L éclairage naturel 2ème partie : Stratégies et prédétermination Suzel BALEZ L5C 2007-08 Cathédrale de Chartres (1240) Transept nord
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 Prédétermination de l éclairage naturel Calculs Logiciels Modèles réduits 2
Stratégies de la lumière naturelle Capter Transmettre Distribuer Se protéger Contrôler 3
Capter «La qualité intérieure d un espace dépend de la quantité d espace extérieur qui entre par le truchement de la lumière et de la transparence.» Franck Lloyd Wright
Type de ciel 15 mars à 9h (univ.) Ouverture orientée au sud (latitude 50,8 N) 5
Moment de l année Courses minimale et maximale du soleil (latitude 50,8 N) azimut hauteur Ouverture orientée au sud (latitude 50,8 N) 13h univ. 6
Heure Journée du 15 décembre (rappel) 7
Capter : environnement Relief du terrain Bâtiments avoisinants Éléments liés au bâtiment lui-même Végétation Réflexion des surfaces extérieures 8
Capter : environnement / Relief du Ombres possibles du relief sur les bâtiments Ou bien au contraire la pente peut favoriser leurs ensoleillement (dépend de la géométrie solaire / pente) terrain 9
Capter : environnement/ Bâtiments avoisinants Effet de rue : masque solaire des bâtiments de l autre côté de la rue (dépend du rapport hauteur bâti/ largeur rue) 10
Capter : environnement/ Réflexion des surfaces extérieures Le facteur de réflexion des surfaces extérieures peut amener une augmentation de la quantité de lumière pénétrant dans le local ρ = 0,22 ρ = 0,35 S ous ciel couvert 15 juin 13h univ ρ = 0,9 11
Transmettre = Favoriser la pénétration de la lumière à l intérieur d un local Caractéristiques de la fenêtre Inclinaison de l ouverture Orientation de l ouverture Configuration Dimensions de l ouverture Châssis Forme Matériau de transmission Caractéristiques du local Dimensions Aménagement intérieur
Inclinaison de l ouverture Fenêtre verticale Fenêtre en toiture 13
Fenêtre verticale Système le moins performant en terme d éclairage par la lumière du jour Le plus utilisé car facile à mettre en oeuvre (et permet une vue sur l extérieur!) Bien orientée, présente beaucoup d avantages thermiques 14
Fenêtre en toiture c est le système le plus performant: de 3 à 5 fois plus de lumière, à surface équivalente, qu un vitrage vertical. Principes Fenêtre zénithale horizontale de 1,5m², placée au centre du plafond 15 déc. 13h univ, (lat.50,8 N) 15
Fenêtre en toiture S ouvre sur la totalité de la voûte céleste =» forte pénétration de la lumière diffuse Lumière entre par les plafonds =» limite éblouissements dans les locaux attention, si elle est mal conçue, elle va aussi créer plus de surchauffe l été =» les prises de jour sont couramment inclinées (non horizontales) et orientées au Nord (sheds, lanterneaux protégés, lucarnes) 16
Orientation de l ouverture Pour nos latitudes tempérées, on peut distinguer 5 orientations principales qui tiennent compte des déséquilibres de température entre matin et après-midi. Nord : jamais de soleil direct ; importance des réflexions extérieures Sud : soleil haut quand les apports énergétiques sont importants Est : même caractéristiques que Ouest mais sans surchauffe de la journée Ouest : apport énergétique le plus élevé, (après-midi) ; soleil bas Source : ABC - EA Marseille et J.J. Delétré - EAG 17
Orientation de l ouverture Sous ciel couvert les baies verticales captent la lumière de manière similaire, indépendamment de leur orientation Sous ciel clair l orientation de la baie influence la quantité de lumière captée 18
Caractéristiques de la fenêtre Configuration (position de la baie sur la paroi) 19
Caractéristiques de la fenêtre Configuration (position par rapport à la paroi) Que la fenêtre soit en creux, au nu ou en avancée ne change rien aux performances lumineuses globales de la pièce. En revanche, un ébrasement permet de créer une zone de transition lumineuse entre intérieur et extérieur. 20
Caractéristiques de la fenêtre Dimensions de l ouverture 200 lx en fond de local 400 lx en fond de local 600 lx en fond de local Orientation sud, 15 juin, 13h (univ.) Lat.50,8 N, Ciel clair Augmenter le prise de contact avec l extérieur : exemple du plafond biaisé 21
Caractéristiques de la fenêtre Forme de l ouverture 22
Caractéristiques de la fenêtre Forme de l ouverture 23
Caractéristiques de la fenêtre Position de l ouverture Plus la fenêtre est élevée, mieux le fond du local est éclairé 350 lx en fond de local 450 lx en fond de local 500 lx en fond de local Orientation sud, 15 juin, 13h (univ.) Lat.50,8 N, Ciel clair 24
Caractéristiques de la fenêtre Clerestory = fenêtre dont le seuil se trouve au dessus du niveau de l œil Répartition plus uniforme de la lumière dans l espace Meilleur éclairage du fond du local Réduit les risques d éblouissement direct Clerestory 25
Caractéristiques de la fenêtre Configuration (Châssis) Surface des menuiseries 26
Caractéristiques de la fenêtre Configuration (transmission du vitrage) Facteur de transmission vitrage simple (3mm) : 0,9 vitrage double : 0,81 vitrage double normalement sale : 0,6 pour les simulations sur maquette, valeur utilisée : 0,6 Les vitrages plastiques vieillissent vite (UV, poussières, intempéries ). Leur facteur de transmission varie au cours du temps. 27
Caractéristiques de la fenêtre Configuration (transmission du vitrage) 28
Caractéristiques de la fenêtre : exemple de rénovation Situation d origine : menuiseries 33% de lumière en moins Facteur de transmission du vitrage 0,9 (vitrage simple) Lumière qui pénètre dans la pièce : 60,3 % 29
Caractéristiques de la fenêtre : exemple de rénovation Dépose des menuiseries d origine Lumière qui pénètre dans la pièce : 100 % 30
Caractéristiques de la fenêtre : exemple de rénovation Nouvelles menuiseries : menuiseries 32,3% de lumière en moins Facteur de transmission du vitrage 0,6 (vitrage double) Lumière qui pénètre dans la pièce : 40,35 % 31
Caractéristiques de la fenêtre Configuration (vitrages spéciaux) Vitrages passifs : extra clairs (facteur de transmission amélioré) autonettoyants Ts Vitrages super-isolants (MIT) : Aérogels : composés de mousses de silice entre 2 plaques de verre. Exceptionnel qualités thermiques (identiques à des parois pleines) mais transmission plus faible Vitrages dynamiques : électrochromes (obscurcissement) à cristaux liquides (opacification) à émission lumineuse à lamelles internes Facteur solaire Fs = T + Ts exprimé en % T Source INRS 32
Distribuer Type de distribution lumineuse Répartition des ouvertures Agencement des parois intérieures Matériau des surfaces du local Zones de distribution lumineuse Serres, atria Systèmes de distribution lumineuse
Type de distribution Un éclairage naturel indirect Kimbell Art Museum (L. Kahn) Lumière solaire du Texas 34
Répartition des ouvertures Une prise de jour en façade introduit une forte variation quantitative de l éclairement avec le recul. Une prise de jour en toiture permet d uniformiser l éclairement dans le local. Elle est 3 à 5 fois plus performante qu une prise de jour en façade (même surface, même vitrage). On peut aussi améliorer les performances par l emploi de dispositifs complémentaires : bandeaux 35
L atrium, le patio, la cour intérieure Leur performances sont complexes et dépendent de leur géométrie et de leur orientation. Sachant que les vitrages ont un facteur de réflexion très faible, la partie opaque supérieure de ces systèmes doit être très réfléchissante. 36
Atria Rappelez vous : Fj en toiture = 100% et Fj sur une paroi verticale à ciel ouvert est compris entre 30 et 50%. 37
La serre, la véranda, les doubles Les locaux arrières sont éclairés en second jour. La transmission lumineuse est fortement affaiblies par ces dispositifs. Si ces solutions sont associées à des protections solaires efficaces (+ aération), elles sont souvent appréciés par les utilisateurs. peaux 38
Systèmes de distribution lumineuse 39
Systèmes de distribution lumineuse (effet d un voilage) Un simple voilage fin joue le rôle de diffusant et permet d équilibrer l éclairage naturel à l intérieur de la pièce. 40
Conduits de lumière de petite section par rapport aux autres solutions de prise de jour tube réfléchissant fixe («canon à lumière») ou système mobiles sophistiqués liés à des concentrateurs et à un pilotage par ordinateur. pour être de «vrais système d éclairage», ils doivent être orientés du côté du soleil et capter directement la lumière du soleil. même si le système n est pas très efficace, ils peuvent aussi apporter un lien psychologique, esthétique et social avec l extérieur Principe 41
Systèmes de distribution lumineuse / Vitrages à réorientation Les composants prismatiques utilisent le principe de réfraction (déviation de la lumière) ou de transmission de la lumière par un prisme (! ces matériaux sont translucides et non transparents) Coupe sur les lames : horizontales et inclinées 42
Systèmes de distribution lumineuse / Vitrages à réorientation Sections de miroirs dans le double vitrage Les miroirs paraboliques de différentes tailles dont positionnés de façon à laisser passer le soleil d hiver et à renvoyer le soleil d été (! au sud) 43
Systèmes de distribution lumineuse / Vitrages à réorientation Les films à lame d air (Lasercut panels) Une lame d air est inséré entre 2 couches de polymères (perpendiculaire au plan du film). L ensemble se comporte comme un prisme et permet une vue extérieure. 44
Systèmes de distribution lumineuse / Vitrages à réorientation Les films holographiques Ces films se collent sur des vitrages ordinaires et ré-orientent la lumière (! Distorsion colorimétrique qui peut être gênante) 45
Exemple d utilisation de films holographiques Les panneaux laissés transparents contiennent des films holographiques qui réorientent la lumière des spots extérieurs vers l intérieur pour l éclairage de nuit Hall d entrée de l Université de Brême Architecte : Alsop + Stömer 46
Systèmes de distribution lumineuse : réflecteurs externes * Les réflecteurs simples On peut ajouter à différents système de prise de jour des réflecteurs externes constitués de revêtements spéculaires (réflexion comme un miroir) ou diffusants. Principe Bandeau extérieur intégré à la façade Bandeau intérieur Les bandeaux lumineux (light shelves) Un bandeau lumineux permet d augmenter l apport d éclairage naturel en fond de local. Les bandeaux extérieurs sont plus performants que les bandeaux intérieurs. 47
Bandeaux 48
Conduits de lumière et bandeaux Ce dispositif combine bandeau lumineux, film réfléchissant et conduit de lumière Source: http://windows.lbl.gov 49
Conduits de lumière 50
Conduits de lumière 51
Se protéger
Se protéger masques proches et lointains Les masques environnants Bloquent les rayons de soleil directs Masquent des portions de ciel 53
Se protéger 54
Se protéger au sud L orientation sud est la plus facile à traiter. Sous nos latitudes, la hauteur du soleil entre avril et août est supérieure à 60. C est généralement cette hauteur qu on prend comme référence. H= 90 - Latitude + 23,5 ex à Grenoble, H=90-45+23,5 = 68,5 Schéma pour midi rayons solaires de hauteur 70 La dimension de l avancée est fonction de la hauteur entre l avancée et le bas de la prise de jour. Tan H = H / P On peut aussi fractionner la protection: l espacement des lames sera alors fonction de leur épaisseur Source : ABC - EA Marseille et J.J. Delétré - EAG Attention : les réflexions extérieures dans la partie basse peuvent fortement renforcer l apport de chaleur. 55
Se protéger au sud 56
Se protéger à l ouest La hauteur de référence des rayons solaires est 30. L avancée doit devenir très importante. L utilisation d écrans fractionnés sont les plus courantes. Incliner les lames permet de les espacer et maintenir une vue sur l extérieur. Source : ABC - EA Marseille et J.J. Delétré - EAG On peut aussi utiliser des lames verticales, avec un angle horizontal de position de ces lames de 15 à30. 57
Se protéger : Lamelles à changement de direction Nombreuses techniques existent (type store vénitien), les lamelles servent à orienter la lumière ou protéger la baie. Une protection interne laisse pénétrer les IR ; la chaleur est piégée entre la baie et le store. Source : St Gobain Stores vénitiens et store extérieur 58
Se protéger : Lamelles à changement de direction Brise soleil en alu, lames fixes ou orientables Les lames sont composées de 2 feuilles de verre enserrant un film multicouche dont la face externe est réfléchissante et la face interne micro-perforée pour maintenir la vue Source: PMA Façade double peau avec modules de brisesoleil orientables par commande électrique programmable Source : www.arch.ucl.ac.be/eclairage 59
Contrôler 60
Contrôler éclairage artificiel Zonage Régulation du flux des lampes Sensibilisation des occupants Automatisation des commandes 61
Prédétermination de l éclairage naturel Calculs Logiciels Modèles réduits 62
Calculs : fenêtre verticale Garde Fou - Formule du CSTB Il s agit plus d un garde-fou que d une formule de calcul. La méthode repose sur deux définitions : Indice de vitrage corrigé : Ic = Iv x τ avec Iv : surface de vitrage /surface du local au sol τ : facteur de transmission «corrigé» du vitrage (sale) Indice de profondeur : Ip = P / hu avec P : profondeur du local (épaisseur des parois comprise) hu : hauteur utile (hauteur comprise entre le plan de mesure de l éclairement et la retombée du linteau de la fenêtre Attention, la notion d indice de vitrage est très relative, puisque la position du vitrage peut changer fortement le résultat à surface vitrée égale. Cet indice n est donné ici que dans le cas de baies dont l allège est à hauteur du plan de travail, et la retombée du linteau faible 63
Calculs : fenêtre en toiture Cette formule simple permet, en avantprojet, de déterminer la surface de vitrage nécessaire pour obtenir un facteur du jour donné. Indice d ouverture : i = surface ouverte / surface au sol du local Par exemple : si on veut Fj = 3%, avec des sheds inclinés à 60% (k = 4), il faudra : i = 4 x 3% = 12% d ouverture Si le facteur de transmission du vitrage = 0,8, la surface de vitrage à prévoir est : S = i / t = 12 / 0,8 = 15% de la surface au sol. Pour une prise de jour en toiture : i = k x Fj La valeur k dépende de l inclinaison de la partie vitrée. 64
Logiciels 65
Modèles réduits Maquettes sous ciel artificiel Héliodon et gnomon Prototypes de taille réelle 66
Paramètres thermiques et Thermique paroi pleine : U = 0,3 W/m2.C - vitrage double : U = 3 W/m2.C où U = coef. De transmission thermique Du point de vue de la déperdition thermique, 1 m2 de vitrage 10 m2 de paroi pleine. Acoustique paroi pleine : R = 55 db(a) - vitrage très bonne qualité R = 38 db(a) où R = indice d affaiblissement acoustique Du point de vue acoustique, 1 m2 de vitrage 50 m2 de paroi pleine acoustiques 67
Bibliographie La structure de ce cours et l essentiel des illustrations sont tirées de : Reiter S. et De Herde A., L éclairage naturel des bâtiments, Louvain, UCL, 2004, 265p. (voir aussi leur site : http://wwwenergie.arch.ucl.ac.be/eclairage/accueil.htm Et aussi de : Fontoynont M., Daylight performance of buildings, European Comission, James & James, 1999 AFE, La lumière du jour dans les espaces intérieurs, Paris, éd. Lux. Moore F., Concepts and practice of architectural daylighting, VNR ed., New York, 1985. International Energy Agency, Daylight in buildings, IEA SHC Task 21 report, 2000. Disponible sur : http://www.iea-shc.org/task21/index.html Site du laboratoire ABC à l école d architecture de Marseille Luminy (www.marseille.archi.fr) Voir aussi le site de l École d Architecture de Seattle : http://www.daylightinglab.com/daylighting/daylightin g_studio.htm (superbes travaux d étudiants!) 68