Evaluation de l'impact de la rénovation d'une façade sur la disponibilité de la lumière naturelle intérieure

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1 Evaluation de l'impact de la rénovation d'une façade sur la disponibilité de la lumière naturelle intérieure Tímea éjat, nne-france arthelme, Jasmin Perotti INES CE LITEN/DTS/LE 5 avenue lac Léman, Le ourget du Lac, timea.bejat@cea.fr, anne-france.barthelme@cea.fr, jasmin.perotti@cea.fr RÉSUMÉ. Ce papier traite de la problématique du confort visuel relative à un projet de rénovation thermique. Il s agit d une rénovation thermique par l extérieur par l ajout d une façade légère sur la façade existante. L augmentation d épaisseur de la façade ainsi rénovée entraine une diminution de la quantité de lumière naturelle pénétrant dans l espace intérieur. Le but de cette étude était d analyser cette question en quantifiant la perte de lumière naturelle à l intérieur liée à la rénovation de la façade et en analysant le confort visuel par simulations numériques (EnergyPlus et DYSIM) et par mesures expérimentales (dans deux cellules PSSYS). STRCT. Thermal renovation of buildings has other consequences than energy savings. In this project a light framed renovation façade with a low U-value was added on existing heavy building structure, in order to decrease the energy consumption. eyond energy saving questions we were interested by the impact of this retrofit solution on daylight performance. The problem was approached experimentally and numerically. The experimental study was conducted in a PSSYS test cell; a real sized experimental test cell with 5 adiabatic façades and one removable test wall that was used to represent an opening without shading device. The numerical part was done using Google SketchUp Pro v7 to input the 3D geometry model, and simulations were done using EneryPlus and DYSIM/Radiance. Results show a good agreement between the numerical models and comparison with measured data is also presented in this paper. MOTS-CLÉS : Confort visuel, mesures expérimentales, EnergyPlus, DYSIM. KEY WORDS: Visual comfort, measurement, EnergyPlus, DYSIM.

2 XX e Rencontres Universitaires de Génie Civil. Chambéry, 6 au 8 juin Introduction La rénovation thermique d un bâtiment a de nombreux impacts autres que ceux attendus d économies d énergie, notamment sur le confort thermique et visuel. Le projet Effinov ois propose d'apporter une solution technologique intégrée qui permettra de réduire la consommation d'énergie des bâtiments existants. Dans ce cadre, des complexes génériques industrialisés multifonctionnels à base de bois destinés à la réhabilitation des façades par l'extérieur seront optimisés. u-delà des économies d énergies apportées par la solution de rénovation, cet article s intéresse à son impact sur le confort visuel. Les décideurs (maitres d ouvrages publics ou privés) ne sont pas toujours informés sur la problématique du confort visuel et la perte réelle d éclairage naturel lié à une solution de rénovation par l extérieur. Les critères de choix d une solution de rénovation en isolant par l intérieur sont un coût moins élevé et une mise en œuvre plus rapide. Cette décision a des conséquences non négligeables sur les économies d énergie engendrées car isoler par l extérieur permettra un traitement des ponts thermiques et une meilleure utilisation de l inertie dans le cas d un bâtiment à forte inertie. Des études expérimentales et numériques ont été menées afin d évaluer l impact réel sur l éclairement naturel d une solution de rénovation par l extérieur. L étude expérimentale a été réalisée sur deux cellules PSSYS orientées Nord-Est (orientation jugée la plus défavorable du point de vue de la structure bois en raison des précipitations reçues) sans et avec mise en œuvre de la solution de rénovation. La géométrie 3D de l étude numérique a été réalisée sous Google SketchUp ; les simulations sous EnergyPlus et DYSIM/Radiance. Les études réalisées ainsi que les résultats obtenus sont présentés dans cet article. 2. Méthodes Dans le cadre du projet, deux cellules PSSYS (cellules expérimentales de tests à l échelle 1) ont été utilisées. Ces cellules ont la taille d une pièce : un volume de 35 m3 avec 5 faces adiabatiques et une façade de test amovible. Les deux cellules sont équipées d une façade épave type construction des années 198 ; Sur une des cellules, la façade légère à ossature bois a été mise en œuvre afin d améliorer sa performance énergétique. Les cellules tests sont exposées aux conditions météorologiques du site (Le ourget du Lac, Savoie), et sont orientées Nord-Est. Cette direction a été choisie car c est l orientation la plus défavorable du point de vue des précipitations et de ce fait, du point de vue de la solution de rénovation en bois. La Figure 1 présente les cellules de tests.

3 Evaluation de l'impact de la rénovation d'une façade sur la disponibilité de la lumière naturelle intérieure. 3 Figure 1. Cellule test étudiée a) façade de rénovation, b) coupe de la cellule test rénovée, la structure initiale est à l intérieur (zone colorée). Des simulations en confort visuel ont été réalisées à l aide de deux logiciels libres : EnergyPlus V6 et Daysim/Radiance V3.1b. Ce choix est justifié car les auteurs souhaitent tester des outils accessibles à tous. Le fichier météorologique utilisé (.epw) est celui de la station de l aéroport de Chambéry situé à proximité de la plateforme INCS. Les montagnes (altitude moyenne 15m) à proximité du site créées des masques distants correctement représentés par l utilisation d un fichier météo basé sur des mesures locales. Les cellules de tests sont situées au ourget du Lac, proche des lpes françaises. ucun dispositif de protections solaires n a été considéré car l objectif du projet est d évaluer l impact sur l éclairement intérieur de la mise en œuvre de la solution de rénovation. La valeur la plus communément utilisée pour caractériser le confort visuel d un espace intérieur est le Facteur de Lumière du Jour (FLJ). Le FLJ est le rapport de l éclairement naturel intérieur reçu en un point d un plan de référence (généralement, le plan de travail ou le niveau du sol) à l éclairement extérieur simultané sur une surface horizontale en site parfaitement dégagé. Il s exprime en %. Dans cet article, l éclairement annuel cumulé sera également analysé. Cet indice permet d évaluer la disponibilité en lumière naturelle dans un espace intérieur pendant les heures d ouverture (8h 17h) avec un niveau minimal d éclairement de 5Lux dans le cas étudié. Deux méthodes existent pour le calcul de la distribution de l éclairement intérieur: méthode analytique (implémentée dans EnergyPlus) et méthode numérique (implémentée dans DYSIM/Radiance) [CL 1]. Le modèle DOE-2 [WIN 83] [WIN84] est utilisé dans EnergyPlus pour les calculs d éclairement ainsi que quatre modèles de ciel. Le Facteur de Lumière du Jour est obtenu dans EnergyPlus sur la base de l équation suivante [CL1]: DF = TM + N ( SC + ERC IRC ) - T : transmittance visible [1]

4 XX e Rencontres Universitaires de Génie Civil. Chambéry, 6 au 8 juin M : facteur de maintenance - N : nombre total de fenêtres - SC : composante directe (de ciel) - ERC : composante réfléchie externe - IRC : composante réfléchie interne. La description complète de la méthode de calcul est disponible dans la documentation EnergyPlus (28). Les calculs relatifs au confort visuel réalisés sous DYSIM sont basés sur l algorithme de calcul Radiance ; le Facteur de Lumière du Jour, l éclairement annuel cumulé ou encore les besoins en éclairage artificiel peuvent être calculés. La méthode de calcul des caractéristiques visuelles est décrite dans Rheinart (21). Les données d entrées de DYSIM sont un modèle 3D et un fichier météo. Le modèle de ciel couvert standardisé CIE (Commission Internationale d Eclairage) est utilisé pour les calculs de Facteur de Lumière du Jour (Reinhart, 21). Pour le calcul de l éclairement annuel cumulé, le modèle de ciel de Perez et al. permet de générer des données d éclairement horizontal. 3. Resultats 1.1. Facteur de lumière de jour Dans les codes de calculs, le facteur de lumière de jour (FLJ) est calculé pour un ciel couvert type «overcast CIE sky», ciel pour lequel la lumière solaire directe est exclue. Les valeurs obtenues sont ainsi indépendantes de l orientation des ouvertures vitrées, de la saison et de l heure. Elles donnent une mesure objective et facilement comparable de la qualité de l éclairement à l intérieur d un bâtiment, largement utilisée dans l évaluation du confort visuel d un espace. La seule valeur de FLJ ne suffit cependant pas à caractériser un espace intérieur et les conditions de confort visuel qui y règnent, et présente certains inconvénients, notamment pour la simulation de cas complexes et/ou dynamiques : Il n est pas représentatif de la dynamique de la lumière naturelle. Dans la réalité, l éclairement naturel intérieur est fonction de l orientation ; le pilotage de protections solaires ne peut par exemple pas être réalisé sur la base du FLJ. Pour l étude de cas complexe, le paramètre UDI (Useful Daylight Illuminance) sera préféré (Reinhart, 21). De nombreuses simulations de FLJ ont été réalisées sous DYSIM : au sol et à hauteur du plan de travail ; pour les orientations Nord-Est et Sud ; aucun dispositif de lumière artificielle n a été considéré dans les cellules. Ces simulations confirment que l orientation n a pas d impact sur les valeurs de FLJ. La position des capteurs (au sol H = m ou à hauteur du plan de travail H =.85m) a en revanche son importance sur les résultats obtenus : dans la cellule rénovée, le FLJ décroit de 12% de sa valeur entre la hauteur du plan de travail et le sol.

5 Evaluation de l'impact de la rénovation d'une façade sur la disponibilité de la lumière naturelle intérieure. 5 DF [%] DF [%] 3 2,5 2 1,5 1 2, ,5 1, ,5,5-1 -,5 1,8,6,4,8-1,6-,8,4-,6,2-,4 -,2,5-27, Figure 2. Facteur de Lumière du Jour pour une cellule a) non-rénovée et b) rénovée obtenus par le calcul DYSIM au sol (hauteur du plan de référence :. m). Les axes horizontaux représentent les dimensions de la cellule PSSYS étudiée Les distributions spatiales de FLJ obtenues par simulation pour les cellules PSSYS avant et après rénovation sont conformes aux résultats attendus : à savoir, des valeurs faibles le long de la façade, des valeurs maximales à proximité de la fenêtre (à une distance de 1m en retrait de la façade) et des valeurs décroissantes plus on s approche du fond de la pièce. La valeur maximale de FLJ décroit de 3% à 1% avec la mise en œuvre de la solution de rénovation. L impact de la solution de rénovation sur le confort visuel a également été étudié expérimentalement du point de vue de l éclairement. Les mesures ont été réalisées ponctuellement en janvier, par temps couvert : tous les 5cm le long de la ligne médiane à l aide de trois luxmètres placés côte à côte, depuis la façade vers le fond de la pièce. chaque point de mesure, les luxmètres sont mis en place côte à côte ; après stabilisation de chacune des trois mesures, celles-ci sont relevées ; les luxmètres sont par la suite déplacés de 5cm vers le fond de la pièce. Les résultats des trois luxmètres obtenus dans les deux cellules PSSYS 1 (cellule avant rénovation) et PSSYS 2 (cellule avec solution de rénovation Effinov bois) sont réunis sur la Figure 3. Les mesures présentées ont été perturbées par la présence de nuages lors de l enregistrement des données Illuminance [lux] PSSYS1 1 PSSYS1 2 PSSYS1 3 PSSYS2 1 PSSYS2 2 PSSYS2 3 1 : Konica Minolta T-1 luxmètre 2 : Lutron LX-12 luxmètre 3 : Iso-Tech 1337 luxmètre PSSYS1: cellule test pas rénovée PSSYS2: cellule test rénovée Distance from window [m] Figure 3. Mesures d éclairement (3 luxmètres) réalisées dans les cellules PSSYS non rénovée et rénovée. La Figure 3 représente la distribution spatiale de l éclairement le long de la ligne médiane des deux cellules. Dans la cellule non rénovée, l éclairement est important à

6 XX e Rencontres Universitaires de Génie Civil. Chambéry, 6 au 8 juin proximité de la fenêtre (valeur maximale d éclairement à 1m de la façade) et décroit dans un premier temps, de façon importante (jusqu à 2.5m de la façade), puis dans un second temps, de manière moins prononcée (d une distance de 2.5m par rapport à la façade jusqu au fond de la pièce). La solution de rénovation a un fort impact sur l éclairement de la zone à proximité de la façade : L éclairement maximal chute de 15Lux à 7Lux. L éclairement du fond de la pièce (d une distance de 2m à 5m de la façade) est similaire avant et après rénovation. En complément de l étude du FLJ, nous nous sommes également intéressés à l éclairement annuel cumulé dans les cellules PSSYS avant et après rénovation. Cette caractéristique représente la quantité de lumière reçue annuellement dans l espace intérieur et sera fonction des variations de conditions météorologiques liées à l orientation des façades Eclairement annuel cumulé Les résultats de l étude d éclairement annuel cumulé sont présentés sur les Figure 4 à Figure 7. L exposition à la lumière dépend de l orientation et complète ainsi les premières conclusions de l étude de Facteur de Lumière du Jour (-.39;-.39)= (-.79;-.79)= (-1.18;-1.18)= (-1.57;-1.57)= (-1.96;-1.96)= (-2.36;-2.36)= (-2.75;-2.75)= (-3.14;-3.14)= (-3.54;-3.54)= (.65;-.65)= (.22;-.22)= (1.94;-1.94)= (1.51;-1.51)= (1.8;-1.8)= Figure 4. Eclairement annuel cumulé pour la cellule PSSYS non rénovée orientée Nord-Est a) Résultats DYSIM, b) Résultats EnergyPlus. Les axes horizontaux représentent les dimensions de la cellule PSSYS étudiée (-.39;-.39)= (-.79;-.79)= (-1.18;-1.18)= (-1.57;-1.57)= (-1.96;-1.96)= (-2.36;-2.36)= (-2.75;-2.75)= (-3.14;-3.14)= (-3.54;-3.54)= (.86;-.86)= (.43;-.43)= (1.73;-1.73)= (1.29;-1.29)= (-.39;-.39)= (-1.18;-1.18)= (-1.96;-1.96)= (-2.75;-2.75)= (-3.54;-3.54)= (.22;-.22)= (.86;-.86)= (1.51;-1.51)= Figure 5. Eclairement annuel cumulé pour la cellule PSSYS rénovée orientée Nord-Est a) Résultats DYSIM, b) Résultats EnergyPlus. Les axes horizontaux représentent les dimensions de la cellule PSSYS étudiée (.;.)= (-.39;-.39)= (-.79;-.79)= (-1.18;-1.18)= (-1.57;-1.57)= (-1.96;-1.96)= (-2.36;-2.36)= (-2.75;-2.75)= (-3.14;-3.14)= (-3.54;-3.54)= (.43;-.43)= (.;.)= (1.29;-1.29)= (.86;-.86)= (1.73;-1.73)=

7 Evaluation de l'impact de la rénovation d'une façade sur la disponibilité de la lumière naturelle intérieure. 7 Les résultats ci-dessus présentent certaines divergences en fonction du logiciel utilisé pour réaliser les simulations (DYSIM ou EnergyPlus). Pour l orientation Nord-Est, l éclairement annuel cumulé calculé par DYSIM est 2% supérieur aux résultats EnergyPlus. Les résultats EnergyPlus sont irréguliers au niveau des conditions aux limites, et on note un pic du niveau d éclairement cumulé à une profondeur de 3.m par rapport à la façade. Ce phénomène a déjà été observé par Ramos et Ghisi (21) ; La prise en compte de la réflexion intérieure par l algorithme EnergyPlus expliquerait cette augmentation d éclairement en fond de pièce. Une étude paramétrique sur l influence des surfaces intérieures sur les résultats de confort visuel sera réalisée dans le futur Figure 6. Eclairement annuel cumulé pour la cellule PSSYS non rénovée orientée Sud a) Résultats DYSIM, b) Résultats EnergyPlus. Les axes horizontaux représentent les dimensions de la cellule PSSYS étudiée nnual light exposure - SOUTH [luxh] Figure 7. Eclairement annuel cumulé pour la cellule PSSYS rénovée orientée Sud a) Résultats DYSIM, b) Résultats EnergyPlus. Les axes horizontaux représentent les dimensions de la cellule PSSYS étudiée. De même que pour l orientation Nord-Est, les résultats ci-dessus pour l orientation Sud présentent certaines divergences en fonction du logiciel utilisé pour réaliser les simulations (DYSIM ou EnergyPlus). vant rénovation, l éclairement annuel cumulé au Sud est trois fois supérieur à l éclairement annuel cumulé au Nord- Est. près rénovation, l éclairement annuel cumulé de l orientation Sud est 2.3 fois supérieur à celui obtenu au Nord-Est (.;.)= (3.4E-17;.56)= (.;.)= (3.4E-17;.56)= (6.8E-17;1.11)= (6.8E-17;1.11)= (1.2E-16;1.67)= nnual light exposure - SOUTH [luxh] (1.36E-16;2.22)= (1.2E-16;1.67)= (1.7E-16;2.78)= (1.36E-16;2.22)= (2.4E-16;3.33)= (1.7E-16;2.78)= (2.38E-16;3.89)= (2.4E-16;3.33)= (2.72E-16;4.44)= (2.38E-16;3.89)= (3.6E-16;5.)= (2.72E-16;4.44)= (3.6E-16;5.)= (-.61;3.74E-17)= (.;.)= (-2.44;1.49E-16)= (-1.83;1.12E-16)= (-1.22;7.47E-17)= nnual light exposure - SOUTH [luxh] (-.61;3.74E-17)= (.;.)= (-1.22;7.47E-17)= (-2.44;1.49E-16)= (-1.83;1.12E-16)=

8 XX e Rencontres Universitaires de Génie Civil. Chambéry, 6 au 8 juin Discussion Les simulations et expérimentations réalisées sur les cellules PSSYS avant et après rénovation montrent un fort impact de la solution de rénovation Effinov bois sur le confort visuel dans l espace intérieur (éclairement annuel cumulé trois fois inférieur après rénovation qu avant). fin de pallier cette perte en éclairage naturel, des dispositifs tels que des étagères à lumière ou des réflecteurs pourront être mis en place ; si ces dispositifs sont réellement mis en œuvre, la rénovation thermique pourrait garantir des niveaux d éclairement plus élevé qu avant rénovation. Les simulations ont montrées que l éclairement annuel cumulé dans une cellule rénovée orientée Sud est égale à l éclairement annuel cumulé du même espace non rénové orienté Nord-Est. Il apparaît ainsi que la rénovation énergétique sans modifier la taille des ouvertures vitrées est une solution intéressante pour les façades orientées Sud ; pour les façades orientées Nord-Est, d autres solutions de rénovation seront préférées. 5. Conclusions Dans ce papier nous avons comparé deux logiciels de simulation d éclairage naturel. Les résultats ont montré que les différences entre les deux outils sont de l ordre de 2% pour les valeurs annuelles d éclairement cumulé et de 3% pour les valeurs de FLJ. Les résultats d expérimentation présentés ici sont des valeurs instantanées, qui représentent une situation ponctuelle, et ne peuvent donc donner que des tendances. Ces mesures soulignent également le besoin des valeurs mesurées sur une année entière. vec ces valeurs mesurées, la comparaison mesures/simulations pourra conduire à une amélioration des codes de calcul et permettra d ajuster les résultats calculés. 6. Remerciements Les auteurs souhaitent remercier Clara Spitz pour le fichier météo en format EnergyPlus et Louis Stephan pour ses conseils de rédaction. Ces travaux ont été financés par l gence Nationale de Recherche (NR) via le programme Habitat intelligent et solaire photovoltaïque (projet EFFINOV ois n NR-9-HISOL- 8). 7. ibliographie [CL 1] CLRKE J.., Energy Simulation in uilding Design, Oxford, utterworth Heinemann, 21. [WIN 83] WINKELMNN F. C., Daylighting Calculation in DOE-2, Report LL (III.2.9.), 57 pages, 1983, LL, University of California erkeley, C, (US).

9 Evaluation de l'impact de la rénovation d'une façade sur la disponibilité de la lumière naturelle intérieure. 9 [WIN 84] WINKELMNN F. C., SELKOWITZ S., Daylighting Simulation in DOE-2 uilding Energy nalysis Program, Report LL-1858, EE-DOE , 44 pages, 1984, LL, University of California erkeley, C, (US). [ENE 8] EnergyPlus Engineering Reference, The Reference to EnergyPlus Calculation, 28. [REI 1] REINHRT C. F., Tutorial on the Use of Daysim Simulations for Sustainable Design, 21, Harvard Design School. [RM 1] RMOS G., GHISI E., «nalysis of daylight calculated using the EnergyPlus programme», Renewable and Sustainable energy Reviews, vol. 14, 21, p