect bidirectionnel des surfaces peut introduire une erreur importante, - Nous estimons que la marge de tolérance accordée (2 erreur globale) est trop importante et rend plus difficile la possibilité de juger la précision d un logiciel testé. III.5 Autres propositions de cas-tests avec référence expérimentale Dans le cadre d une méthodologie de validation des logiciels plus complète, et dans le respect des recommandations décrites dans ce chapitre, nous proposons la création ou l utilisation de références expérimentales liées aux thèmes suivants : III.5.1 Transmission bidirectionnelle Pour tester la capacité des logiciels à simuler l influence de différents types de parois vitrées et de systèmes de protection solaire, nous proposons d utiliser le protocole décrit dans III.3.2 pour créer une série de cas-tests similaires avec d autres échantillons. Cependant, il est important pour ce type de scénarios de pouvoir décrire avec précision les propriétés photométriques de ces échantillons (ou de leurs composants). 145

146 Chapitre III III.5.2 Réflexion bidirectionnelle Pour tester la capacité d un logiciel à simuler l aspect bidirectionnel d un matériau en réflexion, nous proposons d utiliser le protocole décrit dans II.14.6 pour créer une série de cas-tests similaires avec des échantillons réels. Les fonctions BRDF des échantillons doivent être mesurées avec précision. III.5.3 Qualité spectrale des sources Pour tester la capacité d un logiciel à simuler l aspect spectral de la lumière, nous proposons de créer un cas-test basé sur la procédure suivante : Une source lumineuse (dont le spectre est connu ou mesuré) éclaire un échantillon de couleur standard (CIE). La couleur apparente de l échantillon est mesurée à l aide d un spectrophotomètre. La comparaison entre la simulation et les mesures peut se faire en mode RGB en calculant les valeurs RGB correspondantes au spectre mesuré. III.5.4 Le photo-réalisme (des images de synthèse) Afin de juger sur le photo-réalisme des images de synthèse produites à partir d une simulation numérique de l éclairage, nous proposons de créer un nombre de cas-tests basés sur la procédure suivante : - Choisir un scénario pour lequel existe une description complète (géométrie, photométrie des matériaux, photométrie et position des luminaires, ) - Prendre une photo numérique du scénario avec des paramètres bien précis (position de l appareil photo, orientation, angle d ouverture ) - Simuler le scénario à l aide de ces données et générer une image de synthèse Pour la comparaison de l image de synthèse à la photo numérique, il est possible d utiliser les fonctionnalités correspondantes proposées dans les logiciels d édition d images. Cependant, il faut prendre en considération les sources d erreurs potentielles. Celles-ci peuvent être liées à la description géométrique et photométrique du scénario, mais aussi aux réglages de luminosité, aux balances des blancs, etc. III.5.5 Les cartes de luminances Pour tester la précision des cartes de luminances produites par certains logiciels à partir d une simulation, nous proposons de suivre la procédure décrite pour les cas-test de photo-réalisme, mais en utilisant un photo-luminance-mètre calibré à la place de l appareil photo. Pour la comparaison des données simulées aux données mesurées, il existe des outils numériques capables de calculer la corrélation entre deux images. III.5.6 Les scénarios de la tâche 21 de l IEA Nous proposons d utiliser les scénarios décrits dans l annexe 29 de l IEA 21 en tant que castests en lumière naturelle. [Fontoynont, 1999] 146

147 Chapitre III Conclusions Ce chapitre nous a permis de mettre en évidence les difficultés liées à la création de références expérimentales fiables pour la validation des logiciels. Nous avons montré l intérêt que représente dans ce domaine la simplification des scénarios et nous avons proposé un cahier des charges à respecter pour atteindre cet objectif. Nous avons proposé une méthode de présentation objective des mesures expérimentales. Elle prend en considération les erreurs potentielles dans les valeurs mesurées et le fait que dans le domaine expérimental, la vérité absolue n existe pas. Nous avons proposé et validé une nouvelle méthodologie de description des champs de luminances réels, ce qui permet de minimiser une source d erreurs importante dans les protocoles expérimentaux de validation. Nous avons donné des exemples de références expérimentales fiables dans le domaine de la simulation de la lumière naturelle et artificielle, mais également dans le domaine de la simulation de la transmission bidirectionnelle des matériaux complexes. Les cas-tests avec référence expérimentale traités dans ce chapitre peuvent être classés par rapport à la nature de l aspect de la propagation de la lumière traité, comme le montre le tableau III.15 ci-dessous. Référence Thème Art Nat Direct Ind. BRDF BTDF Spectr III Ciel artificiel, ouverture en toiture x x III Ciel artificiel, ouverture en façade x x IV Ciel artificiel, ouverture en façade + obstruction x x III Ciel extérieur couvert, ouverture en toiture x x III Ciel extérieur clair, ouverture en façade x x III Ciel extérieur dynamique, ouverture en toiture x x III Ciel extérieur dynamique, ouverture en façade x x III.3.2 Transmission bidirectionnelle x x x III.4 Lumière artificielle (CIBSE) x x x II.5.2 Réflexion bidirectionnelle x x x x II.5.3 influence spectrale des sources x x x x III.5.4 Photo-réalisme des Images de synthèse x x x x x x x III.5.5 Précision des cartes de luminance x x x x x x x III.5.6 Les maquettes de l IEA 21 x x x Tableau III.15: Classement des cas-tests proposés avec référence expérimentale 147

148 Chapitre III Références bibliographiques ANDERSEN M., RUBIN, M., POWLES, R., SCARTEZZINI, J. L. Bi-directional light transmission properties assessment for venetian blinds: Computer simulations compared to photogoniometer measurements. ISES Solar World Congress Solar Energy for a Sustainable Future, Gothenburg - Sweden. International Solar Energy Society, ANDERSEN M., RUBIN, M., SCARTEZZINI, J.-L. Comparison between ray-tracing simulations and bi-directional transmission measurements on prismatic glazing. Solar Energy, 2003, vol. 74, n 2, pp ASHDOWN I. Thinking photometrically Part II Las Vegas: Workshop at Lightfair International, 2001, 42 p. BERRUTO V., FONTOYNONT, M. Application of CCD cameras to lighting research: review and extension to the measurement of glare indices. CIE 23rd Session, New Delhi, 1995, pp CIBSE. CIBSE standard file format for electronic transfer of luminaire photometric data. CIBSE TM 14. London: CIBSE, CIE. Methods of Characterizing Illuminance Meters and Luminance Meters. CIE-69. Vienne: Commission Internationale de l'eclairage, CIE. The Photometry and Goniophotometry of Luminaires. CIE-121. Vienne: Commission Internationale de l'eclairage, CIE. Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance. CIE-130. Vienne: Commission Internationale de l'eclairage, COUTELIER B. Caractérisation du confort visuel dans les lieux de travail grâce à un dispositif expérimental de mesure de luminance. DEA en génie civil. Vaulx en Velin: ENTPE, 2001, 76 p. DE BOER J. Encorporation of numerical goniophotometry into daylighting design. CISBAT 2003, Lausanne. EPFL, 2003, pp DUMORTIER D. Lumière naturelle et rayonnement solaire - Mesures au sol et estimations à partir d'images satellites - Développement de services Web pour l'éclairage naturel des bâtiments. HDR Thermique et Energétique. Vaulx en Velin: ENTPE, 2003, 161 p. DUMORTIER D., VETRO, P. Luminance calibration of the Nikon 950 digital cameras. Lux Europa, Reykjavik, FONTOYNONT M., LAFORGUE, P., MITANCHEY, R., AIZLEWOOD, M., BUTT, J., CARROLL, W., HITCHOCK, R., ERHORN, H., DE BOER, J., DIRKSMÖLLER, M., MICHEL, L., PAULE, B., SCARTEZZINI, J-L., BODART, M AND ROY G. Validation of daylighting simulation programs. IEA SHC Task 21/ ECBCS Annex , 28 p. 148

149 Chapitre III GREENUP P. J., EDMONDS, I. R., COMPAGNON, R. RADIANCE algorithm to simulate laser-cut panel light-redirecting elements. Lighting Research & Technology, 2000, vol. 32, n 2, pp HOPKINSON R. G., PETHERBRIDGE, P., LONGMORE, J. Daylighting. William Heinneman Ltd. London., IESNA. Lighting Handbook. 8th Edition. New York: Illuminating engineering Society of North America, IESNA. IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data. IESNA LM New York: Illuminating engineering Society of North America, 1995, 5 p. IESNA. Approved method for photometric testing of indoor fluorescent luminaires. IES LM New York: Illuminating engineering Society of North America, IESNA. IESNA approved method for photometric testing of indoor luminaires using High Intensity Discharge or Incandescent Filament lamps. IES LM New York: Illuminating engineering Society of North America, IESNA. IESNA guide to lamp seasoning. IES LM New York: Illuminating engineering Society of North America, IESNA. IESNA approved method for the electrical and photometric measurements of singleended Compact Fluorescent lamps. IES LM New York: Illuminating engineering Society of North America, MAAMARI F., FONTOYNONT, M. Use of IEA-SHC Task 21 C benchmarks to assess performance of Lightscape 3.2 in daylighting calculations. EPIC, Lyon, France, 2002, pp MAAMARI F., JONGEWAARD, M., KOSTER, J., TRANSGRASSOULIS, A. FONTOYNONT, M. A Step Toward A Complete And Objective Validation Methodology For Lighting Simulation Tools. CIE 25th Session, San Diego, 2003, pp. 4. MAAMARI F., PEZZANA, S. Representing external luminance distributioin by mean of a luminaire with an equivalent photometric file in daylighting simulations. Rapport interne. Vaulx en Velin: LASH-DGCB-ENTPE, 2001, 20 p. MARDALJEVIC J. Validation of a Lighting Simulation Program Under Real Sky Conditions. International Journal of Lighting Research & Technology, 1995, vol. 27, n 4, pp MARDALJEVIC J. Parallax errors in sky simulator domes. IEA Task-31 & CIE Div-3 IEA mini-conference, Ottawa - Canada, MARDALJEVIC J. Quantification of Parallax Errors in Sky Simulator Domes for Clear Sky Conditions. Lighting Research and Technology, 2002, vol. 34, n 4, pp

150 Chapitre III MITANCHEY R. Synthèse d'images appliquée à l'éclairagisme intérieur des bâtiments. Thèse en Informatique, spécialité images. Saint-Etienne: L'école Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, 1996, 200 p. MITANCHEY R., PERIOLE, G., FONTOYNONT, M. Goniophotometric measurements: Numerical simulation for research and development applications. Lighting Research and Technology, 1995, vol. 27, n 4, pp NAKAMURA H., OKI, M. Measurement of luminance distribution under various sky conditions by orthographic projection camera. CIE 18th Session, London, 1975, pp SLATER A. Experimental data sets for artificial lighting. London: Building Research Establishment, SLATER A., GRAVES, H. Benchmarking Lighting Design Software. TM 28/00. London: CIBSE, 2002, 33 p. VETRO P. Application d'un appareil photographique numérique à la réalisation de champs de luminance. Civil engineering. Vaulx en Velin: ENTPE, 2000, 46 p. 150

151 Chapitre IV Chapitre IV Utilisation des cas test pour la validation d un logiciel de simulation de l éclairage et du concept des luminaires équivalents Résumé Dans ce chapitre, nous utilisons les cas-tests définis dans les deux chapitres précédents pour tester les capacités et les limites d un logiciel de simulation de la lumière, Lightscape 3.2. Cette étude montre à partir d un exemple concret l utilité de la méthode de validation proposée. Elle montre une bonne précision du logiciel dans la simulation de la lumière artificielle et dans le calcul de radiosité à l intérieur d une géométrie. Elle permet également d identifier un certain nombre de points faibles liés essentiellement à la simulation de la lumière naturelle dans ce logiciel : - Son incapacité à simuler la transmission directionnelle des vitrages, - Ses erreurs de conservation de flux en lumière naturelle, - Son manque de précision dans le calcul de la composante directe pour un ciel CIE clair ou couvert, - Son manque de précision dans le calcul de la composante réfléchie externe due au sol et dans le calcul de la réflexion diffuse sur les grandes surfaces en général. Pour contourner ces limitations, nous proposons une méthode qui consiste à simuler la contribution de l environnement extérieur (à éclairement intérieur) à l aide d un luminaire équivalent positionné au niveau de l ouverture. Ce luminaire est associé à une photométrie équivalente à la distribution des luminances externes. Nous menons une étude de validation de cette méthode à l aide de nos cas-tests. L analyse des résultats montre que l utilisation de luminaires équivalents permet à Lightscape de simuler avec précision des scénarios de lumière naturelle. De plus elle permet de réduire le temps de calcul. Cette méthode est d ailleurs utilisable dans tout logiciel capable de simuler correctement la propagation de la lumière à partir d un luminaire, La comparaison avec les résultats de Lightscape a montré que cette méthode permet avec un temps de calcul plus réduit de s affranchir des limitations du logiciel citées si-dessus. La comparaison avec les résultats de Radiance pour les scénarios expérimentaux (présentés dans III.2.4) montre que la méthode proposée est aussi précise que Radiance dans la simulation de la lumière naturelle à l aide des cartes de luminances réelles. Pour certains scénarios testés, nous menons une étude de sensibilité et/ou une analyse paramétrique afin de mieux comprendre la variation des résultats avec les paramètres de calcul et avec la configuration des scénarios, et en particulier pour les scénarios en champ proche. 151

152 Chapitre IV 152

153 Chapitre IV Table de matières 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 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

154 Chapitre IV 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

155 Chapitre IV Introduction Dans I.3.5, nous avons proposé le concept de base pour une méthodologie de validation des logiciels de simulation de l éclairage. Il consiste à définir des scénarios qui mettent en évidence un certain aspect de la propagation de la lumière, et à produire les références analytiques ou expérimentales pour ces scénarios. La simulation de chacun de ces scénarios avec un logiciel donné et la comparaison des résultats avec les références correspondantes, permet de vérifier si ce logiciel est capable de simuler correctement l aspect mis en évidence dans le scénario. La comparaison des résultats du logiciel avec une série de scénarios couvrant différents aspects de la propagation de la lumière, offre une vision plus large sur le domaine d application de ce logiciel, sur ses limites et ses points faibles. Ceci conduit à un choix et une utilisation plus consciencieuse des logiciels, et donc à plus de confiance et d objectivité dans l analyse des résultats. Cette méthodologie peut être utilisée pour tester un logiciel donné, mais aussi pour comparer de plusieurs logiciels afin de choisir celui qui répond le mieux à un domaine d activité donné. [Maamari, 2003] [Maamari, 2003] Puisque les résultats d une simulation en éclairage sont extrêmement sensibles aux paramètres de calcul utilisés dans le logiciel, il est important d associer aux comparaisons, quand c est possible, une étude paramétrique. Ceci permet de mieux comprendre la variation de la précision du logiciel dans les différents aspects de la propagation de la lumière avec la variation des différents paramètres de calcul. Ainsi, selon l objectif de la simulation, il devient possible d optimiser les paramètres de façon à atteindre la meilleure précision avec un temps de calcul le plus court possible. Dans cette partie du travail, nous appliquons les cas test proposés précédemment pour tester un logiciel commercial, Lightscape 3.2, ainsi qu une méthode de simulation de la lumière naturelle à travers des luminaires équivalents. Cette méthode consiste à remplacer les sources de lumière extérieure à une ouverture d un bâtiment, y compris le ciel, le sol extérieur et les obstructions, par un luminaire équivalent sur la surface de l ouverture. La photométrie de ce luminaire sera déduite de la répartition hémisphérique des luminances à l extérieur, qui à son tour est déduite des modèles de ciels standards ou bien d une analyse des photos numériques prises avec un angle d ouverture de 180. L importance de cette méthode vient du fait qu elle permet à tout logiciel capable de simuler des scénarios de lumière artificielle de simuler également des scénarios de lumière naturelle. Ceci permet de rendre la simulation de la lumière naturelle accessible à un plus grand nombre d utilisateurs et de concepteurs lumière. La méthodologie des luminaires équivalents est testée à l aide de Lightscape 3.2, c est à dire le même logiciel que nous testons en parallèle. Ceci permet de prendre en considération l erreur liée au logiciel dans l analyse des résultats de la méthode. Cela permet également de comparer les résultats de la méthode à ceux du logiciel (obtenus avec une procédure classique) dans la simulation de la lumière naturelle, et d en déduire l apport que peut présenter la méthode par rapport à celle utilisée dans un nombre de logiciels existants. 155

156 Chapitre IV IV.1 Validation du logiciel Lightscape 3.2 IV.1.1 Présentation du logiciel IV Description générale du logiciel [Autodesk, 1999] [Maamari, 2000] Lightscape est un logiciel de simulation et de visualisation en éclairage. Il utilise un algorithme de radiosité pour le calcul de la propagation de la lumière entre les sources naturelles ou artificielles, et les surfaces du volume tridimensionnel, puis pour le calcul des inter-réflexions diffuses entre les différentes surfaces. Le résultat d un calcul de radiosité contient toutes les informations quantitatives (en éclairement et en luminance) et il est enregistré dans un espace tridimensionnel indépendamment du point de vue. Une fois le calcul terminé, le résultat peut ainsi être visualisé sous n importe quel angle de vue, et des valeurs quantitatives peuvent être obtenues pour n importe quelle surface de la géométrie. Après un calcul de radiosité, Lightscape offre la possibilité d améliorer le résultat graphique à l aide d un algorithme de lancer de rayons qui permet de prendre en considération les réflexions spéculaires. Contrairement au calcul de radiosité, le résultat du lancer de rayons est enregistré sous forme d une image de synthèse bidimensionnelle correspondant à un point de vue donné. La procédure de lancer de rayons n affecte donc pas les résultats quantitatifs obtenus suite au calcul de radiosité. La procédure de simulation dans Lightscape commence par l importation de la géométrie (format DXF ou DWG) dans un fichier appelé de "préparation". C est dans ce fichier que sera complétée la description et la préparation du scénario pour le calcul de radiosité, en particulier à travers la description de la photométrie des sources et des matériaux. Certaines corrections géométriques (construction, déplacement ou orientation de surfaces) peuvent également être réalisées à l aide d une interface DAO simplifiée. Une fois la préparation terminée, la simulation peut être initiée et un nouveau fichier est alors créé dans un nouveau format, c est le "fichier solution". Les paramètres de calcul de radiosité, qui servent à gérer la précision de ce calcul, peuvent être définis dans le fichier de préparation ou de solution, mais une fois le calcul lancé, c est dans le second fichier que seront enregistrés les résultats. Nous présentons ci-dessous les différentes fonctionnalités disponibles dans le logiciel pour la simulation numérique de l éclairage. IV Description des propriétés physiques des matériaux Après l importation ou la création d une géométrie, le logiciel offre la possibilité de modifier les propriétés physiques des matériaux affectés aux différentes surfaces, à l aide de la boite de dialogue "material properties". Les propriétés physiques ayant une influence sur la propagation de la lumière et prises en considération dans les résultats quantitatifs du calcul de radiosité sont limitées au facteur de réflexion ou de transmission des surfaces. Dans Lightscape, la variation du facteur de réflexion d un matériau est liée directement à la valeur V de la couleur présentée en mode HSV. Cette valeur varie entre 0 (pour un facteur de réflexion théorique de 0%) et 1 (pour un facteur de réflexion théorique de 100%). Le facteur de transmission est affecté par le paramètre de transparence (variant de 0 à 1), mais aussi par la valeur V de la couleur en mode HSV. Pour plus de précision et de simplicité, il est 156

157 Chapitre IV possible de choisir la valeur 1 pour la transparence, le facteur de transmission dépendra alors uniquement de V. Figure IV.1: Boite de dialogue "Material Properties" La boîte de dialogue material properties offre également la possibilité de gérer le type de réflexion des surfaces à travers le paramètre de brillance (Shininess) variant de 0 (pour une réflexion 100% diffuse) à 1 (pour une réflexion 100% spéculaire). Cependant ce paramètre est pris en considération uniquement dans un calcul de lancer de rayons. Quelle que soit la valeur choisie, le calcul de radiosité suppose que les réflexions sur toutes les surfaces de la géométrie sont totalement diffuses. IV Description de la lumière de jour Figure IV.2: Boite de dialogue "Daylight Setup" Lightscape offre la possibilité de décrire la lumière du jour à l aide de la boite de dialogue Daylight Setup. Pour la position et la luminance du soleil, il est possible de les décrire en mode automatique à l aide des données géographiques (latitude et longitude) et d une date et une heure données. Il est également possible de les décrire à l aide de l option de contrôle direct en précisant les angles horizontal et vertical voulus. Le contrôle de la luminance du soleil est obtenu en variant le paramètre de l éclairement résultant sur une échelle variant de 0 à lx. Pour les conditions de ciel, il est possible de choisir entre trois types de ciel : clair, intermédiaire et nuageux. D après les développeurs du logiciel, les modèles de ciel utilisés pour modéliser le ciel clair et nuageux sont ceux recommandés par l IESNA [IESNA, 1984] : le ciel CIE clair et le ciel CIE couvert. D après une étude de sensibilité que nous avons menée [Maamari, 2000], les paramètres qui permettent à Lightscape de s approcher le mieux des caractéristiques d un ciel CIE couvert (en particulier le rapport E-vertical/Ehz), sont ceux d un ciel nuageux et d un soleil à 0lx d éclairement résultant. Le logiciel offre également la possibilité d enregistrer ou non la composante directe due au ciel et/ou au soleil. Ceci peut être particulièrement utile pour quantifier séparément la composante réfléchie interne ou bien pour séparer l apport direct du ciel de celui du soleil. Concernant le sol extérieur, Lightscape ne permet pas de le prendre en considération par défaut comme c est le cas dans un certain nombre de logiciels. Pour pouvoir simuler la 157

158 Chapitre IV contribution d un sol extérieur, l utilisateur doit donc modéliser une surface équivalente de grande dimension. IV Description des luminaires Figure IV.3: Boite de dialogue "Luminaire properties" La boîte de dialogue Luminaire properties permet de gérer la description des luminaires. Les luminaires peuvent être simulés dans Lightscape en tant que sources ponctuelles, linéaires ou surfaciques. La distribution des intensités de cette source peut être décrite à l aide d un fichier photométrique au format IESNA. Le flux attribué à la source peut être calculé automatiquement à partir du fichier photométrique ou bien peut être spécifié par l utilisateur. Pour une source linéaire ou surfacique, le flux du luminaire est réparti sur une série de sources ponctuelles qui forment une subdivision de la surface linéaire ou surfacique du luminaire, et qui ont la même photométrie attribuée au luminaire. La subdivision est gérée par les paramètres de calcul. La couleur de la source peut être modifiée en attribuant un filtre décrit en mode RGB ou HSV. Cependant ce filtre affecte uniquement les résultats graphiques, et pas les valeurs quantitatives d éclairement ou de luminance. IV Choix des paramètres de calcul Le calcul de radiosité dans Lightscape est basé sur deux méthodes dites d "affinement" progressif (progressive refinement) et de "maillage adaptatif". La première permet à chaque itération de procéder à une distribution de flux entre la source (ou la maille) possédant le plus d énergie à émettre et les différentes surfaces de la géométrie. Cela débute en général avec la distribution du flux direct des sources naturelles ou artificielles, et continue avec la distribution du flux réfléchi à partir des différentes surfaces ou mailles de surfaces jusqu à l épuisement de l énergie non distribuée. Après chaque itération, le logiciel affiche une estimation du pourcentage de l énergie non distribuée. Cette méthode permet également d enregistrer les résultats du calcul dès la première itération, et de les mettre à jour au fur et à mesure de l avancement du calcul (après chaque itération). Ceci permet par exemple d arrêter le calcul à tout moment, et de le reprendre ultérieurement à partir des résultats de la dernière itération. La deuxième méthode permet à partir de certains critères prédéfinis (taille minimale et maximale de la maille, seuil de contraste des valeurs de E entre les mailles ) de commencer le calcul à partir d un maillage régulier à faible définition. Au fur et à mesure des itérations, le logiciel procède à des subdivisions supplémentaires des mailles là où la variation des valeurs entre deux mailles juxtaposées dépasse le seuil de contraste prédéfini. Ceci permet d atteindre de bonnes précisions en valeurs quantitatives et en qualité graphique tout en économisant du temps de calcul et de la mémoire. 158

159 Chapitre IV Figure IV.4: Boite de dialogue "Process Parameters" Les paramètres qui gèrent le calcul de radiosité et son maillage adaptatif sont définis à l aide de la boite de dialogue Process parameters. Ils sont répartis en trois groupes : Receiver, Source et Process. Les paramètres du groupe Receiver influencent le nombre total de mailles subdivisées des surfaces réceptrices. Ce sont les paramètres de taille minimale et maximale des mailles, et du seuil de contraste à ne pas dépasser entre deux mailles voisines. Les paramètres du groupe Source contrôlent la subdivision des sources linéaires et surfaciques. Ceci comprend pour chacune des sources directes ou indirectes la taille minimale et une échelle de précision (de 0 à 1) pour la subdivision de la source, et ça comprend également une échelle de précision (de 1 à 9) pour le calcul des ombres. Les options et les paramètres du groupe Process gèrent le calcul de la lumière de jour. Une première option permet de choisir si la lumière naturelle est prise en considération ou non. Un paramètre de précision du maillage du ciel peut être choisi avec une échelle de 0 à 1. Le logiciel offre également une option nommée daylight through windows and openings only, elle permet de choisir si le calcul de la lumière naturelle se fait uniquement à travers les surfaces prédéfinies en tant qu ouvertures ou fenêtres. Cependant, si cette option est choisie, le logiciel calcule la composante directe reçue par la (les) surface(s) prédéfinie(s), et procède ensuite à une distribution diffuse du flux reçu vers l intérieur (en prenant en considération le facteur de transmission des surfaces-fenêtres). Cette option permet aux utilisateurs n accordant aucune importance à la précision quantitative, d obtenir un résultat graphique satisfaisant avec un temps de calcul considérablement plus réduit. Pour un calcul de lumière de jour, l utilisation de cette option n est sûrement pas recommandée puisqu elle néglige l effet directionnel de la répartition des luminances du ciel. Cependant, pour une ouverture en toiture, elle permet de simuler avec précision un ciel uniforme. IV Exploitation des résultats Lightscape offre plusieurs possibilités pour visualiser et analyser les résultats d une simulation (calcul de radiosité) en éclairement ou en luminance, à l aide de la boîte de dialogue Lighting Analysis. Dans l onglet Display, il est possible de choisir entre les valeurs d éclairement ou de luminance (L=ρ E/π), entre un mode de présentation graphique normal ou en pseudo couleur et pour ce dernier entre une échelle linéaire ou logarithmique. Dans l onglet Grid il est possible de choisir l option d affichage des valeurs sur une trame prédéfinie de points de la surface sélectionnée. 159

160 Chapitre IV Figure IV.5: Boite de dialogue "Lighting analysis" Figure IV.6: Affichage des résultats en pseudo-couleur ou en normal avec le maillage adaptatif de radiosité Dans l onglet statistics, il est possible de lire la valeur (en E ou en L) obtenue au point sélectionné et les valeurs statistiques pour la surface sélectionnée (moyenne, minimale, maximale, rapport entre ces valeurs ). Le logiciel ne permet pas d exporter les résultats quantitatifs d une simulation dans des fichiers texte, ce qui ne simplifie pas l exploitation des résultats. IV.1.2 Sélection des cas-tests applicables au logiciel Les cas-tests choisis pour tester le logiciel Lightscape 3.2 sont listés dans le tableau IV.1 cidessous. Le choix est fait selon la compatibilité des scénarios avec les fonctionnalités disponibles dans le logiciel. Par exemple, il n est pas possible d appliquer à Lightscape 3.2, les cas-tests avec les types du ciel CIE Général autres que le ciel clair et couvert, ni les castests utilisant des cartes de luminances réelles. 160

161 Chapitre IV Référence II.1 II.2 II.3 II.4 II.5 II.6 II.7 II.8 II.9 II.10 II.11 II.12 II.13 III.4 Thème Description des luminaires, source point Description des luminaires, source surfacique Conservation des flux à travers les ouvertures La transmission directionnelle d un vitrage Réflexions diffues Réflexions diffues avec obstruction Inter-réflexions diffuses FJD, ouverture en toiture, sans vitrage, ciel CIE couvert/clair FJD, ouverture en toiture, vitrage clair, ciel CIE couvert/clair FJD+FRE, sol extérieur sans obstructions, ouverture en façade, sans vitrage, ciel CIE couvert/clair FJD+FRE, sol extérieur sans obstructions, ouverture en façade, vitrage clair, ciel CIE couvert/clair FJD+FRE, sol extérieur + obstruction Hz continue, ouverture en façade, sans vitrage, ciel CIE couvert/clair FJD+FRE, sol extérieur + obstruction Verticale continue, ouverture en façade, sans vitrage, ciel CIE couvert/clair CIBSE Eclairage artificiel Tableau IV.1: liste des cas-tests réalisés avec Lightscape IV.1.3 Comparaison des résultats aux données de référence analytiques Les paramètres utilisés par défaut pour la simulation numérique des scénarios testés avec Lightscape sont décris dans le tableau IV.2. Groupe Paramètre Effet Valeur Receiver Mesh spacing, Min Taille minimale d une maille (d une surface réceptrice) 0.05m Mesh spacing, Max Taille maximale d une maille 0.5m Subdivision contrast Valeur Seuil de contraste d éclairement entre deux mailles 0.3 Threshold adjacentes. En dessous de ce seuil le logiciel procède à une subdivision supplémentaire. Source Direct Source, Min Taille minimale pour la subdivision d une source primaire 0.05 (luminaire linéaire ou surfacique) Direct source, Subdivision Une échelle prédéfinie de précision (de 0 à 1) pour définir 1 accuracy un seuil de subdivision des sources primaires Indirect source, Min Taille minimale pour la subdivision d une source 0.05 secondaire (surface réfléchissante) Indirect source, Subdivision Une échelle prédéfinie de précision (de 0 à 1) pour définir 1 accuracy un seuil de subdivision des sources secondaires Shadow Grid Size Une échelle prédéfinie de précision (de 0 à 9) pour le Nine (9) calcul des ombres dus aux masques Process Shadows Une option pour calculer ou non l effet de masque des ON surfaces les unes sur les autres Daylight Une option pour calculer ou non la lumière de jour ON Direct only Une option pour calculer ou non l effet de masque aux OFF sources indirectes Skylight accuracy Une échelle prédéfinie de précision (de 0 à 1) pour gérer 1 le maillage du ciel Daylight through windows Une option de simplification du calcul de l entrée de la OFF and openings only lumière de jour Tolerances Lenght Tolérance des dimensions géométriques Ray offset Tolérance de lancer de rayons pour le calcul des masques Initialisation Min Area Taille minimale de subdivision d une surface de grande 0.01 longueur lors de l initialisation du calcul Tableau IV.2: paramètres de calcul utilisés pour la simulation des différents cas-tests Nous présentons ci-après les résultats de Lightscape comparés aux références analytiques pour les différents cas test utilisés. Pour certains cas-tests, nous menons une étude paramétrique et/ou de sensibilité afin d identifier les paramètres liés aux différents aspects de la simulation, et d observer la variation des résultats avec les paramètres de calcul et/ou avec les paramètres du scénario. 161

162 Chapitre IV IV Simulation des sources ponctuelles (Scénario II.1) Les valeurs de référence sont des éclairements directs en lux. Le tableau IV.3 présente une comparaison entre la référence analytique et les résultats de la simulation du scénario avec Lightscape. Le fichier photométrique utilisé décrit une photométrie lambertienne avec un maillage régulier de 10 en vertical et une symétrie axiale en horizontal. E (lx) Points de mesure A B C D E F G H I J Analytique Simulation LS Erreur (%) Tableau IV.3: Variation de l éclairement horizontal reçu par les points de mesure Les résultats ci-dessus montrent que Lightscape est capable de simuler une source ponctuelle ayant une distribution d intensités simple avec une excellente précision à l aide du fichier photométrique correspondant. Nous notons que ces résultats ne garantissent pas une précision équivalente pour des distributions d intensité plus contrastées. Ce cas test doit donc être suivi et complété par un ou plusieurs autres scénarios avec des distributions plus complexes. En ce qui concerne le fichier photométrique, l erreur liée au maillage grossier utilisé (10 ) est minime à cause de la simplicité de la photométrie utilisée, ce qui permet une interpolation assez précise. Une étude de sensibilité sur l influence de ce maillage sera plus significative pour des scénarios avec une photométrie plus complexe. IV Simulation des sources surfaciques (Scénario II.2) La simulation d une source surfacique dans Lightscape est possible en choisissant l option "area" comme type de source dans la boite de dialogue "luminaire photometries". Le logiciel procède alors à une subdivision de la surface de la source en un nombre de sources ponctuelles qui varie selon la distance entre la maille réceptrice et la source et selon les paramètres de calcul choisis. La distribution des intensités peut être décrite à l aide d un fichier photométrique au format IESNA. Le fichier photométrique utilisé pour ce test décrit une photométrie lambertienne avec un maillage régulier de 10 en vertical et une symétrie axiale en horizontal. Les valeurs de référence sont des éclairements directs en lux. Les tableaux IV.4 et IV.5 présentent une comparaison entre la référence analytique et les résultats de la simulation du scénario avec Lightscape. Points de mesure Analytique Simulation LS Erreur (%) Tableau IV.4: Variation de l éclairement sur les points de mesure du sol Points de mesure Analytique Simulation LS Erreur (%) Tableau IV.5: Variation de l éclairement sur les points de mesure du mur 162

163 Chapitre IV Les résultats montrent, comme pour le scénario avec une source ponctuelle, une très bonne précision du logiciel pour la simulation des sources surfaciques de photométrie lambertienne. IV Conservation des flux (Scénario II.3) Nous comparons dans le tableau IV.6 les flux directs transmis à travers une ouverture aux flux incidents sur la surface de l ouverture pour les scénarios d ouverture en toiture de 1 1m et en façade de 2 1m simulés avec Lightscape. Les ouvertures ont une épaisseur de 20 cm. Le flux direct transmis dans Lightscape est calculé pour chaque scénario en intégrant les éclairements reçus sur les différentes surfaces de l espace intérieur y compris la costière de l ouverture. Type d ouverture Flux direct calculé (LS) Flux direct Analytique Erreur (%) LS Toiture 1x Façade 2x Tableau IV.6: Conservation des flux transmis avec Lightscape Les résultats montrent que Lightscape tend à sous-estimer l éclairement direct moyen reçu à travers une ouverture en toiture, et à sur-estimer l éclairement direct moyen reçu à travers une ouverture en façade. IV Transmission directionnelle d un vitrage clair (Scénario II.4) Avant d appliquer le test au logiciel, nous avons mené une étude de sensibilité pour identifier les paramètres physiques qui agissent sur la transmission des surfaces transparentes. Cette étude nous a permis de vérifier que le facteur de transmission d une surface est géré à la fois par l échelle de "transparency" dans l onglet "physics" de la boite de dialogue "material properties", et par la valeur V de la couleur décrite en mode HSV dans l onglet "colors". L effet des deux paramètres est cumulable. Pour la simulation de ce cas test, nous avons défini l échelle de transparence à 1 et nous avons utilisé la valeur V pour varier le facteur de transmission voulu. Nous comparons dans le tableau IV.7 la variation de la transmission directionnelle d un vitrage clair dans Lightscape (par rapport à la transmission normale-normale) à la référence analytique utilisée. θ τθ/τ0 Analytique τθ/τ0 LS Erreur (%) Tableau IV.7: Résultats de Lightscape pour le cas-test de transmission directionnelle des vitrages Nous remarquons que le logiciel ne prend pas en considération la directionnalité de la transmission d un vitrage, ce qui entraîne une erreur croissante avec l angle d incidence dans le calcul de l éclairement direct. Cette constatation est confirmée par les résultats de Lightscape pour les cas-tests de calcul de FJD avec un vitrage clair (IV.1.3.9, IV ). 163

164 Chapitre IV Pour vérifier que ce problème n est pas dû à un mauvais choix de paramètres physiques, nous avons mené une étude de sensibilité complémentaire sur les différents paramètres liés à la photométrie d une surface transparente. Ainsi, nous avons répété le test en changeant les paramètres suivants : - Orientation de la surface - Utilisation d une simple ou double surface - Indice de réfraction - Utilisation de la valeur de transparence au lieu de V Aucune de ces variantes n a permis de vérifier une variation dans les résultats du test. Cependant nous avons remarqué que la réfraction de la lumière est prise en considération dans le résultat graphique du calcul de lancer de rayons. Ainsi, même si elle n est pas utile pour le calcul de radiosité, la modélisation des deux surfaces du vitrage est nécessaire pour un rendu visuel plus réaliste avec un lancer de rayons. IV Réflexions diffuses (Scénario II.5) Nous comparons dans les tableaux IV.8 - IV.13 les résultats de Lightscape (LS) à la référence analytique pour l éclairement indirect reçu sur les points de mesures par réflexion du flux direct arrivant sur la surface diffusante S 2. La source de lumière utilisée dans Lightscape est un soleil défini avec une luminance maximale F E D C B A G H I J K L M N 3m 4m S1-V 2m 2m S1-Hz 0.25 Figure IV.7: Résultat de Lightscape pour le scénario 2 du cas-test des réflexions diffuses 0.25 Figure IV.8: Emplacement des points de référence Scénario 1 (S 2 : 50 50cm) Points de mesure sur S1-v A B C D E F E/(Ehz ρ) Anal E/(Ehz ρ) LS Erreur (%) Tableau IV.8: Résultats de Lightscape sur S1-V pour le scénario 1 Points de mesure sur S1-hz G H I J K L M N E/(Ehz ρ) (%) E/(Ehz ρ) LS Erreur (%) Tableau IV.9: Résultats de Lightscape sur S1-hz pour le scénario 1 164

165 Chapitre IV Scénario 2 (S 2 : 4 4m) Points de mesure sur S1-v A B C D E F E/(Ehz ρ) (%) E/(Ehz ρ) LS Erreur (%) Tableau IV.10: Résultats de Lightscape sur S1-V pour le scénario 2 Points de mesure sur S1-hz G H I J K L M N E/(Ehz ρ) (%) E/(Ehz ρ) LS Erreur (%) Tableau IV.11: Résultats de Lightscape sur S1-hz pour le scénario 2 Scénario 3 (S 2 : m) Points de mesure sur S1-v A B C D E F E/(Ehz ρ) (%) E/(Ehz ρ) LS Erreur (%) Tableau IV.12: Résultats de Lightscape sur S1-V pour le scénario 3 Points de mesure sur S1-hz G H I J K L M N E/(Ehz ρ) (%) E/(Ehz ρ) LS Erreur (%) Tableau IV.13: Résultats de Lightscape sur S1-hz pour le scénario 3 Les résultats présentés ci-dessus montrent une bonne précision du logiciel dans le calcul de la réflexion simple sur une surface diffuse. L erreur par rapport à la référence analytique est quasiment constante pour les différents scénarios et quelle que soit la taille de la surface diffusante. L erreur maximale est observée sur le point A. Elle est probablement liée au faible niveau d éclairement ainsi qu à l angle rasant entre le point A et la surface de l ouverture. Nous avons mené une étude de sensibilité afin de vérifier la variation des résultats obtenus en fonction du facteur de réflexion de la surface diffusante. Nous avons trouvé un niveau de précision constant pour un facteur de réflexion variant entre 5 et 100%. Pour un facteur de réflexion théorique de 0%, nous avons observé des faibles valeurs d éclairements sur les points de mesure, alors qu analytiquement, ces valeurs doivent être nulles. Ceci suppose que Lightscape affecte une faible valeur à un facteur de réflexion défini comme égal à zéro. 165

166 Chapitre IV IV Réflexions diffuses avec obstruction (Scénario II.6) Figure IV.9: Simulation du cas test de la réflexion diffuse avec obstruction dans Lightscape S2 S1-V 0.2 S1-Hz 2.5 K J I H G A B C D E 2m 2m F 3m Figure IV.10: Emplacement des points de référence Points de mesure sur S1-v A B C D E F E/(Ev ρ) (%) E/(Ev ρ) LS Erreur (%) Tableau IV.14: Résultats de Lightscape sur S1-V Points de mesure sur S1-hz G H I J K L M N E/(Ev ρ) (%) E/(Ev ρ) LS Erreur (%) Tableau IV.15: Résultats de Lightscape sur S1-hz IV Inter-réflexions diffuses multiples (Scénario II.7) Nous présentons dans le tableau IV.16 les résultats de Lightscape en éclairement indirect moyen pour la série de scénarios dans une pièce cubique avec un facteur de réflexion variant de 0 à 100%. L obtention des valeurs d éclairement indirectes est possible dans Lightscape à l aide d une option qui permet de ne pas enregistrer l éclairement direct reçu d une source. ρ E moy (lx) Anal E moy (lx) LS Erreur (%) Tableau IV.16: Variation de l éclairement indirect moyen avec le facteur de réflexion La comparaison avec la référence analytique montre une erreur légèrement plus importante que celle obtenue avec le cas test de réflexion simple (IV.1.3.5). Cette erreur tend à augmenter en s approchant des valeurs extrêmes et en particulier vers la valeur de 100% de réflexion. Ceci s explique en partie par le cumul des erreurs avec les différentes itérations et/ou par le degré d incertitude lié à la référence analytique. En effet la référence est une formule liée à la sphère d Ulbricht, alors que la géométrie utilisée est cubique et non sphérique. 166

167 Chapitre IV 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) Dans cette partie, nous comparons les simulations de Lightscape à la référence analytique pour les ciels CIE couvert et clair. Ce sont les mêmes modèles de ciel que Lightscape est supposé utiliser pour les conditions de ciel correspondantes. Les résultats présentés concernent le scénario de l ouverture de 1 1m. Nous rappelons que les scénarios testés ne prennent pas en compte l épaisseur de l ouverture et les inter-réflexions. Ce qui veut dire que les résultats de référence sont en relation directe avec la répartition des luminances à l extérieur. Les points de référence sont présentés dans la figure IV.16. Pour la simulation des ciels dans Lightscape, l état du ciel est défini en nuageux ou en clair avec un soleil au sud de 60 de hauteur et de 0 cd/m² de luminance. Résultats avec un ciel CIE couvert : FJD (%) FJD (%) A B C D E F 0.0 G H I J K L M N FJD analyt FJD LS nuageux FJD analyt FJD LS nuageux Figure IV.11: Comparaison analytique - Lightscape points au mur, ciel couvert Figure IV.12: Comparaison analytique - Lightscape points au sol, ciel couvert La comparaison présentée dans les figures IV.11 et IV.12 ci-dessus montre un écart important entre la courbe des valeurs analytiques et celle des résultats de Lightscape. Le logiciel tend à minimiser le facteur de lumière de jour reçu avec une ouverture en toiture, ce qui concorde avec les résultats du test de conservation des flux (IV.1.3.3). Nous notons également que nous n obtenons pas une symétrie parfaite des éclairements directs au sol avec la simulation du ciel nuageux de Lightscape. Résultats avec un ciel CIE clair : FJD (%) A B C D E F FJD analyt FJD LS clair FJD (%) G H I J K L M N FJD analyt FJD LS clair Figure IV.13: Comparaison analytique - Lightscape points au mur, ciel clair Figure IV.14: Comparaison analytique - Lightscape points au sol, ciel clair Nous remarquons en particulier que les résultats de Lightscape au sol ne reflètent pas la directionnalité de la distribution des luminances d un ciel clair avec un soleil à 60 de hauteur. En effet nous obtenons une quasi-symétrie dans la répartition des éclairements directs sur le sol et sur les murs de côté (voir figure IV.15). 167

168 Chapitre IV A B C D E 4m F G H I J K L M N 2m 2m 3m Figure IV.15: Répartition de l éclairement direct pour un ciel clair dans Lightscape Figure IV.16: Emplacement des point de mesure pour les scénarios de lumière naturelle Ceci est difficilement explicable puisque cette directionnalité est relativement respectée à travers la différence des éclairements entre le mur sud et le mur Nord (voir figure IV.15). Nous avons montré dans une étude préalable sur la validation de Lightscape qu il présente une variation cohérente des éclairements verticaux en fonction de l orientation des surfaces [Maamari, 2000]. Une des explications pourrait être que le logiciel suppose une symétrie dans la répartition des luminances du ciel. La luminance de la zone circumsolaire serait alors prise en considération en calculant analytiquement (selon la position du soleil, l orientation de la surface) un éclairement supplémentaire à celui reçu par les surfaces verticales à partir de la voûte céleste (à luminance symétrique). IV FJD pour une ouverture en toiture avec un vitrage clair et sous un ciel CIE couvert ou Clair (Scénario II.9) Les points de référence sont présentés dans la figure IV.16. Résultats avec un ciel CIE couvert : FJD (%) FJD (%) A B C D E F 0.0 G H I J K L M N FJD analyt FJD LS Nuageux FJD analyt FJD LS Nuageux Figure IV.17: Comparaison analytique - Lightscape points au mur, ciel couvert Figure IV.18: Comparaison analytique - Lightscape points au mur, ciel couvert Résultats avec un ciel CIE clair: FJD (%) A B C D E F FJD (%) G H I J K L M N FJD analyt FJD LS clair FJD analyt FJD LS clair Figure IV.19: Comparaison analytique - Lightscape points au mur, ciel clair Figure IV.20: Comparaison analytique - Lightscape points au mur, ciel clair 168

169 Chapitre IV En plus des observations faites à partir des résultats du cas test précédent, les résultats de ce cas test montrent l erreur liée au non-respect de la transmission directionnelle du flux direct incident à travers un vitrage normal avec un angle rasant. En effet en comparant les résultats des deux cas-tests, avec et sans vitrage, nous remarquons que les valeurs de FJD obtenues dans Lightscape aux points A et B ne subissent pas la même atténuation relative (due à la faible transmission) que les valeurs analytiques. IV FJD + FRE (sol extérieur) pour une ouverture en façade sans vitrage et sous un ciel CIE couvert ou Clair (Scénario II.10) Pour le calcul de FRE avec une ouverture en façade, certains logiciels considèrent par défaut un sol extérieur théorique à partir d un facteur de réflexion prédéfini ou donné par l utilisateur. La luminance du sol extérieur est alors généralement supposée comme uniforme. D autres logiciels, y compris Lightscape, ne prennent le sol extérieur en considération que s il est représenté par une surface équivalente. Figure IV.21: Modélisation du sol extérieur dans Lightscape par une surface équivalent Les résultats de Lightscape présentés dans les figures IV.22 - IV.25 sont obtenus avec un sol extérieur représenté par une surface horizontale de 500m 500m adjacente à la façade et ayant une dimension et un facteur de réflexion de 30%. Cependant, il faut noter que la référence analytique proposée suppose que le sol extérieur s étend à l infini et qu il a une luminance uniforme due à un éclairement extérieur uniforme. Ainsi il existe une source d erreur ou de différence non liée à la précision du logiciel et qui est à prendre en considération dans l analyse des résultats. Cette différence entraîne dans Lightscape une sous-estimation de la contribution de FRE à l éclairement intérieur, mais celle-là reste relativement faible. Les points de référence sont présentés dans la figure IV.16. Résultats avec un ciel CIE couvert : FJD+FRE (% A B C D E F FJD analyt FJD LS couvert FJD+FRE (% G H I J K L M N FJD analyt FJD LS couvert Figure IV.22: Comparaison analytique - Lightscape Figure IV.23: Comparaison analytique - Lightscape 169

170 Chapitre IV points au mur, ciel couvert points au mur, ciel couvert Résultats avec un ciel CIE clair : FJD+FRE (% A B C D E F FJD+FRE (% G H I J K L M N FJD analyt FJD LS clair FJD analyt FJD LS clair Figure IV.24: Comparaison analytique - Lightscape points au mur, ciel clair Figure IV.25: Comparaison analytique - Lightscape points au mur, ciel clair Par rapport au scénario d ouverture en toiture, les résultats présentés dans les figures IV.22 - IV.25 ci-dessus montrent une meilleure corrélation entre les courbes de Lightscape et les courbes analytiques correspondantes. Nous remarquons également une sous-estimation des valeurs avec Lightscape. Ceci est en contradiction avec les résultats du test de conservation de flux où le logiciel tend à sur-estimer le flux entrant par une ouverture de façade. Ceci s explique probablement par le fait que les erreurs de conservation de flux sont plus liées à l épaisseur de l ouverture (ce cas test ne prend pas l épaisseur en considération). Nous remarquons également que le logiciel n arrive pas à calculer correctement la contribution du sol extérieur à l éclairement intérieur. Ceci est visible en particulier en observant les valeurs enregistrées sur les points A et B qui sont pratiquement nulles. Là aussi les résultats sont en contradiction avec le cas test de réflexion diffuse sur les surfaces de grande dimension. L explication peut être liée au rapport d échelle entre la taille du sol extérieur et celle de la pièce, ce qui fait que le logiciel accorde probablement moins de précision au calcul de la contribution du sol. Pour vérifier si l erreur dans le calcul de FRE est liée en partie à la différence entre le scénario analytique et le scénario simulé, nous avons remplacé la surface du sol par une source surfacique de la même taille et ayant un flux lumineux uniformément réparti et équivalent à un éclairement horizontal uniforme et au ρ du sol. Cependant les résultats ne se sont pas améliorés. Finalement nous notons que l utilisation d une surface de grande dimension pour représenter le sol extérieur augmente le temps de calcul considérablement : environ 25 minutes au lieu de deux pour ce scénario. 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) Les points de référence sont présentés dans la figure IV.16. Résultats avec un ciel CIE couvert : FJD+FRE (% A B C D E F FJD analyt FJD LS Clair FJD+FRE (% G H I J K L M N FJD analyt FJD LS Couvert 170

171 Chapitre IV Figure IV.26: Comparaison analytique - Lightscape points au mur, ciel couvert Figure IV.27: Comparaison analytique - Lightscape points au mur, ciel couvert Résultats avec un ciel CIE clair : FJD+FRE (% A B C D E F FJD+FRE (% G H I J K L M N FJD analyt FJD LS Clair FJD analyt FJD LS Clair Figure IV.28: Comparaison analytique - Lightscape points au mur, ciel clair Figure IV.29: Comparaison analytique - Lightscape points au mur, ciel clair Les résultats sont équivalents à ceux du cas test précédent. Nous remarquons en plus l effet du non-respect de la transmission directionnelle du vitrage visible en particulier au point N. IV FJD + FRE (sol extérieur + masque horizontal continu) pour une ouverture en façade sans vitrage et sous un ciel CIE couvert (Scénario II.12) 4m 2 A B C D E F G H 4m ,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0, Figure IV.30: Emplacement des points de références pour les cas-tests avec masque extérieur La figure IV.32 ci-dessous présente une comparaison entre les résultats de Lightscape et la référence analytique pour un ciel couvert (CIE T1) et un masque horizontal de 2m de largeur. FJD+FRE (% A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LS Figure IV.31: Modélisation du sol extérieur et du masque horizontal par des surfaces équivalentes Figure IV.32: Comparaison entre les résultats de Lightscape et les données de référence 171

172 Chapitre IV Cette comparaison montre que Lightscape est capable de reproduire le profil de répartition des éclairements directs intérieurs au sol pour un ciel CIE couvert et un masque extérieur horizontal. Cependant, nous notons une sur-estimation par rapport à la référence analytique calculée qui est plus importante que dans le cas-test sans masque extérieur (IV ). Cette sur-estimation s explique en partie par la différence entre la luminance de la casquette obtenue dans Lightscape (726 cd/m²) et la luminance calculée analytiquement (390cd/m²). Nous notons également la différence entre le scénario théorique utilisé pour le calcul de la référence analytique et celui simulé par Lightscape. IV FJD + FRE (sol extérieur + masque vertical continu) pour une ouverture en façade sans vitrage et sous un ciel CIE couvert (Scénario II.13) La figure IV.34 ci-dessous présente une comparaison entre les résultats de Lightscape et la référence analytique pour un ciel couvert (CIE T1) avec une obstruction verticale continue de 6m de hauteur. Les points de référence sont présentés dans la figure IV.30.. FJD+FRE (% A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LS Figure IV.33: Modélisation du sol extérieur et du masque vertical par des surfaces équivalentes Figure IV.34: Comparaison entre les résultats de Lightscape et les données de référence IV.1.4 Comparaison des résultats aux données de référence expérimentales des scénarios de lumière artificielle (CIBSE) Nous présentons dans les figures IV.36 - IV.41 ci-dessous les résultats de Lightscape pour les 6 scénarios en lumière artificielle basés sur le rapport CIBSE TM28, et décrits dans III.4. Les points de mesure choisis sont les sept capteurs à la position 4. LS-Em est la limite supérieure liée aux erreurs de mesure. LI-Em est la limite inférieure. LS-Eg est la limite supérieure liée aux erreurs globales. LI-Eg est la limite inférieure. Figure IV.35: Géométrie de la cellule test et disposition des luminaires 172

173 Chapitre IV IV Lampes Fluo-compacte, murs en gris 160 CFL-gris-Position E (lx) LS-Eg (lx) LS-Em (lx) Simulation LI-Em (lx) LI-Eg (lx) Figure IV.36: Comparaison entre les résultats de Lightscape et les données de référence pour le scénario des murs en gris et des lampes fluo-compactes IV Luminaire Opal, murs en gris Opal-gris-Position 4 E (lx) LS-Eg (lx) LS-Em (lx) Simulation LI-Em (lx) LI-Eg (lx) Figure IV.37: Comparaison entre les résultats de Lightscape et les données de référence pour le scénario des murs en gris et des luminaires "Opal" IV Luminaire avec réflecteurs semi-spéculaires, murs en gris SSR-gris-Position 4 E (lx) LS-Eg (lx) LS-Em (lx) Simulation LI-Em (lx) LI-Eg (lx) Figure IV.38: Comparaison entre les résultats de Lightscape et les données de référence pour le scénario des murs en gris et des luminaires "SSR" 173

174 Chapitre IV IV Lampes Fluo-compacte, murs en noir E (lx) CFL-Noir-Position LS-Eg (lx) LS-Em (lx) Simulation LI-Em (lx) LI-Eg (lx) Figure IV.39: Comparaison entre les résultats de Lightscape et les données de référence pour le scénario des murs en noir et des lampes fluo-compactes IV Luminaire Opal, murs en noir E (lx) Opal-Noir-Position LS-Eg (lx) LS-Em (lx) Simulation LI-Em (lx) LI-Eg (lx) Figure IV.40: Comparaison entre les résultats de Lightscape et les données de référence pour le scénario des murs en noir et des luminaires "Opal" IV Luminaire avec réflecteurs semi-spéculaires, murs en noir 300 SSR-gris-Position 4 E (lx) LS-Eg (lx) LS-Em (lx) Simulation LI-Em (lx) LI-Eg (lx) Figure IV.41: Comparaison entre les résultats de Lightscape et les données de référence pour le scénario des murs en noir et des luminaires "SSR" Les résultats de Lightscape se situent en général à l intérieur de la bande des mesures +/- les erreurs potentielles estimées. Ceci prouve que Lightscape est capable de simuler avec une précision acceptable la propagation de la lumière à partir de luminaires associés à des photométries mesurées. 174

175 Chapitre IV IV.2 Présentation et validation de la méthode des luminaires équivalents IV.2.1 Contexte La plupart des logiciels d éclairage sont capables de simuler les luminaires en tant que sources ponctuelles, linéaires ou surfaciques décrites par des fichiers photométriques (représentant la distribution mesurée des intensités). Ce type de simulations offre la possibilité d obtenir un niveau de précision assez élevé pour un temps de calcul relativement réduit. La simulation de la lumière naturelle dans les bâtiments est considérablement plus compliquée. Elle nécessite en premier temps une description précise de la distribution des luminances du ciel, du sol extérieur et des obstructions, ensuite le calcul du transfert des flux lumineux entre les différentes sources extérieures vers chacune des surfaces intérieures du bâtiment, à travers les systèmes de fenestration. Ainsi, pour atteindre des bons niveaux de précision, le temps de calcul est assez long par rapport à une simulation de la lumière artificielle. A cause de cette complexité, le nombre de logiciels qui prennent en considération la lumière naturelle avec précision sont beaucoup moins nombreux que les logiciels de simulation en lumière artificielle. Ceci est confirmé par les résultats de Lightscape avec les cas-test de validation où il a été montré que ce logiciel a une bonne précision dans le calcul de radiosité et des scénarios de lumière artificielle alors qu il est moins bon dans les scénarios de lumière naturelle. Face à ce problème, et avec l importance de la simulation numérique de la lumière du jour dans le contexte énergétique du 21 ème siècle, des efforts sont investis pour simplifier ce type de simulations, minimiser le temps de calcul et améliorer la précision. Dans ce contexte, nous considérons l utilisation du principe des luminaires équivalents. Il consiste à représenter la distribution des luminances externes par une photométrie équivalente qui sera affectée à une source surfacique positionnée sur la surface de l ouverture. Ceci permet de simplifier la procédure classique de simulation de la lumière naturelle en évitant les calculs répétitifs de transfert de flux entre chacune des sources extérieures et chacune des surfaces intérieures (ou mailles de surface). Cela permet également et surtout, de simuler la lumière naturelle à l aide de logiciels destinés, jusque là, uniquement à la simulation de la lumière artificielle. Ce concept n est pas récent, puisqu il a été présenté dans les années 1984 et 1990 par Spitzglas [Spitzglas, 1984] et Papamichael [Papamichael, 1990]. Cependant, nous n avons pas trouvé dans la littérature de références sur des travaux d application ou de validation testant le degré de précision de cette méthode et/ou ses limites par rapport aux problèmes de champ proche. Pour cela nous utilisons nos cas test pour vérifier l applicabilité du principe du luminaire équivalent. Nous prenons également en considération dans notre étude la possibilité d intégrer l effet directionnel ou bidirectionnel des vitrages dans la photométrie équivalente affectée au luminaire. Nous commençons tout d abord par une description analytique du concept. 175

176 Chapitre IV IV.2.2 Concept analytique IV Approche proposée La méthode proposée est basée sur le fait que le flux lumineux incident dans une pièce à travers un point (ou une surface finie) de l ouverture est le résultat de la distribution des luminances externes vues à partir de ce point. Ainsi, pour tout point d une ouverture, et pour toute direction (vers l intérieur) nous pouvons attribuer une valeur d intensité lumineuse calculée à partir de la luminance vue dans la direction opposée (de l extérieur). Nous obtenons alors une description photométrique de la distribution des intensités du flux entrant dans la pièce à travers ce point (surface finie). Voir figure IV.42. Figure IV.42: Concept de la photométrie équivalente IV Prise en considération du champ proche Dans le cas où les sources extérieures seraient suffisamment éloignées de la surface de l ouverture, nous pouvons supposer que la photométrie calculée pour un certain point de la surface d ouverture est applicable à toute la surface. C est une caractéristique du champ lointain. Dans le cas où une ou plusieurs sources de lumière extérieure seraient proches de la surface de l ouverture, nous sommes confrontés à un problème de champ proche. La surface de l ouverture doit alors être subdivisée de façon à retrouver un rapport plus élevé entre la distance surface-obstruction et la dimension de la surface subdivisée. Chacune de ces surfaces sera caractérisée par une photométrie propre à sa position. Nous présentons ci-après le calcul analytique des photométries équivalentes avec et sans matériaux verriers dans le cas d un champ lointain. IV Calcul de la photométrie équivalente pour une ouverture non vitrée Pour une ouverture non vitrée, à partir de la distribution des luminances extérieures L i (θ i, φ i ), il est possible de calculer une distribution équivalente des intensités I o (θ o, φ o ) (vers l intérieur) pour une surface élémentaire ds à l aide de la formule suivante : 176

177 Chapitre IV Z θi dsi Rayon incident partant de dsi (Li) Rayon transmis (Lo, Io) φo ds X φi Y θo Figure IV.43: Calcul de la photométrie équivalente pour une ouverture non vitrée I o (θ o, φ o ) = L o (θ o, φ o ) x Cosθ o x ds = L i (θ i, φ i ) x Cosθ o x ds (28) où: I o (θ o, φ o ) L i (θ i, φ i ) L o (θ o, φ o ) θ o = Intensité équivalente orientée vers l espace intérieur dans la direction (θ o, φ o ) (cd) = luminance de la zone ds i de l espace extérieur vue de l intérieur à travers la surface élémentaire ds dans la direction (θ i, φ i ) (cd/m²) = luminance de ds vue de l intérieur dans la direction (θ o, φ o ) (cd/m²) = L i (θ i, φ i ) Angle zénithal (par rapport à la normale de l ouverture) = de l intensité mesurée θ i φ o φ i = Angle zénithal du faisceau incident = θ o Angle horizontal (projection sur le plan de l ouverture) = de l intensité mesurée = φ i + π = Angle horizontal du faisceau incident Le flux lumineux (F o ) associé à la photométrie équivalente de la surface de l ouverture est égal au flux lumineux (F i ) arrivant sur cette surface. Il est calculé à l aide de la formule suivante : F o = F i = E S = S π2 où: L i (θ i, φ i ) Cosθ I dω i (29) 177

178 Chapitre IV E S dω i = L éclairement moyen reçu sur la surface de l ouverture (lx) = Aire de la surface d ouverture (m²) = Angle solide avec lequel la surface élémentaire ds i est vue par ds IV Calcul de la photométrie équivalente pour une ouverture avec un vitrage à transmission directionnelle Pour une ouverture avec un vitrage normal (effet bidirectionnel négligeable), à partir de la distribution des luminances extérieures L i (θ i, φ i ), il est possible de calculer une distribution équivalente des intensités I o (θ o, φ o ) (vers l intérieur) pour une surface élémentaire ds du vitrage à l aide de la formule suivante : I o (θ o, φ o ) = L o (θ o, φ o ) x Cosθ o x ds = τ(θ i ) x L i (θ i, φ i ) x Cosθ o x ds (30) où: L o (θ o, φ o ) = luminance de ds vue de l intérieur dans la direction (θ o, φ o ) = τ(θ i ) x L i (θ i, φ i ) θ o θ i φ o φ i τ(θ i ) = Angle zénithal de l intensité mesurée = θ i = Angle zénithal du faisceau incident = Angle horizontal de l intensité mesurée = φ i + π = Angle horizontal du faisceau incident = Transmission directionnelle du vitrage pour un angle d incidence θ i Le flux lumineux (F o ) associé à la photométrie équivalente de la surface vitrée est égal au flux lumineux transmis par cette surface. Celui-ci est égal au flux incident (F i ) multiplié par la transmission hémisphérique du vitrage. Il est calculé à l aide de la formule suivante : F o = F i x τ hh = E x S x τ hh (31) où: E S τ hh = = L éclairement moyen reçu sur la surface de l ouverture (lx) = Aire de la surface d ouverture (m²) τ( θi) Li( θi, φi) dωi 2π 2π Li( θi, φi) dωi 178

179 Chapitre IV IV Calcul de la photométrie équivalente pour une ouverture avec un matériau à transmission bidirectionnelle Z θi dsi Rayon incident partant de dsi (θi, φi) (Li) Rayon transmis (θo, φo) (Lo, Io) φo ds X φi Y θo Figure IV.44: Calcul de la photométrie équivalente pour une ouverture avec un matériau à transmission bidirectionnelle Pour une ouverture avec un matériau à transmission bidirectionnelle τ(θ o, φ o ; θ i, φ i ), à partir de la distribution des luminances extérieures L i (θ i, φ i ), il est possible de calculer une distribution équivalente des intensités I o (θ o, φ o ) (vers l intérieur) pour une surface élémentaire ds du matériau à l aide de la formule suivante : I o (θ o, φ o ) = L o (θ o, φ o ) x Cosθ o x ds (32) où : I o (θ o, φ o ) = ( τ(θo, φ o ; θ i, φ i ) x L i (θ i, φ i ).dω i) x Cosθ o x ds où : L o (θ o, φ o ) π2 = luminance de ds vue de l intérieur dans la direction (θ o, φ o ) (cd/m²) (33) θ o θ i φ o φ i = τ(θ o, φ o ; θ i, φ i ) x L i (θ i, φ i ).dω i π2 Angle zénithal (par rapport à la normale de = l ouverture) de l intensité mesurée = θ i = Angle zénithal du faisceau incident = Angle horizontal (sur le même plan que l ouverture) de l intensité mesurée = φ i + π = Angle horizontal du faisceau incident τ(θ o, φ o ; θ i, φ i ) = Transmission bidirectionnelle du matériau dans la direction (θ o, φ o ) pour un faisceau incident dans la direction (θ i, φ i ). 179

180 Chapitre IV Le flux lumineux (F o ) associé à la photométrie équivalente de la surface vitrée est égal au flux lumineux transmis par cette surface qui est égal au flux (F i ) arrivant multiplié par la transmission hémisphérique du matériau. Il est calculé à l aide de la formule suivante : F o = E x S x τ hh (34) où: E = L éclairement moyen reçu sur la surface de l ouverture (lx) S = Aire de la surface d ouverture (m²) τ hh = 2π2π τ( θo, φo ; θi, φi) Li( θi, φi) dω i dω 2π Li( θi, φi) dωi o IV.2.3 Procédure de création des photométries équivalentes Pour pouvoir créer une photométrie équivalente à l aide des formules précédentes, il faut procéder tout d abord à un maillage de l hémisphère extérieur soit avec des angles verticaux et horizontaux réguliers, soit avec des angles solides réguliers. Chaque maille est représentée alors par les deux angles horizontal et vertical de son centre géométrique. IV Calcul des luminances externes Pour chacune des mailles de l hémisphère extérieur, il faut attribuer une valeur de luminance. Idéalement, cette valeur doit être calculée à partir de la luminance moyenne de la maille. Cependant, pour le cas d une distribution de luminances suffisamment lisse, il est possible d utiliser la valeur ponctuelle mesurée ou calculée au centre de la maille. Ceci permet de simplifier le calcul des luminances externes. Dans notre travail de validation de cette méthode, la répartition des luminances est calculée à partir des modèles du Ciel CIE Général pour les scénarios analytiques, et à partir des cartes de luminances calibrées pour les scénarios expérimentaux présentés dans le chapitre III. IV Création des fichiers photométriques équivalents pour une ouverture avec ou sans vitrage normal Pour les différents types du ciel CIE général, nous avons développé sous Excel un outil numérique simplifié permettant en entrée de choisir le type de ciel, la luminance au zénith, la position du soleil, le facteur de réflexion du sol extérieur, l orientation de l ouverture (verticale ou horizontale) et la courbe de transmission directionnelle (τ (θi) ). En sortie nous obtenons un fichier photométrique équivalent au format IESNA [IESNA, 1995], avec un maillage égal à celui de l hémisphère extérieur et prenant en considération des valeurs de luminances ponctuelles. Pour les champs de luminances réels enregistrés à l aide de Photolux, la photométrie équivalente est calculée par le logiciel en prenant en considération la luminance moyenne de chaque maille de l hémisphère extérieur. Le logiciel permet également de choisir le pas de mesure angulaire du fichier photométrique. Pour les scénarios avec masques extérieurs, nous avons développé un second outil numérique pour créer les photométries équivalentes à partir du modèle du ciel et de la luminance théorique des masques (voir II et II ) ainsi que leur géométrie. La génération des photométries est faite à l aide d une procédure de lancer de rayons. 180

181 Chapitre IV IV Création des fichiers photométriques équivalents pour une ouverture avec un matériau à transmission bidirectionnelle La création des photométries équivalentes prenant en considération les fonctions de transmission bidirectionnelles des matériaux est plus compliquée que pour le cas d une ouverture sans vitrage ou avec matériau à transmission directionnelle. Elle nécessite des algorithmes plus complexes pour le calcul et l intégration des intensités résultantes dans les différentes orientations. Dans notre travail de validation, nous ne prenons pas en considération ce type de matériaux étant donné que la précision des résultats est trop sensible à la précision des fonctions bidirectionnelles mesurées ou calculées, qui est encore difficilement maîtrisable de nos jours. IV.2.4 Procédure d utilisation des fichiers photométriques équivalents Pour la simulation des cas-tests avec la méthode des luminaires équivalents nous avons utilisé Lightscape 3.2 en respectant les étapes suivantes : - Créer une source surfacique au niveau de la surface extérieure de l ouverture - Associer la photométrie équivalente au scénario testé et vérifier son orientation - Associer le flux correspondant, calculé à partir de l éclairement moyen et de l aire de la surface de l ouverture - Lancer la simulation en lumière artificielle IV.2.5 Sélection des cas-tests applicables à la méthode Le choix des cas-tests applicables à la méthode des luminaires équivalents (LE) est limité aux scénarios liés à la simulation de la lumière naturelle. Parmi les scénarios analytiques, la sélection comprend la conservation des flux, la transmission directionnelle des vitrages et la simulation des différents types du ciel Général CIE. En ce qui concerne les cas-tests avec référence expérimentale, ils ont été choisis à partir des scénarios décrits dans le chapitre III et basés sur l utilisation des cartes de luminances réelles en parallèle aux mesures d éclairement à l intérieur de la maquette expérimentale. Référence Thème LS Rad II.3 Conservation des flux à travers les ouvertures x II.8 FJD, ouverture en toiture, sans vitrage * II.9 FJD, ouverture en toiture, vitrage clair * II.10 FJD+FRE, sol extérieur sans obstruction, ouverture en façade, sans vitrage * II.11 FJD+FRE, sol extérieur sans obstruction, ouverture en façade, vitrage clair * II.12 FJD+FRE, sol extérieur + obstruction horizontale continue, ouverture en façade, sans vitrage * II.13 FJD+FRE, sol extérieur + obstruction verticale continue, ouverture en façade, sans vitrage * III Ciel artificiel, ouverture en toiture x III Ciel artificiel, ouverture en façade x III Ciel extérieur couvert, ouverture en toiture x III Ciel extérieur clair, ouverture en façade x III Ciel extérieur dynamique, ouverture en toiture x III Ciel extérieur dynamique, ouverture en façade x IV Ciel artificiel, ouverture en façade + obstruction x Tableau IV.17: Liste des cas-tests utilisés pour la validation de la méthode des luminaires équivalents (* : scénario testé avec Lightscape uniquement pour les ciels CIE clair et/ou couvert) L ensemble des cas-tests utilisés est listé dans le tableau IV.17 ci-dessus. Pour certains castests (marqués par x ou par *), les résultats de la méthode sont comparés aux résultats de 181

182 Chapitre IV Radiance ou de Lightscape 3.2. Ceci permet de comparer la méthode à la simulation classique de la lumière du jour (avec un maillage du ciel) dans deux logiciels différents. IV.2.6 Comparaison des résultats des luminaires équivalents aux données de référence analytiques et à Lightscape 3.2 Nous présentons ci-dessous les résultats des simulations numériques des scénarios testés avec la méthode des luminaires équivalents. Nous rappelons que les simulations des luminaires équivalents sont conduites à l aide de Lightscape comme des simulations de lumière artificielle, alors que celles que nous appelons simulations Lightscape sont conduites en utilisant les paramètres de calcul de la lumière de jour du logiciel. IV Conservation des flux (Scénario II.3) La réalisation de ce test avec la méthode des luminaires équivalents consiste à simuler l éclairage direct à partir de la source surfacique avec un flux de 10000lm. La comparaison est faite entre ce flux et l intégration des flux directs reçus par les différentes surfaces intérieures y compris les côtés de l ouverture. Nous comparons en plus dans le tableau IV.18 l erreur obtenue avec la méthode des LE à celle obtenue avec une simulation standard de Lightscape. Type d ouverture Flux direct calculé Flux direct Analytique Erreur (%) LE Erreur (%) Lightscape Toiture 1x Façade 2x Tableau IV.18: La conservation des flux transmis avec un luminaire équivalent Les résultats montrent que la méthode des luminaires équivalents est plus précise que Lightscape dans la conservation des flux transmis. Cependant, pour vérifier si l erreur obtenue est liée à l effet d obstruction de la costière, nous avons répété le cas test avec une ouverture sans épaisseur. L erreur devient alors inférieure à 1% (0.6% pour l ouverture en toiture et 0.11% pour l ouverture en façade). Ce qui confirme que l erreur de la méthode des luminaires équivalents est liée en majorité à l effet de masque de la costière. IV FJD pour une ouverture en toiture sans vitrage (Scénario II.x) Figure IV.45: Simulation d une ouverture en toiture sous un ciel CIE couvert par un luminaire équivalent Dans cette partie nous comparons les simulations du luminaire équivalent à la référence analytique pour six scénarios avec différents types du ciel CIE général. Pour les ciels CIE couvert et clair, nous comparons en plus les résultats de la méthode à ceux de Lightscape. Cette comparaison permet d évaluer la précision de la méthode des luminaires équivalents par rapport à celle du logiciel. Les quatre autres scénarios sont choisis de façon à être aussi représentatifs que possible de la variation des profils d éclairements intérieurs dus aux

183 Chapitre IV types de ciel CIE. Les résultats présentés sont pour le scénario de l ouverture de 1 1m sans épaisseur. Pour la simulation du luminaire équivalent, une source surfacique est placée au niveau de l ouverture avec une photométrie équivalente (à la distribution des luminances et calculée avec notre outil simplifié) et un flux égal à l éclairement horizontal multiplié par la surface de l ouverture. La position des points de référence est présentée dans la figure IV FJD (%) FJD (%) A B C D E F FJD analyt FJD LE FJD LS Figure IV.46: Comparaison analytique-le-lightscape points au mur, ciel couvert 0.0 G H I J K L M N FJD analyt FJD LE FJD LS Figure IV.47: Comparaison analytique-le-lightscape points au sol, ciel couvert FJD (%) A B C D E F FJD analyt FJD LE FJD LS Figure IV.48: Comparaison analytique-le-lightscape points au mur, ciel clair FJD (%) G H I J K L M N FJD analyt FJD LE FJD LS Figure IV.49: Comparaison analytique-le-lightscape points au sol, ciel clair Nous remarquons que contrairement à Lightscape, la méthode des luminaires équivalents est capable de respecter avec fidélité la variation des éclairements pour un ciel CIE couvert ou clair. FJD (%) A B C D E F FJD analyt FJD LE FJD (%) G H I J K L M N FJD analyt FJD LE Figure IV.50: Comparaison analytique - Lumin. Equival. points au mur, ciel CIE T2 Figure IV.51: Comparaison analytique - Lumin. Equival. points au sol, ciel CIE T2 FJD (%) A B C D E F FJD analyt FJD LE FJD (%) G H I J K L M N FJD analyt FJD LE Figure IV.52: Comparaison analytique - Lumin. Equival. points au mur, ciel CIE T7 Figure IV.53: Comparaison analytique - Lumin. Equival. points au sol, ciel CIE T7 183

184 Chapitre IV FJD (%) A B C D E F FJD (%) G H I J K L M N FJD analyt FJD LE FJD analyt FJD LE Figure IV.54: Comparaison analytique - Lumin. Equival. points au mur, ciel CIE T9 Figure IV.55: Comparaison analytique - Lumin. Equival. points au sol, ciel CIE T9 FJD (%) G H I J K L M N FJD (%) A B C D E F FJD analyt FJD LE FJD analyt FJD LE Figure IV.56: Comparaison analytique - Lumin. Equival. points au mur, ciel CIE T15 Figure IV.57: Comparaison analytique - Lumin. Equival. points au sol, ciel CIE T15 Les résultats présentés dans les figures IV.46 - IV.57 ci-dessus montrent que la méthode est capable de représenter la répartition des luminances des différents types de ciel CIE pour une ouverture en toiture. IV FJD pour une ouverture en toiture avec un vitrage clair (Scénario) FJD (%) FJD (%) A B C D E F 0.0 G H I J K L M N FJD analyt FJD LE FJD LS Figure IV.58: Comparaison analytique-le-lightscape points au mur, ciel couvert FJD analyt FJD LE FJD LS Figure IV.59: Comparaison analytique-le-lightscape points au sol, ciel couvert FJD (%) A B C D E F FJD analyt FJD LE FJD LS Figure IV.60: Comparaison analytique-le-lightscape points au mur, ciel clair FJD (%) G H I J K L M N FJD analyt FJD LE FJD LS Figure IV.61: Comparaison analytique-le-lightscape points au sol, ciel clair 184

185 Chapitre IV Les résultats de ce cas test montrent que la méthode des luminaires équivalents est également capable de prendre en considération la transmission directionnelle d un vitrage normal sur une ouverture en toiture. IV FJD + FRE (sol extérieur) pour une ouverture en façade sans vitrage (Scénario II.x) La position des points de référence est présentée dans la figure IV.16. Figure IV.62: Simulation d une ouverture en façade sous un ciel CIE couvert et avec un sol extérieur par un luminaire équivalent FJD+FRE (% FJD+FRE (% A B C D E F 0.0 G H I J K L M N Analyt LE LS Analyt LE LS Figure IV.63: Comparaison analytique-le-lightscape points au mur, ciel couvert Figure IV.64: Comparaison analytique-le-lightscape points au sol, ciel couvert FJD+FRE (% A B C D E F FJD+FRE (% G H I J K L M N Analyt LE LS Analyt LE LS Figure IV.65: Comparaison analytique-le-lightscape points au mur, ciel clair Figure IV.66: Comparaison analytique-le-lightscape points au sol, ciel clair Les résultats de ce cas-test montrent que la méthode des luminaires équivalents est capable de s affranchir des limites de Lightscape dans le calcul de la composante réfléchie externe due à un sol extérieur pour une ouverture en façade. Nous notons également l économie considérable de temps de calcul que permet cette méthode par rapport à la simulation classique (du simple au double pour un scénario de boite à chaussures). 185

186 Chapitre IV IV FJD + FRE (sol extérieur) pour une ouverture en façade avec un vitrage clair (Scénario II.x) FJD+FRE (% FJD+FRE (% A B C D E F 0.0 G H I J K L M N Analyt LE LS Analyt LE LS Figure IV.67: Comparaison analytique-le-lightscape points au mur, ciel couvert Figure IV.68: Comparaison analytique-le-lightscape points au sol, ciel couvert FJD+FRE (% A B C D E F FJD+FRE (% G H I J K L M N Analyt LE LS Analyt LE LS Figure IV.69: Comparaison analytique-le-lightscape points au mur, ciel clair Figure IV.70: Comparaison analytique-le-lightscape points au sol, ciel clair IV FJD + FRE (sol extérieur + masque horizontal continu) pour une ouverture en façade sans vitrage (Scénario II.x) La simulation des luminaires équivalents présente une différence importante entre un scénario avec un masque et un autre sans masque. En effet, la présence du masque fait que la photométrie équivalente n est pas la même selon sa position sur la surface de l ouverture. Ainsi la représentation de l ouverture par une source surfacique avec une photométrie équivalente calculée à partir du centre de cette ouverture peut entraîner une erreur importante dans le calcul du facteur de lumière de jour à l intérieur de la pièce. Cette erreur est liée à la différence en luminance de champ de vision entre le point de mesure(p) et le point de calcul de la photométrie (O) (voir figure IV.71). Champ de Vision réel C.d.V simulé a O a P Figure IV.71: Etude de champ proche 186

187 Chapitre IV Cette erreur est donc également liée à la taille de l ouverture, à la distance entre le point de mesure et l ouverture et à l hétérogénéité du champ de luminance externe et en particulier à la distance entre l ouverture et le masque. Ces paramètres sont imposés par le scénario à simuler. Le seul moyen pour minimiser cette erreur est de subdiviser verticalement la surface de l ouverture en un nombre de sources surfaciques. Chacune de ces sources a une photométrie équivalente calculée à partir de son centre géométrique. Cette subdivision permet alors de minimiser la différence entre la luminance du champ de vision du point de mesure et celle des photométries équivalentes calculées. Les résultats présentés dans les figures IV.74 - IV.81 ci-dessous sont obtenus avec une subdivision verticale de l ouverture en 10 sources équivalentes. La position des points de référence est présentée dans la figure IV.30. Figure IV.72: Simulation d une ouverture en façade sous un ciel CIE clair et avec un sol et un masque continu extérieurs par une série de 10 luminaires équivalents La figure IV.73 ci-dessous montre la variation de la photométrie équivalente avec la hauteur du point de mesure sur la façade. Nous remarquons en particulier la variation de la directionnalité de cette photométrie en s approchant du masque. Photométrie équiv. à 1.05 m de hauteur (maille #1) Photométrie équiv. à 1.35 m de hauteur (maille #4) Photométrie équiv. à 1.65 m de hauteur (maille #7) Photométrie équiv. à 1.95 m de hauteur (maille #10) Figure IV.73: Variation de la photométrie équivalente avec la hauteur du point de calcul pour un ciel CIE T1 et un masque horizontal continu de 2m de largeur 187

188 Chapitre IV Masque horizontal continu de 50cm de largeur : FJD+FRE (% A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-10mailles FJD+FRE (% A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-10mailles Figure IV.74: Comparaison analytique-le 10 mailles, Obstruction Hz de 50cm, ciel CIE T1 Figure IV.75: Comparaison analytique-le 10 mailles, Obstruction Hz de 50cm, ciel CIE T12 Masque horizontal continu de 1m de largeur : FJD+FRE (% A B C D E F G H FJD+FRE (% A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-10mailles FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-10mailles Figure IV.76: Comparaison analytique-le 10 mailles, Obstruction Hz de 1m, ciel CIE T1 Figure IV.77: Comparaison analytique-le 10 mailles, Obstruction Hz de 1m, ciel CIE T12 Masque horizontal continu de 2m de largeur : FJD+FRE (% A B C D E F G H FJD+FRE (% A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LS FJD+FRE LE-10mailles FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-10mailles Figure IV.78: Comparaison analyt-le 10 mailles-ls, Obstruction Hz de 2m, ciel CIE T1 Figure IV.79: Comparaison analytique-le 10 mailles, Obstruction Hz de 2m, ciel CIE T12 FJD+FRE (% A B C D E F G H FJD+FRE (% A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-10mailles Figure IV.80: Comparaison analytique-le 10 mailles, Obstruction Hz de 7m, ciel CIE T2 Figure IV.81: Comparaison analytique-le 10 mailles, Obstruction Hz de 2m, ciel CIE T7 Les résultats présentés dans les figure IV.74 - IV.81 ci-dessus montrent que (contrairement à Lightscape) la méthode des LE est capable de simuler avec une bonne précision un scénario de lumière naturelle avec présence de masque dans un champ proche par rapport à 188

189 Chapitre IV l ouverture. En regardant la perspective intérieure avec une simulation en luminaire équivalent d un ciel clair (voir figure IV.72), nous observons une bonne présentation graphique de la ligne d ombre due à la directionnalité du soleil. Nous notons que cette précision est obtenue à partir d un maillage de l ouverture en un nombre donné de sources équivalentes. Pour mieux comprendre la variation des erreurs avec le maillage de la source et la configuration des scénarios, nous menons dans IV.2.8 une étude paramétrique adaptée. IV FJD et FRE (sol extérieur + masque vertical continu) pour une ouverture en façade sans vitrage (Scénario II.x) Photométrie équiv. à 1.05 m de hauteur (maille #1) Photométrie équiv. à 1.95 m de hauteur (maille #10) Figure IV.82: Variation de la photométrie équivalente avec la hauteur du point de calcul pour un ciel CIE T1 et un masque vertical continu de 9m de hautreur Nous notons une faible variation de la photométrie équivalente pour les scénarios de masque vertical à 6m de la façade (voir figure IV.82). Cependant ce scénario représente le cas urbain courant de présence d obstruction verticale due à un vis-à-vis. Masque Vertical continu de 3m de hauteur : FJD+FRE (% A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-10mailles FJD+FRE (% A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-10mailles Figure IV.83: Comparaison analytique-le 10 mailles, Obstruction V de 3m, ciel CIE T1 Figure IV.84: Comparaison analytique-le 10 mailles, Obstruction V de 3m, ciel CIE T12 Masque Vertical continu de 6m de hauteur : FJD+FRE (% A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-10mailles FJD+FRE LS Figure IV.85: Comparaison analytique-le 10 mailles, Obstruction V de 6m, ciel CIE T1 FJD+FRE (% A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-10mailles Figure IV.86: Comparaison analytique-le 10 mailles, Obstruction V de 6m, ciel CIE T12 189

190 Chapitre IV Masque Vertical continu de 9m de hauteur FJD+FRE (% FJD+FRE (% A B C D E F G H 0.0 A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-10mailles Figure IV.87: Comparaison analytique-le 10 mailles, Obstruction V de 9m, ciel CIE T1 FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-10mailles Figure IV.88: Comparaison analytique-le 10 mailles, Obstruction V de 9m, ciel CIE T12 Comme pour le scénario avec masque horizontal, les simulations de LE donnent des résultats assez satisfaisants dans la simulation d un scénario de lumière naturelle avec masque vertical. Nous notons cependant une différence légèrement plus marquée avec la référence analytique pour le scénario de 9m de hauteur. IV.2.7 Comparaison des résultats aux données de référence expérimentales des scénarios de lumière naturelle Nous utilisons dans cette partie pour la validation de la méthode des LE des scénarios expérimentaux en lumière naturelle associés à des cartes de luminances réelles. Le dispositif expérimental et les scénarios utilisés sont décrits dans le chapitre III où les cartes de luminance ont été utilisées comme modèles de ciel dans Radiance. Les fichiers photométriques équivalents aux cartes de luminances sont créés à partir de ces cartes, avec le logiciel Photolux. Ces fichier sont au format IESNA avec un maillage de 1 pour un maximum de précision (un minimum de perte de données). Ils sont ensuite utilisés dans Lightscape pour décrire les sources surfaciques positionnées au niveau de l ouverture. Comme pour les simulations de Radiance (Chapitre III), nous appliquons aux résultats des luminaires équivalents une correction des flux calculée à partir de la différence entre l éclairement extérieur obtenu à partir des cartes et l éclairement extérieur mesuré. La comparaison des résultats des LE se fait avec les mesures expérimentales mais également avec les résultats de Radiance pour les mêmes scénarios. L utilisation des résultats de Radiance permet de compenser l incertitude liée aux références expérimentales (problèmes de champ proche, fiabilité des cartes de luminance ) et de vérifier l équivalence entre la méthode des LE et la simulation classique avec un modèle de ciel dans un logiciel fiable [Grynberg, 1988]. Nous notons finalement que ces tests ne sont pas applicables avec une simulation classique de Lightscape puisque, comme la majorité des logiciels existants, il n accepte que les modèles de ciel prédéfinis. 190

191 Chapitre IV IV Ciel artificiel, ouverture en toiture (Scénarios III.5.1-4) Figure IV.89: Maquette expérimentale avec une ouverture en toiture de 20cm 20cm Figure IV.90: Maquette expérimentale avec une ouverture en toiture de 20cm 20cm E (lx) E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Simulation LE Limite inférieure Figure IV.91: Comparaison mesures-le-radiance, Ciel artificiel, Ouverture en toiture 20cm 20cm 1400 A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Simulation LE Limite inférieure Figure IV.92: Comparaison mesures-le-radiance, Ciel artificiel, Ouverture en toiture 40cm 40cm E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Simulation LE Limite inférieure Figure IV.93: Comparaison mesures-le-radiance, Ciel artificiel, Ouverture en toiture 60cm 60cm E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Simulation LE Limite inférieure Figure IV.94: Comparaison mesures-le-radiance, Ciel artificiel, Ouverture en toiture 80cm 80cm IV Ciel artificiel, ouverture en façade (Scénarios III.5.5-7) E (lx) Figure IV.95: Champ de vision d une ouverture en façade de 40 20cm 0 A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Simulation LE Limite inférieure Figure IV.96: Comparaison mesures-le-radiance, Ciel artificiel, Ouverture en façade de 40cm 20cm 191

192 Chapitre IV E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Simulation LE Radiance Limite inférieure Figure IV.97: Comparaison mesures-le-radiance, Ciel artificiel, Ouverture en façade de 60cm 40cm E (lx) A1 A2 A3 A4 limite supérieure Radiance Simulation LE limite inférieure Figure IV.98: Comparaison mesures-le-radiance, Ciel artificiel, Ouverture en façade de 80cm 60cm IV Ciel extérieur nuageux, ouverture en toiture (Scénarios III ) E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Simulation LE Limite inférieure Figure IV.99: Photo du ciel extérieur prise en même temps que les mesures Figure IV.100: Comparaison mesures-le-radiance, Ciel nuageux, Ouverture en toiture de 20cm 20cm E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Simulation LE Limite inférieure Figure IV.101: Comparaison mesures-le-radiance, Ciel nuageux, Ouverture en toiture de 40cm 40cm E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Simulation LE Limite inférieure Figure IV.102: Comparaison mesures-le-radiance, Ciel nuageux, Ouverture en toiture de 60cm 60cm IV Ciel extérieur clair, ouverture en façade (Scénarios III ) Figure IV.103: Champ de vision de l ouverture en façade E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Simulation LE Limite inférieure Figure IV.104: Comparaison mesures-le-radiance, Ciel clair, Ouverture en façade de 40cm 20cm 192

193 Chapitre IV E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Simulation LE Limite inférieure Figure IV.105: Comparaison mesures-le-radiance, Ciel clair, Ouverture en façade de 60cm 40cm E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Simulation LE Limite inférieure Figure IV.106: Comparaison mesures-le-radiance, Ciel clair, Ouverture en façade de 80cm 60cm Les résultats présentés dans les figures IV.91 - IV.106 ci-dessus pour les différents scénarios testés montrent une quasi-similitude entre les résultats de Radiance et ceux de la méthode des luminaires équivalents. Ils montrent également une corrélation globalement satisfaisante entre les deux types de simulation et les références expérimentales. Cette similitude prouve que la méthode de LE est aussi précise que Radiance dans la simulation d une carte de luminance réelle. Cela confirme également que la différence avec les données de référence est due en grande partie à la précision des cartes de luminances (champ proche en particulier). IV Ciel extérieur dynamique, ouverture en toiture Nous présentons dans les graphiques de la figure IV.107 ci-dessous les résultats de LE comparés aux mesures expérimentales ainsi qu aux résultats de Radiance pour le scénario de ciel extérieur dynamique avec une ouverture en toiture de 20cm 20cm (décrit dans III.2.7). E (lx) :38 14:52 15:07 15:21 15:36 15:50 Temps de mesure A1 Mesures A1 LE A1 Radiance E (lx) :38 14:52 15:07 15:21 15:36 15:50 Temps de mesure A2 Mesures A2 LE A2 Radiance Variation de E (lx) au point A1 Variation de E (lx) au point A2 E (lx) :38 14:52 15:07 15:21 15:36 15:50 Temps de mesure A3 Mesures A3 LE A3 Radiance E (lx) :38 14:52 15:07 15:21 15:36 15:50 Temps de mesure A4 Mesures A4 LE A4 Radiance Variation de E (lx) au point A3 Variation de E (lx) au point A4 193

194 Chapitre IV E (lx) :38 14:52 15:07 15:21 15:36 15:50 Temps de mesure A5 Mesures A5 LE A5 Radiance E (lx) :38 14:52 15:07 15:21 15:36 15:50 Temps de mesure B5 Mesures B5 LE B5 Radiance Variation de E (lx) au point A5 Variation de E (lx) au point B5 Figure IV.107: Comparaison mesures-le-radiance, pour la variation de l éclairement intérieur sur les différents points de mesure et pendant toute la période d acquisition (ouverture en toiture) Les résultats présentés dans la figure IV.107 ci-dessus montrent une quasi-similitude entre les résultats de LE et de Radiance. IV Ciel extérieur dynamique, ouverture en façade E (lx) :26 13:40 13:55 14:09 14:24 Temps de mesure A1 Mesures A1 LE A1 Radiance Variation de E (lx) au point A1 E (lx) :26 13:40 13:55 14:09 14:24 Temps de mesure A2 Mesures A2 LE A2 Radiance Variation de E (lx) au point A2 E (lx) E (lx) :26 13:40 13:55 14:09 14: Temps de mesure A3 Mesures A3 LE A3 Radiance Variation de E (lx) au point A3 0 13:26 13:40 13:55 14:09 14:24 Temps de mesure A5 Mesures A5 LE A5 Radiance Variation de E (lx) au point A5 E (lx) E (lx) :26 13:40 13:55 14:09 14:24 Temps de mesure A4 Mesures A4 LE A4 Radiance Variation de E (lx) au point A4 0 13:26 13:40 13:55 14:09 14:24 Temps de mesure B5 Mesures B5 LE B5 Radiance Variation de E (lx) au point B5 Figure IV.108: Comparaison mesures-le-radiance, pour la variation de l éclairement intérieur sur les différents points de mesure et pendant toute la période d acquisition (ouverture en façade) Comme pour le cas test précédent, les résultats de ce cas test montrent que la méthode des LE combinée à l utilisation des cartes de luminances réelles est capable de représenter la dynamique de la lumière de jour dans un scénario réel. 194

195 Chapitre IV Nous notons également que la précision de la méthode est comparable à celle du logiciel Radiance. IV Ciel artificiel, ouverture en façade + obstruction Dans cette partie de validation expérimentale de la méthode des LE, nous utilisons des scénarios avec présence de champ proche dû à un masque extérieur horizontal. Comme pour les scénarios analytiques avec obstruction, la surface de l ouverture est subdivisée en un nombre de mailles avec une photométrie équivalente pour chacune. Ces photométries équivalentes sont obtenues à l aide d une série de photos numériques prises avec un objectif fish-eye à partir du centre de chaque maille. Ces photos sont ensuite analysées à l aide de Photolux et exportées au format IESNA. Les éclairements extérieurs sont enregistrés en même temps que les photos, puis en même temps que les mesures d éclairement à l intérieur de la maquette expérimentale. Chaque maille est ensuite simulée séparément. Ceci permet de mieux prendre en considération la variation des flux lors de l utilisation des mesures en tant que données de référence (voir III.2.3.2). Finalement nous notons que les résultats de la simulation en LE sont comparés uniquement aux bandes de tolérance des mesures expérimentales, puisque les scénarios expérimentaux avec masque n ont pas été simulés avec Radiance. Scénario A, ouverture en façade de 60cm 40cm : La configuration géométrique utilisée pour ce cas test est celle de la maquette de l ENTPE avec une ouverture de 60cm 40cm et un masque horizontal de même hauteur que le plafond et de 20cm de largeur. Les mesures sont faites à l intérieur du ciel artificiel. Le miroir en face de l ouverture est masqué avec du papier blanc afin de ne pas avoir la réflexion de la façade dans le champ de vision de l appareil photo. Pour ce scénario, l ouverture est subdivisée en 4 mailles. Les photométries équivalentes sont donc mesurées tous les 10cm à partir de 15 cm en dessous du centre de l ouverture et jusqu à +15 cm en dessus. Les résultats présentés ci-dessous sont obtenus à partir du cumul des éclairements reçus par chaque maille avant et après correction des flux E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Simulation LE Correction de flux Limite inférieure Figure IV.109: Comparaison mesures-le 4 mailles-radiance, Ciel artificiel, Ouverture en façade de 60cm 40cm avec masque horizontal 195

196 Chapitre IV Scénario B, ouverture en façade de 80cm 60cm Maille +25 Maille +15 Maille +05 Maille -05 Maille -15 Maille -25 Figure IV.110: Variation du champ de luminance avec la hauteur du pt de vue sur la surface de l ouverture La configuration utilisée est similaire à celle du scénario précédent mais avec une ouverture complète de 80cm 60cm. Pour ce scénario, l ouverture est subdivisée en 6 mailles. Les photométries équivalentes sont donc mesurées tous les 10cm à partir de 25 cm en dessous du centre de l ouverture et jusqu à +25 cm en dessus (voir figure IV.110). E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Correction de flux Simulation LE Limite inférieure Figure IV.111: Comparaison mesures-le 6 mailles-radiance, Ciel artificiel, Ouverture en façade de 80cm 60cm avec masque horizontal Les résultats présentés dans la figure IV.111 ci-dessus montrent que la méthode des luminaires équivalents est capable de donner une précision acceptable pour la simulation d un scénario expérimental avec présence de champ proche. Cette précision est atteinte à condition de subdiviser la surface de l ouverture. 196

197 Chapitre IV IV.2.8 Etude paramétrique pour les scénarios de champ proche Les résultats présentés ci-dessus pour des scénarios avec masque extérieur ont montré que la méthode des luminaires équivalents est capable de simuler avec précision ce genre de scénario. Cependant, ces résultats sont obtenus à partir d un maillage de l ouverture en un nombre de sources équivalentes. Pour mieux comprendre l influence de ce maillage sur la précision des résultats, nous réalisons l étude suivante. IV Objectifs et démarche (sélection des paramètres) Le but de l étude est donc de trouver une relation entre la précision des résultats et le maillage de l ouverture (en sources équivalentes) en fonction de la configuration du champ proche dans le scénario à simuler. Ceci permet alors, pour un scénario donné, de prédéfinir un maillage optimisé afin d atteindre le degré de précision voulu pour un temps de calcul minimal. Nous notons que cette étude s inscrit également dans le cadre d une perspective de développement d un outil numérique pour la création des photométries équivalentes. L objectif est de pouvoir automatiser le maillage de l ouverture et la création des photométries équivalentes en fonction du scénario (de champ proche) et de la précision voulue. La première étape de l étude consiste à identifier les paramètres d un scénario de champ proche, pouvant affecter la précision de la simulation d une source équivalente. Nous avons identifié les paramètres suivants : a. Variation de l éclairement extérieur (sur cette surface) b. Variation de l angle d obstruction sur la surface de la source c. Le contraste de luminance entre le masque et le reste de l hémisphère (vus à partir de la surface) d. Le facteur de forme entre le point de mesure et la source, le facteur de forme entre le point de mesure et la portion de la source masquée par l obstruction, et le rapport entre les deux e. Le contraste de luminance entre la portion masquée et le reste de la surface pour un point de mesure donné. Nous estimons que la variation de l éclairement extérieur sur la surface de la source peut être représentative des autres paramètres liés à la relation entre la surface et le masque : b, c, d et e. Pour cela, et afin de simplifier l étude paramétrique, nous commençons par étudier séparément l influence de ce paramètre sur la précision des résultats. Comme valeur représentative de la variation de la précision, nous utilisons le coefficient de corrélation entre les résultats de la simulation et la référence analytique sur un axe de mesure au sol. Comme valeur représentative de la variation de l éclairement sur la surface de la source, nous utilisons le rapport "Emin/Emax". Pour les simulations avec plusieurs mailles, nous utilisons la valeur minimale de ce rapport, c.à.d nous prenons en considération la maille la plus défavorable. La deuxième étape consiste à vérifier la relation entre ces deux valeurs à travers l analyse d un échantillon obtenu à partir d une série de simulations conduites avec un nombre différent de mailles et pour différents scénarios analytiques avec différentes configurations de champ proche (masques horizontaux ou verticaux de dimensions variables). Dans la partie qui suit, nous présentons des résultats des scénarios choisis en tant qu échantillon pour notre étude paramétrique. 197

198 Chapitre IV IV Présentation de l échantillon utilisé Nous présentons ci-dessous une partie de l échantillon utilisé dans notre étude paramétrique. Les scénarios utilisés sont ceux définis dans II.12 et II.13. Les valeurs de référence sont présentées dans l annexe B. Série #1 : CIE T1 (couvert), ouverture en façade de 2x1m, masque horizontal : L = 0.5 m L = 1m L = 2m Hauteur (m) Hauteur (m) Hauteur (m) Figure IV.112: Variation de Ev/Ev-min sur la surface de l ouverture, selon la largeur L du masque L = 0.5 m L = 1m L = 2m A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-1maille A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-1maille 1 maille A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-1maille A B C D E F G H 0.0 A B C D E F G H 0.0 A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-2mailles FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-2mailles FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-2mailles 2 mailles A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-5mailles A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-5mailles A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-5mailles 5 mailles A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-10mailles A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-10mailles 10 mailles ( ) FJD+FRE analyt A B C D E F G H FJD+FRE LE-10mailles Figure IV.113: Variation de la précision des résultats avec la configuration du masque horizontal et le maillage de la source équivalente (Ciel CIE T1) La comparaison entre les résultats de la simulation et la référence analytique pour la série cidessus montre que nous avons une corrélation décroissante avec la taille du masque et une corrélation croissante avec le nombre de mailles. 198

199 Chapitre IV Série #2 : CIE T12 (clair), ouverture en façade de 2x1m, masque horizontal : Hauteur (m) L = 0.5 m L = 1m L = 2m Hauteur (m) Hauteur (m) Figure IV.114: Variation de Ev/Ev-min sur la surface de l ouverture, selon la largeur L du masque L = 0.5 m L = 1m L = 2m FJD+FRE (% A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-1maille FJD+FRE (% A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-1maille FJD+FRE (% A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-1maille 1 maille FJD+FRE (% FJD+FRE (% FJD (%) A B C D E F G H 0.0 A B C D E F G H A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-2mailles FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-2mailles FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-2mailles 2 mailles FJD+FRE (% A B C D E F G H FJD+FRE (% A B C D E F G H FJD (%) A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-5mailles FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-5mailles FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-5mailles 5 mailles FJD+FRE (% A B C D E F G H FJD+FRE (% A B C D E F G H FJD+FRE (% A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-10mailles FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-10mailles FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-10mailles 10 mailles Figure IV.115: Variation de la précision des résultats avec la configuration du masque horizontal et le maillage de la source équivalente (Ciel CIE T12) Nous notons une quasi-similarité entre les résultats de ce scénario (ciel CIE T12) et ceux du scénario précédent (ciel CIE T1). Série #3 : CIE T1, ouverture en façade de 2x1m, masque vertical : H = 3 m H = 6 m H = 9 m Hauteur (m) Hauteur (m) Hauteur (m) Figure IV.116: Variation de Ev/Ev-min sur la surface de l ouverture, selon la hauteur H du masque 199

200 Chapitre IV H = 3 m H = 6 m H = 9 m A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-1maille A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-10mailles A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-1maille maille A B C D E F G H FJD+FRE analyt 10 mailles FJD+FRE LE-10mailles A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-1maille A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-10mailles Figure IV.117: Variation de la précision des résultats avec la configuration du masque vertical et le maillage de la source équivalente (Ciel CIE T1) Nous notons pour la série ci-dessus une corrélation décroissante avec la hauteur du masque vertical. Cependant, nous ne constatons pas une variation sensible avec le nombre de mailles. La bonne précision obtenue avec les simulations en une seule maille est due à la faible variation de la photométrie équivalente (voir figure IV.82) et de l éclairement extérieur au niveau de la surface de l ouverture (voir figures IV.116). Série #4 : CIE T12, ouverture en façade de 2x1m, masque vertical : H = 3 m H = 6 m H = 9 m Hauteur (m) Hauteur (m) Hauteur (m) Figure IV.118: Variation de Ev/Ev-min sur la surface de l ouverture, selon la hauteur H du masque H = 3 m H = 6 m H = 9 m FJD+FRE (% FJD+FRE (% A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-1maille 0.0 A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-1maille 0.0 A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-1maille 1 maille FJD+FRE (% FJD+FRE (% A B C D E F G H 0.0 A B C D E F G H 0.0 A B C D E F G H FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-10mailles FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-10mailles FJD+FRE analyt FJD+FRE LE-10mailles 10 mailles Figure IV.119: Variation de la précision des résultats avec la configuration du masque vertical et le maillage de la source équivalente (Ciel CIE T12) 200

201 Chapitre IV IV Analyse de l échantillon et identification d une courbe de tendance entre la variation des éclairements extérieurs et la précision des résultats Nous présentons dans le graphique de la figure IV.120 ci-dessous les valeurs de l échantillon étudié avec le rapport Ev'/Ev" en X, et la corrélation entre les résultats de la simulation et la référence analytique correspondante en Y. Ev'/Ev" est le plus petit des rapports entre l éclairement vertical sur les deux bords de chacune des mailles simulées. Le coefficient de corrélation utilisé sur l axe des Y est défini par l équation suivante : Cov( X, Y) ρxy= σ x σ y où : 1 ρ xy 1 (35) n Cov ( X, Y) = 1 ( xi µ x)( yi µ y) n i n Correlation Ev'/Ev" Echantillon 2m 2mailles Polynomial (Echantillon) Figure IV.120: Courbe de tendance de l échantillon étudié La présentation de l échantillon étudié dans la figure IV.120 montre une amélioration de la corrélation avec le rapport Ev'/Ev" jusqu environ la valeur 0.87 de ce rapport. A partir de cette valeur, nous n observons pas une amélioration sensible de la corrélation (elle se stabilise aux environs de 0.98). Nous constatons également que les valeurs de l échantillon utilisé se trouvent sur une courbe de tendance bien confirmée à l exception de 4 valeurs obtenues avec des simulations en deux mailles pour un masque horizontal de 2m de largeur et 4 types différents du ciel CIE. En observant les graphiques correspondantes dans les figures IV.113 et IV.115, nous constatons que la faible valeur de corrélation est due à la forme particulière de la courbe des résultats de la simulation. IV Comparaisons de la courbe de tendance des résultats analytiques aux résultats des scénarios expérimentaux L objectif de cette partie est de vérifier l applicabilité de la courbe de tendance (identifiée à partir des scénarios analytiques) aux scénarios expérimentaux. Pour cela nous ajoutons à notre échantillon, les résultats de 4 simulations des scénarios A et B présentés dans IV

202 Chapitre IV Correlation Ev'/Ev" Echantillon 2m 2mailles Ciel art-60x40 Polynomial (Echantillon) Ciel Art-80x60 Figure IV.121: comparaison des résultats du scénario expérimental à la courbe de tendance de l échantillon analytique Ces résultats sont obtenus à partir de deux simulations avec 1 ou 4 mailles pour le scénario A (ouverture de 40cm 60cm), et deux autres simulations avec 1 ou 6 mailles pour le scénario B (80cm 60cm). Ils sont présentées dans la figure IV.121 ci-dessus. Nous remarquons que les résultats du scénario A se rapprochent de la courbe de tendance de l échantillon analytique. Les résultats du scénario B sont plus éloignés de la courbe, mais avec une meilleure valeur de corrélation. Cette différence est probablement liée à la taille de l ouverture, et à la variation des éclairements extérieurs sur toute la surface de l ouverture (la valeur Ev'/Ev" utilisée est obtenue à partir d une seule maille : la plus proche du masque). Ouverture 60cm 40cm Ouverture 80cm 60cm Hauteur (cm) Hauteur (cm) Figure IV.122: Variation de Ev/Ev-min sur la surface de l ouverture, pour les scénarios expérimentaux Finalement nous notons qu il faut relativiser les conclusions de cette comparaison par rapport à l incertitude liée à la référence expérimentale. IV Analyse des résultats L étude paramétrique menée a montré qu il existe effectivement une relation entre la variation de l éclairement extérieur sur les mailles de l ouverture et la précision de la simulation de luminaires équivalents basée sur le maillage correspondant. Même s il est possible d affiner cette étude en introduisant un nombre supplémentaire de paramètres (distance entre le point de mesure et les mailles ), nous considérons que la relation trouvée peut être suffisante dans le cadre de l objectif défini (choix d un maillage optimisé pour une meilleure précision avec un minimum de temps de calcul). Ceci est d autant plus vrai, que nous avons constaté une faible variation du temps de calcul entre une simulation avec une seule maille et une autre avec 10mailles (exemple : 1min30s pour une simulation en 1 maille du scénario avec CIE T12, obstruction Hz de 2m de largeur, et 2min pour une simulation en 10 mailles du même scénario). Ce qui permet de choisir un maillage assez fin de façon à ce que le rapport Ev'/Ev" dépasse la valeur seuil de 0.9, ce qui garantit d après cette étude une corrélation supérieure à

203 Chapitre IV Conclusions Dans ce chapitre, nous avons prouvé à l aide de deux exemples concrets (validation de Lightscape et validation de la méthode des luminaires équivalents) l utilité de la méthode de validation proposée. En effet, l utilisation des cas-tests définis dans l esprit de cette méthodologie a permis de montrer les points forts et les points faibles du logiciel testé. Ces mêmes cas-tests nous ont permis de prouver la validité et l intérêt de la méthode des luminaires équivalents pour la simulation des scénarios de lumière naturelle, en particulier en présence de champ proche. Finalement, ce travail a débouché sur une perspective intéressante pour le domaine de la conception en éclairage : le développement d un outil de création des luminaires équivalents pour des scénarios de lumière naturelle, avec et sans masque extérieur. Références bibliographiques AUTODESK. Lightscape 3.2 Users Guide Autodesk, 1999, 352 p. GRYNBERG A. Comparison and Validation of Radiance and Superlite. Rapport interne. Lawrence Berkeley National Laboratory, IESNA. Calculation of daylight availability. IES-RP-21. New York: IIlluminating engineering Society of North America, 1984, 9 p. IESNA. IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data. IESNA LM New York: Illuminating engineering Society of North America, 1995, 5 p. MAAMARI F. Protocoles de tests de logiciels de simulation d éclairage. DEA en Génie Civil. Vaulx en Velin - Lyon: ENTPE, 2000, 47 p. MAAMARI F., FONTOYNONT, M., HIRATA, M., KOSTER, J., MARTY, C., TRANSGRASSOULIS, A. Reliable Datasets for Lighting Programs Validation, Benchmark results. CISBAT 2003 Conference, 2003, pp. 6. MAAMARI F., JONGEWAARD, M., KOSTER, J., TRANSGRASSOULIS, A. FONTOYNONT, M. A Step Toward A Complete And Objective Validation Methodology For Lighting Simulation Tools. CIE 25th Session, San Diego, 2003, pp. 4. PAPAMICHAEL K. Fenestration systems as luminaires of varying candlepower distribution. IEEE Industry Application society, Seattle, SPITZGLAS M. Defining daylighting from windows in terms of candlepower distribution curves. Rapport interne. Lawrence Berkeley National Laboratory,

204 Chapitre IV 204

205 Conclusions et perspectives Conclusions et perspectives Introduction En conclusion de ce travail de thèse, nous présentons ci-dessous une analyse de l apport que représente cet ouvrage dans les différents aspects de la simulation numérique de la lumière que nous avons traités. Nous présentons également les perspectives liées à chacun de ces aspects, qui permettent de compléter ou d améliorer le travail réalisé. 205

206 Conclusions et perspectives 206

207 Conclusions et perspectives Table des matières 1. La méthodologie de validation et les cas-tests proposés Cahier des charges pour les protocoles de validation expérimentale La simulation des ciels réels Validité de Lightscape 3.2 pour la simulation de la lumière La méthode des luminaires équivalents Utilisation des études paramétriques Références bibliographiques

208 Conclusions et perspectives 208

209 Conclusions et perspectives 1. La méthodologie de validation et les cas-tests proposés Les deux exemples d application des cas-tests proposés dans le cadre de la méthodologie de validation (que nous avons définie dans I.3.5) ont prouvé l utilité de cette méthodologie. Les cas-tests proposés dans le chapitre II (voire tableau II.11) et dans le chapitre III (voir tableau III.15) permettent de couvrir un champ assez large du domaine de la simulation de l éclairage. Les perspectives envisagées pour compléter et améliorer l utilité de la méthode de validation sont liées aux points suivants: A. Compléter la série de cas-tests : Pour élargir le champ d application de la méthode de validation, il est important de compléter la série de cas-tests proposés de façon à couvrir d autres aspects de la propagation de la lumière. Nous proposons en premier lieu de développer les propositions de cas-tests listées dans II.14 et dans III.5. En ce qui concerne la création ou la sélection de nouveaux cas-tests avec référence expérimentale, il est important de respecter le cahier des charges que nous avons défini dans III.I. En ce qui concerne le cas-test III.3 (lié à la simulation de l aspect bi-directionnel des matériaux vitrés), nous proposons d utiliser le même protocole pour créer de nouvelles références expérimentales avec d autres matériaux que celui utilisé dans III.3. B. Comparaison de logiciels : Un des avantages apportés par la méthodologie de validation proposée est de faciliter la comparaison objective entre les logiciels. L intérêt d une telle comparaison, est de permettre aux utilisateurs potentiels de choisir l outil qui répond le mieux à leurs exigences. Nous proposons d appliquer les cas-tests définis au plus grand nombre possible de logiciels existants sur le marché international. Ce que nous avons commencé à faire à travers les travaux de l IEA 31 et du TC.3.33 de la CIE. C. Dissémination : La réussite de la méthodologie de validation proposée pour atteindre ces objectifs passe par son accessibilité aux testeurs: utilisateurs et développeurs. Pour une meilleure dissémination, nous employons les moyens suivants : - Publications : Les publications constituent non seulement un moyen de valorisation scientifique des travaux, mais aussi un moyen de diffusion des cas-tests proposés. Nous avons déjà publié une partie des cas-tests analytiques décrits dans le chapitre II [Maamari, 2003], et nous envisageons la publication des autres cas-tests disponibles. Nous avons publié des exemples d application de ces cas-tests (des Benchmarks entre différents logiciels) dans des congrès scientifiques [Maamari, 2002] [Maamari, 2003] [Maamari, 2003]. Nous avons soumis, dans le cadre d une collaboration au sein de la tâche 31 de l IEA, une proposition de publication au journal Energy and buildings. L objectif de l article proposé est d utiliser le protocole que nous avons défini dans III.3 pour la validation 209

210 Conclusions et perspectives d un nombre de méthodes de mesure et de simulation des caractéristiques bidirectionnelles des matériaux vitrés. - CIE TC.3.33 : Les cas-tests définis dans ce travail sont intégrés dans le cadre de l activité du comité technique TC.3.33 de la CIE. Ainsi le Rapport Technique de ce comité va inclure la série des cas-tests disponibles. La diffusion de ces cas-tests à travers cette activité permet de bénéficier d une crédibilité internationale. Ce travail peut déboucher sur une standardisation des cas-tests par la CIE. - Site Web IEA 31: L Internet devient de nos jours un moyen incontournable dans le domaine de la diffusion des informations. La publication des cas-tests sur le Web les rend facilement accessibles aux utilisateurs et aux développeurs de logiciels. Pour cela, et dans le cadre de la tâche 31 de l IEA, nous avons défini le concept de base pour un site Web qui permet de garantir l objectivité et la transparence des informations mises à disposition des utilisateurs (voir annexe E). Nous avons également développé une version expérimentale de ce site, dans une perspective de le rendre public sous l égide de l IEA. Nous notons que le concept proposé envisage la sélection et la diffusion des Benchmarks réalisés. Finalement nous notons que cette perspective de publication sur le Web via l IEA 31 offre à cette activité une crédibilité et une longévité (mise à jour avec de nouveaux cas-tests pour des nouvelles fonctionnalités et avec de nouveaux résultats pour des nouveaux logiciels). D. Certification : Une perspective idéale derrière ce travail serait de définir un protocole de certification des logiciels par rapport aux domaines d applications, en se basant sur les cas-tests proposés et le classement présenté dans les tableaux II.11 et III Cahier des charges pour les protocoles de validation expérimentale Dans III.1, nous avons proposé un cahier de charges pour la création de références expérimentales destinée à la validation des logiciels. Le respect de ce cahier de charges permet d optimiser l utilité des investissements dans des mesures expérimentales. Il concerne les points suivants : - Le choix et la description des scénarios - Les précautions liées aux protocoles - L évaluation des erreurs - La présentation des résultats 3. La simulation des ciels réels Le travail réalisé dans la partie III.2 a prouvé la fiabilité de la simulation de scénarios réels de lumière naturelle à partir de cartes de luminances réelles générées à partir des photos numériques calibrées. Les perspectives envisageables dans ce domaine sont liées à la réduction de la marge d erreur dans les valeurs de luminances calculées, et à la simplification de la procédure entre la création des photos et leur utilisation en tant que modèle de ciel dans un logiciel. 210

211 Conclusions et perspectives 4. Validité de Lightscape 3.2 pour la simulation de la lumière L utilisation de cas-tests dans IV.1 pour tester Lightscape a permis de montrer les points forts et les points faibles de ce logiciel pour la simulation de la lumière. A. Les points forts : - Calcul des inter-réflexions - Calcul de l éclairage artificiel B. Les points faibles: - Conservation des flux à travers une ouverture - Calcul de la composante directe en lumière naturelle - Calcul de la composante réfléchie externe - Calcul (quantitatif) des réflexions spéculaires ou mixtes - Simulation de la transmission directionnelle d un vitrage normal En conclusion de ces résultats, nous pouvons proposer des recommandations concernant le domaine d utilisation du logiciel. Lightscape 3.2 est à utiliser pour : - Simuler des scénarios de lumière artificielle - Simuler un ciel uniforme avec une ouverture en toiture Il est à utiliser avec prudence pour : - Simuler des scénarios de lumière naturelle (Calcul des FJ sous un ciel couvert) - Simuler des ouvertures avec un vitrage normal Il est à ne pas utiliser pour : - Calculer la composante réfléchie externe - Simuler l entrée de la lumière de jour à travers des matériaux à effet bi-directionnels - Simuler des scènes avec des matériaux à aspect spéculaire important Les perspectives pour apprendre davantage sur le logiciel passent par des études paramétriques supplémentaires. Il faudrait par exemple mieux comprendre la variation du temps de calcul avec la complexité des scénarios. 5. La méthode des luminaires équivalents Le travail mené dans IV.2 a permis de valider l utilité et la fiabilité de la méthode des luminaires équivalents pour simuler des scénarios de lumière naturelle. La méthode est testée avec des scénarios réels et analytiques. La validité a été prouvée pour des scénarios classiques de lumière naturelle, mais aussi pour des scénarios avec masques extérieurs proches. Concernant les scénarios avec masques proches, une étude paramétrique a permis de définir un lien entre la subdivision des ouvertures en plusieurs sources équivalentes et la précision des résultats. Une des perspectives envisagées derrière ce travail est liée au développement d un outil pour la création des photométries équivalentes avec ou sans masque proche. Cet outil peut être envisagé sous forme de "Plug-in" pour les logiciels de simulation de lumière artificielle et 211

212 Conclusions et perspectives naturelle. Une deuxième alternative plus facile à mettre en place, est de créer une bibliothèque de photométries équivalentes pour des scénarios courants de lumière naturelle. 6. Utilisation des études paramétriques Nous proposons de compléter les travaux de validation d un logiciel donné par un série d études paramétriques pour chaque cas-test utilisé. De telles études permettent de mieux comprendre l influence des différents paramètres de calcul du logiciel, et donc de mieux maîtriser son utilisation. Références bibliographiques MAAMARI F. Benchmarks to validate lighting computer programs. IEA 31-CIE Div. 3 Mini-conference, Ottawa, MAAMARI F., FONTOYNONT, M. Analytical tests for investigating the accuracy of lighting programs. Lighting Research and Technology, 2003, vol. 3, n 35, pp MAAMARI F., FONTOYNONT, M., HIRATA, M., KOSTER, J., MARTY, C., TRANSGRASSOULIS, A. Reliable Datasets for Lighting Programs Validation, Benchmark results. CISBAT 2003 Conference, MAAMARI F., JONGEWAARD, M., KOSTER, J., TRANSGRASSOULIS, A. FONTOYNONT, M. A Step Toward A Complete And Objective Validation Methodology For Lighting Simulation Tools. CIE 25th Session, San Diego,

213 Annexe A Annexe A Validation du logiciel Skylux Introduction Skylux est un outil numérique développé au LAboratoire des Sciences de l Habitat par Frans Van Roy et Dominique Dumortier. L objectif de cet outil est de calculer la solution analytique en FJD pour des scénarios de lumière naturelle sous les différents types du ciel CIE Général. Il est également capable de calculer la composante réfléchie externe pour un sol extérieur à luminance uniforme. Le logiciel utilise une approche d élément fini où la surface de l ouverture est subdivisée en mailles de très petites dimensions. Pour un point de référence donné, la contribution de chacune de ces mailles est calculée à partir de sa luminance moyenne. Pour calculer la luminance moyenne d une maille, le logiciel procède à un lancer de rayons depuis le point de référence pour repérer la zone du ciel vue à travers cette maille. A partir du modèle de ciel utilisé (avec Lz =10000cd/m²), le logiciel calcule la luminance moyenne de cette zone et l affecte à la maille correspondante. Si besoin, le logiciel peut prendre en considération la courbe de transmission directionnelle d un vitrage affecté à l ouverture. Avant d utiliser les résultats de Skylux comme référence analytique fiable, nous avons procédé à une validation analytique de ce logiciel. Les références analytiques utilisées pour la validation sont décrites dans le chapitre II. Nous présentons dans cette partie les résultats de cette validation. 213

214 Annexe A 214

215 Annexe A A.1 FJD pour une ouverture en toiture non vitrée et sous un ciel uniforme (cas-test II.8) La référence analytique pour ce scénario est décrite dans II.8.1.1, elle est basée sur les équations du facteur de forme (voir équations 4 et 5 dans chapitre II). La configuration utilisée pour la validation est celle d une ouverture de 1m 1m. La comparaison entre les résultats de Skylux et la référence analytique est présentée dans les tableaux A.1 et A.2 ci-dessous. FJD sur les points du mur A B C D E F Analytique CIE Type 5 Skylux Erreur (%) Tableau A. 1: FJD au mur pour une ouverture en toiture de 1mx1m sous un ciel uniforme (CIE type 5) FJD sur les points du sol G H I J K L M N Analytique CIE Type 5 Skylux Erreur (%) Tableau A. 2: FJD au sol pour une ouverture en toiture de 1mx1m sous un ciel uniforme (CIE type 5) A.2 FJD pour une ouverture en toiture non vitrée et sous un ciel CIE couvert (cas-test II.8) La référence analytique pour ce scénario est décrite dans II.8.1.2, elle est basée sur l équation 14. La configuration utilisée pour la validation est celle d une ouverture de 1m 1m. La comparaison entre les résultats de Skylux et la référence analytique est présentée dans le tableau A.3 ci-dessous. FJD sur les points du sol G H I J K L M N Analytique CIE couvert Skylux Erreur (%) Tableau A. 3: FJD au sol pour une ouverture en toiture de 1mx1m sous un ciel CIE couvert (CIE type 16) A.3 FJD pour une ouverture en toiture avec vitrage clair de 6mm d épaisseur et sous un ciel CIE couvert (cas test II.9) La référence analytique pour ce scénario est décrite dans II.9.1, elle est basée sur les équations 14 et 15. La configuration utilisée pour la validation est celle d une ouverture de 1m 1m. La comparaison entre les résultats de Skylux et la référence analytique est présentée dans le tableau A.4 ci-dessous. 215

216 Annexe A FJD sur les points du sol G H I J K L M N CIE couvert Analytique Skylux Erreur (%) Tableau A. 4: FJD au sol pour une ouverture en toiture de 1mx1m (avec vitrage clair) sous un ciel (CIE type 16) CIE couvert A.4 FJD et FRE (sol extérieur) pour une ouverture en façade non vitrée et sous un ciel uniforme (cas test II.10) La référence analytique pour ce scénario est décrite dans II , elle est basée sur les équations du facteur de forme (voir équations 4 et 5). La configuration utilisée pour la validation est celle d une ouverture de 2m 1m. La comparaison entre les résultats de Skylux et la référence analytique est présentée dans les tableaux A.5 et A.6 ci-dessous. FJD+FRE sur les points du mur A B C D E F Analytique CIE Type 5 Skylux Erreur (%) Tableau A. 5: FJD au mur pour une ouverture en façade de 2mx1m sous un ciel uniforme (CIE type 5) FJD sur les points du sol G H I J K L M N Analytique CIE Type 5 Skylux Erreur (%) Tableau A. 6: FJD au sol pour une ouverture en façade de 2mx1m sous un ciel uniforme (CIE type 5) A.5 FJD pour une ouverture en façade non vitrée et sous un ciel CIE couvert (cas test II.10) La référence analytique pour ce scénario est décrite dans II , elle est basée sur l équation 19. La configuration utilisée pour la validation est celle d une ouverture de 2m 1m. La comparaison entre les résultats de Skylux et la référence analytique est présentée dans le tableau A.7 ci-dessous. FJD sur les points du sol G H I J K L M N Analytique CIE Skylux couvert Erreur (%) Tableau A. 7: FJD au sol pour une ouverture en façade de 2mx1m sous un ciel CIE couvert (CIE type 16) 216

217 Annexe A A.6 FJD pour une ouverture en façade avec vitrage clair de 6mm d épaisseur et sous un ciel CIE couvert (cas test II.11) La référence analytique pour ce scénario est décrite dans II.11.1, elle est basée sur les équations 15 et 19. La configuration utilisée pour la validation est celle d une ouverture de 2m 1m. La comparaison entre les résultats de Skylux et la référence analytique est présentée dans le tableau A.8 ci-dessous. FJD sur les points du sol G H I J K L M N Analytique CIE couvert Skylux Erreur (%) Tableau A. 8: FJD pour une ouverture en façade de 2mx1m (avec vitrage clair) sous un ciel CIE couvert (CIE type 16) Conclusions Les résultats présentés ci-dessus prouvent la validité du logiciel pour le calcul des composantes directes à partir d une configuration géométrique donnée, d un modèle de ciel donné et d une courbe de transmission donnée. Ceci justifie l utilisation du logiciel pour le calcul des références analytiques sous autres modèles de ciel (en particulier ceux du ciel CIE général) et avec autres courbes de transmission directionnelles. 217

218 Annexe A 218

219 Annexe B Annexe B Solutions analytiques de référence Introduction Les résultats de référence présentés ci-dessous sont calculés à l aide de Skylux dont nous présentons la validation dans l annexe A. Pour les scénarios avec masque extérieur, la composante réfléchie externe due au masque est calculée à l aide des formules de facteur de forme. La composante directe est calculée avec Skylux en définissant pour chaque point de référence, les dimensions de la partie non masquée de l ouverture. 219

220 Annexe B 220

221 Annexe B B.1 FJD pour une ouverture en toiture non vitrée et sous les 16 types du Ciel CIE Général (cas-test II.8) B.1.1 Ouverture 1m 1m FJD sur les points du mur A B C D E F CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE couvert Tableau B. 1: FJD au mur pour une ouverture en toiture de 1m 1m sous les 16 types du ciel CIE Général FJD sur les points du sol G H I J K L M N CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE couvert Tableau B. 2: FJD au sol pour une ouverture en toiture de 1m 1m sous les 16 types du ciel CIE Général 221

222 Annexe B B.1.2 Ouverture 4m 4m FJD sur les points du mur A B C D E F CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE couvert Tableau B. 3: FJD au mur pour une ouverture en toiture de 4m 4m sous les 16 types du ciel CIE Général FJD sur les points du sol G H I J K L M N CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE couvert Tableau B. 4: FJD au sol pour une ouverture en toiture de 4m 4m sous les 16 types du ciel CIE Général 222

223 Annexe B B.2 FJD pour une ouverture en toiture avec vitrage clair de 6mm d épaisseur et sous les 16 types du Ciel CIE Général (cas-test II.9) B.2.1 Ouverture 1m 1m FJD sur les points du mur A B C D E F CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE couvert Tableau B. 5: FJD au mur pour une ouverture en toiture de 1m 1m (avec vitrage clair) sous les 16 types du ciel CIE Général FJD sur les points du sol G H I J K L M N CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE couvert Tableau B. 6: FJD au sol pour une ouverture en toiture de 1m 1m (avec vitrage clair) sous les 16 types du ciel CIE Général 223

224 Annexe B B.2.2 Ouverture 4m 4m FJD sur les points du mur A B C D E F CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE couvert Tableau B. 7: FJD au mur pour une ouverture en toiture de 4m 4m (avec vitrage clair) sous les 16 types du ciel CIE Général FJD sur les points du sol G H I J K L M N CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE couvert Tableau B. 8: FJD au sol pour une ouverture en toiture de 4m 4m (avec vitrage clair) sous les 16 types du ciel CIE Général 224

225 Annexe B B.3 FJD et FRE (sol extérieur) pour une ouverture en façade non vitrée et sous les 16 types du Ciel CIE Général (cas-test II.10) A.3.1 Ouverture 2m 1m FJD+FRE sur les points du mur A B C D E F CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE couvert Tableau B. 9: FJD+FRE au mur pour une ouverture en façade de 2m 1m sous les 16 types du ciel CIE Général FJD sur les points du sol G H I J K L M N CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE couvert Tableau B. 10: FJD au sol pour une ouverture en façade de 2m 1m sous les 16 types du ciel CIE Général FRE sur les points du plafond G H I J K L M N FRE Tableau B. 11: FRE au plafond pour une ouverture en façade de 2m 1m sous les 16 types du ciel CIE Général 225

226 Annexe B B.3.2 Ouverture 4m 3m FJD+FRE sur les points du mur A B C D E F CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE couvert Tableau B. 12: FJD+FRE au mur pour une ouverture en façade de 4m 3m sous les 16 types du ciel CIE Général FJD sur les points du sol G H I J K L M N CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE couvert Tableau B. 13: FJD au sol pour une ouverture en façade de 4m 3m sous les 16 types du ciel CIE Général FRE sur les points du plafond G H I J K L M N FRE Tableau B. 14: FRE au plafond pour une ouverture en façade de 4m 3m sous les 16 types du ciel CIE Général 226

227 Annexe B B.4 FJD et FRE pour une ouverture en façade avec vitrage clair de 6mm d épaisseur et sous les 16 types du Ciel CIE Général (cas-test II.11) B.4.1 Ouverture 2m 1m FJD+FRE sur les points du mur A B C D E F CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE couvert Tableau B. 15: FJD+FRE au mur pour une ouverture en façade de 2m 1m (avec vitrage clair) sous les 16 types du ciel CIE Général FJD sur les points du sol G H I J K L M N CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE couvert Tableau B. 16: FJD au sol pour une ouverture en façade de 2m 1m (avec vitrage clair) sous les 16 types du ciel CIE Général FRE sur les points du plafond G H I J K L M N FRE Tableau B. 17: FRE au plafond pour une ouverture en façade de 2m 1m (avec vitrage clair) sous les 16 types du ciel CIE Général 227

228 Annexe B B.4.2 Ouverture 4m 3m FJD+FRE sur les points du mur A B C D E F CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE couvert Tableau B. 18: FJD+FRE au mur pour une ouverture en façade de 4m 3m (avec vitrage clair) sous les 16 types du ciel CIE Général FJD sur les points du sol G H I J K L M N CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE couvert Tableau B. 19: FJD au sol pour une ouverture en façade de 4m 3m (avec vitrage clair) sous les 16 types du ciel CIE Général FRE sur les points du plafond G H I J K L M N FRE Tableau B. 20: FRE au plafond pour une ouverture en façade de 4m 3m (avec vitrage clair) sous les 16 types du ciel CIE Général 228

229 Annexe B B.5 FJD et FRE (sol + masque horizontal) pour une ouverture en façade non vitrée et sous les 16 types du Ciel CIE Général (cas-test II.12) B.5.1 Ouverture 2m 1m, masque de 50cm de largeur FJD + FRE sur les points du sol A B C D E F G H CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE couvert Tableau B. 21: FJD+FRE au sol pour une ouverture en façade de 2m 1m sous les 16 types du ciel CIE Général et un masque horizontal de 50cm de largeur B.5.2 Ouverture 2m 1m, masque de 1m de largeur FJD + FRE sur les points du sol A B C D E F G H CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE couvert Tableau B. 22: FJD+FRE au sol pour une ouverture en façade de 2m 1m sous les 16 types du ciel CIE Général et un masque horizontal de 1m de largeur 229

230 Annexe B B.5.3 Ouverture 2m 1m, masque de 2m de largeur FJD + FRE sur les points du sol A B C D E F G H CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE couvert Tableau B. 23: FJD+FRE au sol pour une ouverture en façade de 2m 1m sous les 16 types du ciel CIE Général et un masque horizontal de 2m de largeur B.6 FJD et FRE (sol + masque vertical) pour une ouverture en façade non vitrée et sous les 16 types du Ciel CIE Général (cas-test II.13) B.6.1 Ouverture 2m 1m, masque de 3m de hauteur FJD + FRE sur les points du sol A B C D E F G H CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE couvert Tableau B. 24: FJD+FRE au sol pour une ouverture en façade de 2m 1m sous les 16 types du ciel CIE Général et un masque vertical de 3m de hauteur 230

231 Annexe B B.6.2 Ouverture 2m 1m, masque de 6m de hauteur FJD + FRE sur les points du sol A B C D E F G H CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE couvert Tableau B. 25: FJD+FRE au sol pour une ouverture en façade de 2m 1m sous les 16 types du ciel CIE Général et un masque vertical de 6m de hauteur B.6.3 Ouverture 2m 1m, masque de 9m de hauteur FJD + FRE sur les points du sol A B C D E F G H CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE Type CIE couvert Tableau B. 26: FJD+FRE au sol pour une ouverture en façade de 2m 1m sous les 16 types du ciel CIE Général et un masque vertical de 9m de hauteur 231

232 Annexe B 232

233 Annexe C Annexe C Comparaison des résultats des simulations de Radiance utilisant les cartes de luminances réelle aux mesures expérimentales Introduction Nous présentons dans cet annexe une comparaison détaillée entre des mesures expérimentales réalisées dans notre maquette d étude et des simulations numériques dans Radiance utilisant des cartes de luminances réelles. Les données expérimentales décrites ci-dessous sont également utilisées dans III.2.6 pour la validation de la méthode des luminaires équivalents. Pour comparer les résultats de la simulation aux mesures expérimentales, nous commençons par la description des scénarios à travers la configuration géométrique utilisée, la carte de luminances et la photo du champ de vision de l ouverture. Pour les scénarios du ciel artificiel nous corrigeons les mesures d éclairement internes par rapport à la variation de l éclairement extérieur (au niveau de l ouverture) entre le temps des mesures et de la prise des photos. Pour les scénarios à l extérieur, les mesures de référence sont celles prises en même temps que la photo (ou la moyenne des mesures en cas d utilisation de plusieurs photos). Les résultats de la simulation sont alors comparés aux mesures avec ou sans la correction de flux due à la différence entre l éclairement extérieur mesuré (au niveau de l ouverture) et l éclairement calculé à partir de la carte de luminance analysée des photos. Deux types de comparaison sont utilisés : une comparaison aux valeurs absolues mesurées et corrigées (si besoin), et une comparaison à la bande de tolérance de ces valeurs. Cette bande a comme limites supérieure et inférieure la valeur mesurée (et corrigée si besoin) +/- l erreur globale calculée en tenant compte des erreurs de la simulation. Afin de simplifier le deuxième type de comparaison, nous supposons une erreur globale homogène sur tous les points de mesure et tous les scénarios. La valeur choisie est proche de l erreur maximale calculée à partir des scénarios les plus défavorables des paramètres listés dans les tableaux 15 et 6. Cette valeur est égale à +/- 6%. 233

234 Annexe C 234

235 Annexe C Table des matières Introduction C.1 Scénarios du ciel artificiel C.1.1 Ouvertures en toiture C.1.1 Ciel artificiel, ouverture en toiture de 20cm 20cm C.1.2 Ciel artificiel, ouverture en toiture de 40cm 40cm C.1.3 Ciel artificiel, ouverture en toiture de 60cm 60cm C.1.4 Ciel artificiel, ouverture en toiture de 80cm 80cm C.1.2 Ouvertures en façade C Ciel artificiel, ouverture en façade de 40cm 20cm C Ciel artificiel, ouverture en façade de 60cm 40cm C Ciel artificiel, ouverture en façade de 80cm 60cm C.2 Scénarios du ciel extérieur C.2.1 Ouvertures en toiture C Ciel extérieur nuageux, ouverture en toiture de 20cm 20cm C Ciel extérieur nuageux, ouverture en toiture de 40cm 40cm C Ciel extérieur nuageux, ouverture en toiture de 60cm 60cm C.2.2 Ouvertures en façade C Ciel extérieur clair, ouverture en façade de 40cm 20cm C Ciel extérieur clair, ouverture en façade de 60cm 40cm C Ciel extérieur, clair, ouverture en façade de 80cm 60cm

236 Annexe C 236

237 Annexe C C.1 Scénarios du ciel artificiel C.1.1 Ouvertures en toiture C.1.1 Ciel artificiel, ouverture en toiture de 20cm 20cm Distribution des luminances : Figure 1: Photo et carte des luminances du ciel artificiel vu à partir du centre de la toiture Comparaison des résultats de la simulation aux valeurs de mesure absolues : Points de mesure A1 A2 A3 A4 A5 B5 E mesuré (lx) E corrigé (lx) E Radiance (lx) Différence (%) E Rad + Flux corrigé Différence (%) Tableau 1: Comparaison entre les résultats de la simulation et les valeurs absolues mesurées (en lx) Après correction des flux, nous trouvons les valeurs suivantes : Différence moyenne : -4.6% Différence moyenne pour les points du sol : -4.5% Différence moyenne pour les points du mur : -4.6% Différence maximale : -12.3% pour B5 Comparaison des résultats de la simulation à la bande des tolérances : Points de mesure A1 A2 A3 A4 A5 B5 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Tableau 2: Comparaison entre les résultats de la simulation et les données de référence (valeurs mesurées +/- erreur globale estimée) 237

238 Annexe C E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Figure 2: Comparaison entre les résultats de la simulation et les données de référence pour les points de mesure A1-A4 C.1.2 Ciel artificiel, ouverture en toiture de 40cm 40cm Distribution des luminances : Le champ de luminance de référence est le même que pour l ouverture de 20cm 20cm. Comparaison des résultats de simulation aux valeurs de mesures absolues : Après correction des flux, nous trouvons les valeurs suivantes : Différence moyenne : -3.4% Différence moyenne pour les points du sol : -4.5% Différence moyenne pour les points du mur : -1.4% Différence maximale : -9.4% pour A3 Comparaison des résultats de simulation à la bande des tolérances : Points de mesure A1 A2 A3 A4 A5 B5 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Tableau 3: Comparaison entre les résultats de la simulation et les données de référence (valeurs mesurées +/- erreur globale estimée) E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Figure 3: Comparaison entre les résultats de la simulation et les données de référence pour les points de mesure A1-A4 238

239 Annexe C C.1.3 Ciel artificiel, ouverture en toiture de 60cm 60cm Distribution des luminances : Le champ de luminance de référence est le même que pour l ouverture de 20cm 20cm. Comparaison des résultats de simulation aux valeurs de mesure absolues : Après correction des flux, nous trouvons les valeurs suivantes : Différence moyenne : -3.3% Différence moyenne pour les points du sol : -4.9% Différence moyenne pour les points du mur : -0.1% Différence maximale : -7.9% pour A3 Comparaison des résultats de simulation à la bande des tolérances : Points de mesure A1 A2 A3 A4 A5 B5 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Tableau 4: Comparaison entre les résultats de la simulation et les données de référence (valeurs mesurées +/- erreur globale estimée) E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Figure 4: Comparaison entre les résultats de la simulation et les données de référence pour les points de mesure A1-A4 C.1.4 Ciel artificiel, ouverture en toiture de 80cm 80cm Le champ de luminance de référence est le même que pour l ouverture de 20cm 20cm. Comparaison des résultats de simulation aux valeurs de mesure absolues : Après correction des flux, nous trouvons les valeurs suivantes : Différence moyenne : -2.7% Différence moyenne pour les points du sol : -5.5% Différence moyenne pour les points du mur : +2.9% Différence maximale : -7.8% pour A4 Comparaison des résultats de simulation à la bande des tolérances : 239

240 Annexe C Points de mesure A1 A2 A3 A4 A5 B5 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Tableau 5: Comparaison entre les résultats de la simulation et les données de référence (valeurs mesurées +/- erreur globale estimée) E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Figure 5: Comparaison entre les résultats de la simulation et les données de référence pour les points de mesure A1-A4 C.1.2 Ouvertures en façade C Ciel artificiel, ouverture en façade de 40cm 20cm Distribution des luminances : Figure 6: Photo et carte des luminances de l environnement extérieur vu à partir de la façade (40 20) Comparaison des résultats de simulation aux valeurs de mesure absolues : Après correction des flux, nous trouvons les valeurs suivantes : Différence moyenne : -3.4% Différence moyenne pour les points du sol : +3.7% Différence moyenne pour les points du mur : -17.8% Différence maximale : -47.6% pour A5 240

241 Annexe C Comparaison des résultats de simulation à la bande des tolérances : Points de mesure A1 A2 A3 A4 A5 B5 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Tableau 6: Comparaison entre les résultats de la simulation et les données de référence (valeurs mesurées +/- erreur globale estimée) E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Figure 7: Comparaison entre les résultats de la simulation et les données de référence pour les points de mesure A1-A4 C Ciel artificiel, ouverture en façade de 60cm 40cm Distribution des luminances : Figure 8: Photo et carte des luminances de l environnement extérieur vu à partir de la façade (60 40) Comparaison des résultats de simulation aux valeurs de mesure absolues : Après correction des flux, nous trouvons les valeurs suivantes : Différence moyenne : -1.4% Différence moyenne pour les points du sol : +5.1% Différence moyenne pour les points du mur : -14.4% Différence maximale : -32.3% pour A5 241

242 Annexe C Comparaison des résultats de simulation à la bande des tolérances : Points de mesure A1 A2 A3 A4 A5 B5 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Tableau 7: Comparaison entre les résultats de la simulation et les données de référence (valeurs mesurées +/- erreur globale estimée) E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Figure 9: Comparaison entre les résultats de la simulation et les données de référence pour les points de mesure A1-A4 C Ciel artificiel, ouverture en façade de 80cm 60cm Distribution des luminances : Figure 10: Photo et carte des luminances de l environnement extérieur vu à partir de la façade (80 60) Comparaison des résultats de simulation aux valeurs de mesure absolues : Après correction des flux, nous trouvons les valeurs suivantes : Différence moyenne : -12% Différence moyenne pour les points du sol : +1.3% Différence moyenne pour les points du mur : -38.6% Différence maximale : -50.3% pour B5 242

243 Annexe C Comparaison des résultats de simulation à la bande des tolérances : Points de mesure A1 A2 A3 A4 A5 B5 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Tableau 8: Comparaison entre les résultats de la simulation et les données de référence (valeurs mesurées +/- erreur globale estimée) E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Figure 11: Comparaison entre les résultats de la simulation et les données de référence pour les points de mesure A1-A4 C.2 Scénarios du ciel extérieur C.2.1 Ouvertures en toiture C Ciel extérieur nuageux, ouverture en toiture de 20cm 20cm Distribution des luminances : Pour la description du champ des luminances externes, 3 photos différentes ont été prises avec des vitesses de 1/1000, 1/500 et 1/250, et avec un délai d environ 30 secondes entre la première et la dernière photo. Figure 12: Photo et carte des luminances de la voûte céleste vue à partir de la toiture (20 20) le 9 octobre 2003 à 16h46 243

244 Annexe C Mesures de référence : Les mesures de référence sont la moyenne des deux mesures enregistrées en parallèle aux photos prises avec une vitesse de 1/1000 et 1/500 s. Ceci est justifié du fait que la majorité des luminances est calculée à partir de ces deux photos. Comparaison des résultats de simulation aux valeurs de mesure absolues : Après correction des flux, nous trouvons les valeurs suivantes : Différence moyenne : +0% Différence moyenne pour les points du sol : +2.1% Différence moyenne pour les points du mur : -4.3% Différence maximale : +5.1% pour A2 Comparaison des résultats de simulation à la bande des tolérances : Points de mesure A1 A2 A3 A4 A5 B5 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Tableau 9: Comparaison entre les résultats de la simulation et les données de référence (valeurs mesurées +/- erreur globale estimée) E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Figure 13: Comparaison entre les résultats de la simulation et les données de référence pour les points de mesure A1-A4 244

245 Annexe C C Ciel extérieur nuageux, ouverture en toiture de 40cm 40cm Distribution des luminances : Figure 14: Photo et carte des luminances de la voûte céleste vue à partir de la toiture (40 40) le 9 octobre 2003 à 16h51 Comparaison des résultats de simulation aux valeurs de mesure absolues : Différence moyenne : +0.5% Différence moyenne pour les points du sol : +1.9% Différence moyenne pour les points du mur : -2.4% Différence maximale : +3.7% pour A3 Comparaison des résultats de simulation à la bande des tolérances : Points de mesure A1 A2 A3 A4 A5 B5 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Tableau 10: Comparaison entre les résultats de la simulation et les données de référence (valeurs mesurées +/- erreur globale estimée) E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Figure 15: Comparaison entre les résultats de la simulation et les données de référence pour les points de mesure A1-A4 245

246 Annexe C C Ciel extérieur nuageux, ouverture en toiture de 60cm 60cm Distribution des luminances : Figure 16: Photo et carte des luminances de la voûte céleste vue à partir de la toiture (60 60) le 9 octobre 2003 à 16h57 Comparaison des résultats de simulation aux valeurs de mesure absolues : Après correction des flux, nous trouvons les valeurs suivantes : Différence moyenne : -0.2% Différence moyenne pour les points du sol : +1.3% Différence moyenne pour les points du mur : -3.2% Différence maximale : -8.2% pour B5 Comparaison des résultats de simulation à la bande des tolérances : A1 A2 A3 A4 A5 B5 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Tableau 11: Comparaison entre les résultats de la simulation et les données de référence (valeurs mesurées +/- erreur globale estimée) E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Figure17: Comparaison entre les résultats de la simulation et les données de référence pour les points de mesure A1-A4 246

247 Annexe C C.2.2 Ouvertures en façade C Ciel extérieur clair, ouverture en façade de 40cm 20cm Distribution des luminances : Figure 18: Photo et carte des luminances de la voûte céleste vue à partir de la façade (40 20) le 10 octobre 2003 à 11h49 Comparaison des résultats de simulation aux valeurs de mesure absolues : Après correction des flux, nous trouvons les valeurs suivantes : Différence moyenne : +12.4% Différence moyenne pour les points du sol : +13.4% Différence moyenne pour les points du mur : +10.3% Différence maximale : +21.9% pour A4 Comparaison des résultats de simulation à la bande des tolérances : Points de mesure A1 A2 A3 A4 A5 B5 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Tableau 12: Comparaison entre les résultats de la simulation et les données de référence (valeurs mesurées +/- erreur globale estimée) E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Figure 19: Comparaison entre les résultats de la simulation et les données de référence pour les points de mesure A1-A4 247

248 Annexe C C Ciel extérieur clair, ouverture en façade de 60cm 40cm Distribution des luminances : Figure 20: Photo et carte des luminances de la voûte céleste vue à partir de la façade (60 40) le 10 octobre 2003 à 12h01 Comparaison des résultats de simulation aux valeurs de mesure absolues : Après correction des flux, nous trouvons les valeurs suivantes : Différence moyenne : +1.5% Différence moyenne pour les points du sol : +4.5% Différence moyenne pour les points du mur : -4% Différence maximale : +10.2% pour A3 Comparaison des résultats de simulation à la bande des tolérances : Points de mesure A1 A2 A3 A4 A5 B5 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Tableau 13: Comparaison entre les résultats de la simulation et les données de référence (valeurs mesurées +/- erreur globale estimée) E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Figure 21: Comparaison entre les résultats de la simulation et les données de référence pour les points de mesure A1-A4 248

249 Annexe C C Ciel extérieur, clair, ouverture en façade de 80cm 60cm Distribution des luminances : Figure 22: Photo et carte des luminances de la voûte céleste vue à partir de la façade (80 60) le 10 octobre 2003 à 12h06 Comparaison des résultats de simulation aux valeurs de mesure absolues : Après correction des flux, nous trouvons les valeurs suivantes : Différence moyenne : -2% Différence moyenne pour les points du sol : +1.9% Différence moyenne pour les points du mur : -9.9% Différence maximale : -13% pour A5 Comparaison des résultats de simulation à la bande des tolérances : Points de mesure A1 A2 A3 A4 A5 B5 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Tableau 14: Comparaison entre les résultats de la simulation et les données de référence (valeurs mesurées +/- erreur globale estimée) E (lx) A1 A2 A3 A4 Limite supérieure Radiance Rad + Flux corrigé Limite inférieure Figure 23: Comparaison entre les résultats de la simulation et les données de référence pour les points de mesure A1-A4 249

250 Annexe C 250

251 Annexe D Annexe D Enquête sur l utilisation des logiciels, "Light And Building 2002" - Frankfort Introduction Nous présentons dans cette annexe l analyse d une enquête que nous avons réalisée dans le cadre des activités de la tâche 31 de l IEA et de la foire internationale "Light and Building 2002" à Frankfort. L objectif de cette enquête était de mieux connaître, entre autres, les domaines d utilisation des logiciels de simulation de l éclairage ainsi que l attente des utilisateurs par rapport aux fonctionnalités offertes et par rapport au degré de précision de ces logiciels. Dû à la multitude des aspects traités, nous avons rempli les questionnaires sous forme d entretient personnalisé de 30 à 45 minutes par personne enquêté. Le nombre des questionnaires remplis est limité à 10. Nous notons les conclusions suivantes par rapport aux aspects traités dans notre travail de thèse : - 10/10 enquêtés portent de l intérêt à la lumière naturelle dans leur domaine de travail, - sur 10 réponses, 12 logiciels différents ont été cités comme outils de conception - 5/10 des enquêtés réclament une précision de plus de 95%, 4/10 réclament 70% - 5/10 des enquêtés trouvent le concept d un site Web de validation très important, 2/10 le trouvent important et 1/10 le trouve non important. 251

252 Annexe D 252

253 Annexe D D.1 Analyse des résultats D.1.1 On place filled questionnaires A very limited number of questionnaires were filled on place: 10 copies including 2 incomplete. The reason behind that is due to a certain number of points: The number of daylighting-oriented stands in the fair was very limited. The target audience was hard to find since no stands were reserved for architects or designers. Within the F institute seminaries, where we expected to get some contacts with software users, the audience interest was poor and the contact was difficult since the seminaries language was German except for M. Fontoynont presentation. Within Hans Erhon presentations, he presented the survey and distributed the questionnaire to the audience, but very few filled it (around 5) The questionnaire was quite long for the context of the fair, since people were mostly in shortness of time and were not willing to spend 10 to 30 minutes to answer the questions, specially that very few felt concerned with the highlighted points in the questionnaire (daylight functionalities and accuracy) D.1.2 Main results from survey Domain of activity (10 answers): Research: 1, Electrical engineer: 1, Architect : 3, Lighting design: 2, Sustainable energy (student) :1, Luminaire industry 1, consultancy:2 Interest in Daylighting (10 answers): 10/10 takes Daylighting into consideration within their design Used tools for lighting simulations (10 answers): Archicad: 2, Microstation: 2, 3D Studio: 3, Radiance: 3, Lightscape: 3, Trace pro: 1, Relux: 3, Dialux: 1, Lighting product tool (Osram): 1, Lumen Micro : 1, Dial: 1, Photoshop!! Importance of Accuracy for physical values (max tolerance) (9 answers): 10% : 5, 30% : 4 Time needed to get experienced with the used tool/s (10 answers): One year (or more): 3, 6 month: 4, One month: 2, one week: 1, How Complete is the used tool for their needs (8 answers): Complete: 0, almost complete: 3, not complete: 5 User interface (8 answers): Very complicated: 2, complicated: 3, friendly: 3, very friendly: 0 Interest in online catalogue (8 answers) Very useful: 6, usefu:1, not useful:1 Interest in online Benchmarks (8 answers) Very important: 5, important: 2, not important: 1 253

254 Annexe D D.1.3 Questionnaire related conclusions A long questionnaire is an important obstacle for getting large audience. Including questions not of interest for the interrogated person might block his interest to the whole questionnaire therefore it should be oriented for daylight concerned audience, We should focus on daylight designers The audience should find a motivation in the survey D.2 Le questionnaire utilisé Nous présentons ci-après le format du questionnaire utilisé pour notre enquête : 254

255 Annexe D International Energy Agency Solar Heating & Cooling Programme IEA SHC TASK 31 Daylighting Buildings in the 21 st Century International survey on lighting simulation tools This survey aims to define the software related needs in the lighting design community, and make this information available for international software developers in order to develop and propose the proper tools answering to these needs. Another objective behind this survey is to design an international online catalogue describing and comparing lighting simulation tools from around the world, in order to help potential users to chose the right software that meets their proper needs. By answering to this questionnaire, you help us to take your opinion into consideration, and give us the possibility to share with you the results of our work. Personal information (not obligatory) Name: Function: Company: Country: Please answer the following questions when applies. 1. General 1.1 Domain of activity : Architecture Interior design Lighting design Consultancy Luminaire Solar protection Other: Glass industry industry industry 1.2 On what type of projects do you often work : Commercial Educational Office buildings buildings buildings 1.3 On what type of construction do you often work : New buildings Renovation Residential buildings Other: 1.4 At which phase of the project do you usually interfere : Preliminary Production Final design Construction design drawings Other: 1.5 Do you take lighting into consideration in your designs? Artificial Daylighting lighting Additional notes (why?, how?, when?, ): 255

256 Annexe D 1.6 What type of lighting prediction tools do you use? Equation based Scale model Worksheets calculations measurements Computer simulations Other: 1.7 If you do not use computer simulations, why? Requires long Not adapted to Expensive training your needs Additional notes: Not reliable Other: 1.8 If you use lighting simulations, which software/s do you use? Radiance Adeline Rayfront Dial Lightscape 3D Studio Archicad Microstation Others: 1.9 At which stage of the design do you use lighting simulations? Preliminary Advanced Production Final design design design drawings Other: 1.10 How useful are the lighting simulations for you design? Very useful Useful Not too useful Not useful Additional notes: 2. Accuracy 2.1 What type of lighting simulation results are you interested in? Photo-realistic Physical values images 2.2 How important is the accuracy of the images you obtain? It should be: Very realistic Other: Realistic Looks realistic (accurate) 2.3 How important is the accuracy of the physical values you obtain? It should be: Very accurate Accurate Not too accurate Not important (error <10%) (error <30%) (error <50%) 2.4 Do you have an idea about the exact accuracy your tool/s can provide? Yes No 2.5 How do you estimate the accuracy of your tool? Very satisfying Satisfying Not satisfying 2.6 What is your estimation based on? As per users Published By experience... guide benchmarks Other: 2.7 How important is the user experience for the results accuracy? Extremely Not too important important important 256

257 Annexe D 2.8 How long does it take to get experienced with the tool you are using? < one year < 6 months < one month <1week 2.9 How important is the simulation time for the results accuracy? Extremely Not too important important important 2.10 How does the results accuracy decrease with complexity of the scene? Spectacularly Significantly slightly Don t know 3. Functionalities 3.1 What type of simulation results do you usually use? Photo-realistic images Additional notes : 3D Photometric images il/luminance values Energy consumption Other: 3.2 In regard to your needs for functionalities, how complete is the tool you are using? Complete Additional notes : Almost complete Not complete 3.3 What type of missing functionalities would be very useful for you? 3.4 How do you consider the user interface of your software? Very complicated Complicated Friendly Very friendly 3.5 What are the main advantages of the tool/s you are using? 3.6 What are the main disadvantages of the tool/s you are using? 3.7 What other expectations do you have from an ideal lighting simulation software? 257

258 Annexe D 4. Simulation of Fenestration Systems (FS) 4.1 How important is the accuracy of the FS (glass materials, Venetian blinds, ) simulation results for your needs? It should be: Very accurate (error <10%) Accurate (error <30%) Not too accurate (error <50%) Looks accurate visually 4.2 What is the procedure to simulate FS within your software? Other: 4.3 How do you estimate this procedure? Very Complicated Easy Very easy complicated Additional notes (preparation, simulation time ): 4.4 How accurate are the FS simulation results obtained with your software? Very accurate Accurate Not accurate Give a %: 4.5 How much less accuracy would you tolerate to obtain easy to use FS simulations? 0% 10% 20% 30% Other: 4.6 How much less accuracy would you tolerate to obtain faster FS simulations? 0% 10% 20% 30% Other: 5. Real external daylight scenarios 5.1 Is simplifying daylight sources by standard skies, uniform ground and obstructions enough accurate for your daylight simulation needs? Yes Additional notes : No 5.2 How important is it to provide the possibility to describe accurately the external luminance distribution? Very important Important Not important 6. Visual comfort prediction 6.1 How important is it to provide the possibility to predict the occupant s visual comfort? Very important Important Not important 6.2 Does the software you are using predict occupant visual comfort? Yes No 258

259 Annexe D 7. Information availability about different existing tools 7.1 Did you get enough information about the tool you are using before buying it? Yes No Additional notes (the information was complete, accurate : Do you have information about other existing lighting simulation tools? Yes No Additional notes : 7.3 How difficult is it to get informed about other lighting simulation tools? Very difficult difficult Not difficult Additional notes : How important would it be to have an international website informing about different existing tools? Very useful Useful Not too useful How important would it be that this website includes information about: Features available in different tools? Very important Important Not important Different tools accuracy? Very important Important Not important Step by step simulation procedure? Very important Important Not important Simulation results examples? Very important Important Not important Lighting design basics? Very important Important Not important Lighting in general? Very important Important Not important Lighting simulation in general? Very important Important Not important 7.6 What other information should include a reliable international website on lighting simulation tools? Thank you for you participation! Please provide your address if you would like to receive a copy of the survey results 259

260 Annexe D 260

261 Annexe E Annexe E Comparaison des logiciels en ligne Introduction Nous présentons dans cette annexe le concept de base que nous avons envisagé pour un site web dédié à la validation des logiciels de simulation de l éclairage. Nous présentons également le site expérimental développé (en collaboration avec l université de Wellington (Victoria University of Wellington) en Nouvelle Zélande) dans le cadre des activités de la tâche 31 de l IEA, sur la base de notre concept. L objectif du site est de rendre les cas-tests proposés dans le cadre de notre méthodologie de validation facilement disponibles à un plus grand nombre de testeurs (utilisateurs et développeurs). Un autre objectif est de collecter les résultats de tests conduits avec différents logiciels sur la base de ces cas-tests, de façon à proposer une comparaison objective d un plus grand nombre de logiciels. En effet, la comparaison des résultats entre différents logiciels peut être un outil supplémentaire pour aider les futurs utilisateurs à mieux choisir l outil qui répond le mieux à leurs besoins à la fois en matière de capacités et de degrés de confiance. Pour garantir l objectivité et la transparence des résultats collectés et des comparaisons présentées sur ce site, nous avons prévu dans notre concept certaines précautions à suivre. Finalement nous notons qu un avantage important d un site web pour la validation des logiciels, est lié à l interactivité que peut offrir ce site en permettant d ajouter, en plus de nouveaux résultats, de nouveaux cas-test pour des nouvelles applications ou fonctions de la simulation numérique de l éclairage. Cependant, une telle interactivité suppose une maintenance continue du site. Ce qui peut être assuré dans le cadre de l IEA à travers du site officiel de l agence. 261

262 Annexe E 262

263 Annexe E E.1 Présentation des cas-tests Le site web doit contenir une description complète des cas-tests proposés de façon à permettre à un testeur de simuler avec précision le scénario de référence. Les points et les valeurs de référence doivent également être présentés. (le site expérimental contient une description de 10 cas-tests analytiques) Un tableau récapitulatif des cas-tests proposés peut être présenté en incluant le classement de ces cas-tests par rapport à la catégorie de l aspect traité (voir tableau II.11 et III.15). Il est possible de joindre à chaque cas-test des fichiers numériques correspondants pour faciliter la simulation du scénario. Ces fichiers peuvent être une description numérique de la géométrie (au format DXF), des fichiers photométriques pour les luminaires utilisés, une carte de luminances (pour décrire un scénario de lumière naturelle) E.2 Collecte des résultats de tests Le site web offre aux testeurs la possibilité de soumettre les résultats d une simulation qu ils ont réalisés avec un logiciel et un cas-test donnés. La procédure est la suivante : - Sélection du cas-test simulé - Sélection du logiciel testé - Description des paramètres de calcul utilisés - Remplissage du tableau des résultats correspondant E.3 Présentation des logiciels testés Lorsque les résultats d un logiciel sont présentés pour la première fois, le testeur a la possibilité de donner une description de ce logiciel à travers un formulaire prédéfini. Les informations incluses dans la description peuvent êtres sur: - Les algorithmes utilisés - Les fonctionnalités proposées - L interface et la facilité d utilisation - La compatibilité avec les logiciels de DAO - Les bibliothèques proposées (de matériaux, de luminaires, de modèles de ciel ) - Le type d utilisateurs et les phases de la conception concernés - Le prix d achat - Etc. En plus de ce type d information, le logiciel peut être associé à un lien vers le site web du développeur et/ou du vendeur. Un tableau récapitulatif des logiciels présentés permet à un utilisateur visitant le site, de comparer les logiciels par rapport aux différents critères listés ci-dessus. 263

264 Annexe E E.4 Présentation des résultats Les résultats soumis par un testeur sont enregistrés dans une base de donnée qui peut être explorée par un visiteur du site de différentes façons: - Vérifier la liste des cas-tests utilisés avec un logiciel donné - Vérifier la liste des logiciels testés avec un cas-test donné - Visualiser les résultats d un cas-test donné obtenus par une partie ou la totalité des logiciels testés. En plus des résultats des logiciels, il est possible de présenter le temps de calcul et/ou le temps de préparation (simplicité de la procédure) nécessaires pour le cas-test en question - Visualiser les résultats obtenus par un logiciel donné pour une partie ou la totalité des cas-tests utilisés avec ce logiciel - Comparer les différents logiciels par rapport au La base de donnée peut être utilisée également pour classer les logiciels en fonction de leur précision dans la simulation des différents cas-tests liés à un domaine d utilisation donné. (voir tableaux II.11 et III.15) E.5 Garanties d objectivité et de transparence Lors de l utilisation des résultats collectés pour comparer les logiciels, certaines précautions doivent êtres prise afin que de telles comparaisons garde l objectivité voulue, et ne devienne pas une source de désinformation et de désorientation. Cette objectivité est garantie en particulier par l indépendance du site (ce qui est garanti par l implication de l IEA et de la CIE) et par la transparence des résultats qui est renforcée par les précautions suivantes : - Joindre à chaque série de résultats la version du logiciel utilisé, les paramètres de calcul utilisés, le temps de préparation et de calcul, consommation en mémoire, etc. - Permettre de contester les résultats présentés d un logiciel par un nouveau testeur - Permettre de présenter de nouveaux résultats d un logiciel déjà testé, obtenues avec des paramètres de calcul différents et/ou des testeurs différents Il est également envisageable de noter la fiabilité des testeurs par rapport à leur indépendance, et par rapport à leurs historiques (si précédemment contestés ) E.6 Autres contenus éventuels - Référence bibliographiques sur des travaux de validation déjà réalisés avec les différents logiciels présentés - Une description des algorithmes utilisés - Une description de nouvelles fonctionnalités en cours de développement, + lien E.7 Le site web expérimental de l IEA 31 Pour le moment, l accès au site est réservé aux membres de la tâches 31 de l IEA. Le site nécessite des développements supplémentaires, en particulier concernant la gestion de la base de données et la présentation de la série complète des cas-test disponibles (à travers cette thèse et/ou à travers l activité du TC.3.33 de la CIE). 264

265 Annexe F Annexe F Comité Technique TC-3.33 de la CIE "Test Cases for Assessment of Accuracy of Interior Lighting Computer Programs" Introduction "La commission internationale de l éclairage (CIE) est une organisation qui se donne pour but la coopération internationale et l échange d informations entre les pays membres sur toutes les questions relatives à l art et à la science de l éclairage". Les travaux de cette commission font office de références ou de recommandations pour de nombreux pays. L activité de la TC.3.33 est menée dans le cadre d une collaboration internationale dont nous assurons la coordination (voir liste des participants). Elle doit déboucher sur la rédaction d un Rapport Technique, qui devient ensuite (après une procédure de vote) un document officiel édité par la CIE. 265

266 Annexe F 266

267 Annexe F F.1 Objectifs du comité technique TC.3.33 (terms of reference) L objectif décrit ci-dessous est celui défini suite à l instauration du comité technique TC Il peut être consulté sur le site officiel de la CIE à l adresse suivante : "To develop a set of validation benchmarks to assess the accuracy of lighting computer programs. The benchmarks consist of a set of test cases produced using analytical solutions and measurements with scale models, including 1:1 scale. Sensitivity studies will be carried out and software examples produced." "Développer une série de références pour tester la précision des logiciels de simulation de la lumière. Ces références sont ceux d une série de cas-tests définis à l aide de calculs analytiques ou de mesures expérimentales dans des maquettes à échelle réduite ou à échelle réelle. Des études de sensibilité seront conduites, et des exemples d applications seront présentés." 267

268 Annexe F F.2 Liste des participants du TC.3.33 Prénom Nom Pays Société Ian Ashdown Canada byheart [email protected] Lou Bedocs UK Thorn Lighting William Carroll USA LBL [email protected] Jan De Boer Germany IBP [email protected] Peter Dehoff Austria Zumtobel [email protected] Michael Donn New Zeeland Victoria University of [email protected] Wellington Hans Erhorn Germany IBP [email protected] Laurent Escaffre France Ingélux [email protected] Marc Fontoynont France ENTPE [email protected] Phillip Greenup Australia QUT [email protected] Mitsugu Hirata Japan Matsushita Electric Works [email protected] Mark Jongewaard USA Lighting [email protected] Technologies Yasuko Koga Japan Kyushu - [email protected] University Jan Koster Netherlands Philips lighting [email protected] Erlend Lillelien Norway Luxo ASA Fawaz Maamari France ENTPE [email protected] John Mardaljevic UK Montfort University [email protected] Richard Mitanchey France ENTPE [email protected] Silvia Pezzana Italy Politecnico di Torino [email protected] Christoph Reinhardt Canada NRC, [email protected] Anthony Slater UK Building Research [email protected] Establishment Axel Stockmar Germany LCI Aris Trangrassoulis Greece University of Athens [email protected] Yoshiaki Uetani Japan Kyoto [email protected] University Laurens Zonnevelt Netherlands TNO [email protected] 268

269 Annexe F F.3 Programme Le programme décrit ci-dessous a été défini suite à notre nomination en tant que président du TC.3.33 en septembre F.3.1 Bibliography for existing work on lighting tools validation and benchmarks The objective of this part is to expose the maximum information on previous efforts done in lighting simulations validation and benchmarking. When possible, each reference should be followed by a clear description of its contents (The software programs and or algorithms tested and compared, the validation procedure used (comparison to analytical, to reality or to scale models), the type of results obtained ) F.3.2 List of reliable lighting computer tools This part should lead to a list of the most used and reliable software programs used as lighting design tools. (The TC.3.33 should lead to a validation and comparison to a maximum number of these programs.) The preliminary list of lighting software programs is the following: Radiance, Adeline, Genelux, Superlight, Dial, Desktop Radiance, Rayfront, Lightscape 3.2, F.3.3 List of tools features to be tested and validated: The objective of this part is to define a number of important functionalities common to different lighting software programs and of which is composed the major elements of a lighting simulation. The preliminary list of lighting simulation features is the following: - External daylight calculations (standard sky models) - External ground contribution to daylighting - Daylight transfer trough openings - Daylight transfer through glass materials (bi-directional transmission) - Daylight transfer through complex window and solar protection systems (bidirectional transmission) - Diffuse reflections and inter-reflections - Specular reflections and inter-reflections - Specular to diffuse and diffuse to specular inter-reflections - Bi-directional reflections - Contribution of internal surface reflectance to internal illuminance - Simulation of light sources with photometric intensity distribution file (point, linear and area sources) - Obstruction and shadow calculations - Spectral results - Graphical results quality F.3.4 List of test cases appropriate for validating different features: The objective of this task is to define a list of test cases that could be used to test separately the capability of different lighting software program to simulate accurately different parts of a lighting simulation. The test cases can be based on analytical solutions, or on reliable experimental data sets. 269

270 Annexe F (N.B. Find attached a list of test cases defined within an article submitted to LR&T) F.3.5 Application of different test cases to different tools (benchmark): The results of this task should be an objective comparison between different software programs and should give an idea about the reliability of different tools in different domains of the lighting simulation. These tests can be conducted by representatives of tools developers or by independent users. In any case, the results should be preceded by a step by step description of the simulation including the geometry description, the parameter settings and the time consumption (if necessary results with different sets of parameters can be provided for the same program) The French partner takes the responsibility to conduct tests with Genelux, Lightscape 3.2 and probably 3DS Viz. F.3.6 Benchmarks and validation Website for lighting computer tools: The objective of this part of the work is to make the results of the TC.3.33 available and useful to potential users of lighting software programs (to chose an appropriate tool according to their specific needs) as well as to developers, and that is through an internet website including an objective comparative presentation of different lighting tools. Therefore this website should expose clearly the results of the TC.3.33 efforts; Bibliographical references on lighting simulation validations and benchmarks including, when possible, internet links to the listed references. A list of the different parts of a lighting simulation with a description of known algorithms and models used to simulate these parts (links to websites with detailed information on algorithms can be provided). A list of reliable lighting tools and provide links to official websites of these tools, and vice versa if possible. The results of the conducted benchmarks for each test case. The test cases description, including the 3D geometry file (DXF format), the natural and artificial light sources (with IES files or sky models), and that is to allow users to test new software programs, or to verify the results of the benchmarks. The website could also allow users to rate different programs particularly in regard to ease of use. Also we can include comparison tables including general information; operating system, hardware requirement, price, compatibility with different CAD tools, algorithms used, functionality included 270

271 Annexe F F.4 Description standard des cas-tests avec références analytiques Introduction: Present the theoretical law and the simulation functionality related to the aspect of the light propagation which the test case is supposed to assess Analytical reference: Describe the theoretical law in detail including the formulas to be used to calculate reference values. Test case description: Geometry : Dimensions (including openings position and thickness ) (Attach file) Materials photometry for different surfaces (BDTF or BDRF, reflectance coefficient, ideal diffuse/ideal specular, Glass type ) Light source (artificial): Photometry (Attach file) Position Light source (daylight): Sky type (+ bibliographic reference + formulas in annex?) Measurement points (if necessary) Position (including height) Analytical solution: Formula used Results for measurement points (or other) (Attach excel file) 271

272 Annexe F F.5 Description standard des cas-tests avec références expérimentales Introduction: Present the context and objectives behind the experimentation, define the theoretical law and the simulation functionality related to the aspect of the light propagation which the test case is supposed to assess, and with what limits Test case description: Geometry : Dimensions (including openings position and thickness ) (Attach file) (define uncertainty +/-) Materials photometry for different surfaces (BDTF or BDRF, reflectance coefficient, ideal diffuse/ideal specular, Glass type ) (define uncertainty +/-, describe instruments used) Light source (artificial): Photometry (Measured or as given by constructor) (describe instruments used) (Attach file) Position Light source (daylight): Luminance map (define uncertainty +/-, describe instruments used) Illuminance measured over the opening surface Measurement points Position (including height) Reference Measurements: Results for measurement points (Attach excel file) (define uncertainty in measurements +/-) (define additional uncertainty related to scenario measured parameters) 272

273 Annexe G Annexe G Formats de fichiers photométriques Introduction Nous présentons dans cet annexe une description des formats IESNA-LM et Eulumdat, ainsi que des exemples de fichiers photométriques décrits aux formats CIBSE TM- 14, Eulumdat et IES-LM

274 Annexe G 274

275 Annexe G G.1 Description du format IES LM-63 The luminous intensity distribution (LID) of a luminaire is measured at the nodes of a photometric web for a fixed set of horizontal and vertical angles. The poles of the web lie along the vertical axis, with the nadir corresponding to a vertical angle of zero degrees. The horizontal axis corresponds to a horizontal angle of zero degrees and is oriented parallel to the length of the luminaire. This type of photometric web is generated by a Type C goniometer and is the most popular in North America; other types of goniometry are supported by the IES standard file format but are not discussed here. For a complete description of the following publecation: IESNA LM-63-95, IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data. The following description is the typical one used adopted by Lightscape 3.2: The photometric data is stored in an ASCII file. Each line in the file must be less than 132 characters long and must be terminated by a carriage return/line-feed character sequence. Longer lines can be continued by inserting a carriage return/line-feed character sequence. Each field in the file must begin on a new line and must appear exactly in the following sequence: 1. IESNA:LM [TEST] the test report number of your data 3. [MANUFAC] the manufacturer of the luminaire 3. [other keywords] 4. TILT=NONE The initial rated lumens for the lamp used in the test or -1 if absolute photometry is used and the intensity values do not depend on different lamp ratings. 7. A multiplying factor for all the candela values in the file. This makes it possible to easily scale all the candela values in the file when the measuring device operates in unusual units for example, when you obtain the photometric values from a catalog using a ruler on a goniometric diagram. Normally the multiplying factor is The number of vertical angles in the photometric web. 9. The number of horizontal angles in the photometric web The type of unit used to measure the dimensions of the luminous opening. Use 1 for feet or 2 for meters. 12. The width, length, and height of the luminous opening. Currently, Lightscape ignores these dimensions because you can associate a given luminous intensity distribution with any of the luminaire geometric entities supported by Lightscape. It is normally given as The set of vertical angles, listed in increasing order. If the distribution lies completely in the bottom hemisphere, the first and last angles must be 0 and 90, respectively. If the distribution lies completely in the top hemisphere, the first and last angles must be 90 and 180, respectively. Otherwise, they must be 0 and 180, respectively. 275

276 Annexe G 15. The set of horizontal angles, listed in increasing order. The first angle must be 0. The last angle determines the degree of lateral symmetry displayed by the intensity distribution. If it is 0, the distribution is axially symmetric. If it is 90, the distribution is symmetric in each quadrant. If it is 180, the distribution is symmetric about a vertical plane. If it is greater than 180 and less than or equal to 360, the distribution exhibits no lateral symmetries. All other values are invalid. 16. The set of candela values. First all the candela values corresponding to the first horizontal angle are listed, starting with the value corresponding to the smallest vertical angle and moving up the associated vertical plane. Then the candela values corresponding to the vertical plane through the second horizontal angle are listed, and so on until the last horizontal angle. Each vertical slice of values must start on a new line. Long lines may be broken between values as needed by following the instructions given earlier. The following is an example of a photometric data file accepted by Lightscape: IESNA:LM [TEST] Simple demo intensity distribution [MANUFAC] Lightscape Technologies, Inc. TILT=NONE

277 Annexe G G.2 Description du format EULUMDAT Item Designation Number of Characters 1 Company identification/data bank/version/format identification max. Max Type indicator Ityp (1 - point source with symmetry about the vertical axis; 2 - linear luminaire; 3 - point source with any other symmetry) 1 [See Note 1] 3 Symmetry indicator Isym (0 - no symmetry; 1 - symmetry about the vertical axis; 2- symmetry to plane C0-C180; 3- symmetry to plane 1 C90-C270; 4- symmetry to plane C0-C180 and to plane C90-C270) 4 Number Mc of C-planes between 0 and 360 degrees (usually 24 for interior, 36 for road lighting luminaires) 2 5 Distance Dc between C-planes (Dc = 0 for non-equidistantly available C-planes) 5 6 Number Ng of luminous intensities in each C-plane (usually 19 or 37) 2 7 Distance Dg between luminous intensities per C-plane (Dg = 0 for nonequidistantly available luminous intensities in C-planes) 5 8 Measurement report number Max Luminaire name Max Luminaire number Max File name 8 12 Date/user Max Length/diameter of luminaire (mm) 4 14 Width of luminaire b (mm) (b = 0 for circular luminaire) 4 15 Height of luminaire (mm) 4 16 Length/diameter of luminous area (mm) 4 17 Width of luminous area b1 (mm) (b1 = 0 for circular luminous area of luminaire) 4 18 Height of luminous area C0-plane (mm) 4 19 Height of luminous area C90-plane (mm) 4 20 Height of luminous area C180-plane (mm) 4 21 Height of luminous area C270-plane (mm) 4 22 Downward flux fraction DFF (%) 4 23 Light output ratio luminaire LORL (%) 4 24 Conversion factor for luminous intensities (depending on measurement) 6 25 Tilt of luminaire during measurement (road lighting luminaires) 6 26 Number n of standard sets of lamps (optional, also extendable on company-specific basis) 4 26a Number of lamps n * 4 26b Type of lamps n * 24 26c Total luminous flux of lamps (lumens) n * 12 26d Color appearance / color temperature of lamps n * 16 26e Color rendering group / color rendering index n * 6 26f Wattage including ballast (watts) n * 8 27 Direct ratios DR for room indices k = (for determination of luminaire numbers according to utilization factor method) 10 * 7 28 Angles C (beginning with 0 degrees) Mc * 6 29 Angles G (beginning with 0 degrees) Ng * 6 30 Luminous intensity distribution (candela / 1000 lumens) [See Note 2] (Mc2-Mc1+1) * Ng * 6 277

278 Annexe G NOTES 1. Only linear luminaires (Ityp = 2) are being subdivided in longnitudinal and transverse directions. 2. The parameters Mc1 and Mc2 for the luminous intensity distribution are determined by: Isym Mc1 Mc2 0 1 Mc Mc / * Mc / Mc1 + Mc / Mc / Each field is an ASCII string that is terminated with an MS-DOS <CR><LF> pair. 278

279 Annexe G G.3 Exemple de fichier photométrique au format CIBSE : Semi-specular reflector Luminaire-1: CIBSE/1 U1701/318 P1 U1701/318 P1 Diam 26mm - 18W (LW) U109MM

280 Annexe G

281 Annexe G G.4 Exemple de fichier photométrique au format IES : Semi-specular reflector Luminaire-1: IESNA:LM CIBSE/1 SSR-1 U1701/318 P1 U1701/318 P1 Diam 26mm - 18W (LW) U109MM TILT=NONE

282 Annexe G

283 Annexe G G.5 Exemple de fichier photométrique au format Eulumdat : TM-SPOT "ERCO / LUM " "100.4" "TM-SPOT*" " " "100_4" "260286mol" "A65 150W/m" 2220 "WW" "1"

284 Annexe G G.6 Exemple de fichier photométrique au format IES : TM-SPOT IESNA:LM [TEST] "100.4" [MANUFAC] "ERCO / LUM " [LUMCAT] " " [LUMINAIRE] "TM-SPOT*" [LAMP] "A65 150W/m" [DATE] "260286mol" [OTHER] EULUMDAT file: C:\LASH\thèse\0-Rapport\sources\100_4.ldt TILT=NONE

285 Annexe H Annexe H Description des cartes de luminances réelles au format du ciel Radiance Introduction Nous présentons dans cet annexe la carte de luminances du scénario III.3.1 au format de ciel Radiance 285

286 Annexe H 286

287 Annexe H

288 Annexe H

289 THESE SOUTENUE DEVANT L'INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON NOM : MAAMARI DATE de SOUTENANCE : 29/03/2004 Prénoms : Fawaz TITRE : SIMULATION NUMERIQUE DE L ECLAIRAGE, LIMITES ET POTENTIALITES NATURE : Doctorat Numéro d'ordre : 04 ISAL 0016 Ecole doctorale : MEGA Spécialité : Génie Civil Cote B.I.U. - Lyon : T 50/210/19 / et bis CLASSE : RESUME : L objectif de ce travail est de contribuer à mieux définir les capacités et les limites des logiciels existants, et de contribuer à l amélioration des capacités et au dépassement des limites de ces logiciels. Dans la première partie, nous commençons par une analyse de l état de l art de la simulation numérique de l éclairage, et en particulier du domaine de la validation des logiciels pour lequel nous proposons une méthodologie de validation adaptée. Le principe de base derrière cette méthodologie est de tester séparément les différents aspects de la propagation de la lumière à l aide d une série de cas-tests basiques associés à des références analytiques ou expérimentales. Dans la deuxième partie, nous proposons une série de cas-tests basés sur des calculs analytiques. Dans la troisième partie, nous abordons les problèmes liés à la création et l utilisation des références expérimentales pour la validation des logiciels. Nous proposons ensuite un cahier de charges pour limiter les sources d erreurs et d incertitudes liées à la référence expérimentale. Nous abordons en particulier le problème de la description précise du champ de luminances réel dans un scénario d éclairage naturel, et nous proposons et validons une nouvelle méthode de description et d utilisation des cartes de luminances réelles. Ces cartes sont créées à partir de photos numériques calibrées. Elles sont utilisées pour remplacer les modèles de ciel dans les logiciels de lumière naturelle. La validation est faite à travers une campagne de mesures d éclairements à l intérieur d une maquette en parallèle à des photos numériques de l environnement extérieur. Les photos sont analysées et traitées pour décrire le ciel dans un logiciel de simulation de la lumière. La comparaison entre les mesures expérimentales et les résultats des simulations prouvent la validité de la méthode. En s appuyant sur le cahier des charges défini, et sur l utilisation des cartes de luminances réelles, nous proposons une série d exemples de cas-tests en lumière naturelle, dont en particulier un cas-test dédié à la simulation des matériaux à transmission bi-directionnelle. Dans la quatrième partie, nous utilisons les différents cas-tests proposés pour la validation d un logiciel de simulation de la lumière. Cette étude donne une idée précise sur les capacités et les limites de ce logiciel : Une bonne précision dans le calcul de radiosité et des scénarios de lumière artificielle, et une précision réduite dans le calcul de l entrée de la lumière de jour. En réponse à cette limitation, qui est commune à un nombre important de logiciels, nous proposons une méthode de simulation de la lumière naturelle au travers de la création d un luminaire associé à une photométrie équivalente à l environnement extérieur. Pour la validation de cette méthode, nous utilisons les cas-tests basés sur des scénarios de lumière naturelle. Les résultats sont très satisfaisants. Nous terminons ce travail par en tirer les conclusions sur l apport de la méthode de validation proposée ainsi que sur la validité des modèles de ciel réels, du logiciel testé et de la méthode des luminaires équivalents. Nous joignons à ces conclusions une liste de perspectives envisageables pour compléter ce travail. MOTS-CLES : Simulation, lumière, éclairage naturel, éclairage électrique, photométrie, radiosité, photoluminancemètre, luminaire équivalent, benchmark, validation, Lightscape, Radiance Laboratoire (s) de recherches : Laboratoire des Sciences de l Habitat Département Génie Civil et Bâtiment DGCB URA CNRS 1652 Ecole nationale des travaux publics de l Etat Directeur de thèse: Marc FONTOYNONT Président de jury : Jean-Jacques ROUX Composition du jury : Gilbert ACHARD, Peter TREGENZA, Marc FONTOYNONT, Dominique DUMORTIER, Wout VAN BOMMEL