l’éclairage naturel 2ème partie - ensag : accueil · stratégies de la lumière naturelle

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

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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

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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)

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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

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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

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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 %

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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

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Type de distribution

Un éclairage naturel indirect – Kimbell Art Museum (L. Kahn)

– Lumière solaire du Texas

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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

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* 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

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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

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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 !)