L`éclairage naturel

Suzel BALEZ
L5C 2007-08
L’éclairage naturel
première partie :
Principes de base
Hertzog et Partner
Bât. De bureaux à Wiesbaden
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
La vision
Le visible
La vision, principes de base
La vision, aspects cognitifs
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
μm (10-6 m)
Longueurs d'onde électromagnétiques en
10-8
10-6
10-4
Rayons gamma
1
10-2
102
104
106
108
1010
U. V.
Infra rouge
Rayons
cosmiques
Radar, radio, TV
Rayons X
VISIBLE
4
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
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
La vision, aspects cognitifs
Rapport figure / fond ?
Les illustrations des diapositives suivantes sont issues de Jacques Ninio, La sciences de l’illusion
7
8
9
10
11
Grandeurs photométriques
Le flux lumineux (lumen)
L’éclairement (lux)
La luminance (candélas
par m²)
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
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
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
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 100 000 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 : 100 000 lux
– Bureau - une salle de cours :
300-500 lux
– Rue piétonne :
2-20 lx
16
Grandeurs photométriques : La
luminance
„
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
17
Grandeurs photométriques : La
luminance
La luminance est la seule
grandeur photométrique
réellement perçue par l’œil
humain
„
18
Ciel
Ensoleillement
Ciel couvert (éclairage diffus)
19
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
Le soleil et le ciel : Climats
Ciels couverts =
éclairage diffus (ou
éclairage naturel)
„
„
Ciels ensoleillés =
ensoleillement
21
Ensoleillement
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 23° 27’
par rapport au plan de l’elliptique et reste
parallèle à lui-même au cours du mouvement
annuel.
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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, 2000
http://www.ens-lyon.fr/Planet-Terre/Infosciences/Planetologie/Description/Articles/solstice.html
24
Solstice d’été
Variations du
flux solaire
Cf. Lavigne et al.
Solstice d’hiver
25
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
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.
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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
Cf. Energy Conscious Design
Remarque
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
Représenter les trajectoires solaires
30
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
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
Exemple de diagramme solaire
avec photo-montage
„
Place de Philippeville, Grenoble (BazarUrbain 2007)
33
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
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° à 90°) 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
Conditions spatiotemporelles et
météorologiques
Durée d’insolation
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
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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
Éclairage diffus
« Dame écrivant une lettre avec sa
servante »
Vermeer
Climat et contexte : le ciel
Influence de la couche nuageuse
En été, par ciel serein, l’éclairement horizontal au niveau
de la mer atteint 100 000 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
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 :
E int
Fj =
×100
Eext
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
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
FJRE
FJD
Eext.
FJRI
Eint.
42
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.
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Importance de FJ Réfléchi
Prises de jour verticales
une idée fausse
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
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Facteur de lumière du jour et fonctions des
bâtiments
Ordre de grandeur
Type d’espace
cathédrale
Réalisez que ce pourcentage est faible …
0,5% de 5000lx = 25lx … éclairage d’une rue
piétonne alors qu’un bureau attend 400 lx
Fj (%)
0,5
Bureau éloigné d’une
fenêtre
0,5 à 1
Bureau proche d’une
fenêtre
3à6
Musée de peinture
Hall de gare XIXe siècle
0,6 à 1,8
10
Patio vitré
10 à 20
Paroi verticale (extérieur)
30 à 50
Surface en toiture
(extérieur)
100
45
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 %)
20
15
10
5
2
0,5
1
5
3
4
2
hauteur du plan de mesure
6
Distance
(en m)
Allure de la décroissance du facteur de lumière du jour
dans un local éclairé par une seule baie verticale
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Facteur de lumière du jour - valeurs typiques
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