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Flat Beam : un nouveau conceptd’éclairage routierfondé sur la luminanceet la visibilitéLe sujet traité dans cet article a fait l’objet d’une présentation orale

à la conférence Lux Europa à Berlin en 2005.

Le système « Flat Beam » (faisceau plat) est un système d’éclairage

routier utilisant des lampes à iodures métalliques à brûleur en

céramique qui est conçu pour produire une distribution lumineuse

permettant d’installer les luminaires à hauteur très faible (0,9 m

du sol), sous la ligne horizontale du regard des conducteurs dans

la plupart des véhicules. Cette position conduit à respecter une

limitation drastique de l’éblouissement à l’horizontale et au-dessus de

la ligne des foyers, qui est assurée par un système optique optimisé.

Le système est volontairement non

complètement défilé de façon à jouer

aussi le rôle de balisage.

L’ÉCLAIRAGE fixe classique, utilisant des luminaires placés à unehauteur de 6 m à 12 m, voire plus, constitue la majorité des instal-lations d’éclairage public urbain ou routier. Cependant, il y a des cas

où ce système d’éclairage, utilisant comme support des mâts ou desappliques sur façades, ne peut pas être retenu pour différentes raisons :• inaccessibilité des lampes et des luminaires ;• conditions météorologiques extrêmes (vent) ;• fragilité des structures porteuses ;• difficulté de maintenance ;• proximité d’aéroports ou autres servitudes ;• forte limitation de la lumière indésirable ;• raisons économiques, économies d’énergie.Dans ces conditions, des luminaires placés à très faible hauteur,installés sans mâts sur des potelets, par exemple, constituent une solu-tion alternative crédible et acceptable seulement s’ils permettent d’at-

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JACQUES LECOCQJEAN-PAUL RAMI

teindre les exigences d’éclairage, particulièrement le niveau et l’unifor-mité de luminance et surtout la limitation de l’éblouissement.Le concept de « Flat Beam » décrit par la suite est le résultat d’unerecherche visant à améliorer l’efficacité optique des luminaires. Enmême temps, le principe d’éclairage en incidence rasante sur la surfacede la route impose la connaissance des caractéristiques de luminancepour les fortes valeurs de « tangente Gamma » qui est l’entrée corres-pondante, des tableaux « r » de coefficients de luminance réduits défi-nissant la réflexion des revêtements routiers.A l’heure actuelle, ces informations ne sont pas disponibles, pas plusdans les publications de la CIE que dans les autres revues d’éclairageou même dans la littérature scientifique traitant des projecteurs d’auto-mobiles, qui pourtant devraient s’astreindre à déterminer la luminancede la route qu’ils procurent aux conducteurs.

Description du système d’éclairage « Flat Beam » La manière la plus simple pour expliquer son principe est de lecomparer à une installation classique d’éclairage routier pour précisersur quels points le présent système en diffère (voir figure 1). Lesexigences communes sont les besoins visuels des conducteurs pourdes raisons de sécurité :• visibilité d’obstacles potentiels sur la chaussée et ses abords immé-diats de façon à anticiper les situations anormales impliquant les autresusagers ou les piétons ;• guidage visuel définissant sans ambiguïté la chaussée sur laquelle oncircule, ses limites et son encombrement, ce qui constitue la tâcheprincipale de conduite.

Ainsi, la largeur complète de la chaussée et ses limites doivent être clai-rement perçues à tout moment, que la vitesse soit modérée ou relative-ment rapide. Ce qui est nouveau avec le système « Flat Beam », c’est latrès faible hauteur d’installation des luminaires envisagés, qui suppose :• la limitation drastique de l’éblouissement en provenance des lumi-naires dans la mesure où ces derniers sont présents dans le champvisuel des conducteurs et assez proches de leur axe de vision ;• l’évaluation de la luminance de la chaussée, qui n’est pas possible avecles caractéristiques classiques de propriétés réfléchissantes disponibles dansles tableaux de coefficients de luminance réduits standardisés par la CIE.

8 à 15 m

Luminaire Structureporteuse

0,9 m45°

85,3°

environ 10 m

Vitragehabitacle

Figure 1. Eclairage par le système « Flat Beam » : de quoi s’agit-il ?

tions tout simplement parce que la valeur maximale du faisceau réfléchi estsensiblement dans la direction du regard. C’est ce qui apparaît de façon trèsschématique dans la figure 3 où, pour simplifier, le plan vertical d’incidencede la lumière est confondu avec le plan vertical de réflexion. Cela étant, lecomportement en des points de la chaussée situés entre l’observateur et lesluminaires dans des plans intermédiaires bénéficie aussi de cet avantagepar rapport aux solutions classiques, du fait que les luminaires à très faiblehauteur sont angulairement plus proches de l’axe de vision. Si, de plus, les intensités lumineuses dans ces directions sont supé-rieures à celles d’une installation classique utilisant des luminairesfonctionnels, il existe une sorte de facteur d’amplification qui fait quela luminance L2 est supérieure à L1 dans une direction donnée.Cependant, le fait que l’intensité lumineuse I2 soit supérieure à I1 neconduit pas à l’augmentation de l’éblouissement dans la mesure où ladistribution lumineuse peut être réduite brusquement pour devenirpratiquement nulle dans le plan horizontal des luminaires du système« Flat Beam » installés sous l’axe horizontal de vision. Ainsi l’angle γ2 peut atteindre 88° par rapport à la verticale tandis quel’angle γ1 ne doit pas dépasser 85°. Ces 3 degrés angulaires suffisent àfaire réellement la différence et, en l’occurrence, à accroître la luminancequi produit nécessairement de meilleures conditions pour détecter descibles solides et, de fait, une meilleure visibilité des obstacles potentiels. Evidemment, pour atteindre pratiquement ce qui pouvait sembler uneélucubration théorique, nous avons été confrontés aux besoins visuelsparmi lesquels la limitation de l’éblouissement a été la priorité absolue. Unautre impératif était de vérifier si ce qui a trait à l’espacement des lumi-naires et à la vitesse du véhicule pouvait ou non révéler l’effet de clignote-ment, sorte de phénomène stroboscopique déjà étudié dans l’éclairage destunnels routiers. Enfin, si le niveau de luminance peut être atteint assezaisément sur la chaussée (il dépend cependant de la nature du revêtementroutier, de Qo en particulier), la distribution des luminances, quant à elle,dépend essentiellement de la répartition lumineuse des luminaires.Le contrôle de ces facteurs « in situ » a été l’étape suivante de notrerecherche appliquée. Une fois la meilleure distribution lumineuse déter-minée, nous avons conçu et fabriqué le système optique correspondantet dix luminaires prototypes. Ils ont été installés en implantation unila-térale sur notre route d’essai aux Andelys, qui avait elle-même étémesurée au préalable (à savoir définie pour toutes les valeurs des coef-ficients de luminance réduits « r » pour tan γ variant de 0 jusqu’à 20quel que soit l’angle d’azimut ‚ des tableaux classiques).Ainsi le calcul des luminances était possible et nous décidâmes demesurer les luminances sur site pour boucler les estimations théoriques.Le contrôle des luminances de la chaussée a été complété par cellesdes luminaires et même, à titre de référence supplémentaire, à cellesdes projecteurs d’une automobile en feux de croisement. La scènecomplète a été mesurée grâce à un luminancemètre « LMK mobile »

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Pour compléter ce dernier point, il faut savoir qu’il existe véritablement unmanque dans les tableaux pour les valeurs possibles de tan γ. Plus préci-sément, cela signifie que l’éclairage produit par les projecteurs automobiles,aussi bien que tous les systèmes produisant des intensités lumineuses à unangle très élevé par rapport à la normale à la surface (incidence rasante),n’ont jamais été testés en luminance dans des projets du fait que les valeursde tan γ sont limitées à 12 dans la direction de la réflexion régulière de lalumière émise par les luminaires vers l’observateur et à 5 dans celle de larétro-réflexion et de la réflexion transversale à la chaussée. Cela n’est passeulement dû à un simple manque de mesures dans des directions nonusuelles mais plutôt à l’impossibilité d’obtenir ces mesures à l’aide d’unréflectomètre dans un laboratoire à partir d’échantillons de surface routière.Sur site, quelques difficultés subsistent aussi pour définir ces valeurs parti-culières de coefficients de luminance réduits « r » à chaque fois que le lumi-nancemètre se situe en alignement avec l’illuminant, lui-même au-delà dela zone ponctuelle mesurée. Cependant, nous avons réussi à mesurer notreroute d’essai aux Andelys moyennant quelques astuces.De plus, nous avons envisagé une méthode d’évaluation des valeursde « r » sur site à l’aide d’un photoluminancemètre numérique.

Caractéristiques de l’éclairage en incidence rasante du « Flat Beam »Dès que les valeurs de « r » sont disponibles pour des valeurs de tan γsupérieures à 5 ou 12 et étendues jusqu’à 20, les calculs de luminanceaux angles correspondants deviennent possibles et il est donc égale-ment possible d’optimiser la distribution lumineuse théorique recher-chée pour les luminaires.A cette étape du projet, nous avions en tête l’objectif d’éclairer toute la largeurde la chaussée (jusqu’à 10 m) à partir d’une installation unilatérale à hauteurmaximale de feu de 0,9 m pour s’assurer qu’aucune lumière intrusive directen’atteigne l’intérieur de l’habitacle des voitures (pour ce faire, tous les lumi-naires doivent se trouver en dessous de la partie inférieure des vitrages de laplupart des voitures). En même temps, nous comptions sur une distributionlumineuse performante permettant un espacement des luminaires consécu-tifs de 10 m à 15 m. La faisabilité optique a été fondée sur les petites dimen-sions des brûleurs des lampes à iodures métalliques « céramique » (35 W ou70 W), qui conduisent à la création de systèmes optiques très efficaces,offrant une distribution lumineuse suffisamment intensive.Pour ceux qui sont familiarisés avec les paramètres habituels d’un éclai-rage routier, précisons que nous avons donc accru le rapport espace-ment/hauteur de feu d’une amplitude classique de 2 à 5 pour atteindreune amplitude de 10 à 18 ! Parallèlement, le rapport entre la largeur dechaussée éclairée et la hauteur de feu a aussi crû d’une valeur compriseentre 0,8 et 1,2 (usuellement) pour atteindre 8 à 13 avec le nouveausystème d’éclairage (voir figure 2).Il s’agit d’un véritable défi que nous avons lancé sans obérer les exigencesd’éclairage. Un phénomène qui a joué en notre faveur est le comportementd’un revêtement de chaussée quand il est éclairé à incidence rasante : c’estune propriété générale que nous avons redécouverte. Dans le cas de laréflexion régulière, les intensités lumineuses sont réfléchies vers les yeux duconducteur créant des luminances plus élevées que dans d’autres direc-

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Espacement

EspacementLargeur

Largeur

2 h à 5 h0,8 h à 1,2 h

10 h à 18 h8 h à 13 h

h

h

Figure 2. Comparaison des rapports espacement/hauteur et largeur de voie/hauteur

γ1

γ2

γ2 < 85°

α = 1°

α = 1°

γ2 < 88°

Rayon lumineux incident

Rayon lumineux réfléchi

INSTALLATION CLASSIQUE

INCIDENCE RASANTE

NOUVEAU CONCEPT

INSTALLATIONCLASSIQUE

Ligne de déplacement des yeux de l’observateur

Ligne de déplacement des yeux de l’observateur

Intensité I1

Luminance L1

Zone de réflexion

Observateur(véhicule)

Observateur(véhicule)

I2 > I1L2 > L1

Figure 3. Caractérisation de la réflexion de la chaussée

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qui donne rapidement sur deux photographies numériques les deuxéchelles de mesure nécessaires pour éviter la saturation des pixels dueaux fortes luminances des feux de croisement. Nous avons donc prisune photo pour relever les luminances de la chaussée dont la moyenneest de l’ordre de 1,5 cd/m2 et une autre photo comportant les feux decroisement relativement éblouissants du véhicule et les luminaires.

La figure 4 montre que la luminance provenant du luminaire n° 2 vaut227 cd/m2 en moyenne pour une valeur maximale de 3 507 cd/m2

tandis que le luminaire n° 1, non correctement réglé, conduit à unevaleur moyenne de 444 cd/m2 et une valeur maximale de9 879 cd/m2. Mais, sur le même document, les feux de croisement dela voiture neuve (et donc réglés correctement) montrent une moyennede 4 521 cd/m2 et une valeur maximale de 46 770 cd/m2 !Au cours du premier relevé sur la route d’essai, nous avons demandéleur impression à plusieurs conducteurs empruntant le tronçon dechaussée quant à l’effet de clignotement à vitesse relativement lente(60 km/h). L’espacement était fondé sur la théorie de la CIE concernantl’effet « flicker » en relation avec la vitesse de déplacement (comme onpeut le voir sur la figure 5 en fonction de l’espacement entre luminaires).Nous n’avons pas relevé de fréquence critique mais, bien sûr, des expé-riences sur des sections de routes nettement plus longues, supposantun temps de conduite plus important, sont nécessaires pour s’assurerque la théorie dont nous respectons les limites s’applique avec un degréde « confort » acceptable en situation réelle sur des sections de routeséclairées en continu sur de longues distances...

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CARTOGRAPHIE DE LUMINANCES

LuminairesFeux de croisement

Figure 4. Limitation de l’éblouissement.

La conclusion de ce premier essai était très prometteuse mais noussommes revenus en arrière par un processus en boucle pour finalementoptimiser la distribution lumineuse souhaitée comme juste compromisentre l’uniformité de luminance de la chaussée et la limitation drastiquede l’éblouissement.Le résultat de ce processus a été utilisé dans la comparaison suivanted’une installation classique destinée à l’éclairage routier d’un pont et lasolution « Flat Beam » correspondante.

Exemple comparatif d’éclairage d’un pontLes résultats donnés dans l’exemple de projet de la figure 7 traitent de lavisibilité sur le même revêtement routier (R2 – Qo = 0,084) qui a étémesuré sur des échantillons au laboratoire du LRPC de Clermont-Ferrandet spécialement sur site pour couvrir les fortes valeurs de tan γ.Comme on peut le voir, des lampes CDM T 35 W permettent d’atteindreavec la solution « Flat Beam » pour un espacement de 10 m ce qu’onobtient avec des lampes CDM TT 150 W pour un espacement de 20 met une hauteur de 7 m dans une installation classique.Pour un niveau comparable de luminance, il apparaît dans le tableau 1que l’indice TI, limité correctement dans les deux cas, est très faibledans le cas du « Flat Beam » et donc nettement moins gênant.En ce qui concerne la visibilité, la valeur absolue requise : VL = 7 n’estobtenue que dans la solution « Flat Beam », confirmant ainsi notreintuition que l’incidence rasante de la lumière non seulement révèlemieux les obstacles mais aussi les irrégularités de la chaussée (nids depoule, par exemple). Le tableau 1 montre clairement les nombreux avantages du concept« Flat Beam » quand il n’est question que d’éclairage routier, c’est-à-direquand la présence des piétons est exceptionnelle. On peut noter, aupassage, que la limitation de la lumière indésirable, traduite par UFR**,dénote une faible contribution au halo nocturne. Mais l’étalement de lalumière perdue aux alentours de la chaussée est également moindredans le cas du système « Flat Beam ». Enfin, il est intéressant depréciser que la notion d’éclairement horizontal n’est pas significativepour juger l’adéquation d’une solution utilisant la lumière rasante.

ConclusionDe cet article, dont la théorie a été contrôlée sur site, nous pouvons tirerles points positifs suivants :• Economie : pas de mâts ; économie d’énergie ; maintenance aisée.• Environnement : facteur d’utilisation élevé ; contribution limitée au

Fréquence de battement en fonction de la vitesse

Vitesse (km/h)

Fréq

uenc

e (H

z)

Figure 5. Fréquence de clignotement en fonction de la vitesse du véhicule

Tableau 1: comparaison d’installations unilatérales.

RECOMM. PROJET ÉCLAIRAGE RATIOAFE CLASSIQUE RASANT c/r

Implantation Quinconce Unilatérale

Hauteur (m) 5,5 0,9 6

Espacement (m) 20 10 2

Luminance moyenne 1,5 2 1,7 1,18à maintenir* (cd/m2)

Uniformité générale 0,4 0,4 0,5Uo = Lmin/Lmoy

Uniformité 0,7 0,7 0,75longitudinale (min) UI

Éblouissement 10 18 5 3,6d’incapacité TI (%)

UFR (contribution 7 2,86 2,5halo lumineux)**

Consommation (W/ml) 7,5 3,5 2,14

* Facteurs de maintenance = 0,8** Voir le Guide 2006 de l’AFE : Les nuisances dues à la lumière.

Éclairage public etdépenses énergétiquesCe document traite tour à tour de deux problèmes qui concernent

l’optimisation des dépenses

énergétiques dans les installations

d’éclairage public.

• 1er problème A partir des paramètres d’efficacité photométrique qui caractérisentchaque installation d’éclairage extérieur et des limites à l’intérieurdesquelles évolue le critère d’efficacité énergétique exprimé en wattspar mètre carré de surface éclairée, est-il possible d’envisager une clas-sification énergétique des installations d’éclairage public ?• 2e problèmeLors des opérations de modernisation des installations d’éclairage publicexistantes en vue de réduire les dépenses énergétiques sans porteratteinte aux performances photométriques exigées, quelle est la métho-dologie à appliquer et quelles sont les « fausses bonnes solutions » ?

Valeurs aux limites de l’énergie électrique consommée par unité de surface principaleéclairée en éclairage publicEn partant de l’expression Flux reçu = facteur d’utilisation (u)

Flux émis

on peut écrire : E x S = u (1)Fla x N x M

E étant l’éclairement moyen prescrit en lux de la surface éclairéeS la surface principale éclairée en m2

Fla le flux nominal d’une lampe en lumensN le nombre de lampes éclairant la surface SDésignons par :• Fl : le produit Fla x N qui représente le flux total émis• M : le facteur de maintenance de l’installation

• L : la luminance moyenne de la surface éclairée

• : le rapport E fonction de la nature du revêtement éclairé et de laL

répartition du flux lumineux des luminaires• fe : l’efficacité en lumens par watts de l’ensemble lampes plus auxiliaires

d’alimentation fe = Fl

W• W : puissance en watts des lampes plus les auxiliaires électriques

On peut écrire : à partir de l’équation Fl = E.S (2)u.M

W.fe = E.Su.M

1. Pour un projet en éclairement : la puissance consommée en watts est :

W = E x S (3)u x M x fe

2. Pour un projet en luminance : l’expression de la puissance consomméedevient :

Sachant que = E c'est-à-dire E = x L

d’où l’équation : W = K x L x S (4)u x M x fe

Puissance électrique consommée par m2 de surface éclairéeA partir des équations (3 et 4), elle est exprimée pour les deux typesd’installations : • éclairage fonctionnel urbain ou routier sur deux revêtements diffé-rents R1 et R3.• éclairage d’ambiance urbaine.

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halo nocturne ; contribution limitée à la lumière indésirable au-delà dela surface éclairée. • Niveau de performance de la solution d’éclairage : – respect du niveau et de l’uniformité de luminance requis ;– confort visuel : la limitation de l’éblouissement conduit à une bonneperformance visuelle (très important pour les personnes âgées) ;– visibilité : l’incidence rasante de la lumière révèle les obstacles et lesirrégularités éventuelles de la chaussée ;– guidage visuel et optique (exigences d’éclairage assurées et, par consé-quent, visibilité sur la route et conjointement lisibilité de l’itinéraire).• Innovation : concept d’éclairage routier original.Comme on l’a montré en introduction, ce système a un certain nombred’applications préférentielles mais n’est pas destiné à l’éclairage urbainen présence de piétons. Cependant, une combinaison de ce typed’éclairage avec l’éclairage d’ambiance aux abords immédiats peut être

envisagée. L’utilisation des lampes à iodures métalliques à brûleur encéramique, aux propriétés de couleurs avantageuses que l’on connaît,permet l’association intéressante de ces deux types d’éclairage pourcréer une ambiance confortable. �

Exemple d’éclairage par le système « Flat Beam » précédant une installation classique utilisant des lampes SHP.

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CHRISTIAN REMANDEEXPERT AFE

ET SYNDICAT DE L’ÉCLAIRAGE

Tableau 1. Expression des limites mini et maxi des valeurs prises par les différents paramètres u, M, fe

PARAMETRES E C L A I R A G E P U B L I CFonctionnel Ambiance

Facteur d’utilisation (u) 0,3 ≤ u ≤ 0,5 0,18 ≤ u ≤ 0,30

Facteur de maintenance (M) 0,44 ≤ M ≤ 0,88* 0,44≤ M ≤ 0,88*

Efficacité (lampe + auxiliaire) fe = Fla 48,5 ≤ fe ≤ 99 ** 48,5 ≤ fe ≤ 99 **W

Produit des 3 paramètres 6,4 ≤ u.M.fe ≤ 43,6 3,6 ≤ u .M.fe ≤ 24

* Voir recommandations AFE éclairage extérieur – Chapitre 12** Voir documents des constructeurs lampes et auxiliaires – Voir tableau 3

L

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1. En éclairage public fonctionnelPour une luminance moyenne chaussée de 1 cdm–2

• Sur revêtement béton R1 Q0 = 0,10• Sur enrobé sombre R3 Q0 = 0,072. En éclairage d’ambiance pour un éclairement moyen de 12 luxCet éclairement correspond d’ailleurs à une luminance moyennecomprise entre 0,5 et 1 cd.m–2.

ConstatEn fonction :• de la nature de l’éclairage (fonctionnel ou ambiance),• du type de revêtement (R1 R2 R3…),• du résultat exprimé en éclairement ou en luminance,• du facteur d’utilisation de l’installation et du luminaire,• du facteur de maintenance,• de l’efficacité fe en lm.W–1 de l’ensemble lampe auxiliaire,on constate que la puissance électrique consommée en watts par mètrecarré de surface principale éclairée en extérieur peut varier entre :

0,23 ≤ W.m–2 ≤ 3,3

C’est-à-dire dans le rapport extrême de 1 à 14 entre les différentesinstallations pour une même luminance de 1 cd.m–2, en éclairage fonc-tionnel, ou un éclairement de 12 lux en éclairage d’ambiance.Il est par conséquent illusoire de prétendre pouvoir imposer unevaleur standard de puissance consommée par unité de surface dansun projet ou dans un cahier des charges.D’ailleurs, il ne faut pas oublier qu’en éclairage urbain, outre le fait queles deux types d’éclairage (fonctionnel et ambiance) existent danschaque ville, souvent ils sont employés simultanément.De même, les hauteurs de feu, les espacements, les avancées quidoivent répondre à d’autres impératifs en urbain que celui de l’optimi-sation photométrique, peuvent influencer plus ou moins le facteurd’utilisation de l’installation même en présence de luminaires trèsperformants.

ConclusionEn éclairage extérieur, seules les études photométriquespeuvent, cas par cas, permettre d’exprimer l’efficacitéénergétique de l’installation et la justifier – sans classi-fication possible (A, B, C, etc.) comme en électromé-nager par exemple.Le tableau 2 précédent, en donnant les limites mini-males et maximales de la puissance électriqueconsommée par mètre carré de surface éclairée, montredes différences considérables en fonction des différentescaractéristiques d’installations.Il est à noter que de nombreuses installations existantesde moins de 10 ans ont une puissance électrique parmètre carré de surface éclairée comprise entre 0,6 et2 W.m–2 pour un éclairement requis de 14 lux, c'est-à-

dire ± 1 cd.m–2 sur revêtement de type R2, ce qui ne permet pas de quali-fier et classer les installations en fonction de leur puissance énergétique oud’une référence à une puissance énergétique standard.

Modernisation des installations d’éclairage public existantesJusqu’à présent, la durée de fonctionnement des installations est del’ordre de trente ans puisque le parc éclairage public ne se renouvellequ’au rythme de ± 3 % par an.Or l’accélération des améliorations techniques de ces quinze dernièresannées d’une part, et la nécessité d’engranger des économies d’énergieélectrique d’autre part, afin de satisfaire simultanément aux critères :• de développement durable (environnementaux, économiques, sociaux),• de réduction des nuisances dues à la lumière,doivent permettre aux maîtres d’ouvrages de justifier les prioritésbudgétaires qu’il devient nécessaire de programmer pour la modernisa-tion des installations existantes en fonction des performances diversesde chaque installation en service.Performances qui s’expriment en termes de :• performances photométriques nécessaires et suffisantes pour « éclairerjuste » ;• performances énergétiques ;• performances de coût d’amortissement ;• performances de coût de maintenance.C’est en fonction du degré de qualité de chacune de ces performancesque la modernisation d’une installation, pour être efficace et rentable,peut s’opérer suivant l’un des 5 principes suivants :1. changement uniquement de lampes (par des lampes de substitution) ;2. changement lampe + auxiliaires électriques (par des ensembles deplus grande efficacité énergétique) ;3. changement lampe + auxiliaires + luminaires (par des luminaireshermétiques plus performants) ;4. changement lampe + auxiliaires + luminaires + supports luminaires ;5. installation neuve de remplacement avec redéfinition des hauteursde feu et des espacements, des inclinaisons et des composants méca-niques, photométriques et électriques.

Critères de choix entre les trois premiers principesLes calculs suivants ne prennent pas en considération les 4e et 5e principesprécédents car : • le 4e principe correspond à des installations dans lesquelles lescandélabres seraient à changer sans que la ligne d’alimentation ne soitobsolète, ce qui est très rare ;• le 5e principe dans lequel l’installation est refaite en totalité depuis le posterelève de travaux neufs et non de maintenance d’installations existantes.

Tableau 2. Puissance électrique consommée par m2 de surface éclairée

EN FONCTIONNEL EN AMBIANCEPour une luminance Pour un éclairement moyen

de 1 cdm–2 de 12 lux

REVÊTEMENT W = x 1 x 1 W = 12 x 1u.M.Fe u.M.Fe

BÉTON 10 ≤ W.m ≤ 10 10 ≤ W.m ≤ 10R1 Q0 = 0,1 43,6 6,4 24 3,6

= 10 0,23 ≤ W.m ≤ 1,56 0,5 ≤ W.m ≤ 3,3

ENROBE 16 ≤ W.m ≤ 16R3 Q0 = 0,07 43,6 6,4

= 16 0,37 ≤ W.m ≤ 2,5

Tableau 3

LAMPE Puissance Flux Puissance lampe (fe) efficacitélampe lampe + auxiliaire électrique lm.W–1

W lm

Ballon fluo mercure 125 W 125 6 800 125 + 15 = 140 W 48,5Ballon fluo mercure 250 W 250 12 700 250 + 19 = 269 W 47,2Ballon sodium substitution 110 W 112 10 400 112 + 15 = 127 W 81,9Ballon sodium substitution 220 W 220 20 000 220 + 19 = 239 W 83,6SHP tubulaire 70 W 70 6 600 70 + 11 = 81 W 81,5SHP tubulaire 100 W 100 10 500 100 + 15 = 115 W 91,3SHP tubulaire 150 W 150 16 500 150 + 17 = 167 W 98,8SHP ballon 70 W 70 6 000 70 + 11 = 81 W 74SHP ballon 100 W 100 10 000 100 + 15 = 115 W 87SHP ballon 150 W 150 16 000 150 + 17 = 167 W 96

Performances utilisées dans l’étude1. Lampes (voir le tableau 3 page 67)(Les valeurs prises en compte ont été relevées dans le catalogue Philips)Notes• Seules les lampes les plus courantes ont été analysées dans le cadrede l’étude.• Seules les lampes sodium HP ont été considérées dans la modernisationdes installations car ce sont celles qui, en 2006, ont la plus grande efficacitéet la plus longue durée de vie. Bien entendu des performances approchantesseraient obtenues avec les lampes iodures métalliques correspondantes.• Les appareillages auxiliaires pris en compte sont les appareillages ferro-magnétiques dont les valeurs de pertes catalogue sont sensiblement iden-tiques à celles des appareillages électroniques dans ces types de puissance(voir doc. Philips), les avantages particuliers des appareillages électroniqueset les économies d’énergie qui en résultent relèvent des possibilités de régu-lation et de variation de puissance des installations lorsque ces réductionssont compatibles avec les taches visuelles à accomplir.

2. LuminancesL’étude suivante exprime les variations de l’éclairement (en lux) et de lapuissance électrique consommée en watts dans chacun des troispremiers cas possibles de modernisation cités précédemment.L’évolution du niveau de luminance moyenne doit prendre en comptela meilleure efficacité en lux par cd.m–2 des optiques nouvelles équi-pées de lampes tubulaires.Pour en exprimer l’estimation, considérons les hypothèses réalistessuivantes :1. Avec des lampes ballons poudrées : sur revêtements R2 et R3 Q0 =0,07 on obtient généralement avec les optiques plus anciennes 14 à18 lux par candela par mètre carré.2. Avec des lampes tubulaires sur les mêmes revêtements et desoptiques modernes on obtient 12 à 14 lux par cd.m–2.Par conséquent, on peut estimer que si L et E sont respectivement lesluminances et éclairements de l’installation neuve initiale et L’ et E’ lesvaleurs de l’installation rénovée, on aura (avec des luminaires completsde nouvelle génération) :

Objectifs à atteindre par la modernisationIls sont divers en fonction de l’état de l’installation existante et del’avancement de son amortissement dans le temps.Les objectifs peuvent être :1. Mettre l’installation en conformité photométrique avec la norme euro-péenne NF EN 13 201-2, c'est-à-dire augmenter voire réduire les niveauxd’éclairement ou de luminance en optimisant l’énergie consommée.2. Conserver les performances acquises en réalisant le maximumd’économies d’énergie.3. Améliorer les performances photométriques et réduire simultané-ment les consommations d’énergie.4. Rénover une installation dont l’investissement est amorti.5. Réduire les coûts d’exploitation (maintenance plus énergie).Dans tous les cas, les investissements à réaliser doivent être amortis-sables sur une durée au plus égale à celle de la durée de vie des inves-tissements engagés par la rénovation.

ApplicationsIl reste en France de l’ordre de 40 % d’installations réalisées en ballonsfluorescents vapeur de mercure. La majorité de ces voies sont équipéesde lampes ballons fluorescents vapeur de mercure 125 et 250 W.Pour ces deux types de lampes, l’étude suivante envisage les trois modes derénovation 1), 2), 3) cités précédemment et donne en % dans chaque casl’évolution de l’éclairement de la luminance et de la puissance consomméeen watts par mètre carré en fonction du niveau moyen d’éclairement.Le tableau 1 traite des remplacements de ballons fluo 125 W et 250 Wdans des luminaires ouverts et fermés dans les principes 1 et 2 suivants :1. Changement par des lampes de substitution SHP.2. Changement par des lampes SHP ballons avec leurs auxiliaires élec-triques.Le tableau 2 traite du remplacement de ballons fluo 125 W ouverts etfermés et de ballons 250 W fermés, par de nouveaux luminaires IP66avec lampes SHP tubulaires et leurs auxiliaires (principe 3).Le tableau 3 récapitule les résultats des installations 125 W ballonsfluo à rénover.Le tableau 4 récapitule les résultats des installations 250 W ballonsfluo à rénover.Les quatre tableaux expriment en % l’influence de chaque type de réno-vation sur : les luminances moyennes comparatives ; les éclairementsmoyens ; la réduction des puissances électriques consommées par m2

de surface éclairée.

Conclusions1. Le simple remplacement des ballons fluorescents 125 W et 250 W pardes lampes sodium HP ballons de substitution 110 W et 220 W est nonseulement la moins bonne solution énergétique (gain de 10 à 11 %) maiselle prolonge la vie de luminaires techniquement dépassés en aggravant leretard de renouvellement du parc et, par conséquent, le retard à l’obtentionde la réduction optimale de l’énergie consommée dans les années à venir.Elle impose des éclairements en hausse de 53 à 57 % qui ne sontvalables que si l’installation existante est déficitaire en éclairement dumême ordre de grandeur. 2. Le remplacement des ballons fluorescents 125 W et 250 W pardes ballons sodium HP 70 W – 100 W – 150 W avec leur nouvelleplatine d’alimentation dans les luminaires existants ouverts serait uneerreur technique et économique, car les luminaires ouverts sont à pros-crire, compte tenu de la puissance électrique qu’il faut envisager pourqu’ils puissent garder les performances photométriques exigées entredeux phases d’entretien (facteur de maintenance 0,44 à 8 000 heuresde fonctionnement – voir recommandations AFE, chapitre 12).S’il s’agit de luminaires fermés IP55, les gains, soit énergétiques, soitphotométriques, sont satisfaisants, mais là encore, il s’agit de conserverun luminaire déprécié et d’y investir une dépense très importante enmain-d’œuvre (remplacement de platine, de câblage, de douille etsupport douille éventuel in situ sur véhicule nacelle), sans aucunegarantie de fiabilité et en se privant des économies importantesd’énergie procurées par les optiques modernes et les lampes tubulairesSHP ou iodures métalliques.Dans les cas 1 et 2, le rapport lux par cd.m–2 reste inchangé. Il faut noterdans la solution 2 que seule la lampe 100 W SHP ballon peut remplacerla 125 W ballon fluo en améliorant à la fois l’éclairement et la consom-mation électrique, et de même que seule la lampe 150 W SHP ballonpeut réaliser des résultats semblables en remplaçant des 250 W ballonsfluo. Par contre, le remplacement du 125 W ballon par du 100 W SHPnécessite un problématique remplacement de douille E27 par des E40.Globalement, cette solution est déconseillée.

3. Remplacement des luminaires existants par des luminaires completsC’est la seule solution efficace à condition que les luminaires deremplacement soient :• d’indice de protection IP66 (compartiment optique),

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L = E et L’ = E’ 16 13

16 = 14 + 18 = Rapport moyen existant2

13 = 12 + 14 = Rapport moyen rénové2

d’où L’ = 16 E’ = 1,23 E’L 13 E E

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Tableau 1. 1er et 2e principes de rénovation

Tableau 2. 3e principe de rénovation

** Voir tableau 3

*E – E’ : niveaux moyens d’éclairement requis en lux de l’installtion existante et de l’installation rénovéeW et W’ : voir tableau 1 - Puissance lampe plus auxiliaires électriques ; l’équation donnant les éclairements E et E’ est donnée page 68.

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• pourvus d’optiques pour lampes tubulaires,• avoir des systèmes de réglage optique adaptables à l’implantationimposée en rénovation d’installation 125 W ou 250 W ballon fluo.Le gain peut être de 42 % à 57 % alors que, simultanément, le gainen luminance moyenne est de 289 % à 170 %. Dans tous les casd’économie énergétique, le niveau moyen d’éclairement augmenteentre 39 % et 259 %.

4. Installations neuvesDes gains énergétiques supplémentaires sont possibles lorsque l’onpeut optimiser les luminaires, les lampes, les hauteurs de feu, les incli-naisons, les espacements ; cela doit être envisagé lorsque les lignesd’alimentation sont dangereuses et que les candélabres sont tropdégradés ou trop anciens.

5. Régulation – Variation de puissanceLorsqu’une installation est optimisée photométriquement et énergéti-quement, il est intéressant alors :• de la réguler pour supprimer les surtensions génératrices de consommationd’énergie ;• de faire varier la puissance électrique consommée aux différentesheures de la nuit, en fonction des types de voies et des tâches visuelles

à accomplir à ces différentes heures, pour maintenir une sécurité objec-tive et subjective maximale.Cela est possible à partir de luminaires IP66 neufs équipés de ballastsélectroniques. Le gain énergétique ne provient pas particulièrement desréductions de perte dans les ballasts mais de la régulation de tensionet de la variation de puissance lorsqu’elle est photométriquementpossible – auxquelles il faut ajouter la réduction des pertes en ligne(1,75 à 3,5 %) dues à des cos ϕ maintenus très élevés dans le tempsavec ce type d’alimentation.

6. Nuisances dues à l’éclairage public (voir guide AFE 2006 : Lesnuisances lumineuses)Seuls les luminaires d’éclairage public de dernière génération, qu’ilssoient fonctionnels ou d’ambiance, peuvent prendre en compte cesnuisances et particulièrement celles qui alimentent le halo lumineuxdans le ciel nocturne.L’optimisation des facteurs d’utilisation et de maintenance concourt à lafois à la réduction des nuisances et de l’énergie consommée. C’est làune raison supplémentaire en faveur d’une rénovation portant sur desluminaires intégrant de nouvelles optiques, de nouvelles lampes et denouveaux auxiliaires électriques. �

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Tableau 3. Modernisation de l’éclairage public fonctionnel

Tableau 4