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L’éclairage naturel2ème partie :
Stratégies et prédétermination
Suzel BALEZ L5C 2007-08
Cathédrale de Chartres(1240)
Transept nord
2
Plan
Notions préliminaires– La vision
– Grandeurs photométriquesLe flux lumineux
L’éclairement (lux)La luminance
Les 2 aspects de l’éclairage naturel : ensoleillement et
éclairage diffus– Ensoleillement
– Éclairage diffus
Stratégies de l’éclairage naturel
– Capter– Transmettre
– Distribuer– Se protéger
– Contrôler
Prédétermination de l’éclairage naturel
– Calculs– Logiciels
– Modèles réduits
3
Stratégies de la lumière naturelle
Capter
Transmettre
Distribuer
Se protéger
Contrôler
Capter
« La qualité intérieure d’un espace dépend de la quantité d’espace extérieur qui entre
par le truchement de la lumière et de la transparence .»
Franck Lloyd Wright
5
Type de ciel
– 15 mars à 9h (univ.)– Ouverture orientée au sud
– (latitude 50,8° N)
6
Moment de l’année
Courses minimale et maximale du soleil (latitude 50,8°N)
Ouverture orientée au sud
(latitude 50,8° N)13h univ.
azimut
hauteur
7
Heure
Journée du 15 décembre
(rappel)
8
Capter : environnement
Relief du terrain
Bâtiments avoisinants
Éléments liés au bâtiment lui-même
Végétation
Réflexion des surfaces extérieures
9
Capter : environnement / Relief du terrain
Ombres possibles du relief sur les bâtiments
Ou bien au contraire la pente peut favoriser leurs ensoleillement
(dépend de la géométrie solaire / pente)
10
Capter : environnement/ Bâtiments avoisinants
Effet de rue :masque solaire des bâtiments de l’autre côté de la rue (dépend du rapport hauteur bâti/ largeur rue)
11
Capter : environnement/ Réflexion des surfaces extérieures
Le facteur de réflexion des surfaces extérieures peut
amener une augmentation de la quantité de lumière
pénétrant dans le local
Sous ciel couvert 15
juin 13h univ
ρ = 0,22
ρ = 0,35
ρ = 0,9
Transmettre= Favoriser la pénétration de la lumière à
l’intérieur d’un local
• Caractéristiques de la fenêtre• Inclinaison de l’ouverture
•Orientation de l’ouverture• Configuration
• Dimensions de l’ouverture• Châssis• Forme
• Matériau de transmission
• Caractéristiques du local•Dimensions
•Aménagement intérieur
13
Inclinaison de l’ouverture
Fenêtre verticaleFenêtre en toiture
14
Fenêtre verticale
Système le moins performant en terme d’éclairage par la lumière du jour
Le plus utilisé car facile à mettre en oeuvre (et permet une vue sur l’extérieur!)
Bien orientée, présente beaucoup d’avantages thermiques
15
c’est le système le plus performant: de 3 à5 fois plus de lumière, à surface
équivalente, qu’un vitrage vertical.
Principes
Fenêtre en toiture
Fenêtre zénithale horizontale de 1,5m²,
placée au centre du plafond
15 déc. 13h univ, (lat.50,8°N)
16
S’ouvre sur la totalité de la voûte céleste =» forte pénétration de la
lumière diffuse
Lumière entre par les plafonds =»limite éblouissements dans les
locaux
– attention, si elle est mal conçue, elle va aussi créer plus de surchauffe l’été
– =» les prises de jour sont couramment inclinées (non horizontales) et orientées
au Nord (sheds, lanterneaux protégés, lucarnes)
Fenêtre en toiture
17
Pour nos latitudes tempérées, on peut distinguer 5 orientations principales qui tiennent compte des
déséquilibres de température entre matin et après-midi.
Nord : jamais de soleil direct ; importance des réflexions extérieures
Sud : soleil haut quand les apports énergétiques sont importants
Sourc
e :
ABC
-EA M
arse
ille
et J
.J.
Del
étré
-EAG
Orientation de l’ouverture
Est : même caractéristiques que Ouest mais sans surchauffe de la journée
Ouest : apport énergétique le plus élevé, (après-midi) ; soleil bas
18
Orientation de l’ouverture
Sous ciel couvert les baies verticales captent
la lumière de manière similaire,
indépendamment de leur orientation
Sous ciel clair l’orientation de la baie influence la quantité de lumière captée
19
Caractéristiques de la fenêtreConfiguration (position de la baie sur la paroi)
20
Que la fenêtre soit en creux, au nu ou en avancée ne change rien
aux performances lumineuses globales de la pièce.
En revanche, un ébrasement permet de créer une zone de transition lumineuse entre intérieur et extérieur.
Caractéristiques de la fenêtreConfiguration (position par rapport à la paroi)
21
Caractéristiques de la fenêtreDimensions de l’ouverture
600 lx en fond de local400 lx en fond de local200 lx en fond de localOrientation sud, 15 juin, 13h (univ.) Lat.50,8°N, Ciel clair
Augmenter le prise de contact avec l’extérieur : exemple du plafond biaisé
22
Caractéristiques de la fenêtreForme de l’ouverture
23
Caractéristiques de la fenêtreForme de l’ouverture
24
Caractéristiques de la fenêtrePosition de l’ouverture
Plus la fenêtre est élevée, mieux le fond du local est éclairé
500 lx en fond de local450 lx en fond de local350 lx en fond de local
Orientation sud, 15 juin, 13h (univ.) Lat.50,8°N, Ciel clair
25
Caractéristiques de la fenêtreClerestory
Clerestory = fenêtre dont le seuil se trouve au dessus du niveau de l’œil– Répartition plus uniforme de la lumière
dans l’espace– Meilleur éclairage du fond du local– Réduit les risques d’éblouissement
direct
26
Surface des menuiseries
Caractéristiques de la fenêtreConfiguration (Châssis)
27
Caractéristiques de la fenêtreConfiguration (transmission du vitrage)
Facteur de transmission
vitrage simple (3mm) : 0,9vitrage double : 0,81
vitrage double normalement sale : 0,6pour les simulations sur maquette, valeur
utilisée : 0,6
Les vitrages plastiques vieillissent vite (UV, poussières, intempéries…). Leur facteur de
transmission varie au cours du temps.
28
Caractéristiques de la fenêtreConfiguration (transmission du vitrage)
29
Caractéristiques de la fenêtre : exemple de rénovation
Situation d’origine :– menuiseries 33% de lumière en moins– Facteur de transmission du vitrage 0,9
(vitrage simple)
Lumière qui pénètre dans la pièce : 60,3 %
30Lumière qui pénètre dans la pièce : 100 %
Caractéristiques de la fenêtre : exemple de rénovation
Dépose des menuiseries d’origine
31
Caractéristiques de la fenêtre : exemple de rénovation
Nouvelles menuiseries :– menuiseries 32,3% de lumière en moins
– Facteur de transmission du vitrage 0,6 (vitrage double)
Lumière qui pénètre dans la pièce : 40,35 %
32
Sourc
e I
NRS
Facteur solaireFs = T + Ts exprimé en %
Ts
T
Caractéristiques de la fenêtreConfiguration (vitrages spéciaux)
Vitrages passifs : – extra clairs (facteur de transmission
amélioré)– autonettoyants…
Vitrages super-isolants (MIT) : – Aérogels : composés de mousses de
silice entre 2 plaques de verre. Exceptionnel qualités thermiques (identiques à des parois pleines)
mais transmission plus faible
Vitrages dynamiques : – électrochromes (obscurcissement)– à cristaux liquides (opacification)
– à émission lumineuse– à lamelles internes
Distribuer
• Type de distribution lumineuse
• Répartition des ouvertures• Agencement des parois
intérieures• Matériau des surfaces du local
• Zones de distribution lumineuse
• Serres, atria…• Systèmes de distribution
lumineuse
34
Type de distribution
Un éclairage naturel indirect – Kimbell Art Museum (L. Kahn)
– Lumière solaire du Texas
35
Répartition des ouvertures
– Une prise de jour en façade introduit une forte variation quantitative de
l’éclairement avec le recul.
– Une prise de jour en toiture permet d’uniformiser l’éclairement dans le
local. Elle est 3 à 5 fois plus performante qu’une prise de jour en
façade (même surface, même vitrage).
– On peut aussi améliorer les performances par l’emploi de dispositifs
complémentaires : bandeaux…
36
L’atrium, le patio, la cour intérieure
Leur performances sont complexes et dépendent de leur géométrie et de leur
orientation. Sachant que les vitrages ont un facteur de réflexion très faible, la partie
opaque supérieure de ces systèmes doit être très réfléchissante.
37
Atria
Rappelez vous :Fj en toiture = 100% et Fj sur une paroi verticale à ciel ouvert est compris entre
30 et 50% ….
38
La serre, la véranda, les doubles peaux …
Les locaux arrières sont éclairés en second jour. La transmission
lumineuse est fortement affaiblies par ces dispositifs.
Si ces solutions sont associées àdes protections solaires efficaces (+
aération), elles sont souvent appréciés par les utilisateurs.
39
Systèmes de distribution lumineuse
40
Systèmes de distribution lumineuse (effet d’un voilage)
Un simple voilage fin joue le rôle de diffusant et permet d’équilibrer l’éclairage naturel à l’intérieur de la pièce.
41Principe
Conduits de lumière
de petite section par rapport aux autres solutions de prise de jour
– tube réfléchissant fixe (« canon à lumière ») ou système mobiles sophistiqués liés à des
concentrateurs et à un pilotage par ordinateur.
– pour être de « vrais système d’éclairage », ils doivent être orientés du côté du soleil et capter
directement la lumière du soleil.
– même si le système n’est pas très efficace, ils peuvent aussi apporter un lien psychologique,
esthétique et social avec l’extérieur
42
Systèmes de distribution lumineuse / Vitrages àréorientation
Les composants
prismatiquesutilisent le
principe de réfraction
(déviation de la lumière) ou de
transmission de la lumière par un
prisme( ! ces matériaux sont translucides
et non transparents)
Coupe sur les lames : horizontales et inclinées
43
Systèmes de distribution lumineuse / Vitrages àréorientation
Sections de miroirs dans le double vitrage
– Les miroirs paraboliques de différentes tailles dont positionnés de façon à laisser
passer le soleil d’hiver et à renvoyer le soleil d’été (! au sud)
44
Systèmes de distribution lumineuse / Vitrages àréorientation
Les films à lame d’air (Laser-cut panels)
Une lame d’air est inséré entre 2 couches de polymères (perpendiculaire au plan
du film). L’ensemble se comporte comme un prisme et permet une vue
extérieure.
45
Systèmes de distribution lumineuse / Vitrages àréorientation
Les films holographiques– Ces films se collent sur des vitrages ordinaires et ré-orientent la lumière (! Distorsion colorimétrique qui peut être
gênante)
46
Exemple d’utilisation de films holographiques
Les panneaux laissés
transparents contiennent
des films holographiques qui réorientent la lumière des
spots extérieurs vers l’intérieur pour
l’éclairage de nuit
Hall d’entrée de l’Université de
BrêmeArchitecte : Alsop
+ Stömer
47
* Les réflecteurs simplesOn peut ajouter à différents système de prise de jour
des réflecteurs externes constitués de revêtements spéculaires (réflexion comme un miroir) ou
diffusants.
•Les bandeaux lumineux (light shelves)Un bandeau lumineux permet d’augmenter l’apport d’éclairage naturel en fond de local. Les bandeaux extérieurs sont plus performants que les bandeaux
intérieurs.
Bandeau intérieur
Bandeau extérieur intégré à la façade
Principe
Systèmes de distribution lumineuse : réflecteurs externes
48
Bandeaux
49Source: http://windows.lbl.gov
Ce dispositif combine bandeau lumineux, film réfléchissant et conduit de lumière
Conduits de lumière et bandeaux
50
Conduits de lumière
51
Conduits de lumière
Se protéger
53
Se protéger masques proches et lointains
Les masques environnants– Bloquent les rayons de soleil
directs– Masquent des portions de ciel
54
Se protéger
55
Se protéger au sud
– L’orientation sud est la plus facile à traiter.
Sous nos latitudes, la hauteur du soleil entre avril et août est
supérieure à 60°. C’est généralement cette hauteur
qu’on prend comme référence.– H= 90° - Latitude + 23,5°
– ex à Grenoble, H=90°-45+23,5 = 68,5°
La dimension de l’avancée est fonction de la hauteur entre l’avancée et le bas de la prise de jour. Tan H = H / P
On peut aussi fractionner la protection: l’espacement des lames sera alors fonction de leur épaisseur
Attention : les réflexions extérieures dans la partie basse peuvent fortement renforcer l’apport de chaleur.
Sourc
e :
ABC
-EA M
arse
ille
et J
.J.
Del
étré
-EAG
Schéma pour midirayons solaires de hauteur 70°
56
Se protéger au sud
57
Sourc
e :
ABC -
EA M
arse
ille
et J
.J.
Del
étré
-EAGLa hauteur de référence des rayons
solaires est 30°. L’avancée doit devenir très importante.
L’utilisation d’écrans fractionnés sont les plus courantes. Incliner les lames permet de les espacer et maintenir une vue sur l’extérieur.
On peut aussi utiliser des lames verticales, avec un angle horizontal de position de ces lames de 15° à 30°.
Se protéger à l’ouest
58
Nombreuses techniques existent (type store vénitien), les lamelles servent à orienter la lumière ou protéger la baie.
Une protection interne laisse pénétrer les IR ; la chaleur est piégée entre la baie et le store.
Sourc
e :
St
Gobai
n
Stores vénitiens et store extérieur
Se protéger : Lamelles à changement de direction
59
Sourc
e :
ww
w.a
rch.u
cl.a
c.be/
ecla
irag
e
Sourc
e:
PM
A
Façade double peau avec modules de brise-soleil orientables par commande électrique programmable
Les lames sont composées de 2 feuilles de verre enserrant un film multicouche dont la
face externe est réfléchissante et la face interne micro-perforée pour maintenir la vue
Brise soleil en alu, lames fixes ou orientables
Se protéger : Lamelles à changement de direction
60
Contrôler
61
Contrôler éclairage artificiel
Zonage
Régulation du flux des lampes
Sensibilisation des occupants
Automatisation des commandes
62
Prédétermination de l’éclairage naturel
CalculsLogiciels
Modèles réduits
63
Calculs : fenêtre verticale
Attention, la notion d’indice de vitrage est très relative, puisque la position du vitrage peut changer fortement le résultat à surface vitrée égale. Cet indice n’est donné ici que dans le cas de
baies dont l’allège est à hauteur du plan de travail, et la retombée du linteau faible
Garde Fou - Formule du CSTBIl s’agit plus d’un garde-fou que d’une formule de calcul.
La méthode repose sur deux définitions :
Indice de vitrage corrigé : Ic = Iv x τavec
Iv : surface de vitrage /surface du local au solτ : facteur de transmission « corrigé » du vitrage
(sale)Indice de profondeur : Ip = P / hu
avec P : profondeur du local (épaisseur
des parois comprise)hu : hauteur utile (hauteur comprise
entre le plan de mesure de l’éclairement et la retombée du linteau
de la fenêtre
64
Par exemple :si on veut Fj = 3%, avec des sheds
inclinés à 60% (k = 4),il faudra :
i = 4 x 3% = 12% d’ouvertureSi le facteur de transmission du
vitrage = 0,8,la surface de vitrage à prévoir est :
S = i / t = 12 / 0,8 = 15% de la surface au sol.
La valeur k dépende de l’inclinaison de la partie vitrée.
Calculs : fenêtre en toiture
Cette formule simple permet, en avant-projet, de déterminer la surface de vitrage nécessaire pour obtenir un facteur du jour
donné.
Indice d’ouverture :i = surface “ouverte” / surface au sol du local
Pour une prise de jour en toiture :i = k x Fj
65
Logiciels
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Modèles réduits
Maquettes sous ciel artificiel
Héliodon et gnomon
Prototypes de taille réelle
67
Paramètres thermiques et acoustiques
Thermique– paroi pleine : U = 0,3 W/m2.C- vitrage double : U = 3 W/m2.C
où U = coef. De transmission thermique
– Du point de vue de la déperdition thermique,
1 m2 de vitrage ≈ 10 m2 de paroi pleine.
Acoustique– paroi pleine : R = 55 dB(A)
- vitrage très bonne qualitéR = 38 dB(A)
où R = indice d’affaiblissement acoustique
– Du point de vue acoustique, 1 m2 de vitrage ≈ 50 m2 de paroi pleine
68
Bibliographie
La structure de ce cours et l’essentiel des illustrations sont tirées de : Reiter S. et De Herde A., L’éclairage
naturel des bâtiments, Louvain, UCL, 2004, 265p. (voir aussi leur site : http://www-
energie.arch.ucl.ac.be/eclairage/accueil.htm
Et aussi de : Fontoynont M., Daylight performance ofbuildings, European Comission, James & James, 1999
AFE, La lumière du jour dans les espaces intérieurs, Paris, éd. Lux.
Moore F., Concepts and practice of architectural daylighting, VNR ed., New York, 1985.
International Energy Agency, Daylight in buildings, IEA SHC Task 21 report, 2000. Disponible sur :
http://www.iea-shc.org/task21/index.html
Site du laboratoire ABC à l’école d’architecture de Marseille Luminy (www.marseille.archi.fr)
Voir aussi le site de l’École d’Architecture de Seattle : http://www.daylightinglab.com/daylighting/daylightin
g_studio.htm (superbes travaux d’étudiants !)