La simulation numérique de l'éclairage, limites et potentialités

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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