Projet ADEME Bâtiment à l Horizon 2010 Eclairage mixte : LEDs et lumière naturelle «Analyse et conception de tubes de lumière associés à des LEDs pour optimiser la mixité entre l éclairage artificiel et l éclairage naturel des bâtiments» Oana Dobre, Gilbert Achard, Jean-Louis Lovato, Alain Perrin Les rencontres du PREBAT 1
1. Contexte de l étude Réaliser des économies d énergie par la valorisation du gisement lumineux naturel et de lampes basse consommation (LED) Capteur lumière naturelle Fenêtre P >1,5h Tube opaque de transport Equipement de Faux-plafond lumière artificielle Tube diffusant h Solution déjà existante : Puits de lumière Solution L éclairage proposée à naturel LEDs: contribue des Complémentarité bâtiments à une bonne est Tubes de lumière efficacité entre inefficace éclairage énergétique pour naturel les horizontaux et pièces éclairage profondes artificiel Inconvénients = - perçage des dalles - difficulté de respecter la réglementation incendie P/3 P/3 P/3 vue longitudinale 2
2. Objectifs de l étude Étudier la faisabilité et construire un système d éclairage innovant qui associe éclairages naturel et artificiel; Évaluer l impact de la complémentarité entre l éclairage naturel et l éclairage artificiel sur la thermique d un bâtiment (économies d énergie). 3
3. Déroulement de l étude Étude du gisement lumineux naturel Dimensionnement d un système d éclairage innovant a Données satellite Météostat b Tubes de lumière, LEDs Construction et optimisation du démonstrateur Évaluation de l impact de la complémentarité des éclairages sur la thermique d un bâtiment c Étude d éclairage et mesures Conception de la régulation d Logiciel TRNSYS 4
3.a. Étude du gisement lumineux naturel Modèle de l efficacité du système Besoin : 450 lux Système d éclairage innovant e e système système = = 2% E H plan utile E V façade Eclairement global moyen au sol [klux] 50 1 0,8 40 0,6 30 0,4 20 0,2 10 0 Zone d autonomie Zone d économie 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 heure solaire heure solaire Eclairement global moyen annuel en façade SUD [klux] 50 1996 1997 1998 1999 2000 Plage d exploitation potentielle du système 40 30 20 10 L éclairement direct est dû au soleil. L éclairement diffus est dû à la voûte céleste. Eglobal = Edirect + Ediffus 5
3.b. Dimensionnement du système Solution étudiée E vertical moyen 20 000 lux Tube opaque Barrettes de LEDs Mélangeur réflecteur 3x1m² 3m 4m Simulation APILUX plan utile Emoyen = 480 lux [mm] simulation esystème = 2,4% [lux] 6
3.b. Dimensionnement du système Approche analytique d ρ P L θ m Barrettes de LEDs ( L d ) ta n θ e m TO = p Tubes opaques ρ Tube triangulaire Diffuseur transparent Entrée des tubes opaque Tube parallélépipédique L 1 ρ P e r = e e mélangeur tube parallélepipédique tube triangulaire diffuseur e = 2,3% calcul système ρ ( L1 2 r ) tanθ e tube parallélepipédique = θ P dk l ρ P θ e tube trianglulaire = ρ P e mesures n l tanθm 1 d k = 1 k 7
3.b. Dimensionnement du système Validation de l étude par mesures photométrique sur maquette mélangeur tubes opaques Mesures photométriques au luxmètre diffuseur Distribution uniforme au sol de la lumière diffusée par le système Maquette à l échelle 1/5 mesure maquette esystème = 2,4% 8
3.c. Construction et optimisation du système Les étapes Réalisation des tubes de lumière Assemblage des tubes par cerclage Mise en place des tubes de lumière Réalisation de l éclairage à LEDs blanches (chaudes et froides) Pose du diffuseur Installation de l héliostat 9
3.c. Construction et optimisation du système Capture de la lumière naturelle en façade Héliostat de type anidolique des Entrée des tubes Dôme en plexiglas Miroir basculant Dôm Plex Miroir m 10
3.c. Construction et optimisation du système Interfaces de contrôle Interface UTILISATEUR Interface CONFORT Max Chaude Min Froide Température de couleur Flux 11
3.c. Construction et optimisation du système Mesures en grandeur réelle Caractérisation du luminaire : LEDs Distribution du flux Variation de l indice de rendu des couleurs IRC bon % LEDs blanches froides 1000lux IRC % LEDs blanches chaudes mauvais 12
3.d. Étude de l impact sur la thermique d un bâtiment Choix du bâtiment de référence Zone de simulation TRNSYS Surface de bureaux paysagers de référence Surface de bureaux paysagers de référence 18 cellules élémentaires 303 m 2 Sud D é g a g e m e n t 8 m Maille élémentaire de 69,14 m 2 8,6m 8,60 m 2,68 m 6.28 m Cellule élémentaire 16.83 m 2 Nord 13
3.d. Étude de l impact sur la thermique d un bâtiment Choix du référentiel Deux cas étudiés sous TRNSYS 16 : Éclairage fluorescent variable Bâtiment 0h 8h 19h 23h Éclairage LED variable + TUBEs de lumière Bâtiment 14
3.d. Étude de l impact sur la thermique d un bâtiment Bilan comparatif Consommation énergétique du chauffage / de la climatisation / de l éclairage simulations sous TRNSYS 16 66,9 68,7 48,6 41,6 28,9 5,5 145,4 115,7 150 118 STORE - CONSIGNE VISUEL 58,6 64,2 64,2 51,5 27,2 4,8 3% 15% 80% 5% d augmentation sur la consommation du chauffage (QHEAT) ; 20% d économie sur la consommation de la climatisation (QCOOL) ; 80% d économie sur la consommation de l éclairage (QLIGHTING). 15
4. Conclusion Le démonstrateur grandeur réelle est opérationnel pour effectuer des caractérisations Sur notre cas d étude, l impact du système sur la consommation électrique globale annuelle peut atteindre 20% d économie 16
5. Perspectives Établir des règles d ingénierie du système ; Réaliser une étude technico économique du système ; Évaluer l impact de la complémentarité des éclairages naturel et artificiel à LEDs sur le confort visuel ; Valider l ergonomie de l interface de commande du système. 17
Merci pour votre attention 18