L éclairage naturel première partie : Principes de base

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1 Suzel BALEZ L5C L éclairage naturel première partie : Principes de base Hertzog et Partner Bât. De bureaux à Wiesbaden

2 Plan Notions préliminaires La vision Grandeurs photométriques Le flux lumineux L éclairement (lux) La luminance Les 2 aspects de l éclairage naturel : ensoleillement et éclairage diffus Ensoleillement Éclairage diffus Stratégies de l éclairage naturel Capter Transmettre Distribuer Se protéger Contrôler 2

3 La vision Le visible La vision, principes de base La vision, aspects cognitifs

4 Le visible L œil n est sensible qu à une toute petite partie des radiations électromagnétiques Le visible (la lumière), c est un spectre électromagnétique dont les longueurs d ondes ont le pouvoir d exciter les cellules visuelles de l œil λ=0,38 μm < Visible < λ=0,78 μm Longueurs d'onde électromagnétiques en μm (10-6 m) Rayons gamma U. V. Rayons cosmiques Rayons X Infra rouge Radar, radio, TV VISIBLE 4

5 La vision, principes de base La perception visuelle naît dans l œil mais prend forme dans le cerveau: l optique de l œil permet la formation de l image rétinienne et la rétine transforme la lumière reçue en un ensemble de stimulations capables d être traitées par le cerveau. Les cellules de la rétine : les cônes : réaction au forts éclairements, vision de détail et sensibilité à la couleur (rouge, vert, bleu); les bâtonnets : insensibles à la couleur, réaction aux faibles éclairements. 5

6 La vision, principes de base L œil n est pas sensible, dans le visible, de la même manière à toutes les longueurs d ondes. En vision de jour, le maximum de sensibilité se situe à 0,555μm (jaune-vert). En réalité, il existe deux courbes de réponse, l'une pour des éclairements forts (dite "photopique" et représentée ici), l'autre pour des éclairements faibles ("scotopique»). 6

7 La vision, aspects cognitifs Rapport figure / fond? Les illustrations des diapositives suivantes sont issues de Jacques Ninio, La sciences de l illusion 7

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12 Grandeurs photométriques Le flux lumineux (lumen) L éclairement (lux) La luminance (candélas par m²)

13 Grandeurs photométriques : Le flux lumineux Le flux lumineux Φ d une source est l évaluation, selon la sensibilité de l œil, de la quantité de lumière rayonnée dans tout l espace de cette source. Il s exprime en lumen (lm) L efficacité lumineuse (ou rendement lumineux) η d une source est le quotient de son flux lumineux Φ par sa puissance P. Elle s exprime en lm/w. η = Φ/P (lm/w) 13

14 Grandeurs photométriques : L intensité lumineuse L intensité lumineuse est le flux lumineux émis par unité d angle solide dans une direction donnée. Elle se mesure en candela (cd). I = Φ / Ω (cd) L angle solide (Ω) d un cône est le rapport de la surface (S) découpée sur une surface sphérique (ayant son centre au sommet de ce cône) au carré du rayon de la sphère. Il s exprime en stéradians (sr) Ω = S / r² (sr) Le stéradian est donc l angle solide qui découpe une surface égale à 1m² sur une sphère d un mètre de rayon. L ensemble des angles solides dans une sphère représente 4π. L angle solide maximal vaut donc 4π stéradians. 1 candela = 1 lumen/stéradian 14

15 Grandeurs photométriques : L éclairement L éclairement (E) d une surface est le rapport du flux lumineux reçu à l aire de cette surface. Son unité est le lux, équivalent à 1lm/m² E = Φ / S (lx) 15

16 Grandeurs photométriques : l éclairement s exprime en lux L unité utilisée pour la mesure de l éclairement est le LUX (lx) Elle caractérise le rapport d un flux lumineux sur une surface. L éclairement est donc toujours défini par rapport à une surface (que cette surface soit horizontale, verticale ou oblique matérialisée ou non) Notre perception de l éclairement naturel est très variable. Nous pouvons lire un texte sous un éclairement de lx et sous une nuit de pleine lune (0,1lx) 5000 lx en éclairage naturel correspond à une valeur faible (temps gris) alors qu en éclairage artificiel, c est insupportable (cf. le ciel artificiel de l Ensag). Ordre de grandeurs Éclairement sur une place au soleil à midi en été : lux Bureau - une salle de cours : lux Rue piétonne : 2-20 lx 16

17 Grandeurs photométriques : La La luminance (L) d une source est le rapport entre l intensité lumineuse émise dans une direction et la surface apparente de la source lumineuse dans la direction considérée. La luminance s exprime en candélas par mètre carré (cd/m²) L = I / S apparente luminance 17

18 Grandeurs photométriques : La La luminance est la seule grandeur photométrique réellement perçue par l œil humain luminance 18

19 Ciel Ensoleillement Ciel couvert (éclairage diffus) 19

20 Ensoleillement et éclairage diffus l ensoleillement renvoi à l étude de la course du soleil, l étude de la pénétration de la lumière naturelle dans un bâtiment (ou sur un espace public), l étude du temps d exposition dont bénéficie un local des rayons solaires, l étude de protections solaires éventuelles, L éclairage diffus désigne l éclairage fourni par la voûte céleste sans les rayons solaires directs. Ainsi la quantité d éclairage naturel est directement dépendante de : conditions spatio-temporelles (latitude, jour, heure) conditions météo dimension et position des prises de jour nature des matériaux de vitrage orientation des ouvertures existence de masques extérieurs facteurs de réflexion des parois intérieures 20

21 Le soleil et le ciel : Climats Ciels couverts = éclairage diffus (ou éclairage naturel) Ciels ensoleillés = ensoleillement 21

22 Ensoleillement

23 Le soleil Généralités : On considère que le soleil émet comme une source située à l infini, dont les rayons sont parallèles entre eux. La terre tourne autour du soleil selon un mouvement de translation sur une orbite elliptique (assimilée à un cercle). L axe des pôles forme un angle d inclinaison de par rapport au plan de l elliptique et reste parallèle à lui-même au cours du mouvement annuel. 23

24 4 positions clés 2 équinoxes (printemps et automne) : jour = nuit 2 solstices (21 juin et 21 Décembre) : jours les plus long et le plus court de l année Source : Pierre Seille, ENS INSA Lyon,

25 Solstice d été Variations du flux solaire Cf. Lavigne et al. Solstice d hiver 25

26 Position du soleil La position du soleil dans le ciel est prédictible à partir : de la latitude, du moment de l année, de l heure 26

27 Trajectoires solaires Exemples de trajectoires solaires depuis différents points de la terre Pour une même direction des rayons solaires, la hauteur du soleil évaluée en différents points de la terre ne sera pas la même. 27

28 Coordonnées angulaires du soleil Hauteur et azimut servent à définir la position d un objet par rapport à un point de référence (point d observation). Hauteur : angle formé par le rayon solaire et le plan horizontal (entre 0 et 90 ) Azimut : angle formé par la trace du soleil sur le plan horizontal et la direction Nord (dans le sens des aiguilles d une montre). Par commodité, on utilise l azimut par rapport au sud (< 0 côté Est, > 0 côté Ouest) Source : Mazria 28

29 Remarque Cf. Energy Conscious Design courses du soleil - Hiver / Été Attention : saisons inversées sur les deux hémisphères Eté (Hémisphère Nord) quand la distance Terre / Soleil est la plus grande mais les rayons les + chauds 29

30 Représenter les trajectoires solaires 30

31 Diagrammes cartésiens Les azimut sont donnés en abscisse (0 = midi solaire, quand le soleil est dans l axe sud). Les hauteurs sont données en ordonnées. Ces diagrammes sont fournis pour une latitude donnée. A : 21 juin [Solstice] B : mai & juillet C : avril & août D : mars & septembre E : février & octobre F : janvier & novembre G : 21 Décembre [Solstice] 31

32 Ces diagrammes permettent aussi de tracer les masques de l environnement et de déterminer leur influence. Pour déterminer ces masques : choisir un point et une hauteur de référence relever (sur le terrain ou sur un plan) la hauteur et les azimut que font les arrêtes de ces masques avec le point de référence reporter hauteurs et azimut sur le graphe tracer les non horizontales avec les indicateurs d occultation Attention, si vous utilisez une carte topographique (IGN), il faut soustraire l altitude du point de référence à l altitude que vous lisez sur la carte. 32

33 Exemple de diagramme solaire avec photo-montage Place de Philippeville, Grenoble (BazarUrbain 2007) 33

34 Le gnomon Le gnomon repose sur le principe du cadran solaire, adapté à la latitude du lieu. Une tige verticale dont on connaît la dimension (d), est posée sur le plan horizontal. Cette tige donne une trace d ombre qu on représente pour chaque mois. Les nombres situés sur les traces solaires représentent les heures en temps solaire. Courbe A : 21 juin Courbe C : 21 avril et 21 août Courbe E : 21 février et 21 octobre Courbe G : 21 décembre Courbe B : 21 mai et 21 juillet Courbe D : 21 mars et 21 sept. Courbe F : 21 janvier et 21 novembre 34

35 L Héliodon Principe Il est possible de simuler les différentes positions solaires sur une maquette avec un héliodon et un projecteur à rayons parallèles. Les 3 axes de rotation de l héliodon : -le basculement du plateau (0 à90 ) sur lequel est posé la maquette permet de régler la latitude - le pivotement du pied permet de choisir les mois - on fait varier les heures en faisant tourner le plateau sur lui-même. 35

36 Source :J.J Delétré - EA Grenoble 36

37 Durée d insolation Conditions spatiotemporelles et météorologiques Temps (journalier, mensuel, annuel), durant lequel la puissance surfacique du rayonnement solaire atteignant le sol atteint ou dépasse une valeur seuil. Ces données sont fournies par différentes bases : Méteo nationale, Satel-Light, Atlas solaire européen Correspondance avec la photométrie : 100 lm/w Soit : 1 W/m2 100 lux Carte d irradiation globale, moyenne annuelle, en Kwh/m2 37

38 Remarque : En été, la quantité d énergie solaire reçue est plus important sur une surface horizontale que verticale même orientée Sud En hiver, la quantité d énergie solaire reçue est plus importante sur une surface verticale orientée Sud que horizontale Quelles conséquences pour le choix des ouvertures? 38

39 Éclairage diffus «Dame écrivant une lettre avec sa servante» Vermeer

40 Influence de la couche nuageuse Climat et contexte : le ciel En été, par ciel serein, l éclairement horizontal au niveau de la mer atteint lux. En hiver, sous nos latitudes, par ciel très couvert, l éclairement horizontal extérieur peut être inférieur à 5000 lux. Les nuages réduisent l éclairement : Ciel serein : 100 % Nuages 2/10 : 90 % Nuages 4/10 : 75 % Nuages 6/10 : 65 % Nuages 8/10 : 45 % Ciel complètement couvert : 20 % Ciel intermédiaire 40

41 Facteur de lumière du jour Comme la quantité de lumière naturelle peut varier de façon importante, on introduit un rapport de proportionnalité entre l éclairement extérieur et celui disponible à l intérieur du local. C est ce qu on appelle le facteur de lumière du jour et il se calcule ainsi : Fj = E int Eext 100 Eext. où Eint = Eclairement horizontal à l intérieur du local Eext = Eclairement horizontal extérieur en site dégagé Exemple :. Eext = 5000 lx Près d une ouverture latérale, on peut avoir un Fj de 5% => Eint = 250 lx Eint. 41

42 Facteur de lumière du jour : décomposition Le facteur de lumière du jour peut se décomposer de la manière suivante : Fj = FJD + FJRE + FJRI en % avec : FJD : composante directe de la voûte céleste FJRE : composante réfléchie extérieure FJRI : composante réfléchie intérieure Voûte céleste FJD FJRE Eext. FJRI Eint. 42

43 Facteur de lumière du jour Ces trois composantes ont des importances diverses : - près des fenêtres la composante du FJD est en général prépondérante sauf s il y a un masque crée par des bâtiments devant la façade (dans ce cas là, c est la composante du FJRE qui est importante) - Par contre, au fond du local, la composante FJRI prend une valeur relativement importante alors qu elle est négligeable près des ouvertures. FJD FJRE Eext. FJRI Eint. 43

44 Prises de jour verticales une idée fausse Importance de FJ Réfléchi 50 lux 30 lux Sur cet exemple de cour intérieure, les pièces des étages inférieurs ne sont pas éclairés par la voûte céleste mais par les réflexions extérieures des façades. Le vitrage ayant un facteur de réflexion quasi-nul, augmenter la taille des fenêtres diminue l éclairement à l intérieur de des pièces des étages inférieurs 44

45 Facteur de lumière du jour et fonctions des bâtiments Ordre de grandeur Type d espace Fj (%) Réalisez que ce pourcentage est faible 0,5% de 5000lx = 25lx éclairage d une rue piétonne alors qu un bureau attend 400 lx cathédrale 0,5 Bureau éloigné d une fenêtre 0,5 à 1 Bureau proche d une fenêtre 3 à 6 Musée de peinture 0,6 à 1,8 Hall de gare XIXe siècle 10 Patio vitré 10 à 20 Paroi verticale (extérieur) 30 à 50 Surface en toiture (extérieur)

46 Variation du facteur de lumière du jour dans un local Le facteur de lumière du jour n est pas constant dans un local : il décroît très vite dès lors que l on s éloigne d une prise de jour. FJ (en %) , hauteur du plan de mesure Distance (en m) Allure de la décroissance du facteur de lumière du jour dans un local éclairé par une seule baie verticale 46

47 Facteur de lumière du jour - valeurs typiques 47