Eclairagisme : Eléments de base - OFPPT MAROC

Bernard PAULE - Janvier 2003 PSE-C EPFL, Tél. 021 693 83 03, Fax 021 693 86 29, email : [email protected]

Eclairagisme : Eléments de baseBernard PAULE, Arch. Dr ès Sciences techniques

"La lumière est là et les couleurs nous entourent. Néanmoins, si nous ne portions pas de lumière et de couleurs dans nos propres yeux, nous ne les percevrions pas en dehors".

Goethe

0 Bernard PAULE Espace et Lumière : Le projet d’éclairage

Bernard PAULE Espace et Lumière: Le projet d’éclairage 1

Avant-Propos

Ce document constitue une résumé non exhaustif des notions de base sur l’éclairage ayant été abordées lors du semestre d’hiver du cours «Espace et Lumière: le projet d’éclairage».

Une part importante des informations rassemblées ici s’appuient sur des ouvrages et documents élaborée par l’auteur dans le cadre du programme Energie 2000 (pro-grammes d’impulsion «RAVEL» et «DIANE» financés par la confédération).

L’auteur tient à remercier Laurent Michel pour sa collaboration à la rédaction du chapitre sur le confort visuel (document réalisé par Bernard PAULE et Laurent MICHEL dans le cadre du cours postgrade «Rénovation des bâtiments et énergie» organisé en 2002 par la HES-SO).

Couverture: Mount Angel Library, Alvar Aalto


Rappel de quelques bases théoriques


1.0 Rappel de quelques bases théoriques

1.1 La lumière: un rayonnement électromagnétique

Soleil et Energie. Le flux solaire est très important. Par temps clair en été, il peut atteindre 1000 watts par mètre carré (W/m2). Pour éviter les surchauffes estivales, il est donc nécessaire de prévoir des protections solaires.

Soleil et Lumière. Seule une partie du spectre du rayonnement solaire est visible (longueurs d'onde comprises entre 380 et 780 nanomètres [nm]; 1nm = 1 milliar-dième de m).

FIGURE 1. Représentation schématique du spectre de rayonnement électromagnétique en provenance du soleil reçu sur la terre.

• Les longueurs d'ondes les plus abondantes du spectre solaire sont émises dans cette «gamme» (cf. Figure 1).

• Les longueurs d'ondes supérieures à 780 nm constituent le rayonnement infra-rouge (IR).

• Les longueurs d'ondes inférieures à 380 nm constituent, quant à elles, le rayonne-ment ultra-violet (UV). Comparées au rayonnement solaire, les sources de lumière artificielle (notamment lampes à incandescence), émettent une plus grande part de leur rayonnement dans l'infra-rouge.



1.2 Les grandeurs photométriques

Les phénomènes lumineux sont objectivement mesurables et quantifiables, par le biais des grandeurs photométriques. Les principales grandeurs utiles pour le projet d’éclairage sont:

• Le flux lumineux• L’éclairement• L’intensité lumineuse• La luminance• Le facteur de réflexion

1.2.1 Flux lumineux (Unité: Lumen [Lm])

Le flux lumineux représente la quantité de lumière émise par unité de temps.

Le flux lumineux est l'une des caractéristiques des sources lumineuses données par les fabricants.

FIGURE 2. Représentation schématique du flux lumineux

Exemples:

• Une lampe à incandescence de 100 watts fournit un flux lumineux de 1200 lumens.

• Un tube fluorescent de 36 watts fournit un flux lumineux de 2350 lumens.



1.2.2 Intensité lumineuse (Unité: Candela [Cd] ou Lumen/Stéradian [lm/Sr])

L'intensité lumineuse est égale au flux lumineux émis par unité d'angle solide dans une direction donnée.

Les luminaires et les sources de lumière artificielles sont caractérisées par des indi-catrices d'intensité lumineuse. Celles-ci servent à décrire la distribution spatiale de la lumière, ce qui permet de connaître quelle quantité de lumière est émise par la source, dans chaque direction.

FIGURE 3. Représentation schématique de l'intensité lumineuse.

Exemples:

• L’intensité lumineuse d’une bougie est d’environ 1 candela.

FIGURE 4. Représentation schématique d’un indicatrice des intensités lumineuses.



1.2.3 Eclairement (Unité: Lux [Lx] ou Lumen/m2 [Lm/m2], 1 Lux = 1 Lumen/m2)

L'éclairement désigne le Flux lumineux reçu par unité de surface. Les exemples ci-après permettent de mieux comprendre la relation entre flux lumineux et éclaire-ment:

• Une surface d’1 m2 bénéficiant d’un éclairement uniforme de 100 lux reçoit un flux de: 100 lumens

(100 lumens / 1 m2 = 100 lm/m2 = 100 lux).

• Une surface de 10 cm2 bénéficiant d’un éclairement uniforme de 1000 lux reçoit un flux de: 1 lumen

(1000 lm.m-2 x 0.001 m2 = 1 lm).

• Une surface de 5 m2 recevant un flux de 2000 lumens bénéficie d ’un éclaire-ment moyen de: 400 lux

(2000 lumens / 5 m2 = 400 lm.m-2 = 400 lux).

FIGURE 5. Représentation schématique de l'éclairement

Exemples:

• Un éclairement compris entre 300 et 500 lux est suffisant pour lire et écrire.• Par nuit de pleine lune, le niveau d'éclairement est inférieur à 0,1 lux.• Par ciel couvert il varie entre 8'000 et 20'000 lux, selon la saison.• Par ciel serein (présence du soleil), il peut atteindre 100'000 lux.



Relation entre Eclairement et Intensité.

L’éclairement d’une surface dépend:

• de l’intensité lumineuse de la source,• de la distance à laquelle est située cette source,• de l’angle d’incidence des rayons lumineux.

Cette relation est caractérisée par l’équation suivante:

(EQ 1)

Avec:

• E = Eclairement• I = Intensité de la source lumineuse• θ = Angle d’incidence• d = distance de la source à la surface.

Ceci signifie, entre autre que

• Plus la distance de la source à la surface est grande, plus l’éclairement est faible.• Plus l’incidence est élevée, c’est à dire plus la lumière est rasante, plus l’éclaire-

ment est faible.

FIGURE 6. Représentation schématique de la distance à la source et de l’angle d’incidence.

Exemples:

• Une surface soumise à une source lumineuse située à 3m et dont l’intensité lumi-neuse dans la direction considérée est égale à 180 Cd, bénéficie d’un éclairement de 20 lux lorsque l’incidence des rayons est égale à 0° (surface perpendiculaire à la direction des rayons lumineux).

• Cette même surface bénéficie d’un éclairement de 13 lux si l’incidence des rayons est de 30°.

E I( θ )cos×

d2--------------------------=



1.2.4 Luminance (Unité: Candela/m2 [Cd/m2] ou Lumen/steradian·m2 [lm/Sr.m2])

La luminance d'un objet ou d'une source caractérise l'Intensité lumineuse émise par un élément de surface dans une direction donnée, rapportée à la surface apparente de cet élément relative à cette direction.

La luminance est la seule grandeur photométrique perçue par l’oeil humain. Elle correspond à la sensation visuelle de luminosité causée par la surface des objets pré-sents dans le champ visuel (objets éclairés).

La luminance d'un objet ne dépend pas seulement de la quantité de lumière reçue (éclairement), mais aussi de son pouvoir de réflexion (clarté) et de sa brillance.

FIGURE 7. Représentation schématique de la luminance

FIGURE 8. Exemple de valeurs de luminances relevées sur un poste de travail à l’écran.

Exemples:

• La luminance d’un tissus de feutre noir, même fortement éclairé, dépasse diffici-lement 10 Cd/m2.



• La luminance d’un écran informatique peut atteindre 200 Cd/m2.

• La luminance minimale perceptible par l’oeil humain est d’environ 10-5 Cd/m2.

TABLEAU 1. Valeurs indicatives de la luminance de quelques sources primaires.

Relation entre Eclairement et Luminance.

La luminance d’une surface dépend notamment:

• de l’éclairement reçu par cette surface,• du facteur de réflexion de cette surface (voir § 1.2.5, page 11).


(EQ 2)

Avec:

• L = Luminance• E = Eclairement• ρ = Facteur de réflexion de la surface (voir )


• Plus l’éclairement est élevé, plus la luminance est élevée.• Plus le facteur de réflexion de la surface est élevé, plus la luminance est élevée.

TABLEAU 2. Valeurs indicatives des luminances de quelques sources secondaires

Sources Primaires Luminance [Cd/m2]

Soleil 1’650’000’000

Lampe à incandescence 100W, claire 6’000’000

Lampe à incandescence 100W, dépolie 125’000

Tube fluorescent 40 W(38 mm) 5’000 - 8’000

Bougie 5’000

Sources secondaires Luminance [Cd/m2]

Lune 2’500 - 3’000

Papier blanc (ρ = 0,8, Eclairement = 400 lux) 100



L ρ E×Π

-------------=



Relation entre Luminance et Intensité lumineuse.

On peut parler de la luminance d’une source lumineuse primaire (lampe, soleil) mais aussi de la luminance d’un objet éclairé (source lumineuse secondaire).

Dans ce cas la luminance de cet objet dépend notamment:

• de l’intensité lumineuse émise par cet objet,• de la surface apparente de celui-ci depuis le point d’observation.


(EQ 3)

Avec:

• L = Luminance• I = Intensité lumineuse• S = Surface de l’objet considéré.• θ = Angle sous-tendu par le plan de la surface considérée et la normale à la direc-

tio de vision (voir Figure 9).


• Plus la surface est «inclinée» par rapport à l’axe de vision, moins sa luminance est élevée.

FIGURE 9. Représentation schématique de la notion de surface apparente (SA)

L IS θcos×---------------------=



1.2.5 Facteurs de réflexion [-]

Le facteur de réflexion d’une surface caractérise la capacité de cette dernière à réflé-chir une part plus ou moins grande de la lumière qu’elle reçoit.

La valeur du facteur de réflexion est comprise entre 0 (noir absolu) et 1 (blanc idéal).

Le facteur de réflexion est parfois exprimé en %. On le désigne généralement par la lettre grecque ρ. Un matériau qui réfléchit 60% de la lumière qu’il reçoit présente un facteur de réflexion de 0,6.

Le tableau ci-dessous donne une liste de valeurs indicatives du facteur de réflexion de certains matériaux.

Couleur et facteur de réflexion:

Toute couleur peut être obtenue par mélange, dans des proportions variables, d’une couleur pure (couleur du spectre) avec du blanc. La couleur des matériaux influence donc directement la valeur de leur facteur de réflexion.

• Les teintes saturées contiennent un faible proportion de blanc. Elles présentent donc, à l’exception du jaune, des faibles valeurs de facteur de réflexion.

• Les teintes pastelles, qui contiennent plus de blanc, sont donc plus claires et pré-sentent un généralement un facteur de réflexion de l’ordre de 50%.

TABLEAU 3. Liste indicative des facteurs de réflexion de certains matériaux courants.



L'éclairage naturel


2.0 L'éclairage naturel

La lumière naturelle est la source lumineuse de référence, à l'origine de toute vie. Elle est indispensable aussi bien à la croissance et au développement harmonieux de l'enfant, qu'à l'équilibre psycho-physiologique de l'adulte.

La lumière naturelle est composée des longueurs d'ondes auxquelles le système visuel de l'homme est le plus sensible; ce sont celles qui sont émises en plus grande quantité par le soleil (cf. Figure 1). C'est la raison pour laquelle l'efficacité lumi-neuse de la lumière naturelle est nettement supérieure à celle des principales sour-ces d'éclairage artificiel (cf Figure 10). Elle est comprise entre 120 et 160 lm/W (Lumen par Watt), alors que celle d'une lampe à incandescence classique se situe entre 12 et 20 lm/W.

Appliquée à l'éclairage des bâtiments, la lumière naturelle permet donc, à presta-tions d'éclairage équivalentes:

• De réduire la consommation d'énergie liée à l'utilisation de l'éclairage artificiel,• De réduire la charge en ventilation et en climatisation des bâtiments,• D'améliorer le bien-être et d'accroître la productivité des personnes.

Au-delà de ces apports, la lumière naturelle permet en outre de mettre en valeur les qualités architecturales des bâtiments.

FIGURE 10. Efficacité lumineuse des principales sources d'éclairage artificiel (y.c. appareils auxiliaires)



2.1 Problématique

Les problèmes posés par la maîtrise de l'ambiance lumineuse d'un local éclairé par la lumière naturelle se résument à transporter le flux lumineux extérieur disponible, à l'endroit désiré et au moment opportun.

FIGURE 11. Représentation schématique de la problématique de l'utilisation de la lumière naturelle dans les bâtiments (à gauche). Illustration de cette problématique par un croquis de Sir Norman Forster pour la Hong-Kong & Shanghai Bank (à droite).

2.1.1 Capter la lumière

La solution vers laquelle il faut tendre est celle qui consiste à augmenter la surface (S) de captation de la lumière, tout en réduisant dans la mesure du possible, la sur-face vitrée proprement dite (V). Plus le rapport S/V est élevé, plus l'efficacité du système d'ouverture est importante. Cela revient en fait, à augmenter la portion de ciel «vue» depuis le vitrage (cf Figure 12).

FIGURE 12. Exemple d’ouverture dont la géométrie est conçue pour augmenter la quantité de lumière captée (ferme des Grisons, photo V. Desarnault)



2.1.2 Conduire la lumière

Le problème revient, la plupart du temps, à acheminer celle-ci dans les parties des locaux les plus éloignées des ouvertures.

Il s'agit en particulier de limiter l'absorption des rayons lumineux par les parois, afin de favoriser la pénétration de la lumière en profondeur. Dans ce but, les parois qui reçoivent directement la lumière provenant de l'extérieur, seront traitées avec des matériaux clairs, ou même, lorsque cela est possible, avec des matériaux brillants.

FIGURE 13. Exemple de cheminée de lumière Ecole primaire de Collioure (F), Arch.: Ph. Pous & M. Gerber, conception éclairage naturel: B. Paule. Les faces intérieures du conduit de lumière sont revêtues de en polycarbonate de façon à favoriser la descente de la lumière jusqu’aux étages inférieurs.



2.1.3 Distribuer la lumière

Il s'agit de s'assurer que la lumière disponible à l'intérieur des locaux, soit effective-ment utilisable. A cette fin, il convient de contrôler les luminances dans le champ visuel de l'observateur afin d'éviter les problèmes d'éblouissement. Cela revient à assurer une distribution homogène des luminances au niveau de l'ergorama et du panorama des usagers (cf Figure 41, page 43). Il s'agit par exemple de limiter la brillance des matériaux situés à proximité immédiate de la tâche à observer, ou encore de mettre en œuvre des matériaux possédant des facteurs de réflexion voi-sins.

FIGURE 14. Distribution de la lumière au bas d’une cheminée de lumière à Bernex (Arch.: M. Cucinella F. Santos, conception éclairage naturel: B. Paule.). A près avoir parcouru environ 5 m depuis la toiture, la lumière est distribuée par un conduit dont l’ouverture est évasé de façon à élargir la zone d’influence. Par ailleurs, le revêtement de la partie basse du conduit est revêtue de bois clair, de façon à réchauffer la teinte de la lumière.



2.2 Tirer profit du soleil (lumière directe)

On désigne par lumière directe, les rayons lumineux qui proviennent directement du soleil. Possédant une origine localisée précisément dans l'espace, ces rayons peu-vent être captés directement et conduits à l'intérieur du bâtiment

2.2.1 Soleil et Energie

Le soleil est une source caractérisée par un flux lumineux très important. Par temps clair, il délivre des niveaux d'éclairement de l'ordre de 100'000 Lux sur un plan per-pendiculaire aux rayons. Une grande part du rayonnement est émis dans l'infra-rouge.

Le soleil est donc une source de chaleur, dont on peut tirer des bénéfices importants en hiver, mais de laquelle il convient aussi de se protéger en été, afin d'éviter les ris-ques de surchauffe. L'intensité des rayons solaire est considérée comme négligeable lorsque la hauteur du soleil est inférieure à 10° au-dessus de l'horizon.

2.2.2 La latitude

Le soleil est une source ponctuelle, dont la course dans le ciel, dépend de la latitude du lieu considéré. La latitude caractérise la position d'un point sur le globe terrestre, relativement à l'axe Nord / Sud. Elle est notée en degrés, et décroît en valeur abso-lue depuis les pôles (+/- 90°), jusqu'à l'équateur (0°). Plus on se rapproche de l'équa-teur, plus les variations saisonnières ont tendance à s'estomper, notamment en ce qui concerne les durées respectives du jour et de la nuit. A l'opposé, le déplacement vers les pôles, se traduit par des saisons de plus en plus marquées, avec des durées de jour importantes en été et réduites en hiver. La latitude «moyenne» de la Suisse est de 46,5° Nord.

FIGURE 15. Représentation schématique de la latitude [°]



2.2.3 Les saisons

Le solstice d'hiver (21 décembre).

C'est la journée la plus courte de l'année (durée du jour de 8h30 environ). La hau-teur du soleil à midi (heure solaire) est de 20° au-dessus de l'horizon. Le soleil pénè-tre donc profondément dans les locaux, par la façade Sud. Pendant la période hivernale, le soleil est généralement vécu comme un élément très positif, et l'on tolère largement qu'il pénètre à l'intérieur des bâtiments.

Les équinoxes (21 mars/21 septembre).

A ces dates, le jour et la nuit ont une durée égale (12 heures). Le soleil se lève exac-tement à l'Est à 6h00 du matin (heure solaire), et se couche exactement à l'Ouest à 18h00. La hauteur du soleil à midi est de 43.5° au-dessus de l'horizon. On peut noter qu'aux équinoxes, la variation de la course solaire est très rapide d'un jour à l'autre: la hauteur du soleil varie de 2° en cinq jours. On peut aussi remarquer que malgré des disponibilités solaires identiques, le 21 mars et le 21 septembre offrent des caractéristiques climatiques très différentes (écart de température moyenne égal à 10° environ en faveur de l'automne), en raison principalement de l'inertie thermique de la Terre.

Le solstice d'été (21 juin).

C'est le jour le plus long de l'année (environ 15h30) et qui correspond à une hauteur solaire maximale (67° à midi solaire). Du fait de sa position plus proche du nord au lever et au coucher, le soleil pénètre profondément dans les bâtiments par les faça-des Est et Ouest, en début et fin de journée.

Contrairement à ce que l'on pourrait penser, les pénétrations solaires au travers des ouvertures en façade Sud ne sont pas les plus importantes à cette saison, du fait de la hauteur du soleil dans le ciel. En revanche, les pénétrations par les ouvertures zéni-thales sont maximales.

Pendant la période comprise entre le début du mois de Mai et la fin du mois d'Août, il est préférable de proscrire les pénétrations solaires directes dans les bâtiments. Notons que pour toute cette période, le soleil se lève et se couche au delà de l'axe Est - Ouest, ce qui signifie que l'ensoleillement des façades orientées au Nord, même s'il reste modéré est possible en tout début de matinée et en fin de soirée (en site dégagé).

FIGURE 16. Représentation schématique de la course solaire aux solstices et équinoxe (pour la Suisse)



2.2.4 L'orientation

L'orientation d'une façade conditionne sa capacité à réagir aux conditions climati-ques, non seulement au cours de la journée, en fonction de l'heure, mais aussi au cours de l'année, en fonction des saisons.

TABLEAU 4. Résumé des avantages et inconvénients associés aux différentes orientations des ouvertures.

Orientationfaçade Avantages Inconvénients Recommandations

SUD Apports solaires importants enhiver et en mi-saison (bilanthermique favorable).

Pénétrations estivalesfacilement contrôlables pardes éléments horizontaux endébord (avant-toits,marquises, balcons, etc.).

Surchauffes possibles en mi-saison et été.

Les apports solaires hivernauxsont souvent incompatiblesavec le confort visuel(éblouissement).

Protection solaire extérieureindispensable en mi-saisonet en été.

Protection intérieuresouhaitable contre leséblouissements en hiver.

NORD Pas de pénétrations solaires(excepté en été, très tôt lematin et tard le soir).

Aucune protection solairenécessaire.

Peu de variation de la lumièredisponible au cours de lajournée.

Pas de gains solaires (bilanthermique défavorable)

A recommander dans tous leslocaux nécessitantsimultanément une bonnecontribution de l'éclairagenaturel, ainsi qu'uneabsence de rayons solairesdirects.

OUEST Exposition favorite des"romantiques"! (observationdu coucher du soleil)

Apports solaires maximums enété et mi-saison (Possibilité desurchauffes importantes).

Exposition au soleil d'été jusquetard dans la journée (en été).

Le soleil étant bas, le blocagetotal des pénétrations solairesimplique une fermeture totaledes stores (sauf dans le cas delames verticales).

Protection solaire extérieureindispensable en été

EST Les espaces orientés à l'est sontgénéralement perçus comme"dynamiques", du fait de laprésence du soleil le matin

Apports maximums le matin enété (surchauffes possibles)

Le soleil étant bas, le blocagetotal des pénétrations solairesimplique une fermeture totaledes stores (sauf dans le cas delames verticales).

Bien que frappant la façade à unmoment de la journée où latempérature extérieure restefraîche, le soleil d'Est contribueà l'échauffement du bâtiment.

Protection solaire extérieureindispensable en été.



2.2.5 Les Protections solaires

La contradiction existant entre les performances affichées par temps ensoleillé et celles observées par ciel couvert, nécessite l'emploi d'éléments «correcteurs» que l'on désignera par le nom de protection solaire.

Passons en revue les «risques» associés à la lumière naturelle et pouvant être pris en charge par ces éléments de protection solaire.

• Risques d'éblouissementCeux-ci sont surtout à craindre lorsque le soleil est bas sur l'horizon, c'est à dire en hiver, ou en début et fin de journée. Les risques d'éblouissement proviennent de l'écart excessif entre les valeurs de luminance présentes dans le champ visuel. La notion de gène due à l'éblouissement est toutefois conditionnée par la nature de l'activité pratiquée et le type d'espace concerné.

• Risques de surchauffeCeux-ci sont surtout à craindre en période estivale, dès que le rayonnement solaire parvient à franchir le vitrage (effet de serre: le rayonnement infrarouge est piégé par le vitrage et le local s'échauffe). Face à ces risques, quels sont les diffé-rents types de protection solaire pouvant être utilisés?

• Protection externe ou interneEn ce qui concerne les risques d'éblouissement, la position de la protection par rapport au vitrage importe peu. Il suffit que l'écran soit positionné entre l’oeil et la source lumineuse. En revanche, les phénomènes de surchauffe impliquent de placer impérativement la protection solaire à l'extérieur du vitrage, afin de stop-per le flux énergétique solaire avant qu'il ne pénètre dans le local considéré.

Les différents types d'écrans solaires.

• Ecran opaque:S'il est constitué d'un matériau opaque, l'écran peut alors soit rejeter purement et simplement la lumière vers l'extérieur, soit dévier les rayons solaires pour les renvoyer par exemple en direction du plafond, afin de favoriser les niveaux d'éclairement en fond de pièce

• Ecran translucide:Ce type d'écran se comporte lui même comme une source lumineuse diffuse, pré-sentant une luminance constante sur toute sa surface (toiles doublées ou enduites par exemple). La lumière n'est pas rejetée, mais utilisée au profit de l'éclairage intérieur.



• Ecran transparent:Cet écran peut aussi se présenter sous la forme d'un élément atténuateur transpa-rent (verre ou matériau plastique teinté, store tissé, tôle perforée) Le maintient de la transparence est un élément favorable du point de vue psychologique.Le degré d'atténuation de ce type d'écran doit cependant être suffisamment important pour permettre la présence de lumière directe dans le champ visuel, ce qui suppose un facteur de transmission inférieur à 10%

FIGURE 17. Représentation schématique de l'influence des différents types d'écrans solaires

Les Protections fixes.

• Façade Sud (Protection horizontale)

Dans le cas d'une façade orientée au Sud, la protection solaire fixe peut être réalisée à partir d'éléments filant horizontalement devant les vitrages. Le degré de protection offert dépend de l'importance du débord de ces éléments par rapport au plan du vitrage.

FIGURE 18. Représentation schématique des angles de protection procurés par différentes longueurs d'avant-toit en façade Sud (hauteur local = 2.40, latitude de Genève (46.5°N).



• Façade Est / Ouest (Protection verticale)

Dans le cas de façades orientées à l'Est ou à l'Ouest, une protection horizontale fixe n'est pas envisageable, dans la mesure où le soleil est bas sur l'horizon lorsqu'il atteint les vitrages. Il est alors plus facile de stopper les rayons à l'aide d'éléments verticaux.

Pour les façades Est, la protection est surtout utile pour éviter les éblouissements, tandis que pour les façades Ouest, il s'agit avant tout de se protéger contre la chaleur (rayons solaires de fin de journée).

En règle générale, chaque fois que l'on met en œuvre une protection solaire, on pénalise les apports de lumière diffuse. Dans le cas des façades Est et Ouest, il est donc préférable de prévoir une protection mobile, afin de ne pas pénaliser inutile-ment les apports de lumière diffuse (le matin à l'ouest, et le soir à l'est).

Les Protections mobiles.

Quelle que soit l'orientation de la façade (sauf au Nord), il est illusoire de vouloir se protéger totalement des pénétrations directes à l'aide d'un système fixe. Il est donc nécessaire dans la plupart des cas, de combiner cette protection fixe avec un écran atténuateur mobile.

Propriétés des protections solaires mobiles

Une protection mobile lorsqu'elle est située à l'extérieur, présente les caractéristi-ques suivantes:

• Bonne adaptation aux diverses situations (degré d'occultation variable),• Elimination des surchauffes (les rayons solaires ne franchissent pas le vitrage),• Elimination des éblouissements,• Déviation éventuelle des rayons lumineux (stores à lame).

Précautions à prendre:

• Dans le cas de systèmes non-automatisés, les opérations de manipulations doi-vent rester le plus simple possible, de façon à ce que tous les utilisateurs puissent moduler quotidiennement leur ambiance lumineuse. A cette fin, des éléments d'information concernant une gestion optimale de la lumière naturelle doivent être fournis aux utilisateurs.

• Dans le cas de systèmes automatisés, il est important de laisser à l'utilisateur la possibilité de «reprendre la main», afin de garantir une flexibilité des activités.



FIGURE 19. Valeurs représentatives des facteurs de transmission énergétique de différents systèmes de protections solaires mobiles (Utotal = y.c. vitrage [W/m2K])



2.3 Tirer profit de la lumière diffuse

On désigne par lumière diffuse l'ensemble des rayons lumineux qui ne proviennent pas directement du soleil (par opposition à la lumière directe). La voûte céleste est l'une des principales sources de lumière diffuse

2.3.1 Caractéristiques de la lumière provenant du ciel

Les rayons solaires, en traversant les diverses couches de l'atmosphère, sont partiel-lement absorbés, mais surtout réfléchis et diffusés en direction de la Terre. La voûte céleste constitue donc une source lumineuse distincte du soleil. La lumière disponi-ble est non seulement diffuse, mais aussi multi-directionnelle. Les niveaux d'éclai-rement résultants sont moins élevés que ceux procurés par le soleil (de 5'000 à 20'000 Lux en moyenne contre 100'000 Lux pour le soleil).

Cette lumière diffuse présente les caractéristiques suivantes:

Avantages:

• Elle est disponible quelque soit la couverture nuageuse.• Elle ne génère pas ou peu d'ombres portées (lumière non directionnelle).• Elle ne provoque pas ou peu d'éblouissement.• Elle ne donne pas lieu à des phénomènes de surchauffe.

Inconvénients:

• Elle est difficilement exploitable dès que l'on s'éloigne des ouvertures.• Elle se révèle parfois insuffisante en hiver.

2.3.2 Différents types de ciel

De nombreuses équipes de recherches, de par le monde, tentent de dégager des règles générales concernant la répartition des luminances de la voûte céleste.

Pour des raisons de simplicité, on ne retiendra ici que trois types de ciel, tout trois étant des modèles théoriques servant de référence pour les études d'éclairage.

• Le ciel couvert uniformeChaque point de la voûte céleste est caractérisé par la même luminance. Dans la pratique, cela correspond à des conditions de brouillard dense.

• Le ciel couvert CIECe modèle stipule que la luminance du zénith est trois fois supérieure à celle de l'horizon. Dans la pratique, cela correspond à un ciel encombré de nuages élevés (stratus). L'emploi de ce modèle tend à surévaluer les performances des ouvertu-res zénithales, au détriment des ouvertures en façade. Il convient donc de l'utili-ser avec précaution.



• Le ciel serein CIEIl s'agit encore d'un modèle théorique, qui donne, par temps clair, la répartition des luminances du ciel en fonction de la position du soleil. On retiendra pour simplifier, que les zones de forte luminance se situent d'une part à proximité immédiate du soleil, et d'autre part, sur le pourtour de l'horizon. Les luminances les plus faibles se rencontrent quant à elles, dans un secteur faisant un angle de 90 degrés par rapport au soleil (cf Figure 20).

FIGURE 20. Représentation schématique des rapports de luminance observés par ciel serein, et prise de vue d’un ciel clair avec le soleil à l’horizon (objectif fish-eye).



2.3.3 Notion de facteur de lumière du jour

Etant donnée la difficulté de caractériser les performances d'un local, vis à vis de la lumière solaire directe (variation continue de la position du soleil et des pénétra-tions solaires), on préfère définir les performances de ce local par ciel couvert.

Pour cela, on utilise un ratio mettant en évidence le rapport entre la lumière disponi-ble à l'extérieur et les niveaux observés à l'intérieur de ce local. Ce ratio est appelé Facteur de lumière du jour (D); il est exprimée en % (Figure 21).

FIGURE 21. Facteur de lumière du jour: D = Ep/Ehz [%]

FIGURE 22. Table de correspondance des valeurs typiques de facteur de lumière du jour. (Ref: Eclairage intérieur par la lumière du jour, Recommandations de l'Association Suisse des Electriciens, ASE 8911.1989).

La Figure 22, établit une correspondance entre le niveau de facteur de lumière du jour et la sensation de clarté ressentie dans un local.



On constate que la fraction de lumière naturelle réellement disponible à l'intérieur des locaux, est relativement faible (de l'ordre de quelques pour-cent). En fait, l'importance du gisement extérieur est telle que la sensation de clarté est ressentie dès que le facteur de lumière du jour atteint 4%.

2.3.4 Couverture des besoins: Notion d'autonomie en éclairage naturel

Il est possible d'établir une correspondance entre le niveau de facteur de lumière du jour observé dans un local et la couverture annuelle des besoins lumineux de ce der-nier par la lumière naturelle. Il va de soit que les besoins lumineux sont différents pour chaque type d'activité, tant du point de vue quantitatif que qualitatif.

• Méthode ASE [ASE 1989]

L'abaque représenté à la Figure 23, permet de déterminer la fraction de temps durant laquelle l'éclairement extérieur suffit à couvrir les besoins intérieurs, dans la tranche horaire correspondant à l'utilisation des locaux. On remarque ainsi qu'un facteur de lumière du jour de 5% permet de s'affranchir de l'éclairage artificiel pendant 50% du temps de travail, si l'éclairement requis sur le plan de travail est de 500 Lux.

Cette abaque ne tient compte toutefois que des disponibilités par ciel couvert. Elle est donc pessimiste dans la mesure où elle élimine la contribution de la voûte céleste par temps ensoleillé. La couverture des besoins ainsi déterminée s'applique donc surtout dans le cas d'ouvertures orientées au nord.

FIGURE 23. Portion du temps d'utilisation exclusivement à l'aide de la lumière du jour pour des heures de travail de 07h00 à 17h00 (heure de l'Europe centrale) et 08h00 à 18h00 (horaire d'été), pour plusieurs facteurs de lumière du jour et degrés d'éclairement, selon ASE 8912-1.1977/ASE 8912-2.1977, valable pour la Suisse, par une ciel complètement couvert.



• Méthode DIAL-Europe

Dans le cadre du projet européen DIAL-Europe, qui vise à étendre les fonctionnali-tés du logiciel LesoDIAL (voir chapitre 5.3.4, page 52 et suivantes), un nouveau mode d'estimation de l'autonomie en éclairage naturel a été développé. Il permet, à partir de données météorologiques, de construire des fonctions polynomiales décri-vant la distribution statistique de l'éclairement diffus extérieur horizontal.

FIGURE 24. Fonction représentant l'autonomie en fonction du FLJ pour différentes valeur d'éclairement requis (climat de Lyon, France).

Des travaux de validation ont permis de comparer les résultats ainsi obtenus avec des valeurs calculées sur la base de données réelles de distribution de luminances de la voûte céleste, pour le climat de Genève (base International Daylighting Measur-ment Program). Ces travaux montrent une forte corrélation de ce nouveau mode de calcul avec les résultats obtenus en utilisant la méthode de Facteur de Lumière du jour partiel [Mic2002]

Cette méthode permet de tenir compte de la totalité de la composante diffuse dispo-nible, en non plus seulement des jours complètement couverts. En conséquence, la prédiction de l'autonomie est nettement moins pessimiste qu'avec la méthode de l'ASE décrite ci-dessus. La Figure 25 permet de comparer, pour un même local, les résultats obtenus avec les deux méthodes.

FIGURE 25. Comparaison des valeurs d'autonomie calculées, pour le même local, avec la méthode ASE (à gauche) et la méthode DIAL-Europe (à droite).

L'éclairage artificiel


3.0 L'éclairage artificiel

3.1 Caractéristiques des différentes sources lumineuses.

On peut regrouper les sources de lumière artificielles en trois grands groupes:

• Les lampes à incandescence• Les lampes à décharge• Les lampes à induction.

3.1.1 Les lampes à incandescence:

L'émission de lumière est produite par l'échauffement d'un corps (filament), traversé par un courant électrique. Les lampes halogènes sont aussi des lampes à incandes-cences.

• Incandescence classiqueL'échauffement du filament (tungstène) entraîne, au cours du temps, une vapori-sation des molécules qui le composent (noircissement de l'ampoule), jusqu'à sa rupture, en fin de vie de la lampe.

FIGURE 26. Représentation schématique de lampes à incandescence

Avantages Inconvénients Recommandations− Lumière chaude à dominante

jaune-rouge.− Très bon rendu des couleurs (Ra

= 100)− Prix avantageux

− Mauvaise efficacité lumineuse (<20lm/W).

− Dégagement de chaleur important.

− Durée de vie médiocre (<2000h).

− A proscrire dans les lieux à usage public.

− Remplacer par des "fluo compacts» chaque fois que possible.



• Incandescence halogèneLe gaz de remplissage de l'ampoule contient des composés halogènés. Ceux-ci allongent la durée de vie de la lampe, par rapport à l'incandescence classique (régénération du filament par recyclage des molécules vaporisées).

3.2 Les lampes à décharge

L'émission de lumière est produite par une décharge électrique dans un gaz ou une vapeur métallique: il n'y a pas de filament. Dans le cas des tubes fluorescents, la lumière est produite par le phosphore qui tapisse le tube. Ces lampes nécessitent un appareillage auxiliaire (starter, et ballast électronique).

• Tubes fluorescents

FIGURE 27. Représentation schématique du tube fluorescent

Avantages Inconvénients Recommandations− Dimensions réduites.− Focalisation du flux lumineux

possible (faisceau intensif).− Lumière chaude à dominante

jaune-rouge.− Très bon rendu des couleurs− Le cycle halogène évite le

noircissement de l'ampoule

− Température très élevée de l'ampoule et du culot

− Nécessite souvent l'emploi d'un transformateur basse tension (augmentation des pertes Ènergétiques).

− Maniement dÈlicat (le contact avec les doigt entraîne, à terme, une dégradation de l'enveloppe externe (quartz) et réduit la durÈe de vie.

− Mauvaise efficacité lumineuse (25lm/W).

− Durée de vie moyenne (2000h)− Luminance élevée

− Réserver à l'éclairage ponctuel de mise en valeur ou d'accentuation



• Lampes fluorescentes compactes

FIGURE 28. Représentation schématique d'une lampe fluorescente compacte.

Avantages Inconvénients Recommandations− Efficacité lumineuse élevée (70

lm/W).− Faible température superficielle

du tube.− Durée de vie élevée (8000 h).− Bon rendu des couleurs (jusqu'à

Ra = 95).− Plusieurs teintes disponibles

(température de couleur de 3000°K à 6500°K).

− Nécessite un appareillage auxiliaire (starter, ballast).

− La longueur des tubes empêche la focalisation de la lumière dans le sens longitudinal.

− La longévité des tubes dépend de la fréquence d'allumage ainsi que du type de ballasts.

− Les tubes de puissance différente ne sont pas interchangeables.

− Locaux administratifs, grandes surfaces, espaces de circulations, etc.

Avantages Inconvénients Recommandations− Dimensions réduites.− EfficacitéÈ lumineuse élevée (65

lm/W).− Durée de vie élevéÈe (6000-

8000 h).− Peuvent remplacer les

ampoules à incandescence classiques (lampes à ballast Èlectronique et culot à vis (E27).

− Coût d'achat élevé.− Temps d'amorçage (environ 1

seconde).− Temps de chauffe: 30 secondes

pour atteindre le flux maximal

− Bureaux, logements, espaces de circulation, etc.

− Indispensable en cas d'allumage permanent ou sur de longues périodes (économies d'énergie)



• Lampes aux halogénures métalliques

FIGURE 29. Représentation schématique de la lampe aux halogénures métalliques.

Avantages Inconvénients Recommandations− Efficacité lumineuse élevée (70-

90 lm/W)− Durée de vie élevée (jusqu'à

10'000h).− Grandes puissances possibles

(jusqu'à 2'000W)− Bonnes possibilités de

focalisation.

− Temps d'amorçage élevé (2 à 5 minutes).

− Si extinction, temps d'attente élevé avant rallumage.

− Scintillement.− Teinte peu stable dans le temps.− Limitation des teintes selon la

puissance.

− Eclairage d'accentuation, commerces, vitrines, etc.

− Réserver aux applications nécessitant des durées d'allumage prolongées.



3.3 Lampes à induction

La décharge dans le gaz de remplissage est obtenue par induction électromagnéti-que (passage d'un courant de haute fréquence dans une bobine). Il n'y a plus d'élec-trode, ce qui permet d'allonger considérablement la durée de vie de la lampe.

FIGURE 30. Représentation schématique de la lampe à induction.

Avantages Inconvénients Recommandations− Durée de vie très élevée (jusqu'à

60'000 h).− Efficacité lumineuse élevée

(65lm/W).− Bon rendu des couleurs.

− Boitier électronique encombrant.− Coût d'achat élevé.

− Mise en oeuvre dans des emplacements difficilement accessibles (maintenance réduite par la durée de vie).



3.4 Luminaires

Le luminaire est l'appareil d'éclairage. Il comporte une ou plusieurs sources lumi-neuses, telles que décrites plus haut, ainsi qu'un élément réflecteur ainsi qu'un dis-positif de protection éventuel (grille paralume, diffuseur, etc.) Chaque luminaire distribue la lumière selon une façon qui lui est propre. Cette distribution est caracté-risée par l'indicatrice des intensités lumineuses de l'appareil.

On peut classer schématiquement les luminaires en cinq catégories:

• Direct extensifLa lumière est émise de façon diffuse, avec un angle d'ouverture du faisceau très large. On parle de faisceau extensif. L'emploi de ce type de luminaire est décon-seillé pour le travail sur écran d'ordinateur (problèmes d'éblouissement et de reflets).

FIGURE 31. Représentation schématique de la distribution lumineuse dues à un luminaire de type «Direct Extensif».

• Direct intensifLa lumière est émise dans une direction privilégiée, avec un angle d'ouverture du faisceau étroit. On qualifie le faisceau d'intensif. Souvent recommandé pour le travail à l'écran (absence d'éblouissement et de reflets), ce type de luminaire pro-duit un «effet de grotte» parfois peu apprécié des utilisateurs (plafond et haut des murs sombres).

FIGURE 32. Représentation schématique de la distribution lumineuse dues à un luminaire de type «Direct Intensif».



• Direct IndirectUne partie du flux lumineux est émise vers le bas, et l'autre vers le haut. Les pro-portions entre ces deux composantes peuvent varier.Ce type de luminaire constitue un très bon compromis entre performance (bon niveau d'éclairement sur le plan de travail) et agrément (homogénéité des lumi-nances).Le plafond doit impérativement être clair.Ce type de luminaire est incompatible avec une faible hauteur sous plafond.

FIGURE 33. Représentation schématique de la distribution lumineuse dues à un luminaire de type «Direct - Indirect».

• IndirectLe flux lumineux est entièrement dirigé vers le haut. L'éclairement du plan de travail est obtenue par réflexion sur le plafond.Ce type de luminaire engendre une augmentation importante de la consommation électrique. A niveau d'éclairement comparable, il faut doubler ou tripler la puis-sance installée.Le plafond doit impérativement être très clair (blanc).Si la hauteur du local est faible, le plafond est parfois trop lumineux et devient source d'éblouissement.

FIGURE 34. Représentation schématique de la distribution lumineuse dues à un luminaire de type «Indirect».•



• Asymétrique

Ce type de luminaire est principalement destiné à l'éclairage des tableaux, panneaux d'affichages, etc. On l'utilise aussi en applique ou pour la mise en valeur des élé-ments de façades (moulures, corniches, etc).

FIGURE 35. Représentation schématique de la distribution lumineuse dues à un luminaire de type «Asymétrique».



3.5 Température de couleur

La notion de température de couleur (Tc) est objective et quantifiable. Elle fait réfé-rence à la teinte de la lumière émise par un «corps noir», en fonction de sa tempéra-ture. L'analogie avec une pièce de métal chauffée est plus intuitive: lorsque l'on élève sa température, sa teinte devient rouge, puis orangée, puis jaune et enfin blanc (d'où l'expression «chauffer à blanc»).

La température de couleur de la lumière est une notion opposée à l'intuition. Parado-xalement, une lumière est dite «froide» lorsque sa température de couleur est élevée (Tc > 5500 K) et inversement, une lumière «chaude» possède une température de couleur plus faible (Tc < 3500 K).

FIGURE 36. Représentation schématique de la température de couleur en fonction des sources lumineuses.

3.5.1 Ambiance colorée

La qualité de l'ambiance lumineuse d'un espace dépend à la fois de la quantité de lumière (niveau d'éclairement) et de la teinte de cette lumière (température de cou-leur).

Les travaux de Kruithof [Kru1941] souvent pris comme référence dans ce domaine peuvent être résumés de la façon suivante:

• Une lumière «chaude» (température de couleur faible) est agréable si le niveau d'éclairement reste modéré.

• Une lumière «froide» (température de couleur élevée) est agréable si le niveau d'éclairement est élevé.

Le diagramme de Kruithof (cf. Figure 37) indique la «zone de confort» en fonction de ces deux paramètres.

Des travaux plus récents [Dav1990] tendent à montrer que la préférence des usagers par rapport à une ambiance lumineuse est influencée plus par le niveau d'éclaire-ment et par le rendu des couleurs que par la température de couleur.



FIGURE 37. Diagramme de Kruithof représentant la sensation de confort en fonction du niveau d'éclairement et de la température de couleur.



3.6 Rendu des couleurs

L'indice de rendu des couleurs (Ra) d'une source lumineuse indique la capacité de celle-ci à rendre fidèlement les couleurs des objets. Une source qui émet dans toute l'étendue du spectre visible est caractérisée généralement par un indice de rendu des couleurs élevé (Ra > 90): Toutes les couleurs seront mises en valeur.

Une source qui n'émet pas un groupe de longueur d'onde particulier ne pourra pas rendre fidèlement la couleur correspondant à ces longueurs d'onde: son indice de rendu des couleurs sera faible (Ra < 60).

Exemples:

• Une voiture de couleur bleue, éclairée dans un tunnel par une source jaune-orange (lampe à vapeur de sodium) perdra son apparence initiale.

• Le phénomène peut être utilisé inversement pour mettre en valeur certaines cou-leurs: par exemple, pour présenter une viande bien rouge dans la vitrine du bou-cher

FIGURE 38. Illustration schématique de rendu des couleurs obtenus avec respectivement une lumière de bonne qualité (à gauche), une lumière rouge (au centre) et une lumière bleue (à droite).



Le confort visuel


4.0 Le confort visuel

Le projet d'éclairage doit intégrer les objectifs suivants:

• Permettre l'exécution d'une tâche avec un maximum de chance de succès (perfor-mance visuelle) tout en garantissant le bien-être des usagers (confort visuel);

• Susciter une émotion particulière (agrément visuel).

4.1 Performance et confort visuels

La performance visuelle, en rapport avec une certaine tâche, est influencée par un nombre important de paramètres. Si on laisse de côté ceux qui sont liés directement à la personne (son âge, son acuité visuelle) ou à la tâche à accomplir (dimension, temps disponible pour l'exécution), on peut citer parmi les principaux:

• Le niveau d'éclairement de la surface de travail;• Le contraste de luminance entre l'objet observé et son support

L'éclairage des locaux peut provoquer deux types d'éblouissement: l'éblouissement physiologique et l'éblouissement psychologique:

• L’éblouissement physiologique, qui se traduit par l'apparition d'un voile dans le champs de vision, est une perturbation de la vision par lumière diffuse dans l’oeil (cf. Figure 39).

• On parle d'éblouissement psychologique lorsque la lumière provoque une sensa-tion désagréable sans que les fonctions visuelles soient nécessairement pertur-bées. Cela peut diminuer la sensation de bien-être et réduire la capacité de rendement.

Dans le cas de l'éclairage artificiel de locaux, l'éblouissement psychologique se manifeste généralement avant l'éblouissement physiologique (ce qui n'est pas forcé-ment le cas avec la lumière naturelle).

Le degré d'éblouissement psychologique dépend essentiellement:

• De la luminance des sources lumineuses ou luminaires,• Du nombre et de la disposition des surfaces lumineuses dans le champ visuel,• De la disposition des luminaires dans le champ visuel,• De la luminance environnante dans le champ visuel.

L'effet d'éblouissement diminue dès que l’oeil s'est adapté à un niveau de clarté plus élevé et, au fur et à mesure que la direction du regard s'éloigne de la source d'éblouissement, en fonction de la distance et de la luminance de cette dernière.

Dans la pratique, ce sont le plus souvent les ouvertures vitrées (soleil, voûte céleste) et des installations d'éclairage artificiel inappropriées (sources, luminaires) qui sont la cause de situations d'inconfort visuel.

Le confort visuel


FIGURE 39. Causes physiques et effet psychologique de l'éblouissement. La lumière diffuse sur la rétine, dans le cristallin et dans l'humeur vitrée (3) diminue le contraste visuel. La lumière éblouissante tombant sur une partie de la rétine (2) réduit la sensibilité dans un rayon étendu de la rétine (1). La lumière tombant sur la sclérotique (4) a un effet analogue (5) source: document SUVA n° 44022.f «Le travail à l'écran de visualisation»

Des surfaces brillantes (surfaces spéculaires) sont parfois responsables des mêmes effets. La Figure 40 illustre une situation d’inconfort caractéristique des locaux sco-laires. Par un équilibre des valeurs de luminance dans le champ visuel, il est possible de réduire le risque d'inconfort visuel. Une règle d'or pour les rapports maximaux de luminosité des surfaces situées dans le champ visuel (cf. Figure 41) est donnée à la Figure 42. Des indicateurs d'éblouissement plus complets, basés sur des modèles mathématiques, permettent, au spécialiste en ergonomie visuelle, une évaluation quantitative du risque d'inconfort visuel.

FIGURE 40. Situation d'inconfort visuel (éblouissement psychologique, voile de réflexion) provoquée par une ouverture inappropriée (fenêtre) et une surface de brillance excessive (tableau en verre). Les informations écrites sur le tableau ne sont pas

Le confort visuel


perceptibles pour tous les élèves. Source: Document «Eléments d'éclairagisme» RAVEL n° 724.329.1.f, Office fédérale des questions conjoncturelles, 1993.

FIGURE 41. Champ visuel humain [1]; en blanc: champ vu simultanément par les deux yeux; en gris: champ vu par un seul œil; F: champ central (fovéa).

FIGURE 42. Règle d'or pour les rapports maximaux de luminosité des surfaces situées dans le champ visuel (environnement proche et lointain).

4.2 Agrément visuel

L'agrément visuel est une notion apparemment subjective. Il dépend du sentiment et de l'émotion particulière que peut susciter un certain environnement visuel. Parmi les situations ressenties comme particulièrement agréables, on mentionnera:

• La présence de lumière naturelle dont deux qualités fondamentales sont:

Le confort visuel


- excellent rendu des couleurs;- variation dans le temps de cette lumière qui permet la perception du «temps qui passe» et du «temps qu'il fait» (conditions météorologiques);

• La possibilité de disposer d'une vue dégagée et agréable (repos du regard);• L'accès à la vue sur l'extérieur;• Certains effets spéciaux liés à la nature et la disposition des sources d'éclairage

artificiel;• L'harmonie des couleurs des parois d'un local.

L'effet psychologique de ces divers éléments est incontestable; il n'en est pas de même de leur impact physiologique, qui est plus difficile à mettre en évidence.

4.2 Aménagement d'un poste de travail

A titre d'illustration, nous traiterons ici l'une des situations les plus délicates: le poste de travail à l'écran.

A elle seule, la lumière du jour ne convient pas pour éclairer les postes de travail à écran de visualisation, car elle est sujette à de fortes variations (maxima allant jusqu'à 10'000 Iux directement derrière les fenêtres). Mais vu que la plupart des bureaux dans lesquels se trouvent des écrans de visualisation ont des fenêtres, il faut tenir compte des points suivants:

• Aucune fenêtre ne doit se trouver devant ni derrière l'écran.• L'axe principal du regard doit être parallèle à la rangée de fenêtres (cf Figure 45).• Les écrans de visualisation doivent si possible être placés dans les zones éloi-

gnées des fenêtres.• Les fenêtres devraient être équipées de stores à lamelles extérieurs, car ceux-ci

présentent de sérieux avantages physiques (thermiques) et psychologiques (vue sur l'extérieur) par rapport aux stores à lamelles intérieurs. Pour les fenêtres à vitrages calorifuges, des mesures particulières doivent être prises au niveau de l'aménagement du local.

• S'il y a des rideaux, ils doivent être en tissu serré, uni et clair (teintes pastelles)• Faute de dispositifs d'obscurcissement au niveau de la construction (tels que des

stores à lamelles), il faut prendre des mesures d'aménagement intérieur pour réduire la part de la lumière du jour. Une possibilité simple et rapide à réaliser consiste à installer du côté intérieur des fenêtres des stores spéciaux laissant pas-ser la lumière. Il s'est avéré avantageux de monter le rouleau au bas de la fenêtre, puisqu'il suffit alors de remonter le store jusqu'au niveau permettant d'éliminer les reflets gênants. Ce dispositif a en outre l'avantage de laisser une certaine transparence (vue vers l'extérieur). Ces stores ne constituent toutefois pas une protection adéquate contre l'éblouissement ou les reflets dus à l'incidence directe du soleil.

Les locaux éclairés par la lumière du jour ont besoin, dans tous les cas, d'un éclai-rage artificiel complémentaire. Celui-ci doit être aménagé sous forme de rangées de luminaires disposées parallèlement à la rangée de fenêtres. Toutefois, l'éclairage artificiel provoque des reflets et complique de ce fait encore davantage la mise en

Le confort visuel


place de l'écran. La Figure 46 montre comment surmonter cette difficulté. Le mon-tage d'un éclairage indirect de grande surface constituerait une autre solution.

FIGURE 43. Mauvaise configuration: les fenêtres sont dans le champ visuel, grandes différences de luminance.

FIGURE 44. Mauvaise configuration: les fenêtres se reflètent à la surface de l'écran.

Le confort visuel


FIGURE 45. Bonne configuration: différences de luminance équilibrées, pas de surfaces lumineuses dans la zone de réflexion de l'écran.

FIGURE 46. Disposition des postes de travail à écran de visualisation et de l'éclairage dans les locaux à fenêtres.

Les outils de décision


5.0 Les outils de décision

Les nouveaux outils de conception et de dimensionnement.

La «mise en lumière» des bâtiments est l'une des composantes essentielles de l'acte de projetation architecturale. La complexité des phénomènes en jeux, trop souvent vécue comme une contrainte supplémentaire, peut aujourd'hui être abordée avec succès au moyen des nouveaux outils de conception et de dimensionnement issus de la recherche. Mis à la disposition des architectes, ceux-ci se révèlent comme autant de supports à leur créativité, et permettent de renforcer la cohérence de leur choix.

5.1 Quand intervenir?

Les décisions importantes en matière d'éclairage doivent être prises très tôt dans le projet: le simple bon sens dicte cela. Tout retard dans la prise en considération de ces problèmes aboutit généralement à des compromis insatisfaisants à bien des égards. A l'inverse, l'intégration de ces préoccupations dès la phase d'avant-projet permet d'enrichir considérablement le projet

5.2 Pourquoi faire?

En premier lieu, les nouveaux outils permettent d'éviter que des «erreurs» ne soient commises, et la pratique montre que cela constitue déjà un progrès considérable. Il permettent en effet que soient rapidement mis en évidence l'impact de l'environne-ment du bâtiment, de la taille et du positionnement des ouverture, du type de menui-series, de la couleur et de la clarté des revêtements de parois, etc.

Tous ces problèmes, trop souvent approchés de manière intuitive (avec les lacunes que cela comporte) peuvent être maintenant circonscrits de manière rapide et effi-cace à l'aide des outils évoqués ci-après.

Par ailleurs, et bien que la maîtrise des ambiances lumineuses ne doive pas se tra-duire forcément par une surenchère technologique, il est aussi possible de conce-voir, puis de vérifier, et enfin d'améliorer les performances de systèmes plus complexes de gestion des apports lumineux naturels.

Il n'existe pas de conflit entre le développement de la créativité des concepteurs et l'utilisation de ces nouveaux outils. Bien au contraire, si ces derniers sont utilisés assez tôt, il offrent la possibilité d'enrichir le projet, en donnant des garanties sérieu-ses sur ses performances vis à vis de la lumière naturelle.

Il ne fait aucun doute que les architectes sauront mettre à profit ces nouvelles possi-bilités, et qu'il relèveront ainsi avec succès les «défis» posés par la maîtrise de l'éclairage naturel



5.3 Quels outils?

5.3.1 Méthodes simplifiées.

Il existe un certain nombre de méthodes simplifiées permettant d'estimer le Facteur de Lumière du Jour dans les locaux. Autrefois très utiles, avant la généralisation des outils informatiques, elles sont maintenant tombées en désuétude et nous ne les détaillerons pas ici.

5.3.2 Utilisation de maquettes

Le premier des outils de prise en compte de la lumière naturelle est aussi celui qui est le plus familier aux architectes: il s'agit des maquettes à échelle réduite. Celles-ci permettent de visualiser rapidement les ambiances lumineuses internes.

Au delà de cette information qualitative, les maquettes peuvent aussi servir à quan-tifier les «performances» des locaux. Pour cela, on place des sondes d'éclairement à l'intérieur de la maquette, ainsi qu'une sonde de référence, à l'extérieur. On arrive ainsi à déterminer les niveaux de facteur de lumière du jour aux points considérés.

Les échelles le plus couramment utilisées sont le 1/20ème et le 1/30ème. Les photo-métries des divers éléments de la maquette doivent être similaires à celles des maté-riaux qui seront réellement mis en œuvre dans le bâtiment. On doit particulièrement tenir compte de la clarté et de la brillance des parois.

FIGURE 47. Représentation schématique d’une maquette d’étude d’éclairage intérieur.



FIGURE 48. Prises de vue d’une maquette d’étude avec, sur l’image du haut, les sondes de mesure d’éclairement intérieur et, sur l’image du bas, une vision intérieure de cette maquette placée sur un héliodon.

L'utilisation d'un ciel artificiel présente l'avantage de bénéficier d'une source exté-rieure calibrée et reproductible, ce qui permet d'une part de gagner considérable-ment en précision, et d'autre part, de pouvoir effectuer plusieurs séries de mesures avec des conditions identiques. A l'inverse, les mesures par ciel réel, pour lesquelles la répartition des luminances, et l'éclairement extérieur varient continuellement, ne sont généralement pas satisfaisantes, et délicates à interpréter.

L'utilisation d'un héliodon ou simulateur de lumière directe, permet aussi de carac-tériser les pénétrations solaires dans les bâtiments. Cette information est très utile pour mettre en évidence les risques d'éblouissement. Le couplage avec une caméra vidéo autorise en outre la visualisation en accéléré du déroulement de n'importe quelle journée, et ce quelque soit la latitude d'implantation du bâtiment. Les résul-tats ainsi obtenus s'avèrent être des supports de communication très efficaces dans le dialogue entre le spécialiste en éclairage, l'architecte et le maître de l'ouvrage.



5.3.3 Outils informatiques complexes

La miniaturisation de certains éléments est toutefois souvent difficile à réaliser sur maquette (protections solaires, éléments de petite dimension, matériaux particuliers, etc). Les outils informatiques offrent l'avantage de permettre la modélisation de n'importe quel type de géométrie, avec une excellente précision. De plus, les outils les plus performants sont organisés autour de bases de données photométriques incluant la plupart des matériaux utilisés dans le bâtiment, ce qui simplifie considé-rablement la modélisation.

Il est donc possible, à l'aide de ces outils, de simuler toutes les configurations imagi-nables, et de réaliser des études paramétriques très poussées. Les résultats des simu-lations vont du simple profil de facteur de lumière du jour, à la visualisation en trois dimensions de la distributions des luminances (images de synthèse, cf. Figures 49 et 50). Par ailleurs, la possibilité est offerte de calculer différents indices de confort visuel ce qui permet d'évaluer la réponse des futurs utilisateurs face à l'environne-ment lumineux qui leur sera proposé. On peut citer notamment le progiciel ADE-LINE développé dans le cadre de l'Agence Internationale de l'Energie (AIE).

FIGURE 49. Images de synthèse réalisée avec le logiciel Adeline (copyright DIAL-Europe, J.de Boer, FhG-IBP). L’image du haut représente un atrium vu depuis l’un des bureaux adjacents. l’image du bas représente le même atrium vu depuis la verrière.



FIGURE 50. Images de synthèse réalisée avec le logiciel Adeline (copyright DIAL-Europe, J.de Boer, FhG-IBP). L’image du haut permet de visualiser un atrium. L’image au centre donne une idée de la pénétration de lumière dans un bureau donnant sur cet atrium. L’image du bas indique, à l’aide de fausses couleurs, les niveaux de luminance dans ce local.



5.3.4 Outils informatiques simplifiés

DIAL-Europe.

Des travaux de recherche et développement effectués au LESO-PB ces dernières années, ont permis la réalisation d'un logiciel d'aide à la décision en éclairage natu-rel: Leso-DIAL. Cet outil, dont le financement a été assuré par l'Office Fédéral de l'Energie peut être utilisé par les architectes, dès la phase d'esquisse ou lors de l'avant-projet.

L'une des originalités de ce logiciel réside dans sa simplicité d'utilisation, qui per-met, par exemple, de comparer très rapidement différentes configurations et d'opti-miser les performances en éclairage naturel du local étudié.

Parmi les principales fonctionnalités du programme on notera:

• Le calcul des valeurs de facteur de lumière du jour sur le plan de travail (ciel cou-vert CIE, cf. Figure 51).

• Le calcul des valeurs d'autonomie en éclairage naturel (cf. Figure 25, page 28)• L'établissement d'un diagnostic linguistique permettant de souligner les points

faibles du local.• L'accès à une base d'exemple permettant de visualiser des locaux présentant des

similitudes avec celui étudié.• Un lexique illustré permettant de se familiariser avec les principales notions

d’éclairage (cf. Figure 52).

FIGURE 51. Copie d’écran montrant la répartition des valeurs de facteur de lumière du jour dans un local simulé avec le logiciel DIAL-Europe (ouvertures en toiture + façade).



FIGURE 52. Copie d’écran de l’une des rubriques du lexique de DIAL-Europe.

Cet outil, notamment utilisé dans plus de 40 universités dans le monde pour l'ensei-gnement, a trouvé un prolongement dans le projet européen DIAL-Europe qui vise à étendre les capacités du logiciel dans les domaines suivants:

• Prise en compte de données climatiques du lieu d'implantation• Calculs d'éclairage artificiel• Estimation des risques de surchauffes du local



Les critères de décision


6.0 Les critères de décision

6.1 Durée de vie du projet

La durée de vie d'un bâtiment influe directement sur le niveau de complexité des systèmes d'éclairage à mettre en oeuvre. Au moment de décider d'une stratégie con-cernant l'éclairage, il convient de s'assurer d'un certain nombre de points:

• Le temps de retour des investissement consentis ne doit pas dépasser la durée de vie prévisible des installations.

• L'utilisation rationnelle de l'installation ne doit pas nécessiter une période «d'apprentissage» et de réglage déraisonnable.

• La durée de vie des matériaux et des systèmes mis en oeuvre, doit correspondre à celle du bâtiment.

6.2 Site, implantation

Le site dans lequel s'inscrit le bâtiment, détermine les potentialités du gisement de lumière naturelle. Il convient donc de réunir les informations suivantes:

• Masques produits par l'environnement:- Influence sur l'ensoleillement,- Influence sur les vues,- Reflets éventuels (eau, bâtiments, etc.).

• Nuisances dues à l'environnement:- Bruit (influence sur la taille des vitrages et sur la possibilité de les ouvrir),- Pollution de l'air, (problèmes de maintenance des systèmes du fait des salissu-res).

• - Contraintes légales (règlements d'urbanisme, droit des tiers, etc.).

6.3 Besoins lumineux

La connaissance des activités pratiquées dans un bâtiment est à la base de la déter-mination des besoins lumineux de l'utilisateur.

6.3.1 Niveaux d'éclairement

A chaque activité peut être associé un niveau d'éclairement «recommandé». En sim-plifiant, on distingue quatre gammes de niveau d'éclairement, qui sont liées à la pré-cision de la tâche à effectuer:

• Travaux «grossiers»: orientation, circulation, stockage; E < 100 lux• Travaux courants: lecture, écriture, travail sur écran informatique; 300 < E < 500

lux• Travaux délicats: dessin, contrôle de qualité;> 500 < E < 1000 lux• Travaux très délicats: travail sur des pièces de petite dimension, contrôle des

couleurs; 1000 lux < E



Pour plus de précision concernant ces recommandations, on pourra se référer aux directives éditées par l'Association Suisse des Électriciens [ASE1989]

6.3.2 Obscurcissement

A ces quatre gammes de niveaux d'éclairement, on peut en ajouter une cinquième qui correspond à l'obscurcissement nécessité par l'utilisation de moyens audiovi-suels (projecteur de diapositives et rétroprojecteur).

Dans ce cas, on recommandera un éclairement moyen inférieur à 20 Lux.

Cette possibilité influe sur le choix du système d'occultation à mettre en œuvre (possibilité d'occultation totale), ainsi que sur le type, et la position des commandes de l'installation d'éclairage artificiel.

6.3.3 Fragilité des objets à la lumière

L'exposition des objets à la lumière, se traduit par une dégradation plus ou moins prononcée des couleurs, des pigments, des vernis (effet photochimique). Les dom-mages causés sont proportionnels à la quantité de lumière reçue et à la durée d'expo-sition. Ces effets négatifs, ne sont pas uniquement dus au rayonnement ultraviolet, mais à tout le spectre de la lumière visible.

Ce phénomène doit être pris en compte à chaque fois que l'on «expose» des objets, que ce soit à des fins commerciales ou dans le cadre de musées.

6.3.4 Homogénéité des éclairements

La diversité des niveaux d'éclairement au sein d'un local est souvent vécue comme un élément dynamisant. La présence de déséquilibre lumineux permet en effet de souligner certain traits de l'architecture, de créer des hiérarchies, et de rendre l'espace plus attractif.

Les préoccupations liées aux économies d'énergie vont dans le même sens.

6.4 Utilisateurs

La nature des utilisateurs d'un lieu, conditionne le fonctionnement de celui-ci, et de ses équipements.

6.4.1 Age des utilisateurs

Cette variable influe directement sur les niveaux d'éclairement nécessaires.

On sait par exemple que plus l'observateur est âgé, plus ses besoins en lumière sont importants. De même, concernant les enfants, on préconisera des niveaux d'éclaire-ment élevés et un très bon indice de rendu des couleurs (lutte contre l'échec sco-laire).

6.5 Fréquence d'utilisation

Un utilisateur permanent est susceptible de développer un certain nombre d'habitu-des tendant à rationaliser son environnement. Il est capable par exemple de s'inves-



tir dans le fonctionnement d'un système d'éclairage, et d'apprendre à l'utiliser au mieux.

Dans les locaux destinés à des usagers «stables», on pourra donc prévoir des systè-mes de commandes manuels, quitte à fournir une information spécifique sur l'usage optimal de ces commandes.

A l'opposé, un utilisateur occasionnel ne peut se permettre de passer du temps à comprendre comment fonctionne son environnement. Par conséquent, on ne peut pas lui demander d'intervenir pour régler son éclairage.

Dans les locaux destinés à recevoir de multiples usagers, on aura donc avantage à automatiser le contrôle de l'éclairage.

6.6 Durée d'utilisation

La majeure partie des troubles visuels associés à l´accomplissement d´une tâche sont liés à la durée pendant laquelle cette tâche est pratiquée.

Certaines ambiances lumineuses sont en effet ressenties au premier abord comme très agréables, alors qu'elles se révèlent difficile à supporter pendant toute une jour-née de travail.

On veillera donc à accorder la qualité et la quantité de lumière disponible dans un local considéré, à la durée d'utilisation de celui-ci par les mêmes utilisateurs.

6.7 Périodes de fonctionnement

La connaissance des périodes de fonctionnement d'un bâtiment est déterminante quant à la stratégie à développer en matière d'éclairage.

6.7.1 Horaires: exemple, une école

La prestation en éclairage peut être définie en fonction des horaires des cours, c'est à dire en intégrant le fait qu'avant 8 heures, et après 17 heures, par exemple, le bâti-ment ne reçoit pas d'élèves. Cette période permet de prévoir une contribution subs-tantielle de la lumière naturelle, dans la prestation d'éclairage «standard» (coïncidence avec la durée du jour).

Ceci ne signifie pas pour autant que le bâtiment est inoccupé en dehors de ces horai-res (réunions du corps professoral et administratif, réunions de parents d'élèves, pré-sence du personnel d'entretien, etc.).

Il est néanmoins possible de considérer cette présence comme «marginale». Si l'on établit une hiérarchie des besoins lumineux, on parlera alors de besoins «secondai-res».

Les installations d'éclairage supposées répondre à ces besoins devront en tenir compte. Il est inutile en effet, de prévoir une installation «hyper-sophistiquée», si celle-ci ne doit fonctionner qu'une ou deux heures par jour. On risque en effet de se trouver alors face à un temps de retour de l'investissement disproportionné.



6.7.2 Saisons

Les périodes des vacances scolaires correspondent de même dans une école, à une inoccupation des locaux. Durant cette période, on devra s'assurer que le bâtiment «livré à lui même» pourra fonctionner sans dommages (surchauffes), tout en tenant compte du fait que la notion de confort est abandonnée pendant cette période.

6.8 Mobilier, équipements

La présence d'équipements spécifiques au bâtiment, influe sur la gestion de l'éclai-rage.

6.8.1 Présence de mobilier

Le type de mobilier, ainsi que la façon dont celui-ci est disposé peuvent avoir de grosses répercutions sur la distribution de la lumière:

Les rayonnages d'une bibliothèque, par exemple, suivant qu'ils sont disposés per-pendiculairement, ou parallèlement aux ouvertures en façade, vont laisser pénétrer la lumière en profondeur dans le local, ou au contraire se comporter comme une barrière physique empêchant le passage de la lumière.

6.8.2 Présence de machines

Certains équipements ou machines ne supportent pas d'être exposés au soleil direct, soit pour des raisons thermiques (unité de production de froid dans les grandes sur-faces de vente, par exemple), soit pour des raisons de confort visuel (machines-outils: problèmes d'éblouissements dus aux reflets sur les parties métalliques pou-vant entraîner des accidents de travail).

Par ailleurs, il est important de tenir compte des éventuelles pollutions internes pro-venant des machines, afin d'intégrer leurs répercutions au niveau du degré de salis-sure ou de la dégradation des systèmes d'éclairage.

6.9 Flexibilité

Il est important de poser le problème de l'évolution de l'utilisation d'un bâtiment dans le temps, et donc de sa flexibilité.

6.9.1 Lumière naturelle

Au cours d'une réorganisation interne il est possible que l'on soit conduit à déplacer une cloison intérieur de façon à la positionner à l'emplacement d'une ouverture exis-tante. Le raccordement se fera alors de préférence au niveau d'un élément de menui-serie existant, afin de ne pas «couper» un vitrage en deux. Le rythme, et les séquences selon lesquels sont organisés les vitrages doivent permettre cette oppor-tunité.

On évitera lors de ces opérations de réorganisations, de placer des éléments de cloi-sons parallèlement aux ouvertures, pour éviter autant que possible une réduction de la pénétration de lumière du jour en profondeur.



6.9.2 Lumière artificielle

De même, l'emplacement des luminaires devra prendre en compte les éventuelles partitions pouvant être opérée dans le temps, afin de les rendre plus simples. Cela concerne aussi l'orientation de ces luminaires (parallèles aux fenêtres), ainsi que leurs commandes d'enclenchement (par zones).

6.10 Investissements

Avant toute chose, il est primordial de rappeler qu'un bâtiment bien éclairé, n'est pas forcément un bâtiment coûteux.

6.10.1 Éclairage naturel

La majeure partie des problèmes posés par la maîtrise de la lumière naturelle, peu-vent être résolus avec des procédés et des éléments constructifs courants.

6.10.2 Éclairage artificiel

Une installation d'éclairage artificiel performante repose avant tout sur l'adéquation entre le matériel mis en œuvre et la façon selon laquelle il est utilisé.

A ce sujet, on insistera sur le fait que plus les problèmes d'éclairage sont abordés tôt dans le processus de conception, mieux, les solutions retenues pourront s'intégrer au sein d'un réponse globale. Ceci va dans le sens d'une réduction des coûts initiaux, par le biais d'une rationalisation du projet.

6.10.3 Éclairage et thermique

En tout état de cause, il est difficile de distinguer nettement entre éclairage et ther-mique.

Les investissements consentis dans une gestion optimale de l'éclairage, auront en effet d'importantes répercutions sur le comportement thermique du bâtiment.

Les coûts relatifs à la mise en œuvre des protections solaires, peuvent, par exemple, être contrebalancés par une économie substantielle provenant de l'absence de sys-tème de climatisation.

6.11 Coûts de fonctionnement

A l'instar de beaucoup d'autres domaines, l'investissement consenti au départ dans un bâtiment, doit pouvoir être compensé par une diminution des coûts de fonction-nement. Ceci concerne aussi bien les frais de maintenance des systèmes d'éclairage, que les frais liés à la consommation d'énergie.

6.11.1 Éclairage artificiel

• Entretien des luminaires:L'efficacité d'un luminaire décroît régulièrement au cours du temps, notamment en raison de son empoussièrement (ceci est particulièrement vrai dans le cas des systèmes d'éclairage indirect). Le nettoyage périodique des luminaires fait donc partie des charges à assumer.



• Remplacement des sources:Une source lumineuse est caractérisée par son prix d'achat, son efficacité lumi-neuse (lumière fournie en fonction de la consommation énergétique), ainsi que de sa durée de vie. Cette durée de vie, qui varie énormément d'une technologie à une autre, conditionne la fréquence des opérations de remplacement des lampes et entraîne des différences notables de frais de main d’oeuvre. On relèvera le fait que certaines sources économes en énergie (tubes fluorescents compact par exemple) possèdent une durée de vie plus importante que les sources convention-nelles (lampes à incandescence). La réduction substantielle des coûts de consom-mation énergétique s'accompagne donc dans leur cas, par une diminution des coûts d'entretien.

6.11.2 Éclairage naturel

• Nettoyage des systèmes:Une grande partie de la maîtrise de la lumière naturelle est assurée au moyen de systèmes qui réfléchissent et dévient la lumière. Cela suppose la présence d'élé-ments spécifiques, possédant des caractéristiques photométriques précises (fac-teur de réflexion élevé, brillance). L'efficacité de ces systèmes est grandement affecté par leur degré de salissure. Il est donc nécessaire de prévoir la possibilité de nettoyer facilement ces derniers.

• Durée de vie des matériaux:Un certain nombre de matériaux dits «nouveaux» offrent des perspectives attrayantes quant à leur possibilité de jouer avec la lumière (isolation transpa-rente, films holographiques, etc.). La durée de vie de ces matériaux est toutefois inconnue à l'heure actuelle. On leur préférera généralement des matériaux plus courants dont la fiabilité a été établie de longue date (verre, tôle d'aluminium, etc.).

• Manipulations des systèmes:Certains systèmes de contrôle de la lumière solaire sont conçus pour être totale-ment passifs (systèmes fixes), tandis que d'autres sont mobiles, et s'adaptent en fonction du gisement lumineux disponible. Entre ces deux extrêmes, on trouve des solutions intermédiaires, dont la «mobilité» est réduite. C'est le cas des systè-mes à deux position (été/hiver). Ceux-ci nécessitent deux manipulations par an, qui doivent être inscrites dans le planning des services d'entretien du bâtiment. On préférera généralement ce type de dispositifs, caractérisés par une faible pro-babilité de dysfonctionnement.

6.12 Recyclage du bâtiment

Une gestion optimisée de l'éclairage se traduit indirectement par une diminution des quantités de déchets spéciaux produites par le bâtiment au cours de son fonctionne-ment ou lors de sa démolition.

En effet, la réduction de l'utilisation de l'éclairage artificiel doit se traduire par une «consommation» moindre de lampes.



Pour chaque lampe ainsi «économisée», on évite le recyclage du gaz qu'elle ren-ferme (iodures métalliques, sodium, vapeurs de mercure). On notera à ce sujet, que des entreprises spécialisées proposent depuis peu un service performant dans le domaine de la collecte et du recyclage des lampes usagées.

De même, chaque fois que l'on pourra éviter la mise en œuvre d'une unité de clima-tisation, on éliminera par la même occasion, le problème du recyclage du fréon uti-lisé.

Ces préoccupations, considérées jusqu'ici comme marginales, doivent maintenant faire partie intégrante du processus de décision, afin de promouvoir une prise en charge globale des problèmes de gestion de notre environnement.



Exemples de cas concrets


7.0 Exemples de cas concrets

Si l'on considère que la modification des caractéristiques du site d'implantation n'est pas possible dans la plupart des cas, l'amélioration des conditions d'éclairage naturel porte principalement sur trois grands domaines d'intervention

7.1 Caractéristiques extérieures:

Les éléments constructifs situés à l'extérieur du bâtiment, avant les vitrages; condi-tionnent directement la quantité de lumière disponible. Parmi ceux-ci on distinguera principalement:

• Les protections solaires• Les coursives• Les systèmes de déviation de la lumière en direction du plafond

7.2 Caractéristiques des ouvertures

Le transfert de la lumière naturelle vers l'intérieur dépend directement de trois fac-teurs:

• Le facteur de transmission des vitrages• La taille des vitrages• L'importance des menuiseries

Ces critères sont particulièrement intéressants dans la mesure où il n'est pas ques-tion ici d'ajout de technologie ou de complexité.

7.3 Caractéristiques intérieures

La façon selon laquelle la lumière naturelle interagit avec les surfaces intérieures des locaux influe considérablement sur les niveaux de facteur de lumière du jour disponibles ainsi que sur la répartition des luminances dans le champ visuel.

Parmi les critères influents on distingue notamment:

• Les facteurs de réflexion des parois• La géométrie du faux-plafond• La présence d'une tablette devant le vitrage.

Les pages suivantes montrent comment, sur des cas concrets, il est possible de modifier de façon substantielle la disponibilité de lumière naturelle en jouant sur l'un ou l'autre des paramètres évoqués ci-dessus. A chaque fois, l'exercice consiste à partir d'un état initial, et de proposer une modification. Les exemples sont, selon les cas, illustrés par des images de synthèses réalisées à l'aide du logiciel de simulation en éclairage Radiance, soit par des photos et des mesures réalisées in-situ.



7.4 Déplacement d'une coursive

Problématique.

Le bâtiment possède une coursive de fuite en béton clair, située au même niveau que les planchers intérieurs et dont la largeur totale est de 80 cm.

La transformation a consisté à remonter la coursive au niveau de l'allège, afin de dégager le vitrage supérieur, et d'augmenter ainsi les pénétrations lumineuses dans la pièce.

FIGURE 53. Visualisation en 3D de l'impact des modifications effectuées sur la disponibilité lumineuse. A gauche: local modifié: coursive au niveau de l'allège.A droite: local initial: coursive au niveau de la dalle.

FIGURE 54. Comparaison de l'autonomie en éclairage naturel d’après ASE, (cf. Figure 23, page 27).

Impacts:

• Facteurs de lumière du jourL'augmentation moyenne du FLJ est de 28% pour la zone située entre 1 et 4 m de l'ouverture.

• Autonomie en éclairage naturelL'autonomie en éclairage naturel subit une augmentation de 10% à 2m et de 20% à 4m. Ceci représente entre une et deux heures d'économie par jour.



Observations.

• Au cas où le bâtiment serait situé dans un environnement plus contraignant (mas-ques extérieurs représentant un angle d'obstruction de 30°), les gains apportés par le déplacement de la coursive seraient beaucoup plus significatifs (augmentation de l'autonomie en éclairage de 25% entre 1 et 2m, et de 40% entre 2 et 3m). Ceci représente respectivement une économie potentielle de 2h30 à 4h par jour.

• Le fait de dégager la partie haute des vitrages est primordial pour l'éclairage des zones les plus éloignées de la façade.

• Les gains entraînés par la réflexion de la lumière sur un élément extérieur (ici la coursive) restent généralement très modestes.



7.5 Mise en œuvre d'un réflecteur anidolique

Problématique.

Le local est un module de bureau dont les dimensions sont les suivantes:

• Hauteur = 2.70 m, Profondeur = 5.50 m, Largeur = 3.50 m• La façade est totalement vitrée, et les parois sont «claires»• (ρsol = 0.25, ρmurs = 0.70, ρplafond = 0.65).

On implante un réflecteur extérieur ainsi qu'un système déviateur intérieur (cf. Figure 55). Ce système permet de concentrer la lumière naturelle et de la rediriger en direction du fond de la pièce.

FIGURE 55. Comparaison des deux configurations: A gauche, local équipé d'un système anidolique. A droite: local sans système anidolique.

Impacts.

• Facteurs de lumière du jourLes niveaux d'éclairement à 5 m de la façade ont été multipliés par 2.85, par rap-port au local clair. La performance de ce système est, à ce jour, inégalée.

• AutonomieL'autonomie en éclairage de la partie arrière de la pièce est de 50% (on peut se passer de l'éclairage artificiel pendant la moitié du temps correspondant aux horaires de bureau: 8h00 18h00).

Observations importantes.

• La mise en œuvre de ce type de système suppose une hauteur sous plafond importante.

• L'encombrement du dispositif est important.



• Les niveaux d'éclairement sont réduits à proximité de l'ouverture du fait de l'ombrage créé par le système.

• Plus les obstacles extérieurs sont importants plus le système est «efficace».• Le système anidolique doit être équipé d'un store extérieur afin de limiter les

éblouissements ainsi que les surchauffes estivales.

FIGURE 56. Coupe comparative des deux locaux: A gauche: dispositif anidolique, A droite: local de référence.



7.6 Mise en œuvre d'un «Lightshelf»

Problématique.

Le local est un bureau situé dans le bâtiment EOS à Lausanne. La façade est orien-tée au sud. L'activité des usagers est essentiellement liée à l'usage d'ordinateurs.

La problématique consiste à réduire les niveaux d'éclairement à proximité de l'ouverture, tout en maintenant la disponibilité de lumière naturelle en fond de pièce.

Le dispositif adopté est un «bandeau lumineux» ou Lightshelf.

Positionné en partie haute de l'ouverture, ce système permet de réfléchir la lumière en direction du plafond, ce qui contribue à l'éclairage du fond de pièce.

FIGURE 57. Vues de la façade du bâtiment EOS à Lausanne.

Impacts.

• Facteurs de lumière du jourLes valeurs de facteur de lumière du jour sont divisées par 2 à proximité de l'ouverture.Les valeurs en fond de pièce sont identiques.

• Confort visuel.Les contrastes de luminance sont fortement atténués entre l'avant et l'arrière du local.L'ambiance lumineuse est plus homogène et favorable au travail sur écran.



FIGURE 58. Comparaison des performances (Facteurs de lumière du jour): A gauche: bureau avec lightshelf, à droite: bureau sans lightshelf.

Observations.

• Ce type de dispositif est réservé aux façades sud. En effet, dans le cas de façades exposées à l'Est ou à l'Ouest, le système n'offre pas de protection contre les rayons solaires (soleil bas), et la fonction de déviation par réflexion est inutile.

• Le fait de décaler le vitrage haut vers l'intérieur permet de protéger celui-ci con-tre les pénétrations solaires estivales. Seul le vitrage bas est équipé d'un store.



7.7 Réduction de la surface des menuiseries

Problématique.

Le local initial (à droite) présente des menuiseries très importantes (indice d'ouver-ture = 16,5%). L'opération a consisté, d'une part, à diminuer le nombre et la taille des menuiseries tout en conservant un ouvrant pour chaque élément de la trame et, d'autre part, à réduire la retombée du linteau de 15 cm (indice d'ouverture = 24,1%).

Par ailleurs, à gauche, le vitrage a été considéré comme "propre" (t = 0,80), alors que pour la configuration initiale, le facteur de transmission était de 0,65 (tel qu'il avait été mesuré in-situ). Par ailleurs, le facteur de réflexion du sol a été porté de 0,06 à 0.30.

Impacts.

• Facteurs de lumière du jourLa modification entraîne une multiplication par 2,2 des niveaux d'éclairement.

• Autonomie en éclairage naturelLa modification entraîne un décalage de la courbe d'autonomie d'environ 1,50 m vers l'intérieur de la pièce. La moitié du local dispose ainsi d'une autonomie supérieure à 50%, contre moins du quart de la pièce dans le cas initial.

Observations.

• Dans bien des circonstances, la réduction des menuiseries (rationalisation des ouvrants) va de paire avec une réduction des coûts, comme c'est le cas ici.

• Le nettoyage régulier des vitrages permet d'augmenter considérablement les niveaux d'éclairement

• Les menuiseries doivent être de couleur claire, de façon à réduire le contraste de luminance avec le vitrage.

FIGURE 59. Visualisation en 3D de l'impact des modifications effectuées sur la disponibilité lumineuse: à gauche: local modifié; à droite: local initial.



FIGURE 60. Comparaison des performances entre les deux locaux.



7.8 Valorisation du faux-plafond

Problématique.

De plus en plus de locaux bénéficient de la présence d'un faux-plafond.

La plupart du temps, ce faux plafond est continu, jusqu'à la façade. La mise en œuvre d'une ouverture dans la portion de la façade occupée par le faux-plafond per-met d'augmenter sensiblement l'éclairement en fond de pièce.

FIGURE 61. Comparaison des performances (facteur de lumière du jour).

Impacts.

• Facteur de lumière du jourLa valeur du facteur de lumière du jour est multipliée par 2 en fond de pièce.

Observations.

• Ce type de mesure est très performant. Le niveau de complexité est très réduit. La seule condition est de penser à rationaliser le passage des fluides et câbles dans le faux plafond, pour libérer la portion de l'espace située à proximité de la façade.





7.9 Création d'une cheminée de lumière

Problématique.

Lors de la rénovation d'une ferme située dans le village de Bernex, un volume initia-lement utilisée comme grange a été recomposé et divisé en deux étages. Il a été décidé de créer un conduit de lumière partant depuis le toit, traversant le premier niveau, pour déboucher en plafond du rez-de-chaussée.

Le projet initial prévoyait un simple conduit blanc, de 60x60 cm.

Le projet final (réalisé) est constitué d'un conduit de 90 x 90,tapissé d'aluminium anodisé, et pourvu d'orifices aménagés en partie haute et basse.

FIGURE 62. Visualisation de la cheminée de lumière.

Impact.

• Facteur de lumière du jourLa valeur du facteur de lumière du jour a été multipliée par plus de 4 sous le con-duit.Le revêtement réfléchissant permet de réduire considérablement les pertes par absorption lors de la descente de la lumière dans le conduit.

Observations.

• Ce type de réalisation donne des résultats très spectaculaires, avec des moyens technologiques peu complexes.

• Par temps ensoleillé, les rayons solaires sont transmis jusque dans la pièce et créent une animation lumineuse dont la dynamique varie en fonction de l'heure et de la saison.

• Pour garantir de bonnes performances par ciel couvert, il est important que le ratio Hauteur/largeur du conduit ne dépasse pas 1/8 (ici: 1/5).



FIGURE 63. Comparaison de la configuration finale avec la configuration initialement envisagée.



7.10 Changement de couleur des parois

Problématique.

Lors d'une opération de rénovation, l'une des actions les plus simples consiste à changer les revêtements intérieurs des locaux. L'emploi de couleurs claires permet de modifier l'impression de clarté des locaux et d'augmenter considérablement les niveaux d'éclairement en fond de pièce.

Dans le cas exposé ci-dessous, les deux locaux sont strictement identiques du point de vue géométrique. En revanche, la photométrie des parois a été traitée de façon à accentuer les écarts. Les facteurs de réflexion du sol, des murs et du plafond sont, respectivement:

• Local «SOMBRE»: Sol: 0.11, Murs: 0.30, Plafond: 0.57• Local «CLAIR»: Sol: 0.16, Murs: 0.75, Plafond: 0.75

FIGURE 64. Visualisation des deux locaux depuis la façade, objectif «Fish-eye». Les deux images ont été prises avec des paramètres d’exposition et d’ouverture identiques, ce qui permet une comparaison objective.

Impacts.

• Facteurs de lumière du jourLe facteur de lumière du jour a été multiplié par 2 en fond de pièce (à 5,50 m de l'ouverture).La sensation de clarté est totalement différente.



FIGURE 65. Comparaison des performances entre les deux configurations.



Conclusion


8.0 Conclusion

En guise de conclusion, nous avons dans les paragraphes qui suivent, listé les actions qui nous semblent à même de favoriser une conception optimale de l'éclai-rage des bâtiments.

8.1 A propos du bâtiment• Concevoir le bâtiment de façon à ce que tous les postes de travail se trouvent à

proximité des ouvertures. • Eclairer les locaux du dernier étage depuis la toiture.

A surface égale, les ouvertures zénithales fournissent beaucoup plus de lumière naturelle que les ouvertures en façade.

• Eclairer les sous-sols à partir de la périphérie du bâtiment.• Dès que possible, privilégier l'éclairage bilatéral.

La présence d'ouvertures sur deux façades opposées équilibre les niveaux d'éclai-rement et atténue les ombres portées.

• Tenir compte des obstructions extérieures. Un masque d'une hauteur de 25° sur l'horizon réduit de 40% la quantité de lumière naturelle disponible à 5 m des ouvertures.

• Minimiser la largeur des coursives de fuite et les relever, si possible, au niveau de la coudière (contrecœur). Le débord constitué par la coursive ne constitue une protection solaire efficace que pour les façades Sud. Pour les autres orientations, le principal effet est d'atté-nuer l'éclairage naturel.

8.2 A propos des locaux• Utiliser des couleurs claires pour les revêtements intérieurs

Plafond et murs blanc, sol et mobilier clairs.• Restreindre la profondeur de la pièce à 2 fois la hauteur du linteau de la fenêtre.

Au-delà, le recours à l'éclairage artificiel devient prépondérant pour l'accomplis-sement des tâches classiques de bureau.

• Utiliser l'épaisseur du faux plafond pour augmenter l'ouverture vers le haut (bâti-ments neufs).La création d'une ouverture dans l'épaisseur du faux plafond permet de multiplier l'éclairement par 1,5 à 2 en fond de pièce (à 5 m de la façade).

8.3 A propos des ouvertures• Dimensionner correctement les ouvertures.

L'optimum énergétique est atteint avec une surface d'ouverture égale à 50% de la surface de la façade.

• Positionner les vitrages le plus haut possible.Une retombée de linteau de 40 cm peut entraîner une chute de 40% du facteur de lumière du jour à 5 m de l'ouverture.

• Réduire la fraction de cadre (menuiseries).

Conclusion


Une réduction de 20% de la surface nette du vitrage se traduit par une baisse équivalente de la quantité de lumière disponible.

• Utiliser du verre clair. L'utilisation de verres teintés ou réfléchissants ne permet pas de se protéger con-tre les pénétrations solaires. La réduction permanente de la quantité de lumière naturelle transmise conduit à une sur-utilisation de l'éclairage artificiel).

• Utiliser du verre isolant à couche sélective. Les produit existants présentent une bonne transmission lumineuse combinée à des performances thermiques élevées.

• Limiter les obstacles devant la fenêtre.Les rideaux intérieurs lorsqu'ils sont ouvert, doivent dégager totalement l'ouver-ture (jusqu'à 30% de chute des performances lumineuses lorsque le «stockage» des rideaux est inadapté).

8.4 A propos des Protections solaires• Equiper toutes les façades (hormis la façade Nord) d'un système de protection

solaire.Une protection efficace, combinée avec une ventilation naturelle appropriée, per-met, sous nos latitudes, de se passer d'installation de climatisation.

• Positionner la protection solaire à l'extérieur, avant le vitrage.Dans le cas contraire l'effet de serre pénalise gravement le confort thermique.

• Veiller à ce que le facteur de transmission énergétique globale (g) de la protec-tion solaire n'excède pas 0,15 à 0,20La puissance instantanée délivrée par ciel serein peut atteindre jusqu'à 1000 W/m2.

• Utiliser des protections solaires mobiles afin de ne pas pénaliser l'éclairage natu-rel par temps couvert.

• Réserver les protections fixes (avant-toits) aux pièces très claires orientées au sud.

• Choisir des couleurs claires pour les lames des stores. • Essayer de combiner protection solaire et réflexion de la lumière en direction du

plafond (lames réfléchissantes, bandeaux lumineux).

8.5 A propos du confort visuel• Eviter les plafonds sombres

(production d'un «effet de grotte» qui nuit fortement au confort visuel).• Contrôler soigneusement les contrastes de luminance dans le champ visuel (ergo-

rama, panorama).L'éblouissement (direct ou par réflexion) et les contrastes trop importants sont particulièrement gênants dans le cas du travail à l'écran.

• La luminance des écrans actuels équivaut environ à celle d'une feuille de papier bénéficiant d'un éclairement de 300 lux.

• Positionner le plan de l'écran perpendiculairement à celui du vitrage.• De préférence, positionner l'ordinateur sur un support indépendant et mobile,

afin de pouvoir modifier et orienter facilement le poste de travail.

Conclusion


• Si le poste de travail est situé près de la fenêtre, limiter la protection visuelle con-tre l'éblouissement à la partie basse du vitrage (des screens manipulables du bas vers le haut existent sur le marché).Dans les cas les plus difficiles penser à une protection sur l'écran lui-même.

• Dans les bureaux abritant plusieurs utilisateurs, traiter avec soin chaque poste de travail contre l'éblouissement et les reflets gênants.

• Dans les locaux d'angle qui possèdent des ouvertures sur deux parois contiguës, utiliser le mobilier, les plantes ou bien des cloisons mobiles à mi-hauteur pour contrôler les luminances des différents postes de travail (problèmes de reflets).

8.6 Solutions innovatrices.• Pour renforcer l'uniformité des niveaux d'éclairement, penser aux systèmes de

bandeaux lumineux.Pour les locaux profonds penser aux systèmes anidoliques.Leur efficacité, qui a été confirmée dans le cadre de DIANE, permet d'accroître considérablement l'apport de lumière naturelle en fond de pièce.

• Réserver les solutions complexes à des cas particuliers (exigences spécifiques). • Dans tous les cas s'appuyer sur des mesures in-situ, des simulations sur maquette

ou sur informatique.

Conclusion


Bibliographie


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[RAVEL1994b] RAVEL

Eclairage des bureaux

Ed. Office Fédérale de Question Conjoncturelle, Eclairage, CH-3003 Berne, 1994b

[RAVEL1994c] RAVEL

Eclairage des surfaces de vente

Ed. Office Fédérale de Question Conjoncturelle, manuel RAVEL, CH-3003 Berne, 1994c

[SUVA2001] SuvaPro

Le travail à l'écran de visualisation

Vol.: Référence 44022.f, Ed. 9e édition, Lausanne, 2001.

Documents

Eclairagisme : Eléments de base - OFPPT MAROC