Table des matières : Résumé... 11 Abstract... 13 Introduction générale... 15 Chapitre I Etat de l art de la simulation numérique de l éclairage... 19 Introduction... 23 I.1 La propagation de la lumière entre la réalité et la simulation... 23 I.1.1 Les sources de lumière artificielle... 23 I.1.1.1 Introduction : Les luminaires et la conception en éclairage artificiel... 23 I.1.1.2 Mesures Goniophotométriques des luminaires... 24 I.1.1.3 Notion de champ proche - champ lointain... 25 I.1.1.4 Fichiers photométriques... 25 I.1.1.5 Calcul numérique de l éclairage direct d un luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)... 26 I.1.2 Les sources de lumière naturelle... 27 I.1.2.1 le soleil... 27 I.1.2.2 le ciel... 27 I.1.2.3 les modèles de ciel...28 I.1.2.3 Le sol extérieur... 29 I.1.2.4 Les masques extérieurs (éléments de façade et environnement urbain)... 29 I.1.2.5 La conception en éclairage naturel : notions de bases et méthodes de calcul... 30 I.1.3 La géométrie... 32 I.1.3.1 Généralités... 32 I.1.3.2 La modélisation DAO de la géométrie... 33 I.1.4 La transmission des flux à travers les éléments de façade... 33 I.1.4.1 Ouverture simple... 33 I.1.4.2 Vitrage classique... 34 I.1.4.3 Vitrage à aspect bi-directionnel... 34 I.1.4.4 Eléments de protection solaire... 35 I.1.4.5 La goniophotométrie réelle et virtuelle des matériaux... 35 I.1.5 La réflexion de la lumière sur les différents types de matériaux... 35 I.2 Les logiciels de simulation de l éclairage... 36 I.2.1 Les algorithmes de calcul de l'éclairage... 37 1.2.1.1 Radiosité... 37 1.2.1.2 Lancer de rayons... 38 I.2.2 Exemples types des logiciels existants... 39 1.2.2.1 Adeline... 39 1.2.2.2 Genelux... 39 1.2.2.3 Inspirer... 40 1.2.2.4 DIAL / Leso-Dial... 40 1.2.2.5 Lightscape 3.2... 40 1.2.2.6 Radiance... 40 1.2.2.7 Superlite... 40 I.2.3 Domaines d utilisation des logiciels... 40 3
I.3 La validation des logiciels de simulation de l éclairage... 41 I.3.1 Introduction... 41 I.3.2 Différents types de validation...42 I.3.2.1 La validation analytique... 42 I.3.2.2 La validation expérimentale... 42 I.3.2.3 La validation comparative... 43 I.3.3 Quelques exemples de travaux de validation réalisés... 43 I.3.3.1 Le travail de Khodulev et Kopylov... 43 I.3.3.2 Le rapport TM 28/00 de la CIBSE... 44 I.3.3.3 Les Benchmarks de la Tache 21 de l IEA... 44 I.3.4 Analyse de la problématique... 45 I.3.5 Proposition d une méthodologie de validation des logiciels... 45 I.3.5.1 Introduction... 45 I.3.5.2 Concept et approche proposés... 46 Conclusions... 47 Références Bibliographiques... 48 Chapitre II Cas-tests avec références analytiques... 55 Introduction... 59 II.1 La simulation d une source ponctuelle associée à un fichier photométrique... 59 II.1.1 Référence analytique... 59 II.1.2 Description du cas-test... 60 II.1.3 Solution de référence... 60 II.2 La simulation d une source surfacique associée à un fichier photométrique... 61 II.2.1 Référence analytique... 61 II.2.2 Description du cas-test... 63 II.2.3 Solution de référence... 63 II.3 La conservation du flux entrant à travers une ouverture... 63 II.3.1 Référence analytique... 64 II.3.2 Description du cas-test... 64 II.3.3 Solution de référence... 65 II.4 La transmission directionnelle τ d un vitrage normal... 65 II.4.1 Référence analytique... 65 II.4.2 Description du cas-test... 66 II.4.3 Solution de référence... 66 II.5 La réflexion de la lumière sur une surface de Lambert... 66 II.5.1 Référence analytique... 66 II.5.2 Description du cas-test... 67 II.5.2.1 Surface S 2 de petite dimension... 67 II.5.2.2 Surface S 2 de moyenne dimension (sol intérieur)... 68 II.5.2.3 Surface S 2 de grande dimension (sol extérieur)... 68 II.5.2.4 Etudes paramétriques... 69 II.5.3 Solution de référence... 69 II.5.3.1 Scénario 1 (S 2 : 50 50cm)... 70 II.5.3.2 Scénario 2 (S 2 : 4 4m)... 70 II.5.3.3 Scénario 3 (S 2 : 500 500m)... 70 4
II.6 La réflexion diffuse avec présence d obstructions internes... 70 II.6.1 Référence analytique... 71 II.6.2 Description du cas-test... 71 II.6.3 Solution de référence... 72 II.7 Le calcul de la composante réfléchie interne pour une géométrie avec des surfaces de Lambert... 72 II.7.1 Référence analytique... 72 II.7.2 Description du cas-test... 73 II.7.3 Solution de référence... 73 II.8 La composante directe du FJ (FJD) pour une ouverture en toiture non vitrée (sous les 16 types du ciel général CIE)... 74 II.8.1 Référence analytique... 74 II.8.1.1 Composante directe sous un ciel CIE type 5 (Uniforme)... 74 II.8.1.2 Composante directe au sol sous un ciel CIE type 16 (Couvert)... 75 II.8.2 Description du cas-test... 75 II.8.3 Solution de référence... 76 II.8.3.1 Ouverture 1m 1m... 76 II.8.3.2 Ouverture 4m 4m... 76 II.9 FJD pour une ouverture en toiture avec vitrage normal... 77 II.9.1 Référence analytique... 77 II.9.2 Description du cas-test... 77 II.9.3 Solution de référence... 77 II.9.3.1 Ouverture 1m 1m avec vitrage clair 6mm... 77 II.9.3.2 Ouverture 4m 4m avec vitrage clair 6mm... 77 II.10 La composante directe et la composante réfléchie externe (sol extérieur) pour une ouverture en façade non vitrée... 78 II.10.1 Référence analytique... 78 II.10.1.1 Composante directe et composante réfléchie externe sous un ciel CIE type 5 (Uniforme)... 78 II.10.1.2 Composante directe au sol sous un ciel CIE type 16 (Couvert)... 79 II.10.2 Description du cas-test... 80 II.10.3 Solution de référence... 80 II.10.3.1 Ouverture 2m 1m... 80 II.10.3.2 Ouverture 4m 3m... 81 II.11 FJD+FRE (sol extérieur) pour une ouverture en façade avec vitrage normal... 81 II.11.1 Référence analytique... 81 II.11.2 Description du cas-test... 81 II.11.3 Solution de référence... 81 II.11.3.1 Ouverture 2m 1m avec Vitrage clair 6mm... 81 II.11.3.2 Ouverture 4m 3m avec Vitrage clair 6mm... 82 II.12 FJD+FRE (sol extérieur + masque horizontal continu) pour une ouverture en façade non vitrée...82 II.12.1 Référence analytique... 82 II.12.1.1 Calcul simplifié de FRE... 83 II.12.1.2 Calcul de FJD sous un ciel uniforme... 83 II.12.1.3 Calcul de FJD sous un ciel CIE couvert... 83 II.12.2 Description du cas-test... 83 II.12.3 Solution de référence... 84 5
II.13 FJD+FRE (sol extérieur + masque extérieur vertical continu) pour une ouverture en façade non vitrée... 85 II.13.1 Référence analytique... 85 II.13.1.1 Calcul simplifié de FRE... 85 II.13.1.2 Calcul simplifié de FRE pour un ciel uniforme... 86 II.13.1.3 Calcul de FJD sous un ciel uniforme... 86 II.13.1.4 Calcul de FJD sous un ciel CIE couvert... 86 II.13.2 Description du cas-test... 86 II.13.3 Solution de référence... 87 II.14 Autres propositions de cas-test analytiques... 87 II.14.1 La conservation du flux des sources artificielles... 87 II.14.2 Les taches solaires... 87 II.14.3 La réflexion spéculaire... 87 II.14.4 La transmission à travers un vitrage 100% diffusant... 88 II.14.5 La transmission à travers des matériaux bidirectionnels... 88 II.14.6 La réflexion sur des matériaux bidirectionnels... 88 II.14.7 Calcul spectral... 88 II.14.7.1 Scénario A... 88 II.14.7.2 Scénario B... 88 II.14.8 Calcul de l éclairement extérieur... 89 II.14.9 Variation horaire et saisonnière de l éclairement extérieur... 89 II.14.10 La fuite de lumière... 89 Conclusions... 89 Références bibliographiques... 90 Chapitre III Cas-tests avec références expérimentales... 91 Introduction... 95 III.1 Définition d un cahier de charges pour optimiser la fiabilité des références expérimentales... 96 III.1.1 Recommandations pour le choix et la description des scénarios... 96 III.1.1.1 Recommandations liées à la Géométrie... 96 III.1.1.2 Recommandations liées aux matériaux... 97 III.1.1.3 Recommandations liées aux sources de lumière (naturelles et artificielles)... 97 III.1.1.4 Recommandations liées aux points de mesure... 98 III.1.2 Précautions liées au protocole expérimental... 99 III.1.2.1 Précautions générales... 99 III.1.2.2 Précautions liées aux scénarios de lumière artificielle... 99 III.1.2.3 Précautions liées aux scénarios de lumière naturelle... 100 III.1.3 Recommandations liées à l estimation des erreurs... 100 III.1.3.1 Les sources d erreurs objectives... 101 III.1.3.2 Les sources d erreurs subjectives... 102 III.1.4 Recommandations liées à la présentation des mesures... 102 III.2 Description des champs de luminances réels en éclairage naturel... 104 III.2.1 Introduction... 104 III.2.2 Méthodologie proposée pour la description et l utilisation des cartes de luminances réelles... 105 III.2.2.1 La photo numérique calibrée... 105 III.2.2.2 L étalonnage du Nikon Coolpix 990... 106 III.2.2.3 La création des cartes de luminances (Photolux)... 106 6
III.2.2.4 Etude de sensibilité... 108 III.2.2.5 Utilisation des cartes de luminances dans la simulation... 110 III.2.3 Protocole expérimental de validation... 111 III.2.3.1 Description de la maquette et du dispositif expérimental... 111 III.2.3.2 Protocole expérimental dans le ciel artificiel... 119 III.2.3.3 Protocole expérimental sous un ciel réel... 123 III.2.4 La simulation numérique des scénarios avec le logiciel Radiance... 125 III.2.5 Comparaison maquette simulation pour les scénarios du ciel artificiel... 125 III.2.5.1 Ciel artificiel, Ouvertures en toiture... 126 III.2.5.2 Ciel artificiel, Ouvertures en façade... 127 III.2.5.3 Analyse des résultats et des erreurs de champ proche... 127 III.2.6 Comparaison maquette simulation pour les scénarios du ciel réel... 130 III.2.6.1 Ciel extérieur, couvert, Ouvertures en toiture... 130 III.2.6.2 Ciel extérieur, clair, Ouvertures en façade... 131 III.2.6.3 Utilisation d une seule photo en mode de vitesse automatique "A"... 131 III.2.7 Etude dynamique sous un ciel réel variable... 132 III.2.7.1 Ouverture en toiture de 20cm 20cm... 132 III.2.7.2 Etude dynamique, ciel extérieur intermédiaire, ouverture en façade de 80cm 60cm... 135 III.2.7.3 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... 137 III.2.8.1 Conclusions générales... 137 III.2.7.2 Perspectives... 138 III.3 Exemples de cas-tests en lumière naturelle avec utilisations des cartes de luminances réelles... 138 III.3.1 Eclairage intérieur sous une ouverture en toiture et un ciel extérieur nuageux... 139 III.3.1.1 Description de la géométrie... 139 III.3.1.2 Photométrie des matériaux... 139 III.3.1.3 Description du champ de luminances externe à l ouverture... 139 III.3.1.4 Les valeurs de référence... 139 III.3.2 Simulation de la transmission bidirectionnelle des matériaux... 140 III.3.2.1 Introduction... 140 III.3.2.2 Description du scénario... 141 III.3.2.3 Mesures de référence... 142 III.4 Exemple de cas-tests en lumière artificielle... 143 III.4.1 Introduction... 143 III.4.2 Description du scénario... 143 III.4.2.1 La géométrie... 143 III.4.2.2 Photométrie des matériaux... 143 III.4.2.3 La position des luminaires... 144 III.4.2.4 La photométrie des luminaires... 144 III.4.2.5 Les points de mesure... 144 III.4.3 Les mesures de référence... 144 III.4.3.1 Estimation des erreurs... 144 III.4.3.2 Valeurs d éclairements ponctuels... 144 III.4.3.3 Valeurs d éclairement moyen... 145 III.4.4 Analyse critique du protocole... 145 III.5 Autres propositions de cas-tests avec référence expérimentale... 145 III.5.1 Transmission bidirectionnelle... 145 III.5.2 Réflexion bidirectionnelle... 146 III.5.3 Qualité spectrale des sources... 146 III.5.4 Le photo-réalisme (des images de synthèse)... 146 7
III.5.5 Les cartes de luminances... 146 III.5.6 Les scénarios de la tâche 21 de l IEA... 146 Conclusions... 147 Références bibliographiques... 148 Chapitre IV Utilisation des cas-tests pour la validation d un logiciel de simulation de l éclairage et du concept des luminaires équivalents... 19 Introduction... 155 IV.1 Validation du logiciel Lightscape 3.2... 156 IV.1.1 Présentation du logiciel... 156 IV.1.1.1 Description générale du logiciel... 156 IV.1.1.2 Description des propriétés physiques des matériaux... 156 IV.1.1.3 Description de la lumière de jour... 157 IV.1.1.4 Description des luminaires... 158 IV.1.1.5 Choix des paramètres de calcul... 158 IV.1.1.6 Exploitation des résultats... 159 IV.1.2 Sélection des cas-tests applicables au logiciel... 160 IV.1.3 Comparaison des résultats aux données de référence analytiques... 161 IV.1.3.1 Simulation des sources ponctuelles (Scénario II.1)... 162 IV.1.3.2 Simulation des sources surfaciques (Scénario II.2)... 162 IV.1.3.3 Conservation des flux (Scénario II.3)... 163 IV.1.3.4 Transmission directionnelle d un vitrage clair (Scénario II.4)... 163 IV.1.3.5 Réflexions diffuses (Scénario II.5)... 164 IV.1.3.6 Réflexions diffuses avec obstruction (Scénario II.6)... 166 IV.1.3.7 Inter-réflexions diffuses multiples (Scénario II.7)... 166 IV.1.3.8 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)... 167 IV.1.3.9 FJD pour une ouverture en toiture avec un vitrage clair et sous un ciel CIE couvert ou Clair (Scénario II.9)... 168 IV.1.3.10 FJD + FRE (sol extérieur) pour une ouverture en façade sans vitrage et sous un ciel CIE couvert ou Clair (Scénario II.10)... 169 IV.1.3.11 FJD + FRE (sol extérieur) pour une ouverture en façade avec un vitrage clair et sous un ciel CIE couvert ou Clair (Scénario II.11)... 170 IV.1.3.12 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)... 171 IV.1.3.13 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)... 172 IV.1.4 Comparaison des résultats aux données de référence expérimentales des scénarios de lumière artificielle (CIBSE)... 172 IV.1.4.1 Lampes Fluo-compacte, murs en gris... 173 IV.1.4.2 Luminaire Opal, murs en gris... 173 IV.1.4.3 Luminaire avec réflecteurs semi-spéculaires, murs en gris... 173 IV.1.4.4 Lampes Fluo-compacte, murs en noir... 174 IV.1.4.5 Luminaire Opal, murs en noir... 174 IV.1.4.6 Luminaire avec réflecteurs semi-spéculaires, murs en noir... 174 IV.2 Présentation et validation de la méthode des luminaires équivalents... 175 IV.2.1 Contexte... 175 IV.2.2 Concept analytique... 176 IV.2.2.1 Approche proposée... 176 IV.2.2.2 Prise en considération du champ proche... 176 8
IV.2.2.3 Calcul de la photométrie équivalente pour une ouverture non vitrée... 176 IV.2.2.4 Calcul de la photométrie équivalente pour une ouverture avec un vitrage à transmission directionnelle... 178 IV.2.2.5 Calcul de la photométrie équivalente pour une ouverture avec un matériau à transmission bidirectionnelle... 179 IV.2.3 Procédure de création des photométries équivalentes... 180 IV.2.3.1 Calcul des luminances externes... 180 IV.2.3.2 Création des fichiers photométriques équivalents pour une ouverture avec ou sans vitrage normal... 180 IV.2.3.3 Création des fichiers photométriques équivalents pour une ouverture avec un matériau à transmission bidirectionnelle... 181 IV.2.4 Procédure d utilisation des fichiers photométriques équivalents... 181 IV.2.5 Sélection des cas-tests applicables à la méthode... 181 IV.2.6 Comparaison des résultats des luminaires équivalents aux données de référence analytiques et à Lightscape 3.2... 182 IV.2.6.1 Conservation des flux (Scénario II.3)... 182 IV.2.6.2 FJD pour une ouverture en toiture sans vitrage (Scénario II.x)... 182 IV.2.6.3 FJD pour une ouverture en toiture avec un vitrage clair (Scénario)... 184 IV.2.6.4 FJD + FRE (sol extérieur) pour une ouverture en façade sans vitrage (Scénario II.x)... 185 IV.2.6.5 FJD + FRE (sol extérieur) pour une ouverture en façade avec un vitrage clair (Scénario II.x)... 186 IV.2.6.6 FJD + FRE (sol extérieur + masque horizontal continu) pour une ouverture en façade sans vitrage (Scénario II.x)... 186 IV.2.6.7 FJD et FRE (sol extérieur + masque vertical continu) pour une ouverture en façade sans vitrage (Scénario II.x)... 189 IV.2.7 Comparaison des résultats aux données de référence expérimentales des scénarios de lumière naturelle... 190 IV.2.7.1 Ciel artificiel, ouverture en toiture (Scénarios III.5.1-4)... 191 IV.2.7.2 Ciel artificiel, ouverture en façade (Scénarios III.5.5-7)... 191 IV.2.7.3 Ciel extérieur nuageux, ouverture en toiture (Scénarios III.5.9-11)... 192 IV.2.7.4 Ciel extérieur clair, ouverture en façade (Scénarios III.5.12-14)... 192 IV.2.7.5 Ciel extérieur dynamique, ouverture en toiture... 193 IV.2.7.6 Ciel extérieur dynamique, ouverture en façade... 194 IV.2.7.7 Ciel artificiel, ouverture en façade + obstruction... 195 IV.2.8 Etude paramétrique pour les scénarios de champ proche... 197 IV.2.8.1 Objectifs et démarche (sélection des paramètres)... 197 IV.2.8.2 Présentation de l échantillon utilisé... 198 IV.2.8.3 Analyse de l échantillon et identification d une courbe de tendance entre la variation des éclairements extérieurs et la précision des résultats... 201 IV.2.8.4 Comparaisons de la courbe de tendance des résultats analytiques aux résultats des scénarios expérimentaux... 201 IV.2.8.5 Analyse des résultats... 202 Conclusions... 203 Références bibliographiques... 203 Conclusions et perspectives... 205 Annexe A Validation du logiciel Skylux... 213 Annexe B Solutions anlytiques de référence... 219 9
Annexe C Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances réelles) aux mesures expérimentales... 233 Annexe D Enquête sur l utilisation des logiciels... 251 Annexe E Comparaison des logiciels en ligne... 261 Annexe F Le comité technique TC.3.33 de la CIE... 265 Annexe G Formats de fichiers photométriques... 273 Annexe H Cartes de luminances réelles au format de ciel Radiance... 285 10
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