L’éclairage naturel première partie :Principes de base

Suzel BALEZL5C 2007-08

Hertzog et PartnerBât. De bureaux à Wiesbaden

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PlanNotions préliminaires

– La vision– Grandeurs photométriques

Le flux lumineuxL’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

La visionLe visible

La vision, principes de baseLa vision, aspects cognitifs

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L’œil n’est sensible qu’à une toute petite partie des radiations électromagnétiques Le visible (la lumière), c’est un spectre électromagnétique dont les longueurs d’ondes ont le pouvoir d’exciter les cellules visuelles de l’œil

λ=0,38 μm < Visible < λ=0,78 μm

10-8 1010108106104102110-210-410-6

Longueurs d'onde électromagnétiques en μm (10-6 m)

Rayons gamma

Rayons cosmiques

Rayons X

U. V.

Infra rougeRadar, radio, TV

VISIBLE

Le visible

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La vision, principes de base

La perception visuelle naît dans l’œil mais prend forme dans le cerveau:

– l’optique de l’œil permet la formation de l’image rétinienne et la rétine transforme la

lumière reçue en un ensemble de stimulations capables d’être traitées par le

cerveau.

Les cellules de la rétine : – les cônes : réaction au forts éclairements,

vision de détail et sensibilité à la couleur (rouge, vert, bleu);

– les bâtonnets : insensibles à la couleur, réaction aux faibles éclairements.

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La vision, principes de base

L’œil n’est pas sensible, dans le visible, de la même manière à toutes les

longueurs d’ondes. En vision de jour, le maximum de sensibilité se situe à

0,555μm (jaune-vert).

En réalité, il existe deux courbes de réponse, l'une pour des éclairements

forts (dite "photopique" et représentée ici), l'autre pour des éclairements

faibles ("scotopique »).

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Rapport figure / fond ?

Les illustrations des diapositives suivantes sont issues de Jacques Ninio, La sciences de l’illusion

La vision, aspects cognitifs

8

9

10

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Grandeurs photométriques

Le flux lumineux (lumen)L’éclairement (lux)

La luminance (candélaspar m²)

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Grandeurs photométriques :Le flux lumineux

Le flux lumineux Φ d’une source est l’évaluation, selon la sensibilité de l’œil, de la quantité de lumière rayonnée dans tout

l’espace de cette source. Il s’exprime en lumen (lm)

L’efficacité lumineuse (ou rendement lumineux) η d’une source est le quotient de

son flux lumineux Φ par sa puissance P. Elle s’exprime en lm/W.

η = Φ/P (lm/W)

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Grandeurs photométriques :L’intensité lumineuse

L’intensité lumineuse est le flux lumineux émis par unité d’angle solide

dans une direction donnée. Elle se mesure en candela (cd).

I = Φ / Ω (cd)

– L’angle solide (Ω) d’un cône est le rapport de la surface (S) découpée sur une

surface sphérique (ayant son centre au sommet de ce cône) au carré du rayon de

la sphère. Il s’exprime en stéradians (sr)

Ω = S / r² (sr)

– Le stéradian est donc l’angle solide qui découpe une surface égale à 1m² sur une

sphère d’un mètre de rayon. L’ensemble des angles solides dans une sphère représente 4π.

L’angle solide maximal vaut donc 4π stéradians.

1 candela = 1 lumen/stéradian

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Grandeurs photométriques : L’éclairement

L’éclairement (E) d’une surface est le rapport du flux lumineux reçu à

l’aire de cette surface. Son unité est le lux, équivalent à 1lm/m²

E = Φ / S (lx)

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Grandeurs photométriques : l’éclairement s’exprime en lux

L’unité utilisée pour la mesure de l’éclairement est le LUX (lx)Elle caractérise le rapport d’un flux lumineux sur une surface.

L’éclairement est donc toujours défini par rapport à une surface (que cette surface soit horizontale, verticale ou oblique

matérialisée ou non)

Notre perception de l’éclairement naturel est très variable. Nous pouvons lire un texte sous un éclairement de 100 000 lx et sous

une nuit de pleine lune (0,1lx)

5000 lx en éclairage naturel correspond à une valeur faible (temps gris) alors qu’en éclairage artificiel, c’est insupportable

(cf. le ciel artificiel de l’Ensag).

Ordre de grandeurs– Éclairement sur une place au soleil à midi en été : 100 000 lux

– Bureau - une salle de cours : 300-500 lux– Rue piétonne : 2-20 lx

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Grandeurs photométriques : La luminance

La luminance (L) d’une source est le rapport entre l’intensité lumineuse

émise dans une direction et la surface apparente de la source

lumineuse dans la direction considérée. La luminance s’exprime

en candélas par mètre carré(cd/m²)

L = I / S apparente

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Grandeurs photométriques : La luminance

La luminance est la seule grandeur photométrique

réellement perçue par l’œil humain

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Ciel

Ensoleillement Ciel couvert (éclairage diffus)

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Ensoleillement et éclairage diffus

l’ensoleillement renvoi à l’étude de la course du soleil, l’étude de la pénétration de la lumière

naturelle dans un bâtiment (ou sur un espace public), l’étude du temps d’exposition dont

bénéficie un local des rayons solaires, l’étude de protections solaires éventuelles, …

L’éclairage diffus désigne l’éclairage fourni par la voûte céleste sans les rayons solaires

directs. Ainsi la quantité d’éclairage naturel est directement dépendante de :

conditions spatio-temporelles (latitude, jour, heure)conditions météo

dimension et position des prises de journature des matériaux de vitrage

orientation des ouverturesexistence de masques extérieurs

facteurs de réflexion des parois intérieures

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Le soleil et le ciel : Climats

Ciels couverts = éclairage diffus (ou

éclairage naturel)

Ciels ensoleillés = ensoleillement

Ensoleillement

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La terre tourne autour du soleil selon un mouvement de translation sur une orbite elliptique (assimilée à un cercle). L’axe des pôles forme un angle d’inclinaison de 23° 27’par rapport au plan de l’elliptique et reste parallèle à lui-même au cours du mouvement annuel.

Généralités :– On considère que le soleil

émet comme une source située à l’infini, dont les

rayons sont parallèles entre eux.

Le soleil

24Source : Pierre Seille, ENS INSA Lyon, 2000http://www.ens-lyon.fr/Planet-Terre/Infosciences/Planetologie/Description/Articles/solstice.html

– 2 équinoxes (printemps et automne) : jour = nuit– 2 solstices (21 juin et 21 Décembre) : jours les

plus long et le plus court de l’année

4 positions clés

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Solstice d’hiver

Variations du flux solaireSolstice d’été

Cf. Lavigne et al.

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Position du soleilLa position du soleil dans le ciel

est prédictible à partir :– de la latitude,– du moment de l’année,– de l’heure

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Trajectoires solaires

Exemples de trajectoires

solaires depuis différents points

de la terre

Pour une même direction des

rayons solaires, la hauteur du

soleil évaluée en différents points

de la terre ne sera pas la

même.

28Sourc

e :

Maz

ria

Coordonnées angulaires du soleil

Hauteur et azimut servent àdéfinir la position d’un objet

par rapport à un point de référence (point d’observation).

– Hauteur : angle formé par le rayon solaire et le plan

horizontal (entre 0° et 90°)

– Azimut : angle formé par la trace du soleil sur le

plan horizontal et la direction Nord (dans le sens des aiguilles d’une

montre). Par commodité, on utilise l’azimut par

rapport au sud (< 0 côtéEst, > 0 côté Ouest)

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courses du soleil - Hiver / Été

Attention : saisons inversées sur les deux hémisphèresEté (Hémisphère Nord) quand la distance Terre / Soleil est la plus grande mais les rayons les + chauds

Cf .

Ener

g yC

o nsc

ious

De s

ign

Remarque

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Représenter les trajectoires solaires

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Les azimut sont donnés en abscisse (0° = midi solaire, quand le soleil est dans l’axe sud).Les hauteurs sont données en ordonnées.Ces diagrammes sont fournis pour une latitude donnée.

A : 21 juin [Solstice]B : mai & juilletC : avril & aoûtD : mars & septembreE : février & octobreF : janvier & novembreG : 21 Décembre [Solstice]

Diagrammes cartésiens

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Ces diagrammes permettent aussi de tracer les masques de

l’environnement et de déterminer leur influence.

Pour déterminer ces masques : – choisir un point et une hauteur

de référence– relever (sur le terrain ou sur

un plan) la hauteur et les azimut que font les arrêtes de ces masques avec le point de

référence– reporter hauteurs et azimut

sur le graphe – tracer les non horizontales

avec les indicateurs d’occultation

Attention, si vous utilisez une carte topographique (IGN), il faut soustraire

l’altitude du point de référence àl’altitude que vous lisez sur la carte.

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Exemple de diagramme solaire avec photo-montage

Place de Philippeville, Grenoble (BazarUrbain 2007)

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Courbe A : 21 juin Courbe B : 21 mai et 21 juilletCourbe C : 21 avril et 21 août Courbe D : 21 mars et 21 sept.Courbe E : 21 février et 21 octobre Courbe F : 21 janvier et 21 novembreCourbe G : 21 décembre

Le gnomon

Le gnomon repose sur le principe du cadran solaire,

adapté à la latitude du lieu.

Une tige verticale dont on connaît la dimension (d),

est posée sur le plan horizontal.

Cette tige donne une trace d’ombre qu’on représente

pour chaque mois.Les nombres situés sur les

traces solaires représentent les heures en

temps solaire.

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Principe

Il est possible de simuler les différentes positions solaires sur une maquette avec un héliodon et un projecteur à rayons parallèles.

L’Héliodon

Les 3 axes de rotation de l’héliodon :

-le basculement du plateau (0° à 90°) sur lequel est posé la maquette permet de régler

la latitude

- le pivotement du pied permet de choisir les mois

- on fait varier les heures en faisant tourner le plateau sur lui-même.

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Sourc

e :J

.J D

elét

ré-

EA G

renoble

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Durée d’insolationTemps (journalier, mensuel, annuel), durant lequel la puissance surfacique du rayonnement solaire atteignant le sol atteint ou dépasse une valeur seuil.

Correspondance avec la photométrie : 100 lm/W

Soit : 1 W/m2 ≈ 100 lux

Carte d’irradiation globale, moyenne annuelle, en Kwh/m2

Ces données sont fournies par différentes bases : Méteo

nationale, Satel-Light, Atlas solaire européen

Conditions spatiotemporelles et météorologiques

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Remarque :

En été, la quantité d’énergie solaire reçue est plus important sur une surface horizontale que

verticale même orientée SudEn hiver, la quantité d’énergie

solaire reçue est plus importante sur une surface verticale orientée Sud que

horizontale

Quelles conséquences pour le choix des ouvertures ?

Éclairage diffus

« Dame écrivant une lettre avec sa servante »

Vermeer

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En été, par ciel serein, l’éclairement horizontal au niveau de la mer atteint 100 000 lux.

En hiver, sous nos latitudes, par ciel très couvert, l’éclairement horizontal extérieur peut être inférieur à5000 lux.

Influence de la couche nuageuse

Ciel intermédiaire

Les nuages réduisent l’éclairement :

Ciel serein : 100 %Nuages 2/10 : 90 %Nuages 4/10 : 75 %Nuages 6/10 : 65 %Nuages 8/10 : 45 %Ciel complètement couvert : 20 %

Climat et contexte : le ciel

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Eint.

Eext.

Fj = E intEext

×100

oùEint = Eclairement horizontal à l’intérieur du localEext = Eclairement horizontal extérieur en site dégagé

Comme la quantité de lumière naturelle peut varier de façon importante, on introduit un rapport de proportionnalité entre l’éclairement extérieur et celui disponible à l’intérieur du local. C’est ce qu’on appelle le facteur de lumière du jour et il se calcule ainsi :

Exemple : . Eext = 5000 lxPrès d’une ouverture latérale, on peut avoir un Fj de 5%=> Eint = 250 lx

Facteur de lumière du jour

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Le facteur de lumière du jour peut se décomposer de la manière suivante :

Fj = FJD + FJRE + FJRI en %avec : FJD : composante directe de la voûte célesteFJRE : composante réfléchie extérieureFJRI : composante réfléchie intérieure

Eint.

Eext.

FJRE

FJRI

FJD

Voûte céleste

Facteur de lumière du jour : décomposition

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Ces trois composantes ont des importances diverses :

- près des fenêtres la composante du FJD est en général prépondérante sauf s’il y a un masque crée par des bâtiments devant la façade (dans ce cas là, c’est la composante du FJRE qui est importante)

- Par contre, au fond du local, la composante FJRI prend une valeur relativement importante alors qu’elle est négligeable près des ouvertures.

Eint.

Eext.

FJREFJD

FJRI

Facteur de lumière du jour

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Prises de jour verticalesune idée fausse

Sur cet exemple de cour intérieure, les pièces des étages inférieurs ne sont pas éclairés par la voûte céleste mais par les réflexions extérieures des façades. Le vitrage ayant un facteur de réflexion quasi-nul, augmenter la taille des fenêtres diminue l’éclairement à l’intérieur de des pièces des étages inférieurs

Importance de FJ Réfléchi

50 lux 30 lux

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Ordre de grandeur Type d’espace Fj (%)

cathédrale 0,5

Bureau éloigné d’une fenêtre

0,5 à 1

Bureau proche d’une fenêtre

3 à 6

Musée de peinture 0,6 à 1,8

Hall de gare XIXe siècle 10

Patio vitré 10 à 20

Paroi verticale (extérieur) 30 à 50

Surface en toiture (extérieur)

100

Réalisez que ce pourcentage est faible …0,5% de 5000lx = 25lx … éclairage d’une rue piétonne alors qu’un bureau attend 400 lx

Facteur de lumière du jour et fonctions des bâtiments

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FJ (en %)

Distance (en m)

20

15

10

5

20,5

1 2 3 4 5 6

Allure de la décroissance du facteur de lumière du jour dans un local éclairé par une seule baie verticale

hauteur du plan de mesure

Le facteur de lumière du jour n’est pas constant dans un local : il décroît très vite dès lors que l’on s’éloigne d’une prise de jour.

Variation du facteur de lumière du jour dans un local

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Facteur de lumière du jour - valeurs typiques