simulation numérique de l'éclairage, limites et...
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Chapitre I
Chapitre I
Etat de lrsquoart de la simulation
numeacuterique de lrsquoeacuteclairage
Reacutesumeacute Dans ce chapitre nous reacutealisons une eacutetude bibliographique dans le domaine de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage
Nous commenccedilons par une description des pheacutenomegravenes de propagation de la lumiegravere et des meacutethodes existantes pour leur simulation
Nous faisons ensuite le point sur les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage sur les diffeacuterents types existants leurs limites et leurs capaciteacutes
Nous faisons eacutegalement lrsquoanalyse du domaine de validation de ces logiciels les travaux deacutejagrave reacutealiseacutes leurs cateacutegories et leurs probleacutematiques Nous concluons par les besoins dans ce domaine afin drsquoy reacutepondre au mieux par ce travail de thegravese
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Chapitre I
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Chapitre I
Table des matiegraveres Introduction 23 I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation 23
I11 Les sources de lumiegravere artificielle 23 I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel 23 I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires 24 I113 Notion de champ proche - champ lointain 25 I114 Fichiers photomeacutetriques 25 I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle -
source surfacique) 26 I12 Les sources de lumiegravere naturelle 27
I121 le soleil 27 I122 le ciel 27 I123 les modegraveles de ciel 28 I123 Le sol exteacuterieur 29 I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain) 29 I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul 30
I13 La geacuteomeacutetrie 32 I131 Geacuteneacuteraliteacutes 32 I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie 33
I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade 33 I141 Ouverture simple 33 I142 Vitrage classique 34 I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel 34 I144 Eleacutements de protection solaire 35 I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux 35
I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux 35 I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage 36
I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage 37 1211 Radiositeacute 37 1212 Lancer de rayons 38
I22 Exemples types des logiciels existants 39 1221 Adeline 39 1222 Genelux 39 1223 Inspirer 40 1224 DIAL Leso-Dial 40 1225 Lightscape 32 40 1226 Radiance 40 1227 Superlite 40
I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels 40 I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage 41
I31 Introduction 41 I32 Diffeacuterents types de validation 42
I321 La validation analytique 42 I322 La validation expeacuterimentale 43 I323 La validation comparative 43
I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes 43 I331 Le travail de Khodulev et Kopylov 44 I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE 44 I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA 44
I34 Analyse de la probleacutematique 45 I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels 45
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Chapitre I
I351 Introduction 45 I352 Concept et approche proposeacutes 46
Conclusions 47 Reacutefeacuterences Bibliographiques 48
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Chapitre I
Introduction On entend par logiciel de simulation de la lumiegravere un outil informatique qui permet de simuler la propagation de la lumiegravere dans un milieu donneacute Cette propagation est caracteacuteriseacutee par un certain nombre drsquoaspects drsquoordre physique Nous citons par exemple
- La photomeacutetrie des sources (naturelles ou artificielles) - Le transfert des flux agrave travers des mateacuteriaux vitreacutes (agrave caracteacuteristiques bidirectionnelle
ou non) - La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux (brillants mats hellip) - Le rocircle des obstructions et des masques - Lrsquoaspect spectral des sources et des mateacuteriaux - Le rendu graphique des reacutesultats
Nous menons dans cette partie du travail une eacutetude bibliographique pour mieux comprendre ces diffeacuterents aspects et les meacutethodes utiliseacutees pour leur simulation
I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation Dans cette partie nous listons les diffeacuterents eacuteleacutements qui affectent la propagation de la lumiegravere dans un bacirctiment et nous faisons le lien avec les moyens existants pour leur simulation
I11 Les sources de lumiegravere artificielle Les premiers eacuteleacutements agrave prendre en consideacuteration dans la propagation de la lumiegravere sont les sources de lumiegravere Nous commenccedilons par la lumiegravere artificielle qui est encore de nos jours mieux maicirctriseacutee que la lumiegravere naturelle dans le domaine de la conception et de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage
I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel Lrsquoeacuteleacutement de base de la lumiegravere artificielle est la lampe Vis-agrave-vis des pheacutenomegravenes de propagation de la lumiegravere une lampe est caracteacuteriseacutee en particulier par le flux lumineux et sa reacutepartition spectrale et spatiale
Cependant les lampes sont geacuteneacuteralement combineacutees agrave des optiques dont le but est de reacuteorienter le flux sortant drsquoune lampe afin drsquoameacuteliorer son efficaciteacute en particulier du point de vue des eacuteclairements reacutesultants sur les zones utiles et du confort visuel de lrsquooccupant Cette combinaison entre lampe et optique repreacutesente ce qursquoon appelle un luminaire
Ainsi un luminaire est caracteacuteriseacute par la quantiteacute du flux lumineux sortant qui deacutepend du flux de la lampe et des absorptions dans lrsquooptique par la reacutepartition spectrale de ce flux qui correspond souvent agrave celle de la lampe utiliseacutee et finalement par la reacutepartition du flux sortant dans lrsquoespace affecteacutee surtout par la geacuteomeacutetrie et les mateacuteriaux de lrsquooptique et par la position de la lampe par rapport agrave celui-ci
Lrsquoensemble de ces caracteacuteristiques repreacutesente la photomeacutetrie drsquoun luminaire qui est un eacuteleacutement de base dans la conception et la simulation de lrsquoeacuteclairage artificiel En effet la prise en consideacuteration de la lumiegravere artificielle dans un projet drsquoeacuteclairage porte principalement sur les paramegravetres suivants
1 Niveau drsquoeacuteclairement requis sur les plans de travail 2 Confort visuel (eacuteblouissement direct contrastes dans le champ de visionhellip) [Achard
1994] 3 Systegravemes de controcircle et interaction avec lrsquoeacuteclairage naturel
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Chapitre I
4 Consommation eacutenergeacutetique 5 Coucirct drsquoinstallation et de maintenance 6 Estheacutetique et inteacutegration architecturale (rendu de couleur)
Les outils drsquoaide agrave la conception inteacutegrant ces paramegravetres peuvent varier entre les meacutethodes simplifieacutees de calcul manuel (souvent associeacutees agrave des abaques) et les logiciels baseacutes sur des algorithmes de calcul physique de plus en plus complexes et performants (Radiositeacute Lancer de rayon) [CIE 1978] [IESNA 1982] [CIE 1982] [CIE 1984] [AFE 1987] [CIE 1989] [CIE 1992] [CIE 1995] [IESNA 1991] [IESNA 1991]
I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires Pour pouvoir calculer lrsquoeacuteclairement direct ducirc agrave un luminaire il est neacutecessaire de connaicirctre le flux lumineux sortant et sa distribution directionnelle Cette distribution dite aussi distribution des intensiteacutes courbe photomeacutetrique ou solide photomeacutetrique est mesureacutee agrave lrsquoaide drsquoun goniophotomegravetre
Un goniophotomegravetre consiste agrave preacutesenter sous diffeacuterents angles un luminaire muni drsquoune lampe et drsquoun ballast eacutetalonneacutes agrave un capteur drsquoeacuteclairement situeacute agrave une grande distance Les premiers goniophotomegravetres conccedilus par Ferris Wheel permettaient de faire tourner le luminaire dans un plan horizontal et de faire tourner le capteur dans un plan vertical ce qui neacutecessite des grands espaces
De nos jours on utilise surtout des goniophotomegravetres agrave miroir ougrave le luminaire fait des rotations dans le plan horizontal et un miroir fait une rotation verticale autour du luminaire de faccedilon agrave reacutefleacutechir la lumiegravere incidente du luminaire vers un capteur fixe placeacute agrave une certaine distance
Figure I1 Exemple drsquoun goniophotomegravetre agrave miroir
On utilise eacutegalement une deuxiegraveme meacutethode de mesures goniophotomeacutetriques dite photomeacutetrie agrave distance drsquoapplication Elle consiste agrave mesurer point par point les eacuteclairements reccedilus sur une surface situeacutee agrave une certaine distance du luminaire Ces mesures seront interpoleacutees de faccedilon agrave conclure une distribution des intensiteacutes eacutequivalentes qui produirait les mecircmes valeurs si elle eacutetait positionneacutee au centre photomeacutetrique du luminaire Lrsquoinconveacutenient de cette meacutethode est qursquoelle nrsquoest applicable que pour une certaine distance
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Chapitre I
Une troisiegraveme meacutethode consiste agrave utiliser des capteurs CCD calibreacutes en luminance pour mesurer le champ de lumiegravere entourant la source Cette meacutethode est dite de photomeacutetrie agrave champ de luminances et elle est de plus en plus utiliseacutee dans le domaine de la photomeacutetrie en champ proche [CIE 1987] [CIE 1996] [Ashdown 2001] [Deniel 2002]
I113 Notion de champ proche - champ lointain Pour une mesure goniophotomeacutetrique drsquoun luminaire il faut faire la diffeacuterence entre mesures en champ proche et en champ lointain
Les mesures en champ lointain supposent que la source de lumiegravere mesureacutee est infiniment petite et pour laquelle peut srsquoappliquer la loi de lrsquoinverse du carreacute Cette hypothegravese est geacuteneacuteralement veacuterifieacutee agrave 2 pregraves pour les cas ougrave le point de mesure est agrave une distance du luminaire drsquoau moins cinq fois sa largeur (regravegle des 5x) Cependant cette notion nrsquoest pas toujours applicable comme par exemple pour les luminaires indirects de grande dimension (eg agrave tubes fluorescents)
Les mesures en champ proche prennent en consideacuteration lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute de la distribution des intensiteacutes entre diffeacuterentes zones drsquoune source Ca consiste agrave mesurer la distribution de la lumiegravere agrave une distance proche du luminaire
La photomeacutetrie en champ proche produit un grand nombre de donneacutees dont lrsquoexploitation nrsquoest pas encore agrave la porteacutee de la majoriteacute des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage existants Crsquoest pourquoi nous ne traitons pas la photomeacutetrie en champ dans notre travail [IESNA 1993] [Ashdown 1993] [Ashdown 2001] [Deniel 2002]
I114 Fichiers photomeacutetriques Les mesures goniophotomeacutetriques (en champ lointain) drsquoun luminaire sont souvent preacutesenteacutes sous forme de tableaux de valeurs ou des graphiques associant une valeur drsquointensiteacute lumineuse agrave chaque direction (repeacutereacutee par un angle vertical et un angle horizontal agrave partir du centre photomeacutetrique du luminaire ie centre de la rotation du luminaire)
La valeur donneacutee de lrsquointensiteacute peut ecirctre une valeur absolue mesureacutee ou bien une valeur relative en cdmsup2 pour un flux de 1000lm produit par la ou les lampes du luminaire
Pour prendre en consideacuteration ces donneacutees photomeacutetriques dans une simulation de lrsquoeacuteclairage un certain nombre de formats de fichiers numeacuterique a eacuteteacute creacuteeacute
7 Le format IESNA dit IES deacutefini et publieacute en 1986 par lrsquoIESNA (Illumination Engineering Society for North America) et depuis adopteacute par les constructeurs ameacutericains de luminaires et par les deacuteveloppeurs de logiciels de calcul drsquoeacuteclairage Ce format a eacuteteacute reacuteviseacute en 1991 en 1995 [IESNA 1995] et plus reacutecemment en 2002 [ANSIIESNA 2002]
8 Le format CIBSE TM 14 CIBSE standard file format for the electronic transfer of luminaire photometric data publieacute en 1988 et largement utiliseacute au Royaume Uni [CIBSE 1988]
9 Le format Eulumdat proposeacute par Stockmar A en 1990 et largement adopteacute par lrsquoindustrie europeacuteenne de lrsquoeacuteclairage [Stockmar 1990] [Stockmar 2000] [Ashdown 1999]
10 Le format CIE 102-1993 Recommended file format for electronic transfer of luminaire photometric data Ce rapport a eacuteteacute publieacute par la CIE dans lrsquoobjectif de standardiser un format international et unique mais il nrsquoa pas eacuteteacute suffisamment soutenu par lrsquoindustrie de lrsquoeacuteclairage ou par les deacuteveloppeurs de logiciels ce qui eacutetait le cas eacutegalement pour drsquoautres tentatives [CIE 1993]
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Chapitre I
Figure I2 Exemples de visualisation 3D de fichiers photomeacutetriques associeacutes agrave la geacuteomeacutetrie drsquoun luminaire
De faccedilon geacuteneacuterale les diffeacuterents formats proposeacutes preacutevoient une partie pour les informations geacuteneacuterales (sur le luminaire et les lampes utiliseacutees sur le flux sur les conditions de mesurehellip) une partie pour la description des angles de mesures (nombre drsquoangles verticaux et horizontaux et leurs valeurs les axes de symeacutetrie srsquoils existenthellip) puis une partie pour preacutesenter les valeurs drsquointensiteacute agrave associer agrave chaque angle de mesure
En ce qui concerne le flux reacuteel agrave utiliser pour la simulation il peut ecirctre deacuteduit de lrsquointeacutegration des intensiteacutes corrigeacutees ou non par un facteur multiplicateur (pour passer des valeurs relatives aux valeurs reacuteelles) ou bien il peut ecirctre donneacute en valeur absolue dans le fichier (Voir les exemples preacutesenteacutes dans lrsquoannexe G)
I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique) Lrsquoexploitation drsquoun fichier photomeacutetrique dans un logiciel se fait agrave lrsquoaide drsquoune interpolation des valeurs donneacutees pour les diffeacuterentes directions de mesure pour en deacuteduire des valeurs drsquointensiteacute agrave affecter agrave toutes les autres directions Il existe plusieurs meacutethodes drsquointerpolation dont les plus utiliseacutees la meacutethode diteSpline la meacutethode lineacuteaire et la meacutethode dite Seacuteries de Fourier Quelle que soit la meacutethode drsquointerpolation utiliseacutee il existe une source drsquoerreur potentielle en particulier dans le cas de variation rapide des valeurs drsquointensiteacute reacuteelles entre les directions mesureacutees Pour cela il est conseilleacute de faire des mesures goniophotomeacutetriques avec des pas de mesure assez fins en particulier pour les luminaires agrave photomeacutetrie complexe
Suite agrave cette interpolation le logiciel dispose drsquoune distribution drsquointensiteacute complegravete dite aussi solide photomeacutetrique qursquoil pourra utiliser pour calculer les eacuteclairements directs reccedilus sur les diffeacuterentes surfaces de la geacuteomeacutetrie Ce calcul est baseacute sur la formule deacutefinissant la relation entre lrsquointensiteacute (Iox) drsquoune source ponctuelle (O) dans la direction drsquoun point donneacute (X) lrsquoangle drsquoincidence par rapport agrave la surface de mesure (θ) et la valeur drsquoeacuteclairement reacutesultante sur ce point (E = Iox cosθ dsup2)
Etant donneacute que ce calcul prend en consideacuteration une source point (caracteacuteriseacutee par le solide photomeacutetrique souvent placeacute au centre photomeacutetrique du luminaire) il est important de veacuterifier la loi de 5x entre la distance d et la longueur du luminaire
Cependant la majoriteacute des logiciels existants procegravedent agrave une subdivision automatique drsquoune source lineacuteaire ou surfacique en une seacuterie de sources points et cela en fonction de sa dimension et de sa distance des points de mesure afin de veacuterifier la loi de 5x Le mecircme solide
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Chapitre I
photomeacutetrique sera attribueacute agrave toutes les sources points avec un flux qui correspond agrave une partie du flux initial de la grande source
Il faut noter que cette subdivision drsquoun luminaire en une seacuterie de sources points ne prend pas en consideacuteration lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute de la distribution des intensiteacutes entre les diffeacuterentes zones de ce luminaire Ce qui fait introduire une source drsquoerreur qui doit ecirctre prise en consideacuteration en comparant les reacutesultats drsquoune simulation (baseacutee sur un solide photomeacutetrique obtenu par des mesures goniophotomeacutetriques en champ lointain) agrave des mesures expeacuterimentales drsquoeacuteclairement [IESNA 1993] [Ashdown 2001] [Deniel 2002]
I12 Les sources de lumiegravere naturelle Malgreacute lrsquoutilisation intense de la lumiegravere artificielle dans notre mode de vie la source principale de lumiegravere reste la lumiegravere de jour Pour parler de la lumiegravere du jour il faut bien eacutevidemment parler du soleil et du ciel mais aussi du sol exteacuterieur et de lrsquoenvironnement urbain [CIE 1970] [IESNA 1993] [Dumortier 1995]
I121 le soleil A lrsquoorigine de la lumiegravere du jour on trouve le soleil qui est la source primaire de rayonnement sur la terre La variation de lrsquoinclinaison des rayons du soleil agrave la fois dans le temps et dans lrsquoespace creacutee un veacuteritable dynamisme et dessine les grandes lignes de la geacuteographie des climats
La position apparente du soleil par rapport agrave un point donneacute de la terre est exprimeacutee par deux paramegravetres la hauteur solaire qui repreacutesente lrsquoangle vertical du soleil avec lrsquohorizon et lrsquoazimut solaire qui repreacutesente lrsquoangle horizontal (dans le sens des aiguilles de la montre) du soleil avec le sud
Lrsquoeacuteclairement solaire direct reccedilu sur une surface donneacutee deacutepend en particulier de lrsquoangle drsquoincidence du rayonnement solaire sur la surface (variant avec lrsquoorientation de la surface et la position du soleil) de la distance entre le soleil et cette surface (variant avec lrsquoorbite elliptique de la terre) et de lrsquoatteacutenuation du flux lumineux dans lrsquoatmosphegravere (variant avec la densiteacute des nuages et des aeacuterosols) Cet eacuteclairement deacutepend aussi de lrsquoExitance eacutenergeacutetique du soleil exprimeacutee par la Constante solaire qui repreacutesente lrsquoeacuteclairement eacutenergeacutetique (en klx) produit par le rayonnement solaire extraterrestre sur une face perpendiculaire aux rayons solaires agrave la distance moyenne Soleil-Terre Cette constante est pondeacutereacutee par lrsquoefficaciteacute lumineuse relative du rayonnement solaire
La prise en consideacuteration du soleil dans une simulation numeacuterique se fait surtout agrave travers des algorithmes matheacutematiques qui servent agrave calculer la position du soleil par rapport agrave la latitude et la longitude du site au jour de lrsquoanneacutee (de 1 agrave 365) et au temps local Cette position est alors utiliseacutee pour eacutevaluer la peacuteneacutetration agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment
I122 le ciel Avant drsquoatteindre la surface de la terre les rayons solaires traversent et subissent les effets de la couche gazeuse qui enveloppe la terre lrsquoatmosphegravere Sa densiteacute et sa pression diminuent au fur et agrave mesure que lrsquoaltitude augmente Trois reacutegions sont deacutefinies pour caracteacuteriser la composition de lrsquoatmosphegravere lrsquohomosphegravere lrsquoheacuteteacuterosphegravere et la photosphegravere Seule lrsquohomosphegravere intervient dans les pheacutenomegravenes de propagation du rayonnement solaire car elle contient lrsquoair sec et pratiquement la totaliteacute de lrsquoeau atmospheacuterique et les aeacuterosols principaux eacuteleacutements qui influencent la composition spectrale et la propagation de la lumiegravere
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Chapitre I
Ainsi avec la position du soleil et les conditions climatiques (eg densiteacute des nuages densiteacute des aeacuterosolshellip) se dessine une distribution spatiale des luminances de la voucircte ceacuteleste vue par un site donneacute de la terre
Cette distribution des luminances deacutetermine lrsquoeacuteclairement horizontal sur un site donneacute et joue un rocircle principal dans la propagation de la lumiegravere de jour agrave lrsquointeacuterieur des bacirctiments
La prise en consideacuteration des champs de luminances des ciels dans une simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage se fait tregraves souvent agrave travers les modegraveles numeacuteriques de ciels
I123 les modegraveles de ciel Pour pouvoir preacutedire avec preacutecision les eacuteclairements obtenus agrave lrsquointeacuterieur drsquoune piegravece eacuteclaireacutee en lumiegravere de jour il est essentiel de pouvoir deacuteterminer la distribution des luminances du ciel
Pour cela des recherches et des observations ont eacuteteacute meneacutees agrave travers le monde et plusieurs modegraveles numeacuteriques ont eacuteteacute creacuteeacutes et standardiseacutes afin de deacutecrire des reacutepartitions types de luminances qui correspondent le mieux aux conditions de ciel les plus rencontreacutees dans la reacutealiteacute
Ces modegraveles sont geacuteneacuteralement deacutecrits par des formules exprimant la variation des luminances des diffeacuterentes zonesmailles du ciel souvent par rapport agrave la luminance au zeacutenith et selon la position du soleil et les caracteacuteristiques de lrsquoatmosphegravere
A noter que de maniegravere geacuteneacuterale ces modegraveles de ciel ne prennent pas en consideacuteration le rayonnement direct du soleil
Parmi les modegraveles de ciel existants nous citons les suivants
1 Ciel Uniforme utiliseacute auparavant pour le calcul du facteur de lumiegravere de jour 2 Ciel clair CIE baseacute sur le modegravele deacutefini par kittler en 1965 [Kittler 1965] [CIE 1973]
[CIE 1990] 3 Ciel couvert CIE baseacute sur le modegravele de Moon and Spencer et largement utiliseacute comme
reacutefeacuterence pour le calcul du facteur de lumiegravere de jour depuis sa recommandation par la CIE en 1970 [Moon 1942] [CIE 1970] [CIE 1990]
4 Ciel intermeacutediaire de Nakamura [Nakamura 1989] 5 Ciels IESNA Pour deacuteterminer la reacutepartition des luminances drsquoun ciel lrsquoIESNA utilise les
eacutequations utiliseacutees par la CIE pour les ciels clair et couvert et propose une autre eacutequation pour un ciel intermeacutediaire Cependant en plus de la reacutepartition des luminances lrsquoIESNA propose lrsquoutilisation drsquoune eacutequation pour obtenir une valeur absolue de lrsquoeacuteclairement horizontal et une autre eacutequation pour en deacuteduire directement la luminance au zeacutenith Les paramegravetres associeacutes aux deux eacutequations deacutependent de la condition du ciel (clair intermeacutediaire ou couvert) et de la position du soleil [Karayel 1984]
6 Modegravele tout temps de Perez Crsquoest un modegravele empirique baseacute sur un algorithme unique qui agrave partir de la variation de deux paramegravetres lieacutes aux conditions climatiques (clarteacute et luminositeacute) deacutecrit des reacutepartitions de luminances correspondantes agrave des conditions de ciel allant du ciel sans nuages au ciel complegravetement couvert [Perez 1993]
7 Modegravele du Ciel Geacuteneacuteral de la CIE qursquoon peut consideacuterer comme une deacuteriveacutee du ciel tout temps de Perez Il est deacutefini par une eacutequation unique et 15 seacuteries de paramegravetres pour deacutecrire 15 conditions types de ciel et la distribution des luminances propre agrave chacune de ces conditions [CIE 2002]
Mecircme si la majoriteacute de ces modegraveles tentent de repreacutesenter les champs de luminances des ciels le plus fidegravelement possible agrave la reacutealiteacute il est important de noter qursquoil sera difficile sinon
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Chapitre I
impossible de repreacutesenter tous les cas de figures qui peuvent exister dans un ciel reacuteel par des simples formules
Ceci est particuliegraverement vrai si nous voulons prendre en consideacuteration ce qui peut apparaicirctre dans un champ de luminances externe agrave une ouverture zeacutenithale ou verticale (masques sol exteacuterieurhellip)
Face agrave la complexiteacute des champs de luminances reacuteels plusieurs tentatives ont eacuteteacute meneacutees afin de transformer un champ de luminances reacuteel en un modegravele de ciel agrave travers des mesures de scanner de ciel ou bien agrave travers des photos numeacuteriques eacutetalonneacutees [Roy 1998] [Mardaljevic 2001] [Dumortier 2001]
Au-delagrave de la variation des luminances drsquoun ciel certaines eacutetudes se sont inteacuteresseacutees agrave la variation de la tempeacuterature de couleur proximale et de la reacutepartition spectrale [Chain 1999]
I123 Le sol exteacuterieur La lumiegravere naturelle reacutefleacutechie sur le sol exteacuterieur peut jouer un rocircle important dans la propagation de la lumiegravere du jour agrave lrsquointeacuterieur des bacirctiments En effet elle repreacutesente en moyenne 10 agrave 15 de lrsquoeacuteclairement vertical direct sur une faccedilade et peut deacutepasser cette valeur dans le cas drsquoun sol clair
En geacuteneacuteral cette lumiegravere est renvoyeacutee par les surfaces du plafond ou des murs vers les autres surfaces internes et participe ainsi agrave la composante reacutefleacutechie interne du facteur de lumiegravere de jour
La prise en consideacuteration du sol exteacuterieur dans une simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage se fait souvent en supposant une luminance uniforme de celui-ci variant avec lrsquoeacuteclairement Hz et le facteur de reacuteflexion moyen du sol Cependant dans certains logiciels il est neacutecessaire de modeler le sol exteacuterieur par une surface de grande dimension Dans ce cas le moteur de calcul doit proceacuteder au calcul de la reacutepartition de la luminance sur le sol avant de calculer sa contribution agrave lrsquoeacuteclairage inteacuterieur
I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain) Dans le calcul de la lumiegravere du jour agrave lrsquointeacuterieur drsquoun bacirctiment il est important de prendre en consideacuteration les eacuteleacutements de faccedilade et lrsquoenvironnement urbain Ceux ci peuvent repreacutesenter agrave la fois une obstruction agrave lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour directe dans le bacirctiment et une source secondaire de lumiegravere naturelle par reacuteflexion (composante reacutefleacutechie externe)
Ainsi par exemple une piegravece au premier eacutetage sera moins eacuteclaireacutee qursquoune autre au 5egraveme eacutetage dans le cas drsquoun bacirctiment en vis agrave vis Ou encore la mecircme piegravece sera mieux eacuteclaireacutee avec un facteur de reacuteflexion plus eacuteleveacute de la faccedilade en face
La prise en consideacuteration des masques dans certaines meacutethodes de calcul simplifieacutees se fait agrave travers la deacutetermination de lrsquoangle drsquoobstruction (entre le centre de la fenecirctre et la ligne limite entre le masque et le ciel) et du facteur de reacuteflexion moyen du masque
Un calcul plus preacutecis de lrsquoinfluence drsquoun sceacutenario urbain donneacute sur lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour dans une piegravece peut se faire agrave lrsquoaide des algorithmes de calcul physiques (radiositeacute ou lancer de rayon) Cependant cela neacutecessite la modeacutelisation geacuteomeacutetrique des masques exteacuterieurs ce qui entraicircne un temps de calcul relativement long
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Chapitre I
I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
Geacuteneacuteraliteacutes On entend par conception de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment le choix des composants et des caracteacuteristiques des parois vitreacutees leur position leurs dimensions les speacutecifications des vitrages et des protections solaires
Ces choix sont guideacutes par des consideacuterations thermiques (apport solaire et surchauffe deacuteperditions par lrsquoenveloppe) acoustiques eacutenergeacutetiques (eacuteclairage artificiel systegravemes de chauffage et de climatisation) ergonomiques (confort visuel) ainsi qursquoestheacutetiques et architecturales
Il est eacutegalement neacutecessaire de prendre en consideacuteration les interactions entre ces diffeacuterents paramegravetres afin drsquoarriver agrave un compromis qui reacutepond le mieux aux exigences du projet Par exemple laisser passer plus de lumiegravere naturelle en agrandissant les surfaces vitreacutees entraicircnerait une augmentation de lrsquoapport solaire et des surchauffes en eacuteteacute et de la deacuteperdition et de la consommation eacutenergeacutetique du chauffage en hiver
Avec les progregraves technologiques apporteacutes aux systegravemes de controcircle on arrive de nos jours agrave mieux geacuterer ces interactions en particulier le controcircle des protections solaires en relation avec le confort visuel et le controcircle de lrsquoeacuteclairage artificiel en relation avec la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour sur le plan de travail (systegravemes de dimming controcircles automatiseacutes zonagehellip) Cependant pour que la conception de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment aboutisse agrave une meilleure efficaciteacute eacutenergeacutetique il est important de srsquoy inteacuteresser degraves les premiegraveres phases de la conception du bacirctiment (orientation dimensionnementhellip) [ASHRAE-IESNA 1989] [CIE 1994] [Leslie 2003]
Eclairement inteacuterieur requis Un paramegravetre cleacute dans la conception de lrsquoeacuteclairage naturel est lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (en particulier sur le plan de travail) Cet eacuteclairement subit des variations importantes avec le temps dues au dynamisme de la distribution des luminances du ciel (en particulier la zone vue par un point de reacutefeacuterence)
Ducirc agrave cette dynamique et pour simplifier la prise en consideacuteration de ce paramegravetre dans la conception drsquoun bacirctiment la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute a eacuteteacute introduite Ainsi on srsquointeacuteresse agrave un seuil minimum drsquoeacuteclairement neacutecessaire pour assurer le bon fonctionnement des tacircches pour lesquelles est deacutedieacute un local Le deacutepassement de ce seuil est supposeacute comme geacuteneacuteralement compenseacute par lrsquoadaptation de lrsquoœil
Disponibiliteacute de la lumiegravere de jour Lrsquoeacuteclairement inteacuterieur est directement lieacute agrave la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour agrave lrsquoexteacuterieur du bacirctiment Cette derniegravere est exprimeacutee par lrsquoeacuteclairement sur une surface horizontale deacutegageacutee Sa variation avec le temps et la geacuteographie a eacuteteacute eacutetudieacutee agrave partir de plusieurs campagnes de mesure agrave travers le monde [Dumortier 2003]
Ainsi la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour a pu ecirctre deacutecrite par des diagrammes en fonction de la latitude et drsquoun pourcentage des heures drsquoune anneacutee pour une peacuteriode journaliegravere donneacutee (9h agrave 17h par ex) pour lesquelles lrsquoeacuteclairement horizontal exteacuterieur deacutepasse un certain seuil Ces diagrammes ne prennent souvent en consideacuteration que lrsquoeacuteclairement diffus
De nos jours on arrive agrave estimer la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour par lrsquoanalyse des images satellites Nous citons dans ce domaine le serveur Web Satel-Light deacuteveloppeacute au
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Chapitre I
LAboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Dumortier 1995] [Satel-Light 1995] [Dumortier 2002] [Dumortier 2003]
Facteur de lumiegravere de jour Afin de deacuteterminer une relation entre lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (en un point de la piegravece) et la disponibiliteacute de la lumiegravere du jour agrave lrsquoexteacuterieur drsquoun bacirctiment la notion du Facteur de Lumiegravere de Jour est utiliseacutee
FJ= (EintEext)
Ce ratio est subdiviseacute en plusieurs composantes
- La composante directe FJD (varie avec la distribution des luminances du ciel vues par le point de reacutefeacuterence)
- La composante reacutefleacutechie externe FRE (varie avec la contribution de la lumiegravere reacutefleacutechie sur le sol et les masques exteacuterieurs)
- La composante reacutefleacutechie interne FRI (varie avec les inter-reacuteflexions au niveau des surfaces inteacuterieures et deacutepend du facteur de reacuteflexion de ces surfaces)
Ainsi FJ = FJD + FRE + FRI
Pour le calcul drsquoun facteur de lumiegravere de jour en particulier sa composante directe il est important de caracteacuteriser la reacutepartition des luminances dans le ciel Alors que pour des raisons de simplification on supposait une reacutepartition uniforme (en azimut et en zeacutenith) de la luminance du ciel la CIE a proposeacute lrsquoadoption du ciel CIE couvert standard eacutetant donneacute qursquoil repreacutesente mieux de la distribution reacuteelle des luminances drsquoun ciel nuageux
Lrsquoutilisation drsquoun ciel nuageux pour la mesure ou le calcul du facteur de lumiegravere de jour est compatible avec la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute En effet les autres conditions possibles de ciel aboutissent geacuteneacuteralement agrave une meilleure peacuteneacutetration de la lumiegravere diffuse ou agrave une compensation par la lumiegravere directe du soleil Ainsi en adoptant le facteur de lumiegravere de jour sous un ciel nuageux comme reacutefeacuterence pour la conception on garantit une marge de seacutecuriteacute et un niveau minimum
Diagrammes drsquoautonomie A lrsquoaide des paramegravetres deacutecrits ci-dessus lrsquoeacuteclairement inteacuterieur requis les diagrammes de disponibiliteacute de la lumiegravere de jour et le facteur de lumiegravere de jour il est possible de deacutecrire des diagrammes drsquoautonomie en lumiegravere de jour Ces diagrammes permettent de deacutefinir un pourcentage de temps garanti ougrave lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (naturel) en un point donneacute deacutepassera un certain seuil Ou bien il permet de deacutefinir un facteur de lumiegravere de jour minimum requis afin de garantir un certain pourcentage de temps de deacutepassement drsquoun seuil drsquoeacuteclairement inteacuterieur [ASE 1989] [Satel-Light 1995]
Calcul dynamique de lrsquoeacuteclairage naturel (coefficient de FLJ) La nouvelle tendance dans la conception en eacuteclairage naturel nrsquoest plus baseacutee sur la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute mais sur un calcul dynamique de lrsquoentreacutee de la lumiegravere en utilisant les fichiers climatiques drsquoun site donneacute Cette meacutethode plus reacutealiste mais plus lourde en calcul est devenue utilisable gracircce agrave lrsquoeacutevolution des capaciteacutes du mateacuteriel informatique Sa mise en place utilise lrsquoapproche du facteur de lumiegravere de jour directionnel pour preacute-calculer la contribution relative des diffeacuterentes mailles du ciel agrave lrsquoeacuteclairement des diffeacuterents points drsquoun espace inteacuterieur [Tregenza 1983] [Mardaljevic 2000] [Reinhart 2000] [Dumortier 1995]
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Chapitre I
Outils de conception En ce qui concerne les meacutethodes existantes pour le calcul et lrsquoeacutevaluation de lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment elles sont classeacutees selon les cateacutegories suivantes [De Boer 1999]
- Les meacutethodes de calcul manuel (meacutethode de lumen ) - Les meacutethodes graphiques baseacutees sur des diagrammes selon des configurations types
du bacirctiment Ces diagrammes sont compleacuteteacutes par des facteurs de correction agrave prendre en consideacuteration en relation avec la transmission des vitrages la deacutegradation due agrave lrsquoaccumulation des saleteacutes le facteur de reacuteflexion moyen des surfaces inteacuterieureshellip
- Des mesures expeacuterimentales dans des maquettes agrave eacutechelle reacuteduite ou reacuteelle sous un ciel artificiel ou reacuteel
- Les logiciels de simulation baseacutes en particulier sur les meacutethodes de radiositeacute et de lancer de rayon
Un autre aspect de conception en eacuteclairage naturel (que celui de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour) consiste agrave prendre en consideacuteration les taches solaires agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment en particulier du point de vue de lrsquoapport thermique et du confort visuel Lrsquoeacutetude des taches est le plus souvent limiteacutee agrave certains jours repreacutesentatifs de lrsquoanneacutee (en particulier les solstices) et pour diffeacuterentes heures de la journeacutee
Les meacutethodes existantes pour lrsquoeacutetude des taches solaires sont
- Des meacutethodes manuelles utilisant des diagrammes solaires - Des eacutetudes sur maquette reacuteduite sous un heacuteliodon - Des meacutethodes numeacuteriques utilisant des algorithmes matheacutematiques pour deacutefinir la
position du soleil et des algorithmes de lancer de rayon pour simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere solaire directe agrave travers lrsquoenveloppe du bacirctiment Certains logiciels sont deacuteveloppeacutes speacutecialement pour lrsquoeacutetude des taches solaires on parle alors drsquoheacuteliodons numeacuteriques
En plus que les outils de simulation nous traitons dans notre travail les mesures expeacuterimentales dans des maquettes drsquoeacutetude
I13 La geacuteomeacutetrie
I131 Geacuteneacuteraliteacutes Comme la source lumineuse la geacuteomeacutetrie drsquoun espace est un eacuteleacutement cleacute pour calculer et preacutedire la propagation de la lumiegravere agrave lrsquointeacuterieur de cet espace Pour un calcul drsquoeacuteclairage (manuel ou numeacuterique) la description de cette geacuteomeacutetrie doit inclure une description tri-dimensionnelle de lrsquoespace ainsi qursquoune caracteacuterisation physique de ses mateacuteriaux Dans cette partie nous nous inteacuteressons agrave la description tri-dimensionnelle de lrsquoespace dans la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage
Les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie agrave prendre en consideacuteration dans une simulation sont geacuteneacuteralement les surfaces visibles des mateacuteriaux opaques du volume inteacuterieur Dans un sceacutenario drsquoeacuteclairage naturel nous consideacuterons eacutegalement les surfaces du sol et des masques exteacuterieurs ainsi que les composants des parois vitreacutees
On parle de surfaces visibles des mateacuteriaux opaques car contrairement au cas des eacutechanges de flux thermiques lrsquoinfluence des mateacuteriaux opaques sur la propagation des flux lumineux se limite agrave ces surfaces
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Chapitre I
La prise en consideacuteration des parois vitreacutees du sol et des masques exteacuterieurs peut varier entre les diffeacuterents logiciels Ainsi lrsquoinfluence de ces eacuteleacutements (vitrage store veacutenitien masque vertical ou horizontalhellip) peut ecirctre calculeacutee analytiquement dans un logiciel et agrave lrsquoaide drsquoun lancer de rayon ou un calcul de radiositeacute dans un autre Le premier cas ne neacutecessite qursquoune description parameacutetrique (type de vitrage couleur et orientation des lames angle drsquoobstructionhellip) et le deuxiegraveme neacutecessite une modeacutelisation preacutecise des eacuteleacutements
I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie Bien que certains logiciels offrent la possibiliteacute drsquoune automatisation de lrsquoentreacutee de la geacuteomeacutetrie 3D cellendashci est en fin de compte deacutecrite par un ensemble de polygones deacutefinis par les coordonneacutees carteacutesiennes de leurs sommets (x y z)
Pour les logiciels de simulation qui nrsquooffrent pas une interface de DAO pour lrsquoentreacutee de la geacuteomeacutetrie il est possible drsquoimporter cette derniegravere agrave partir drsquoun logiciel de DAO externe [IESNA 1999] La plupart des logiciels de simulation sont compatibles avec le format DXF creacuteeacute par Autodesk et standardiseacute par la suite pour le transfert de donneacutees geacuteomeacutetriques [Autodesk 1999]
Parmi les logiciels de DAO souvent utiliseacutes pour modeacuteliser la geacuteomeacutetrie 3D nous citons AutoCAD ArchiCAD et Microstation Cependant lorsqursquoune geacuteomeacutetrie est deacutecrite agrave lrsquoaide drsquoun logiciel externe il est important de prendre certaines preacutecautions dans le mode de dessin afin de garantir une meilleure compatibiliteacute avec la plupart des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
Les preacutecautions agrave prendre et leurs importances sont diffeacuterentes drsquoun logiciel agrave un autre mais souvent le but est drsquoeacuteviter les confusions lors du transfert qui peuvent mener agrave des erreurs de calcul Par exemple il peut srsquoagir de respecter la notion de lrsquoorientation des surfaces qui est importante dans certains logiciels ou bien de limiter la modeacutelisation des surfaces de la geacuteomeacutetrie aux parties apparentes pour eacuteviter les fausses ombres [Foley 1990]
I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade La propagation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquointeacuterieur drsquoun bacirctiment deacutebute par un transfert des flux agrave travers les parois vitreacutees Ainsi il est important de prendre ces derniegraveres en consideacuteration pour une preacutediction preacutecise de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment
La caracteacuterisation drsquoun composant drsquoune paroi vitreacutee en transmission lumineuse se fait geacuteneacuteralement agrave travers des mesures goniophotomeacutetriques Ainsi agrave partir drsquoune seacuterie de mesures de transmission en direct-direct seront deacuteduites les fonctions de transfert direct-heacutemispheacuterique et heacutemispheacuterique-heacutemispheacuterique qui caracteacuterisent un mateacuteriau donneacute [CIE 1998]
Cependant une paroi vitreacutee peut se preacutesenter sous diffeacuterentes formes agrave diffeacuterents niveaux de complexiteacute Nous listons ci-dessous les principaux cas de figures
I141 Ouverture simple Le cas le plus basique est celui drsquoune simple ouverture sans vitrage Lrsquoinfluence drsquoune telle ouverture sur la propagation de la lumiegravere naturelle se limite agrave sa dimension et son eacutepaisseur qui deacuteterminent la partie du champ de luminances externe rendue visible aux points inteacuterieurs Lrsquoaspect directionnel qualitatif et quantitatif du flux lumineux incident est conserveacute lors du passage agrave travers cette ouverture et ne subit aucune deacuteviation ni atteacutenuation (si ce nrsquoest la reacuteflexion sur les bords)
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Chapitre I
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel se fait souvent agrave lrsquoaide drsquoun maillage de sa surface La luminance apparente des mailles est ensuite calculeacutee (agrave partir de la luminance de la zone du ciel apparente agrave travers cette maille par un point donneacute) et finalement est calculeacutee la contribution de chaque maille agrave lrsquoeacuteclairement du point eacutetudieacute
Dans un certain nombre de logiciels le calcul commence par une deacutetection du champ de vision drsquoun point de mesure agrave travers lrsquoouverture Cette deacutetection se fait geacuteneacuteralement agrave lrsquoaide drsquoun lancer de rayons qui permet de deacutefinir les limites du masque constitueacute par les murs entourant lrsquoouverture
I142 Vitrage classique Dans le cas drsquoune ouverture vitreacutee (vitrage classique) le flux incident subit lrsquoinfluence de la transmission directionnelle du vitrage Cette transmission diminue avec lrsquoaugmentation de lrsquoangle drsquoincidence du rayonnement lumineux et varie selon le type de vitrage (simple double teinteacutehellip)
Il existe plusieurs reacutefeacuterences pour deacuteterminer la variation theacuteorique de la transmission lumineuse drsquoun vitrage avec lrsquoangle drsquoincidence Mais en geacuteneacuteral la majoriteacute drsquoun flux lumineux transmis agrave travers un vitrage classique est supposeacute garder sa directionnaliteacute (angle de transmission = angle drsquoincidence) et ne subit qursquoune simple atteacutenuation selon lrsquoangle drsquoincidence [Hopkinson 1966] [Hopkinson 1966 Tregenza 1993]
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture vitreacutee dans une simulation drsquoeacuteclairage naturel suit le mecircme principe que pour une ouverture non vitreacutee mais en plus une atteacutenuation de la contribution drsquoune maille agrave lrsquoeacuteclairement drsquoun point est calculeacutee selon lrsquoangle drsquoincidence entre cette maille et ce point de mesure Cependant certains logiciels ne prennent pas en consideacuteration la transmission directionnelle drsquoun vitrage et se contentent drsquoaffecter un facteur de transmission uniforme
I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel Il existe sur le marcheacute de la construction de plus en plus de vitrages agrave proprieacuteteacutes bi-directionnelles dont le but est souvent de favoriser le cheminement drsquoun flux lumineux incident dans une direction donneacutee (Laser Cut Panel Serraglaze etc) Par exemple dans le cas drsquoune ouverture verticale lrsquoobjectif est souvent de favoriser lrsquoorientation du flux transmis vers le plafond afin de permettre une entreacutee plus profonde de la lumiegravere et afin drsquoeacuteviter ou au moins drsquoatteacutenuer les taches solaires Dans le cas drsquoune ouverture zeacutenithale lrsquoobjectif est de favoriser lrsquoentreacutee verticale de la lumiegravere provenant de toutes les directions de lrsquoheacutemisphegravere exteacuterieur
Le flux lumineux incident sur ce type de mateacuteriaux est transmis avec changement drsquoorientation partielle ou totale dans le mecircme plan drsquoincidence ou bien dans tout lrsquoheacutemisphegravere de sortie
La prise en consideacuteration drsquoun mateacuteriau agrave transmission bidirectionnelle dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel est drsquoune complexiteacute importante Elle neacutecessite lrsquoutilisation des fonctions de transfert bidirectionnelles dite BTDF qui sont assez lourdes en calcul Les logiciels permettant ce type de simulations sont encore assez rares et limiteacutes au domaine de la recherche scientifique [Fontoynont 1999] [Greenup 2000] [Andersen 2003]
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Chapitre I
I144 Eleacutements de protection solaire Le rocircle des eacuteleacutements de protection solaire est de bloquer drsquoatteacutenuer ou de reacuteorienter la lumiegravere directe du soleil Parmi les types les plus utiliseacutes nous citons en particulier les stores veacutenitiens (agrave effet de reacuteorientation) les brises soleil (agrave effet de masque) et les stores en toile (agrave effet de diffusion)
La prise en consideacuteration des eacuteleacutements de protection solaires dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel deacutepend de leur type Par exemple les protections solaires agrave effet de masque neacutecessitent un simple calcul de lancer de rayons alors que la simulation des eacuteleacutements agrave effet de reacuteorientation suit le mecircme principe que pour les vitrages bidirectionnels [Klems 1995] [Shareef 2001]
I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux Pour caracteacuteriser le comportement des parois vitreacutees afin de mieux les prendre en consideacuteration dans le calcul ou la simulation de lrsquoeacuteclairage on a recours aux mesures goniophotomeacutetriques
Ces mesures peuvent srsquoaveacuterer drsquoune grande complexiteacute en particulier dans le cas des mateacuteriaux bidirectionnels puisqursquoils neacutecessitent des mesures heacutemispheacuteriques en entreacutee et en sortie
De nos jours plusieurs deacuteveloppements sont en cours afin de simplifier les proceacutedures de mesure ou de conduire ces mesures numeacuteriquement agrave lrsquoaide drsquoalgorithmes physiques [Mitanchey 1995] [Andersen 2003] [Andersen 2003] [De Boer 2003]
Drsquoautres efforts sont eacutegalement investis dans le but de simplifier la preacutesentation des donneacutees goniophotomeacutetriques [Roy 1995] [Mitanchey 1996] [IEA-SHC 1999]
I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux Si lrsquoeacuteclairage direct reccedilu des sources de lumiegravere (naturelles ou artificielles) est un eacuteleacutement de base dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere lrsquoeacuteclairage dit indirect nrsquoest pas de moindre importance
En effet lrsquoeacuteclairage indirect ducirc aux inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les diffeacuterentes surfaces drsquoune scegravene peut repreacutesenter une proportion importante de lrsquoeacuteclairement total par rapport agrave lrsquoeacuteclairement direct Crsquoest le cas notamment des luminaires indirects ou des systegravemes de reacute-acheminement de la lumiegravere directe du soleil
Les inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie deacutependent de la photomeacutetrie de ces surfaces (ou des mateacuteriaux qui les constituent) Cette photomeacutetrie est caracteacuteriseacutee en particulier par trois paramegravetres
- Le facteur de reacuteflexion global - La directionnaliteacute de la lumiegravere reacutefleacutechie - Lrsquoinfluence spectrale sur la lumiegravere reacutefleacutechie
Le premier repreacutesente le rapport entre le flux total reacutefleacutechi sur une surface et le flux initial incident Pour faciliter la mesure de ce paramegravetre un nombre de mateacuteriaux standards a eacuteteacute deacutefini comme reacutefeacuterence [CIE 1979] [CIE 1979] [CIE 1998]
Le deuxiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la ou les directions de reacuteflexion drsquoun flux incident avec une direction donneacutee Cette directionnaliteacute deacutepend de la geacuteomeacutetrie microscopique de la surface (apparente) drsquoun mateacuteriau opaque On distingue en particulier deux types de reacuteflexion theacuteoriques Les reacuteflexions parfaitement speacuteculaires et les reacuteflexions
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Chapitre I
parfaitement diffuses Bien que ces cas extrecircmes nrsquoexistent pas dans la reacutealiteacute les lois theacuteoriques relatives sont bien deacutefinies (La loi de Descartes pour le premier et loi de Lambert et les formules de facteur de forme pour le deuxiegraveme) Au-delagrave de ces deux cas theacuteoriques simplifieacutes un nombre de travaux a eacuteteacute meneacute pour deacutecrire des modegraveles analytiques plus complets qui srsquoapprochent mieux de la reacutealiteacute mais qui repreacutesentent un degreacute de complexiteacute plus eacuteleveacute [Trowbridge 1975] [Kajiya 1985] [Uetani 1992] [Balocco 2001] [Deniel 2002]
Dans la majoriteacute des logiciels existants la reacuteflexion de la lumiegravere sur une surface est simuleacutee par une combinaison de reacuteflexions diffuses et speacuteculaires Ainsi une partie du flux est reacutefleacutechie en obeacuteissant agrave la loi de Descartes et une autre partie est diffuseacutee uniformeacutement dans lrsquoespace Les algorithmes utiliseacutes sont eacutegalement en geacuteneacuteral une combinaison de radiositeacute et de lancer de rayons Certains logiciels nrsquoutilisant que les algorithmes de radiositeacute se contentent de supposer les surfaces comme 100 diffuses
Drsquoautres logiciels qui restent assez rares prennent en consideacuteration les fonctions de reacuteflexions bidirectionnelles (BRDF) theacuteoriques ou mesureacutees Cependant il faut noter que de nos jours la preacutecision des mesures de ces fonctions neacutecessite encore des moyens financiers et logistiques trop importants
Le troisiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la qualiteacute spectrale de la lumiegravere reacutefleacutechie par rapport agrave celle de la lumiegravere incidente Elle deacutepend en particulier de lrsquoabsorption spectrale seacutelective du mateacuteriau En effet le facteur drsquoabsorption drsquoun mateacuteriau peut ecirctre plus ou moins eacuteleveacute selon la longueur drsquoonde avec laquelle arrive une partie du flux incident Ainsi le spectre de la lumiegravere reacutefleacutechie peut ecirctre complegravetement diffeacuterent de celui de la lumiegravere incidente Les mateacuteriaux qui ont le mecircme facteur de reacuteflexion pour toutes les longueurs drsquoonde sont dits spectralement neutres [CIE 1986] [Smith 1992] [CIE 1996]
Plusieurs approches sont proposeacutees pour traiter lrsquoaspect spectral ou colorimeacutetrique de la propagation de la lumiegravere Les approches les plus utiliseacutees dans les logiciels de simulation de la lumiegravere sont baseacutees sur une caracteacuterisation agrave trois composantes de la couleur (de la source lumineuse ou des surfaces) Nous citons les systegravemes XYZ (de la CIE) RGB CMY et HSV Cependant si ce type de caracteacuterisation est convenable pour la repreacutesentation des couleurs il srsquoavegravere insuffisant pour simuler la variation du spectre du flux lumineux agrave travers les inter-reacuteflexions sur les surfaces inteacuterieures drsquoun espace [Mitanchey 1996] Pour plus de preacutecision il est alors recommandeacute drsquoutiliser les approches baseacutees sur une discreacutetisation plus ou moins fine du spectre Mais lrsquoimpleacutementation de telles approches dans les logiciels existants est loin drsquoecirctre courante [Smith 1992] [Mitanchey 1996]
I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage Il existe sur le marcheacute international un nombre important de logiciels deacutedieacutes agrave la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Dans une enquecircte meneacutee par le groupe 3D lumiegravere en 2000 aupregraves de 74 professionnels [3D-lumiegravere 2000] environ quarante logiciels ont eacuteteacute citeacutes par les enquecircteacutes comme outils de travail en eacuteclairage Dans une deuxiegraveme eacutetude plus speacutecialiseacutee dans le calcul drsquoeacuteclairage naturel et meneacutee par lrsquoagence international drsquoeacutenergie IEA SHC Task 21-C2 [Fontoynont 1999] vingt cinq logiciels ont eacuteteacute citeacutes Vingt deux de ces logiciels ne sont pas connus par les utilisateurs franccedilais enquecircteacutes par 3D lumiegravere Finalement nous citons lrsquoenquecircte de lrsquoIENSA [IESNA 1999] preacutesentant un nombre de logiciels existants au niveau international
Les logiciels existants diffegraverent entre eux par les algorithmes qursquoils utilisent par leurs approches DAO par la prise en consideacuteration des diffeacuterents types de sources lumineuses par
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Chapitre I
leur capaciteacute agrave simuler les pheacutenomegravenes de propagation de lumiegravere plus ou moins complexes par leur interface utilisateur et finalement par leurs vocations et leurs domaines drsquoapplication
I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage Le rocircle des algorithmes dans une simulation drsquoeacuteclairage est de geacuterer le calcul de la propagation de la lumiegravere entre les sources et les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie puis les inter-reacuteflexions entre ces surfaces
Les algorithmes utiliseacutes dans les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage sont des algorithmes dits drsquoeacuteclairement global (global illumination) puisqursquoils font un calcul tridimensionnel de la propagation de la lumiegravere Ils peuvent ecirctre classeacutes sous deux grandes familles la radiositeacute et le lancer de rayons Ces deux familles tendent agrave avoir des avantages et des inconveacutenients compleacutementaires ce qui fait que certains logiciels utilisent une logique hybride combinant les deux familles [IEA-SHC 1999] [Mitanchey 1996]
1211 Radiositeacute Les algorithmes de radiositeacute utiliseacutes pour le calcul de lrsquoeacuteclairage datent du deacutebut des anneacutees 80 Ils ont eacuteteacute adapteacutes agrave partir des algorithmes de radiositeacute utiliseacutes depuis les anneacutees 60 pour le calcul des eacutechanges radiatifs thermiques sur la base de lrsquoeacutequilibre eacutenergeacutetique
Les algorithmes de radiositeacute procegravedent en geacuteneacuteral agrave une discreacutetisation de lrsquoenvironnement simuleacute agrave travers un maillage (subdivision en petites mailles) des surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie eacuteclaireacutee par une source donneacutee (voir figure I3) Tout drsquoabord un calcul de la lumiegravere directe reccedilue par chaque maille est effectueacute Ensuite chaque maille est traiteacutee comme une source lumineuse eacutemettant une partie du flux lumineux qursquoelle a reccedilu (selon son facteur de reacuteflexion) vers les autres mailles de la geacuteomeacutetrie Cette lumiegravere indirecte subit plusieurs inter-reacuteflexions jusqursquoagrave ce que la quasi-totaliteacute du flux initial soit absorbeacutee
Suite agrave ce calcul on est capable de savoir la quantiteacute de flux lumineux direct et indirect reccedilue et eacutemise par une maille donneacutee et donc lrsquoeacuteclairement et la luminance de cette maille [Scartezzini 1993] [Ashdown 2001]
Figure I3 Exemple drsquoun calcul de Radiositeacute agrave lrsquointeacuterieur drsquoune geacuteomeacutetrie
Bien que le principe geacuteneacuteral de la radiositeacute deacutecrit ci-dessus soit le mecircme pour tous les algorithmes de radiositeacute existants ceux-ci diffegraverent dans la meacutethode adopteacutee pour le maillage de la geacuteomeacutetrie et pour le suivi du flux
La radiositeacute peut ecirctre en principe appliqueacutee agrave tout type de reacuteflexion cependant les algorithmes existants sont encore limiteacutes aux reacuteflexions 100 diffuses Ce qui entraicircne des erreurs plus ou moins importantes selon le comportement reacuteel du mateacuteriau simuleacute La
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Chapitre I
radiositeacute preacutesente aussi quelques autres inconveacutenients dont particuliegraverement un temps de calcul assez long une lourde consommation en meacutemoire et une faible performance en qualiteacute graphique
Cependant le calcul de radiositeacute a lrsquoavantage drsquoecirctre indeacutependant de la position de lrsquoobservateur Ainsi un seul calcul est suffisant pour connaicirctre lrsquoeacuteclairement de tous les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie et pour la visualiser agrave partir drsquoune infiniteacute de points de vue
Une nouvelle geacuteneacuteration drsquoalgorithmes de radiositeacute est apparue en 1988 elle permet drsquoobtenir un reacutesultat graphique immeacutediat qui srsquoameacuteliore progressivement en preacutecision et en qualiteacute visuelle drsquoougrave son nom progressive refinement radiosity [Cohen 1988] [Autodesk 1999]
Une autre eacutevolution des algorithmes de radiositeacute fut le concept de maillage adaptatif ougrave le logiciel commence agrave calculer agrave partir drsquoun maillage de faible preacutecision Ensuite il procegravede agrave des subdivisions suppleacutementaires lagrave ougrave il y a une grande diffeacuterence drsquoeacuteclairement entre les mailles Cette meacutethode conduit agrave une eacuteconomie dans le temps de calcul et dans lrsquoutilisation de meacutemoire
1212 Lancer de rayons La deuxiegraveme famille drsquoalgorithmes est la plus ancienne elle a connu plus de deacuteveloppements et preacutesente une plus grande varieacuteteacute de meacutethodes
Ces meacutethodes ont lrsquoavantage de calculer avec preacutecision lrsquoeacuteclairement direct de calculer les effets speacuteculaires des mateacuteriaux de mieux deacutefinir les ombres et de consideacuterer les reacutefractions agrave travers les surfaces transparentes Crsquoest donc les algorithmes qui donnent les meilleurs reacutesultats graphiques drsquoougrave ce qursquoon appelle le photo-reacutealisme des images de synthegravese
Il existe plusieurs cateacutegories drsquoalgorithmes baseacutees sur le lancer de rayon nous citons les suivantes
Figure I4 Exemple drsquoun calcul de Lancer de rayons (inverse)
1 Traceacute de rayons ou Lancer de rayons depuis lrsquoobservateur dite aussi Lancer inverse de rayons (backward ray tracing) les rayons sont geacuteneacutereacutes depuis lrsquoœil de lrsquoobservateur et cheminent agrave travers des reacuteflexions multiples sur les parois jusqursquoaux sources de lumiegravere (voir figure I4) Ainsi seuls les rayons utiles pour la construction de lrsquoimage seront geacuteneacutereacutes et suivis agrave travers les diffeacuterentes inter-reacuteflexions mais la solution est valide pour un seul point de vue [Whitted 1980]
2 Suivi de rayons ou Lancer direct de rayons (forward ray tracing) cette meacutethode geacutenegravere les rayons lumineux depuis la source vers les surfaces reacuteceptrices quand un rayon atteint une surface il est dirigeacute selon la photomeacutetrie rencontreacutee jusqursquoagrave lrsquoeacutepuisement de son eacutenergie [Fontoynont 1991]
3 Technique statistique de monte-carlo backward ou forward La meacutethode de Monte-Carlo associeacutee agrave des meacutethodes de lancer de rayons a recours agrave une technique statistique
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Chapitre I
pour la distribution des rayons reacutefleacutechis Elle neacutecessite un temps de calcul eacuteleveacute [IEA-SHC 1999]
I22 Exemples types des logiciels existants Les logiciels existants sur le marcheacute international et utiliseacutes comme outils de conception en eacuteclairage peuvent ecirctre classeacutes en diffeacuterentes familles [De Boer 1999] [IESNA 1999]
1 Les logiciels baseacutes sur les formules de base de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel Ces logiciels sont souvent distribueacutes par les constructeurs de luminaires et munis de leur bibliothegraveque de luminaires
2 Des logiciels baseacutes sur des formules de base de calcul en eacuteclairage naturel ou sur des donneacutees empiriques (ou preacute-simuleacutees) Ces logiciels sont souvent deacutedieacutes agrave lrsquoutilisation dans les phases preacuteliminaires de la conception drsquoun projet (ex Dial Sodalight etc)
3 Les logiciels capables de calculer lrsquoeacuteclairage direct uniquement Ils sont tregraves souvent inteacutegreacutes dans des logiciels de DAO Leur objectif est limiteacute agrave lrsquoameacutelioration du rendu graphique drsquoun projet ou au mieux agrave une eacutetude de taches solaires (ex Archicad) Cependant ce type de logiciels devient de plus en plus rare En effet vu leurs potentiels un certain nombre de ces logiciels a eacuteteacute mis agrave niveau par les deacuteveloppeurs et a passeacute ainsi agrave la famille suivante (ex Microstation et 3D Studio)
4 Les logiciels dits drsquoeacuteclairement global Ils utilisent souvent des algorithmes de calcul physique (en particulier de radiositeacute et lancer de rayons) Nous distinguons cependant dans cette cateacutegorie les logiciels deacuteveloppeacutes dans un cadre scientifique (ex Radiance Geacuteneacutelux CSTB) de ceux deacuteveloppeacutes et diffuseacutes dans un cadre commercial (Lightscape Dialuxhellip) En geacuteneacuteral les logiciels commerciaux possegravedent des interfaces plus conviviales mais les logiciels scientifiques offrent des fonctionnaliteacutes plus complegravetes Par exemple certains logiciels scientifiques sont capables de prendre en consideacuteration lrsquoaspect spectral de la propagation de la lumiegravere etou de traiter les fonctions bidirectionnelles Finalement nous notons que les logiciels commerciaux manquent le plus de transparence sur leur fiabiliteacute dans les diffeacuterents domaines drsquoapplication (manque de travaux de validation)
Dans notre travail de thegravese nous nous inteacuteressons en particulier agrave la derniegravere famille Ne pouvant pas enquecircter sur tous les logiciels existants nous nous contentons de citer (par ordre alphabeacutetique) quelques logiciels sur lesquels il y a eu des publications scientifiques et des travaux de validation [Fontoynont 1999]
1221 Adeline Deacuteveloppeacute dans le cadre de lrsquoIEA Adeline a eacuteteacute fondeacute sur les logiciels Superlite et Radiance par le biais drsquoun modeleur graphique et drsquooutils de DAO Ainsi il permet de deacutefinir la geacuteomeacutetrie avec son propre systegraveme de DAO par lrsquoentreacutee manuelle des coordonneacutes carteacutesiennes ou agrave partir drsquoun fichier DXF
Le logiciel est muni drsquoune bibliothegraveque de base de donneacutees de mateacuteriaux de luminaires et de mobilier Il produit des reacutesultats numeacuteriques ou bien graphiques Au-delagrave des eacuteclairements et des luminances Adeline permet de calculer lrsquoeacutenergie consommeacutee par lrsquoeacuteclairage artificiel en fonction des apports de lumiegravere du jour [Erhorn 1998] [Scartezzini 1993]
1222 Genelux Le logiciel Genelux deacuteveloppeacute au laboratoire des sciences de lrsquohabitat utilise un algorithme de lancer direct et suivi de rayons lumineux (Forward Ray tracking) La distribution des rayons reacutefleacutechis est effectueacutee en ayant recours agrave une technique statistique de Monte Carlo
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Chapitre I
Dans le cas ougrave les surfaces seraient parfaitement diffusantes il est possible de faire appel agrave un algorithme baseacute sur la meacutethode de radiositeacute afin de reacuteduire les temps de simulation Genelux peut modeacuteliser les surfaces speacuteculaires diffuses ou mixtes en transmission etou reacuteflexion Il peut eacutegalement prendre en consideacuteration des quantiteacutes spectrales en deacutecomposant les rayons incidents par bandes spectrales [Mitanchey 1996] [Maamari 2003]
1223 Inspirer Destineacute surtout au domaine de lrsquoarchitecture avec comme fonctionnaliteacutes les calculs de lrsquoeacuteclairage les analyses de visibiliteacute et la visualisation des projets Pour le calcul de lrsquoeacuteclairage il utilise des approches hybrides surtout la meacutethode bi-directionnelle de Monte Carlo au Lancer de Rayons Ce qui diffeacuterencie le plus ce logiciel est lrsquoutilisation des formules de BRDF qui permet de respecter les variations de reacuteflexion et de transmission (diffuse et speacuteculaire) ainsi que des couleurs selon lrsquoangle drsquoincidence et de vision [Maamari 2003]
1224 DIAL Leso-Dial Le but du logiciel est de donner aux architectes des informations utiles concernant lrsquoutilisation de la lumiegravere de jour dans un bacirctiment degraves la phase de lrsquoavant projet Il calcule le facteur de lumiegravere du jour sur le plan utile gracircce agrave une utilisation hybride de formule analytique et empirique [Paule 1995]
1225 Lightscape 32 Crsquoest un logiciel qui est destineacute agrave des utilisations graphiques mais il offre eacutegalement des fonctionnaliteacutes inteacuteressantes pour la simulation physique de la lumiegravere Il utilise un algorithme de radiositeacute pour le calcul quantitatif et un algorithme de lancier de rayons pour lrsquoameacutelioration qualitative et visuelle des images de synthegraveses Ce logiciel est deacutecrit en deacutetail dans la partie IV11 de ce document [Khodulev 1996] [Maamari 2002]
1226 Radiance Le logiciel Radiance utilise un algorithme de lancer inverse de rayons Le lancer des rayons peut ecirctre stoppeacute si leur eacutenergie est jugeacutee insuffisante Les rayons reacutefleacutechis peuvent ecirctre geacuteneacutereacutes selon une fonction de distribution permettant la simulation de reacuteflexions speacuteculaires semi-speacuteculaires ou diffuses Ce lancer de rayons est compleacuteteacute drsquoun calcul statistique de reacuteflexion diffuse pour distribuer le flux reacutesiduel [Ward 1994] [Grynberg 1988]
1227 Superlite Le logiciel Superlite utilise une meacutethode point agrave point de radiositeacute Toutes les surfaces sont supposeacutees ecirctre parfaitement diffusantes Crsquoest la meacutethode la plus rapide mais elle est toutefois limiteacutee aux surfaces diffuses [Grynberg 1988]
I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels Lrsquoutilisation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage se geacuteneacuteralise de plus en plus dans le domaine de conception en eacuteclairage et au-delagrave Ainsi de nos jours ces logiciels sont utiliseacutes aussi bien par des bureaux drsquoeacutetude du bacirctiment et des architectes que par des deacuteveloppeurs de jeu videacuteo Les applications peuvent ecirctre entre autres [IESNA 1999] [3D-lumiegravere 2000] [Maamari 2002]
1 La conception en eacuteclairage artificiel Que ce soit pour lrsquoeacuteclairage inteacuterieur des bacirctiments lrsquoeacuteclairage des faccedilades des monuments des voiries des trottoirs ou lrsquoeacuteclairage des
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Chapitre I
tunnels etc Elle comprend entre autre le dimensionnement des systegravemes lrsquoanalyse du confort visuel et de la consommation etc
2 La conception en eacuteclairage naturel dimensionnement des ouvertures et des protections solaires orientation des projets analyse de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour et eacutetudes des FLJhellip
3 Le rendu et la preacutesentation des projets par les architectes et par les deacutecorateurs drsquointeacuterieur 4 La creacuteation de scegravenes de reacutealiteacute virtuelle pour le monde du cineacutema de la publiciteacute ou des
jeux videacuteohellip 5 La conception mecircme des optiques de luminaires ou de phares de voitures
Le domaine drsquoutilisation drsquoun logiciel donneacute deacutepend des fonctionnaliteacutes proposeacutees par ce logiciel de ses capaciteacutes agrave simuler avec un certain degreacute de fiabiliteacute et de faciliteacute les diffeacuterents domaines de la propagation de la lumiegravere en relation avec les besoins de lrsquoutilisateur
Bien que les algorithmes de calcul utiliseacutes dans les logiciels se ressemblent ces derniers ne sont pas tous adapteacutes pour les mecircme types drsquoapplications et ne reacutepondent pas aux mecircmes besoins
Ainsi certains utilisateurs cherchent en prioriteacute la faciliteacute drsquoutilisation des fonctionnaliteacutes en relation avec leur propre activiteacute en deacutepit des autres fonctionnaliteacutes et mecircme parfois en deacutepit de la validiteacute des reacutesultats Drsquoailleurs crsquoest agrave cause de ce contexte que des deacuteveloppeurs de logiciels commerciaux ont tendance agrave proposer des interfaces et des fonctionnaliteacutes optimiseacutees et orienteacutees vers un domaine drsquoapplication donneacute Ainsi nous commenccedilons agrave trouver par exemple des logiciels deacutedieacutes agrave la conception de lrsquoeacuteclairage public etou des tunnels (ex Tunnel-Lite) drsquoautres agrave la conception des protections solaires (ex ParaSol) etc
Cependant il est encore difficile de nos jours agrave un concepteur de bacirctiment de savoir quel est le ou les logiciels existants qui reacutepondent le mieux agrave ses propres besoins Crsquoest ce qui ressort dans les diffeacuterentes enquecirctes meneacutees sur lrsquoutilisation des logiciels en particulier celle meneacutee par le club 3D-Lumiegravere [3D-lumiegravere 2000] et celle que nous avons meneacutee au Light and Building 2002 [Maamari 2002] (voir annexe D) Nous notons par exemple dans ces deux enquecirctes lrsquoutilisation par des concepteurs lumiegravere de logiciels graphiques (Photoshop) en tant qursquooutils de conception
I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I31 Introduction Comme son nom lrsquoindique un logiciel de simulation de lrsquoeacuteclairage est supposeacute simuler la reacutealiteacute Mais la fideacuteliteacute de la simulation agrave la reacutealiteacute est loin drsquoecirctre veacuterifieacutee pour tous les logiciels existants sur le marcheacute international
Drsquoailleurs le niveau de preacutecision et de similitude (entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage et la reacutealiteacute) exigeacute ou souhaiteacute par les diffeacuterents utilisateurs nrsquoest pas neacutecessairement le mecircme et peut varier largement selon la speacutecificiteacute de leurs domaines drsquoactiviteacute [Maamari 2002]
Ainsi pour des utilisateurs qui srsquointeacuteressent uniquement au rendu graphique une image de synthegravese reacutealiste sans ecirctre neacutecessairement proche de la reacutealiteacute peut ecirctre suffisante Pour eux la question de la validation scientifique du logiciel utiliseacute ne se pose pas trop
Alors que pour des utilisateurs qui comptent extraire drsquoune simulation des cartes de luminances pour analyser le confort visuel de lrsquooccupant la validiteacute du logiciel devient drsquoune
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Chapitre I
importance de premier ordre Ceci est eacutegalement vrai pour les concepteurs en eacuteclairage qui ont besoin de veacuterifier que le niveau drsquoeacuteclairement est suffisant sur le plan de travail
Mais quel que soit le niveau de preacutecision souhaiteacute il est important pour un futur utilisateur de savoir la preacutecision qursquoil peut attendre de la part du logiciel qursquoil souhaite utiliser pour un type donneacute de tacircches Cette information est mecircme indispensable pour aboutir agrave une utilisation responsable des logiciels de simulation mais cela ne peut ecirctre possible qursquoagrave travers une validation rigoureuse et transparente de ce logiciel
Une validation rigoureuse et transparente des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage est une tacircche immense et drsquoune complexiteacute non neacutegligeable Ce qui est vrai pour tous les logiciels baseacutes sur des lois physiques comme par exemple les logiciels de simulation thermique
Cette complexiteacute est drsquoautant plus vraie quand on srsquointeacuteresse agrave lrsquoorientation du choix des utilisateurs vers un logiciel qui reacutepond le mieux agrave leurs propres besoins Dans ce contexte on souhaite veacuterifier la capaciteacute du logiciel agrave simuler avec preacutecision les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere lieacutes au domaine drsquoutilisation mais aussi on veut comparer cette capaciteacute agrave drsquoautres logiciels existants
La multitude des aspects qui entrent en jeu dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere combineacutee agrave la diversiteacute des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage contribuent agrave cette complexiteacute
Ainsi un logiciel capable de simuler des luminaires agrave optique diffusante nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler un luminaire avec une optique asymeacutetrique De mecircme un logiciel capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour agrave travers un vitrage ordinaire nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave travers un vitrage ou un systegraveme de protection solaire agrave aspect bidirectionnel etc
Nous preacutesentons ci-dessous une eacutetude bibliographique sur lrsquoeacutetat de lrsquoart du domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I32 Diffeacuterents types de validation En ce qui concerne les types de travaux de validation reacutealiseacutes nous avons pu identifier les suivants
I321 La validation analytique La validation analytique comme son nom lrsquoindique porte sur des cas theacuteoriques pour lesquels il existe des lois analytiques Ces lois sont issues des notions de base de la science physique lieacutees au rayonnement eacutelectromagneacutetique
Les travaux de validation baseacutes sur des reacutefeacuterences analytiques sont assez rares parmi les travaux reacutealiseacutes que nous avons pu trouver lors de notre recherche bibliographique
Cependant la validation analytique preacutesente des avantages consideacuterables comme la possibiliteacute de limiter les paramegravetres lieacutes agrave la propagation de la lumiegravere qui entrent en jeu dans un sceacutenario test Nous notons aussi lrsquoavantage de donner des solutions de reacutefeacuterences avec des incertitudes nulles ou neacutegligeables
En contrepartie la validation analytique ne peut couvrir que des domaines limiteacutes de la propagation de la lumiegravere Ce sont en geacuteneacuteral des cas de figures simples pour lesquels existe une loi theacuteorique [Aizlewood 1997]
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Chapitre I
I322 La validation expeacuterimentale Dans ce type de validation les reacutesultats des logiciels sont compareacutes agrave des mesures expeacuterimentales Ces mesures peuvent ecirctre reacutealiseacutees dans
a des maquettes drsquoeacutetude agrave eacutechelle reacuteduite [Caroll 1999] b des cellules tests agrave eacutechelle 11 c ou des piegraveces reacuteelles [Galasiu 1998] [Jarvis 1997]
Quel que soit le type des mesures reacutealiseacute la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales agrave utiliser pour des travaux de validation est confronteacutee agrave des obstacles consideacuterables
Le premier est lieacute aux sources drsquoerreur introduites lors de la description du sceacutenario expeacuterimental afin de le reproduire dans une simulation numeacuterique
Lrsquoimportance de cet obstacle est aggraveacutee par la multitude des paramegravetres qui entrent en jeu dans un sceacutenario expeacuterimental et par lrsquointeraction entre les sources drsquoerreurs lieacutees agrave chacun de ces paramegravetres
A titre drsquoexemple les sources drsquoerreur peuvent survenir lors de la description de la source de lumiegravere (artificielle ou reacuteelle) lors de la description de la photomeacutetrie des mateacuteriaux (reacuteflexion bidirectionnelle caracteacuteristiques spectraleshellip) etc
Un autre obstacle est ducirc agrave lrsquoincertitude qui existe dans la valeur mesureacutee et cela quelle que soit la preacutecision du protocole expeacuterimental appliqueacute Cette incertitude est lieacutee en partie agrave la preacutecision de lrsquoappareil de mesure et agrave son positionnement
Ducirc agrave tous ces obstacles la comparaison entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique et les mesures expeacuterimentales permet difficilement de conclure sur la preacutecision du logiciel testeacute
Il est aussi important de noter qursquoun des plus grands obstacles agrave la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales fiables reste celui des moyens techniques financiers et humains neacutecessaires aux expeacuterimentations
I323 La validation comparative Elle porte sur une comparaison des reacutesultats de simulation de plusieurs logiciels entre eux Cela peut ecirctre fait avec lrsquoexistence ou non drsquoune reacutefeacuterence expeacuterimentale ou analytique
Lrsquoavantage des comparaisons est de donner la possibiliteacute aux utilisateurs de mieux choisir entre plusieurs logiciels selon leur performance dans un domaine donneacute de la simulation
Cependant lrsquoutilisation des reacutesultats drsquoune comparaison afin de juger des logiciels les uns par rapport aux autres neacutecessite un maximum de transparence en particulier sur la complexiteacute des proceacutedures et sur le temps de calcul neacutecessaire pour obtenir ces reacutesultats [Grynberg 1988] [Fontoynont 1999] [Maamari 2003]
I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes Les travaux de validation reacutealiseacutes sur des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage ne manquent pas en nombre cependant crsquoest la creacutedibiliteacute de ces travaux qui nrsquoest pas toujours veacuterifieacutee
En ce qui concerne les rares travaux de validation existants qui beacuteneacuteficient drsquoune creacutedibiliteacute scientifique ou celle drsquoun organisme agreacuteeacute nous citons les suivants
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Chapitre I
I331 Le travail de Khodulev et Kopylov Ce travail reacutealiseacute et publieacute par Andrei B Khodulev et Edward A Kopylov en 1996 [Khodulev 1996] est lrsquoun des rares travaux de validation qui ont utiliseacute une reacutefeacuterence analytique
Le travail porte sur une validation comparative entre les logiciels Lightscape Specter et Radiance Une description des trois logiciels est donneacutee portant sur plusieurs critegraveres y compris lrsquointerface utilisateur
Un des sceacutenarios utiliseacutes pour la comparaison est celui drsquoune piegravece cubique fermeacutee avec une source lumineuse isotrope au centre La comparaison porte sur lrsquoeacuteclairement au niveau des points de mesure situeacutes sur le sol La valeur de reacutefeacuterence de cet eacuteclairement est calculeacutee semi-analytiquement pour prendre en consideacuteration la composante reacutefleacutechie interne
I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE Ce rapport repreacutesente un exemple ideacuteal sur la creacuteation des donneacutees expeacuterimentales fiables pour la validation des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage [Slater 2002]
Le travail deacutecrit dans ce rapport porte sur un protocole expeacuterimental qui a eacuteteacute deacutefini et conduit drsquoune maniegravere remarquablement rigoureuse dans une cellule test agrave eacutechelle 11 Le but est de creacuteer une base de donneacutees expeacuterimentales pour la validation des logiciels de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel
Le rapport comprend une description preacutecise du sceacutenario expeacuterimental y compris les dimensions de la geacuteomeacutetrie (une piegravece carreacutee) la position des lampes ou des luminaires la position des points de mesure ainsi que le coefficient de reacuteflexion des surfaces La description du sceacutenario comprend aussi les fichiers photomeacutetriques des luminaires au format CIBSE TM 14 sachant que la photomeacutetrie reacuteelle de chaque luminaire a eacuteteacute mesureacutee seacutepareacutement dans un laboratoire agreacuteeacute
Le protocole expeacuterimental comprend un controcircle du flux lumineux agrave travers lrsquoobservation et le controcircle des fluctuations du courant eacutelectrique et de la tempeacuterature de la piegravece Les lampes et les ballasts ont eacuteteacute vieillis Les lampes ont eacuteteacute preacutechauffeacutees une heure avant les mesures
Les capteurs ont eacuteteacute calibreacutes et fixeacutes sur un trolley afin de garantir la reacutepeacutetitiviteacute de leur position Six diffeacuterentes mesures ont eacuteteacute prises pour chaque point agrave lrsquoaide de deux capteurs diffeacuterents la moyenne de ces mesures a eacuteteacute utiliseacutee comme reacutefeacuterence
Une estimation des erreurs de mesures a eacuteteacute calculeacutee ainsi que des erreurs de simulation dues agrave lrsquoincertitude dans la description du sceacutenario Les reacutesultats ont alors eacuteteacute preacutesenteacutes sous forme de deux bandes de valeurs la premiegravere bande est celle des mesures prises + ou ndash lrsquoestimation des erreurs de mesure et lrsquoautre est celle des mesures + ou ndash le total des erreurs estimeacutees y compris les erreurs de simulation
I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA Ce travail a eacuteteacute meneacute dans le cadre de la tache 21 de lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie intituleacutee lumiegravere naturelle dans les bacirctiments En effet un projet a eacuteteacute deacutedieacute au thegraveme de la validation des logiciels de calcul en eacuteclairage et a fait lrsquoobjet drsquoune collaboration entre les laboratoires de six nations diffeacuterentes parmi lesquels le Laboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Fontoynont 1999] [Maamari 2002]
Dans le cadre de ce projet des donneacutees expeacuterimentales ont eacuteteacute reacutecolteacutees agrave travers des mesures drsquoeacuteclairement agrave lrsquointeacuterieur drsquoune seacuterie de maquettes agrave eacutechelle reacuteduite placeacutees sous des ciels
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Chapitre I
artificiels Trois bacirctiments types ont eacuteteacute testeacutes sous plusieurs configurations en changeant les types drsquoouverture etou les coefficients de reacuteflexion des surfaces
Les sceacutenarios expeacuterimentaux ont eacuteteacute simuleacutes agrave lrsquoaide des logiciels drsquoeacuteclairage naturel Adeline Genelux Leso-DIAL Radiance et Superlite Les reacutesultats des simulations ont eacuteteacute compareacutes entre les diffeacuterents logiciels et confronteacutes aux mesures expeacuterimentales
Cette comparaison a montreacute que le calcul des eacuteclairements agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment dus agrave lrsquoeacuteclairage naturel demande une description minutieuse des luminances des portions de la voucircte ceacuteleste vues par la fenecirctre Les eacuteclairements directs agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment sont alors calculeacutes avec une preacutecision de lrsquoordre de 5 La preacutecision des calculs des reacuteflexions multiples agrave lrsquointeacuterieur de la piegravece deacutepend quant agrave elle des proprieacuteteacutes des surfaces inteacuterieures et en particulier de la lrsquoaspect bidirectionnel de ces surfaces
Cette eacutetude a montreacute finalement que les programmes doivent ecirctre utiliseacutes avec beaucoup de preacutecautions car les reacutesultats de simulation sont tregraves sensibles agrave la qualiteacute des hypothegraveses et des paramegravetres drsquoentreacutee description de la source de lumiegravere geacuteomeacutetrie du bacirctiment paramegravetres de simulation
I34 Analyse de la probleacutematique Drsquoapregraves la recherche bibliographique preacutesenteacutee ci-dessus sur le domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage nous pouvons reacutesumer la probleacutematique de ce domaine dans les points suivants
1 Difficulteacute drsquoaccegraves agrave lrsquoinformation Elle est due en particulier agrave lrsquoabsence de sources publiques speacutecialiseacutees dans le domaine
2 Manque de transparence Ainsi nous trouvons souvent des reacutesultats de validation preacutesenteacutes sans suffisamment drsquoinformation sur les proceacutedures qui ont abouti agrave ces reacutesultats
3 Manque de creacutedibiliteacute une partie importante des travaux de validation existants est reacutealiseacutee par les deacuteveloppeurs des logiciels testeacutes les sources drsquoincertitudes dans les valeurs de reacutefeacuterence ne sont souvent pas prises en consideacuteration etc
4 Manque de travaux concluants sur la validiteacute du logiciel testeacute Ceci est ducirc en partie agrave la complexiteacute des sceacutenarios expeacuterimentaux et agrave la restriction des domaines testeacutes Ainsi il est rarement possible drsquoidentifier avec certitude les points de faiblesse et les domaines drsquoapplication drsquoun logiciel testeacute
5 Absence de reacutefeacuterences standardiseacutees Ce qui fait qursquoun certain aspect de la propagation de la lumiegravere est testeacute dans diffeacuterents logiciels avec des protocoles diffeacuterents Ce qui ne permet pas une comparaison transparente et objective entre ces diffeacuterents logiciels
6 Manque de validations analytiques malgreacute les avantages de ce type de validation
En reacuteponse aux problegravemes listeacutes ci-dessus nous identifions en particulier le besoin drsquoune standardisation et drsquoune mise agrave disposition des reacutefeacuterences de validation fiables de preacutefeacuterence sous la garantie et le controcircle drsquoun ou plusieurs organismes creacutedibles
I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
I351 Introduction Le premier objectif qursquoon pourrait attendre des travaux de validation crsquoest de pouvoir ameacuteliorer la confiance des utilisateurs dans les logiciels de simulation A savoir qursquoameacuteliorer la confiance ne veut pas forceacutement dire lrsquoaugmenter Mais plutocirct sensibiliser les utilisateurs aux capaciteacutes et aux limites des diffeacuterents logiciels dans les diffeacuterents domaines de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Ainsi agrave travers lrsquoidentification des points de faiblesse
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Chapitre I
drsquoun logiciel et de ces domaines drsquoapplication on pourra aboutir agrave une utilisation responsable de ces logiciels
Drsquoougrave le besoin drsquoune meacutethodologie de validation qui permet de tester la capaciteacute drsquoun logiciel agrave simuler les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Cette meacutethodologie doit eacutegalement palier les deacutefaillances rencontreacutees dans le domaine agrave noter creacutedibiliteacute fiabiliteacute et accessibiliteacute
I352 Concept et approche proposeacutes Pour atteindre les objectifs fixeacutes ci-dessus la meacutethodologie de validation proposeacutee repose un concept de base qui est celui de tester seacutepareacutement les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Ceux-ci peuvent ecirctre classeacutes sous 3 grands groupes
1 La description de la source de lumiegravere et le calcul de lrsquoeacuteclairement direct 2 Le transfert du flux lumineux agrave travers les composants de la fenecirctre et lrsquoinfluence des
masques 3 Les inter-reacuteflexions sur les diffeacuterents mateacuteriaux avec diffeacuterentes photomeacutetries
Pour appliquer ce concept cette meacutethodologie de validation est baseacutee sur une seacuterie de cas-tests chacun traitant un sceacutenario drsquoeacuteclairage simple (un nombre limiteacute de paramegravetres) ougrave un certain aspect de la propagation de lumiegravere est mis en eacutevidence La description des cas-tests comprend la geacuteomeacutetrie les sources de lumiegravere ainsi qursquoune seacuterie de valeurs de reacutefeacuterence agrave utiliser pour tester la capaciteacute du logiciel agrave simuler lrsquoaspect en question Ces valeurs de reacutefeacuterence sont obtenues soit agrave lrsquoaide drsquoun calcul analytique quand crsquoest possible (pour des sceacutenarios theacuteoriques) ou bien agrave partir de mesures expeacuterimentales
Ainsi chaque cas-test est applicable agrave tout logiciel proposant des fonctionnaliteacutes lieacutees agrave lrsquoaspect traiteacute (dans ce cas-test) indeacutependamment des algorithmes utiliseacutes des meacutethodes de calcul adopteacutees ou des paramegravetres utiliseacutes
Cependant il est possible drsquoassocier agrave chaque test une eacutetude parameacutetrique propre agrave chaque logiciel Une telle eacutetude permet de mieux comprendre lrsquoinfluence des diffeacuterents paramegravetres proposeacutes sur la preacutecision du logiciel dans un aspect donneacute de la propagation de la lumiegravere
Pour une utilisation optimale de cette meacutethodologie de validation les cas-tests doivent couvrir tous les aspects de la propagation de la lumiegravere Ils seront alors utiliseacutes en tant qursquooutil unique et complet pour tester un logiciel donneacute
Une comparaison geacuteneacuterale des reacutesultats des simulations drsquoun logiciel donneacute aux valeurs de reacutefeacuterences de la seacuterie de cas-tests donnera une ideacutee claire sur les domaines ougrave le logiciel testeacute respecte ou non les lois physiques Ceci permettra agrave un utilisateur de veacuterifier si ce logiciel est compatible avec son propre domaine drsquoactiviteacute et agrave un deacuteveloppeur de veacuterifier si son logiciel a atteint les perspectives souhaiteacutees
De la mecircme faccedilon une comparaison entre les reacutesultats de diffeacuterents logiciels et les valeurs de reacutefeacuterence permet drsquooffrir une vision objective sur le logiciel qui reacutepond le mieux agrave une exigence donneacutee
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Chapitre I
Conclusions Suite agrave notre eacutetude bibliographique sur le domaine de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage nous avons orienteacute le travail de cette thegravese (agrave travers les chapitres suivants) de faccedilon agrave reacutepondre agrave certains des problegravemes identifieacutes dans ce domaine
Ainsi en ce qui concerne le manque de fiabiliteacute dans les travaux de validation des logiciels nous deacuteveloppons la meacutethode de validation que nous avons proposeacutee Dans ce cadre nous creacuteons une seacuterie de cas-tests en relation avec diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere traiteacutes ci-dessus Ces cas-tests sont reacutepartis en deux familles lrsquoune avec des sceacutenarios theacuteoriques et des reacutefeacuterences analytiques et lrsquoautre avec des reacutefeacuterences expeacuterimentales reacutepondant agrave des critegraveres de controcircle de qualiteacute que nous avons deacutefinis
En ce qui concerne la difficulteacute de simuler des sceacutenarios reacuteels de lumiegravere naturelle nous proposons et validons une meacutethode de simulation agrave partir des cartes de luminances reacuteelles agrave haute deacutefinition
Finalement nous proposons et nous validons une meacutethode de simulation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquoaide des luminaires eacutequivalents Cette meacutethode permet agrave la simulation de la lumiegravere de jour de beacuteneacuteficier de la preacutesence confirmeacutee des outils de simulation de la lumiegravere artificielle dans le domaine de la conception des bacirctiments Elle permet eacutegalement de surmonter un nombre de difficulteacutes rencontreacutees dans certains logiciels classiques de simulation la lumiegravere naturelle en particulier celles lieacutees agrave la preacutecision des reacutesultats par rapport au temps de calcul et agrave la simulation des masques exteacuterieurs
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Chapitre I
Reacutefeacuterences Bibliographiques 3D-LUMIEgraveRE Enquecircte sur la connaissance et lrsquoutilisation des systegravemes informatiques de simulation drsquoeacuteclairage Paris Club 3D Lumiegravere 2000 11 p ACHARD G LAFORGUE P SOUYRI B FONTOYNONT M BASTIE A MITANCHEY R Etude dun systegraveme Metrologique de Confort Radiatif Integrant lAspect Thermique et lAspect Visuel Paris 1994 60 p AFE Les sources de lumiegravere Socieacuteteacute dEdition Lux 1987 199 p AIZLEWOOD M BUTT J ISAAK K LITTLEFAIR P Daylighting in atria a comparison of measurements theory and simulation Lux Europa 1997 Amsterdam-Netherlands 1997 ANDERSEN M RUBIN M POWLES R SCARTEZZINI J L Bi-directional light transmission properties assessment for venetian blinds Computer simulations compared to photogoniometer measurements ISES Solar World Congress 2003 - Solar Energy for a Sustainable Future Gothenburg - Sweden International Solar Energy Society 2003 ANDERSEN M RUBIN M SCARTEZZINI J-L Comparison between ray-tracing simulations and bi-directional transmission measurements on prismatic glazing Solar Energy 2003 vol 74 ndeg2 pp 157-217 ANSIIESNA ANSIIESNA LM-63-02 ANSI Approved Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data and Related Information ANSIIESNA LM-63-02 2002 26 p ASE Eclairage inteacuterieur par la lumiegravere du jour Norme Suisse SN 418911 Zuumlrich Association Suisse des Electriciens 1989 ASHDOWN I Near-Field Photometry A New Approach IES 1993 vol 22 ndeg1 pp 163-180 ASHDOWN I EULUMDAT File Format Specification [en ligne] Disponible sur lthttpwwwhelios32comEulumdathtmgt (09 Mars 2004) ASHDOWN I Thinking photometrically Part II 105 Las Vegas workshop-Lightfair International 2001 42 p ASHRAE-IESNA Energy efficient design of new buildings except new low-rise residential buildings ASHRAEIES 901-1989 American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditionaing Engginers 1989 AUTODESK Lightscape 32 Users Guide 32 Autodesk 1999 352 p BALOCCO C FORASTIERE M A GRAZZINI G RIGHINI G C Experimental results of transparent reflective and absorbing propoerties of some building materials Energy and Buildings 2001 vol 33 pp 563-568
48
Chapitre I
CAROLL W L HITCHCOCK R J Recent Comparisons of SUPERLITE to Scale Model Data LBNL-43107 Lawrence Berkeley National Laboratory 1999 CHAIN C DUMORTIER D FONTOYNONT M A comprehensive model of luminance correlated colour temperature and spectral distribution of skylight Comparison with experimental data Solar Energy 1999 vol 65 ndeg5 pp 285-295 CIBSE CIBSE standard file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIBSE TM 14 London CIBSE 1988 CIE Daylight CIE-16 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1970 79 p CIE Standardization of Luminance Distribution on Clear Skies CIE-22 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1973 CIE Calculations for Interior Lighting Basic Method CIE-40 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1978 CIE Absolute Methods for Reflection Measurements CIE-44 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 CIE A Review of Publications on Properties and Reflection Values of Material Reflection Standards CIE-46 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 99 p CIE Calculations for Interior Lighting Applied Method CIE-52 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1982 CIE The Spectroradiometric Measurement of Light Sources CIE-63 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1984 CIE Colorimetry 2nd Edition CIE-152 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1986 CIE The Measurement of Absolute Luminous Intensity Distributions CIE-70 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1987 CIE The Measurement of Luminous Flux CIE-84 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1989 CIE Standard overcast and clear sky 3rd Draft Vienne Commission Internationale de LrsquoEclairage 1990 CIE Electric Light Sources State of the Art-1991 CIE-96 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1992 CIE Recommended file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIE-102 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1993 CIE Guide to Recommended Practice of Daylight Measurement CIE-108 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1994
49
Chapitre I
CIE Discomfort Glare in Interior Lighting CIE-117 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1995 CIE The Photometry and Goniophotometry of Luminaires CIE-121 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE The Relationship Between Digital and Colorimetric Data for Computer-Controlled CRT Displays CIE-122 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance CIE-130 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1998 CIE Spatial distribution of daylight - CIE standard general sky Vienne Commission Internationale de lEclairage 2002 7 p COHEN M F CHEN S E WALLACE J R GREENBERG DP A progressive refinement approach to fast radiosity image generation 15th annual conference on computer graphics and interactive techniques ACM Press New York 1988 pp 75-84 DE BOER J Encorporation of numerical goniophotometry into daylighting design CISBAT 2003 Lausanne EPFL 2003 pp 229-234 DE BOER J ERHORN H Survey Simple Design Tools IEA 1999 49 p DENIEL J M Modeacutelisation des luminaires et des BRDF Reacutealisation mesure et compression Thegravese en Informatique Rennes Universiteacute de Rennes 1 2002 277 p DUMORTIER D Mesure Analyse et Modeacutelisation du gisement lumineux Application agrave leacutevaluation des performances de leacuteclairage naturel des bacirctiments Thegravese en Geacutenie Civil et Sciences de lHabitat Vaulx en Velin ENTPE Universiteacutee de Savoie 1995 295 p DUMORTIER D Lumiegravere naturelle et rayonnement solaire - Mesures au sol et estimations agrave partir dimages satellites - Deacuteveloppement de services Web pour leacuteclairage naturel des bacirctiments HDR Thermique et Energeacutetique Vaulx en Velin ENTPE 2003 161 p DUMORTIER D VAN ROY F SODA daylighting resource SODA Deliverable 53C 2002 DUMORTIER D VETRO P Luminance calibration of the Nikon 950 digital cameras Lux Europa Reykjavik 2001 ERHORN H DE BOER J DIRKSMOLLER M ADELINE - An Integrated Approach to Lighting Simulation Daylighting 98 Ottawa 1998 FOLEY D J VAN-DAM A FEINER S K HUGHES J F Computer Graphics Principles and Practice Second Edition ADDISON-WESLEY 1990 (The systems programming series
50
Chapitre I
FONTOYNONT M Le point sur les meacutethodes de simulation et sur lrsquoutilisation de lrsquoimage de synthegravese en eacuteclairage LUX 1991 FONTOYNONT M LAFORGUE P MITANCHEY R AIZLEWOOD M BUTT J CARROLL W HITCHOCK R ERHORN H DE BOER J DIRKSMOumlLLER M MICHEL L PAULE B SCARTEZZINI J-L BODART M AND ROY G Validation of daylighting simulation programs IEA SHC Task 21 ECBCS Annex 29 1999 28 p GALASIU A ATIF M Applicability of Daylighting Computer Modeling in Real Case Studies Comparison between Measured and Simulated Daylight Availability and Lighting Consumption IEA SHC Task 21 IEA ECBCS Annex 29 Daylight in Buildings International Energy Agency National Research Council Canada 1998 68 p GREENUP P J EDMONDS I R COMPAGNON R RADIANCE algorithm to simulate laser-cut panel light-redirecting elements Lighting Research amp Technology 2000 vol 32 ndeg2 pp 49-54 GRYNBERG A Comparison and Validation of Radiance and Superlite Rapport interne Lawrence Berkeley National Laboratory 1988 HOPKINSON R G PETHERBRIDGE P LONGMORE J Daylighting William Heinneman Ltd London 1966 IEA-SHC Daylighting simulation Methods Algorithms and Ressources Agence Internaitonale de lEnergie - SHC 1999 IEA-SHC Measurement of Luminous Characteristics of Daylighting Materials Agence Internationale de lEnergie - SHC - Tacircche 21 1999 IESNA Calculating Coefficients of Utilisation Wall and Ceiling Cavity Exitance IES LM-57 New York Illuminating engineering Society of North America 1982 IESNA The Determination of Illuminance at a Point in Interior Spaces IES LM-43-1991 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 34 p IESNA An Introduction to Light and Lighting IES ED-50 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 51 p IESNA Lighting Handbook 8th Edition New York Illuminating engineering Society of North America 1993 IESNA IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data IESNA LM-63-95 New York Illuminating engineering Society of North America 1995 5 p IESNA 1999 IESNA Software Survey Lighting Design + Application 1999 vol 29 ndeg12 pp 39-48 JARVIS D DONN M Comparison of Computer and Model Simulations of a Daylit Interior with Reality 5th International conference on Building Performance and Simulation Association Prague Czech Republic 1997 pp 9-16
51
Chapitre I
KAJIYA J T Anisotropic Reflection Models SIGGRAPH85 San Francisco 1985 pp 15-21 KARAYEL M NAVVAB M NEEMAN E SELKOWITZ S Zenith Luminance and sky luminance distributions for daylighting calculations Energy Build 1984 vol 6 ndeg3 pp 283-291 KHODULEV A B KOPYLOV E A Physically accurate lighting simulation in computer graphics software GraphiConrsquo96 The 6th International Conference on Computer graphics and Visualization St Petersburg Russia 1996 pp 111-119 KITTLER R Standardisation of outdoor conditions for the calculation of daylight factor with clear skies Sunlight in Buinldings CIE Intercessional conference Newcastle-Upon-Tyne 1965 KLEMS J H WARNER J L Measurement of bidirectional optical properties of complex shading devices ASHRAE Symposium Chicago 1995 LESLIE R P Capturing the daylight in buildings why and how Building and Environment 2003 vol 38 pp 381-385 MAAMARI F International survey on lighting simulation tools - Light and Building 2002 IEA-SHC-Task-31 2002 7 p MAAMARI F FONTOYNONT M Use of IEA-SHC Task 21 C benchmarks to assess performance of Lightscape 32 in daylighting calculations EPIC Lyon France 2002 pp 709-714 MAAMARI F FONTOYNONT M HIRATA M KOSTER J MARTY C TRANSGRASSOULIS A Reliable Datasets for Lighting Programs Validation Benchmark results CISBAT 2003 Conference 2003 pp 6 MAAMARI F JONGEWAARD M KOSTER J TRANSGRASSOULIS A FONTOYNONT M A Step Toward A Complete And Objective Validation Methodology For Lighting Simulation Tools CIE 25th Session San Diego 2003 pp 4 MARDALJEVIC J Daylight Simulation Validation Sky Models and Daylight Coefficients Leicester UK Montfort University 2000 MARDALJEVIC J The BRE-IDMP dataset a new benchmark for the validation of illuminance prediction techniques Lighting Research and Technology 2001 vol 33 ndegISSN 1365-7828 pp 117-136 MITANCHEY R Synthegravese dimages appliqueacutee agrave leacuteclairagisme inteacuterieur des bacirctiments Thegravese en Informatique speacutecialiteacute images Saint-Etienne Leacutecole Nationale Supeacuterieure des Mines de Saint-Etienne 1996 200 p
52
Chapitre I
MITANCHEY R PERIOLE G FONTOYNONT M Goniophotometric measurements Numerical simulation for research and development applications Lighting Research and Technology 1995 vol 27 ndeg4 pp 189-196 MOON P SPENCER D E Illumination from a nonuniform sky Illum Eng 1942 vol 37 ndeg12 pp 707-726 NAKAMURA H OKI M AYASHI Y Luminance distribution of intermediate sky Light Visual Environ 1989 vol 9 ndeg1 pp 6-13 PAULE B COMPAGNON R SCARTEZZINI J L Towards a new daylighting design computer tool Right Light Three conference Newcastle upon Tyne England 1995 PEREZ R SEALS R MICHALSKY J All-Weather model for sky luminance distribution Preliminary configuration and validation Solar Energy 1993 vol 50 ndeg3 pp 235-245 REINHART C F HERKEL S The simulation of annual daylight illuminance distributions ndash a state-of-the-art comparison of six RADIANCE-based methods Energy and Buildings 2000 vol 32 ndeg167-187 ROY G HAYMAN S JULIAN W Sky Modeling from Digital Imagery ARC Project No A89530177 Sidney The University of Sidney amp Murdoch university 1998 ROY G RUCK N REID G JULIAN W Sky luminanceStandard Digital Form for modelling Lighting Research amp Technology 1995 vol 27 ndeg3 pp 161-167 SATEL-LIGHT Satel-Light the European Database for Daylight and Solar Radiation [en ligne] Disponible sur lthttpwwwsatel-lightcomgt (27 janvier 2004) SCARTEZZINI J L COMPAGNON G WARD G PAULE B Outils Informatiques en Lumiegravere Naturelle NEFF-4352 Universiteacute de Genegraveve EPFL 1993 142 p SHAREEF F M OLDHAM D J CARTER D J A computer model for predicting the daylight performance of complex parallel shading systems Building and Environment 2001 vol 36 pp 605-618 SLATER A GRAVES H Benchmarking Lighting Design Software TM 2800 London CIBSE 2002 33 p SMITH B SPIEKERMANN C SEMBER R Numerical methods for colorimetric calculations A comparison of integration methods Color Research and Application 1992 vol 17 ndeg6 STOCKMAR A Eulumdat file format CIBSEILE National Lighting Conference York 2000 STOCKMAR A W EULUMDAT ein leuchtendatenformat fur den europaischen beleuchtungplaner Tagungsband Licht 1990 pp 641-644
53
Chapitre I
TREGENZA P Daylighting algorithms ETSU S 1350 UK Department of Trade and Industry on behalf of the Energy Technology Support Unit 1993 43 p TREGENZA P R WATERS I M Daylight Coefficients Lighting Research amp Technology 1983 vol 15 ndeg2 pp 65-71 TROWBRIDGE T S REITZ K P Average Irregularity Representation of a Rough Surface for Ray Reflection Opt Soc Am 1975 vol 65 ndeg5 pp 531-536 UETANI Y MATSUURA K A Method of Luminance Calculation in an Anisotropic Diffuse Reflecting Interior IESNA Annual Conference Technical Papers San Diego 1992 WARD G J The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System SIGGRAPH Computer graphics 1994 pp 459-472 WHITTED T An improved illumination model for shaded display Computer graphics amp Image processing 1980
54
- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
20
Chapitre I
Table des matiegraveres Introduction 23 I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation 23
I11 Les sources de lumiegravere artificielle 23 I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel 23 I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires 24 I113 Notion de champ proche - champ lointain 25 I114 Fichiers photomeacutetriques 25 I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle -
source surfacique) 26 I12 Les sources de lumiegravere naturelle 27
I121 le soleil 27 I122 le ciel 27 I123 les modegraveles de ciel 28 I123 Le sol exteacuterieur 29 I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain) 29 I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul 30
I13 La geacuteomeacutetrie 32 I131 Geacuteneacuteraliteacutes 32 I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie 33
I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade 33 I141 Ouverture simple 33 I142 Vitrage classique 34 I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel 34 I144 Eleacutements de protection solaire 35 I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux 35
I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux 35 I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage 36
I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage 37 1211 Radiositeacute 37 1212 Lancer de rayons 38
I22 Exemples types des logiciels existants 39 1221 Adeline 39 1222 Genelux 39 1223 Inspirer 40 1224 DIAL Leso-Dial 40 1225 Lightscape 32 40 1226 Radiance 40 1227 Superlite 40
I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels 40 I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage 41
I31 Introduction 41 I32 Diffeacuterents types de validation 42
I321 La validation analytique 42 I322 La validation expeacuterimentale 43 I323 La validation comparative 43
I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes 43 I331 Le travail de Khodulev et Kopylov 44 I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE 44 I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA 44
I34 Analyse de la probleacutematique 45 I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels 45
21
Chapitre I
I351 Introduction 45 I352 Concept et approche proposeacutes 46
Conclusions 47 Reacutefeacuterences Bibliographiques 48
22
Chapitre I
Introduction On entend par logiciel de simulation de la lumiegravere un outil informatique qui permet de simuler la propagation de la lumiegravere dans un milieu donneacute Cette propagation est caracteacuteriseacutee par un certain nombre drsquoaspects drsquoordre physique Nous citons par exemple
- La photomeacutetrie des sources (naturelles ou artificielles) - Le transfert des flux agrave travers des mateacuteriaux vitreacutes (agrave caracteacuteristiques bidirectionnelle
ou non) - La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux (brillants mats hellip) - Le rocircle des obstructions et des masques - Lrsquoaspect spectral des sources et des mateacuteriaux - Le rendu graphique des reacutesultats
Nous menons dans cette partie du travail une eacutetude bibliographique pour mieux comprendre ces diffeacuterents aspects et les meacutethodes utiliseacutees pour leur simulation
I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation Dans cette partie nous listons les diffeacuterents eacuteleacutements qui affectent la propagation de la lumiegravere dans un bacirctiment et nous faisons le lien avec les moyens existants pour leur simulation
I11 Les sources de lumiegravere artificielle Les premiers eacuteleacutements agrave prendre en consideacuteration dans la propagation de la lumiegravere sont les sources de lumiegravere Nous commenccedilons par la lumiegravere artificielle qui est encore de nos jours mieux maicirctriseacutee que la lumiegravere naturelle dans le domaine de la conception et de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage
I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel Lrsquoeacuteleacutement de base de la lumiegravere artificielle est la lampe Vis-agrave-vis des pheacutenomegravenes de propagation de la lumiegravere une lampe est caracteacuteriseacutee en particulier par le flux lumineux et sa reacutepartition spectrale et spatiale
Cependant les lampes sont geacuteneacuteralement combineacutees agrave des optiques dont le but est de reacuteorienter le flux sortant drsquoune lampe afin drsquoameacuteliorer son efficaciteacute en particulier du point de vue des eacuteclairements reacutesultants sur les zones utiles et du confort visuel de lrsquooccupant Cette combinaison entre lampe et optique repreacutesente ce qursquoon appelle un luminaire
Ainsi un luminaire est caracteacuteriseacute par la quantiteacute du flux lumineux sortant qui deacutepend du flux de la lampe et des absorptions dans lrsquooptique par la reacutepartition spectrale de ce flux qui correspond souvent agrave celle de la lampe utiliseacutee et finalement par la reacutepartition du flux sortant dans lrsquoespace affecteacutee surtout par la geacuteomeacutetrie et les mateacuteriaux de lrsquooptique et par la position de la lampe par rapport agrave celui-ci
Lrsquoensemble de ces caracteacuteristiques repreacutesente la photomeacutetrie drsquoun luminaire qui est un eacuteleacutement de base dans la conception et la simulation de lrsquoeacuteclairage artificiel En effet la prise en consideacuteration de la lumiegravere artificielle dans un projet drsquoeacuteclairage porte principalement sur les paramegravetres suivants
1 Niveau drsquoeacuteclairement requis sur les plans de travail 2 Confort visuel (eacuteblouissement direct contrastes dans le champ de visionhellip) [Achard
1994] 3 Systegravemes de controcircle et interaction avec lrsquoeacuteclairage naturel
23
Chapitre I
4 Consommation eacutenergeacutetique 5 Coucirct drsquoinstallation et de maintenance 6 Estheacutetique et inteacutegration architecturale (rendu de couleur)
Les outils drsquoaide agrave la conception inteacutegrant ces paramegravetres peuvent varier entre les meacutethodes simplifieacutees de calcul manuel (souvent associeacutees agrave des abaques) et les logiciels baseacutes sur des algorithmes de calcul physique de plus en plus complexes et performants (Radiositeacute Lancer de rayon) [CIE 1978] [IESNA 1982] [CIE 1982] [CIE 1984] [AFE 1987] [CIE 1989] [CIE 1992] [CIE 1995] [IESNA 1991] [IESNA 1991]
I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires Pour pouvoir calculer lrsquoeacuteclairement direct ducirc agrave un luminaire il est neacutecessaire de connaicirctre le flux lumineux sortant et sa distribution directionnelle Cette distribution dite aussi distribution des intensiteacutes courbe photomeacutetrique ou solide photomeacutetrique est mesureacutee agrave lrsquoaide drsquoun goniophotomegravetre
Un goniophotomegravetre consiste agrave preacutesenter sous diffeacuterents angles un luminaire muni drsquoune lampe et drsquoun ballast eacutetalonneacutes agrave un capteur drsquoeacuteclairement situeacute agrave une grande distance Les premiers goniophotomegravetres conccedilus par Ferris Wheel permettaient de faire tourner le luminaire dans un plan horizontal et de faire tourner le capteur dans un plan vertical ce qui neacutecessite des grands espaces
De nos jours on utilise surtout des goniophotomegravetres agrave miroir ougrave le luminaire fait des rotations dans le plan horizontal et un miroir fait une rotation verticale autour du luminaire de faccedilon agrave reacutefleacutechir la lumiegravere incidente du luminaire vers un capteur fixe placeacute agrave une certaine distance
Figure I1 Exemple drsquoun goniophotomegravetre agrave miroir
On utilise eacutegalement une deuxiegraveme meacutethode de mesures goniophotomeacutetriques dite photomeacutetrie agrave distance drsquoapplication Elle consiste agrave mesurer point par point les eacuteclairements reccedilus sur une surface situeacutee agrave une certaine distance du luminaire Ces mesures seront interpoleacutees de faccedilon agrave conclure une distribution des intensiteacutes eacutequivalentes qui produirait les mecircmes valeurs si elle eacutetait positionneacutee au centre photomeacutetrique du luminaire Lrsquoinconveacutenient de cette meacutethode est qursquoelle nrsquoest applicable que pour une certaine distance
24
Chapitre I
Une troisiegraveme meacutethode consiste agrave utiliser des capteurs CCD calibreacutes en luminance pour mesurer le champ de lumiegravere entourant la source Cette meacutethode est dite de photomeacutetrie agrave champ de luminances et elle est de plus en plus utiliseacutee dans le domaine de la photomeacutetrie en champ proche [CIE 1987] [CIE 1996] [Ashdown 2001] [Deniel 2002]
I113 Notion de champ proche - champ lointain Pour une mesure goniophotomeacutetrique drsquoun luminaire il faut faire la diffeacuterence entre mesures en champ proche et en champ lointain
Les mesures en champ lointain supposent que la source de lumiegravere mesureacutee est infiniment petite et pour laquelle peut srsquoappliquer la loi de lrsquoinverse du carreacute Cette hypothegravese est geacuteneacuteralement veacuterifieacutee agrave 2 pregraves pour les cas ougrave le point de mesure est agrave une distance du luminaire drsquoau moins cinq fois sa largeur (regravegle des 5x) Cependant cette notion nrsquoest pas toujours applicable comme par exemple pour les luminaires indirects de grande dimension (eg agrave tubes fluorescents)
Les mesures en champ proche prennent en consideacuteration lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute de la distribution des intensiteacutes entre diffeacuterentes zones drsquoune source Ca consiste agrave mesurer la distribution de la lumiegravere agrave une distance proche du luminaire
La photomeacutetrie en champ proche produit un grand nombre de donneacutees dont lrsquoexploitation nrsquoest pas encore agrave la porteacutee de la majoriteacute des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage existants Crsquoest pourquoi nous ne traitons pas la photomeacutetrie en champ dans notre travail [IESNA 1993] [Ashdown 1993] [Ashdown 2001] [Deniel 2002]
I114 Fichiers photomeacutetriques Les mesures goniophotomeacutetriques (en champ lointain) drsquoun luminaire sont souvent preacutesenteacutes sous forme de tableaux de valeurs ou des graphiques associant une valeur drsquointensiteacute lumineuse agrave chaque direction (repeacutereacutee par un angle vertical et un angle horizontal agrave partir du centre photomeacutetrique du luminaire ie centre de la rotation du luminaire)
La valeur donneacutee de lrsquointensiteacute peut ecirctre une valeur absolue mesureacutee ou bien une valeur relative en cdmsup2 pour un flux de 1000lm produit par la ou les lampes du luminaire
Pour prendre en consideacuteration ces donneacutees photomeacutetriques dans une simulation de lrsquoeacuteclairage un certain nombre de formats de fichiers numeacuterique a eacuteteacute creacuteeacute
7 Le format IESNA dit IES deacutefini et publieacute en 1986 par lrsquoIESNA (Illumination Engineering Society for North America) et depuis adopteacute par les constructeurs ameacutericains de luminaires et par les deacuteveloppeurs de logiciels de calcul drsquoeacuteclairage Ce format a eacuteteacute reacuteviseacute en 1991 en 1995 [IESNA 1995] et plus reacutecemment en 2002 [ANSIIESNA 2002]
8 Le format CIBSE TM 14 CIBSE standard file format for the electronic transfer of luminaire photometric data publieacute en 1988 et largement utiliseacute au Royaume Uni [CIBSE 1988]
9 Le format Eulumdat proposeacute par Stockmar A en 1990 et largement adopteacute par lrsquoindustrie europeacuteenne de lrsquoeacuteclairage [Stockmar 1990] [Stockmar 2000] [Ashdown 1999]
10 Le format CIE 102-1993 Recommended file format for electronic transfer of luminaire photometric data Ce rapport a eacuteteacute publieacute par la CIE dans lrsquoobjectif de standardiser un format international et unique mais il nrsquoa pas eacuteteacute suffisamment soutenu par lrsquoindustrie de lrsquoeacuteclairage ou par les deacuteveloppeurs de logiciels ce qui eacutetait le cas eacutegalement pour drsquoautres tentatives [CIE 1993]
25
Chapitre I
Figure I2 Exemples de visualisation 3D de fichiers photomeacutetriques associeacutes agrave la geacuteomeacutetrie drsquoun luminaire
De faccedilon geacuteneacuterale les diffeacuterents formats proposeacutes preacutevoient une partie pour les informations geacuteneacuterales (sur le luminaire et les lampes utiliseacutees sur le flux sur les conditions de mesurehellip) une partie pour la description des angles de mesures (nombre drsquoangles verticaux et horizontaux et leurs valeurs les axes de symeacutetrie srsquoils existenthellip) puis une partie pour preacutesenter les valeurs drsquointensiteacute agrave associer agrave chaque angle de mesure
En ce qui concerne le flux reacuteel agrave utiliser pour la simulation il peut ecirctre deacuteduit de lrsquointeacutegration des intensiteacutes corrigeacutees ou non par un facteur multiplicateur (pour passer des valeurs relatives aux valeurs reacuteelles) ou bien il peut ecirctre donneacute en valeur absolue dans le fichier (Voir les exemples preacutesenteacutes dans lrsquoannexe G)
I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique) Lrsquoexploitation drsquoun fichier photomeacutetrique dans un logiciel se fait agrave lrsquoaide drsquoune interpolation des valeurs donneacutees pour les diffeacuterentes directions de mesure pour en deacuteduire des valeurs drsquointensiteacute agrave affecter agrave toutes les autres directions Il existe plusieurs meacutethodes drsquointerpolation dont les plus utiliseacutees la meacutethode diteSpline la meacutethode lineacuteaire et la meacutethode dite Seacuteries de Fourier Quelle que soit la meacutethode drsquointerpolation utiliseacutee il existe une source drsquoerreur potentielle en particulier dans le cas de variation rapide des valeurs drsquointensiteacute reacuteelles entre les directions mesureacutees Pour cela il est conseilleacute de faire des mesures goniophotomeacutetriques avec des pas de mesure assez fins en particulier pour les luminaires agrave photomeacutetrie complexe
Suite agrave cette interpolation le logiciel dispose drsquoune distribution drsquointensiteacute complegravete dite aussi solide photomeacutetrique qursquoil pourra utiliser pour calculer les eacuteclairements directs reccedilus sur les diffeacuterentes surfaces de la geacuteomeacutetrie Ce calcul est baseacute sur la formule deacutefinissant la relation entre lrsquointensiteacute (Iox) drsquoune source ponctuelle (O) dans la direction drsquoun point donneacute (X) lrsquoangle drsquoincidence par rapport agrave la surface de mesure (θ) et la valeur drsquoeacuteclairement reacutesultante sur ce point (E = Iox cosθ dsup2)
Etant donneacute que ce calcul prend en consideacuteration une source point (caracteacuteriseacutee par le solide photomeacutetrique souvent placeacute au centre photomeacutetrique du luminaire) il est important de veacuterifier la loi de 5x entre la distance d et la longueur du luminaire
Cependant la majoriteacute des logiciels existants procegravedent agrave une subdivision automatique drsquoune source lineacuteaire ou surfacique en une seacuterie de sources points et cela en fonction de sa dimension et de sa distance des points de mesure afin de veacuterifier la loi de 5x Le mecircme solide
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Chapitre I
photomeacutetrique sera attribueacute agrave toutes les sources points avec un flux qui correspond agrave une partie du flux initial de la grande source
Il faut noter que cette subdivision drsquoun luminaire en une seacuterie de sources points ne prend pas en consideacuteration lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute de la distribution des intensiteacutes entre les diffeacuterentes zones de ce luminaire Ce qui fait introduire une source drsquoerreur qui doit ecirctre prise en consideacuteration en comparant les reacutesultats drsquoune simulation (baseacutee sur un solide photomeacutetrique obtenu par des mesures goniophotomeacutetriques en champ lointain) agrave des mesures expeacuterimentales drsquoeacuteclairement [IESNA 1993] [Ashdown 2001] [Deniel 2002]
I12 Les sources de lumiegravere naturelle Malgreacute lrsquoutilisation intense de la lumiegravere artificielle dans notre mode de vie la source principale de lumiegravere reste la lumiegravere de jour Pour parler de la lumiegravere du jour il faut bien eacutevidemment parler du soleil et du ciel mais aussi du sol exteacuterieur et de lrsquoenvironnement urbain [CIE 1970] [IESNA 1993] [Dumortier 1995]
I121 le soleil A lrsquoorigine de la lumiegravere du jour on trouve le soleil qui est la source primaire de rayonnement sur la terre La variation de lrsquoinclinaison des rayons du soleil agrave la fois dans le temps et dans lrsquoespace creacutee un veacuteritable dynamisme et dessine les grandes lignes de la geacuteographie des climats
La position apparente du soleil par rapport agrave un point donneacute de la terre est exprimeacutee par deux paramegravetres la hauteur solaire qui repreacutesente lrsquoangle vertical du soleil avec lrsquohorizon et lrsquoazimut solaire qui repreacutesente lrsquoangle horizontal (dans le sens des aiguilles de la montre) du soleil avec le sud
Lrsquoeacuteclairement solaire direct reccedilu sur une surface donneacutee deacutepend en particulier de lrsquoangle drsquoincidence du rayonnement solaire sur la surface (variant avec lrsquoorientation de la surface et la position du soleil) de la distance entre le soleil et cette surface (variant avec lrsquoorbite elliptique de la terre) et de lrsquoatteacutenuation du flux lumineux dans lrsquoatmosphegravere (variant avec la densiteacute des nuages et des aeacuterosols) Cet eacuteclairement deacutepend aussi de lrsquoExitance eacutenergeacutetique du soleil exprimeacutee par la Constante solaire qui repreacutesente lrsquoeacuteclairement eacutenergeacutetique (en klx) produit par le rayonnement solaire extraterrestre sur une face perpendiculaire aux rayons solaires agrave la distance moyenne Soleil-Terre Cette constante est pondeacutereacutee par lrsquoefficaciteacute lumineuse relative du rayonnement solaire
La prise en consideacuteration du soleil dans une simulation numeacuterique se fait surtout agrave travers des algorithmes matheacutematiques qui servent agrave calculer la position du soleil par rapport agrave la latitude et la longitude du site au jour de lrsquoanneacutee (de 1 agrave 365) et au temps local Cette position est alors utiliseacutee pour eacutevaluer la peacuteneacutetration agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment
I122 le ciel Avant drsquoatteindre la surface de la terre les rayons solaires traversent et subissent les effets de la couche gazeuse qui enveloppe la terre lrsquoatmosphegravere Sa densiteacute et sa pression diminuent au fur et agrave mesure que lrsquoaltitude augmente Trois reacutegions sont deacutefinies pour caracteacuteriser la composition de lrsquoatmosphegravere lrsquohomosphegravere lrsquoheacuteteacuterosphegravere et la photosphegravere Seule lrsquohomosphegravere intervient dans les pheacutenomegravenes de propagation du rayonnement solaire car elle contient lrsquoair sec et pratiquement la totaliteacute de lrsquoeau atmospheacuterique et les aeacuterosols principaux eacuteleacutements qui influencent la composition spectrale et la propagation de la lumiegravere
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Chapitre I
Ainsi avec la position du soleil et les conditions climatiques (eg densiteacute des nuages densiteacute des aeacuterosolshellip) se dessine une distribution spatiale des luminances de la voucircte ceacuteleste vue par un site donneacute de la terre
Cette distribution des luminances deacutetermine lrsquoeacuteclairement horizontal sur un site donneacute et joue un rocircle principal dans la propagation de la lumiegravere de jour agrave lrsquointeacuterieur des bacirctiments
La prise en consideacuteration des champs de luminances des ciels dans une simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage se fait tregraves souvent agrave travers les modegraveles numeacuteriques de ciels
I123 les modegraveles de ciel Pour pouvoir preacutedire avec preacutecision les eacuteclairements obtenus agrave lrsquointeacuterieur drsquoune piegravece eacuteclaireacutee en lumiegravere de jour il est essentiel de pouvoir deacuteterminer la distribution des luminances du ciel
Pour cela des recherches et des observations ont eacuteteacute meneacutees agrave travers le monde et plusieurs modegraveles numeacuteriques ont eacuteteacute creacuteeacutes et standardiseacutes afin de deacutecrire des reacutepartitions types de luminances qui correspondent le mieux aux conditions de ciel les plus rencontreacutees dans la reacutealiteacute
Ces modegraveles sont geacuteneacuteralement deacutecrits par des formules exprimant la variation des luminances des diffeacuterentes zonesmailles du ciel souvent par rapport agrave la luminance au zeacutenith et selon la position du soleil et les caracteacuteristiques de lrsquoatmosphegravere
A noter que de maniegravere geacuteneacuterale ces modegraveles de ciel ne prennent pas en consideacuteration le rayonnement direct du soleil
Parmi les modegraveles de ciel existants nous citons les suivants
1 Ciel Uniforme utiliseacute auparavant pour le calcul du facteur de lumiegravere de jour 2 Ciel clair CIE baseacute sur le modegravele deacutefini par kittler en 1965 [Kittler 1965] [CIE 1973]
[CIE 1990] 3 Ciel couvert CIE baseacute sur le modegravele de Moon and Spencer et largement utiliseacute comme
reacutefeacuterence pour le calcul du facteur de lumiegravere de jour depuis sa recommandation par la CIE en 1970 [Moon 1942] [CIE 1970] [CIE 1990]
4 Ciel intermeacutediaire de Nakamura [Nakamura 1989] 5 Ciels IESNA Pour deacuteterminer la reacutepartition des luminances drsquoun ciel lrsquoIESNA utilise les
eacutequations utiliseacutees par la CIE pour les ciels clair et couvert et propose une autre eacutequation pour un ciel intermeacutediaire Cependant en plus de la reacutepartition des luminances lrsquoIESNA propose lrsquoutilisation drsquoune eacutequation pour obtenir une valeur absolue de lrsquoeacuteclairement horizontal et une autre eacutequation pour en deacuteduire directement la luminance au zeacutenith Les paramegravetres associeacutes aux deux eacutequations deacutependent de la condition du ciel (clair intermeacutediaire ou couvert) et de la position du soleil [Karayel 1984]
6 Modegravele tout temps de Perez Crsquoest un modegravele empirique baseacute sur un algorithme unique qui agrave partir de la variation de deux paramegravetres lieacutes aux conditions climatiques (clarteacute et luminositeacute) deacutecrit des reacutepartitions de luminances correspondantes agrave des conditions de ciel allant du ciel sans nuages au ciel complegravetement couvert [Perez 1993]
7 Modegravele du Ciel Geacuteneacuteral de la CIE qursquoon peut consideacuterer comme une deacuteriveacutee du ciel tout temps de Perez Il est deacutefini par une eacutequation unique et 15 seacuteries de paramegravetres pour deacutecrire 15 conditions types de ciel et la distribution des luminances propre agrave chacune de ces conditions [CIE 2002]
Mecircme si la majoriteacute de ces modegraveles tentent de repreacutesenter les champs de luminances des ciels le plus fidegravelement possible agrave la reacutealiteacute il est important de noter qursquoil sera difficile sinon
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Chapitre I
impossible de repreacutesenter tous les cas de figures qui peuvent exister dans un ciel reacuteel par des simples formules
Ceci est particuliegraverement vrai si nous voulons prendre en consideacuteration ce qui peut apparaicirctre dans un champ de luminances externe agrave une ouverture zeacutenithale ou verticale (masques sol exteacuterieurhellip)
Face agrave la complexiteacute des champs de luminances reacuteels plusieurs tentatives ont eacuteteacute meneacutees afin de transformer un champ de luminances reacuteel en un modegravele de ciel agrave travers des mesures de scanner de ciel ou bien agrave travers des photos numeacuteriques eacutetalonneacutees [Roy 1998] [Mardaljevic 2001] [Dumortier 2001]
Au-delagrave de la variation des luminances drsquoun ciel certaines eacutetudes se sont inteacuteresseacutees agrave la variation de la tempeacuterature de couleur proximale et de la reacutepartition spectrale [Chain 1999]
I123 Le sol exteacuterieur La lumiegravere naturelle reacutefleacutechie sur le sol exteacuterieur peut jouer un rocircle important dans la propagation de la lumiegravere du jour agrave lrsquointeacuterieur des bacirctiments En effet elle repreacutesente en moyenne 10 agrave 15 de lrsquoeacuteclairement vertical direct sur une faccedilade et peut deacutepasser cette valeur dans le cas drsquoun sol clair
En geacuteneacuteral cette lumiegravere est renvoyeacutee par les surfaces du plafond ou des murs vers les autres surfaces internes et participe ainsi agrave la composante reacutefleacutechie interne du facteur de lumiegravere de jour
La prise en consideacuteration du sol exteacuterieur dans une simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage se fait souvent en supposant une luminance uniforme de celui-ci variant avec lrsquoeacuteclairement Hz et le facteur de reacuteflexion moyen du sol Cependant dans certains logiciels il est neacutecessaire de modeler le sol exteacuterieur par une surface de grande dimension Dans ce cas le moteur de calcul doit proceacuteder au calcul de la reacutepartition de la luminance sur le sol avant de calculer sa contribution agrave lrsquoeacuteclairage inteacuterieur
I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain) Dans le calcul de la lumiegravere du jour agrave lrsquointeacuterieur drsquoun bacirctiment il est important de prendre en consideacuteration les eacuteleacutements de faccedilade et lrsquoenvironnement urbain Ceux ci peuvent repreacutesenter agrave la fois une obstruction agrave lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour directe dans le bacirctiment et une source secondaire de lumiegravere naturelle par reacuteflexion (composante reacutefleacutechie externe)
Ainsi par exemple une piegravece au premier eacutetage sera moins eacuteclaireacutee qursquoune autre au 5egraveme eacutetage dans le cas drsquoun bacirctiment en vis agrave vis Ou encore la mecircme piegravece sera mieux eacuteclaireacutee avec un facteur de reacuteflexion plus eacuteleveacute de la faccedilade en face
La prise en consideacuteration des masques dans certaines meacutethodes de calcul simplifieacutees se fait agrave travers la deacutetermination de lrsquoangle drsquoobstruction (entre le centre de la fenecirctre et la ligne limite entre le masque et le ciel) et du facteur de reacuteflexion moyen du masque
Un calcul plus preacutecis de lrsquoinfluence drsquoun sceacutenario urbain donneacute sur lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour dans une piegravece peut se faire agrave lrsquoaide des algorithmes de calcul physiques (radiositeacute ou lancer de rayon) Cependant cela neacutecessite la modeacutelisation geacuteomeacutetrique des masques exteacuterieurs ce qui entraicircne un temps de calcul relativement long
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Chapitre I
I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
Geacuteneacuteraliteacutes On entend par conception de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment le choix des composants et des caracteacuteristiques des parois vitreacutees leur position leurs dimensions les speacutecifications des vitrages et des protections solaires
Ces choix sont guideacutes par des consideacuterations thermiques (apport solaire et surchauffe deacuteperditions par lrsquoenveloppe) acoustiques eacutenergeacutetiques (eacuteclairage artificiel systegravemes de chauffage et de climatisation) ergonomiques (confort visuel) ainsi qursquoestheacutetiques et architecturales
Il est eacutegalement neacutecessaire de prendre en consideacuteration les interactions entre ces diffeacuterents paramegravetres afin drsquoarriver agrave un compromis qui reacutepond le mieux aux exigences du projet Par exemple laisser passer plus de lumiegravere naturelle en agrandissant les surfaces vitreacutees entraicircnerait une augmentation de lrsquoapport solaire et des surchauffes en eacuteteacute et de la deacuteperdition et de la consommation eacutenergeacutetique du chauffage en hiver
Avec les progregraves technologiques apporteacutes aux systegravemes de controcircle on arrive de nos jours agrave mieux geacuterer ces interactions en particulier le controcircle des protections solaires en relation avec le confort visuel et le controcircle de lrsquoeacuteclairage artificiel en relation avec la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour sur le plan de travail (systegravemes de dimming controcircles automatiseacutes zonagehellip) Cependant pour que la conception de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment aboutisse agrave une meilleure efficaciteacute eacutenergeacutetique il est important de srsquoy inteacuteresser degraves les premiegraveres phases de la conception du bacirctiment (orientation dimensionnementhellip) [ASHRAE-IESNA 1989] [CIE 1994] [Leslie 2003]
Eclairement inteacuterieur requis Un paramegravetre cleacute dans la conception de lrsquoeacuteclairage naturel est lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (en particulier sur le plan de travail) Cet eacuteclairement subit des variations importantes avec le temps dues au dynamisme de la distribution des luminances du ciel (en particulier la zone vue par un point de reacutefeacuterence)
Ducirc agrave cette dynamique et pour simplifier la prise en consideacuteration de ce paramegravetre dans la conception drsquoun bacirctiment la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute a eacuteteacute introduite Ainsi on srsquointeacuteresse agrave un seuil minimum drsquoeacuteclairement neacutecessaire pour assurer le bon fonctionnement des tacircches pour lesquelles est deacutedieacute un local Le deacutepassement de ce seuil est supposeacute comme geacuteneacuteralement compenseacute par lrsquoadaptation de lrsquoœil
Disponibiliteacute de la lumiegravere de jour Lrsquoeacuteclairement inteacuterieur est directement lieacute agrave la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour agrave lrsquoexteacuterieur du bacirctiment Cette derniegravere est exprimeacutee par lrsquoeacuteclairement sur une surface horizontale deacutegageacutee Sa variation avec le temps et la geacuteographie a eacuteteacute eacutetudieacutee agrave partir de plusieurs campagnes de mesure agrave travers le monde [Dumortier 2003]
Ainsi la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour a pu ecirctre deacutecrite par des diagrammes en fonction de la latitude et drsquoun pourcentage des heures drsquoune anneacutee pour une peacuteriode journaliegravere donneacutee (9h agrave 17h par ex) pour lesquelles lrsquoeacuteclairement horizontal exteacuterieur deacutepasse un certain seuil Ces diagrammes ne prennent souvent en consideacuteration que lrsquoeacuteclairement diffus
De nos jours on arrive agrave estimer la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour par lrsquoanalyse des images satellites Nous citons dans ce domaine le serveur Web Satel-Light deacuteveloppeacute au
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Chapitre I
LAboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Dumortier 1995] [Satel-Light 1995] [Dumortier 2002] [Dumortier 2003]
Facteur de lumiegravere de jour Afin de deacuteterminer une relation entre lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (en un point de la piegravece) et la disponibiliteacute de la lumiegravere du jour agrave lrsquoexteacuterieur drsquoun bacirctiment la notion du Facteur de Lumiegravere de Jour est utiliseacutee
FJ= (EintEext)
Ce ratio est subdiviseacute en plusieurs composantes
- La composante directe FJD (varie avec la distribution des luminances du ciel vues par le point de reacutefeacuterence)
- La composante reacutefleacutechie externe FRE (varie avec la contribution de la lumiegravere reacutefleacutechie sur le sol et les masques exteacuterieurs)
- La composante reacutefleacutechie interne FRI (varie avec les inter-reacuteflexions au niveau des surfaces inteacuterieures et deacutepend du facteur de reacuteflexion de ces surfaces)
Ainsi FJ = FJD + FRE + FRI
Pour le calcul drsquoun facteur de lumiegravere de jour en particulier sa composante directe il est important de caracteacuteriser la reacutepartition des luminances dans le ciel Alors que pour des raisons de simplification on supposait une reacutepartition uniforme (en azimut et en zeacutenith) de la luminance du ciel la CIE a proposeacute lrsquoadoption du ciel CIE couvert standard eacutetant donneacute qursquoil repreacutesente mieux de la distribution reacuteelle des luminances drsquoun ciel nuageux
Lrsquoutilisation drsquoun ciel nuageux pour la mesure ou le calcul du facteur de lumiegravere de jour est compatible avec la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute En effet les autres conditions possibles de ciel aboutissent geacuteneacuteralement agrave une meilleure peacuteneacutetration de la lumiegravere diffuse ou agrave une compensation par la lumiegravere directe du soleil Ainsi en adoptant le facteur de lumiegravere de jour sous un ciel nuageux comme reacutefeacuterence pour la conception on garantit une marge de seacutecuriteacute et un niveau minimum
Diagrammes drsquoautonomie A lrsquoaide des paramegravetres deacutecrits ci-dessus lrsquoeacuteclairement inteacuterieur requis les diagrammes de disponibiliteacute de la lumiegravere de jour et le facteur de lumiegravere de jour il est possible de deacutecrire des diagrammes drsquoautonomie en lumiegravere de jour Ces diagrammes permettent de deacutefinir un pourcentage de temps garanti ougrave lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (naturel) en un point donneacute deacutepassera un certain seuil Ou bien il permet de deacutefinir un facteur de lumiegravere de jour minimum requis afin de garantir un certain pourcentage de temps de deacutepassement drsquoun seuil drsquoeacuteclairement inteacuterieur [ASE 1989] [Satel-Light 1995]
Calcul dynamique de lrsquoeacuteclairage naturel (coefficient de FLJ) La nouvelle tendance dans la conception en eacuteclairage naturel nrsquoest plus baseacutee sur la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute mais sur un calcul dynamique de lrsquoentreacutee de la lumiegravere en utilisant les fichiers climatiques drsquoun site donneacute Cette meacutethode plus reacutealiste mais plus lourde en calcul est devenue utilisable gracircce agrave lrsquoeacutevolution des capaciteacutes du mateacuteriel informatique Sa mise en place utilise lrsquoapproche du facteur de lumiegravere de jour directionnel pour preacute-calculer la contribution relative des diffeacuterentes mailles du ciel agrave lrsquoeacuteclairement des diffeacuterents points drsquoun espace inteacuterieur [Tregenza 1983] [Mardaljevic 2000] [Reinhart 2000] [Dumortier 1995]
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Chapitre I
Outils de conception En ce qui concerne les meacutethodes existantes pour le calcul et lrsquoeacutevaluation de lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment elles sont classeacutees selon les cateacutegories suivantes [De Boer 1999]
- Les meacutethodes de calcul manuel (meacutethode de lumen ) - Les meacutethodes graphiques baseacutees sur des diagrammes selon des configurations types
du bacirctiment Ces diagrammes sont compleacuteteacutes par des facteurs de correction agrave prendre en consideacuteration en relation avec la transmission des vitrages la deacutegradation due agrave lrsquoaccumulation des saleteacutes le facteur de reacuteflexion moyen des surfaces inteacuterieureshellip
- Des mesures expeacuterimentales dans des maquettes agrave eacutechelle reacuteduite ou reacuteelle sous un ciel artificiel ou reacuteel
- Les logiciels de simulation baseacutes en particulier sur les meacutethodes de radiositeacute et de lancer de rayon
Un autre aspect de conception en eacuteclairage naturel (que celui de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour) consiste agrave prendre en consideacuteration les taches solaires agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment en particulier du point de vue de lrsquoapport thermique et du confort visuel Lrsquoeacutetude des taches est le plus souvent limiteacutee agrave certains jours repreacutesentatifs de lrsquoanneacutee (en particulier les solstices) et pour diffeacuterentes heures de la journeacutee
Les meacutethodes existantes pour lrsquoeacutetude des taches solaires sont
- Des meacutethodes manuelles utilisant des diagrammes solaires - Des eacutetudes sur maquette reacuteduite sous un heacuteliodon - Des meacutethodes numeacuteriques utilisant des algorithmes matheacutematiques pour deacutefinir la
position du soleil et des algorithmes de lancer de rayon pour simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere solaire directe agrave travers lrsquoenveloppe du bacirctiment Certains logiciels sont deacuteveloppeacutes speacutecialement pour lrsquoeacutetude des taches solaires on parle alors drsquoheacuteliodons numeacuteriques
En plus que les outils de simulation nous traitons dans notre travail les mesures expeacuterimentales dans des maquettes drsquoeacutetude
I13 La geacuteomeacutetrie
I131 Geacuteneacuteraliteacutes Comme la source lumineuse la geacuteomeacutetrie drsquoun espace est un eacuteleacutement cleacute pour calculer et preacutedire la propagation de la lumiegravere agrave lrsquointeacuterieur de cet espace Pour un calcul drsquoeacuteclairage (manuel ou numeacuterique) la description de cette geacuteomeacutetrie doit inclure une description tri-dimensionnelle de lrsquoespace ainsi qursquoune caracteacuterisation physique de ses mateacuteriaux Dans cette partie nous nous inteacuteressons agrave la description tri-dimensionnelle de lrsquoespace dans la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage
Les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie agrave prendre en consideacuteration dans une simulation sont geacuteneacuteralement les surfaces visibles des mateacuteriaux opaques du volume inteacuterieur Dans un sceacutenario drsquoeacuteclairage naturel nous consideacuterons eacutegalement les surfaces du sol et des masques exteacuterieurs ainsi que les composants des parois vitreacutees
On parle de surfaces visibles des mateacuteriaux opaques car contrairement au cas des eacutechanges de flux thermiques lrsquoinfluence des mateacuteriaux opaques sur la propagation des flux lumineux se limite agrave ces surfaces
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Chapitre I
La prise en consideacuteration des parois vitreacutees du sol et des masques exteacuterieurs peut varier entre les diffeacuterents logiciels Ainsi lrsquoinfluence de ces eacuteleacutements (vitrage store veacutenitien masque vertical ou horizontalhellip) peut ecirctre calculeacutee analytiquement dans un logiciel et agrave lrsquoaide drsquoun lancer de rayon ou un calcul de radiositeacute dans un autre Le premier cas ne neacutecessite qursquoune description parameacutetrique (type de vitrage couleur et orientation des lames angle drsquoobstructionhellip) et le deuxiegraveme neacutecessite une modeacutelisation preacutecise des eacuteleacutements
I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie Bien que certains logiciels offrent la possibiliteacute drsquoune automatisation de lrsquoentreacutee de la geacuteomeacutetrie 3D cellendashci est en fin de compte deacutecrite par un ensemble de polygones deacutefinis par les coordonneacutees carteacutesiennes de leurs sommets (x y z)
Pour les logiciels de simulation qui nrsquooffrent pas une interface de DAO pour lrsquoentreacutee de la geacuteomeacutetrie il est possible drsquoimporter cette derniegravere agrave partir drsquoun logiciel de DAO externe [IESNA 1999] La plupart des logiciels de simulation sont compatibles avec le format DXF creacuteeacute par Autodesk et standardiseacute par la suite pour le transfert de donneacutees geacuteomeacutetriques [Autodesk 1999]
Parmi les logiciels de DAO souvent utiliseacutes pour modeacuteliser la geacuteomeacutetrie 3D nous citons AutoCAD ArchiCAD et Microstation Cependant lorsqursquoune geacuteomeacutetrie est deacutecrite agrave lrsquoaide drsquoun logiciel externe il est important de prendre certaines preacutecautions dans le mode de dessin afin de garantir une meilleure compatibiliteacute avec la plupart des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
Les preacutecautions agrave prendre et leurs importances sont diffeacuterentes drsquoun logiciel agrave un autre mais souvent le but est drsquoeacuteviter les confusions lors du transfert qui peuvent mener agrave des erreurs de calcul Par exemple il peut srsquoagir de respecter la notion de lrsquoorientation des surfaces qui est importante dans certains logiciels ou bien de limiter la modeacutelisation des surfaces de la geacuteomeacutetrie aux parties apparentes pour eacuteviter les fausses ombres [Foley 1990]
I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade La propagation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquointeacuterieur drsquoun bacirctiment deacutebute par un transfert des flux agrave travers les parois vitreacutees Ainsi il est important de prendre ces derniegraveres en consideacuteration pour une preacutediction preacutecise de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment
La caracteacuterisation drsquoun composant drsquoune paroi vitreacutee en transmission lumineuse se fait geacuteneacuteralement agrave travers des mesures goniophotomeacutetriques Ainsi agrave partir drsquoune seacuterie de mesures de transmission en direct-direct seront deacuteduites les fonctions de transfert direct-heacutemispheacuterique et heacutemispheacuterique-heacutemispheacuterique qui caracteacuterisent un mateacuteriau donneacute [CIE 1998]
Cependant une paroi vitreacutee peut se preacutesenter sous diffeacuterentes formes agrave diffeacuterents niveaux de complexiteacute Nous listons ci-dessous les principaux cas de figures
I141 Ouverture simple Le cas le plus basique est celui drsquoune simple ouverture sans vitrage Lrsquoinfluence drsquoune telle ouverture sur la propagation de la lumiegravere naturelle se limite agrave sa dimension et son eacutepaisseur qui deacuteterminent la partie du champ de luminances externe rendue visible aux points inteacuterieurs Lrsquoaspect directionnel qualitatif et quantitatif du flux lumineux incident est conserveacute lors du passage agrave travers cette ouverture et ne subit aucune deacuteviation ni atteacutenuation (si ce nrsquoest la reacuteflexion sur les bords)
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Chapitre I
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel se fait souvent agrave lrsquoaide drsquoun maillage de sa surface La luminance apparente des mailles est ensuite calculeacutee (agrave partir de la luminance de la zone du ciel apparente agrave travers cette maille par un point donneacute) et finalement est calculeacutee la contribution de chaque maille agrave lrsquoeacuteclairement du point eacutetudieacute
Dans un certain nombre de logiciels le calcul commence par une deacutetection du champ de vision drsquoun point de mesure agrave travers lrsquoouverture Cette deacutetection se fait geacuteneacuteralement agrave lrsquoaide drsquoun lancer de rayons qui permet de deacutefinir les limites du masque constitueacute par les murs entourant lrsquoouverture
I142 Vitrage classique Dans le cas drsquoune ouverture vitreacutee (vitrage classique) le flux incident subit lrsquoinfluence de la transmission directionnelle du vitrage Cette transmission diminue avec lrsquoaugmentation de lrsquoangle drsquoincidence du rayonnement lumineux et varie selon le type de vitrage (simple double teinteacutehellip)
Il existe plusieurs reacutefeacuterences pour deacuteterminer la variation theacuteorique de la transmission lumineuse drsquoun vitrage avec lrsquoangle drsquoincidence Mais en geacuteneacuteral la majoriteacute drsquoun flux lumineux transmis agrave travers un vitrage classique est supposeacute garder sa directionnaliteacute (angle de transmission = angle drsquoincidence) et ne subit qursquoune simple atteacutenuation selon lrsquoangle drsquoincidence [Hopkinson 1966] [Hopkinson 1966 Tregenza 1993]
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture vitreacutee dans une simulation drsquoeacuteclairage naturel suit le mecircme principe que pour une ouverture non vitreacutee mais en plus une atteacutenuation de la contribution drsquoune maille agrave lrsquoeacuteclairement drsquoun point est calculeacutee selon lrsquoangle drsquoincidence entre cette maille et ce point de mesure Cependant certains logiciels ne prennent pas en consideacuteration la transmission directionnelle drsquoun vitrage et se contentent drsquoaffecter un facteur de transmission uniforme
I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel Il existe sur le marcheacute de la construction de plus en plus de vitrages agrave proprieacuteteacutes bi-directionnelles dont le but est souvent de favoriser le cheminement drsquoun flux lumineux incident dans une direction donneacutee (Laser Cut Panel Serraglaze etc) Par exemple dans le cas drsquoune ouverture verticale lrsquoobjectif est souvent de favoriser lrsquoorientation du flux transmis vers le plafond afin de permettre une entreacutee plus profonde de la lumiegravere et afin drsquoeacuteviter ou au moins drsquoatteacutenuer les taches solaires Dans le cas drsquoune ouverture zeacutenithale lrsquoobjectif est de favoriser lrsquoentreacutee verticale de la lumiegravere provenant de toutes les directions de lrsquoheacutemisphegravere exteacuterieur
Le flux lumineux incident sur ce type de mateacuteriaux est transmis avec changement drsquoorientation partielle ou totale dans le mecircme plan drsquoincidence ou bien dans tout lrsquoheacutemisphegravere de sortie
La prise en consideacuteration drsquoun mateacuteriau agrave transmission bidirectionnelle dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel est drsquoune complexiteacute importante Elle neacutecessite lrsquoutilisation des fonctions de transfert bidirectionnelles dite BTDF qui sont assez lourdes en calcul Les logiciels permettant ce type de simulations sont encore assez rares et limiteacutes au domaine de la recherche scientifique [Fontoynont 1999] [Greenup 2000] [Andersen 2003]
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Chapitre I
I144 Eleacutements de protection solaire Le rocircle des eacuteleacutements de protection solaire est de bloquer drsquoatteacutenuer ou de reacuteorienter la lumiegravere directe du soleil Parmi les types les plus utiliseacutes nous citons en particulier les stores veacutenitiens (agrave effet de reacuteorientation) les brises soleil (agrave effet de masque) et les stores en toile (agrave effet de diffusion)
La prise en consideacuteration des eacuteleacutements de protection solaires dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel deacutepend de leur type Par exemple les protections solaires agrave effet de masque neacutecessitent un simple calcul de lancer de rayons alors que la simulation des eacuteleacutements agrave effet de reacuteorientation suit le mecircme principe que pour les vitrages bidirectionnels [Klems 1995] [Shareef 2001]
I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux Pour caracteacuteriser le comportement des parois vitreacutees afin de mieux les prendre en consideacuteration dans le calcul ou la simulation de lrsquoeacuteclairage on a recours aux mesures goniophotomeacutetriques
Ces mesures peuvent srsquoaveacuterer drsquoune grande complexiteacute en particulier dans le cas des mateacuteriaux bidirectionnels puisqursquoils neacutecessitent des mesures heacutemispheacuteriques en entreacutee et en sortie
De nos jours plusieurs deacuteveloppements sont en cours afin de simplifier les proceacutedures de mesure ou de conduire ces mesures numeacuteriquement agrave lrsquoaide drsquoalgorithmes physiques [Mitanchey 1995] [Andersen 2003] [Andersen 2003] [De Boer 2003]
Drsquoautres efforts sont eacutegalement investis dans le but de simplifier la preacutesentation des donneacutees goniophotomeacutetriques [Roy 1995] [Mitanchey 1996] [IEA-SHC 1999]
I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux Si lrsquoeacuteclairage direct reccedilu des sources de lumiegravere (naturelles ou artificielles) est un eacuteleacutement de base dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere lrsquoeacuteclairage dit indirect nrsquoest pas de moindre importance
En effet lrsquoeacuteclairage indirect ducirc aux inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les diffeacuterentes surfaces drsquoune scegravene peut repreacutesenter une proportion importante de lrsquoeacuteclairement total par rapport agrave lrsquoeacuteclairement direct Crsquoest le cas notamment des luminaires indirects ou des systegravemes de reacute-acheminement de la lumiegravere directe du soleil
Les inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie deacutependent de la photomeacutetrie de ces surfaces (ou des mateacuteriaux qui les constituent) Cette photomeacutetrie est caracteacuteriseacutee en particulier par trois paramegravetres
- Le facteur de reacuteflexion global - La directionnaliteacute de la lumiegravere reacutefleacutechie - Lrsquoinfluence spectrale sur la lumiegravere reacutefleacutechie
Le premier repreacutesente le rapport entre le flux total reacutefleacutechi sur une surface et le flux initial incident Pour faciliter la mesure de ce paramegravetre un nombre de mateacuteriaux standards a eacuteteacute deacutefini comme reacutefeacuterence [CIE 1979] [CIE 1979] [CIE 1998]
Le deuxiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la ou les directions de reacuteflexion drsquoun flux incident avec une direction donneacutee Cette directionnaliteacute deacutepend de la geacuteomeacutetrie microscopique de la surface (apparente) drsquoun mateacuteriau opaque On distingue en particulier deux types de reacuteflexion theacuteoriques Les reacuteflexions parfaitement speacuteculaires et les reacuteflexions
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Chapitre I
parfaitement diffuses Bien que ces cas extrecircmes nrsquoexistent pas dans la reacutealiteacute les lois theacuteoriques relatives sont bien deacutefinies (La loi de Descartes pour le premier et loi de Lambert et les formules de facteur de forme pour le deuxiegraveme) Au-delagrave de ces deux cas theacuteoriques simplifieacutes un nombre de travaux a eacuteteacute meneacute pour deacutecrire des modegraveles analytiques plus complets qui srsquoapprochent mieux de la reacutealiteacute mais qui repreacutesentent un degreacute de complexiteacute plus eacuteleveacute [Trowbridge 1975] [Kajiya 1985] [Uetani 1992] [Balocco 2001] [Deniel 2002]
Dans la majoriteacute des logiciels existants la reacuteflexion de la lumiegravere sur une surface est simuleacutee par une combinaison de reacuteflexions diffuses et speacuteculaires Ainsi une partie du flux est reacutefleacutechie en obeacuteissant agrave la loi de Descartes et une autre partie est diffuseacutee uniformeacutement dans lrsquoespace Les algorithmes utiliseacutes sont eacutegalement en geacuteneacuteral une combinaison de radiositeacute et de lancer de rayons Certains logiciels nrsquoutilisant que les algorithmes de radiositeacute se contentent de supposer les surfaces comme 100 diffuses
Drsquoautres logiciels qui restent assez rares prennent en consideacuteration les fonctions de reacuteflexions bidirectionnelles (BRDF) theacuteoriques ou mesureacutees Cependant il faut noter que de nos jours la preacutecision des mesures de ces fonctions neacutecessite encore des moyens financiers et logistiques trop importants
Le troisiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la qualiteacute spectrale de la lumiegravere reacutefleacutechie par rapport agrave celle de la lumiegravere incidente Elle deacutepend en particulier de lrsquoabsorption spectrale seacutelective du mateacuteriau En effet le facteur drsquoabsorption drsquoun mateacuteriau peut ecirctre plus ou moins eacuteleveacute selon la longueur drsquoonde avec laquelle arrive une partie du flux incident Ainsi le spectre de la lumiegravere reacutefleacutechie peut ecirctre complegravetement diffeacuterent de celui de la lumiegravere incidente Les mateacuteriaux qui ont le mecircme facteur de reacuteflexion pour toutes les longueurs drsquoonde sont dits spectralement neutres [CIE 1986] [Smith 1992] [CIE 1996]
Plusieurs approches sont proposeacutees pour traiter lrsquoaspect spectral ou colorimeacutetrique de la propagation de la lumiegravere Les approches les plus utiliseacutees dans les logiciels de simulation de la lumiegravere sont baseacutees sur une caracteacuterisation agrave trois composantes de la couleur (de la source lumineuse ou des surfaces) Nous citons les systegravemes XYZ (de la CIE) RGB CMY et HSV Cependant si ce type de caracteacuterisation est convenable pour la repreacutesentation des couleurs il srsquoavegravere insuffisant pour simuler la variation du spectre du flux lumineux agrave travers les inter-reacuteflexions sur les surfaces inteacuterieures drsquoun espace [Mitanchey 1996] Pour plus de preacutecision il est alors recommandeacute drsquoutiliser les approches baseacutees sur une discreacutetisation plus ou moins fine du spectre Mais lrsquoimpleacutementation de telles approches dans les logiciels existants est loin drsquoecirctre courante [Smith 1992] [Mitanchey 1996]
I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage Il existe sur le marcheacute international un nombre important de logiciels deacutedieacutes agrave la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Dans une enquecircte meneacutee par le groupe 3D lumiegravere en 2000 aupregraves de 74 professionnels [3D-lumiegravere 2000] environ quarante logiciels ont eacuteteacute citeacutes par les enquecircteacutes comme outils de travail en eacuteclairage Dans une deuxiegraveme eacutetude plus speacutecialiseacutee dans le calcul drsquoeacuteclairage naturel et meneacutee par lrsquoagence international drsquoeacutenergie IEA SHC Task 21-C2 [Fontoynont 1999] vingt cinq logiciels ont eacuteteacute citeacutes Vingt deux de ces logiciels ne sont pas connus par les utilisateurs franccedilais enquecircteacutes par 3D lumiegravere Finalement nous citons lrsquoenquecircte de lrsquoIENSA [IESNA 1999] preacutesentant un nombre de logiciels existants au niveau international
Les logiciels existants diffegraverent entre eux par les algorithmes qursquoils utilisent par leurs approches DAO par la prise en consideacuteration des diffeacuterents types de sources lumineuses par
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Chapitre I
leur capaciteacute agrave simuler les pheacutenomegravenes de propagation de lumiegravere plus ou moins complexes par leur interface utilisateur et finalement par leurs vocations et leurs domaines drsquoapplication
I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage Le rocircle des algorithmes dans une simulation drsquoeacuteclairage est de geacuterer le calcul de la propagation de la lumiegravere entre les sources et les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie puis les inter-reacuteflexions entre ces surfaces
Les algorithmes utiliseacutes dans les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage sont des algorithmes dits drsquoeacuteclairement global (global illumination) puisqursquoils font un calcul tridimensionnel de la propagation de la lumiegravere Ils peuvent ecirctre classeacutes sous deux grandes familles la radiositeacute et le lancer de rayons Ces deux familles tendent agrave avoir des avantages et des inconveacutenients compleacutementaires ce qui fait que certains logiciels utilisent une logique hybride combinant les deux familles [IEA-SHC 1999] [Mitanchey 1996]
1211 Radiositeacute Les algorithmes de radiositeacute utiliseacutes pour le calcul de lrsquoeacuteclairage datent du deacutebut des anneacutees 80 Ils ont eacuteteacute adapteacutes agrave partir des algorithmes de radiositeacute utiliseacutes depuis les anneacutees 60 pour le calcul des eacutechanges radiatifs thermiques sur la base de lrsquoeacutequilibre eacutenergeacutetique
Les algorithmes de radiositeacute procegravedent en geacuteneacuteral agrave une discreacutetisation de lrsquoenvironnement simuleacute agrave travers un maillage (subdivision en petites mailles) des surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie eacuteclaireacutee par une source donneacutee (voir figure I3) Tout drsquoabord un calcul de la lumiegravere directe reccedilue par chaque maille est effectueacute Ensuite chaque maille est traiteacutee comme une source lumineuse eacutemettant une partie du flux lumineux qursquoelle a reccedilu (selon son facteur de reacuteflexion) vers les autres mailles de la geacuteomeacutetrie Cette lumiegravere indirecte subit plusieurs inter-reacuteflexions jusqursquoagrave ce que la quasi-totaliteacute du flux initial soit absorbeacutee
Suite agrave ce calcul on est capable de savoir la quantiteacute de flux lumineux direct et indirect reccedilue et eacutemise par une maille donneacutee et donc lrsquoeacuteclairement et la luminance de cette maille [Scartezzini 1993] [Ashdown 2001]
Figure I3 Exemple drsquoun calcul de Radiositeacute agrave lrsquointeacuterieur drsquoune geacuteomeacutetrie
Bien que le principe geacuteneacuteral de la radiositeacute deacutecrit ci-dessus soit le mecircme pour tous les algorithmes de radiositeacute existants ceux-ci diffegraverent dans la meacutethode adopteacutee pour le maillage de la geacuteomeacutetrie et pour le suivi du flux
La radiositeacute peut ecirctre en principe appliqueacutee agrave tout type de reacuteflexion cependant les algorithmes existants sont encore limiteacutes aux reacuteflexions 100 diffuses Ce qui entraicircne des erreurs plus ou moins importantes selon le comportement reacuteel du mateacuteriau simuleacute La
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radiositeacute preacutesente aussi quelques autres inconveacutenients dont particuliegraverement un temps de calcul assez long une lourde consommation en meacutemoire et une faible performance en qualiteacute graphique
Cependant le calcul de radiositeacute a lrsquoavantage drsquoecirctre indeacutependant de la position de lrsquoobservateur Ainsi un seul calcul est suffisant pour connaicirctre lrsquoeacuteclairement de tous les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie et pour la visualiser agrave partir drsquoune infiniteacute de points de vue
Une nouvelle geacuteneacuteration drsquoalgorithmes de radiositeacute est apparue en 1988 elle permet drsquoobtenir un reacutesultat graphique immeacutediat qui srsquoameacuteliore progressivement en preacutecision et en qualiteacute visuelle drsquoougrave son nom progressive refinement radiosity [Cohen 1988] [Autodesk 1999]
Une autre eacutevolution des algorithmes de radiositeacute fut le concept de maillage adaptatif ougrave le logiciel commence agrave calculer agrave partir drsquoun maillage de faible preacutecision Ensuite il procegravede agrave des subdivisions suppleacutementaires lagrave ougrave il y a une grande diffeacuterence drsquoeacuteclairement entre les mailles Cette meacutethode conduit agrave une eacuteconomie dans le temps de calcul et dans lrsquoutilisation de meacutemoire
1212 Lancer de rayons La deuxiegraveme famille drsquoalgorithmes est la plus ancienne elle a connu plus de deacuteveloppements et preacutesente une plus grande varieacuteteacute de meacutethodes
Ces meacutethodes ont lrsquoavantage de calculer avec preacutecision lrsquoeacuteclairement direct de calculer les effets speacuteculaires des mateacuteriaux de mieux deacutefinir les ombres et de consideacuterer les reacutefractions agrave travers les surfaces transparentes Crsquoest donc les algorithmes qui donnent les meilleurs reacutesultats graphiques drsquoougrave ce qursquoon appelle le photo-reacutealisme des images de synthegravese
Il existe plusieurs cateacutegories drsquoalgorithmes baseacutees sur le lancer de rayon nous citons les suivantes
Figure I4 Exemple drsquoun calcul de Lancer de rayons (inverse)
1 Traceacute de rayons ou Lancer de rayons depuis lrsquoobservateur dite aussi Lancer inverse de rayons (backward ray tracing) les rayons sont geacuteneacutereacutes depuis lrsquoœil de lrsquoobservateur et cheminent agrave travers des reacuteflexions multiples sur les parois jusqursquoaux sources de lumiegravere (voir figure I4) Ainsi seuls les rayons utiles pour la construction de lrsquoimage seront geacuteneacutereacutes et suivis agrave travers les diffeacuterentes inter-reacuteflexions mais la solution est valide pour un seul point de vue [Whitted 1980]
2 Suivi de rayons ou Lancer direct de rayons (forward ray tracing) cette meacutethode geacutenegravere les rayons lumineux depuis la source vers les surfaces reacuteceptrices quand un rayon atteint une surface il est dirigeacute selon la photomeacutetrie rencontreacutee jusqursquoagrave lrsquoeacutepuisement de son eacutenergie [Fontoynont 1991]
3 Technique statistique de monte-carlo backward ou forward La meacutethode de Monte-Carlo associeacutee agrave des meacutethodes de lancer de rayons a recours agrave une technique statistique
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pour la distribution des rayons reacutefleacutechis Elle neacutecessite un temps de calcul eacuteleveacute [IEA-SHC 1999]
I22 Exemples types des logiciels existants Les logiciels existants sur le marcheacute international et utiliseacutes comme outils de conception en eacuteclairage peuvent ecirctre classeacutes en diffeacuterentes familles [De Boer 1999] [IESNA 1999]
1 Les logiciels baseacutes sur les formules de base de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel Ces logiciels sont souvent distribueacutes par les constructeurs de luminaires et munis de leur bibliothegraveque de luminaires
2 Des logiciels baseacutes sur des formules de base de calcul en eacuteclairage naturel ou sur des donneacutees empiriques (ou preacute-simuleacutees) Ces logiciels sont souvent deacutedieacutes agrave lrsquoutilisation dans les phases preacuteliminaires de la conception drsquoun projet (ex Dial Sodalight etc)
3 Les logiciels capables de calculer lrsquoeacuteclairage direct uniquement Ils sont tregraves souvent inteacutegreacutes dans des logiciels de DAO Leur objectif est limiteacute agrave lrsquoameacutelioration du rendu graphique drsquoun projet ou au mieux agrave une eacutetude de taches solaires (ex Archicad) Cependant ce type de logiciels devient de plus en plus rare En effet vu leurs potentiels un certain nombre de ces logiciels a eacuteteacute mis agrave niveau par les deacuteveloppeurs et a passeacute ainsi agrave la famille suivante (ex Microstation et 3D Studio)
4 Les logiciels dits drsquoeacuteclairement global Ils utilisent souvent des algorithmes de calcul physique (en particulier de radiositeacute et lancer de rayons) Nous distinguons cependant dans cette cateacutegorie les logiciels deacuteveloppeacutes dans un cadre scientifique (ex Radiance Geacuteneacutelux CSTB) de ceux deacuteveloppeacutes et diffuseacutes dans un cadre commercial (Lightscape Dialuxhellip) En geacuteneacuteral les logiciels commerciaux possegravedent des interfaces plus conviviales mais les logiciels scientifiques offrent des fonctionnaliteacutes plus complegravetes Par exemple certains logiciels scientifiques sont capables de prendre en consideacuteration lrsquoaspect spectral de la propagation de la lumiegravere etou de traiter les fonctions bidirectionnelles Finalement nous notons que les logiciels commerciaux manquent le plus de transparence sur leur fiabiliteacute dans les diffeacuterents domaines drsquoapplication (manque de travaux de validation)
Dans notre travail de thegravese nous nous inteacuteressons en particulier agrave la derniegravere famille Ne pouvant pas enquecircter sur tous les logiciels existants nous nous contentons de citer (par ordre alphabeacutetique) quelques logiciels sur lesquels il y a eu des publications scientifiques et des travaux de validation [Fontoynont 1999]
1221 Adeline Deacuteveloppeacute dans le cadre de lrsquoIEA Adeline a eacuteteacute fondeacute sur les logiciels Superlite et Radiance par le biais drsquoun modeleur graphique et drsquooutils de DAO Ainsi il permet de deacutefinir la geacuteomeacutetrie avec son propre systegraveme de DAO par lrsquoentreacutee manuelle des coordonneacutes carteacutesiennes ou agrave partir drsquoun fichier DXF
Le logiciel est muni drsquoune bibliothegraveque de base de donneacutees de mateacuteriaux de luminaires et de mobilier Il produit des reacutesultats numeacuteriques ou bien graphiques Au-delagrave des eacuteclairements et des luminances Adeline permet de calculer lrsquoeacutenergie consommeacutee par lrsquoeacuteclairage artificiel en fonction des apports de lumiegravere du jour [Erhorn 1998] [Scartezzini 1993]
1222 Genelux Le logiciel Genelux deacuteveloppeacute au laboratoire des sciences de lrsquohabitat utilise un algorithme de lancer direct et suivi de rayons lumineux (Forward Ray tracking) La distribution des rayons reacutefleacutechis est effectueacutee en ayant recours agrave une technique statistique de Monte Carlo
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Chapitre I
Dans le cas ougrave les surfaces seraient parfaitement diffusantes il est possible de faire appel agrave un algorithme baseacute sur la meacutethode de radiositeacute afin de reacuteduire les temps de simulation Genelux peut modeacuteliser les surfaces speacuteculaires diffuses ou mixtes en transmission etou reacuteflexion Il peut eacutegalement prendre en consideacuteration des quantiteacutes spectrales en deacutecomposant les rayons incidents par bandes spectrales [Mitanchey 1996] [Maamari 2003]
1223 Inspirer Destineacute surtout au domaine de lrsquoarchitecture avec comme fonctionnaliteacutes les calculs de lrsquoeacuteclairage les analyses de visibiliteacute et la visualisation des projets Pour le calcul de lrsquoeacuteclairage il utilise des approches hybrides surtout la meacutethode bi-directionnelle de Monte Carlo au Lancer de Rayons Ce qui diffeacuterencie le plus ce logiciel est lrsquoutilisation des formules de BRDF qui permet de respecter les variations de reacuteflexion et de transmission (diffuse et speacuteculaire) ainsi que des couleurs selon lrsquoangle drsquoincidence et de vision [Maamari 2003]
1224 DIAL Leso-Dial Le but du logiciel est de donner aux architectes des informations utiles concernant lrsquoutilisation de la lumiegravere de jour dans un bacirctiment degraves la phase de lrsquoavant projet Il calcule le facteur de lumiegravere du jour sur le plan utile gracircce agrave une utilisation hybride de formule analytique et empirique [Paule 1995]
1225 Lightscape 32 Crsquoest un logiciel qui est destineacute agrave des utilisations graphiques mais il offre eacutegalement des fonctionnaliteacutes inteacuteressantes pour la simulation physique de la lumiegravere Il utilise un algorithme de radiositeacute pour le calcul quantitatif et un algorithme de lancier de rayons pour lrsquoameacutelioration qualitative et visuelle des images de synthegraveses Ce logiciel est deacutecrit en deacutetail dans la partie IV11 de ce document [Khodulev 1996] [Maamari 2002]
1226 Radiance Le logiciel Radiance utilise un algorithme de lancer inverse de rayons Le lancer des rayons peut ecirctre stoppeacute si leur eacutenergie est jugeacutee insuffisante Les rayons reacutefleacutechis peuvent ecirctre geacuteneacutereacutes selon une fonction de distribution permettant la simulation de reacuteflexions speacuteculaires semi-speacuteculaires ou diffuses Ce lancer de rayons est compleacuteteacute drsquoun calcul statistique de reacuteflexion diffuse pour distribuer le flux reacutesiduel [Ward 1994] [Grynberg 1988]
1227 Superlite Le logiciel Superlite utilise une meacutethode point agrave point de radiositeacute Toutes les surfaces sont supposeacutees ecirctre parfaitement diffusantes Crsquoest la meacutethode la plus rapide mais elle est toutefois limiteacutee aux surfaces diffuses [Grynberg 1988]
I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels Lrsquoutilisation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage se geacuteneacuteralise de plus en plus dans le domaine de conception en eacuteclairage et au-delagrave Ainsi de nos jours ces logiciels sont utiliseacutes aussi bien par des bureaux drsquoeacutetude du bacirctiment et des architectes que par des deacuteveloppeurs de jeu videacuteo Les applications peuvent ecirctre entre autres [IESNA 1999] [3D-lumiegravere 2000] [Maamari 2002]
1 La conception en eacuteclairage artificiel Que ce soit pour lrsquoeacuteclairage inteacuterieur des bacirctiments lrsquoeacuteclairage des faccedilades des monuments des voiries des trottoirs ou lrsquoeacuteclairage des
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Chapitre I
tunnels etc Elle comprend entre autre le dimensionnement des systegravemes lrsquoanalyse du confort visuel et de la consommation etc
2 La conception en eacuteclairage naturel dimensionnement des ouvertures et des protections solaires orientation des projets analyse de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour et eacutetudes des FLJhellip
3 Le rendu et la preacutesentation des projets par les architectes et par les deacutecorateurs drsquointeacuterieur 4 La creacuteation de scegravenes de reacutealiteacute virtuelle pour le monde du cineacutema de la publiciteacute ou des
jeux videacuteohellip 5 La conception mecircme des optiques de luminaires ou de phares de voitures
Le domaine drsquoutilisation drsquoun logiciel donneacute deacutepend des fonctionnaliteacutes proposeacutees par ce logiciel de ses capaciteacutes agrave simuler avec un certain degreacute de fiabiliteacute et de faciliteacute les diffeacuterents domaines de la propagation de la lumiegravere en relation avec les besoins de lrsquoutilisateur
Bien que les algorithmes de calcul utiliseacutes dans les logiciels se ressemblent ces derniers ne sont pas tous adapteacutes pour les mecircme types drsquoapplications et ne reacutepondent pas aux mecircmes besoins
Ainsi certains utilisateurs cherchent en prioriteacute la faciliteacute drsquoutilisation des fonctionnaliteacutes en relation avec leur propre activiteacute en deacutepit des autres fonctionnaliteacutes et mecircme parfois en deacutepit de la validiteacute des reacutesultats Drsquoailleurs crsquoest agrave cause de ce contexte que des deacuteveloppeurs de logiciels commerciaux ont tendance agrave proposer des interfaces et des fonctionnaliteacutes optimiseacutees et orienteacutees vers un domaine drsquoapplication donneacute Ainsi nous commenccedilons agrave trouver par exemple des logiciels deacutedieacutes agrave la conception de lrsquoeacuteclairage public etou des tunnels (ex Tunnel-Lite) drsquoautres agrave la conception des protections solaires (ex ParaSol) etc
Cependant il est encore difficile de nos jours agrave un concepteur de bacirctiment de savoir quel est le ou les logiciels existants qui reacutepondent le mieux agrave ses propres besoins Crsquoest ce qui ressort dans les diffeacuterentes enquecirctes meneacutees sur lrsquoutilisation des logiciels en particulier celle meneacutee par le club 3D-Lumiegravere [3D-lumiegravere 2000] et celle que nous avons meneacutee au Light and Building 2002 [Maamari 2002] (voir annexe D) Nous notons par exemple dans ces deux enquecirctes lrsquoutilisation par des concepteurs lumiegravere de logiciels graphiques (Photoshop) en tant qursquooutils de conception
I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I31 Introduction Comme son nom lrsquoindique un logiciel de simulation de lrsquoeacuteclairage est supposeacute simuler la reacutealiteacute Mais la fideacuteliteacute de la simulation agrave la reacutealiteacute est loin drsquoecirctre veacuterifieacutee pour tous les logiciels existants sur le marcheacute international
Drsquoailleurs le niveau de preacutecision et de similitude (entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage et la reacutealiteacute) exigeacute ou souhaiteacute par les diffeacuterents utilisateurs nrsquoest pas neacutecessairement le mecircme et peut varier largement selon la speacutecificiteacute de leurs domaines drsquoactiviteacute [Maamari 2002]
Ainsi pour des utilisateurs qui srsquointeacuteressent uniquement au rendu graphique une image de synthegravese reacutealiste sans ecirctre neacutecessairement proche de la reacutealiteacute peut ecirctre suffisante Pour eux la question de la validation scientifique du logiciel utiliseacute ne se pose pas trop
Alors que pour des utilisateurs qui comptent extraire drsquoune simulation des cartes de luminances pour analyser le confort visuel de lrsquooccupant la validiteacute du logiciel devient drsquoune
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Chapitre I
importance de premier ordre Ceci est eacutegalement vrai pour les concepteurs en eacuteclairage qui ont besoin de veacuterifier que le niveau drsquoeacuteclairement est suffisant sur le plan de travail
Mais quel que soit le niveau de preacutecision souhaiteacute il est important pour un futur utilisateur de savoir la preacutecision qursquoil peut attendre de la part du logiciel qursquoil souhaite utiliser pour un type donneacute de tacircches Cette information est mecircme indispensable pour aboutir agrave une utilisation responsable des logiciels de simulation mais cela ne peut ecirctre possible qursquoagrave travers une validation rigoureuse et transparente de ce logiciel
Une validation rigoureuse et transparente des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage est une tacircche immense et drsquoune complexiteacute non neacutegligeable Ce qui est vrai pour tous les logiciels baseacutes sur des lois physiques comme par exemple les logiciels de simulation thermique
Cette complexiteacute est drsquoautant plus vraie quand on srsquointeacuteresse agrave lrsquoorientation du choix des utilisateurs vers un logiciel qui reacutepond le mieux agrave leurs propres besoins Dans ce contexte on souhaite veacuterifier la capaciteacute du logiciel agrave simuler avec preacutecision les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere lieacutes au domaine drsquoutilisation mais aussi on veut comparer cette capaciteacute agrave drsquoautres logiciels existants
La multitude des aspects qui entrent en jeu dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere combineacutee agrave la diversiteacute des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage contribuent agrave cette complexiteacute
Ainsi un logiciel capable de simuler des luminaires agrave optique diffusante nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler un luminaire avec une optique asymeacutetrique De mecircme un logiciel capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour agrave travers un vitrage ordinaire nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave travers un vitrage ou un systegraveme de protection solaire agrave aspect bidirectionnel etc
Nous preacutesentons ci-dessous une eacutetude bibliographique sur lrsquoeacutetat de lrsquoart du domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I32 Diffeacuterents types de validation En ce qui concerne les types de travaux de validation reacutealiseacutes nous avons pu identifier les suivants
I321 La validation analytique La validation analytique comme son nom lrsquoindique porte sur des cas theacuteoriques pour lesquels il existe des lois analytiques Ces lois sont issues des notions de base de la science physique lieacutees au rayonnement eacutelectromagneacutetique
Les travaux de validation baseacutes sur des reacutefeacuterences analytiques sont assez rares parmi les travaux reacutealiseacutes que nous avons pu trouver lors de notre recherche bibliographique
Cependant la validation analytique preacutesente des avantages consideacuterables comme la possibiliteacute de limiter les paramegravetres lieacutes agrave la propagation de la lumiegravere qui entrent en jeu dans un sceacutenario test Nous notons aussi lrsquoavantage de donner des solutions de reacutefeacuterences avec des incertitudes nulles ou neacutegligeables
En contrepartie la validation analytique ne peut couvrir que des domaines limiteacutes de la propagation de la lumiegravere Ce sont en geacuteneacuteral des cas de figures simples pour lesquels existe une loi theacuteorique [Aizlewood 1997]
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I322 La validation expeacuterimentale Dans ce type de validation les reacutesultats des logiciels sont compareacutes agrave des mesures expeacuterimentales Ces mesures peuvent ecirctre reacutealiseacutees dans
a des maquettes drsquoeacutetude agrave eacutechelle reacuteduite [Caroll 1999] b des cellules tests agrave eacutechelle 11 c ou des piegraveces reacuteelles [Galasiu 1998] [Jarvis 1997]
Quel que soit le type des mesures reacutealiseacute la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales agrave utiliser pour des travaux de validation est confronteacutee agrave des obstacles consideacuterables
Le premier est lieacute aux sources drsquoerreur introduites lors de la description du sceacutenario expeacuterimental afin de le reproduire dans une simulation numeacuterique
Lrsquoimportance de cet obstacle est aggraveacutee par la multitude des paramegravetres qui entrent en jeu dans un sceacutenario expeacuterimental et par lrsquointeraction entre les sources drsquoerreurs lieacutees agrave chacun de ces paramegravetres
A titre drsquoexemple les sources drsquoerreur peuvent survenir lors de la description de la source de lumiegravere (artificielle ou reacuteelle) lors de la description de la photomeacutetrie des mateacuteriaux (reacuteflexion bidirectionnelle caracteacuteristiques spectraleshellip) etc
Un autre obstacle est ducirc agrave lrsquoincertitude qui existe dans la valeur mesureacutee et cela quelle que soit la preacutecision du protocole expeacuterimental appliqueacute Cette incertitude est lieacutee en partie agrave la preacutecision de lrsquoappareil de mesure et agrave son positionnement
Ducirc agrave tous ces obstacles la comparaison entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique et les mesures expeacuterimentales permet difficilement de conclure sur la preacutecision du logiciel testeacute
Il est aussi important de noter qursquoun des plus grands obstacles agrave la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales fiables reste celui des moyens techniques financiers et humains neacutecessaires aux expeacuterimentations
I323 La validation comparative Elle porte sur une comparaison des reacutesultats de simulation de plusieurs logiciels entre eux Cela peut ecirctre fait avec lrsquoexistence ou non drsquoune reacutefeacuterence expeacuterimentale ou analytique
Lrsquoavantage des comparaisons est de donner la possibiliteacute aux utilisateurs de mieux choisir entre plusieurs logiciels selon leur performance dans un domaine donneacute de la simulation
Cependant lrsquoutilisation des reacutesultats drsquoune comparaison afin de juger des logiciels les uns par rapport aux autres neacutecessite un maximum de transparence en particulier sur la complexiteacute des proceacutedures et sur le temps de calcul neacutecessaire pour obtenir ces reacutesultats [Grynberg 1988] [Fontoynont 1999] [Maamari 2003]
I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes Les travaux de validation reacutealiseacutes sur des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage ne manquent pas en nombre cependant crsquoest la creacutedibiliteacute de ces travaux qui nrsquoest pas toujours veacuterifieacutee
En ce qui concerne les rares travaux de validation existants qui beacuteneacuteficient drsquoune creacutedibiliteacute scientifique ou celle drsquoun organisme agreacuteeacute nous citons les suivants
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Chapitre I
I331 Le travail de Khodulev et Kopylov Ce travail reacutealiseacute et publieacute par Andrei B Khodulev et Edward A Kopylov en 1996 [Khodulev 1996] est lrsquoun des rares travaux de validation qui ont utiliseacute une reacutefeacuterence analytique
Le travail porte sur une validation comparative entre les logiciels Lightscape Specter et Radiance Une description des trois logiciels est donneacutee portant sur plusieurs critegraveres y compris lrsquointerface utilisateur
Un des sceacutenarios utiliseacutes pour la comparaison est celui drsquoune piegravece cubique fermeacutee avec une source lumineuse isotrope au centre La comparaison porte sur lrsquoeacuteclairement au niveau des points de mesure situeacutes sur le sol La valeur de reacutefeacuterence de cet eacuteclairement est calculeacutee semi-analytiquement pour prendre en consideacuteration la composante reacutefleacutechie interne
I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE Ce rapport repreacutesente un exemple ideacuteal sur la creacuteation des donneacutees expeacuterimentales fiables pour la validation des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage [Slater 2002]
Le travail deacutecrit dans ce rapport porte sur un protocole expeacuterimental qui a eacuteteacute deacutefini et conduit drsquoune maniegravere remarquablement rigoureuse dans une cellule test agrave eacutechelle 11 Le but est de creacuteer une base de donneacutees expeacuterimentales pour la validation des logiciels de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel
Le rapport comprend une description preacutecise du sceacutenario expeacuterimental y compris les dimensions de la geacuteomeacutetrie (une piegravece carreacutee) la position des lampes ou des luminaires la position des points de mesure ainsi que le coefficient de reacuteflexion des surfaces La description du sceacutenario comprend aussi les fichiers photomeacutetriques des luminaires au format CIBSE TM 14 sachant que la photomeacutetrie reacuteelle de chaque luminaire a eacuteteacute mesureacutee seacutepareacutement dans un laboratoire agreacuteeacute
Le protocole expeacuterimental comprend un controcircle du flux lumineux agrave travers lrsquoobservation et le controcircle des fluctuations du courant eacutelectrique et de la tempeacuterature de la piegravece Les lampes et les ballasts ont eacuteteacute vieillis Les lampes ont eacuteteacute preacutechauffeacutees une heure avant les mesures
Les capteurs ont eacuteteacute calibreacutes et fixeacutes sur un trolley afin de garantir la reacutepeacutetitiviteacute de leur position Six diffeacuterentes mesures ont eacuteteacute prises pour chaque point agrave lrsquoaide de deux capteurs diffeacuterents la moyenne de ces mesures a eacuteteacute utiliseacutee comme reacutefeacuterence
Une estimation des erreurs de mesures a eacuteteacute calculeacutee ainsi que des erreurs de simulation dues agrave lrsquoincertitude dans la description du sceacutenario Les reacutesultats ont alors eacuteteacute preacutesenteacutes sous forme de deux bandes de valeurs la premiegravere bande est celle des mesures prises + ou ndash lrsquoestimation des erreurs de mesure et lrsquoautre est celle des mesures + ou ndash le total des erreurs estimeacutees y compris les erreurs de simulation
I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA Ce travail a eacuteteacute meneacute dans le cadre de la tache 21 de lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie intituleacutee lumiegravere naturelle dans les bacirctiments En effet un projet a eacuteteacute deacutedieacute au thegraveme de la validation des logiciels de calcul en eacuteclairage et a fait lrsquoobjet drsquoune collaboration entre les laboratoires de six nations diffeacuterentes parmi lesquels le Laboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Fontoynont 1999] [Maamari 2002]
Dans le cadre de ce projet des donneacutees expeacuterimentales ont eacuteteacute reacutecolteacutees agrave travers des mesures drsquoeacuteclairement agrave lrsquointeacuterieur drsquoune seacuterie de maquettes agrave eacutechelle reacuteduite placeacutees sous des ciels
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Chapitre I
artificiels Trois bacirctiments types ont eacuteteacute testeacutes sous plusieurs configurations en changeant les types drsquoouverture etou les coefficients de reacuteflexion des surfaces
Les sceacutenarios expeacuterimentaux ont eacuteteacute simuleacutes agrave lrsquoaide des logiciels drsquoeacuteclairage naturel Adeline Genelux Leso-DIAL Radiance et Superlite Les reacutesultats des simulations ont eacuteteacute compareacutes entre les diffeacuterents logiciels et confronteacutes aux mesures expeacuterimentales
Cette comparaison a montreacute que le calcul des eacuteclairements agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment dus agrave lrsquoeacuteclairage naturel demande une description minutieuse des luminances des portions de la voucircte ceacuteleste vues par la fenecirctre Les eacuteclairements directs agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment sont alors calculeacutes avec une preacutecision de lrsquoordre de 5 La preacutecision des calculs des reacuteflexions multiples agrave lrsquointeacuterieur de la piegravece deacutepend quant agrave elle des proprieacuteteacutes des surfaces inteacuterieures et en particulier de la lrsquoaspect bidirectionnel de ces surfaces
Cette eacutetude a montreacute finalement que les programmes doivent ecirctre utiliseacutes avec beaucoup de preacutecautions car les reacutesultats de simulation sont tregraves sensibles agrave la qualiteacute des hypothegraveses et des paramegravetres drsquoentreacutee description de la source de lumiegravere geacuteomeacutetrie du bacirctiment paramegravetres de simulation
I34 Analyse de la probleacutematique Drsquoapregraves la recherche bibliographique preacutesenteacutee ci-dessus sur le domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage nous pouvons reacutesumer la probleacutematique de ce domaine dans les points suivants
1 Difficulteacute drsquoaccegraves agrave lrsquoinformation Elle est due en particulier agrave lrsquoabsence de sources publiques speacutecialiseacutees dans le domaine
2 Manque de transparence Ainsi nous trouvons souvent des reacutesultats de validation preacutesenteacutes sans suffisamment drsquoinformation sur les proceacutedures qui ont abouti agrave ces reacutesultats
3 Manque de creacutedibiliteacute une partie importante des travaux de validation existants est reacutealiseacutee par les deacuteveloppeurs des logiciels testeacutes les sources drsquoincertitudes dans les valeurs de reacutefeacuterence ne sont souvent pas prises en consideacuteration etc
4 Manque de travaux concluants sur la validiteacute du logiciel testeacute Ceci est ducirc en partie agrave la complexiteacute des sceacutenarios expeacuterimentaux et agrave la restriction des domaines testeacutes Ainsi il est rarement possible drsquoidentifier avec certitude les points de faiblesse et les domaines drsquoapplication drsquoun logiciel testeacute
5 Absence de reacutefeacuterences standardiseacutees Ce qui fait qursquoun certain aspect de la propagation de la lumiegravere est testeacute dans diffeacuterents logiciels avec des protocoles diffeacuterents Ce qui ne permet pas une comparaison transparente et objective entre ces diffeacuterents logiciels
6 Manque de validations analytiques malgreacute les avantages de ce type de validation
En reacuteponse aux problegravemes listeacutes ci-dessus nous identifions en particulier le besoin drsquoune standardisation et drsquoune mise agrave disposition des reacutefeacuterences de validation fiables de preacutefeacuterence sous la garantie et le controcircle drsquoun ou plusieurs organismes creacutedibles
I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
I351 Introduction Le premier objectif qursquoon pourrait attendre des travaux de validation crsquoest de pouvoir ameacuteliorer la confiance des utilisateurs dans les logiciels de simulation A savoir qursquoameacuteliorer la confiance ne veut pas forceacutement dire lrsquoaugmenter Mais plutocirct sensibiliser les utilisateurs aux capaciteacutes et aux limites des diffeacuterents logiciels dans les diffeacuterents domaines de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Ainsi agrave travers lrsquoidentification des points de faiblesse
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Chapitre I
drsquoun logiciel et de ces domaines drsquoapplication on pourra aboutir agrave une utilisation responsable de ces logiciels
Drsquoougrave le besoin drsquoune meacutethodologie de validation qui permet de tester la capaciteacute drsquoun logiciel agrave simuler les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Cette meacutethodologie doit eacutegalement palier les deacutefaillances rencontreacutees dans le domaine agrave noter creacutedibiliteacute fiabiliteacute et accessibiliteacute
I352 Concept et approche proposeacutes Pour atteindre les objectifs fixeacutes ci-dessus la meacutethodologie de validation proposeacutee repose un concept de base qui est celui de tester seacutepareacutement les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Ceux-ci peuvent ecirctre classeacutes sous 3 grands groupes
1 La description de la source de lumiegravere et le calcul de lrsquoeacuteclairement direct 2 Le transfert du flux lumineux agrave travers les composants de la fenecirctre et lrsquoinfluence des
masques 3 Les inter-reacuteflexions sur les diffeacuterents mateacuteriaux avec diffeacuterentes photomeacutetries
Pour appliquer ce concept cette meacutethodologie de validation est baseacutee sur une seacuterie de cas-tests chacun traitant un sceacutenario drsquoeacuteclairage simple (un nombre limiteacute de paramegravetres) ougrave un certain aspect de la propagation de lumiegravere est mis en eacutevidence La description des cas-tests comprend la geacuteomeacutetrie les sources de lumiegravere ainsi qursquoune seacuterie de valeurs de reacutefeacuterence agrave utiliser pour tester la capaciteacute du logiciel agrave simuler lrsquoaspect en question Ces valeurs de reacutefeacuterence sont obtenues soit agrave lrsquoaide drsquoun calcul analytique quand crsquoest possible (pour des sceacutenarios theacuteoriques) ou bien agrave partir de mesures expeacuterimentales
Ainsi chaque cas-test est applicable agrave tout logiciel proposant des fonctionnaliteacutes lieacutees agrave lrsquoaspect traiteacute (dans ce cas-test) indeacutependamment des algorithmes utiliseacutes des meacutethodes de calcul adopteacutees ou des paramegravetres utiliseacutes
Cependant il est possible drsquoassocier agrave chaque test une eacutetude parameacutetrique propre agrave chaque logiciel Une telle eacutetude permet de mieux comprendre lrsquoinfluence des diffeacuterents paramegravetres proposeacutes sur la preacutecision du logiciel dans un aspect donneacute de la propagation de la lumiegravere
Pour une utilisation optimale de cette meacutethodologie de validation les cas-tests doivent couvrir tous les aspects de la propagation de la lumiegravere Ils seront alors utiliseacutes en tant qursquooutil unique et complet pour tester un logiciel donneacute
Une comparaison geacuteneacuterale des reacutesultats des simulations drsquoun logiciel donneacute aux valeurs de reacutefeacuterences de la seacuterie de cas-tests donnera une ideacutee claire sur les domaines ougrave le logiciel testeacute respecte ou non les lois physiques Ceci permettra agrave un utilisateur de veacuterifier si ce logiciel est compatible avec son propre domaine drsquoactiviteacute et agrave un deacuteveloppeur de veacuterifier si son logiciel a atteint les perspectives souhaiteacutees
De la mecircme faccedilon une comparaison entre les reacutesultats de diffeacuterents logiciels et les valeurs de reacutefeacuterence permet drsquooffrir une vision objective sur le logiciel qui reacutepond le mieux agrave une exigence donneacutee
46
Chapitre I
Conclusions Suite agrave notre eacutetude bibliographique sur le domaine de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage nous avons orienteacute le travail de cette thegravese (agrave travers les chapitres suivants) de faccedilon agrave reacutepondre agrave certains des problegravemes identifieacutes dans ce domaine
Ainsi en ce qui concerne le manque de fiabiliteacute dans les travaux de validation des logiciels nous deacuteveloppons la meacutethode de validation que nous avons proposeacutee Dans ce cadre nous creacuteons une seacuterie de cas-tests en relation avec diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere traiteacutes ci-dessus Ces cas-tests sont reacutepartis en deux familles lrsquoune avec des sceacutenarios theacuteoriques et des reacutefeacuterences analytiques et lrsquoautre avec des reacutefeacuterences expeacuterimentales reacutepondant agrave des critegraveres de controcircle de qualiteacute que nous avons deacutefinis
En ce qui concerne la difficulteacute de simuler des sceacutenarios reacuteels de lumiegravere naturelle nous proposons et validons une meacutethode de simulation agrave partir des cartes de luminances reacuteelles agrave haute deacutefinition
Finalement nous proposons et nous validons une meacutethode de simulation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquoaide des luminaires eacutequivalents Cette meacutethode permet agrave la simulation de la lumiegravere de jour de beacuteneacuteficier de la preacutesence confirmeacutee des outils de simulation de la lumiegravere artificielle dans le domaine de la conception des bacirctiments Elle permet eacutegalement de surmonter un nombre de difficulteacutes rencontreacutees dans certains logiciels classiques de simulation la lumiegravere naturelle en particulier celles lieacutees agrave la preacutecision des reacutesultats par rapport au temps de calcul et agrave la simulation des masques exteacuterieurs
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Chapitre I
Reacutefeacuterences Bibliographiques 3D-LUMIEgraveRE Enquecircte sur la connaissance et lrsquoutilisation des systegravemes informatiques de simulation drsquoeacuteclairage Paris Club 3D Lumiegravere 2000 11 p ACHARD G LAFORGUE P SOUYRI B FONTOYNONT M BASTIE A MITANCHEY R Etude dun systegraveme Metrologique de Confort Radiatif Integrant lAspect Thermique et lAspect Visuel Paris 1994 60 p AFE Les sources de lumiegravere Socieacuteteacute dEdition Lux 1987 199 p AIZLEWOOD M BUTT J ISAAK K LITTLEFAIR P Daylighting in atria a comparison of measurements theory and simulation Lux Europa 1997 Amsterdam-Netherlands 1997 ANDERSEN M RUBIN M POWLES R SCARTEZZINI J L Bi-directional light transmission properties assessment for venetian blinds Computer simulations compared to photogoniometer measurements ISES Solar World Congress 2003 - Solar Energy for a Sustainable Future Gothenburg - Sweden International Solar Energy Society 2003 ANDERSEN M RUBIN M SCARTEZZINI J-L Comparison between ray-tracing simulations and bi-directional transmission measurements on prismatic glazing Solar Energy 2003 vol 74 ndeg2 pp 157-217 ANSIIESNA ANSIIESNA LM-63-02 ANSI Approved Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data and Related Information ANSIIESNA LM-63-02 2002 26 p ASE Eclairage inteacuterieur par la lumiegravere du jour Norme Suisse SN 418911 Zuumlrich Association Suisse des Electriciens 1989 ASHDOWN I Near-Field Photometry A New Approach IES 1993 vol 22 ndeg1 pp 163-180 ASHDOWN I EULUMDAT File Format Specification [en ligne] Disponible sur lthttpwwwhelios32comEulumdathtmgt (09 Mars 2004) ASHDOWN I Thinking photometrically Part II 105 Las Vegas workshop-Lightfair International 2001 42 p ASHRAE-IESNA Energy efficient design of new buildings except new low-rise residential buildings ASHRAEIES 901-1989 American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditionaing Engginers 1989 AUTODESK Lightscape 32 Users Guide 32 Autodesk 1999 352 p BALOCCO C FORASTIERE M A GRAZZINI G RIGHINI G C Experimental results of transparent reflective and absorbing propoerties of some building materials Energy and Buildings 2001 vol 33 pp 563-568
48
Chapitre I
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Chapitre I
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Chapitre I
FONTOYNONT M Le point sur les meacutethodes de simulation et sur lrsquoutilisation de lrsquoimage de synthegravese en eacuteclairage LUX 1991 FONTOYNONT M LAFORGUE P MITANCHEY R AIZLEWOOD M BUTT J CARROLL W HITCHOCK R ERHORN H DE BOER J DIRKSMOumlLLER M MICHEL L PAULE B SCARTEZZINI J-L BODART M AND ROY G Validation of daylighting simulation programs IEA SHC Task 21 ECBCS Annex 29 1999 28 p GALASIU A ATIF M Applicability of Daylighting Computer Modeling in Real Case Studies Comparison between Measured and Simulated Daylight Availability and Lighting Consumption IEA SHC Task 21 IEA ECBCS Annex 29 Daylight in Buildings International Energy Agency National Research Council Canada 1998 68 p GREENUP P J EDMONDS I R COMPAGNON R RADIANCE algorithm to simulate laser-cut panel light-redirecting elements Lighting Research amp Technology 2000 vol 32 ndeg2 pp 49-54 GRYNBERG A Comparison and Validation of Radiance and Superlite Rapport interne Lawrence Berkeley National Laboratory 1988 HOPKINSON R G PETHERBRIDGE P LONGMORE J Daylighting William Heinneman Ltd London 1966 IEA-SHC Daylighting simulation Methods Algorithms and Ressources Agence Internaitonale de lEnergie - SHC 1999 IEA-SHC Measurement of Luminous Characteristics of Daylighting Materials Agence Internationale de lEnergie - SHC - Tacircche 21 1999 IESNA Calculating Coefficients of Utilisation Wall and Ceiling Cavity Exitance IES LM-57 New York Illuminating engineering Society of North America 1982 IESNA The Determination of Illuminance at a Point in Interior Spaces IES LM-43-1991 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 34 p IESNA An Introduction to Light and Lighting IES ED-50 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 51 p IESNA Lighting Handbook 8th Edition New York Illuminating engineering Society of North America 1993 IESNA IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data IESNA LM-63-95 New York Illuminating engineering Society of North America 1995 5 p IESNA 1999 IESNA Software Survey Lighting Design + Application 1999 vol 29 ndeg12 pp 39-48 JARVIS D DONN M Comparison of Computer and Model Simulations of a Daylit Interior with Reality 5th International conference on Building Performance and Simulation Association Prague Czech Republic 1997 pp 9-16
51
Chapitre I
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Chapitre I
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Chapitre I
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- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
Table des matiegraveres Introduction 23 I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation 23
I11 Les sources de lumiegravere artificielle 23 I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel 23 I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires 24 I113 Notion de champ proche - champ lointain 25 I114 Fichiers photomeacutetriques 25 I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle -
source surfacique) 26 I12 Les sources de lumiegravere naturelle 27
I121 le soleil 27 I122 le ciel 27 I123 les modegraveles de ciel 28 I123 Le sol exteacuterieur 29 I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain) 29 I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul 30
I13 La geacuteomeacutetrie 32 I131 Geacuteneacuteraliteacutes 32 I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie 33
I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade 33 I141 Ouverture simple 33 I142 Vitrage classique 34 I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel 34 I144 Eleacutements de protection solaire 35 I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux 35
I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux 35 I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage 36
I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage 37 1211 Radiositeacute 37 1212 Lancer de rayons 38
I22 Exemples types des logiciels existants 39 1221 Adeline 39 1222 Genelux 39 1223 Inspirer 40 1224 DIAL Leso-Dial 40 1225 Lightscape 32 40 1226 Radiance 40 1227 Superlite 40
I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels 40 I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage 41
I31 Introduction 41 I32 Diffeacuterents types de validation 42
I321 La validation analytique 42 I322 La validation expeacuterimentale 43 I323 La validation comparative 43
I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes 43 I331 Le travail de Khodulev et Kopylov 44 I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE 44 I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA 44
I34 Analyse de la probleacutematique 45 I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels 45
21
Chapitre I
I351 Introduction 45 I352 Concept et approche proposeacutes 46
Conclusions 47 Reacutefeacuterences Bibliographiques 48
22
Chapitre I
Introduction On entend par logiciel de simulation de la lumiegravere un outil informatique qui permet de simuler la propagation de la lumiegravere dans un milieu donneacute Cette propagation est caracteacuteriseacutee par un certain nombre drsquoaspects drsquoordre physique Nous citons par exemple
- La photomeacutetrie des sources (naturelles ou artificielles) - Le transfert des flux agrave travers des mateacuteriaux vitreacutes (agrave caracteacuteristiques bidirectionnelle
ou non) - La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux (brillants mats hellip) - Le rocircle des obstructions et des masques - Lrsquoaspect spectral des sources et des mateacuteriaux - Le rendu graphique des reacutesultats
Nous menons dans cette partie du travail une eacutetude bibliographique pour mieux comprendre ces diffeacuterents aspects et les meacutethodes utiliseacutees pour leur simulation
I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation Dans cette partie nous listons les diffeacuterents eacuteleacutements qui affectent la propagation de la lumiegravere dans un bacirctiment et nous faisons le lien avec les moyens existants pour leur simulation
I11 Les sources de lumiegravere artificielle Les premiers eacuteleacutements agrave prendre en consideacuteration dans la propagation de la lumiegravere sont les sources de lumiegravere Nous commenccedilons par la lumiegravere artificielle qui est encore de nos jours mieux maicirctriseacutee que la lumiegravere naturelle dans le domaine de la conception et de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage
I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel Lrsquoeacuteleacutement de base de la lumiegravere artificielle est la lampe Vis-agrave-vis des pheacutenomegravenes de propagation de la lumiegravere une lampe est caracteacuteriseacutee en particulier par le flux lumineux et sa reacutepartition spectrale et spatiale
Cependant les lampes sont geacuteneacuteralement combineacutees agrave des optiques dont le but est de reacuteorienter le flux sortant drsquoune lampe afin drsquoameacuteliorer son efficaciteacute en particulier du point de vue des eacuteclairements reacutesultants sur les zones utiles et du confort visuel de lrsquooccupant Cette combinaison entre lampe et optique repreacutesente ce qursquoon appelle un luminaire
Ainsi un luminaire est caracteacuteriseacute par la quantiteacute du flux lumineux sortant qui deacutepend du flux de la lampe et des absorptions dans lrsquooptique par la reacutepartition spectrale de ce flux qui correspond souvent agrave celle de la lampe utiliseacutee et finalement par la reacutepartition du flux sortant dans lrsquoespace affecteacutee surtout par la geacuteomeacutetrie et les mateacuteriaux de lrsquooptique et par la position de la lampe par rapport agrave celui-ci
Lrsquoensemble de ces caracteacuteristiques repreacutesente la photomeacutetrie drsquoun luminaire qui est un eacuteleacutement de base dans la conception et la simulation de lrsquoeacuteclairage artificiel En effet la prise en consideacuteration de la lumiegravere artificielle dans un projet drsquoeacuteclairage porte principalement sur les paramegravetres suivants
1 Niveau drsquoeacuteclairement requis sur les plans de travail 2 Confort visuel (eacuteblouissement direct contrastes dans le champ de visionhellip) [Achard
1994] 3 Systegravemes de controcircle et interaction avec lrsquoeacuteclairage naturel
23
Chapitre I
4 Consommation eacutenergeacutetique 5 Coucirct drsquoinstallation et de maintenance 6 Estheacutetique et inteacutegration architecturale (rendu de couleur)
Les outils drsquoaide agrave la conception inteacutegrant ces paramegravetres peuvent varier entre les meacutethodes simplifieacutees de calcul manuel (souvent associeacutees agrave des abaques) et les logiciels baseacutes sur des algorithmes de calcul physique de plus en plus complexes et performants (Radiositeacute Lancer de rayon) [CIE 1978] [IESNA 1982] [CIE 1982] [CIE 1984] [AFE 1987] [CIE 1989] [CIE 1992] [CIE 1995] [IESNA 1991] [IESNA 1991]
I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires Pour pouvoir calculer lrsquoeacuteclairement direct ducirc agrave un luminaire il est neacutecessaire de connaicirctre le flux lumineux sortant et sa distribution directionnelle Cette distribution dite aussi distribution des intensiteacutes courbe photomeacutetrique ou solide photomeacutetrique est mesureacutee agrave lrsquoaide drsquoun goniophotomegravetre
Un goniophotomegravetre consiste agrave preacutesenter sous diffeacuterents angles un luminaire muni drsquoune lampe et drsquoun ballast eacutetalonneacutes agrave un capteur drsquoeacuteclairement situeacute agrave une grande distance Les premiers goniophotomegravetres conccedilus par Ferris Wheel permettaient de faire tourner le luminaire dans un plan horizontal et de faire tourner le capteur dans un plan vertical ce qui neacutecessite des grands espaces
De nos jours on utilise surtout des goniophotomegravetres agrave miroir ougrave le luminaire fait des rotations dans le plan horizontal et un miroir fait une rotation verticale autour du luminaire de faccedilon agrave reacutefleacutechir la lumiegravere incidente du luminaire vers un capteur fixe placeacute agrave une certaine distance
Figure I1 Exemple drsquoun goniophotomegravetre agrave miroir
On utilise eacutegalement une deuxiegraveme meacutethode de mesures goniophotomeacutetriques dite photomeacutetrie agrave distance drsquoapplication Elle consiste agrave mesurer point par point les eacuteclairements reccedilus sur une surface situeacutee agrave une certaine distance du luminaire Ces mesures seront interpoleacutees de faccedilon agrave conclure une distribution des intensiteacutes eacutequivalentes qui produirait les mecircmes valeurs si elle eacutetait positionneacutee au centre photomeacutetrique du luminaire Lrsquoinconveacutenient de cette meacutethode est qursquoelle nrsquoest applicable que pour une certaine distance
24
Chapitre I
Une troisiegraveme meacutethode consiste agrave utiliser des capteurs CCD calibreacutes en luminance pour mesurer le champ de lumiegravere entourant la source Cette meacutethode est dite de photomeacutetrie agrave champ de luminances et elle est de plus en plus utiliseacutee dans le domaine de la photomeacutetrie en champ proche [CIE 1987] [CIE 1996] [Ashdown 2001] [Deniel 2002]
I113 Notion de champ proche - champ lointain Pour une mesure goniophotomeacutetrique drsquoun luminaire il faut faire la diffeacuterence entre mesures en champ proche et en champ lointain
Les mesures en champ lointain supposent que la source de lumiegravere mesureacutee est infiniment petite et pour laquelle peut srsquoappliquer la loi de lrsquoinverse du carreacute Cette hypothegravese est geacuteneacuteralement veacuterifieacutee agrave 2 pregraves pour les cas ougrave le point de mesure est agrave une distance du luminaire drsquoau moins cinq fois sa largeur (regravegle des 5x) Cependant cette notion nrsquoest pas toujours applicable comme par exemple pour les luminaires indirects de grande dimension (eg agrave tubes fluorescents)
Les mesures en champ proche prennent en consideacuteration lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute de la distribution des intensiteacutes entre diffeacuterentes zones drsquoune source Ca consiste agrave mesurer la distribution de la lumiegravere agrave une distance proche du luminaire
La photomeacutetrie en champ proche produit un grand nombre de donneacutees dont lrsquoexploitation nrsquoest pas encore agrave la porteacutee de la majoriteacute des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage existants Crsquoest pourquoi nous ne traitons pas la photomeacutetrie en champ dans notre travail [IESNA 1993] [Ashdown 1993] [Ashdown 2001] [Deniel 2002]
I114 Fichiers photomeacutetriques Les mesures goniophotomeacutetriques (en champ lointain) drsquoun luminaire sont souvent preacutesenteacutes sous forme de tableaux de valeurs ou des graphiques associant une valeur drsquointensiteacute lumineuse agrave chaque direction (repeacutereacutee par un angle vertical et un angle horizontal agrave partir du centre photomeacutetrique du luminaire ie centre de la rotation du luminaire)
La valeur donneacutee de lrsquointensiteacute peut ecirctre une valeur absolue mesureacutee ou bien une valeur relative en cdmsup2 pour un flux de 1000lm produit par la ou les lampes du luminaire
Pour prendre en consideacuteration ces donneacutees photomeacutetriques dans une simulation de lrsquoeacuteclairage un certain nombre de formats de fichiers numeacuterique a eacuteteacute creacuteeacute
7 Le format IESNA dit IES deacutefini et publieacute en 1986 par lrsquoIESNA (Illumination Engineering Society for North America) et depuis adopteacute par les constructeurs ameacutericains de luminaires et par les deacuteveloppeurs de logiciels de calcul drsquoeacuteclairage Ce format a eacuteteacute reacuteviseacute en 1991 en 1995 [IESNA 1995] et plus reacutecemment en 2002 [ANSIIESNA 2002]
8 Le format CIBSE TM 14 CIBSE standard file format for the electronic transfer of luminaire photometric data publieacute en 1988 et largement utiliseacute au Royaume Uni [CIBSE 1988]
9 Le format Eulumdat proposeacute par Stockmar A en 1990 et largement adopteacute par lrsquoindustrie europeacuteenne de lrsquoeacuteclairage [Stockmar 1990] [Stockmar 2000] [Ashdown 1999]
10 Le format CIE 102-1993 Recommended file format for electronic transfer of luminaire photometric data Ce rapport a eacuteteacute publieacute par la CIE dans lrsquoobjectif de standardiser un format international et unique mais il nrsquoa pas eacuteteacute suffisamment soutenu par lrsquoindustrie de lrsquoeacuteclairage ou par les deacuteveloppeurs de logiciels ce qui eacutetait le cas eacutegalement pour drsquoautres tentatives [CIE 1993]
25
Chapitre I
Figure I2 Exemples de visualisation 3D de fichiers photomeacutetriques associeacutes agrave la geacuteomeacutetrie drsquoun luminaire
De faccedilon geacuteneacuterale les diffeacuterents formats proposeacutes preacutevoient une partie pour les informations geacuteneacuterales (sur le luminaire et les lampes utiliseacutees sur le flux sur les conditions de mesurehellip) une partie pour la description des angles de mesures (nombre drsquoangles verticaux et horizontaux et leurs valeurs les axes de symeacutetrie srsquoils existenthellip) puis une partie pour preacutesenter les valeurs drsquointensiteacute agrave associer agrave chaque angle de mesure
En ce qui concerne le flux reacuteel agrave utiliser pour la simulation il peut ecirctre deacuteduit de lrsquointeacutegration des intensiteacutes corrigeacutees ou non par un facteur multiplicateur (pour passer des valeurs relatives aux valeurs reacuteelles) ou bien il peut ecirctre donneacute en valeur absolue dans le fichier (Voir les exemples preacutesenteacutes dans lrsquoannexe G)
I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique) Lrsquoexploitation drsquoun fichier photomeacutetrique dans un logiciel se fait agrave lrsquoaide drsquoune interpolation des valeurs donneacutees pour les diffeacuterentes directions de mesure pour en deacuteduire des valeurs drsquointensiteacute agrave affecter agrave toutes les autres directions Il existe plusieurs meacutethodes drsquointerpolation dont les plus utiliseacutees la meacutethode diteSpline la meacutethode lineacuteaire et la meacutethode dite Seacuteries de Fourier Quelle que soit la meacutethode drsquointerpolation utiliseacutee il existe une source drsquoerreur potentielle en particulier dans le cas de variation rapide des valeurs drsquointensiteacute reacuteelles entre les directions mesureacutees Pour cela il est conseilleacute de faire des mesures goniophotomeacutetriques avec des pas de mesure assez fins en particulier pour les luminaires agrave photomeacutetrie complexe
Suite agrave cette interpolation le logiciel dispose drsquoune distribution drsquointensiteacute complegravete dite aussi solide photomeacutetrique qursquoil pourra utiliser pour calculer les eacuteclairements directs reccedilus sur les diffeacuterentes surfaces de la geacuteomeacutetrie Ce calcul est baseacute sur la formule deacutefinissant la relation entre lrsquointensiteacute (Iox) drsquoune source ponctuelle (O) dans la direction drsquoun point donneacute (X) lrsquoangle drsquoincidence par rapport agrave la surface de mesure (θ) et la valeur drsquoeacuteclairement reacutesultante sur ce point (E = Iox cosθ dsup2)
Etant donneacute que ce calcul prend en consideacuteration une source point (caracteacuteriseacutee par le solide photomeacutetrique souvent placeacute au centre photomeacutetrique du luminaire) il est important de veacuterifier la loi de 5x entre la distance d et la longueur du luminaire
Cependant la majoriteacute des logiciels existants procegravedent agrave une subdivision automatique drsquoune source lineacuteaire ou surfacique en une seacuterie de sources points et cela en fonction de sa dimension et de sa distance des points de mesure afin de veacuterifier la loi de 5x Le mecircme solide
26
Chapitre I
photomeacutetrique sera attribueacute agrave toutes les sources points avec un flux qui correspond agrave une partie du flux initial de la grande source
Il faut noter que cette subdivision drsquoun luminaire en une seacuterie de sources points ne prend pas en consideacuteration lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute de la distribution des intensiteacutes entre les diffeacuterentes zones de ce luminaire Ce qui fait introduire une source drsquoerreur qui doit ecirctre prise en consideacuteration en comparant les reacutesultats drsquoune simulation (baseacutee sur un solide photomeacutetrique obtenu par des mesures goniophotomeacutetriques en champ lointain) agrave des mesures expeacuterimentales drsquoeacuteclairement [IESNA 1993] [Ashdown 2001] [Deniel 2002]
I12 Les sources de lumiegravere naturelle Malgreacute lrsquoutilisation intense de la lumiegravere artificielle dans notre mode de vie la source principale de lumiegravere reste la lumiegravere de jour Pour parler de la lumiegravere du jour il faut bien eacutevidemment parler du soleil et du ciel mais aussi du sol exteacuterieur et de lrsquoenvironnement urbain [CIE 1970] [IESNA 1993] [Dumortier 1995]
I121 le soleil A lrsquoorigine de la lumiegravere du jour on trouve le soleil qui est la source primaire de rayonnement sur la terre La variation de lrsquoinclinaison des rayons du soleil agrave la fois dans le temps et dans lrsquoespace creacutee un veacuteritable dynamisme et dessine les grandes lignes de la geacuteographie des climats
La position apparente du soleil par rapport agrave un point donneacute de la terre est exprimeacutee par deux paramegravetres la hauteur solaire qui repreacutesente lrsquoangle vertical du soleil avec lrsquohorizon et lrsquoazimut solaire qui repreacutesente lrsquoangle horizontal (dans le sens des aiguilles de la montre) du soleil avec le sud
Lrsquoeacuteclairement solaire direct reccedilu sur une surface donneacutee deacutepend en particulier de lrsquoangle drsquoincidence du rayonnement solaire sur la surface (variant avec lrsquoorientation de la surface et la position du soleil) de la distance entre le soleil et cette surface (variant avec lrsquoorbite elliptique de la terre) et de lrsquoatteacutenuation du flux lumineux dans lrsquoatmosphegravere (variant avec la densiteacute des nuages et des aeacuterosols) Cet eacuteclairement deacutepend aussi de lrsquoExitance eacutenergeacutetique du soleil exprimeacutee par la Constante solaire qui repreacutesente lrsquoeacuteclairement eacutenergeacutetique (en klx) produit par le rayonnement solaire extraterrestre sur une face perpendiculaire aux rayons solaires agrave la distance moyenne Soleil-Terre Cette constante est pondeacutereacutee par lrsquoefficaciteacute lumineuse relative du rayonnement solaire
La prise en consideacuteration du soleil dans une simulation numeacuterique se fait surtout agrave travers des algorithmes matheacutematiques qui servent agrave calculer la position du soleil par rapport agrave la latitude et la longitude du site au jour de lrsquoanneacutee (de 1 agrave 365) et au temps local Cette position est alors utiliseacutee pour eacutevaluer la peacuteneacutetration agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment
I122 le ciel Avant drsquoatteindre la surface de la terre les rayons solaires traversent et subissent les effets de la couche gazeuse qui enveloppe la terre lrsquoatmosphegravere Sa densiteacute et sa pression diminuent au fur et agrave mesure que lrsquoaltitude augmente Trois reacutegions sont deacutefinies pour caracteacuteriser la composition de lrsquoatmosphegravere lrsquohomosphegravere lrsquoheacuteteacuterosphegravere et la photosphegravere Seule lrsquohomosphegravere intervient dans les pheacutenomegravenes de propagation du rayonnement solaire car elle contient lrsquoair sec et pratiquement la totaliteacute de lrsquoeau atmospheacuterique et les aeacuterosols principaux eacuteleacutements qui influencent la composition spectrale et la propagation de la lumiegravere
27
Chapitre I
Ainsi avec la position du soleil et les conditions climatiques (eg densiteacute des nuages densiteacute des aeacuterosolshellip) se dessine une distribution spatiale des luminances de la voucircte ceacuteleste vue par un site donneacute de la terre
Cette distribution des luminances deacutetermine lrsquoeacuteclairement horizontal sur un site donneacute et joue un rocircle principal dans la propagation de la lumiegravere de jour agrave lrsquointeacuterieur des bacirctiments
La prise en consideacuteration des champs de luminances des ciels dans une simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage se fait tregraves souvent agrave travers les modegraveles numeacuteriques de ciels
I123 les modegraveles de ciel Pour pouvoir preacutedire avec preacutecision les eacuteclairements obtenus agrave lrsquointeacuterieur drsquoune piegravece eacuteclaireacutee en lumiegravere de jour il est essentiel de pouvoir deacuteterminer la distribution des luminances du ciel
Pour cela des recherches et des observations ont eacuteteacute meneacutees agrave travers le monde et plusieurs modegraveles numeacuteriques ont eacuteteacute creacuteeacutes et standardiseacutes afin de deacutecrire des reacutepartitions types de luminances qui correspondent le mieux aux conditions de ciel les plus rencontreacutees dans la reacutealiteacute
Ces modegraveles sont geacuteneacuteralement deacutecrits par des formules exprimant la variation des luminances des diffeacuterentes zonesmailles du ciel souvent par rapport agrave la luminance au zeacutenith et selon la position du soleil et les caracteacuteristiques de lrsquoatmosphegravere
A noter que de maniegravere geacuteneacuterale ces modegraveles de ciel ne prennent pas en consideacuteration le rayonnement direct du soleil
Parmi les modegraveles de ciel existants nous citons les suivants
1 Ciel Uniforme utiliseacute auparavant pour le calcul du facteur de lumiegravere de jour 2 Ciel clair CIE baseacute sur le modegravele deacutefini par kittler en 1965 [Kittler 1965] [CIE 1973]
[CIE 1990] 3 Ciel couvert CIE baseacute sur le modegravele de Moon and Spencer et largement utiliseacute comme
reacutefeacuterence pour le calcul du facteur de lumiegravere de jour depuis sa recommandation par la CIE en 1970 [Moon 1942] [CIE 1970] [CIE 1990]
4 Ciel intermeacutediaire de Nakamura [Nakamura 1989] 5 Ciels IESNA Pour deacuteterminer la reacutepartition des luminances drsquoun ciel lrsquoIESNA utilise les
eacutequations utiliseacutees par la CIE pour les ciels clair et couvert et propose une autre eacutequation pour un ciel intermeacutediaire Cependant en plus de la reacutepartition des luminances lrsquoIESNA propose lrsquoutilisation drsquoune eacutequation pour obtenir une valeur absolue de lrsquoeacuteclairement horizontal et une autre eacutequation pour en deacuteduire directement la luminance au zeacutenith Les paramegravetres associeacutes aux deux eacutequations deacutependent de la condition du ciel (clair intermeacutediaire ou couvert) et de la position du soleil [Karayel 1984]
6 Modegravele tout temps de Perez Crsquoest un modegravele empirique baseacute sur un algorithme unique qui agrave partir de la variation de deux paramegravetres lieacutes aux conditions climatiques (clarteacute et luminositeacute) deacutecrit des reacutepartitions de luminances correspondantes agrave des conditions de ciel allant du ciel sans nuages au ciel complegravetement couvert [Perez 1993]
7 Modegravele du Ciel Geacuteneacuteral de la CIE qursquoon peut consideacuterer comme une deacuteriveacutee du ciel tout temps de Perez Il est deacutefini par une eacutequation unique et 15 seacuteries de paramegravetres pour deacutecrire 15 conditions types de ciel et la distribution des luminances propre agrave chacune de ces conditions [CIE 2002]
Mecircme si la majoriteacute de ces modegraveles tentent de repreacutesenter les champs de luminances des ciels le plus fidegravelement possible agrave la reacutealiteacute il est important de noter qursquoil sera difficile sinon
28
Chapitre I
impossible de repreacutesenter tous les cas de figures qui peuvent exister dans un ciel reacuteel par des simples formules
Ceci est particuliegraverement vrai si nous voulons prendre en consideacuteration ce qui peut apparaicirctre dans un champ de luminances externe agrave une ouverture zeacutenithale ou verticale (masques sol exteacuterieurhellip)
Face agrave la complexiteacute des champs de luminances reacuteels plusieurs tentatives ont eacuteteacute meneacutees afin de transformer un champ de luminances reacuteel en un modegravele de ciel agrave travers des mesures de scanner de ciel ou bien agrave travers des photos numeacuteriques eacutetalonneacutees [Roy 1998] [Mardaljevic 2001] [Dumortier 2001]
Au-delagrave de la variation des luminances drsquoun ciel certaines eacutetudes se sont inteacuteresseacutees agrave la variation de la tempeacuterature de couleur proximale et de la reacutepartition spectrale [Chain 1999]
I123 Le sol exteacuterieur La lumiegravere naturelle reacutefleacutechie sur le sol exteacuterieur peut jouer un rocircle important dans la propagation de la lumiegravere du jour agrave lrsquointeacuterieur des bacirctiments En effet elle repreacutesente en moyenne 10 agrave 15 de lrsquoeacuteclairement vertical direct sur une faccedilade et peut deacutepasser cette valeur dans le cas drsquoun sol clair
En geacuteneacuteral cette lumiegravere est renvoyeacutee par les surfaces du plafond ou des murs vers les autres surfaces internes et participe ainsi agrave la composante reacutefleacutechie interne du facteur de lumiegravere de jour
La prise en consideacuteration du sol exteacuterieur dans une simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage se fait souvent en supposant une luminance uniforme de celui-ci variant avec lrsquoeacuteclairement Hz et le facteur de reacuteflexion moyen du sol Cependant dans certains logiciels il est neacutecessaire de modeler le sol exteacuterieur par une surface de grande dimension Dans ce cas le moteur de calcul doit proceacuteder au calcul de la reacutepartition de la luminance sur le sol avant de calculer sa contribution agrave lrsquoeacuteclairage inteacuterieur
I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain) Dans le calcul de la lumiegravere du jour agrave lrsquointeacuterieur drsquoun bacirctiment il est important de prendre en consideacuteration les eacuteleacutements de faccedilade et lrsquoenvironnement urbain Ceux ci peuvent repreacutesenter agrave la fois une obstruction agrave lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour directe dans le bacirctiment et une source secondaire de lumiegravere naturelle par reacuteflexion (composante reacutefleacutechie externe)
Ainsi par exemple une piegravece au premier eacutetage sera moins eacuteclaireacutee qursquoune autre au 5egraveme eacutetage dans le cas drsquoun bacirctiment en vis agrave vis Ou encore la mecircme piegravece sera mieux eacuteclaireacutee avec un facteur de reacuteflexion plus eacuteleveacute de la faccedilade en face
La prise en consideacuteration des masques dans certaines meacutethodes de calcul simplifieacutees se fait agrave travers la deacutetermination de lrsquoangle drsquoobstruction (entre le centre de la fenecirctre et la ligne limite entre le masque et le ciel) et du facteur de reacuteflexion moyen du masque
Un calcul plus preacutecis de lrsquoinfluence drsquoun sceacutenario urbain donneacute sur lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour dans une piegravece peut se faire agrave lrsquoaide des algorithmes de calcul physiques (radiositeacute ou lancer de rayon) Cependant cela neacutecessite la modeacutelisation geacuteomeacutetrique des masques exteacuterieurs ce qui entraicircne un temps de calcul relativement long
29
Chapitre I
I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
Geacuteneacuteraliteacutes On entend par conception de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment le choix des composants et des caracteacuteristiques des parois vitreacutees leur position leurs dimensions les speacutecifications des vitrages et des protections solaires
Ces choix sont guideacutes par des consideacuterations thermiques (apport solaire et surchauffe deacuteperditions par lrsquoenveloppe) acoustiques eacutenergeacutetiques (eacuteclairage artificiel systegravemes de chauffage et de climatisation) ergonomiques (confort visuel) ainsi qursquoestheacutetiques et architecturales
Il est eacutegalement neacutecessaire de prendre en consideacuteration les interactions entre ces diffeacuterents paramegravetres afin drsquoarriver agrave un compromis qui reacutepond le mieux aux exigences du projet Par exemple laisser passer plus de lumiegravere naturelle en agrandissant les surfaces vitreacutees entraicircnerait une augmentation de lrsquoapport solaire et des surchauffes en eacuteteacute et de la deacuteperdition et de la consommation eacutenergeacutetique du chauffage en hiver
Avec les progregraves technologiques apporteacutes aux systegravemes de controcircle on arrive de nos jours agrave mieux geacuterer ces interactions en particulier le controcircle des protections solaires en relation avec le confort visuel et le controcircle de lrsquoeacuteclairage artificiel en relation avec la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour sur le plan de travail (systegravemes de dimming controcircles automatiseacutes zonagehellip) Cependant pour que la conception de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment aboutisse agrave une meilleure efficaciteacute eacutenergeacutetique il est important de srsquoy inteacuteresser degraves les premiegraveres phases de la conception du bacirctiment (orientation dimensionnementhellip) [ASHRAE-IESNA 1989] [CIE 1994] [Leslie 2003]
Eclairement inteacuterieur requis Un paramegravetre cleacute dans la conception de lrsquoeacuteclairage naturel est lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (en particulier sur le plan de travail) Cet eacuteclairement subit des variations importantes avec le temps dues au dynamisme de la distribution des luminances du ciel (en particulier la zone vue par un point de reacutefeacuterence)
Ducirc agrave cette dynamique et pour simplifier la prise en consideacuteration de ce paramegravetre dans la conception drsquoun bacirctiment la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute a eacuteteacute introduite Ainsi on srsquointeacuteresse agrave un seuil minimum drsquoeacuteclairement neacutecessaire pour assurer le bon fonctionnement des tacircches pour lesquelles est deacutedieacute un local Le deacutepassement de ce seuil est supposeacute comme geacuteneacuteralement compenseacute par lrsquoadaptation de lrsquoœil
Disponibiliteacute de la lumiegravere de jour Lrsquoeacuteclairement inteacuterieur est directement lieacute agrave la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour agrave lrsquoexteacuterieur du bacirctiment Cette derniegravere est exprimeacutee par lrsquoeacuteclairement sur une surface horizontale deacutegageacutee Sa variation avec le temps et la geacuteographie a eacuteteacute eacutetudieacutee agrave partir de plusieurs campagnes de mesure agrave travers le monde [Dumortier 2003]
Ainsi la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour a pu ecirctre deacutecrite par des diagrammes en fonction de la latitude et drsquoun pourcentage des heures drsquoune anneacutee pour une peacuteriode journaliegravere donneacutee (9h agrave 17h par ex) pour lesquelles lrsquoeacuteclairement horizontal exteacuterieur deacutepasse un certain seuil Ces diagrammes ne prennent souvent en consideacuteration que lrsquoeacuteclairement diffus
De nos jours on arrive agrave estimer la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour par lrsquoanalyse des images satellites Nous citons dans ce domaine le serveur Web Satel-Light deacuteveloppeacute au
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Chapitre I
LAboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Dumortier 1995] [Satel-Light 1995] [Dumortier 2002] [Dumortier 2003]
Facteur de lumiegravere de jour Afin de deacuteterminer une relation entre lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (en un point de la piegravece) et la disponibiliteacute de la lumiegravere du jour agrave lrsquoexteacuterieur drsquoun bacirctiment la notion du Facteur de Lumiegravere de Jour est utiliseacutee
FJ= (EintEext)
Ce ratio est subdiviseacute en plusieurs composantes
- La composante directe FJD (varie avec la distribution des luminances du ciel vues par le point de reacutefeacuterence)
- La composante reacutefleacutechie externe FRE (varie avec la contribution de la lumiegravere reacutefleacutechie sur le sol et les masques exteacuterieurs)
- La composante reacutefleacutechie interne FRI (varie avec les inter-reacuteflexions au niveau des surfaces inteacuterieures et deacutepend du facteur de reacuteflexion de ces surfaces)
Ainsi FJ = FJD + FRE + FRI
Pour le calcul drsquoun facteur de lumiegravere de jour en particulier sa composante directe il est important de caracteacuteriser la reacutepartition des luminances dans le ciel Alors que pour des raisons de simplification on supposait une reacutepartition uniforme (en azimut et en zeacutenith) de la luminance du ciel la CIE a proposeacute lrsquoadoption du ciel CIE couvert standard eacutetant donneacute qursquoil repreacutesente mieux de la distribution reacuteelle des luminances drsquoun ciel nuageux
Lrsquoutilisation drsquoun ciel nuageux pour la mesure ou le calcul du facteur de lumiegravere de jour est compatible avec la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute En effet les autres conditions possibles de ciel aboutissent geacuteneacuteralement agrave une meilleure peacuteneacutetration de la lumiegravere diffuse ou agrave une compensation par la lumiegravere directe du soleil Ainsi en adoptant le facteur de lumiegravere de jour sous un ciel nuageux comme reacutefeacuterence pour la conception on garantit une marge de seacutecuriteacute et un niveau minimum
Diagrammes drsquoautonomie A lrsquoaide des paramegravetres deacutecrits ci-dessus lrsquoeacuteclairement inteacuterieur requis les diagrammes de disponibiliteacute de la lumiegravere de jour et le facteur de lumiegravere de jour il est possible de deacutecrire des diagrammes drsquoautonomie en lumiegravere de jour Ces diagrammes permettent de deacutefinir un pourcentage de temps garanti ougrave lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (naturel) en un point donneacute deacutepassera un certain seuil Ou bien il permet de deacutefinir un facteur de lumiegravere de jour minimum requis afin de garantir un certain pourcentage de temps de deacutepassement drsquoun seuil drsquoeacuteclairement inteacuterieur [ASE 1989] [Satel-Light 1995]
Calcul dynamique de lrsquoeacuteclairage naturel (coefficient de FLJ) La nouvelle tendance dans la conception en eacuteclairage naturel nrsquoest plus baseacutee sur la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute mais sur un calcul dynamique de lrsquoentreacutee de la lumiegravere en utilisant les fichiers climatiques drsquoun site donneacute Cette meacutethode plus reacutealiste mais plus lourde en calcul est devenue utilisable gracircce agrave lrsquoeacutevolution des capaciteacutes du mateacuteriel informatique Sa mise en place utilise lrsquoapproche du facteur de lumiegravere de jour directionnel pour preacute-calculer la contribution relative des diffeacuterentes mailles du ciel agrave lrsquoeacuteclairement des diffeacuterents points drsquoun espace inteacuterieur [Tregenza 1983] [Mardaljevic 2000] [Reinhart 2000] [Dumortier 1995]
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Chapitre I
Outils de conception En ce qui concerne les meacutethodes existantes pour le calcul et lrsquoeacutevaluation de lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment elles sont classeacutees selon les cateacutegories suivantes [De Boer 1999]
- Les meacutethodes de calcul manuel (meacutethode de lumen ) - Les meacutethodes graphiques baseacutees sur des diagrammes selon des configurations types
du bacirctiment Ces diagrammes sont compleacuteteacutes par des facteurs de correction agrave prendre en consideacuteration en relation avec la transmission des vitrages la deacutegradation due agrave lrsquoaccumulation des saleteacutes le facteur de reacuteflexion moyen des surfaces inteacuterieureshellip
- Des mesures expeacuterimentales dans des maquettes agrave eacutechelle reacuteduite ou reacuteelle sous un ciel artificiel ou reacuteel
- Les logiciels de simulation baseacutes en particulier sur les meacutethodes de radiositeacute et de lancer de rayon
Un autre aspect de conception en eacuteclairage naturel (que celui de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour) consiste agrave prendre en consideacuteration les taches solaires agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment en particulier du point de vue de lrsquoapport thermique et du confort visuel Lrsquoeacutetude des taches est le plus souvent limiteacutee agrave certains jours repreacutesentatifs de lrsquoanneacutee (en particulier les solstices) et pour diffeacuterentes heures de la journeacutee
Les meacutethodes existantes pour lrsquoeacutetude des taches solaires sont
- Des meacutethodes manuelles utilisant des diagrammes solaires - Des eacutetudes sur maquette reacuteduite sous un heacuteliodon - Des meacutethodes numeacuteriques utilisant des algorithmes matheacutematiques pour deacutefinir la
position du soleil et des algorithmes de lancer de rayon pour simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere solaire directe agrave travers lrsquoenveloppe du bacirctiment Certains logiciels sont deacuteveloppeacutes speacutecialement pour lrsquoeacutetude des taches solaires on parle alors drsquoheacuteliodons numeacuteriques
En plus que les outils de simulation nous traitons dans notre travail les mesures expeacuterimentales dans des maquettes drsquoeacutetude
I13 La geacuteomeacutetrie
I131 Geacuteneacuteraliteacutes Comme la source lumineuse la geacuteomeacutetrie drsquoun espace est un eacuteleacutement cleacute pour calculer et preacutedire la propagation de la lumiegravere agrave lrsquointeacuterieur de cet espace Pour un calcul drsquoeacuteclairage (manuel ou numeacuterique) la description de cette geacuteomeacutetrie doit inclure une description tri-dimensionnelle de lrsquoespace ainsi qursquoune caracteacuterisation physique de ses mateacuteriaux Dans cette partie nous nous inteacuteressons agrave la description tri-dimensionnelle de lrsquoespace dans la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage
Les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie agrave prendre en consideacuteration dans une simulation sont geacuteneacuteralement les surfaces visibles des mateacuteriaux opaques du volume inteacuterieur Dans un sceacutenario drsquoeacuteclairage naturel nous consideacuterons eacutegalement les surfaces du sol et des masques exteacuterieurs ainsi que les composants des parois vitreacutees
On parle de surfaces visibles des mateacuteriaux opaques car contrairement au cas des eacutechanges de flux thermiques lrsquoinfluence des mateacuteriaux opaques sur la propagation des flux lumineux se limite agrave ces surfaces
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Chapitre I
La prise en consideacuteration des parois vitreacutees du sol et des masques exteacuterieurs peut varier entre les diffeacuterents logiciels Ainsi lrsquoinfluence de ces eacuteleacutements (vitrage store veacutenitien masque vertical ou horizontalhellip) peut ecirctre calculeacutee analytiquement dans un logiciel et agrave lrsquoaide drsquoun lancer de rayon ou un calcul de radiositeacute dans un autre Le premier cas ne neacutecessite qursquoune description parameacutetrique (type de vitrage couleur et orientation des lames angle drsquoobstructionhellip) et le deuxiegraveme neacutecessite une modeacutelisation preacutecise des eacuteleacutements
I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie Bien que certains logiciels offrent la possibiliteacute drsquoune automatisation de lrsquoentreacutee de la geacuteomeacutetrie 3D cellendashci est en fin de compte deacutecrite par un ensemble de polygones deacutefinis par les coordonneacutees carteacutesiennes de leurs sommets (x y z)
Pour les logiciels de simulation qui nrsquooffrent pas une interface de DAO pour lrsquoentreacutee de la geacuteomeacutetrie il est possible drsquoimporter cette derniegravere agrave partir drsquoun logiciel de DAO externe [IESNA 1999] La plupart des logiciels de simulation sont compatibles avec le format DXF creacuteeacute par Autodesk et standardiseacute par la suite pour le transfert de donneacutees geacuteomeacutetriques [Autodesk 1999]
Parmi les logiciels de DAO souvent utiliseacutes pour modeacuteliser la geacuteomeacutetrie 3D nous citons AutoCAD ArchiCAD et Microstation Cependant lorsqursquoune geacuteomeacutetrie est deacutecrite agrave lrsquoaide drsquoun logiciel externe il est important de prendre certaines preacutecautions dans le mode de dessin afin de garantir une meilleure compatibiliteacute avec la plupart des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
Les preacutecautions agrave prendre et leurs importances sont diffeacuterentes drsquoun logiciel agrave un autre mais souvent le but est drsquoeacuteviter les confusions lors du transfert qui peuvent mener agrave des erreurs de calcul Par exemple il peut srsquoagir de respecter la notion de lrsquoorientation des surfaces qui est importante dans certains logiciels ou bien de limiter la modeacutelisation des surfaces de la geacuteomeacutetrie aux parties apparentes pour eacuteviter les fausses ombres [Foley 1990]
I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade La propagation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquointeacuterieur drsquoun bacirctiment deacutebute par un transfert des flux agrave travers les parois vitreacutees Ainsi il est important de prendre ces derniegraveres en consideacuteration pour une preacutediction preacutecise de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment
La caracteacuterisation drsquoun composant drsquoune paroi vitreacutee en transmission lumineuse se fait geacuteneacuteralement agrave travers des mesures goniophotomeacutetriques Ainsi agrave partir drsquoune seacuterie de mesures de transmission en direct-direct seront deacuteduites les fonctions de transfert direct-heacutemispheacuterique et heacutemispheacuterique-heacutemispheacuterique qui caracteacuterisent un mateacuteriau donneacute [CIE 1998]
Cependant une paroi vitreacutee peut se preacutesenter sous diffeacuterentes formes agrave diffeacuterents niveaux de complexiteacute Nous listons ci-dessous les principaux cas de figures
I141 Ouverture simple Le cas le plus basique est celui drsquoune simple ouverture sans vitrage Lrsquoinfluence drsquoune telle ouverture sur la propagation de la lumiegravere naturelle se limite agrave sa dimension et son eacutepaisseur qui deacuteterminent la partie du champ de luminances externe rendue visible aux points inteacuterieurs Lrsquoaspect directionnel qualitatif et quantitatif du flux lumineux incident est conserveacute lors du passage agrave travers cette ouverture et ne subit aucune deacuteviation ni atteacutenuation (si ce nrsquoest la reacuteflexion sur les bords)
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Chapitre I
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel se fait souvent agrave lrsquoaide drsquoun maillage de sa surface La luminance apparente des mailles est ensuite calculeacutee (agrave partir de la luminance de la zone du ciel apparente agrave travers cette maille par un point donneacute) et finalement est calculeacutee la contribution de chaque maille agrave lrsquoeacuteclairement du point eacutetudieacute
Dans un certain nombre de logiciels le calcul commence par une deacutetection du champ de vision drsquoun point de mesure agrave travers lrsquoouverture Cette deacutetection se fait geacuteneacuteralement agrave lrsquoaide drsquoun lancer de rayons qui permet de deacutefinir les limites du masque constitueacute par les murs entourant lrsquoouverture
I142 Vitrage classique Dans le cas drsquoune ouverture vitreacutee (vitrage classique) le flux incident subit lrsquoinfluence de la transmission directionnelle du vitrage Cette transmission diminue avec lrsquoaugmentation de lrsquoangle drsquoincidence du rayonnement lumineux et varie selon le type de vitrage (simple double teinteacutehellip)
Il existe plusieurs reacutefeacuterences pour deacuteterminer la variation theacuteorique de la transmission lumineuse drsquoun vitrage avec lrsquoangle drsquoincidence Mais en geacuteneacuteral la majoriteacute drsquoun flux lumineux transmis agrave travers un vitrage classique est supposeacute garder sa directionnaliteacute (angle de transmission = angle drsquoincidence) et ne subit qursquoune simple atteacutenuation selon lrsquoangle drsquoincidence [Hopkinson 1966] [Hopkinson 1966 Tregenza 1993]
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture vitreacutee dans une simulation drsquoeacuteclairage naturel suit le mecircme principe que pour une ouverture non vitreacutee mais en plus une atteacutenuation de la contribution drsquoune maille agrave lrsquoeacuteclairement drsquoun point est calculeacutee selon lrsquoangle drsquoincidence entre cette maille et ce point de mesure Cependant certains logiciels ne prennent pas en consideacuteration la transmission directionnelle drsquoun vitrage et se contentent drsquoaffecter un facteur de transmission uniforme
I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel Il existe sur le marcheacute de la construction de plus en plus de vitrages agrave proprieacuteteacutes bi-directionnelles dont le but est souvent de favoriser le cheminement drsquoun flux lumineux incident dans une direction donneacutee (Laser Cut Panel Serraglaze etc) Par exemple dans le cas drsquoune ouverture verticale lrsquoobjectif est souvent de favoriser lrsquoorientation du flux transmis vers le plafond afin de permettre une entreacutee plus profonde de la lumiegravere et afin drsquoeacuteviter ou au moins drsquoatteacutenuer les taches solaires Dans le cas drsquoune ouverture zeacutenithale lrsquoobjectif est de favoriser lrsquoentreacutee verticale de la lumiegravere provenant de toutes les directions de lrsquoheacutemisphegravere exteacuterieur
Le flux lumineux incident sur ce type de mateacuteriaux est transmis avec changement drsquoorientation partielle ou totale dans le mecircme plan drsquoincidence ou bien dans tout lrsquoheacutemisphegravere de sortie
La prise en consideacuteration drsquoun mateacuteriau agrave transmission bidirectionnelle dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel est drsquoune complexiteacute importante Elle neacutecessite lrsquoutilisation des fonctions de transfert bidirectionnelles dite BTDF qui sont assez lourdes en calcul Les logiciels permettant ce type de simulations sont encore assez rares et limiteacutes au domaine de la recherche scientifique [Fontoynont 1999] [Greenup 2000] [Andersen 2003]
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Chapitre I
I144 Eleacutements de protection solaire Le rocircle des eacuteleacutements de protection solaire est de bloquer drsquoatteacutenuer ou de reacuteorienter la lumiegravere directe du soleil Parmi les types les plus utiliseacutes nous citons en particulier les stores veacutenitiens (agrave effet de reacuteorientation) les brises soleil (agrave effet de masque) et les stores en toile (agrave effet de diffusion)
La prise en consideacuteration des eacuteleacutements de protection solaires dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel deacutepend de leur type Par exemple les protections solaires agrave effet de masque neacutecessitent un simple calcul de lancer de rayons alors que la simulation des eacuteleacutements agrave effet de reacuteorientation suit le mecircme principe que pour les vitrages bidirectionnels [Klems 1995] [Shareef 2001]
I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux Pour caracteacuteriser le comportement des parois vitreacutees afin de mieux les prendre en consideacuteration dans le calcul ou la simulation de lrsquoeacuteclairage on a recours aux mesures goniophotomeacutetriques
Ces mesures peuvent srsquoaveacuterer drsquoune grande complexiteacute en particulier dans le cas des mateacuteriaux bidirectionnels puisqursquoils neacutecessitent des mesures heacutemispheacuteriques en entreacutee et en sortie
De nos jours plusieurs deacuteveloppements sont en cours afin de simplifier les proceacutedures de mesure ou de conduire ces mesures numeacuteriquement agrave lrsquoaide drsquoalgorithmes physiques [Mitanchey 1995] [Andersen 2003] [Andersen 2003] [De Boer 2003]
Drsquoautres efforts sont eacutegalement investis dans le but de simplifier la preacutesentation des donneacutees goniophotomeacutetriques [Roy 1995] [Mitanchey 1996] [IEA-SHC 1999]
I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux Si lrsquoeacuteclairage direct reccedilu des sources de lumiegravere (naturelles ou artificielles) est un eacuteleacutement de base dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere lrsquoeacuteclairage dit indirect nrsquoest pas de moindre importance
En effet lrsquoeacuteclairage indirect ducirc aux inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les diffeacuterentes surfaces drsquoune scegravene peut repreacutesenter une proportion importante de lrsquoeacuteclairement total par rapport agrave lrsquoeacuteclairement direct Crsquoest le cas notamment des luminaires indirects ou des systegravemes de reacute-acheminement de la lumiegravere directe du soleil
Les inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie deacutependent de la photomeacutetrie de ces surfaces (ou des mateacuteriaux qui les constituent) Cette photomeacutetrie est caracteacuteriseacutee en particulier par trois paramegravetres
- Le facteur de reacuteflexion global - La directionnaliteacute de la lumiegravere reacutefleacutechie - Lrsquoinfluence spectrale sur la lumiegravere reacutefleacutechie
Le premier repreacutesente le rapport entre le flux total reacutefleacutechi sur une surface et le flux initial incident Pour faciliter la mesure de ce paramegravetre un nombre de mateacuteriaux standards a eacuteteacute deacutefini comme reacutefeacuterence [CIE 1979] [CIE 1979] [CIE 1998]
Le deuxiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la ou les directions de reacuteflexion drsquoun flux incident avec une direction donneacutee Cette directionnaliteacute deacutepend de la geacuteomeacutetrie microscopique de la surface (apparente) drsquoun mateacuteriau opaque On distingue en particulier deux types de reacuteflexion theacuteoriques Les reacuteflexions parfaitement speacuteculaires et les reacuteflexions
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Chapitre I
parfaitement diffuses Bien que ces cas extrecircmes nrsquoexistent pas dans la reacutealiteacute les lois theacuteoriques relatives sont bien deacutefinies (La loi de Descartes pour le premier et loi de Lambert et les formules de facteur de forme pour le deuxiegraveme) Au-delagrave de ces deux cas theacuteoriques simplifieacutes un nombre de travaux a eacuteteacute meneacute pour deacutecrire des modegraveles analytiques plus complets qui srsquoapprochent mieux de la reacutealiteacute mais qui repreacutesentent un degreacute de complexiteacute plus eacuteleveacute [Trowbridge 1975] [Kajiya 1985] [Uetani 1992] [Balocco 2001] [Deniel 2002]
Dans la majoriteacute des logiciels existants la reacuteflexion de la lumiegravere sur une surface est simuleacutee par une combinaison de reacuteflexions diffuses et speacuteculaires Ainsi une partie du flux est reacutefleacutechie en obeacuteissant agrave la loi de Descartes et une autre partie est diffuseacutee uniformeacutement dans lrsquoespace Les algorithmes utiliseacutes sont eacutegalement en geacuteneacuteral une combinaison de radiositeacute et de lancer de rayons Certains logiciels nrsquoutilisant que les algorithmes de radiositeacute se contentent de supposer les surfaces comme 100 diffuses
Drsquoautres logiciels qui restent assez rares prennent en consideacuteration les fonctions de reacuteflexions bidirectionnelles (BRDF) theacuteoriques ou mesureacutees Cependant il faut noter que de nos jours la preacutecision des mesures de ces fonctions neacutecessite encore des moyens financiers et logistiques trop importants
Le troisiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la qualiteacute spectrale de la lumiegravere reacutefleacutechie par rapport agrave celle de la lumiegravere incidente Elle deacutepend en particulier de lrsquoabsorption spectrale seacutelective du mateacuteriau En effet le facteur drsquoabsorption drsquoun mateacuteriau peut ecirctre plus ou moins eacuteleveacute selon la longueur drsquoonde avec laquelle arrive une partie du flux incident Ainsi le spectre de la lumiegravere reacutefleacutechie peut ecirctre complegravetement diffeacuterent de celui de la lumiegravere incidente Les mateacuteriaux qui ont le mecircme facteur de reacuteflexion pour toutes les longueurs drsquoonde sont dits spectralement neutres [CIE 1986] [Smith 1992] [CIE 1996]
Plusieurs approches sont proposeacutees pour traiter lrsquoaspect spectral ou colorimeacutetrique de la propagation de la lumiegravere Les approches les plus utiliseacutees dans les logiciels de simulation de la lumiegravere sont baseacutees sur une caracteacuterisation agrave trois composantes de la couleur (de la source lumineuse ou des surfaces) Nous citons les systegravemes XYZ (de la CIE) RGB CMY et HSV Cependant si ce type de caracteacuterisation est convenable pour la repreacutesentation des couleurs il srsquoavegravere insuffisant pour simuler la variation du spectre du flux lumineux agrave travers les inter-reacuteflexions sur les surfaces inteacuterieures drsquoun espace [Mitanchey 1996] Pour plus de preacutecision il est alors recommandeacute drsquoutiliser les approches baseacutees sur une discreacutetisation plus ou moins fine du spectre Mais lrsquoimpleacutementation de telles approches dans les logiciels existants est loin drsquoecirctre courante [Smith 1992] [Mitanchey 1996]
I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage Il existe sur le marcheacute international un nombre important de logiciels deacutedieacutes agrave la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Dans une enquecircte meneacutee par le groupe 3D lumiegravere en 2000 aupregraves de 74 professionnels [3D-lumiegravere 2000] environ quarante logiciels ont eacuteteacute citeacutes par les enquecircteacutes comme outils de travail en eacuteclairage Dans une deuxiegraveme eacutetude plus speacutecialiseacutee dans le calcul drsquoeacuteclairage naturel et meneacutee par lrsquoagence international drsquoeacutenergie IEA SHC Task 21-C2 [Fontoynont 1999] vingt cinq logiciels ont eacuteteacute citeacutes Vingt deux de ces logiciels ne sont pas connus par les utilisateurs franccedilais enquecircteacutes par 3D lumiegravere Finalement nous citons lrsquoenquecircte de lrsquoIENSA [IESNA 1999] preacutesentant un nombre de logiciels existants au niveau international
Les logiciels existants diffegraverent entre eux par les algorithmes qursquoils utilisent par leurs approches DAO par la prise en consideacuteration des diffeacuterents types de sources lumineuses par
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Chapitre I
leur capaciteacute agrave simuler les pheacutenomegravenes de propagation de lumiegravere plus ou moins complexes par leur interface utilisateur et finalement par leurs vocations et leurs domaines drsquoapplication
I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage Le rocircle des algorithmes dans une simulation drsquoeacuteclairage est de geacuterer le calcul de la propagation de la lumiegravere entre les sources et les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie puis les inter-reacuteflexions entre ces surfaces
Les algorithmes utiliseacutes dans les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage sont des algorithmes dits drsquoeacuteclairement global (global illumination) puisqursquoils font un calcul tridimensionnel de la propagation de la lumiegravere Ils peuvent ecirctre classeacutes sous deux grandes familles la radiositeacute et le lancer de rayons Ces deux familles tendent agrave avoir des avantages et des inconveacutenients compleacutementaires ce qui fait que certains logiciels utilisent une logique hybride combinant les deux familles [IEA-SHC 1999] [Mitanchey 1996]
1211 Radiositeacute Les algorithmes de radiositeacute utiliseacutes pour le calcul de lrsquoeacuteclairage datent du deacutebut des anneacutees 80 Ils ont eacuteteacute adapteacutes agrave partir des algorithmes de radiositeacute utiliseacutes depuis les anneacutees 60 pour le calcul des eacutechanges radiatifs thermiques sur la base de lrsquoeacutequilibre eacutenergeacutetique
Les algorithmes de radiositeacute procegravedent en geacuteneacuteral agrave une discreacutetisation de lrsquoenvironnement simuleacute agrave travers un maillage (subdivision en petites mailles) des surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie eacuteclaireacutee par une source donneacutee (voir figure I3) Tout drsquoabord un calcul de la lumiegravere directe reccedilue par chaque maille est effectueacute Ensuite chaque maille est traiteacutee comme une source lumineuse eacutemettant une partie du flux lumineux qursquoelle a reccedilu (selon son facteur de reacuteflexion) vers les autres mailles de la geacuteomeacutetrie Cette lumiegravere indirecte subit plusieurs inter-reacuteflexions jusqursquoagrave ce que la quasi-totaliteacute du flux initial soit absorbeacutee
Suite agrave ce calcul on est capable de savoir la quantiteacute de flux lumineux direct et indirect reccedilue et eacutemise par une maille donneacutee et donc lrsquoeacuteclairement et la luminance de cette maille [Scartezzini 1993] [Ashdown 2001]
Figure I3 Exemple drsquoun calcul de Radiositeacute agrave lrsquointeacuterieur drsquoune geacuteomeacutetrie
Bien que le principe geacuteneacuteral de la radiositeacute deacutecrit ci-dessus soit le mecircme pour tous les algorithmes de radiositeacute existants ceux-ci diffegraverent dans la meacutethode adopteacutee pour le maillage de la geacuteomeacutetrie et pour le suivi du flux
La radiositeacute peut ecirctre en principe appliqueacutee agrave tout type de reacuteflexion cependant les algorithmes existants sont encore limiteacutes aux reacuteflexions 100 diffuses Ce qui entraicircne des erreurs plus ou moins importantes selon le comportement reacuteel du mateacuteriau simuleacute La
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Chapitre I
radiositeacute preacutesente aussi quelques autres inconveacutenients dont particuliegraverement un temps de calcul assez long une lourde consommation en meacutemoire et une faible performance en qualiteacute graphique
Cependant le calcul de radiositeacute a lrsquoavantage drsquoecirctre indeacutependant de la position de lrsquoobservateur Ainsi un seul calcul est suffisant pour connaicirctre lrsquoeacuteclairement de tous les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie et pour la visualiser agrave partir drsquoune infiniteacute de points de vue
Une nouvelle geacuteneacuteration drsquoalgorithmes de radiositeacute est apparue en 1988 elle permet drsquoobtenir un reacutesultat graphique immeacutediat qui srsquoameacuteliore progressivement en preacutecision et en qualiteacute visuelle drsquoougrave son nom progressive refinement radiosity [Cohen 1988] [Autodesk 1999]
Une autre eacutevolution des algorithmes de radiositeacute fut le concept de maillage adaptatif ougrave le logiciel commence agrave calculer agrave partir drsquoun maillage de faible preacutecision Ensuite il procegravede agrave des subdivisions suppleacutementaires lagrave ougrave il y a une grande diffeacuterence drsquoeacuteclairement entre les mailles Cette meacutethode conduit agrave une eacuteconomie dans le temps de calcul et dans lrsquoutilisation de meacutemoire
1212 Lancer de rayons La deuxiegraveme famille drsquoalgorithmes est la plus ancienne elle a connu plus de deacuteveloppements et preacutesente une plus grande varieacuteteacute de meacutethodes
Ces meacutethodes ont lrsquoavantage de calculer avec preacutecision lrsquoeacuteclairement direct de calculer les effets speacuteculaires des mateacuteriaux de mieux deacutefinir les ombres et de consideacuterer les reacutefractions agrave travers les surfaces transparentes Crsquoest donc les algorithmes qui donnent les meilleurs reacutesultats graphiques drsquoougrave ce qursquoon appelle le photo-reacutealisme des images de synthegravese
Il existe plusieurs cateacutegories drsquoalgorithmes baseacutees sur le lancer de rayon nous citons les suivantes
Figure I4 Exemple drsquoun calcul de Lancer de rayons (inverse)
1 Traceacute de rayons ou Lancer de rayons depuis lrsquoobservateur dite aussi Lancer inverse de rayons (backward ray tracing) les rayons sont geacuteneacutereacutes depuis lrsquoœil de lrsquoobservateur et cheminent agrave travers des reacuteflexions multiples sur les parois jusqursquoaux sources de lumiegravere (voir figure I4) Ainsi seuls les rayons utiles pour la construction de lrsquoimage seront geacuteneacutereacutes et suivis agrave travers les diffeacuterentes inter-reacuteflexions mais la solution est valide pour un seul point de vue [Whitted 1980]
2 Suivi de rayons ou Lancer direct de rayons (forward ray tracing) cette meacutethode geacutenegravere les rayons lumineux depuis la source vers les surfaces reacuteceptrices quand un rayon atteint une surface il est dirigeacute selon la photomeacutetrie rencontreacutee jusqursquoagrave lrsquoeacutepuisement de son eacutenergie [Fontoynont 1991]
3 Technique statistique de monte-carlo backward ou forward La meacutethode de Monte-Carlo associeacutee agrave des meacutethodes de lancer de rayons a recours agrave une technique statistique
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Chapitre I
pour la distribution des rayons reacutefleacutechis Elle neacutecessite un temps de calcul eacuteleveacute [IEA-SHC 1999]
I22 Exemples types des logiciels existants Les logiciels existants sur le marcheacute international et utiliseacutes comme outils de conception en eacuteclairage peuvent ecirctre classeacutes en diffeacuterentes familles [De Boer 1999] [IESNA 1999]
1 Les logiciels baseacutes sur les formules de base de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel Ces logiciels sont souvent distribueacutes par les constructeurs de luminaires et munis de leur bibliothegraveque de luminaires
2 Des logiciels baseacutes sur des formules de base de calcul en eacuteclairage naturel ou sur des donneacutees empiriques (ou preacute-simuleacutees) Ces logiciels sont souvent deacutedieacutes agrave lrsquoutilisation dans les phases preacuteliminaires de la conception drsquoun projet (ex Dial Sodalight etc)
3 Les logiciels capables de calculer lrsquoeacuteclairage direct uniquement Ils sont tregraves souvent inteacutegreacutes dans des logiciels de DAO Leur objectif est limiteacute agrave lrsquoameacutelioration du rendu graphique drsquoun projet ou au mieux agrave une eacutetude de taches solaires (ex Archicad) Cependant ce type de logiciels devient de plus en plus rare En effet vu leurs potentiels un certain nombre de ces logiciels a eacuteteacute mis agrave niveau par les deacuteveloppeurs et a passeacute ainsi agrave la famille suivante (ex Microstation et 3D Studio)
4 Les logiciels dits drsquoeacuteclairement global Ils utilisent souvent des algorithmes de calcul physique (en particulier de radiositeacute et lancer de rayons) Nous distinguons cependant dans cette cateacutegorie les logiciels deacuteveloppeacutes dans un cadre scientifique (ex Radiance Geacuteneacutelux CSTB) de ceux deacuteveloppeacutes et diffuseacutes dans un cadre commercial (Lightscape Dialuxhellip) En geacuteneacuteral les logiciels commerciaux possegravedent des interfaces plus conviviales mais les logiciels scientifiques offrent des fonctionnaliteacutes plus complegravetes Par exemple certains logiciels scientifiques sont capables de prendre en consideacuteration lrsquoaspect spectral de la propagation de la lumiegravere etou de traiter les fonctions bidirectionnelles Finalement nous notons que les logiciels commerciaux manquent le plus de transparence sur leur fiabiliteacute dans les diffeacuterents domaines drsquoapplication (manque de travaux de validation)
Dans notre travail de thegravese nous nous inteacuteressons en particulier agrave la derniegravere famille Ne pouvant pas enquecircter sur tous les logiciels existants nous nous contentons de citer (par ordre alphabeacutetique) quelques logiciels sur lesquels il y a eu des publications scientifiques et des travaux de validation [Fontoynont 1999]
1221 Adeline Deacuteveloppeacute dans le cadre de lrsquoIEA Adeline a eacuteteacute fondeacute sur les logiciels Superlite et Radiance par le biais drsquoun modeleur graphique et drsquooutils de DAO Ainsi il permet de deacutefinir la geacuteomeacutetrie avec son propre systegraveme de DAO par lrsquoentreacutee manuelle des coordonneacutes carteacutesiennes ou agrave partir drsquoun fichier DXF
Le logiciel est muni drsquoune bibliothegraveque de base de donneacutees de mateacuteriaux de luminaires et de mobilier Il produit des reacutesultats numeacuteriques ou bien graphiques Au-delagrave des eacuteclairements et des luminances Adeline permet de calculer lrsquoeacutenergie consommeacutee par lrsquoeacuteclairage artificiel en fonction des apports de lumiegravere du jour [Erhorn 1998] [Scartezzini 1993]
1222 Genelux Le logiciel Genelux deacuteveloppeacute au laboratoire des sciences de lrsquohabitat utilise un algorithme de lancer direct et suivi de rayons lumineux (Forward Ray tracking) La distribution des rayons reacutefleacutechis est effectueacutee en ayant recours agrave une technique statistique de Monte Carlo
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Chapitre I
Dans le cas ougrave les surfaces seraient parfaitement diffusantes il est possible de faire appel agrave un algorithme baseacute sur la meacutethode de radiositeacute afin de reacuteduire les temps de simulation Genelux peut modeacuteliser les surfaces speacuteculaires diffuses ou mixtes en transmission etou reacuteflexion Il peut eacutegalement prendre en consideacuteration des quantiteacutes spectrales en deacutecomposant les rayons incidents par bandes spectrales [Mitanchey 1996] [Maamari 2003]
1223 Inspirer Destineacute surtout au domaine de lrsquoarchitecture avec comme fonctionnaliteacutes les calculs de lrsquoeacuteclairage les analyses de visibiliteacute et la visualisation des projets Pour le calcul de lrsquoeacuteclairage il utilise des approches hybrides surtout la meacutethode bi-directionnelle de Monte Carlo au Lancer de Rayons Ce qui diffeacuterencie le plus ce logiciel est lrsquoutilisation des formules de BRDF qui permet de respecter les variations de reacuteflexion et de transmission (diffuse et speacuteculaire) ainsi que des couleurs selon lrsquoangle drsquoincidence et de vision [Maamari 2003]
1224 DIAL Leso-Dial Le but du logiciel est de donner aux architectes des informations utiles concernant lrsquoutilisation de la lumiegravere de jour dans un bacirctiment degraves la phase de lrsquoavant projet Il calcule le facteur de lumiegravere du jour sur le plan utile gracircce agrave une utilisation hybride de formule analytique et empirique [Paule 1995]
1225 Lightscape 32 Crsquoest un logiciel qui est destineacute agrave des utilisations graphiques mais il offre eacutegalement des fonctionnaliteacutes inteacuteressantes pour la simulation physique de la lumiegravere Il utilise un algorithme de radiositeacute pour le calcul quantitatif et un algorithme de lancier de rayons pour lrsquoameacutelioration qualitative et visuelle des images de synthegraveses Ce logiciel est deacutecrit en deacutetail dans la partie IV11 de ce document [Khodulev 1996] [Maamari 2002]
1226 Radiance Le logiciel Radiance utilise un algorithme de lancer inverse de rayons Le lancer des rayons peut ecirctre stoppeacute si leur eacutenergie est jugeacutee insuffisante Les rayons reacutefleacutechis peuvent ecirctre geacuteneacutereacutes selon une fonction de distribution permettant la simulation de reacuteflexions speacuteculaires semi-speacuteculaires ou diffuses Ce lancer de rayons est compleacuteteacute drsquoun calcul statistique de reacuteflexion diffuse pour distribuer le flux reacutesiduel [Ward 1994] [Grynberg 1988]
1227 Superlite Le logiciel Superlite utilise une meacutethode point agrave point de radiositeacute Toutes les surfaces sont supposeacutees ecirctre parfaitement diffusantes Crsquoest la meacutethode la plus rapide mais elle est toutefois limiteacutee aux surfaces diffuses [Grynberg 1988]
I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels Lrsquoutilisation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage se geacuteneacuteralise de plus en plus dans le domaine de conception en eacuteclairage et au-delagrave Ainsi de nos jours ces logiciels sont utiliseacutes aussi bien par des bureaux drsquoeacutetude du bacirctiment et des architectes que par des deacuteveloppeurs de jeu videacuteo Les applications peuvent ecirctre entre autres [IESNA 1999] [3D-lumiegravere 2000] [Maamari 2002]
1 La conception en eacuteclairage artificiel Que ce soit pour lrsquoeacuteclairage inteacuterieur des bacirctiments lrsquoeacuteclairage des faccedilades des monuments des voiries des trottoirs ou lrsquoeacuteclairage des
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Chapitre I
tunnels etc Elle comprend entre autre le dimensionnement des systegravemes lrsquoanalyse du confort visuel et de la consommation etc
2 La conception en eacuteclairage naturel dimensionnement des ouvertures et des protections solaires orientation des projets analyse de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour et eacutetudes des FLJhellip
3 Le rendu et la preacutesentation des projets par les architectes et par les deacutecorateurs drsquointeacuterieur 4 La creacuteation de scegravenes de reacutealiteacute virtuelle pour le monde du cineacutema de la publiciteacute ou des
jeux videacuteohellip 5 La conception mecircme des optiques de luminaires ou de phares de voitures
Le domaine drsquoutilisation drsquoun logiciel donneacute deacutepend des fonctionnaliteacutes proposeacutees par ce logiciel de ses capaciteacutes agrave simuler avec un certain degreacute de fiabiliteacute et de faciliteacute les diffeacuterents domaines de la propagation de la lumiegravere en relation avec les besoins de lrsquoutilisateur
Bien que les algorithmes de calcul utiliseacutes dans les logiciels se ressemblent ces derniers ne sont pas tous adapteacutes pour les mecircme types drsquoapplications et ne reacutepondent pas aux mecircmes besoins
Ainsi certains utilisateurs cherchent en prioriteacute la faciliteacute drsquoutilisation des fonctionnaliteacutes en relation avec leur propre activiteacute en deacutepit des autres fonctionnaliteacutes et mecircme parfois en deacutepit de la validiteacute des reacutesultats Drsquoailleurs crsquoest agrave cause de ce contexte que des deacuteveloppeurs de logiciels commerciaux ont tendance agrave proposer des interfaces et des fonctionnaliteacutes optimiseacutees et orienteacutees vers un domaine drsquoapplication donneacute Ainsi nous commenccedilons agrave trouver par exemple des logiciels deacutedieacutes agrave la conception de lrsquoeacuteclairage public etou des tunnels (ex Tunnel-Lite) drsquoautres agrave la conception des protections solaires (ex ParaSol) etc
Cependant il est encore difficile de nos jours agrave un concepteur de bacirctiment de savoir quel est le ou les logiciels existants qui reacutepondent le mieux agrave ses propres besoins Crsquoest ce qui ressort dans les diffeacuterentes enquecirctes meneacutees sur lrsquoutilisation des logiciels en particulier celle meneacutee par le club 3D-Lumiegravere [3D-lumiegravere 2000] et celle que nous avons meneacutee au Light and Building 2002 [Maamari 2002] (voir annexe D) Nous notons par exemple dans ces deux enquecirctes lrsquoutilisation par des concepteurs lumiegravere de logiciels graphiques (Photoshop) en tant qursquooutils de conception
I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I31 Introduction Comme son nom lrsquoindique un logiciel de simulation de lrsquoeacuteclairage est supposeacute simuler la reacutealiteacute Mais la fideacuteliteacute de la simulation agrave la reacutealiteacute est loin drsquoecirctre veacuterifieacutee pour tous les logiciels existants sur le marcheacute international
Drsquoailleurs le niveau de preacutecision et de similitude (entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage et la reacutealiteacute) exigeacute ou souhaiteacute par les diffeacuterents utilisateurs nrsquoest pas neacutecessairement le mecircme et peut varier largement selon la speacutecificiteacute de leurs domaines drsquoactiviteacute [Maamari 2002]
Ainsi pour des utilisateurs qui srsquointeacuteressent uniquement au rendu graphique une image de synthegravese reacutealiste sans ecirctre neacutecessairement proche de la reacutealiteacute peut ecirctre suffisante Pour eux la question de la validation scientifique du logiciel utiliseacute ne se pose pas trop
Alors que pour des utilisateurs qui comptent extraire drsquoune simulation des cartes de luminances pour analyser le confort visuel de lrsquooccupant la validiteacute du logiciel devient drsquoune
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Chapitre I
importance de premier ordre Ceci est eacutegalement vrai pour les concepteurs en eacuteclairage qui ont besoin de veacuterifier que le niveau drsquoeacuteclairement est suffisant sur le plan de travail
Mais quel que soit le niveau de preacutecision souhaiteacute il est important pour un futur utilisateur de savoir la preacutecision qursquoil peut attendre de la part du logiciel qursquoil souhaite utiliser pour un type donneacute de tacircches Cette information est mecircme indispensable pour aboutir agrave une utilisation responsable des logiciels de simulation mais cela ne peut ecirctre possible qursquoagrave travers une validation rigoureuse et transparente de ce logiciel
Une validation rigoureuse et transparente des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage est une tacircche immense et drsquoune complexiteacute non neacutegligeable Ce qui est vrai pour tous les logiciels baseacutes sur des lois physiques comme par exemple les logiciels de simulation thermique
Cette complexiteacute est drsquoautant plus vraie quand on srsquointeacuteresse agrave lrsquoorientation du choix des utilisateurs vers un logiciel qui reacutepond le mieux agrave leurs propres besoins Dans ce contexte on souhaite veacuterifier la capaciteacute du logiciel agrave simuler avec preacutecision les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere lieacutes au domaine drsquoutilisation mais aussi on veut comparer cette capaciteacute agrave drsquoautres logiciels existants
La multitude des aspects qui entrent en jeu dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere combineacutee agrave la diversiteacute des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage contribuent agrave cette complexiteacute
Ainsi un logiciel capable de simuler des luminaires agrave optique diffusante nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler un luminaire avec une optique asymeacutetrique De mecircme un logiciel capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour agrave travers un vitrage ordinaire nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave travers un vitrage ou un systegraveme de protection solaire agrave aspect bidirectionnel etc
Nous preacutesentons ci-dessous une eacutetude bibliographique sur lrsquoeacutetat de lrsquoart du domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I32 Diffeacuterents types de validation En ce qui concerne les types de travaux de validation reacutealiseacutes nous avons pu identifier les suivants
I321 La validation analytique La validation analytique comme son nom lrsquoindique porte sur des cas theacuteoriques pour lesquels il existe des lois analytiques Ces lois sont issues des notions de base de la science physique lieacutees au rayonnement eacutelectromagneacutetique
Les travaux de validation baseacutes sur des reacutefeacuterences analytiques sont assez rares parmi les travaux reacutealiseacutes que nous avons pu trouver lors de notre recherche bibliographique
Cependant la validation analytique preacutesente des avantages consideacuterables comme la possibiliteacute de limiter les paramegravetres lieacutes agrave la propagation de la lumiegravere qui entrent en jeu dans un sceacutenario test Nous notons aussi lrsquoavantage de donner des solutions de reacutefeacuterences avec des incertitudes nulles ou neacutegligeables
En contrepartie la validation analytique ne peut couvrir que des domaines limiteacutes de la propagation de la lumiegravere Ce sont en geacuteneacuteral des cas de figures simples pour lesquels existe une loi theacuteorique [Aizlewood 1997]
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Chapitre I
I322 La validation expeacuterimentale Dans ce type de validation les reacutesultats des logiciels sont compareacutes agrave des mesures expeacuterimentales Ces mesures peuvent ecirctre reacutealiseacutees dans
a des maquettes drsquoeacutetude agrave eacutechelle reacuteduite [Caroll 1999] b des cellules tests agrave eacutechelle 11 c ou des piegraveces reacuteelles [Galasiu 1998] [Jarvis 1997]
Quel que soit le type des mesures reacutealiseacute la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales agrave utiliser pour des travaux de validation est confronteacutee agrave des obstacles consideacuterables
Le premier est lieacute aux sources drsquoerreur introduites lors de la description du sceacutenario expeacuterimental afin de le reproduire dans une simulation numeacuterique
Lrsquoimportance de cet obstacle est aggraveacutee par la multitude des paramegravetres qui entrent en jeu dans un sceacutenario expeacuterimental et par lrsquointeraction entre les sources drsquoerreurs lieacutees agrave chacun de ces paramegravetres
A titre drsquoexemple les sources drsquoerreur peuvent survenir lors de la description de la source de lumiegravere (artificielle ou reacuteelle) lors de la description de la photomeacutetrie des mateacuteriaux (reacuteflexion bidirectionnelle caracteacuteristiques spectraleshellip) etc
Un autre obstacle est ducirc agrave lrsquoincertitude qui existe dans la valeur mesureacutee et cela quelle que soit la preacutecision du protocole expeacuterimental appliqueacute Cette incertitude est lieacutee en partie agrave la preacutecision de lrsquoappareil de mesure et agrave son positionnement
Ducirc agrave tous ces obstacles la comparaison entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique et les mesures expeacuterimentales permet difficilement de conclure sur la preacutecision du logiciel testeacute
Il est aussi important de noter qursquoun des plus grands obstacles agrave la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales fiables reste celui des moyens techniques financiers et humains neacutecessaires aux expeacuterimentations
I323 La validation comparative Elle porte sur une comparaison des reacutesultats de simulation de plusieurs logiciels entre eux Cela peut ecirctre fait avec lrsquoexistence ou non drsquoune reacutefeacuterence expeacuterimentale ou analytique
Lrsquoavantage des comparaisons est de donner la possibiliteacute aux utilisateurs de mieux choisir entre plusieurs logiciels selon leur performance dans un domaine donneacute de la simulation
Cependant lrsquoutilisation des reacutesultats drsquoune comparaison afin de juger des logiciels les uns par rapport aux autres neacutecessite un maximum de transparence en particulier sur la complexiteacute des proceacutedures et sur le temps de calcul neacutecessaire pour obtenir ces reacutesultats [Grynberg 1988] [Fontoynont 1999] [Maamari 2003]
I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes Les travaux de validation reacutealiseacutes sur des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage ne manquent pas en nombre cependant crsquoest la creacutedibiliteacute de ces travaux qui nrsquoest pas toujours veacuterifieacutee
En ce qui concerne les rares travaux de validation existants qui beacuteneacuteficient drsquoune creacutedibiliteacute scientifique ou celle drsquoun organisme agreacuteeacute nous citons les suivants
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Chapitre I
I331 Le travail de Khodulev et Kopylov Ce travail reacutealiseacute et publieacute par Andrei B Khodulev et Edward A Kopylov en 1996 [Khodulev 1996] est lrsquoun des rares travaux de validation qui ont utiliseacute une reacutefeacuterence analytique
Le travail porte sur une validation comparative entre les logiciels Lightscape Specter et Radiance Une description des trois logiciels est donneacutee portant sur plusieurs critegraveres y compris lrsquointerface utilisateur
Un des sceacutenarios utiliseacutes pour la comparaison est celui drsquoune piegravece cubique fermeacutee avec une source lumineuse isotrope au centre La comparaison porte sur lrsquoeacuteclairement au niveau des points de mesure situeacutes sur le sol La valeur de reacutefeacuterence de cet eacuteclairement est calculeacutee semi-analytiquement pour prendre en consideacuteration la composante reacutefleacutechie interne
I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE Ce rapport repreacutesente un exemple ideacuteal sur la creacuteation des donneacutees expeacuterimentales fiables pour la validation des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage [Slater 2002]
Le travail deacutecrit dans ce rapport porte sur un protocole expeacuterimental qui a eacuteteacute deacutefini et conduit drsquoune maniegravere remarquablement rigoureuse dans une cellule test agrave eacutechelle 11 Le but est de creacuteer une base de donneacutees expeacuterimentales pour la validation des logiciels de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel
Le rapport comprend une description preacutecise du sceacutenario expeacuterimental y compris les dimensions de la geacuteomeacutetrie (une piegravece carreacutee) la position des lampes ou des luminaires la position des points de mesure ainsi que le coefficient de reacuteflexion des surfaces La description du sceacutenario comprend aussi les fichiers photomeacutetriques des luminaires au format CIBSE TM 14 sachant que la photomeacutetrie reacuteelle de chaque luminaire a eacuteteacute mesureacutee seacutepareacutement dans un laboratoire agreacuteeacute
Le protocole expeacuterimental comprend un controcircle du flux lumineux agrave travers lrsquoobservation et le controcircle des fluctuations du courant eacutelectrique et de la tempeacuterature de la piegravece Les lampes et les ballasts ont eacuteteacute vieillis Les lampes ont eacuteteacute preacutechauffeacutees une heure avant les mesures
Les capteurs ont eacuteteacute calibreacutes et fixeacutes sur un trolley afin de garantir la reacutepeacutetitiviteacute de leur position Six diffeacuterentes mesures ont eacuteteacute prises pour chaque point agrave lrsquoaide de deux capteurs diffeacuterents la moyenne de ces mesures a eacuteteacute utiliseacutee comme reacutefeacuterence
Une estimation des erreurs de mesures a eacuteteacute calculeacutee ainsi que des erreurs de simulation dues agrave lrsquoincertitude dans la description du sceacutenario Les reacutesultats ont alors eacuteteacute preacutesenteacutes sous forme de deux bandes de valeurs la premiegravere bande est celle des mesures prises + ou ndash lrsquoestimation des erreurs de mesure et lrsquoautre est celle des mesures + ou ndash le total des erreurs estimeacutees y compris les erreurs de simulation
I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA Ce travail a eacuteteacute meneacute dans le cadre de la tache 21 de lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie intituleacutee lumiegravere naturelle dans les bacirctiments En effet un projet a eacuteteacute deacutedieacute au thegraveme de la validation des logiciels de calcul en eacuteclairage et a fait lrsquoobjet drsquoune collaboration entre les laboratoires de six nations diffeacuterentes parmi lesquels le Laboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Fontoynont 1999] [Maamari 2002]
Dans le cadre de ce projet des donneacutees expeacuterimentales ont eacuteteacute reacutecolteacutees agrave travers des mesures drsquoeacuteclairement agrave lrsquointeacuterieur drsquoune seacuterie de maquettes agrave eacutechelle reacuteduite placeacutees sous des ciels
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Chapitre I
artificiels Trois bacirctiments types ont eacuteteacute testeacutes sous plusieurs configurations en changeant les types drsquoouverture etou les coefficients de reacuteflexion des surfaces
Les sceacutenarios expeacuterimentaux ont eacuteteacute simuleacutes agrave lrsquoaide des logiciels drsquoeacuteclairage naturel Adeline Genelux Leso-DIAL Radiance et Superlite Les reacutesultats des simulations ont eacuteteacute compareacutes entre les diffeacuterents logiciels et confronteacutes aux mesures expeacuterimentales
Cette comparaison a montreacute que le calcul des eacuteclairements agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment dus agrave lrsquoeacuteclairage naturel demande une description minutieuse des luminances des portions de la voucircte ceacuteleste vues par la fenecirctre Les eacuteclairements directs agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment sont alors calculeacutes avec une preacutecision de lrsquoordre de 5 La preacutecision des calculs des reacuteflexions multiples agrave lrsquointeacuterieur de la piegravece deacutepend quant agrave elle des proprieacuteteacutes des surfaces inteacuterieures et en particulier de la lrsquoaspect bidirectionnel de ces surfaces
Cette eacutetude a montreacute finalement que les programmes doivent ecirctre utiliseacutes avec beaucoup de preacutecautions car les reacutesultats de simulation sont tregraves sensibles agrave la qualiteacute des hypothegraveses et des paramegravetres drsquoentreacutee description de la source de lumiegravere geacuteomeacutetrie du bacirctiment paramegravetres de simulation
I34 Analyse de la probleacutematique Drsquoapregraves la recherche bibliographique preacutesenteacutee ci-dessus sur le domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage nous pouvons reacutesumer la probleacutematique de ce domaine dans les points suivants
1 Difficulteacute drsquoaccegraves agrave lrsquoinformation Elle est due en particulier agrave lrsquoabsence de sources publiques speacutecialiseacutees dans le domaine
2 Manque de transparence Ainsi nous trouvons souvent des reacutesultats de validation preacutesenteacutes sans suffisamment drsquoinformation sur les proceacutedures qui ont abouti agrave ces reacutesultats
3 Manque de creacutedibiliteacute une partie importante des travaux de validation existants est reacutealiseacutee par les deacuteveloppeurs des logiciels testeacutes les sources drsquoincertitudes dans les valeurs de reacutefeacuterence ne sont souvent pas prises en consideacuteration etc
4 Manque de travaux concluants sur la validiteacute du logiciel testeacute Ceci est ducirc en partie agrave la complexiteacute des sceacutenarios expeacuterimentaux et agrave la restriction des domaines testeacutes Ainsi il est rarement possible drsquoidentifier avec certitude les points de faiblesse et les domaines drsquoapplication drsquoun logiciel testeacute
5 Absence de reacutefeacuterences standardiseacutees Ce qui fait qursquoun certain aspect de la propagation de la lumiegravere est testeacute dans diffeacuterents logiciels avec des protocoles diffeacuterents Ce qui ne permet pas une comparaison transparente et objective entre ces diffeacuterents logiciels
6 Manque de validations analytiques malgreacute les avantages de ce type de validation
En reacuteponse aux problegravemes listeacutes ci-dessus nous identifions en particulier le besoin drsquoune standardisation et drsquoune mise agrave disposition des reacutefeacuterences de validation fiables de preacutefeacuterence sous la garantie et le controcircle drsquoun ou plusieurs organismes creacutedibles
I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
I351 Introduction Le premier objectif qursquoon pourrait attendre des travaux de validation crsquoest de pouvoir ameacuteliorer la confiance des utilisateurs dans les logiciels de simulation A savoir qursquoameacuteliorer la confiance ne veut pas forceacutement dire lrsquoaugmenter Mais plutocirct sensibiliser les utilisateurs aux capaciteacutes et aux limites des diffeacuterents logiciels dans les diffeacuterents domaines de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Ainsi agrave travers lrsquoidentification des points de faiblesse
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Chapitre I
drsquoun logiciel et de ces domaines drsquoapplication on pourra aboutir agrave une utilisation responsable de ces logiciels
Drsquoougrave le besoin drsquoune meacutethodologie de validation qui permet de tester la capaciteacute drsquoun logiciel agrave simuler les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Cette meacutethodologie doit eacutegalement palier les deacutefaillances rencontreacutees dans le domaine agrave noter creacutedibiliteacute fiabiliteacute et accessibiliteacute
I352 Concept et approche proposeacutes Pour atteindre les objectifs fixeacutes ci-dessus la meacutethodologie de validation proposeacutee repose un concept de base qui est celui de tester seacutepareacutement les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Ceux-ci peuvent ecirctre classeacutes sous 3 grands groupes
1 La description de la source de lumiegravere et le calcul de lrsquoeacuteclairement direct 2 Le transfert du flux lumineux agrave travers les composants de la fenecirctre et lrsquoinfluence des
masques 3 Les inter-reacuteflexions sur les diffeacuterents mateacuteriaux avec diffeacuterentes photomeacutetries
Pour appliquer ce concept cette meacutethodologie de validation est baseacutee sur une seacuterie de cas-tests chacun traitant un sceacutenario drsquoeacuteclairage simple (un nombre limiteacute de paramegravetres) ougrave un certain aspect de la propagation de lumiegravere est mis en eacutevidence La description des cas-tests comprend la geacuteomeacutetrie les sources de lumiegravere ainsi qursquoune seacuterie de valeurs de reacutefeacuterence agrave utiliser pour tester la capaciteacute du logiciel agrave simuler lrsquoaspect en question Ces valeurs de reacutefeacuterence sont obtenues soit agrave lrsquoaide drsquoun calcul analytique quand crsquoest possible (pour des sceacutenarios theacuteoriques) ou bien agrave partir de mesures expeacuterimentales
Ainsi chaque cas-test est applicable agrave tout logiciel proposant des fonctionnaliteacutes lieacutees agrave lrsquoaspect traiteacute (dans ce cas-test) indeacutependamment des algorithmes utiliseacutes des meacutethodes de calcul adopteacutees ou des paramegravetres utiliseacutes
Cependant il est possible drsquoassocier agrave chaque test une eacutetude parameacutetrique propre agrave chaque logiciel Une telle eacutetude permet de mieux comprendre lrsquoinfluence des diffeacuterents paramegravetres proposeacutes sur la preacutecision du logiciel dans un aspect donneacute de la propagation de la lumiegravere
Pour une utilisation optimale de cette meacutethodologie de validation les cas-tests doivent couvrir tous les aspects de la propagation de la lumiegravere Ils seront alors utiliseacutes en tant qursquooutil unique et complet pour tester un logiciel donneacute
Une comparaison geacuteneacuterale des reacutesultats des simulations drsquoun logiciel donneacute aux valeurs de reacutefeacuterences de la seacuterie de cas-tests donnera une ideacutee claire sur les domaines ougrave le logiciel testeacute respecte ou non les lois physiques Ceci permettra agrave un utilisateur de veacuterifier si ce logiciel est compatible avec son propre domaine drsquoactiviteacute et agrave un deacuteveloppeur de veacuterifier si son logiciel a atteint les perspectives souhaiteacutees
De la mecircme faccedilon une comparaison entre les reacutesultats de diffeacuterents logiciels et les valeurs de reacutefeacuterence permet drsquooffrir une vision objective sur le logiciel qui reacutepond le mieux agrave une exigence donneacutee
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Chapitre I
Conclusions Suite agrave notre eacutetude bibliographique sur le domaine de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage nous avons orienteacute le travail de cette thegravese (agrave travers les chapitres suivants) de faccedilon agrave reacutepondre agrave certains des problegravemes identifieacutes dans ce domaine
Ainsi en ce qui concerne le manque de fiabiliteacute dans les travaux de validation des logiciels nous deacuteveloppons la meacutethode de validation que nous avons proposeacutee Dans ce cadre nous creacuteons une seacuterie de cas-tests en relation avec diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere traiteacutes ci-dessus Ces cas-tests sont reacutepartis en deux familles lrsquoune avec des sceacutenarios theacuteoriques et des reacutefeacuterences analytiques et lrsquoautre avec des reacutefeacuterences expeacuterimentales reacutepondant agrave des critegraveres de controcircle de qualiteacute que nous avons deacutefinis
En ce qui concerne la difficulteacute de simuler des sceacutenarios reacuteels de lumiegravere naturelle nous proposons et validons une meacutethode de simulation agrave partir des cartes de luminances reacuteelles agrave haute deacutefinition
Finalement nous proposons et nous validons une meacutethode de simulation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquoaide des luminaires eacutequivalents Cette meacutethode permet agrave la simulation de la lumiegravere de jour de beacuteneacuteficier de la preacutesence confirmeacutee des outils de simulation de la lumiegravere artificielle dans le domaine de la conception des bacirctiments Elle permet eacutegalement de surmonter un nombre de difficulteacutes rencontreacutees dans certains logiciels classiques de simulation la lumiegravere naturelle en particulier celles lieacutees agrave la preacutecision des reacutesultats par rapport au temps de calcul et agrave la simulation des masques exteacuterieurs
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Chapitre I
Reacutefeacuterences Bibliographiques 3D-LUMIEgraveRE Enquecircte sur la connaissance et lrsquoutilisation des systegravemes informatiques de simulation drsquoeacuteclairage Paris Club 3D Lumiegravere 2000 11 p ACHARD G LAFORGUE P SOUYRI B FONTOYNONT M BASTIE A MITANCHEY R Etude dun systegraveme Metrologique de Confort Radiatif Integrant lAspect Thermique et lAspect Visuel Paris 1994 60 p AFE Les sources de lumiegravere Socieacuteteacute dEdition Lux 1987 199 p AIZLEWOOD M BUTT J ISAAK K LITTLEFAIR P Daylighting in atria a comparison of measurements theory and simulation Lux Europa 1997 Amsterdam-Netherlands 1997 ANDERSEN M RUBIN M POWLES R SCARTEZZINI J L Bi-directional light transmission properties assessment for venetian blinds Computer simulations compared to photogoniometer measurements ISES Solar World Congress 2003 - Solar Energy for a Sustainable Future Gothenburg - Sweden International Solar Energy Society 2003 ANDERSEN M RUBIN M SCARTEZZINI J-L Comparison between ray-tracing simulations and bi-directional transmission measurements on prismatic glazing Solar Energy 2003 vol 74 ndeg2 pp 157-217 ANSIIESNA ANSIIESNA LM-63-02 ANSI Approved Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data and Related Information ANSIIESNA LM-63-02 2002 26 p ASE Eclairage inteacuterieur par la lumiegravere du jour Norme Suisse SN 418911 Zuumlrich Association Suisse des Electriciens 1989 ASHDOWN I Near-Field Photometry A New Approach IES 1993 vol 22 ndeg1 pp 163-180 ASHDOWN I EULUMDAT File Format Specification [en ligne] Disponible sur lthttpwwwhelios32comEulumdathtmgt (09 Mars 2004) ASHDOWN I Thinking photometrically Part II 105 Las Vegas workshop-Lightfair International 2001 42 p ASHRAE-IESNA Energy efficient design of new buildings except new low-rise residential buildings ASHRAEIES 901-1989 American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditionaing Engginers 1989 AUTODESK Lightscape 32 Users Guide 32 Autodesk 1999 352 p BALOCCO C FORASTIERE M A GRAZZINI G RIGHINI G C Experimental results of transparent reflective and absorbing propoerties of some building materials Energy and Buildings 2001 vol 33 pp 563-568
48
Chapitre I
CAROLL W L HITCHCOCK R J Recent Comparisons of SUPERLITE to Scale Model Data LBNL-43107 Lawrence Berkeley National Laboratory 1999 CHAIN C DUMORTIER D FONTOYNONT M A comprehensive model of luminance correlated colour temperature and spectral distribution of skylight Comparison with experimental data Solar Energy 1999 vol 65 ndeg5 pp 285-295 CIBSE CIBSE standard file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIBSE TM 14 London CIBSE 1988 CIE Daylight CIE-16 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1970 79 p CIE Standardization of Luminance Distribution on Clear Skies CIE-22 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1973 CIE Calculations for Interior Lighting Basic Method CIE-40 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1978 CIE Absolute Methods for Reflection Measurements CIE-44 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 CIE A Review of Publications on Properties and Reflection Values of Material Reflection Standards CIE-46 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 99 p CIE Calculations for Interior Lighting Applied Method CIE-52 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1982 CIE The Spectroradiometric Measurement of Light Sources CIE-63 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1984 CIE Colorimetry 2nd Edition CIE-152 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1986 CIE The Measurement of Absolute Luminous Intensity Distributions CIE-70 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1987 CIE The Measurement of Luminous Flux CIE-84 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1989 CIE Standard overcast and clear sky 3rd Draft Vienne Commission Internationale de LrsquoEclairage 1990 CIE Electric Light Sources State of the Art-1991 CIE-96 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1992 CIE Recommended file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIE-102 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1993 CIE Guide to Recommended Practice of Daylight Measurement CIE-108 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1994
49
Chapitre I
CIE Discomfort Glare in Interior Lighting CIE-117 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1995 CIE The Photometry and Goniophotometry of Luminaires CIE-121 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE The Relationship Between Digital and Colorimetric Data for Computer-Controlled CRT Displays CIE-122 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance CIE-130 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1998 CIE Spatial distribution of daylight - CIE standard general sky Vienne Commission Internationale de lEclairage 2002 7 p COHEN M F CHEN S E WALLACE J R GREENBERG DP A progressive refinement approach to fast radiosity image generation 15th annual conference on computer graphics and interactive techniques ACM Press New York 1988 pp 75-84 DE BOER J Encorporation of numerical goniophotometry into daylighting design CISBAT 2003 Lausanne EPFL 2003 pp 229-234 DE BOER J ERHORN H Survey Simple Design Tools IEA 1999 49 p DENIEL J M Modeacutelisation des luminaires et des BRDF Reacutealisation mesure et compression Thegravese en Informatique Rennes Universiteacute de Rennes 1 2002 277 p DUMORTIER D Mesure Analyse et Modeacutelisation du gisement lumineux Application agrave leacutevaluation des performances de leacuteclairage naturel des bacirctiments Thegravese en Geacutenie Civil et Sciences de lHabitat Vaulx en Velin ENTPE Universiteacutee de Savoie 1995 295 p DUMORTIER D Lumiegravere naturelle et rayonnement solaire - Mesures au sol et estimations agrave partir dimages satellites - Deacuteveloppement de services Web pour leacuteclairage naturel des bacirctiments HDR Thermique et Energeacutetique Vaulx en Velin ENTPE 2003 161 p DUMORTIER D VAN ROY F SODA daylighting resource SODA Deliverable 53C 2002 DUMORTIER D VETRO P Luminance calibration of the Nikon 950 digital cameras Lux Europa Reykjavik 2001 ERHORN H DE BOER J DIRKSMOLLER M ADELINE - An Integrated Approach to Lighting Simulation Daylighting 98 Ottawa 1998 FOLEY D J VAN-DAM A FEINER S K HUGHES J F Computer Graphics Principles and Practice Second Edition ADDISON-WESLEY 1990 (The systems programming series
50
Chapitre I
FONTOYNONT M Le point sur les meacutethodes de simulation et sur lrsquoutilisation de lrsquoimage de synthegravese en eacuteclairage LUX 1991 FONTOYNONT M LAFORGUE P MITANCHEY R AIZLEWOOD M BUTT J CARROLL W HITCHOCK R ERHORN H DE BOER J DIRKSMOumlLLER M MICHEL L PAULE B SCARTEZZINI J-L BODART M AND ROY G Validation of daylighting simulation programs IEA SHC Task 21 ECBCS Annex 29 1999 28 p GALASIU A ATIF M Applicability of Daylighting Computer Modeling in Real Case Studies Comparison between Measured and Simulated Daylight Availability and Lighting Consumption IEA SHC Task 21 IEA ECBCS Annex 29 Daylight in Buildings International Energy Agency National Research Council Canada 1998 68 p GREENUP P J EDMONDS I R COMPAGNON R RADIANCE algorithm to simulate laser-cut panel light-redirecting elements Lighting Research amp Technology 2000 vol 32 ndeg2 pp 49-54 GRYNBERG A Comparison and Validation of Radiance and Superlite Rapport interne Lawrence Berkeley National Laboratory 1988 HOPKINSON R G PETHERBRIDGE P LONGMORE J Daylighting William Heinneman Ltd London 1966 IEA-SHC Daylighting simulation Methods Algorithms and Ressources Agence Internaitonale de lEnergie - SHC 1999 IEA-SHC Measurement of Luminous Characteristics of Daylighting Materials Agence Internationale de lEnergie - SHC - Tacircche 21 1999 IESNA Calculating Coefficients of Utilisation Wall and Ceiling Cavity Exitance IES LM-57 New York Illuminating engineering Society of North America 1982 IESNA The Determination of Illuminance at a Point in Interior Spaces IES LM-43-1991 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 34 p IESNA An Introduction to Light and Lighting IES ED-50 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 51 p IESNA Lighting Handbook 8th Edition New York Illuminating engineering Society of North America 1993 IESNA IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data IESNA LM-63-95 New York Illuminating engineering Society of North America 1995 5 p IESNA 1999 IESNA Software Survey Lighting Design + Application 1999 vol 29 ndeg12 pp 39-48 JARVIS D DONN M Comparison of Computer and Model Simulations of a Daylit Interior with Reality 5th International conference on Building Performance and Simulation Association Prague Czech Republic 1997 pp 9-16
51
Chapitre I
KAJIYA J T Anisotropic Reflection Models SIGGRAPH85 San Francisco 1985 pp 15-21 KARAYEL M NAVVAB M NEEMAN E SELKOWITZ S Zenith Luminance and sky luminance distributions for daylighting calculations Energy Build 1984 vol 6 ndeg3 pp 283-291 KHODULEV A B KOPYLOV E A Physically accurate lighting simulation in computer graphics software GraphiConrsquo96 The 6th International Conference on Computer graphics and Visualization St Petersburg Russia 1996 pp 111-119 KITTLER R Standardisation of outdoor conditions for the calculation of daylight factor with clear skies Sunlight in Buinldings CIE Intercessional conference Newcastle-Upon-Tyne 1965 KLEMS J H WARNER J L Measurement of bidirectional optical properties of complex shading devices ASHRAE Symposium Chicago 1995 LESLIE R P Capturing the daylight in buildings why and how Building and Environment 2003 vol 38 pp 381-385 MAAMARI F International survey on lighting simulation tools - Light and Building 2002 IEA-SHC-Task-31 2002 7 p MAAMARI F FONTOYNONT M Use of IEA-SHC Task 21 C benchmarks to assess performance of Lightscape 32 in daylighting calculations EPIC Lyon France 2002 pp 709-714 MAAMARI F FONTOYNONT M HIRATA M KOSTER J MARTY C TRANSGRASSOULIS A Reliable Datasets for Lighting Programs Validation Benchmark results CISBAT 2003 Conference 2003 pp 6 MAAMARI F JONGEWAARD M KOSTER J TRANSGRASSOULIS A FONTOYNONT M A Step Toward A Complete And Objective Validation Methodology For Lighting Simulation Tools CIE 25th Session San Diego 2003 pp 4 MARDALJEVIC J Daylight Simulation Validation Sky Models and Daylight Coefficients Leicester UK Montfort University 2000 MARDALJEVIC J The BRE-IDMP dataset a new benchmark for the validation of illuminance prediction techniques Lighting Research and Technology 2001 vol 33 ndegISSN 1365-7828 pp 117-136 MITANCHEY R Synthegravese dimages appliqueacutee agrave leacuteclairagisme inteacuterieur des bacirctiments Thegravese en Informatique speacutecialiteacute images Saint-Etienne Leacutecole Nationale Supeacuterieure des Mines de Saint-Etienne 1996 200 p
52
Chapitre I
MITANCHEY R PERIOLE G FONTOYNONT M Goniophotometric measurements Numerical simulation for research and development applications Lighting Research and Technology 1995 vol 27 ndeg4 pp 189-196 MOON P SPENCER D E Illumination from a nonuniform sky Illum Eng 1942 vol 37 ndeg12 pp 707-726 NAKAMURA H OKI M AYASHI Y Luminance distribution of intermediate sky Light Visual Environ 1989 vol 9 ndeg1 pp 6-13 PAULE B COMPAGNON R SCARTEZZINI J L Towards a new daylighting design computer tool Right Light Three conference Newcastle upon Tyne England 1995 PEREZ R SEALS R MICHALSKY J All-Weather model for sky luminance distribution Preliminary configuration and validation Solar Energy 1993 vol 50 ndeg3 pp 235-245 REINHART C F HERKEL S The simulation of annual daylight illuminance distributions ndash a state-of-the-art comparison of six RADIANCE-based methods Energy and Buildings 2000 vol 32 ndeg167-187 ROY G HAYMAN S JULIAN W Sky Modeling from Digital Imagery ARC Project No A89530177 Sidney The University of Sidney amp Murdoch university 1998 ROY G RUCK N REID G JULIAN W Sky luminanceStandard Digital Form for modelling Lighting Research amp Technology 1995 vol 27 ndeg3 pp 161-167 SATEL-LIGHT Satel-Light the European Database for Daylight and Solar Radiation [en ligne] Disponible sur lthttpwwwsatel-lightcomgt (27 janvier 2004) SCARTEZZINI J L COMPAGNON G WARD G PAULE B Outils Informatiques en Lumiegravere Naturelle NEFF-4352 Universiteacute de Genegraveve EPFL 1993 142 p SHAREEF F M OLDHAM D J CARTER D J A computer model for predicting the daylight performance of complex parallel shading systems Building and Environment 2001 vol 36 pp 605-618 SLATER A GRAVES H Benchmarking Lighting Design Software TM 2800 London CIBSE 2002 33 p SMITH B SPIEKERMANN C SEMBER R Numerical methods for colorimetric calculations A comparison of integration methods Color Research and Application 1992 vol 17 ndeg6 STOCKMAR A Eulumdat file format CIBSEILE National Lighting Conference York 2000 STOCKMAR A W EULUMDAT ein leuchtendatenformat fur den europaischen beleuchtungplaner Tagungsband Licht 1990 pp 641-644
53
Chapitre I
TREGENZA P Daylighting algorithms ETSU S 1350 UK Department of Trade and Industry on behalf of the Energy Technology Support Unit 1993 43 p TREGENZA P R WATERS I M Daylight Coefficients Lighting Research amp Technology 1983 vol 15 ndeg2 pp 65-71 TROWBRIDGE T S REITZ K P Average Irregularity Representation of a Rough Surface for Ray Reflection Opt Soc Am 1975 vol 65 ndeg5 pp 531-536 UETANI Y MATSUURA K A Method of Luminance Calculation in an Anisotropic Diffuse Reflecting Interior IESNA Annual Conference Technical Papers San Diego 1992 WARD G J The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System SIGGRAPH Computer graphics 1994 pp 459-472 WHITTED T An improved illumination model for shaded display Computer graphics amp Image processing 1980
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- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
I351 Introduction 45 I352 Concept et approche proposeacutes 46
Conclusions 47 Reacutefeacuterences Bibliographiques 48
22
Chapitre I
Introduction On entend par logiciel de simulation de la lumiegravere un outil informatique qui permet de simuler la propagation de la lumiegravere dans un milieu donneacute Cette propagation est caracteacuteriseacutee par un certain nombre drsquoaspects drsquoordre physique Nous citons par exemple
- La photomeacutetrie des sources (naturelles ou artificielles) - Le transfert des flux agrave travers des mateacuteriaux vitreacutes (agrave caracteacuteristiques bidirectionnelle
ou non) - La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux (brillants mats hellip) - Le rocircle des obstructions et des masques - Lrsquoaspect spectral des sources et des mateacuteriaux - Le rendu graphique des reacutesultats
Nous menons dans cette partie du travail une eacutetude bibliographique pour mieux comprendre ces diffeacuterents aspects et les meacutethodes utiliseacutees pour leur simulation
I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation Dans cette partie nous listons les diffeacuterents eacuteleacutements qui affectent la propagation de la lumiegravere dans un bacirctiment et nous faisons le lien avec les moyens existants pour leur simulation
I11 Les sources de lumiegravere artificielle Les premiers eacuteleacutements agrave prendre en consideacuteration dans la propagation de la lumiegravere sont les sources de lumiegravere Nous commenccedilons par la lumiegravere artificielle qui est encore de nos jours mieux maicirctriseacutee que la lumiegravere naturelle dans le domaine de la conception et de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage
I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel Lrsquoeacuteleacutement de base de la lumiegravere artificielle est la lampe Vis-agrave-vis des pheacutenomegravenes de propagation de la lumiegravere une lampe est caracteacuteriseacutee en particulier par le flux lumineux et sa reacutepartition spectrale et spatiale
Cependant les lampes sont geacuteneacuteralement combineacutees agrave des optiques dont le but est de reacuteorienter le flux sortant drsquoune lampe afin drsquoameacuteliorer son efficaciteacute en particulier du point de vue des eacuteclairements reacutesultants sur les zones utiles et du confort visuel de lrsquooccupant Cette combinaison entre lampe et optique repreacutesente ce qursquoon appelle un luminaire
Ainsi un luminaire est caracteacuteriseacute par la quantiteacute du flux lumineux sortant qui deacutepend du flux de la lampe et des absorptions dans lrsquooptique par la reacutepartition spectrale de ce flux qui correspond souvent agrave celle de la lampe utiliseacutee et finalement par la reacutepartition du flux sortant dans lrsquoespace affecteacutee surtout par la geacuteomeacutetrie et les mateacuteriaux de lrsquooptique et par la position de la lampe par rapport agrave celui-ci
Lrsquoensemble de ces caracteacuteristiques repreacutesente la photomeacutetrie drsquoun luminaire qui est un eacuteleacutement de base dans la conception et la simulation de lrsquoeacuteclairage artificiel En effet la prise en consideacuteration de la lumiegravere artificielle dans un projet drsquoeacuteclairage porte principalement sur les paramegravetres suivants
1 Niveau drsquoeacuteclairement requis sur les plans de travail 2 Confort visuel (eacuteblouissement direct contrastes dans le champ de visionhellip) [Achard
1994] 3 Systegravemes de controcircle et interaction avec lrsquoeacuteclairage naturel
23
Chapitre I
4 Consommation eacutenergeacutetique 5 Coucirct drsquoinstallation et de maintenance 6 Estheacutetique et inteacutegration architecturale (rendu de couleur)
Les outils drsquoaide agrave la conception inteacutegrant ces paramegravetres peuvent varier entre les meacutethodes simplifieacutees de calcul manuel (souvent associeacutees agrave des abaques) et les logiciels baseacutes sur des algorithmes de calcul physique de plus en plus complexes et performants (Radiositeacute Lancer de rayon) [CIE 1978] [IESNA 1982] [CIE 1982] [CIE 1984] [AFE 1987] [CIE 1989] [CIE 1992] [CIE 1995] [IESNA 1991] [IESNA 1991]
I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires Pour pouvoir calculer lrsquoeacuteclairement direct ducirc agrave un luminaire il est neacutecessaire de connaicirctre le flux lumineux sortant et sa distribution directionnelle Cette distribution dite aussi distribution des intensiteacutes courbe photomeacutetrique ou solide photomeacutetrique est mesureacutee agrave lrsquoaide drsquoun goniophotomegravetre
Un goniophotomegravetre consiste agrave preacutesenter sous diffeacuterents angles un luminaire muni drsquoune lampe et drsquoun ballast eacutetalonneacutes agrave un capteur drsquoeacuteclairement situeacute agrave une grande distance Les premiers goniophotomegravetres conccedilus par Ferris Wheel permettaient de faire tourner le luminaire dans un plan horizontal et de faire tourner le capteur dans un plan vertical ce qui neacutecessite des grands espaces
De nos jours on utilise surtout des goniophotomegravetres agrave miroir ougrave le luminaire fait des rotations dans le plan horizontal et un miroir fait une rotation verticale autour du luminaire de faccedilon agrave reacutefleacutechir la lumiegravere incidente du luminaire vers un capteur fixe placeacute agrave une certaine distance
Figure I1 Exemple drsquoun goniophotomegravetre agrave miroir
On utilise eacutegalement une deuxiegraveme meacutethode de mesures goniophotomeacutetriques dite photomeacutetrie agrave distance drsquoapplication Elle consiste agrave mesurer point par point les eacuteclairements reccedilus sur une surface situeacutee agrave une certaine distance du luminaire Ces mesures seront interpoleacutees de faccedilon agrave conclure une distribution des intensiteacutes eacutequivalentes qui produirait les mecircmes valeurs si elle eacutetait positionneacutee au centre photomeacutetrique du luminaire Lrsquoinconveacutenient de cette meacutethode est qursquoelle nrsquoest applicable que pour une certaine distance
24
Chapitre I
Une troisiegraveme meacutethode consiste agrave utiliser des capteurs CCD calibreacutes en luminance pour mesurer le champ de lumiegravere entourant la source Cette meacutethode est dite de photomeacutetrie agrave champ de luminances et elle est de plus en plus utiliseacutee dans le domaine de la photomeacutetrie en champ proche [CIE 1987] [CIE 1996] [Ashdown 2001] [Deniel 2002]
I113 Notion de champ proche - champ lointain Pour une mesure goniophotomeacutetrique drsquoun luminaire il faut faire la diffeacuterence entre mesures en champ proche et en champ lointain
Les mesures en champ lointain supposent que la source de lumiegravere mesureacutee est infiniment petite et pour laquelle peut srsquoappliquer la loi de lrsquoinverse du carreacute Cette hypothegravese est geacuteneacuteralement veacuterifieacutee agrave 2 pregraves pour les cas ougrave le point de mesure est agrave une distance du luminaire drsquoau moins cinq fois sa largeur (regravegle des 5x) Cependant cette notion nrsquoest pas toujours applicable comme par exemple pour les luminaires indirects de grande dimension (eg agrave tubes fluorescents)
Les mesures en champ proche prennent en consideacuteration lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute de la distribution des intensiteacutes entre diffeacuterentes zones drsquoune source Ca consiste agrave mesurer la distribution de la lumiegravere agrave une distance proche du luminaire
La photomeacutetrie en champ proche produit un grand nombre de donneacutees dont lrsquoexploitation nrsquoest pas encore agrave la porteacutee de la majoriteacute des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage existants Crsquoest pourquoi nous ne traitons pas la photomeacutetrie en champ dans notre travail [IESNA 1993] [Ashdown 1993] [Ashdown 2001] [Deniel 2002]
I114 Fichiers photomeacutetriques Les mesures goniophotomeacutetriques (en champ lointain) drsquoun luminaire sont souvent preacutesenteacutes sous forme de tableaux de valeurs ou des graphiques associant une valeur drsquointensiteacute lumineuse agrave chaque direction (repeacutereacutee par un angle vertical et un angle horizontal agrave partir du centre photomeacutetrique du luminaire ie centre de la rotation du luminaire)
La valeur donneacutee de lrsquointensiteacute peut ecirctre une valeur absolue mesureacutee ou bien une valeur relative en cdmsup2 pour un flux de 1000lm produit par la ou les lampes du luminaire
Pour prendre en consideacuteration ces donneacutees photomeacutetriques dans une simulation de lrsquoeacuteclairage un certain nombre de formats de fichiers numeacuterique a eacuteteacute creacuteeacute
7 Le format IESNA dit IES deacutefini et publieacute en 1986 par lrsquoIESNA (Illumination Engineering Society for North America) et depuis adopteacute par les constructeurs ameacutericains de luminaires et par les deacuteveloppeurs de logiciels de calcul drsquoeacuteclairage Ce format a eacuteteacute reacuteviseacute en 1991 en 1995 [IESNA 1995] et plus reacutecemment en 2002 [ANSIIESNA 2002]
8 Le format CIBSE TM 14 CIBSE standard file format for the electronic transfer of luminaire photometric data publieacute en 1988 et largement utiliseacute au Royaume Uni [CIBSE 1988]
9 Le format Eulumdat proposeacute par Stockmar A en 1990 et largement adopteacute par lrsquoindustrie europeacuteenne de lrsquoeacuteclairage [Stockmar 1990] [Stockmar 2000] [Ashdown 1999]
10 Le format CIE 102-1993 Recommended file format for electronic transfer of luminaire photometric data Ce rapport a eacuteteacute publieacute par la CIE dans lrsquoobjectif de standardiser un format international et unique mais il nrsquoa pas eacuteteacute suffisamment soutenu par lrsquoindustrie de lrsquoeacuteclairage ou par les deacuteveloppeurs de logiciels ce qui eacutetait le cas eacutegalement pour drsquoautres tentatives [CIE 1993]
25
Chapitre I
Figure I2 Exemples de visualisation 3D de fichiers photomeacutetriques associeacutes agrave la geacuteomeacutetrie drsquoun luminaire
De faccedilon geacuteneacuterale les diffeacuterents formats proposeacutes preacutevoient une partie pour les informations geacuteneacuterales (sur le luminaire et les lampes utiliseacutees sur le flux sur les conditions de mesurehellip) une partie pour la description des angles de mesures (nombre drsquoangles verticaux et horizontaux et leurs valeurs les axes de symeacutetrie srsquoils existenthellip) puis une partie pour preacutesenter les valeurs drsquointensiteacute agrave associer agrave chaque angle de mesure
En ce qui concerne le flux reacuteel agrave utiliser pour la simulation il peut ecirctre deacuteduit de lrsquointeacutegration des intensiteacutes corrigeacutees ou non par un facteur multiplicateur (pour passer des valeurs relatives aux valeurs reacuteelles) ou bien il peut ecirctre donneacute en valeur absolue dans le fichier (Voir les exemples preacutesenteacutes dans lrsquoannexe G)
I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique) Lrsquoexploitation drsquoun fichier photomeacutetrique dans un logiciel se fait agrave lrsquoaide drsquoune interpolation des valeurs donneacutees pour les diffeacuterentes directions de mesure pour en deacuteduire des valeurs drsquointensiteacute agrave affecter agrave toutes les autres directions Il existe plusieurs meacutethodes drsquointerpolation dont les plus utiliseacutees la meacutethode diteSpline la meacutethode lineacuteaire et la meacutethode dite Seacuteries de Fourier Quelle que soit la meacutethode drsquointerpolation utiliseacutee il existe une source drsquoerreur potentielle en particulier dans le cas de variation rapide des valeurs drsquointensiteacute reacuteelles entre les directions mesureacutees Pour cela il est conseilleacute de faire des mesures goniophotomeacutetriques avec des pas de mesure assez fins en particulier pour les luminaires agrave photomeacutetrie complexe
Suite agrave cette interpolation le logiciel dispose drsquoune distribution drsquointensiteacute complegravete dite aussi solide photomeacutetrique qursquoil pourra utiliser pour calculer les eacuteclairements directs reccedilus sur les diffeacuterentes surfaces de la geacuteomeacutetrie Ce calcul est baseacute sur la formule deacutefinissant la relation entre lrsquointensiteacute (Iox) drsquoune source ponctuelle (O) dans la direction drsquoun point donneacute (X) lrsquoangle drsquoincidence par rapport agrave la surface de mesure (θ) et la valeur drsquoeacuteclairement reacutesultante sur ce point (E = Iox cosθ dsup2)
Etant donneacute que ce calcul prend en consideacuteration une source point (caracteacuteriseacutee par le solide photomeacutetrique souvent placeacute au centre photomeacutetrique du luminaire) il est important de veacuterifier la loi de 5x entre la distance d et la longueur du luminaire
Cependant la majoriteacute des logiciels existants procegravedent agrave une subdivision automatique drsquoune source lineacuteaire ou surfacique en une seacuterie de sources points et cela en fonction de sa dimension et de sa distance des points de mesure afin de veacuterifier la loi de 5x Le mecircme solide
26
Chapitre I
photomeacutetrique sera attribueacute agrave toutes les sources points avec un flux qui correspond agrave une partie du flux initial de la grande source
Il faut noter que cette subdivision drsquoun luminaire en une seacuterie de sources points ne prend pas en consideacuteration lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute de la distribution des intensiteacutes entre les diffeacuterentes zones de ce luminaire Ce qui fait introduire une source drsquoerreur qui doit ecirctre prise en consideacuteration en comparant les reacutesultats drsquoune simulation (baseacutee sur un solide photomeacutetrique obtenu par des mesures goniophotomeacutetriques en champ lointain) agrave des mesures expeacuterimentales drsquoeacuteclairement [IESNA 1993] [Ashdown 2001] [Deniel 2002]
I12 Les sources de lumiegravere naturelle Malgreacute lrsquoutilisation intense de la lumiegravere artificielle dans notre mode de vie la source principale de lumiegravere reste la lumiegravere de jour Pour parler de la lumiegravere du jour il faut bien eacutevidemment parler du soleil et du ciel mais aussi du sol exteacuterieur et de lrsquoenvironnement urbain [CIE 1970] [IESNA 1993] [Dumortier 1995]
I121 le soleil A lrsquoorigine de la lumiegravere du jour on trouve le soleil qui est la source primaire de rayonnement sur la terre La variation de lrsquoinclinaison des rayons du soleil agrave la fois dans le temps et dans lrsquoespace creacutee un veacuteritable dynamisme et dessine les grandes lignes de la geacuteographie des climats
La position apparente du soleil par rapport agrave un point donneacute de la terre est exprimeacutee par deux paramegravetres la hauteur solaire qui repreacutesente lrsquoangle vertical du soleil avec lrsquohorizon et lrsquoazimut solaire qui repreacutesente lrsquoangle horizontal (dans le sens des aiguilles de la montre) du soleil avec le sud
Lrsquoeacuteclairement solaire direct reccedilu sur une surface donneacutee deacutepend en particulier de lrsquoangle drsquoincidence du rayonnement solaire sur la surface (variant avec lrsquoorientation de la surface et la position du soleil) de la distance entre le soleil et cette surface (variant avec lrsquoorbite elliptique de la terre) et de lrsquoatteacutenuation du flux lumineux dans lrsquoatmosphegravere (variant avec la densiteacute des nuages et des aeacuterosols) Cet eacuteclairement deacutepend aussi de lrsquoExitance eacutenergeacutetique du soleil exprimeacutee par la Constante solaire qui repreacutesente lrsquoeacuteclairement eacutenergeacutetique (en klx) produit par le rayonnement solaire extraterrestre sur une face perpendiculaire aux rayons solaires agrave la distance moyenne Soleil-Terre Cette constante est pondeacutereacutee par lrsquoefficaciteacute lumineuse relative du rayonnement solaire
La prise en consideacuteration du soleil dans une simulation numeacuterique se fait surtout agrave travers des algorithmes matheacutematiques qui servent agrave calculer la position du soleil par rapport agrave la latitude et la longitude du site au jour de lrsquoanneacutee (de 1 agrave 365) et au temps local Cette position est alors utiliseacutee pour eacutevaluer la peacuteneacutetration agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment
I122 le ciel Avant drsquoatteindre la surface de la terre les rayons solaires traversent et subissent les effets de la couche gazeuse qui enveloppe la terre lrsquoatmosphegravere Sa densiteacute et sa pression diminuent au fur et agrave mesure que lrsquoaltitude augmente Trois reacutegions sont deacutefinies pour caracteacuteriser la composition de lrsquoatmosphegravere lrsquohomosphegravere lrsquoheacuteteacuterosphegravere et la photosphegravere Seule lrsquohomosphegravere intervient dans les pheacutenomegravenes de propagation du rayonnement solaire car elle contient lrsquoair sec et pratiquement la totaliteacute de lrsquoeau atmospheacuterique et les aeacuterosols principaux eacuteleacutements qui influencent la composition spectrale et la propagation de la lumiegravere
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Chapitre I
Ainsi avec la position du soleil et les conditions climatiques (eg densiteacute des nuages densiteacute des aeacuterosolshellip) se dessine une distribution spatiale des luminances de la voucircte ceacuteleste vue par un site donneacute de la terre
Cette distribution des luminances deacutetermine lrsquoeacuteclairement horizontal sur un site donneacute et joue un rocircle principal dans la propagation de la lumiegravere de jour agrave lrsquointeacuterieur des bacirctiments
La prise en consideacuteration des champs de luminances des ciels dans une simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage se fait tregraves souvent agrave travers les modegraveles numeacuteriques de ciels
I123 les modegraveles de ciel Pour pouvoir preacutedire avec preacutecision les eacuteclairements obtenus agrave lrsquointeacuterieur drsquoune piegravece eacuteclaireacutee en lumiegravere de jour il est essentiel de pouvoir deacuteterminer la distribution des luminances du ciel
Pour cela des recherches et des observations ont eacuteteacute meneacutees agrave travers le monde et plusieurs modegraveles numeacuteriques ont eacuteteacute creacuteeacutes et standardiseacutes afin de deacutecrire des reacutepartitions types de luminances qui correspondent le mieux aux conditions de ciel les plus rencontreacutees dans la reacutealiteacute
Ces modegraveles sont geacuteneacuteralement deacutecrits par des formules exprimant la variation des luminances des diffeacuterentes zonesmailles du ciel souvent par rapport agrave la luminance au zeacutenith et selon la position du soleil et les caracteacuteristiques de lrsquoatmosphegravere
A noter que de maniegravere geacuteneacuterale ces modegraveles de ciel ne prennent pas en consideacuteration le rayonnement direct du soleil
Parmi les modegraveles de ciel existants nous citons les suivants
1 Ciel Uniforme utiliseacute auparavant pour le calcul du facteur de lumiegravere de jour 2 Ciel clair CIE baseacute sur le modegravele deacutefini par kittler en 1965 [Kittler 1965] [CIE 1973]
[CIE 1990] 3 Ciel couvert CIE baseacute sur le modegravele de Moon and Spencer et largement utiliseacute comme
reacutefeacuterence pour le calcul du facteur de lumiegravere de jour depuis sa recommandation par la CIE en 1970 [Moon 1942] [CIE 1970] [CIE 1990]
4 Ciel intermeacutediaire de Nakamura [Nakamura 1989] 5 Ciels IESNA Pour deacuteterminer la reacutepartition des luminances drsquoun ciel lrsquoIESNA utilise les
eacutequations utiliseacutees par la CIE pour les ciels clair et couvert et propose une autre eacutequation pour un ciel intermeacutediaire Cependant en plus de la reacutepartition des luminances lrsquoIESNA propose lrsquoutilisation drsquoune eacutequation pour obtenir une valeur absolue de lrsquoeacuteclairement horizontal et une autre eacutequation pour en deacuteduire directement la luminance au zeacutenith Les paramegravetres associeacutes aux deux eacutequations deacutependent de la condition du ciel (clair intermeacutediaire ou couvert) et de la position du soleil [Karayel 1984]
6 Modegravele tout temps de Perez Crsquoest un modegravele empirique baseacute sur un algorithme unique qui agrave partir de la variation de deux paramegravetres lieacutes aux conditions climatiques (clarteacute et luminositeacute) deacutecrit des reacutepartitions de luminances correspondantes agrave des conditions de ciel allant du ciel sans nuages au ciel complegravetement couvert [Perez 1993]
7 Modegravele du Ciel Geacuteneacuteral de la CIE qursquoon peut consideacuterer comme une deacuteriveacutee du ciel tout temps de Perez Il est deacutefini par une eacutequation unique et 15 seacuteries de paramegravetres pour deacutecrire 15 conditions types de ciel et la distribution des luminances propre agrave chacune de ces conditions [CIE 2002]
Mecircme si la majoriteacute de ces modegraveles tentent de repreacutesenter les champs de luminances des ciels le plus fidegravelement possible agrave la reacutealiteacute il est important de noter qursquoil sera difficile sinon
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Chapitre I
impossible de repreacutesenter tous les cas de figures qui peuvent exister dans un ciel reacuteel par des simples formules
Ceci est particuliegraverement vrai si nous voulons prendre en consideacuteration ce qui peut apparaicirctre dans un champ de luminances externe agrave une ouverture zeacutenithale ou verticale (masques sol exteacuterieurhellip)
Face agrave la complexiteacute des champs de luminances reacuteels plusieurs tentatives ont eacuteteacute meneacutees afin de transformer un champ de luminances reacuteel en un modegravele de ciel agrave travers des mesures de scanner de ciel ou bien agrave travers des photos numeacuteriques eacutetalonneacutees [Roy 1998] [Mardaljevic 2001] [Dumortier 2001]
Au-delagrave de la variation des luminances drsquoun ciel certaines eacutetudes se sont inteacuteresseacutees agrave la variation de la tempeacuterature de couleur proximale et de la reacutepartition spectrale [Chain 1999]
I123 Le sol exteacuterieur La lumiegravere naturelle reacutefleacutechie sur le sol exteacuterieur peut jouer un rocircle important dans la propagation de la lumiegravere du jour agrave lrsquointeacuterieur des bacirctiments En effet elle repreacutesente en moyenne 10 agrave 15 de lrsquoeacuteclairement vertical direct sur une faccedilade et peut deacutepasser cette valeur dans le cas drsquoun sol clair
En geacuteneacuteral cette lumiegravere est renvoyeacutee par les surfaces du plafond ou des murs vers les autres surfaces internes et participe ainsi agrave la composante reacutefleacutechie interne du facteur de lumiegravere de jour
La prise en consideacuteration du sol exteacuterieur dans une simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage se fait souvent en supposant une luminance uniforme de celui-ci variant avec lrsquoeacuteclairement Hz et le facteur de reacuteflexion moyen du sol Cependant dans certains logiciels il est neacutecessaire de modeler le sol exteacuterieur par une surface de grande dimension Dans ce cas le moteur de calcul doit proceacuteder au calcul de la reacutepartition de la luminance sur le sol avant de calculer sa contribution agrave lrsquoeacuteclairage inteacuterieur
I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain) Dans le calcul de la lumiegravere du jour agrave lrsquointeacuterieur drsquoun bacirctiment il est important de prendre en consideacuteration les eacuteleacutements de faccedilade et lrsquoenvironnement urbain Ceux ci peuvent repreacutesenter agrave la fois une obstruction agrave lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour directe dans le bacirctiment et une source secondaire de lumiegravere naturelle par reacuteflexion (composante reacutefleacutechie externe)
Ainsi par exemple une piegravece au premier eacutetage sera moins eacuteclaireacutee qursquoune autre au 5egraveme eacutetage dans le cas drsquoun bacirctiment en vis agrave vis Ou encore la mecircme piegravece sera mieux eacuteclaireacutee avec un facteur de reacuteflexion plus eacuteleveacute de la faccedilade en face
La prise en consideacuteration des masques dans certaines meacutethodes de calcul simplifieacutees se fait agrave travers la deacutetermination de lrsquoangle drsquoobstruction (entre le centre de la fenecirctre et la ligne limite entre le masque et le ciel) et du facteur de reacuteflexion moyen du masque
Un calcul plus preacutecis de lrsquoinfluence drsquoun sceacutenario urbain donneacute sur lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour dans une piegravece peut se faire agrave lrsquoaide des algorithmes de calcul physiques (radiositeacute ou lancer de rayon) Cependant cela neacutecessite la modeacutelisation geacuteomeacutetrique des masques exteacuterieurs ce qui entraicircne un temps de calcul relativement long
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Chapitre I
I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
Geacuteneacuteraliteacutes On entend par conception de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment le choix des composants et des caracteacuteristiques des parois vitreacutees leur position leurs dimensions les speacutecifications des vitrages et des protections solaires
Ces choix sont guideacutes par des consideacuterations thermiques (apport solaire et surchauffe deacuteperditions par lrsquoenveloppe) acoustiques eacutenergeacutetiques (eacuteclairage artificiel systegravemes de chauffage et de climatisation) ergonomiques (confort visuel) ainsi qursquoestheacutetiques et architecturales
Il est eacutegalement neacutecessaire de prendre en consideacuteration les interactions entre ces diffeacuterents paramegravetres afin drsquoarriver agrave un compromis qui reacutepond le mieux aux exigences du projet Par exemple laisser passer plus de lumiegravere naturelle en agrandissant les surfaces vitreacutees entraicircnerait une augmentation de lrsquoapport solaire et des surchauffes en eacuteteacute et de la deacuteperdition et de la consommation eacutenergeacutetique du chauffage en hiver
Avec les progregraves technologiques apporteacutes aux systegravemes de controcircle on arrive de nos jours agrave mieux geacuterer ces interactions en particulier le controcircle des protections solaires en relation avec le confort visuel et le controcircle de lrsquoeacuteclairage artificiel en relation avec la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour sur le plan de travail (systegravemes de dimming controcircles automatiseacutes zonagehellip) Cependant pour que la conception de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment aboutisse agrave une meilleure efficaciteacute eacutenergeacutetique il est important de srsquoy inteacuteresser degraves les premiegraveres phases de la conception du bacirctiment (orientation dimensionnementhellip) [ASHRAE-IESNA 1989] [CIE 1994] [Leslie 2003]
Eclairement inteacuterieur requis Un paramegravetre cleacute dans la conception de lrsquoeacuteclairage naturel est lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (en particulier sur le plan de travail) Cet eacuteclairement subit des variations importantes avec le temps dues au dynamisme de la distribution des luminances du ciel (en particulier la zone vue par un point de reacutefeacuterence)
Ducirc agrave cette dynamique et pour simplifier la prise en consideacuteration de ce paramegravetre dans la conception drsquoun bacirctiment la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute a eacuteteacute introduite Ainsi on srsquointeacuteresse agrave un seuil minimum drsquoeacuteclairement neacutecessaire pour assurer le bon fonctionnement des tacircches pour lesquelles est deacutedieacute un local Le deacutepassement de ce seuil est supposeacute comme geacuteneacuteralement compenseacute par lrsquoadaptation de lrsquoœil
Disponibiliteacute de la lumiegravere de jour Lrsquoeacuteclairement inteacuterieur est directement lieacute agrave la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour agrave lrsquoexteacuterieur du bacirctiment Cette derniegravere est exprimeacutee par lrsquoeacuteclairement sur une surface horizontale deacutegageacutee Sa variation avec le temps et la geacuteographie a eacuteteacute eacutetudieacutee agrave partir de plusieurs campagnes de mesure agrave travers le monde [Dumortier 2003]
Ainsi la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour a pu ecirctre deacutecrite par des diagrammes en fonction de la latitude et drsquoun pourcentage des heures drsquoune anneacutee pour une peacuteriode journaliegravere donneacutee (9h agrave 17h par ex) pour lesquelles lrsquoeacuteclairement horizontal exteacuterieur deacutepasse un certain seuil Ces diagrammes ne prennent souvent en consideacuteration que lrsquoeacuteclairement diffus
De nos jours on arrive agrave estimer la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour par lrsquoanalyse des images satellites Nous citons dans ce domaine le serveur Web Satel-Light deacuteveloppeacute au
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Chapitre I
LAboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Dumortier 1995] [Satel-Light 1995] [Dumortier 2002] [Dumortier 2003]
Facteur de lumiegravere de jour Afin de deacuteterminer une relation entre lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (en un point de la piegravece) et la disponibiliteacute de la lumiegravere du jour agrave lrsquoexteacuterieur drsquoun bacirctiment la notion du Facteur de Lumiegravere de Jour est utiliseacutee
FJ= (EintEext)
Ce ratio est subdiviseacute en plusieurs composantes
- La composante directe FJD (varie avec la distribution des luminances du ciel vues par le point de reacutefeacuterence)
- La composante reacutefleacutechie externe FRE (varie avec la contribution de la lumiegravere reacutefleacutechie sur le sol et les masques exteacuterieurs)
- La composante reacutefleacutechie interne FRI (varie avec les inter-reacuteflexions au niveau des surfaces inteacuterieures et deacutepend du facteur de reacuteflexion de ces surfaces)
Ainsi FJ = FJD + FRE + FRI
Pour le calcul drsquoun facteur de lumiegravere de jour en particulier sa composante directe il est important de caracteacuteriser la reacutepartition des luminances dans le ciel Alors que pour des raisons de simplification on supposait une reacutepartition uniforme (en azimut et en zeacutenith) de la luminance du ciel la CIE a proposeacute lrsquoadoption du ciel CIE couvert standard eacutetant donneacute qursquoil repreacutesente mieux de la distribution reacuteelle des luminances drsquoun ciel nuageux
Lrsquoutilisation drsquoun ciel nuageux pour la mesure ou le calcul du facteur de lumiegravere de jour est compatible avec la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute En effet les autres conditions possibles de ciel aboutissent geacuteneacuteralement agrave une meilleure peacuteneacutetration de la lumiegravere diffuse ou agrave une compensation par la lumiegravere directe du soleil Ainsi en adoptant le facteur de lumiegravere de jour sous un ciel nuageux comme reacutefeacuterence pour la conception on garantit une marge de seacutecuriteacute et un niveau minimum
Diagrammes drsquoautonomie A lrsquoaide des paramegravetres deacutecrits ci-dessus lrsquoeacuteclairement inteacuterieur requis les diagrammes de disponibiliteacute de la lumiegravere de jour et le facteur de lumiegravere de jour il est possible de deacutecrire des diagrammes drsquoautonomie en lumiegravere de jour Ces diagrammes permettent de deacutefinir un pourcentage de temps garanti ougrave lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (naturel) en un point donneacute deacutepassera un certain seuil Ou bien il permet de deacutefinir un facteur de lumiegravere de jour minimum requis afin de garantir un certain pourcentage de temps de deacutepassement drsquoun seuil drsquoeacuteclairement inteacuterieur [ASE 1989] [Satel-Light 1995]
Calcul dynamique de lrsquoeacuteclairage naturel (coefficient de FLJ) La nouvelle tendance dans la conception en eacuteclairage naturel nrsquoest plus baseacutee sur la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute mais sur un calcul dynamique de lrsquoentreacutee de la lumiegravere en utilisant les fichiers climatiques drsquoun site donneacute Cette meacutethode plus reacutealiste mais plus lourde en calcul est devenue utilisable gracircce agrave lrsquoeacutevolution des capaciteacutes du mateacuteriel informatique Sa mise en place utilise lrsquoapproche du facteur de lumiegravere de jour directionnel pour preacute-calculer la contribution relative des diffeacuterentes mailles du ciel agrave lrsquoeacuteclairement des diffeacuterents points drsquoun espace inteacuterieur [Tregenza 1983] [Mardaljevic 2000] [Reinhart 2000] [Dumortier 1995]
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Chapitre I
Outils de conception En ce qui concerne les meacutethodes existantes pour le calcul et lrsquoeacutevaluation de lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment elles sont classeacutees selon les cateacutegories suivantes [De Boer 1999]
- Les meacutethodes de calcul manuel (meacutethode de lumen ) - Les meacutethodes graphiques baseacutees sur des diagrammes selon des configurations types
du bacirctiment Ces diagrammes sont compleacuteteacutes par des facteurs de correction agrave prendre en consideacuteration en relation avec la transmission des vitrages la deacutegradation due agrave lrsquoaccumulation des saleteacutes le facteur de reacuteflexion moyen des surfaces inteacuterieureshellip
- Des mesures expeacuterimentales dans des maquettes agrave eacutechelle reacuteduite ou reacuteelle sous un ciel artificiel ou reacuteel
- Les logiciels de simulation baseacutes en particulier sur les meacutethodes de radiositeacute et de lancer de rayon
Un autre aspect de conception en eacuteclairage naturel (que celui de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour) consiste agrave prendre en consideacuteration les taches solaires agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment en particulier du point de vue de lrsquoapport thermique et du confort visuel Lrsquoeacutetude des taches est le plus souvent limiteacutee agrave certains jours repreacutesentatifs de lrsquoanneacutee (en particulier les solstices) et pour diffeacuterentes heures de la journeacutee
Les meacutethodes existantes pour lrsquoeacutetude des taches solaires sont
- Des meacutethodes manuelles utilisant des diagrammes solaires - Des eacutetudes sur maquette reacuteduite sous un heacuteliodon - Des meacutethodes numeacuteriques utilisant des algorithmes matheacutematiques pour deacutefinir la
position du soleil et des algorithmes de lancer de rayon pour simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere solaire directe agrave travers lrsquoenveloppe du bacirctiment Certains logiciels sont deacuteveloppeacutes speacutecialement pour lrsquoeacutetude des taches solaires on parle alors drsquoheacuteliodons numeacuteriques
En plus que les outils de simulation nous traitons dans notre travail les mesures expeacuterimentales dans des maquettes drsquoeacutetude
I13 La geacuteomeacutetrie
I131 Geacuteneacuteraliteacutes Comme la source lumineuse la geacuteomeacutetrie drsquoun espace est un eacuteleacutement cleacute pour calculer et preacutedire la propagation de la lumiegravere agrave lrsquointeacuterieur de cet espace Pour un calcul drsquoeacuteclairage (manuel ou numeacuterique) la description de cette geacuteomeacutetrie doit inclure une description tri-dimensionnelle de lrsquoespace ainsi qursquoune caracteacuterisation physique de ses mateacuteriaux Dans cette partie nous nous inteacuteressons agrave la description tri-dimensionnelle de lrsquoespace dans la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage
Les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie agrave prendre en consideacuteration dans une simulation sont geacuteneacuteralement les surfaces visibles des mateacuteriaux opaques du volume inteacuterieur Dans un sceacutenario drsquoeacuteclairage naturel nous consideacuterons eacutegalement les surfaces du sol et des masques exteacuterieurs ainsi que les composants des parois vitreacutees
On parle de surfaces visibles des mateacuteriaux opaques car contrairement au cas des eacutechanges de flux thermiques lrsquoinfluence des mateacuteriaux opaques sur la propagation des flux lumineux se limite agrave ces surfaces
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Chapitre I
La prise en consideacuteration des parois vitreacutees du sol et des masques exteacuterieurs peut varier entre les diffeacuterents logiciels Ainsi lrsquoinfluence de ces eacuteleacutements (vitrage store veacutenitien masque vertical ou horizontalhellip) peut ecirctre calculeacutee analytiquement dans un logiciel et agrave lrsquoaide drsquoun lancer de rayon ou un calcul de radiositeacute dans un autre Le premier cas ne neacutecessite qursquoune description parameacutetrique (type de vitrage couleur et orientation des lames angle drsquoobstructionhellip) et le deuxiegraveme neacutecessite une modeacutelisation preacutecise des eacuteleacutements
I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie Bien que certains logiciels offrent la possibiliteacute drsquoune automatisation de lrsquoentreacutee de la geacuteomeacutetrie 3D cellendashci est en fin de compte deacutecrite par un ensemble de polygones deacutefinis par les coordonneacutees carteacutesiennes de leurs sommets (x y z)
Pour les logiciels de simulation qui nrsquooffrent pas une interface de DAO pour lrsquoentreacutee de la geacuteomeacutetrie il est possible drsquoimporter cette derniegravere agrave partir drsquoun logiciel de DAO externe [IESNA 1999] La plupart des logiciels de simulation sont compatibles avec le format DXF creacuteeacute par Autodesk et standardiseacute par la suite pour le transfert de donneacutees geacuteomeacutetriques [Autodesk 1999]
Parmi les logiciels de DAO souvent utiliseacutes pour modeacuteliser la geacuteomeacutetrie 3D nous citons AutoCAD ArchiCAD et Microstation Cependant lorsqursquoune geacuteomeacutetrie est deacutecrite agrave lrsquoaide drsquoun logiciel externe il est important de prendre certaines preacutecautions dans le mode de dessin afin de garantir une meilleure compatibiliteacute avec la plupart des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
Les preacutecautions agrave prendre et leurs importances sont diffeacuterentes drsquoun logiciel agrave un autre mais souvent le but est drsquoeacuteviter les confusions lors du transfert qui peuvent mener agrave des erreurs de calcul Par exemple il peut srsquoagir de respecter la notion de lrsquoorientation des surfaces qui est importante dans certains logiciels ou bien de limiter la modeacutelisation des surfaces de la geacuteomeacutetrie aux parties apparentes pour eacuteviter les fausses ombres [Foley 1990]
I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade La propagation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquointeacuterieur drsquoun bacirctiment deacutebute par un transfert des flux agrave travers les parois vitreacutees Ainsi il est important de prendre ces derniegraveres en consideacuteration pour une preacutediction preacutecise de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment
La caracteacuterisation drsquoun composant drsquoune paroi vitreacutee en transmission lumineuse se fait geacuteneacuteralement agrave travers des mesures goniophotomeacutetriques Ainsi agrave partir drsquoune seacuterie de mesures de transmission en direct-direct seront deacuteduites les fonctions de transfert direct-heacutemispheacuterique et heacutemispheacuterique-heacutemispheacuterique qui caracteacuterisent un mateacuteriau donneacute [CIE 1998]
Cependant une paroi vitreacutee peut se preacutesenter sous diffeacuterentes formes agrave diffeacuterents niveaux de complexiteacute Nous listons ci-dessous les principaux cas de figures
I141 Ouverture simple Le cas le plus basique est celui drsquoune simple ouverture sans vitrage Lrsquoinfluence drsquoune telle ouverture sur la propagation de la lumiegravere naturelle se limite agrave sa dimension et son eacutepaisseur qui deacuteterminent la partie du champ de luminances externe rendue visible aux points inteacuterieurs Lrsquoaspect directionnel qualitatif et quantitatif du flux lumineux incident est conserveacute lors du passage agrave travers cette ouverture et ne subit aucune deacuteviation ni atteacutenuation (si ce nrsquoest la reacuteflexion sur les bords)
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Chapitre I
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel se fait souvent agrave lrsquoaide drsquoun maillage de sa surface La luminance apparente des mailles est ensuite calculeacutee (agrave partir de la luminance de la zone du ciel apparente agrave travers cette maille par un point donneacute) et finalement est calculeacutee la contribution de chaque maille agrave lrsquoeacuteclairement du point eacutetudieacute
Dans un certain nombre de logiciels le calcul commence par une deacutetection du champ de vision drsquoun point de mesure agrave travers lrsquoouverture Cette deacutetection se fait geacuteneacuteralement agrave lrsquoaide drsquoun lancer de rayons qui permet de deacutefinir les limites du masque constitueacute par les murs entourant lrsquoouverture
I142 Vitrage classique Dans le cas drsquoune ouverture vitreacutee (vitrage classique) le flux incident subit lrsquoinfluence de la transmission directionnelle du vitrage Cette transmission diminue avec lrsquoaugmentation de lrsquoangle drsquoincidence du rayonnement lumineux et varie selon le type de vitrage (simple double teinteacutehellip)
Il existe plusieurs reacutefeacuterences pour deacuteterminer la variation theacuteorique de la transmission lumineuse drsquoun vitrage avec lrsquoangle drsquoincidence Mais en geacuteneacuteral la majoriteacute drsquoun flux lumineux transmis agrave travers un vitrage classique est supposeacute garder sa directionnaliteacute (angle de transmission = angle drsquoincidence) et ne subit qursquoune simple atteacutenuation selon lrsquoangle drsquoincidence [Hopkinson 1966] [Hopkinson 1966 Tregenza 1993]
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture vitreacutee dans une simulation drsquoeacuteclairage naturel suit le mecircme principe que pour une ouverture non vitreacutee mais en plus une atteacutenuation de la contribution drsquoune maille agrave lrsquoeacuteclairement drsquoun point est calculeacutee selon lrsquoangle drsquoincidence entre cette maille et ce point de mesure Cependant certains logiciels ne prennent pas en consideacuteration la transmission directionnelle drsquoun vitrage et se contentent drsquoaffecter un facteur de transmission uniforme
I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel Il existe sur le marcheacute de la construction de plus en plus de vitrages agrave proprieacuteteacutes bi-directionnelles dont le but est souvent de favoriser le cheminement drsquoun flux lumineux incident dans une direction donneacutee (Laser Cut Panel Serraglaze etc) Par exemple dans le cas drsquoune ouverture verticale lrsquoobjectif est souvent de favoriser lrsquoorientation du flux transmis vers le plafond afin de permettre une entreacutee plus profonde de la lumiegravere et afin drsquoeacuteviter ou au moins drsquoatteacutenuer les taches solaires Dans le cas drsquoune ouverture zeacutenithale lrsquoobjectif est de favoriser lrsquoentreacutee verticale de la lumiegravere provenant de toutes les directions de lrsquoheacutemisphegravere exteacuterieur
Le flux lumineux incident sur ce type de mateacuteriaux est transmis avec changement drsquoorientation partielle ou totale dans le mecircme plan drsquoincidence ou bien dans tout lrsquoheacutemisphegravere de sortie
La prise en consideacuteration drsquoun mateacuteriau agrave transmission bidirectionnelle dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel est drsquoune complexiteacute importante Elle neacutecessite lrsquoutilisation des fonctions de transfert bidirectionnelles dite BTDF qui sont assez lourdes en calcul Les logiciels permettant ce type de simulations sont encore assez rares et limiteacutes au domaine de la recherche scientifique [Fontoynont 1999] [Greenup 2000] [Andersen 2003]
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Chapitre I
I144 Eleacutements de protection solaire Le rocircle des eacuteleacutements de protection solaire est de bloquer drsquoatteacutenuer ou de reacuteorienter la lumiegravere directe du soleil Parmi les types les plus utiliseacutes nous citons en particulier les stores veacutenitiens (agrave effet de reacuteorientation) les brises soleil (agrave effet de masque) et les stores en toile (agrave effet de diffusion)
La prise en consideacuteration des eacuteleacutements de protection solaires dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel deacutepend de leur type Par exemple les protections solaires agrave effet de masque neacutecessitent un simple calcul de lancer de rayons alors que la simulation des eacuteleacutements agrave effet de reacuteorientation suit le mecircme principe que pour les vitrages bidirectionnels [Klems 1995] [Shareef 2001]
I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux Pour caracteacuteriser le comportement des parois vitreacutees afin de mieux les prendre en consideacuteration dans le calcul ou la simulation de lrsquoeacuteclairage on a recours aux mesures goniophotomeacutetriques
Ces mesures peuvent srsquoaveacuterer drsquoune grande complexiteacute en particulier dans le cas des mateacuteriaux bidirectionnels puisqursquoils neacutecessitent des mesures heacutemispheacuteriques en entreacutee et en sortie
De nos jours plusieurs deacuteveloppements sont en cours afin de simplifier les proceacutedures de mesure ou de conduire ces mesures numeacuteriquement agrave lrsquoaide drsquoalgorithmes physiques [Mitanchey 1995] [Andersen 2003] [Andersen 2003] [De Boer 2003]
Drsquoautres efforts sont eacutegalement investis dans le but de simplifier la preacutesentation des donneacutees goniophotomeacutetriques [Roy 1995] [Mitanchey 1996] [IEA-SHC 1999]
I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux Si lrsquoeacuteclairage direct reccedilu des sources de lumiegravere (naturelles ou artificielles) est un eacuteleacutement de base dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere lrsquoeacuteclairage dit indirect nrsquoest pas de moindre importance
En effet lrsquoeacuteclairage indirect ducirc aux inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les diffeacuterentes surfaces drsquoune scegravene peut repreacutesenter une proportion importante de lrsquoeacuteclairement total par rapport agrave lrsquoeacuteclairement direct Crsquoest le cas notamment des luminaires indirects ou des systegravemes de reacute-acheminement de la lumiegravere directe du soleil
Les inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie deacutependent de la photomeacutetrie de ces surfaces (ou des mateacuteriaux qui les constituent) Cette photomeacutetrie est caracteacuteriseacutee en particulier par trois paramegravetres
- Le facteur de reacuteflexion global - La directionnaliteacute de la lumiegravere reacutefleacutechie - Lrsquoinfluence spectrale sur la lumiegravere reacutefleacutechie
Le premier repreacutesente le rapport entre le flux total reacutefleacutechi sur une surface et le flux initial incident Pour faciliter la mesure de ce paramegravetre un nombre de mateacuteriaux standards a eacuteteacute deacutefini comme reacutefeacuterence [CIE 1979] [CIE 1979] [CIE 1998]
Le deuxiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la ou les directions de reacuteflexion drsquoun flux incident avec une direction donneacutee Cette directionnaliteacute deacutepend de la geacuteomeacutetrie microscopique de la surface (apparente) drsquoun mateacuteriau opaque On distingue en particulier deux types de reacuteflexion theacuteoriques Les reacuteflexions parfaitement speacuteculaires et les reacuteflexions
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Chapitre I
parfaitement diffuses Bien que ces cas extrecircmes nrsquoexistent pas dans la reacutealiteacute les lois theacuteoriques relatives sont bien deacutefinies (La loi de Descartes pour le premier et loi de Lambert et les formules de facteur de forme pour le deuxiegraveme) Au-delagrave de ces deux cas theacuteoriques simplifieacutes un nombre de travaux a eacuteteacute meneacute pour deacutecrire des modegraveles analytiques plus complets qui srsquoapprochent mieux de la reacutealiteacute mais qui repreacutesentent un degreacute de complexiteacute plus eacuteleveacute [Trowbridge 1975] [Kajiya 1985] [Uetani 1992] [Balocco 2001] [Deniel 2002]
Dans la majoriteacute des logiciels existants la reacuteflexion de la lumiegravere sur une surface est simuleacutee par une combinaison de reacuteflexions diffuses et speacuteculaires Ainsi une partie du flux est reacutefleacutechie en obeacuteissant agrave la loi de Descartes et une autre partie est diffuseacutee uniformeacutement dans lrsquoespace Les algorithmes utiliseacutes sont eacutegalement en geacuteneacuteral une combinaison de radiositeacute et de lancer de rayons Certains logiciels nrsquoutilisant que les algorithmes de radiositeacute se contentent de supposer les surfaces comme 100 diffuses
Drsquoautres logiciels qui restent assez rares prennent en consideacuteration les fonctions de reacuteflexions bidirectionnelles (BRDF) theacuteoriques ou mesureacutees Cependant il faut noter que de nos jours la preacutecision des mesures de ces fonctions neacutecessite encore des moyens financiers et logistiques trop importants
Le troisiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la qualiteacute spectrale de la lumiegravere reacutefleacutechie par rapport agrave celle de la lumiegravere incidente Elle deacutepend en particulier de lrsquoabsorption spectrale seacutelective du mateacuteriau En effet le facteur drsquoabsorption drsquoun mateacuteriau peut ecirctre plus ou moins eacuteleveacute selon la longueur drsquoonde avec laquelle arrive une partie du flux incident Ainsi le spectre de la lumiegravere reacutefleacutechie peut ecirctre complegravetement diffeacuterent de celui de la lumiegravere incidente Les mateacuteriaux qui ont le mecircme facteur de reacuteflexion pour toutes les longueurs drsquoonde sont dits spectralement neutres [CIE 1986] [Smith 1992] [CIE 1996]
Plusieurs approches sont proposeacutees pour traiter lrsquoaspect spectral ou colorimeacutetrique de la propagation de la lumiegravere Les approches les plus utiliseacutees dans les logiciels de simulation de la lumiegravere sont baseacutees sur une caracteacuterisation agrave trois composantes de la couleur (de la source lumineuse ou des surfaces) Nous citons les systegravemes XYZ (de la CIE) RGB CMY et HSV Cependant si ce type de caracteacuterisation est convenable pour la repreacutesentation des couleurs il srsquoavegravere insuffisant pour simuler la variation du spectre du flux lumineux agrave travers les inter-reacuteflexions sur les surfaces inteacuterieures drsquoun espace [Mitanchey 1996] Pour plus de preacutecision il est alors recommandeacute drsquoutiliser les approches baseacutees sur une discreacutetisation plus ou moins fine du spectre Mais lrsquoimpleacutementation de telles approches dans les logiciels existants est loin drsquoecirctre courante [Smith 1992] [Mitanchey 1996]
I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage Il existe sur le marcheacute international un nombre important de logiciels deacutedieacutes agrave la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Dans une enquecircte meneacutee par le groupe 3D lumiegravere en 2000 aupregraves de 74 professionnels [3D-lumiegravere 2000] environ quarante logiciels ont eacuteteacute citeacutes par les enquecircteacutes comme outils de travail en eacuteclairage Dans une deuxiegraveme eacutetude plus speacutecialiseacutee dans le calcul drsquoeacuteclairage naturel et meneacutee par lrsquoagence international drsquoeacutenergie IEA SHC Task 21-C2 [Fontoynont 1999] vingt cinq logiciels ont eacuteteacute citeacutes Vingt deux de ces logiciels ne sont pas connus par les utilisateurs franccedilais enquecircteacutes par 3D lumiegravere Finalement nous citons lrsquoenquecircte de lrsquoIENSA [IESNA 1999] preacutesentant un nombre de logiciels existants au niveau international
Les logiciels existants diffegraverent entre eux par les algorithmes qursquoils utilisent par leurs approches DAO par la prise en consideacuteration des diffeacuterents types de sources lumineuses par
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Chapitre I
leur capaciteacute agrave simuler les pheacutenomegravenes de propagation de lumiegravere plus ou moins complexes par leur interface utilisateur et finalement par leurs vocations et leurs domaines drsquoapplication
I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage Le rocircle des algorithmes dans une simulation drsquoeacuteclairage est de geacuterer le calcul de la propagation de la lumiegravere entre les sources et les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie puis les inter-reacuteflexions entre ces surfaces
Les algorithmes utiliseacutes dans les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage sont des algorithmes dits drsquoeacuteclairement global (global illumination) puisqursquoils font un calcul tridimensionnel de la propagation de la lumiegravere Ils peuvent ecirctre classeacutes sous deux grandes familles la radiositeacute et le lancer de rayons Ces deux familles tendent agrave avoir des avantages et des inconveacutenients compleacutementaires ce qui fait que certains logiciels utilisent une logique hybride combinant les deux familles [IEA-SHC 1999] [Mitanchey 1996]
1211 Radiositeacute Les algorithmes de radiositeacute utiliseacutes pour le calcul de lrsquoeacuteclairage datent du deacutebut des anneacutees 80 Ils ont eacuteteacute adapteacutes agrave partir des algorithmes de radiositeacute utiliseacutes depuis les anneacutees 60 pour le calcul des eacutechanges radiatifs thermiques sur la base de lrsquoeacutequilibre eacutenergeacutetique
Les algorithmes de radiositeacute procegravedent en geacuteneacuteral agrave une discreacutetisation de lrsquoenvironnement simuleacute agrave travers un maillage (subdivision en petites mailles) des surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie eacuteclaireacutee par une source donneacutee (voir figure I3) Tout drsquoabord un calcul de la lumiegravere directe reccedilue par chaque maille est effectueacute Ensuite chaque maille est traiteacutee comme une source lumineuse eacutemettant une partie du flux lumineux qursquoelle a reccedilu (selon son facteur de reacuteflexion) vers les autres mailles de la geacuteomeacutetrie Cette lumiegravere indirecte subit plusieurs inter-reacuteflexions jusqursquoagrave ce que la quasi-totaliteacute du flux initial soit absorbeacutee
Suite agrave ce calcul on est capable de savoir la quantiteacute de flux lumineux direct et indirect reccedilue et eacutemise par une maille donneacutee et donc lrsquoeacuteclairement et la luminance de cette maille [Scartezzini 1993] [Ashdown 2001]
Figure I3 Exemple drsquoun calcul de Radiositeacute agrave lrsquointeacuterieur drsquoune geacuteomeacutetrie
Bien que le principe geacuteneacuteral de la radiositeacute deacutecrit ci-dessus soit le mecircme pour tous les algorithmes de radiositeacute existants ceux-ci diffegraverent dans la meacutethode adopteacutee pour le maillage de la geacuteomeacutetrie et pour le suivi du flux
La radiositeacute peut ecirctre en principe appliqueacutee agrave tout type de reacuteflexion cependant les algorithmes existants sont encore limiteacutes aux reacuteflexions 100 diffuses Ce qui entraicircne des erreurs plus ou moins importantes selon le comportement reacuteel du mateacuteriau simuleacute La
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Chapitre I
radiositeacute preacutesente aussi quelques autres inconveacutenients dont particuliegraverement un temps de calcul assez long une lourde consommation en meacutemoire et une faible performance en qualiteacute graphique
Cependant le calcul de radiositeacute a lrsquoavantage drsquoecirctre indeacutependant de la position de lrsquoobservateur Ainsi un seul calcul est suffisant pour connaicirctre lrsquoeacuteclairement de tous les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie et pour la visualiser agrave partir drsquoune infiniteacute de points de vue
Une nouvelle geacuteneacuteration drsquoalgorithmes de radiositeacute est apparue en 1988 elle permet drsquoobtenir un reacutesultat graphique immeacutediat qui srsquoameacuteliore progressivement en preacutecision et en qualiteacute visuelle drsquoougrave son nom progressive refinement radiosity [Cohen 1988] [Autodesk 1999]
Une autre eacutevolution des algorithmes de radiositeacute fut le concept de maillage adaptatif ougrave le logiciel commence agrave calculer agrave partir drsquoun maillage de faible preacutecision Ensuite il procegravede agrave des subdivisions suppleacutementaires lagrave ougrave il y a une grande diffeacuterence drsquoeacuteclairement entre les mailles Cette meacutethode conduit agrave une eacuteconomie dans le temps de calcul et dans lrsquoutilisation de meacutemoire
1212 Lancer de rayons La deuxiegraveme famille drsquoalgorithmes est la plus ancienne elle a connu plus de deacuteveloppements et preacutesente une plus grande varieacuteteacute de meacutethodes
Ces meacutethodes ont lrsquoavantage de calculer avec preacutecision lrsquoeacuteclairement direct de calculer les effets speacuteculaires des mateacuteriaux de mieux deacutefinir les ombres et de consideacuterer les reacutefractions agrave travers les surfaces transparentes Crsquoest donc les algorithmes qui donnent les meilleurs reacutesultats graphiques drsquoougrave ce qursquoon appelle le photo-reacutealisme des images de synthegravese
Il existe plusieurs cateacutegories drsquoalgorithmes baseacutees sur le lancer de rayon nous citons les suivantes
Figure I4 Exemple drsquoun calcul de Lancer de rayons (inverse)
1 Traceacute de rayons ou Lancer de rayons depuis lrsquoobservateur dite aussi Lancer inverse de rayons (backward ray tracing) les rayons sont geacuteneacutereacutes depuis lrsquoœil de lrsquoobservateur et cheminent agrave travers des reacuteflexions multiples sur les parois jusqursquoaux sources de lumiegravere (voir figure I4) Ainsi seuls les rayons utiles pour la construction de lrsquoimage seront geacuteneacutereacutes et suivis agrave travers les diffeacuterentes inter-reacuteflexions mais la solution est valide pour un seul point de vue [Whitted 1980]
2 Suivi de rayons ou Lancer direct de rayons (forward ray tracing) cette meacutethode geacutenegravere les rayons lumineux depuis la source vers les surfaces reacuteceptrices quand un rayon atteint une surface il est dirigeacute selon la photomeacutetrie rencontreacutee jusqursquoagrave lrsquoeacutepuisement de son eacutenergie [Fontoynont 1991]
3 Technique statistique de monte-carlo backward ou forward La meacutethode de Monte-Carlo associeacutee agrave des meacutethodes de lancer de rayons a recours agrave une technique statistique
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pour la distribution des rayons reacutefleacutechis Elle neacutecessite un temps de calcul eacuteleveacute [IEA-SHC 1999]
I22 Exemples types des logiciels existants Les logiciels existants sur le marcheacute international et utiliseacutes comme outils de conception en eacuteclairage peuvent ecirctre classeacutes en diffeacuterentes familles [De Boer 1999] [IESNA 1999]
1 Les logiciels baseacutes sur les formules de base de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel Ces logiciels sont souvent distribueacutes par les constructeurs de luminaires et munis de leur bibliothegraveque de luminaires
2 Des logiciels baseacutes sur des formules de base de calcul en eacuteclairage naturel ou sur des donneacutees empiriques (ou preacute-simuleacutees) Ces logiciels sont souvent deacutedieacutes agrave lrsquoutilisation dans les phases preacuteliminaires de la conception drsquoun projet (ex Dial Sodalight etc)
3 Les logiciels capables de calculer lrsquoeacuteclairage direct uniquement Ils sont tregraves souvent inteacutegreacutes dans des logiciels de DAO Leur objectif est limiteacute agrave lrsquoameacutelioration du rendu graphique drsquoun projet ou au mieux agrave une eacutetude de taches solaires (ex Archicad) Cependant ce type de logiciels devient de plus en plus rare En effet vu leurs potentiels un certain nombre de ces logiciels a eacuteteacute mis agrave niveau par les deacuteveloppeurs et a passeacute ainsi agrave la famille suivante (ex Microstation et 3D Studio)
4 Les logiciels dits drsquoeacuteclairement global Ils utilisent souvent des algorithmes de calcul physique (en particulier de radiositeacute et lancer de rayons) Nous distinguons cependant dans cette cateacutegorie les logiciels deacuteveloppeacutes dans un cadre scientifique (ex Radiance Geacuteneacutelux CSTB) de ceux deacuteveloppeacutes et diffuseacutes dans un cadre commercial (Lightscape Dialuxhellip) En geacuteneacuteral les logiciels commerciaux possegravedent des interfaces plus conviviales mais les logiciels scientifiques offrent des fonctionnaliteacutes plus complegravetes Par exemple certains logiciels scientifiques sont capables de prendre en consideacuteration lrsquoaspect spectral de la propagation de la lumiegravere etou de traiter les fonctions bidirectionnelles Finalement nous notons que les logiciels commerciaux manquent le plus de transparence sur leur fiabiliteacute dans les diffeacuterents domaines drsquoapplication (manque de travaux de validation)
Dans notre travail de thegravese nous nous inteacuteressons en particulier agrave la derniegravere famille Ne pouvant pas enquecircter sur tous les logiciels existants nous nous contentons de citer (par ordre alphabeacutetique) quelques logiciels sur lesquels il y a eu des publications scientifiques et des travaux de validation [Fontoynont 1999]
1221 Adeline Deacuteveloppeacute dans le cadre de lrsquoIEA Adeline a eacuteteacute fondeacute sur les logiciels Superlite et Radiance par le biais drsquoun modeleur graphique et drsquooutils de DAO Ainsi il permet de deacutefinir la geacuteomeacutetrie avec son propre systegraveme de DAO par lrsquoentreacutee manuelle des coordonneacutes carteacutesiennes ou agrave partir drsquoun fichier DXF
Le logiciel est muni drsquoune bibliothegraveque de base de donneacutees de mateacuteriaux de luminaires et de mobilier Il produit des reacutesultats numeacuteriques ou bien graphiques Au-delagrave des eacuteclairements et des luminances Adeline permet de calculer lrsquoeacutenergie consommeacutee par lrsquoeacuteclairage artificiel en fonction des apports de lumiegravere du jour [Erhorn 1998] [Scartezzini 1993]
1222 Genelux Le logiciel Genelux deacuteveloppeacute au laboratoire des sciences de lrsquohabitat utilise un algorithme de lancer direct et suivi de rayons lumineux (Forward Ray tracking) La distribution des rayons reacutefleacutechis est effectueacutee en ayant recours agrave une technique statistique de Monte Carlo
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Chapitre I
Dans le cas ougrave les surfaces seraient parfaitement diffusantes il est possible de faire appel agrave un algorithme baseacute sur la meacutethode de radiositeacute afin de reacuteduire les temps de simulation Genelux peut modeacuteliser les surfaces speacuteculaires diffuses ou mixtes en transmission etou reacuteflexion Il peut eacutegalement prendre en consideacuteration des quantiteacutes spectrales en deacutecomposant les rayons incidents par bandes spectrales [Mitanchey 1996] [Maamari 2003]
1223 Inspirer Destineacute surtout au domaine de lrsquoarchitecture avec comme fonctionnaliteacutes les calculs de lrsquoeacuteclairage les analyses de visibiliteacute et la visualisation des projets Pour le calcul de lrsquoeacuteclairage il utilise des approches hybrides surtout la meacutethode bi-directionnelle de Monte Carlo au Lancer de Rayons Ce qui diffeacuterencie le plus ce logiciel est lrsquoutilisation des formules de BRDF qui permet de respecter les variations de reacuteflexion et de transmission (diffuse et speacuteculaire) ainsi que des couleurs selon lrsquoangle drsquoincidence et de vision [Maamari 2003]
1224 DIAL Leso-Dial Le but du logiciel est de donner aux architectes des informations utiles concernant lrsquoutilisation de la lumiegravere de jour dans un bacirctiment degraves la phase de lrsquoavant projet Il calcule le facteur de lumiegravere du jour sur le plan utile gracircce agrave une utilisation hybride de formule analytique et empirique [Paule 1995]
1225 Lightscape 32 Crsquoest un logiciel qui est destineacute agrave des utilisations graphiques mais il offre eacutegalement des fonctionnaliteacutes inteacuteressantes pour la simulation physique de la lumiegravere Il utilise un algorithme de radiositeacute pour le calcul quantitatif et un algorithme de lancier de rayons pour lrsquoameacutelioration qualitative et visuelle des images de synthegraveses Ce logiciel est deacutecrit en deacutetail dans la partie IV11 de ce document [Khodulev 1996] [Maamari 2002]
1226 Radiance Le logiciel Radiance utilise un algorithme de lancer inverse de rayons Le lancer des rayons peut ecirctre stoppeacute si leur eacutenergie est jugeacutee insuffisante Les rayons reacutefleacutechis peuvent ecirctre geacuteneacutereacutes selon une fonction de distribution permettant la simulation de reacuteflexions speacuteculaires semi-speacuteculaires ou diffuses Ce lancer de rayons est compleacuteteacute drsquoun calcul statistique de reacuteflexion diffuse pour distribuer le flux reacutesiduel [Ward 1994] [Grynberg 1988]
1227 Superlite Le logiciel Superlite utilise une meacutethode point agrave point de radiositeacute Toutes les surfaces sont supposeacutees ecirctre parfaitement diffusantes Crsquoest la meacutethode la plus rapide mais elle est toutefois limiteacutee aux surfaces diffuses [Grynberg 1988]
I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels Lrsquoutilisation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage se geacuteneacuteralise de plus en plus dans le domaine de conception en eacuteclairage et au-delagrave Ainsi de nos jours ces logiciels sont utiliseacutes aussi bien par des bureaux drsquoeacutetude du bacirctiment et des architectes que par des deacuteveloppeurs de jeu videacuteo Les applications peuvent ecirctre entre autres [IESNA 1999] [3D-lumiegravere 2000] [Maamari 2002]
1 La conception en eacuteclairage artificiel Que ce soit pour lrsquoeacuteclairage inteacuterieur des bacirctiments lrsquoeacuteclairage des faccedilades des monuments des voiries des trottoirs ou lrsquoeacuteclairage des
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Chapitre I
tunnels etc Elle comprend entre autre le dimensionnement des systegravemes lrsquoanalyse du confort visuel et de la consommation etc
2 La conception en eacuteclairage naturel dimensionnement des ouvertures et des protections solaires orientation des projets analyse de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour et eacutetudes des FLJhellip
3 Le rendu et la preacutesentation des projets par les architectes et par les deacutecorateurs drsquointeacuterieur 4 La creacuteation de scegravenes de reacutealiteacute virtuelle pour le monde du cineacutema de la publiciteacute ou des
jeux videacuteohellip 5 La conception mecircme des optiques de luminaires ou de phares de voitures
Le domaine drsquoutilisation drsquoun logiciel donneacute deacutepend des fonctionnaliteacutes proposeacutees par ce logiciel de ses capaciteacutes agrave simuler avec un certain degreacute de fiabiliteacute et de faciliteacute les diffeacuterents domaines de la propagation de la lumiegravere en relation avec les besoins de lrsquoutilisateur
Bien que les algorithmes de calcul utiliseacutes dans les logiciels se ressemblent ces derniers ne sont pas tous adapteacutes pour les mecircme types drsquoapplications et ne reacutepondent pas aux mecircmes besoins
Ainsi certains utilisateurs cherchent en prioriteacute la faciliteacute drsquoutilisation des fonctionnaliteacutes en relation avec leur propre activiteacute en deacutepit des autres fonctionnaliteacutes et mecircme parfois en deacutepit de la validiteacute des reacutesultats Drsquoailleurs crsquoest agrave cause de ce contexte que des deacuteveloppeurs de logiciels commerciaux ont tendance agrave proposer des interfaces et des fonctionnaliteacutes optimiseacutees et orienteacutees vers un domaine drsquoapplication donneacute Ainsi nous commenccedilons agrave trouver par exemple des logiciels deacutedieacutes agrave la conception de lrsquoeacuteclairage public etou des tunnels (ex Tunnel-Lite) drsquoautres agrave la conception des protections solaires (ex ParaSol) etc
Cependant il est encore difficile de nos jours agrave un concepteur de bacirctiment de savoir quel est le ou les logiciels existants qui reacutepondent le mieux agrave ses propres besoins Crsquoest ce qui ressort dans les diffeacuterentes enquecirctes meneacutees sur lrsquoutilisation des logiciels en particulier celle meneacutee par le club 3D-Lumiegravere [3D-lumiegravere 2000] et celle que nous avons meneacutee au Light and Building 2002 [Maamari 2002] (voir annexe D) Nous notons par exemple dans ces deux enquecirctes lrsquoutilisation par des concepteurs lumiegravere de logiciels graphiques (Photoshop) en tant qursquooutils de conception
I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I31 Introduction Comme son nom lrsquoindique un logiciel de simulation de lrsquoeacuteclairage est supposeacute simuler la reacutealiteacute Mais la fideacuteliteacute de la simulation agrave la reacutealiteacute est loin drsquoecirctre veacuterifieacutee pour tous les logiciels existants sur le marcheacute international
Drsquoailleurs le niveau de preacutecision et de similitude (entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage et la reacutealiteacute) exigeacute ou souhaiteacute par les diffeacuterents utilisateurs nrsquoest pas neacutecessairement le mecircme et peut varier largement selon la speacutecificiteacute de leurs domaines drsquoactiviteacute [Maamari 2002]
Ainsi pour des utilisateurs qui srsquointeacuteressent uniquement au rendu graphique une image de synthegravese reacutealiste sans ecirctre neacutecessairement proche de la reacutealiteacute peut ecirctre suffisante Pour eux la question de la validation scientifique du logiciel utiliseacute ne se pose pas trop
Alors que pour des utilisateurs qui comptent extraire drsquoune simulation des cartes de luminances pour analyser le confort visuel de lrsquooccupant la validiteacute du logiciel devient drsquoune
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Chapitre I
importance de premier ordre Ceci est eacutegalement vrai pour les concepteurs en eacuteclairage qui ont besoin de veacuterifier que le niveau drsquoeacuteclairement est suffisant sur le plan de travail
Mais quel que soit le niveau de preacutecision souhaiteacute il est important pour un futur utilisateur de savoir la preacutecision qursquoil peut attendre de la part du logiciel qursquoil souhaite utiliser pour un type donneacute de tacircches Cette information est mecircme indispensable pour aboutir agrave une utilisation responsable des logiciels de simulation mais cela ne peut ecirctre possible qursquoagrave travers une validation rigoureuse et transparente de ce logiciel
Une validation rigoureuse et transparente des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage est une tacircche immense et drsquoune complexiteacute non neacutegligeable Ce qui est vrai pour tous les logiciels baseacutes sur des lois physiques comme par exemple les logiciels de simulation thermique
Cette complexiteacute est drsquoautant plus vraie quand on srsquointeacuteresse agrave lrsquoorientation du choix des utilisateurs vers un logiciel qui reacutepond le mieux agrave leurs propres besoins Dans ce contexte on souhaite veacuterifier la capaciteacute du logiciel agrave simuler avec preacutecision les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere lieacutes au domaine drsquoutilisation mais aussi on veut comparer cette capaciteacute agrave drsquoautres logiciels existants
La multitude des aspects qui entrent en jeu dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere combineacutee agrave la diversiteacute des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage contribuent agrave cette complexiteacute
Ainsi un logiciel capable de simuler des luminaires agrave optique diffusante nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler un luminaire avec une optique asymeacutetrique De mecircme un logiciel capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour agrave travers un vitrage ordinaire nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave travers un vitrage ou un systegraveme de protection solaire agrave aspect bidirectionnel etc
Nous preacutesentons ci-dessous une eacutetude bibliographique sur lrsquoeacutetat de lrsquoart du domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I32 Diffeacuterents types de validation En ce qui concerne les types de travaux de validation reacutealiseacutes nous avons pu identifier les suivants
I321 La validation analytique La validation analytique comme son nom lrsquoindique porte sur des cas theacuteoriques pour lesquels il existe des lois analytiques Ces lois sont issues des notions de base de la science physique lieacutees au rayonnement eacutelectromagneacutetique
Les travaux de validation baseacutes sur des reacutefeacuterences analytiques sont assez rares parmi les travaux reacutealiseacutes que nous avons pu trouver lors de notre recherche bibliographique
Cependant la validation analytique preacutesente des avantages consideacuterables comme la possibiliteacute de limiter les paramegravetres lieacutes agrave la propagation de la lumiegravere qui entrent en jeu dans un sceacutenario test Nous notons aussi lrsquoavantage de donner des solutions de reacutefeacuterences avec des incertitudes nulles ou neacutegligeables
En contrepartie la validation analytique ne peut couvrir que des domaines limiteacutes de la propagation de la lumiegravere Ce sont en geacuteneacuteral des cas de figures simples pour lesquels existe une loi theacuteorique [Aizlewood 1997]
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Chapitre I
I322 La validation expeacuterimentale Dans ce type de validation les reacutesultats des logiciels sont compareacutes agrave des mesures expeacuterimentales Ces mesures peuvent ecirctre reacutealiseacutees dans
a des maquettes drsquoeacutetude agrave eacutechelle reacuteduite [Caroll 1999] b des cellules tests agrave eacutechelle 11 c ou des piegraveces reacuteelles [Galasiu 1998] [Jarvis 1997]
Quel que soit le type des mesures reacutealiseacute la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales agrave utiliser pour des travaux de validation est confronteacutee agrave des obstacles consideacuterables
Le premier est lieacute aux sources drsquoerreur introduites lors de la description du sceacutenario expeacuterimental afin de le reproduire dans une simulation numeacuterique
Lrsquoimportance de cet obstacle est aggraveacutee par la multitude des paramegravetres qui entrent en jeu dans un sceacutenario expeacuterimental et par lrsquointeraction entre les sources drsquoerreurs lieacutees agrave chacun de ces paramegravetres
A titre drsquoexemple les sources drsquoerreur peuvent survenir lors de la description de la source de lumiegravere (artificielle ou reacuteelle) lors de la description de la photomeacutetrie des mateacuteriaux (reacuteflexion bidirectionnelle caracteacuteristiques spectraleshellip) etc
Un autre obstacle est ducirc agrave lrsquoincertitude qui existe dans la valeur mesureacutee et cela quelle que soit la preacutecision du protocole expeacuterimental appliqueacute Cette incertitude est lieacutee en partie agrave la preacutecision de lrsquoappareil de mesure et agrave son positionnement
Ducirc agrave tous ces obstacles la comparaison entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique et les mesures expeacuterimentales permet difficilement de conclure sur la preacutecision du logiciel testeacute
Il est aussi important de noter qursquoun des plus grands obstacles agrave la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales fiables reste celui des moyens techniques financiers et humains neacutecessaires aux expeacuterimentations
I323 La validation comparative Elle porte sur une comparaison des reacutesultats de simulation de plusieurs logiciels entre eux Cela peut ecirctre fait avec lrsquoexistence ou non drsquoune reacutefeacuterence expeacuterimentale ou analytique
Lrsquoavantage des comparaisons est de donner la possibiliteacute aux utilisateurs de mieux choisir entre plusieurs logiciels selon leur performance dans un domaine donneacute de la simulation
Cependant lrsquoutilisation des reacutesultats drsquoune comparaison afin de juger des logiciels les uns par rapport aux autres neacutecessite un maximum de transparence en particulier sur la complexiteacute des proceacutedures et sur le temps de calcul neacutecessaire pour obtenir ces reacutesultats [Grynberg 1988] [Fontoynont 1999] [Maamari 2003]
I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes Les travaux de validation reacutealiseacutes sur des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage ne manquent pas en nombre cependant crsquoest la creacutedibiliteacute de ces travaux qui nrsquoest pas toujours veacuterifieacutee
En ce qui concerne les rares travaux de validation existants qui beacuteneacuteficient drsquoune creacutedibiliteacute scientifique ou celle drsquoun organisme agreacuteeacute nous citons les suivants
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Chapitre I
I331 Le travail de Khodulev et Kopylov Ce travail reacutealiseacute et publieacute par Andrei B Khodulev et Edward A Kopylov en 1996 [Khodulev 1996] est lrsquoun des rares travaux de validation qui ont utiliseacute une reacutefeacuterence analytique
Le travail porte sur une validation comparative entre les logiciels Lightscape Specter et Radiance Une description des trois logiciels est donneacutee portant sur plusieurs critegraveres y compris lrsquointerface utilisateur
Un des sceacutenarios utiliseacutes pour la comparaison est celui drsquoune piegravece cubique fermeacutee avec une source lumineuse isotrope au centre La comparaison porte sur lrsquoeacuteclairement au niveau des points de mesure situeacutes sur le sol La valeur de reacutefeacuterence de cet eacuteclairement est calculeacutee semi-analytiquement pour prendre en consideacuteration la composante reacutefleacutechie interne
I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE Ce rapport repreacutesente un exemple ideacuteal sur la creacuteation des donneacutees expeacuterimentales fiables pour la validation des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage [Slater 2002]
Le travail deacutecrit dans ce rapport porte sur un protocole expeacuterimental qui a eacuteteacute deacutefini et conduit drsquoune maniegravere remarquablement rigoureuse dans une cellule test agrave eacutechelle 11 Le but est de creacuteer une base de donneacutees expeacuterimentales pour la validation des logiciels de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel
Le rapport comprend une description preacutecise du sceacutenario expeacuterimental y compris les dimensions de la geacuteomeacutetrie (une piegravece carreacutee) la position des lampes ou des luminaires la position des points de mesure ainsi que le coefficient de reacuteflexion des surfaces La description du sceacutenario comprend aussi les fichiers photomeacutetriques des luminaires au format CIBSE TM 14 sachant que la photomeacutetrie reacuteelle de chaque luminaire a eacuteteacute mesureacutee seacutepareacutement dans un laboratoire agreacuteeacute
Le protocole expeacuterimental comprend un controcircle du flux lumineux agrave travers lrsquoobservation et le controcircle des fluctuations du courant eacutelectrique et de la tempeacuterature de la piegravece Les lampes et les ballasts ont eacuteteacute vieillis Les lampes ont eacuteteacute preacutechauffeacutees une heure avant les mesures
Les capteurs ont eacuteteacute calibreacutes et fixeacutes sur un trolley afin de garantir la reacutepeacutetitiviteacute de leur position Six diffeacuterentes mesures ont eacuteteacute prises pour chaque point agrave lrsquoaide de deux capteurs diffeacuterents la moyenne de ces mesures a eacuteteacute utiliseacutee comme reacutefeacuterence
Une estimation des erreurs de mesures a eacuteteacute calculeacutee ainsi que des erreurs de simulation dues agrave lrsquoincertitude dans la description du sceacutenario Les reacutesultats ont alors eacuteteacute preacutesenteacutes sous forme de deux bandes de valeurs la premiegravere bande est celle des mesures prises + ou ndash lrsquoestimation des erreurs de mesure et lrsquoautre est celle des mesures + ou ndash le total des erreurs estimeacutees y compris les erreurs de simulation
I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA Ce travail a eacuteteacute meneacute dans le cadre de la tache 21 de lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie intituleacutee lumiegravere naturelle dans les bacirctiments En effet un projet a eacuteteacute deacutedieacute au thegraveme de la validation des logiciels de calcul en eacuteclairage et a fait lrsquoobjet drsquoune collaboration entre les laboratoires de six nations diffeacuterentes parmi lesquels le Laboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Fontoynont 1999] [Maamari 2002]
Dans le cadre de ce projet des donneacutees expeacuterimentales ont eacuteteacute reacutecolteacutees agrave travers des mesures drsquoeacuteclairement agrave lrsquointeacuterieur drsquoune seacuterie de maquettes agrave eacutechelle reacuteduite placeacutees sous des ciels
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Chapitre I
artificiels Trois bacirctiments types ont eacuteteacute testeacutes sous plusieurs configurations en changeant les types drsquoouverture etou les coefficients de reacuteflexion des surfaces
Les sceacutenarios expeacuterimentaux ont eacuteteacute simuleacutes agrave lrsquoaide des logiciels drsquoeacuteclairage naturel Adeline Genelux Leso-DIAL Radiance et Superlite Les reacutesultats des simulations ont eacuteteacute compareacutes entre les diffeacuterents logiciels et confronteacutes aux mesures expeacuterimentales
Cette comparaison a montreacute que le calcul des eacuteclairements agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment dus agrave lrsquoeacuteclairage naturel demande une description minutieuse des luminances des portions de la voucircte ceacuteleste vues par la fenecirctre Les eacuteclairements directs agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment sont alors calculeacutes avec une preacutecision de lrsquoordre de 5 La preacutecision des calculs des reacuteflexions multiples agrave lrsquointeacuterieur de la piegravece deacutepend quant agrave elle des proprieacuteteacutes des surfaces inteacuterieures et en particulier de la lrsquoaspect bidirectionnel de ces surfaces
Cette eacutetude a montreacute finalement que les programmes doivent ecirctre utiliseacutes avec beaucoup de preacutecautions car les reacutesultats de simulation sont tregraves sensibles agrave la qualiteacute des hypothegraveses et des paramegravetres drsquoentreacutee description de la source de lumiegravere geacuteomeacutetrie du bacirctiment paramegravetres de simulation
I34 Analyse de la probleacutematique Drsquoapregraves la recherche bibliographique preacutesenteacutee ci-dessus sur le domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage nous pouvons reacutesumer la probleacutematique de ce domaine dans les points suivants
1 Difficulteacute drsquoaccegraves agrave lrsquoinformation Elle est due en particulier agrave lrsquoabsence de sources publiques speacutecialiseacutees dans le domaine
2 Manque de transparence Ainsi nous trouvons souvent des reacutesultats de validation preacutesenteacutes sans suffisamment drsquoinformation sur les proceacutedures qui ont abouti agrave ces reacutesultats
3 Manque de creacutedibiliteacute une partie importante des travaux de validation existants est reacutealiseacutee par les deacuteveloppeurs des logiciels testeacutes les sources drsquoincertitudes dans les valeurs de reacutefeacuterence ne sont souvent pas prises en consideacuteration etc
4 Manque de travaux concluants sur la validiteacute du logiciel testeacute Ceci est ducirc en partie agrave la complexiteacute des sceacutenarios expeacuterimentaux et agrave la restriction des domaines testeacutes Ainsi il est rarement possible drsquoidentifier avec certitude les points de faiblesse et les domaines drsquoapplication drsquoun logiciel testeacute
5 Absence de reacutefeacuterences standardiseacutees Ce qui fait qursquoun certain aspect de la propagation de la lumiegravere est testeacute dans diffeacuterents logiciels avec des protocoles diffeacuterents Ce qui ne permet pas une comparaison transparente et objective entre ces diffeacuterents logiciels
6 Manque de validations analytiques malgreacute les avantages de ce type de validation
En reacuteponse aux problegravemes listeacutes ci-dessus nous identifions en particulier le besoin drsquoune standardisation et drsquoune mise agrave disposition des reacutefeacuterences de validation fiables de preacutefeacuterence sous la garantie et le controcircle drsquoun ou plusieurs organismes creacutedibles
I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
I351 Introduction Le premier objectif qursquoon pourrait attendre des travaux de validation crsquoest de pouvoir ameacuteliorer la confiance des utilisateurs dans les logiciels de simulation A savoir qursquoameacuteliorer la confiance ne veut pas forceacutement dire lrsquoaugmenter Mais plutocirct sensibiliser les utilisateurs aux capaciteacutes et aux limites des diffeacuterents logiciels dans les diffeacuterents domaines de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Ainsi agrave travers lrsquoidentification des points de faiblesse
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Chapitre I
drsquoun logiciel et de ces domaines drsquoapplication on pourra aboutir agrave une utilisation responsable de ces logiciels
Drsquoougrave le besoin drsquoune meacutethodologie de validation qui permet de tester la capaciteacute drsquoun logiciel agrave simuler les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Cette meacutethodologie doit eacutegalement palier les deacutefaillances rencontreacutees dans le domaine agrave noter creacutedibiliteacute fiabiliteacute et accessibiliteacute
I352 Concept et approche proposeacutes Pour atteindre les objectifs fixeacutes ci-dessus la meacutethodologie de validation proposeacutee repose un concept de base qui est celui de tester seacutepareacutement les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Ceux-ci peuvent ecirctre classeacutes sous 3 grands groupes
1 La description de la source de lumiegravere et le calcul de lrsquoeacuteclairement direct 2 Le transfert du flux lumineux agrave travers les composants de la fenecirctre et lrsquoinfluence des
masques 3 Les inter-reacuteflexions sur les diffeacuterents mateacuteriaux avec diffeacuterentes photomeacutetries
Pour appliquer ce concept cette meacutethodologie de validation est baseacutee sur une seacuterie de cas-tests chacun traitant un sceacutenario drsquoeacuteclairage simple (un nombre limiteacute de paramegravetres) ougrave un certain aspect de la propagation de lumiegravere est mis en eacutevidence La description des cas-tests comprend la geacuteomeacutetrie les sources de lumiegravere ainsi qursquoune seacuterie de valeurs de reacutefeacuterence agrave utiliser pour tester la capaciteacute du logiciel agrave simuler lrsquoaspect en question Ces valeurs de reacutefeacuterence sont obtenues soit agrave lrsquoaide drsquoun calcul analytique quand crsquoest possible (pour des sceacutenarios theacuteoriques) ou bien agrave partir de mesures expeacuterimentales
Ainsi chaque cas-test est applicable agrave tout logiciel proposant des fonctionnaliteacutes lieacutees agrave lrsquoaspect traiteacute (dans ce cas-test) indeacutependamment des algorithmes utiliseacutes des meacutethodes de calcul adopteacutees ou des paramegravetres utiliseacutes
Cependant il est possible drsquoassocier agrave chaque test une eacutetude parameacutetrique propre agrave chaque logiciel Une telle eacutetude permet de mieux comprendre lrsquoinfluence des diffeacuterents paramegravetres proposeacutes sur la preacutecision du logiciel dans un aspect donneacute de la propagation de la lumiegravere
Pour une utilisation optimale de cette meacutethodologie de validation les cas-tests doivent couvrir tous les aspects de la propagation de la lumiegravere Ils seront alors utiliseacutes en tant qursquooutil unique et complet pour tester un logiciel donneacute
Une comparaison geacuteneacuterale des reacutesultats des simulations drsquoun logiciel donneacute aux valeurs de reacutefeacuterences de la seacuterie de cas-tests donnera une ideacutee claire sur les domaines ougrave le logiciel testeacute respecte ou non les lois physiques Ceci permettra agrave un utilisateur de veacuterifier si ce logiciel est compatible avec son propre domaine drsquoactiviteacute et agrave un deacuteveloppeur de veacuterifier si son logiciel a atteint les perspectives souhaiteacutees
De la mecircme faccedilon une comparaison entre les reacutesultats de diffeacuterents logiciels et les valeurs de reacutefeacuterence permet drsquooffrir une vision objective sur le logiciel qui reacutepond le mieux agrave une exigence donneacutee
46
Chapitre I
Conclusions Suite agrave notre eacutetude bibliographique sur le domaine de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage nous avons orienteacute le travail de cette thegravese (agrave travers les chapitres suivants) de faccedilon agrave reacutepondre agrave certains des problegravemes identifieacutes dans ce domaine
Ainsi en ce qui concerne le manque de fiabiliteacute dans les travaux de validation des logiciels nous deacuteveloppons la meacutethode de validation que nous avons proposeacutee Dans ce cadre nous creacuteons une seacuterie de cas-tests en relation avec diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere traiteacutes ci-dessus Ces cas-tests sont reacutepartis en deux familles lrsquoune avec des sceacutenarios theacuteoriques et des reacutefeacuterences analytiques et lrsquoautre avec des reacutefeacuterences expeacuterimentales reacutepondant agrave des critegraveres de controcircle de qualiteacute que nous avons deacutefinis
En ce qui concerne la difficulteacute de simuler des sceacutenarios reacuteels de lumiegravere naturelle nous proposons et validons une meacutethode de simulation agrave partir des cartes de luminances reacuteelles agrave haute deacutefinition
Finalement nous proposons et nous validons une meacutethode de simulation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquoaide des luminaires eacutequivalents Cette meacutethode permet agrave la simulation de la lumiegravere de jour de beacuteneacuteficier de la preacutesence confirmeacutee des outils de simulation de la lumiegravere artificielle dans le domaine de la conception des bacirctiments Elle permet eacutegalement de surmonter un nombre de difficulteacutes rencontreacutees dans certains logiciels classiques de simulation la lumiegravere naturelle en particulier celles lieacutees agrave la preacutecision des reacutesultats par rapport au temps de calcul et agrave la simulation des masques exteacuterieurs
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Chapitre I
Reacutefeacuterences Bibliographiques 3D-LUMIEgraveRE Enquecircte sur la connaissance et lrsquoutilisation des systegravemes informatiques de simulation drsquoeacuteclairage Paris Club 3D Lumiegravere 2000 11 p ACHARD G LAFORGUE P SOUYRI B FONTOYNONT M BASTIE A MITANCHEY R Etude dun systegraveme Metrologique de Confort Radiatif Integrant lAspect Thermique et lAspect Visuel Paris 1994 60 p AFE Les sources de lumiegravere Socieacuteteacute dEdition Lux 1987 199 p AIZLEWOOD M BUTT J ISAAK K LITTLEFAIR P Daylighting in atria a comparison of measurements theory and simulation Lux Europa 1997 Amsterdam-Netherlands 1997 ANDERSEN M RUBIN M POWLES R SCARTEZZINI J L Bi-directional light transmission properties assessment for venetian blinds Computer simulations compared to photogoniometer measurements ISES Solar World Congress 2003 - Solar Energy for a Sustainable Future Gothenburg - Sweden International Solar Energy Society 2003 ANDERSEN M RUBIN M SCARTEZZINI J-L Comparison between ray-tracing simulations and bi-directional transmission measurements on prismatic glazing Solar Energy 2003 vol 74 ndeg2 pp 157-217 ANSIIESNA ANSIIESNA LM-63-02 ANSI Approved Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data and Related Information ANSIIESNA LM-63-02 2002 26 p ASE Eclairage inteacuterieur par la lumiegravere du jour Norme Suisse SN 418911 Zuumlrich Association Suisse des Electriciens 1989 ASHDOWN I Near-Field Photometry A New Approach IES 1993 vol 22 ndeg1 pp 163-180 ASHDOWN I EULUMDAT File Format Specification [en ligne] Disponible sur lthttpwwwhelios32comEulumdathtmgt (09 Mars 2004) ASHDOWN I Thinking photometrically Part II 105 Las Vegas workshop-Lightfair International 2001 42 p ASHRAE-IESNA Energy efficient design of new buildings except new low-rise residential buildings ASHRAEIES 901-1989 American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditionaing Engginers 1989 AUTODESK Lightscape 32 Users Guide 32 Autodesk 1999 352 p BALOCCO C FORASTIERE M A GRAZZINI G RIGHINI G C Experimental results of transparent reflective and absorbing propoerties of some building materials Energy and Buildings 2001 vol 33 pp 563-568
48
Chapitre I
CAROLL W L HITCHCOCK R J Recent Comparisons of SUPERLITE to Scale Model Data LBNL-43107 Lawrence Berkeley National Laboratory 1999 CHAIN C DUMORTIER D FONTOYNONT M A comprehensive model of luminance correlated colour temperature and spectral distribution of skylight Comparison with experimental data Solar Energy 1999 vol 65 ndeg5 pp 285-295 CIBSE CIBSE standard file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIBSE TM 14 London CIBSE 1988 CIE Daylight CIE-16 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1970 79 p CIE Standardization of Luminance Distribution on Clear Skies CIE-22 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1973 CIE Calculations for Interior Lighting Basic Method CIE-40 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1978 CIE Absolute Methods for Reflection Measurements CIE-44 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 CIE A Review of Publications on Properties and Reflection Values of Material Reflection Standards CIE-46 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 99 p CIE Calculations for Interior Lighting Applied Method CIE-52 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1982 CIE The Spectroradiometric Measurement of Light Sources CIE-63 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1984 CIE Colorimetry 2nd Edition CIE-152 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1986 CIE The Measurement of Absolute Luminous Intensity Distributions CIE-70 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1987 CIE The Measurement of Luminous Flux CIE-84 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1989 CIE Standard overcast and clear sky 3rd Draft Vienne Commission Internationale de LrsquoEclairage 1990 CIE Electric Light Sources State of the Art-1991 CIE-96 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1992 CIE Recommended file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIE-102 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1993 CIE Guide to Recommended Practice of Daylight Measurement CIE-108 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1994
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Chapitre I
CIE Discomfort Glare in Interior Lighting CIE-117 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1995 CIE The Photometry and Goniophotometry of Luminaires CIE-121 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE The Relationship Between Digital and Colorimetric Data for Computer-Controlled CRT Displays CIE-122 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance CIE-130 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1998 CIE Spatial distribution of daylight - CIE standard general sky Vienne Commission Internationale de lEclairage 2002 7 p COHEN M F CHEN S E WALLACE J R GREENBERG DP A progressive refinement approach to fast radiosity image generation 15th annual conference on computer graphics and interactive techniques ACM Press New York 1988 pp 75-84 DE BOER J Encorporation of numerical goniophotometry into daylighting design CISBAT 2003 Lausanne EPFL 2003 pp 229-234 DE BOER J ERHORN H Survey Simple Design Tools IEA 1999 49 p DENIEL J M Modeacutelisation des luminaires et des BRDF Reacutealisation mesure et compression Thegravese en Informatique Rennes Universiteacute de Rennes 1 2002 277 p DUMORTIER D Mesure Analyse et Modeacutelisation du gisement lumineux Application agrave leacutevaluation des performances de leacuteclairage naturel des bacirctiments Thegravese en Geacutenie Civil et Sciences de lHabitat Vaulx en Velin ENTPE Universiteacutee de Savoie 1995 295 p DUMORTIER D Lumiegravere naturelle et rayonnement solaire - Mesures au sol et estimations agrave partir dimages satellites - Deacuteveloppement de services Web pour leacuteclairage naturel des bacirctiments HDR Thermique et Energeacutetique Vaulx en Velin ENTPE 2003 161 p DUMORTIER D VAN ROY F SODA daylighting resource SODA Deliverable 53C 2002 DUMORTIER D VETRO P Luminance calibration of the Nikon 950 digital cameras Lux Europa Reykjavik 2001 ERHORN H DE BOER J DIRKSMOLLER M ADELINE - An Integrated Approach to Lighting Simulation Daylighting 98 Ottawa 1998 FOLEY D J VAN-DAM A FEINER S K HUGHES J F Computer Graphics Principles and Practice Second Edition ADDISON-WESLEY 1990 (The systems programming series
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Chapitre I
FONTOYNONT M Le point sur les meacutethodes de simulation et sur lrsquoutilisation de lrsquoimage de synthegravese en eacuteclairage LUX 1991 FONTOYNONT M LAFORGUE P MITANCHEY R AIZLEWOOD M BUTT J CARROLL W HITCHOCK R ERHORN H DE BOER J DIRKSMOumlLLER M MICHEL L PAULE B SCARTEZZINI J-L BODART M AND ROY G Validation of daylighting simulation programs IEA SHC Task 21 ECBCS Annex 29 1999 28 p GALASIU A ATIF M Applicability of Daylighting Computer Modeling in Real Case Studies Comparison between Measured and Simulated Daylight Availability and Lighting Consumption IEA SHC Task 21 IEA ECBCS Annex 29 Daylight in Buildings International Energy Agency National Research Council Canada 1998 68 p GREENUP P J EDMONDS I R COMPAGNON R RADIANCE algorithm to simulate laser-cut panel light-redirecting elements Lighting Research amp Technology 2000 vol 32 ndeg2 pp 49-54 GRYNBERG A Comparison and Validation of Radiance and Superlite Rapport interne Lawrence Berkeley National Laboratory 1988 HOPKINSON R G PETHERBRIDGE P LONGMORE J Daylighting William Heinneman Ltd London 1966 IEA-SHC Daylighting simulation Methods Algorithms and Ressources Agence Internaitonale de lEnergie - SHC 1999 IEA-SHC Measurement of Luminous Characteristics of Daylighting Materials Agence Internationale de lEnergie - SHC - Tacircche 21 1999 IESNA Calculating Coefficients of Utilisation Wall and Ceiling Cavity Exitance IES LM-57 New York Illuminating engineering Society of North America 1982 IESNA The Determination of Illuminance at a Point in Interior Spaces IES LM-43-1991 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 34 p IESNA An Introduction to Light and Lighting IES ED-50 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 51 p IESNA Lighting Handbook 8th Edition New York Illuminating engineering Society of North America 1993 IESNA IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data IESNA LM-63-95 New York Illuminating engineering Society of North America 1995 5 p IESNA 1999 IESNA Software Survey Lighting Design + Application 1999 vol 29 ndeg12 pp 39-48 JARVIS D DONN M Comparison of Computer and Model Simulations of a Daylit Interior with Reality 5th International conference on Building Performance and Simulation Association Prague Czech Republic 1997 pp 9-16
51
Chapitre I
KAJIYA J T Anisotropic Reflection Models SIGGRAPH85 San Francisco 1985 pp 15-21 KARAYEL M NAVVAB M NEEMAN E SELKOWITZ S Zenith Luminance and sky luminance distributions for daylighting calculations Energy Build 1984 vol 6 ndeg3 pp 283-291 KHODULEV A B KOPYLOV E A Physically accurate lighting simulation in computer graphics software GraphiConrsquo96 The 6th International Conference on Computer graphics and Visualization St Petersburg Russia 1996 pp 111-119 KITTLER R Standardisation of outdoor conditions for the calculation of daylight factor with clear skies Sunlight in Buinldings CIE Intercessional conference Newcastle-Upon-Tyne 1965 KLEMS J H WARNER J L Measurement of bidirectional optical properties of complex shading devices ASHRAE Symposium Chicago 1995 LESLIE R P Capturing the daylight in buildings why and how Building and Environment 2003 vol 38 pp 381-385 MAAMARI F International survey on lighting simulation tools - Light and Building 2002 IEA-SHC-Task-31 2002 7 p MAAMARI F FONTOYNONT M Use of IEA-SHC Task 21 C benchmarks to assess performance of Lightscape 32 in daylighting calculations EPIC Lyon France 2002 pp 709-714 MAAMARI F FONTOYNONT M HIRATA M KOSTER J MARTY C TRANSGRASSOULIS A Reliable Datasets for Lighting Programs Validation Benchmark results CISBAT 2003 Conference 2003 pp 6 MAAMARI F JONGEWAARD M KOSTER J TRANSGRASSOULIS A FONTOYNONT M A Step Toward A Complete And Objective Validation Methodology For Lighting Simulation Tools CIE 25th Session San Diego 2003 pp 4 MARDALJEVIC J Daylight Simulation Validation Sky Models and Daylight Coefficients Leicester UK Montfort University 2000 MARDALJEVIC J The BRE-IDMP dataset a new benchmark for the validation of illuminance prediction techniques Lighting Research and Technology 2001 vol 33 ndegISSN 1365-7828 pp 117-136 MITANCHEY R Synthegravese dimages appliqueacutee agrave leacuteclairagisme inteacuterieur des bacirctiments Thegravese en Informatique speacutecialiteacute images Saint-Etienne Leacutecole Nationale Supeacuterieure des Mines de Saint-Etienne 1996 200 p
52
Chapitre I
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Chapitre I
TREGENZA P Daylighting algorithms ETSU S 1350 UK Department of Trade and Industry on behalf of the Energy Technology Support Unit 1993 43 p TREGENZA P R WATERS I M Daylight Coefficients Lighting Research amp Technology 1983 vol 15 ndeg2 pp 65-71 TROWBRIDGE T S REITZ K P Average Irregularity Representation of a Rough Surface for Ray Reflection Opt Soc Am 1975 vol 65 ndeg5 pp 531-536 UETANI Y MATSUURA K A Method of Luminance Calculation in an Anisotropic Diffuse Reflecting Interior IESNA Annual Conference Technical Papers San Diego 1992 WARD G J The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System SIGGRAPH Computer graphics 1994 pp 459-472 WHITTED T An improved illumination model for shaded display Computer graphics amp Image processing 1980
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- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
Introduction On entend par logiciel de simulation de la lumiegravere un outil informatique qui permet de simuler la propagation de la lumiegravere dans un milieu donneacute Cette propagation est caracteacuteriseacutee par un certain nombre drsquoaspects drsquoordre physique Nous citons par exemple
- La photomeacutetrie des sources (naturelles ou artificielles) - Le transfert des flux agrave travers des mateacuteriaux vitreacutes (agrave caracteacuteristiques bidirectionnelle
ou non) - La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux (brillants mats hellip) - Le rocircle des obstructions et des masques - Lrsquoaspect spectral des sources et des mateacuteriaux - Le rendu graphique des reacutesultats
Nous menons dans cette partie du travail une eacutetude bibliographique pour mieux comprendre ces diffeacuterents aspects et les meacutethodes utiliseacutees pour leur simulation
I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation Dans cette partie nous listons les diffeacuterents eacuteleacutements qui affectent la propagation de la lumiegravere dans un bacirctiment et nous faisons le lien avec les moyens existants pour leur simulation
I11 Les sources de lumiegravere artificielle Les premiers eacuteleacutements agrave prendre en consideacuteration dans la propagation de la lumiegravere sont les sources de lumiegravere Nous commenccedilons par la lumiegravere artificielle qui est encore de nos jours mieux maicirctriseacutee que la lumiegravere naturelle dans le domaine de la conception et de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage
I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel Lrsquoeacuteleacutement de base de la lumiegravere artificielle est la lampe Vis-agrave-vis des pheacutenomegravenes de propagation de la lumiegravere une lampe est caracteacuteriseacutee en particulier par le flux lumineux et sa reacutepartition spectrale et spatiale
Cependant les lampes sont geacuteneacuteralement combineacutees agrave des optiques dont le but est de reacuteorienter le flux sortant drsquoune lampe afin drsquoameacuteliorer son efficaciteacute en particulier du point de vue des eacuteclairements reacutesultants sur les zones utiles et du confort visuel de lrsquooccupant Cette combinaison entre lampe et optique repreacutesente ce qursquoon appelle un luminaire
Ainsi un luminaire est caracteacuteriseacute par la quantiteacute du flux lumineux sortant qui deacutepend du flux de la lampe et des absorptions dans lrsquooptique par la reacutepartition spectrale de ce flux qui correspond souvent agrave celle de la lampe utiliseacutee et finalement par la reacutepartition du flux sortant dans lrsquoespace affecteacutee surtout par la geacuteomeacutetrie et les mateacuteriaux de lrsquooptique et par la position de la lampe par rapport agrave celui-ci
Lrsquoensemble de ces caracteacuteristiques repreacutesente la photomeacutetrie drsquoun luminaire qui est un eacuteleacutement de base dans la conception et la simulation de lrsquoeacuteclairage artificiel En effet la prise en consideacuteration de la lumiegravere artificielle dans un projet drsquoeacuteclairage porte principalement sur les paramegravetres suivants
1 Niveau drsquoeacuteclairement requis sur les plans de travail 2 Confort visuel (eacuteblouissement direct contrastes dans le champ de visionhellip) [Achard
1994] 3 Systegravemes de controcircle et interaction avec lrsquoeacuteclairage naturel
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Chapitre I
4 Consommation eacutenergeacutetique 5 Coucirct drsquoinstallation et de maintenance 6 Estheacutetique et inteacutegration architecturale (rendu de couleur)
Les outils drsquoaide agrave la conception inteacutegrant ces paramegravetres peuvent varier entre les meacutethodes simplifieacutees de calcul manuel (souvent associeacutees agrave des abaques) et les logiciels baseacutes sur des algorithmes de calcul physique de plus en plus complexes et performants (Radiositeacute Lancer de rayon) [CIE 1978] [IESNA 1982] [CIE 1982] [CIE 1984] [AFE 1987] [CIE 1989] [CIE 1992] [CIE 1995] [IESNA 1991] [IESNA 1991]
I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires Pour pouvoir calculer lrsquoeacuteclairement direct ducirc agrave un luminaire il est neacutecessaire de connaicirctre le flux lumineux sortant et sa distribution directionnelle Cette distribution dite aussi distribution des intensiteacutes courbe photomeacutetrique ou solide photomeacutetrique est mesureacutee agrave lrsquoaide drsquoun goniophotomegravetre
Un goniophotomegravetre consiste agrave preacutesenter sous diffeacuterents angles un luminaire muni drsquoune lampe et drsquoun ballast eacutetalonneacutes agrave un capteur drsquoeacuteclairement situeacute agrave une grande distance Les premiers goniophotomegravetres conccedilus par Ferris Wheel permettaient de faire tourner le luminaire dans un plan horizontal et de faire tourner le capteur dans un plan vertical ce qui neacutecessite des grands espaces
De nos jours on utilise surtout des goniophotomegravetres agrave miroir ougrave le luminaire fait des rotations dans le plan horizontal et un miroir fait une rotation verticale autour du luminaire de faccedilon agrave reacutefleacutechir la lumiegravere incidente du luminaire vers un capteur fixe placeacute agrave une certaine distance
Figure I1 Exemple drsquoun goniophotomegravetre agrave miroir
On utilise eacutegalement une deuxiegraveme meacutethode de mesures goniophotomeacutetriques dite photomeacutetrie agrave distance drsquoapplication Elle consiste agrave mesurer point par point les eacuteclairements reccedilus sur une surface situeacutee agrave une certaine distance du luminaire Ces mesures seront interpoleacutees de faccedilon agrave conclure une distribution des intensiteacutes eacutequivalentes qui produirait les mecircmes valeurs si elle eacutetait positionneacutee au centre photomeacutetrique du luminaire Lrsquoinconveacutenient de cette meacutethode est qursquoelle nrsquoest applicable que pour une certaine distance
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Chapitre I
Une troisiegraveme meacutethode consiste agrave utiliser des capteurs CCD calibreacutes en luminance pour mesurer le champ de lumiegravere entourant la source Cette meacutethode est dite de photomeacutetrie agrave champ de luminances et elle est de plus en plus utiliseacutee dans le domaine de la photomeacutetrie en champ proche [CIE 1987] [CIE 1996] [Ashdown 2001] [Deniel 2002]
I113 Notion de champ proche - champ lointain Pour une mesure goniophotomeacutetrique drsquoun luminaire il faut faire la diffeacuterence entre mesures en champ proche et en champ lointain
Les mesures en champ lointain supposent que la source de lumiegravere mesureacutee est infiniment petite et pour laquelle peut srsquoappliquer la loi de lrsquoinverse du carreacute Cette hypothegravese est geacuteneacuteralement veacuterifieacutee agrave 2 pregraves pour les cas ougrave le point de mesure est agrave une distance du luminaire drsquoau moins cinq fois sa largeur (regravegle des 5x) Cependant cette notion nrsquoest pas toujours applicable comme par exemple pour les luminaires indirects de grande dimension (eg agrave tubes fluorescents)
Les mesures en champ proche prennent en consideacuteration lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute de la distribution des intensiteacutes entre diffeacuterentes zones drsquoune source Ca consiste agrave mesurer la distribution de la lumiegravere agrave une distance proche du luminaire
La photomeacutetrie en champ proche produit un grand nombre de donneacutees dont lrsquoexploitation nrsquoest pas encore agrave la porteacutee de la majoriteacute des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage existants Crsquoest pourquoi nous ne traitons pas la photomeacutetrie en champ dans notre travail [IESNA 1993] [Ashdown 1993] [Ashdown 2001] [Deniel 2002]
I114 Fichiers photomeacutetriques Les mesures goniophotomeacutetriques (en champ lointain) drsquoun luminaire sont souvent preacutesenteacutes sous forme de tableaux de valeurs ou des graphiques associant une valeur drsquointensiteacute lumineuse agrave chaque direction (repeacutereacutee par un angle vertical et un angle horizontal agrave partir du centre photomeacutetrique du luminaire ie centre de la rotation du luminaire)
La valeur donneacutee de lrsquointensiteacute peut ecirctre une valeur absolue mesureacutee ou bien une valeur relative en cdmsup2 pour un flux de 1000lm produit par la ou les lampes du luminaire
Pour prendre en consideacuteration ces donneacutees photomeacutetriques dans une simulation de lrsquoeacuteclairage un certain nombre de formats de fichiers numeacuterique a eacuteteacute creacuteeacute
7 Le format IESNA dit IES deacutefini et publieacute en 1986 par lrsquoIESNA (Illumination Engineering Society for North America) et depuis adopteacute par les constructeurs ameacutericains de luminaires et par les deacuteveloppeurs de logiciels de calcul drsquoeacuteclairage Ce format a eacuteteacute reacuteviseacute en 1991 en 1995 [IESNA 1995] et plus reacutecemment en 2002 [ANSIIESNA 2002]
8 Le format CIBSE TM 14 CIBSE standard file format for the electronic transfer of luminaire photometric data publieacute en 1988 et largement utiliseacute au Royaume Uni [CIBSE 1988]
9 Le format Eulumdat proposeacute par Stockmar A en 1990 et largement adopteacute par lrsquoindustrie europeacuteenne de lrsquoeacuteclairage [Stockmar 1990] [Stockmar 2000] [Ashdown 1999]
10 Le format CIE 102-1993 Recommended file format for electronic transfer of luminaire photometric data Ce rapport a eacuteteacute publieacute par la CIE dans lrsquoobjectif de standardiser un format international et unique mais il nrsquoa pas eacuteteacute suffisamment soutenu par lrsquoindustrie de lrsquoeacuteclairage ou par les deacuteveloppeurs de logiciels ce qui eacutetait le cas eacutegalement pour drsquoautres tentatives [CIE 1993]
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Chapitre I
Figure I2 Exemples de visualisation 3D de fichiers photomeacutetriques associeacutes agrave la geacuteomeacutetrie drsquoun luminaire
De faccedilon geacuteneacuterale les diffeacuterents formats proposeacutes preacutevoient une partie pour les informations geacuteneacuterales (sur le luminaire et les lampes utiliseacutees sur le flux sur les conditions de mesurehellip) une partie pour la description des angles de mesures (nombre drsquoangles verticaux et horizontaux et leurs valeurs les axes de symeacutetrie srsquoils existenthellip) puis une partie pour preacutesenter les valeurs drsquointensiteacute agrave associer agrave chaque angle de mesure
En ce qui concerne le flux reacuteel agrave utiliser pour la simulation il peut ecirctre deacuteduit de lrsquointeacutegration des intensiteacutes corrigeacutees ou non par un facteur multiplicateur (pour passer des valeurs relatives aux valeurs reacuteelles) ou bien il peut ecirctre donneacute en valeur absolue dans le fichier (Voir les exemples preacutesenteacutes dans lrsquoannexe G)
I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique) Lrsquoexploitation drsquoun fichier photomeacutetrique dans un logiciel se fait agrave lrsquoaide drsquoune interpolation des valeurs donneacutees pour les diffeacuterentes directions de mesure pour en deacuteduire des valeurs drsquointensiteacute agrave affecter agrave toutes les autres directions Il existe plusieurs meacutethodes drsquointerpolation dont les plus utiliseacutees la meacutethode diteSpline la meacutethode lineacuteaire et la meacutethode dite Seacuteries de Fourier Quelle que soit la meacutethode drsquointerpolation utiliseacutee il existe une source drsquoerreur potentielle en particulier dans le cas de variation rapide des valeurs drsquointensiteacute reacuteelles entre les directions mesureacutees Pour cela il est conseilleacute de faire des mesures goniophotomeacutetriques avec des pas de mesure assez fins en particulier pour les luminaires agrave photomeacutetrie complexe
Suite agrave cette interpolation le logiciel dispose drsquoune distribution drsquointensiteacute complegravete dite aussi solide photomeacutetrique qursquoil pourra utiliser pour calculer les eacuteclairements directs reccedilus sur les diffeacuterentes surfaces de la geacuteomeacutetrie Ce calcul est baseacute sur la formule deacutefinissant la relation entre lrsquointensiteacute (Iox) drsquoune source ponctuelle (O) dans la direction drsquoun point donneacute (X) lrsquoangle drsquoincidence par rapport agrave la surface de mesure (θ) et la valeur drsquoeacuteclairement reacutesultante sur ce point (E = Iox cosθ dsup2)
Etant donneacute que ce calcul prend en consideacuteration une source point (caracteacuteriseacutee par le solide photomeacutetrique souvent placeacute au centre photomeacutetrique du luminaire) il est important de veacuterifier la loi de 5x entre la distance d et la longueur du luminaire
Cependant la majoriteacute des logiciels existants procegravedent agrave une subdivision automatique drsquoune source lineacuteaire ou surfacique en une seacuterie de sources points et cela en fonction de sa dimension et de sa distance des points de mesure afin de veacuterifier la loi de 5x Le mecircme solide
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Chapitre I
photomeacutetrique sera attribueacute agrave toutes les sources points avec un flux qui correspond agrave une partie du flux initial de la grande source
Il faut noter que cette subdivision drsquoun luminaire en une seacuterie de sources points ne prend pas en consideacuteration lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute de la distribution des intensiteacutes entre les diffeacuterentes zones de ce luminaire Ce qui fait introduire une source drsquoerreur qui doit ecirctre prise en consideacuteration en comparant les reacutesultats drsquoune simulation (baseacutee sur un solide photomeacutetrique obtenu par des mesures goniophotomeacutetriques en champ lointain) agrave des mesures expeacuterimentales drsquoeacuteclairement [IESNA 1993] [Ashdown 2001] [Deniel 2002]
I12 Les sources de lumiegravere naturelle Malgreacute lrsquoutilisation intense de la lumiegravere artificielle dans notre mode de vie la source principale de lumiegravere reste la lumiegravere de jour Pour parler de la lumiegravere du jour il faut bien eacutevidemment parler du soleil et du ciel mais aussi du sol exteacuterieur et de lrsquoenvironnement urbain [CIE 1970] [IESNA 1993] [Dumortier 1995]
I121 le soleil A lrsquoorigine de la lumiegravere du jour on trouve le soleil qui est la source primaire de rayonnement sur la terre La variation de lrsquoinclinaison des rayons du soleil agrave la fois dans le temps et dans lrsquoespace creacutee un veacuteritable dynamisme et dessine les grandes lignes de la geacuteographie des climats
La position apparente du soleil par rapport agrave un point donneacute de la terre est exprimeacutee par deux paramegravetres la hauteur solaire qui repreacutesente lrsquoangle vertical du soleil avec lrsquohorizon et lrsquoazimut solaire qui repreacutesente lrsquoangle horizontal (dans le sens des aiguilles de la montre) du soleil avec le sud
Lrsquoeacuteclairement solaire direct reccedilu sur une surface donneacutee deacutepend en particulier de lrsquoangle drsquoincidence du rayonnement solaire sur la surface (variant avec lrsquoorientation de la surface et la position du soleil) de la distance entre le soleil et cette surface (variant avec lrsquoorbite elliptique de la terre) et de lrsquoatteacutenuation du flux lumineux dans lrsquoatmosphegravere (variant avec la densiteacute des nuages et des aeacuterosols) Cet eacuteclairement deacutepend aussi de lrsquoExitance eacutenergeacutetique du soleil exprimeacutee par la Constante solaire qui repreacutesente lrsquoeacuteclairement eacutenergeacutetique (en klx) produit par le rayonnement solaire extraterrestre sur une face perpendiculaire aux rayons solaires agrave la distance moyenne Soleil-Terre Cette constante est pondeacutereacutee par lrsquoefficaciteacute lumineuse relative du rayonnement solaire
La prise en consideacuteration du soleil dans une simulation numeacuterique se fait surtout agrave travers des algorithmes matheacutematiques qui servent agrave calculer la position du soleil par rapport agrave la latitude et la longitude du site au jour de lrsquoanneacutee (de 1 agrave 365) et au temps local Cette position est alors utiliseacutee pour eacutevaluer la peacuteneacutetration agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment
I122 le ciel Avant drsquoatteindre la surface de la terre les rayons solaires traversent et subissent les effets de la couche gazeuse qui enveloppe la terre lrsquoatmosphegravere Sa densiteacute et sa pression diminuent au fur et agrave mesure que lrsquoaltitude augmente Trois reacutegions sont deacutefinies pour caracteacuteriser la composition de lrsquoatmosphegravere lrsquohomosphegravere lrsquoheacuteteacuterosphegravere et la photosphegravere Seule lrsquohomosphegravere intervient dans les pheacutenomegravenes de propagation du rayonnement solaire car elle contient lrsquoair sec et pratiquement la totaliteacute de lrsquoeau atmospheacuterique et les aeacuterosols principaux eacuteleacutements qui influencent la composition spectrale et la propagation de la lumiegravere
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Chapitre I
Ainsi avec la position du soleil et les conditions climatiques (eg densiteacute des nuages densiteacute des aeacuterosolshellip) se dessine une distribution spatiale des luminances de la voucircte ceacuteleste vue par un site donneacute de la terre
Cette distribution des luminances deacutetermine lrsquoeacuteclairement horizontal sur un site donneacute et joue un rocircle principal dans la propagation de la lumiegravere de jour agrave lrsquointeacuterieur des bacirctiments
La prise en consideacuteration des champs de luminances des ciels dans une simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage se fait tregraves souvent agrave travers les modegraveles numeacuteriques de ciels
I123 les modegraveles de ciel Pour pouvoir preacutedire avec preacutecision les eacuteclairements obtenus agrave lrsquointeacuterieur drsquoune piegravece eacuteclaireacutee en lumiegravere de jour il est essentiel de pouvoir deacuteterminer la distribution des luminances du ciel
Pour cela des recherches et des observations ont eacuteteacute meneacutees agrave travers le monde et plusieurs modegraveles numeacuteriques ont eacuteteacute creacuteeacutes et standardiseacutes afin de deacutecrire des reacutepartitions types de luminances qui correspondent le mieux aux conditions de ciel les plus rencontreacutees dans la reacutealiteacute
Ces modegraveles sont geacuteneacuteralement deacutecrits par des formules exprimant la variation des luminances des diffeacuterentes zonesmailles du ciel souvent par rapport agrave la luminance au zeacutenith et selon la position du soleil et les caracteacuteristiques de lrsquoatmosphegravere
A noter que de maniegravere geacuteneacuterale ces modegraveles de ciel ne prennent pas en consideacuteration le rayonnement direct du soleil
Parmi les modegraveles de ciel existants nous citons les suivants
1 Ciel Uniforme utiliseacute auparavant pour le calcul du facteur de lumiegravere de jour 2 Ciel clair CIE baseacute sur le modegravele deacutefini par kittler en 1965 [Kittler 1965] [CIE 1973]
[CIE 1990] 3 Ciel couvert CIE baseacute sur le modegravele de Moon and Spencer et largement utiliseacute comme
reacutefeacuterence pour le calcul du facteur de lumiegravere de jour depuis sa recommandation par la CIE en 1970 [Moon 1942] [CIE 1970] [CIE 1990]
4 Ciel intermeacutediaire de Nakamura [Nakamura 1989] 5 Ciels IESNA Pour deacuteterminer la reacutepartition des luminances drsquoun ciel lrsquoIESNA utilise les
eacutequations utiliseacutees par la CIE pour les ciels clair et couvert et propose une autre eacutequation pour un ciel intermeacutediaire Cependant en plus de la reacutepartition des luminances lrsquoIESNA propose lrsquoutilisation drsquoune eacutequation pour obtenir une valeur absolue de lrsquoeacuteclairement horizontal et une autre eacutequation pour en deacuteduire directement la luminance au zeacutenith Les paramegravetres associeacutes aux deux eacutequations deacutependent de la condition du ciel (clair intermeacutediaire ou couvert) et de la position du soleil [Karayel 1984]
6 Modegravele tout temps de Perez Crsquoest un modegravele empirique baseacute sur un algorithme unique qui agrave partir de la variation de deux paramegravetres lieacutes aux conditions climatiques (clarteacute et luminositeacute) deacutecrit des reacutepartitions de luminances correspondantes agrave des conditions de ciel allant du ciel sans nuages au ciel complegravetement couvert [Perez 1993]
7 Modegravele du Ciel Geacuteneacuteral de la CIE qursquoon peut consideacuterer comme une deacuteriveacutee du ciel tout temps de Perez Il est deacutefini par une eacutequation unique et 15 seacuteries de paramegravetres pour deacutecrire 15 conditions types de ciel et la distribution des luminances propre agrave chacune de ces conditions [CIE 2002]
Mecircme si la majoriteacute de ces modegraveles tentent de repreacutesenter les champs de luminances des ciels le plus fidegravelement possible agrave la reacutealiteacute il est important de noter qursquoil sera difficile sinon
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Chapitre I
impossible de repreacutesenter tous les cas de figures qui peuvent exister dans un ciel reacuteel par des simples formules
Ceci est particuliegraverement vrai si nous voulons prendre en consideacuteration ce qui peut apparaicirctre dans un champ de luminances externe agrave une ouverture zeacutenithale ou verticale (masques sol exteacuterieurhellip)
Face agrave la complexiteacute des champs de luminances reacuteels plusieurs tentatives ont eacuteteacute meneacutees afin de transformer un champ de luminances reacuteel en un modegravele de ciel agrave travers des mesures de scanner de ciel ou bien agrave travers des photos numeacuteriques eacutetalonneacutees [Roy 1998] [Mardaljevic 2001] [Dumortier 2001]
Au-delagrave de la variation des luminances drsquoun ciel certaines eacutetudes se sont inteacuteresseacutees agrave la variation de la tempeacuterature de couleur proximale et de la reacutepartition spectrale [Chain 1999]
I123 Le sol exteacuterieur La lumiegravere naturelle reacutefleacutechie sur le sol exteacuterieur peut jouer un rocircle important dans la propagation de la lumiegravere du jour agrave lrsquointeacuterieur des bacirctiments En effet elle repreacutesente en moyenne 10 agrave 15 de lrsquoeacuteclairement vertical direct sur une faccedilade et peut deacutepasser cette valeur dans le cas drsquoun sol clair
En geacuteneacuteral cette lumiegravere est renvoyeacutee par les surfaces du plafond ou des murs vers les autres surfaces internes et participe ainsi agrave la composante reacutefleacutechie interne du facteur de lumiegravere de jour
La prise en consideacuteration du sol exteacuterieur dans une simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage se fait souvent en supposant une luminance uniforme de celui-ci variant avec lrsquoeacuteclairement Hz et le facteur de reacuteflexion moyen du sol Cependant dans certains logiciels il est neacutecessaire de modeler le sol exteacuterieur par une surface de grande dimension Dans ce cas le moteur de calcul doit proceacuteder au calcul de la reacutepartition de la luminance sur le sol avant de calculer sa contribution agrave lrsquoeacuteclairage inteacuterieur
I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain) Dans le calcul de la lumiegravere du jour agrave lrsquointeacuterieur drsquoun bacirctiment il est important de prendre en consideacuteration les eacuteleacutements de faccedilade et lrsquoenvironnement urbain Ceux ci peuvent repreacutesenter agrave la fois une obstruction agrave lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour directe dans le bacirctiment et une source secondaire de lumiegravere naturelle par reacuteflexion (composante reacutefleacutechie externe)
Ainsi par exemple une piegravece au premier eacutetage sera moins eacuteclaireacutee qursquoune autre au 5egraveme eacutetage dans le cas drsquoun bacirctiment en vis agrave vis Ou encore la mecircme piegravece sera mieux eacuteclaireacutee avec un facteur de reacuteflexion plus eacuteleveacute de la faccedilade en face
La prise en consideacuteration des masques dans certaines meacutethodes de calcul simplifieacutees se fait agrave travers la deacutetermination de lrsquoangle drsquoobstruction (entre le centre de la fenecirctre et la ligne limite entre le masque et le ciel) et du facteur de reacuteflexion moyen du masque
Un calcul plus preacutecis de lrsquoinfluence drsquoun sceacutenario urbain donneacute sur lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour dans une piegravece peut se faire agrave lrsquoaide des algorithmes de calcul physiques (radiositeacute ou lancer de rayon) Cependant cela neacutecessite la modeacutelisation geacuteomeacutetrique des masques exteacuterieurs ce qui entraicircne un temps de calcul relativement long
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Chapitre I
I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
Geacuteneacuteraliteacutes On entend par conception de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment le choix des composants et des caracteacuteristiques des parois vitreacutees leur position leurs dimensions les speacutecifications des vitrages et des protections solaires
Ces choix sont guideacutes par des consideacuterations thermiques (apport solaire et surchauffe deacuteperditions par lrsquoenveloppe) acoustiques eacutenergeacutetiques (eacuteclairage artificiel systegravemes de chauffage et de climatisation) ergonomiques (confort visuel) ainsi qursquoestheacutetiques et architecturales
Il est eacutegalement neacutecessaire de prendre en consideacuteration les interactions entre ces diffeacuterents paramegravetres afin drsquoarriver agrave un compromis qui reacutepond le mieux aux exigences du projet Par exemple laisser passer plus de lumiegravere naturelle en agrandissant les surfaces vitreacutees entraicircnerait une augmentation de lrsquoapport solaire et des surchauffes en eacuteteacute et de la deacuteperdition et de la consommation eacutenergeacutetique du chauffage en hiver
Avec les progregraves technologiques apporteacutes aux systegravemes de controcircle on arrive de nos jours agrave mieux geacuterer ces interactions en particulier le controcircle des protections solaires en relation avec le confort visuel et le controcircle de lrsquoeacuteclairage artificiel en relation avec la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour sur le plan de travail (systegravemes de dimming controcircles automatiseacutes zonagehellip) Cependant pour que la conception de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment aboutisse agrave une meilleure efficaciteacute eacutenergeacutetique il est important de srsquoy inteacuteresser degraves les premiegraveres phases de la conception du bacirctiment (orientation dimensionnementhellip) [ASHRAE-IESNA 1989] [CIE 1994] [Leslie 2003]
Eclairement inteacuterieur requis Un paramegravetre cleacute dans la conception de lrsquoeacuteclairage naturel est lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (en particulier sur le plan de travail) Cet eacuteclairement subit des variations importantes avec le temps dues au dynamisme de la distribution des luminances du ciel (en particulier la zone vue par un point de reacutefeacuterence)
Ducirc agrave cette dynamique et pour simplifier la prise en consideacuteration de ce paramegravetre dans la conception drsquoun bacirctiment la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute a eacuteteacute introduite Ainsi on srsquointeacuteresse agrave un seuil minimum drsquoeacuteclairement neacutecessaire pour assurer le bon fonctionnement des tacircches pour lesquelles est deacutedieacute un local Le deacutepassement de ce seuil est supposeacute comme geacuteneacuteralement compenseacute par lrsquoadaptation de lrsquoœil
Disponibiliteacute de la lumiegravere de jour Lrsquoeacuteclairement inteacuterieur est directement lieacute agrave la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour agrave lrsquoexteacuterieur du bacirctiment Cette derniegravere est exprimeacutee par lrsquoeacuteclairement sur une surface horizontale deacutegageacutee Sa variation avec le temps et la geacuteographie a eacuteteacute eacutetudieacutee agrave partir de plusieurs campagnes de mesure agrave travers le monde [Dumortier 2003]
Ainsi la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour a pu ecirctre deacutecrite par des diagrammes en fonction de la latitude et drsquoun pourcentage des heures drsquoune anneacutee pour une peacuteriode journaliegravere donneacutee (9h agrave 17h par ex) pour lesquelles lrsquoeacuteclairement horizontal exteacuterieur deacutepasse un certain seuil Ces diagrammes ne prennent souvent en consideacuteration que lrsquoeacuteclairement diffus
De nos jours on arrive agrave estimer la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour par lrsquoanalyse des images satellites Nous citons dans ce domaine le serveur Web Satel-Light deacuteveloppeacute au
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Chapitre I
LAboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Dumortier 1995] [Satel-Light 1995] [Dumortier 2002] [Dumortier 2003]
Facteur de lumiegravere de jour Afin de deacuteterminer une relation entre lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (en un point de la piegravece) et la disponibiliteacute de la lumiegravere du jour agrave lrsquoexteacuterieur drsquoun bacirctiment la notion du Facteur de Lumiegravere de Jour est utiliseacutee
FJ= (EintEext)
Ce ratio est subdiviseacute en plusieurs composantes
- La composante directe FJD (varie avec la distribution des luminances du ciel vues par le point de reacutefeacuterence)
- La composante reacutefleacutechie externe FRE (varie avec la contribution de la lumiegravere reacutefleacutechie sur le sol et les masques exteacuterieurs)
- La composante reacutefleacutechie interne FRI (varie avec les inter-reacuteflexions au niveau des surfaces inteacuterieures et deacutepend du facteur de reacuteflexion de ces surfaces)
Ainsi FJ = FJD + FRE + FRI
Pour le calcul drsquoun facteur de lumiegravere de jour en particulier sa composante directe il est important de caracteacuteriser la reacutepartition des luminances dans le ciel Alors que pour des raisons de simplification on supposait une reacutepartition uniforme (en azimut et en zeacutenith) de la luminance du ciel la CIE a proposeacute lrsquoadoption du ciel CIE couvert standard eacutetant donneacute qursquoil repreacutesente mieux de la distribution reacuteelle des luminances drsquoun ciel nuageux
Lrsquoutilisation drsquoun ciel nuageux pour la mesure ou le calcul du facteur de lumiegravere de jour est compatible avec la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute En effet les autres conditions possibles de ciel aboutissent geacuteneacuteralement agrave une meilleure peacuteneacutetration de la lumiegravere diffuse ou agrave une compensation par la lumiegravere directe du soleil Ainsi en adoptant le facteur de lumiegravere de jour sous un ciel nuageux comme reacutefeacuterence pour la conception on garantit une marge de seacutecuriteacute et un niveau minimum
Diagrammes drsquoautonomie A lrsquoaide des paramegravetres deacutecrits ci-dessus lrsquoeacuteclairement inteacuterieur requis les diagrammes de disponibiliteacute de la lumiegravere de jour et le facteur de lumiegravere de jour il est possible de deacutecrire des diagrammes drsquoautonomie en lumiegravere de jour Ces diagrammes permettent de deacutefinir un pourcentage de temps garanti ougrave lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (naturel) en un point donneacute deacutepassera un certain seuil Ou bien il permet de deacutefinir un facteur de lumiegravere de jour minimum requis afin de garantir un certain pourcentage de temps de deacutepassement drsquoun seuil drsquoeacuteclairement inteacuterieur [ASE 1989] [Satel-Light 1995]
Calcul dynamique de lrsquoeacuteclairage naturel (coefficient de FLJ) La nouvelle tendance dans la conception en eacuteclairage naturel nrsquoest plus baseacutee sur la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute mais sur un calcul dynamique de lrsquoentreacutee de la lumiegravere en utilisant les fichiers climatiques drsquoun site donneacute Cette meacutethode plus reacutealiste mais plus lourde en calcul est devenue utilisable gracircce agrave lrsquoeacutevolution des capaciteacutes du mateacuteriel informatique Sa mise en place utilise lrsquoapproche du facteur de lumiegravere de jour directionnel pour preacute-calculer la contribution relative des diffeacuterentes mailles du ciel agrave lrsquoeacuteclairement des diffeacuterents points drsquoun espace inteacuterieur [Tregenza 1983] [Mardaljevic 2000] [Reinhart 2000] [Dumortier 1995]
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Chapitre I
Outils de conception En ce qui concerne les meacutethodes existantes pour le calcul et lrsquoeacutevaluation de lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment elles sont classeacutees selon les cateacutegories suivantes [De Boer 1999]
- Les meacutethodes de calcul manuel (meacutethode de lumen ) - Les meacutethodes graphiques baseacutees sur des diagrammes selon des configurations types
du bacirctiment Ces diagrammes sont compleacuteteacutes par des facteurs de correction agrave prendre en consideacuteration en relation avec la transmission des vitrages la deacutegradation due agrave lrsquoaccumulation des saleteacutes le facteur de reacuteflexion moyen des surfaces inteacuterieureshellip
- Des mesures expeacuterimentales dans des maquettes agrave eacutechelle reacuteduite ou reacuteelle sous un ciel artificiel ou reacuteel
- Les logiciels de simulation baseacutes en particulier sur les meacutethodes de radiositeacute et de lancer de rayon
Un autre aspect de conception en eacuteclairage naturel (que celui de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour) consiste agrave prendre en consideacuteration les taches solaires agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment en particulier du point de vue de lrsquoapport thermique et du confort visuel Lrsquoeacutetude des taches est le plus souvent limiteacutee agrave certains jours repreacutesentatifs de lrsquoanneacutee (en particulier les solstices) et pour diffeacuterentes heures de la journeacutee
Les meacutethodes existantes pour lrsquoeacutetude des taches solaires sont
- Des meacutethodes manuelles utilisant des diagrammes solaires - Des eacutetudes sur maquette reacuteduite sous un heacuteliodon - Des meacutethodes numeacuteriques utilisant des algorithmes matheacutematiques pour deacutefinir la
position du soleil et des algorithmes de lancer de rayon pour simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere solaire directe agrave travers lrsquoenveloppe du bacirctiment Certains logiciels sont deacuteveloppeacutes speacutecialement pour lrsquoeacutetude des taches solaires on parle alors drsquoheacuteliodons numeacuteriques
En plus que les outils de simulation nous traitons dans notre travail les mesures expeacuterimentales dans des maquettes drsquoeacutetude
I13 La geacuteomeacutetrie
I131 Geacuteneacuteraliteacutes Comme la source lumineuse la geacuteomeacutetrie drsquoun espace est un eacuteleacutement cleacute pour calculer et preacutedire la propagation de la lumiegravere agrave lrsquointeacuterieur de cet espace Pour un calcul drsquoeacuteclairage (manuel ou numeacuterique) la description de cette geacuteomeacutetrie doit inclure une description tri-dimensionnelle de lrsquoespace ainsi qursquoune caracteacuterisation physique de ses mateacuteriaux Dans cette partie nous nous inteacuteressons agrave la description tri-dimensionnelle de lrsquoespace dans la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage
Les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie agrave prendre en consideacuteration dans une simulation sont geacuteneacuteralement les surfaces visibles des mateacuteriaux opaques du volume inteacuterieur Dans un sceacutenario drsquoeacuteclairage naturel nous consideacuterons eacutegalement les surfaces du sol et des masques exteacuterieurs ainsi que les composants des parois vitreacutees
On parle de surfaces visibles des mateacuteriaux opaques car contrairement au cas des eacutechanges de flux thermiques lrsquoinfluence des mateacuteriaux opaques sur la propagation des flux lumineux se limite agrave ces surfaces
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Chapitre I
La prise en consideacuteration des parois vitreacutees du sol et des masques exteacuterieurs peut varier entre les diffeacuterents logiciels Ainsi lrsquoinfluence de ces eacuteleacutements (vitrage store veacutenitien masque vertical ou horizontalhellip) peut ecirctre calculeacutee analytiquement dans un logiciel et agrave lrsquoaide drsquoun lancer de rayon ou un calcul de radiositeacute dans un autre Le premier cas ne neacutecessite qursquoune description parameacutetrique (type de vitrage couleur et orientation des lames angle drsquoobstructionhellip) et le deuxiegraveme neacutecessite une modeacutelisation preacutecise des eacuteleacutements
I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie Bien que certains logiciels offrent la possibiliteacute drsquoune automatisation de lrsquoentreacutee de la geacuteomeacutetrie 3D cellendashci est en fin de compte deacutecrite par un ensemble de polygones deacutefinis par les coordonneacutees carteacutesiennes de leurs sommets (x y z)
Pour les logiciels de simulation qui nrsquooffrent pas une interface de DAO pour lrsquoentreacutee de la geacuteomeacutetrie il est possible drsquoimporter cette derniegravere agrave partir drsquoun logiciel de DAO externe [IESNA 1999] La plupart des logiciels de simulation sont compatibles avec le format DXF creacuteeacute par Autodesk et standardiseacute par la suite pour le transfert de donneacutees geacuteomeacutetriques [Autodesk 1999]
Parmi les logiciels de DAO souvent utiliseacutes pour modeacuteliser la geacuteomeacutetrie 3D nous citons AutoCAD ArchiCAD et Microstation Cependant lorsqursquoune geacuteomeacutetrie est deacutecrite agrave lrsquoaide drsquoun logiciel externe il est important de prendre certaines preacutecautions dans le mode de dessin afin de garantir une meilleure compatibiliteacute avec la plupart des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
Les preacutecautions agrave prendre et leurs importances sont diffeacuterentes drsquoun logiciel agrave un autre mais souvent le but est drsquoeacuteviter les confusions lors du transfert qui peuvent mener agrave des erreurs de calcul Par exemple il peut srsquoagir de respecter la notion de lrsquoorientation des surfaces qui est importante dans certains logiciels ou bien de limiter la modeacutelisation des surfaces de la geacuteomeacutetrie aux parties apparentes pour eacuteviter les fausses ombres [Foley 1990]
I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade La propagation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquointeacuterieur drsquoun bacirctiment deacutebute par un transfert des flux agrave travers les parois vitreacutees Ainsi il est important de prendre ces derniegraveres en consideacuteration pour une preacutediction preacutecise de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment
La caracteacuterisation drsquoun composant drsquoune paroi vitreacutee en transmission lumineuse se fait geacuteneacuteralement agrave travers des mesures goniophotomeacutetriques Ainsi agrave partir drsquoune seacuterie de mesures de transmission en direct-direct seront deacuteduites les fonctions de transfert direct-heacutemispheacuterique et heacutemispheacuterique-heacutemispheacuterique qui caracteacuterisent un mateacuteriau donneacute [CIE 1998]
Cependant une paroi vitreacutee peut se preacutesenter sous diffeacuterentes formes agrave diffeacuterents niveaux de complexiteacute Nous listons ci-dessous les principaux cas de figures
I141 Ouverture simple Le cas le plus basique est celui drsquoune simple ouverture sans vitrage Lrsquoinfluence drsquoune telle ouverture sur la propagation de la lumiegravere naturelle se limite agrave sa dimension et son eacutepaisseur qui deacuteterminent la partie du champ de luminances externe rendue visible aux points inteacuterieurs Lrsquoaspect directionnel qualitatif et quantitatif du flux lumineux incident est conserveacute lors du passage agrave travers cette ouverture et ne subit aucune deacuteviation ni atteacutenuation (si ce nrsquoest la reacuteflexion sur les bords)
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Chapitre I
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel se fait souvent agrave lrsquoaide drsquoun maillage de sa surface La luminance apparente des mailles est ensuite calculeacutee (agrave partir de la luminance de la zone du ciel apparente agrave travers cette maille par un point donneacute) et finalement est calculeacutee la contribution de chaque maille agrave lrsquoeacuteclairement du point eacutetudieacute
Dans un certain nombre de logiciels le calcul commence par une deacutetection du champ de vision drsquoun point de mesure agrave travers lrsquoouverture Cette deacutetection se fait geacuteneacuteralement agrave lrsquoaide drsquoun lancer de rayons qui permet de deacutefinir les limites du masque constitueacute par les murs entourant lrsquoouverture
I142 Vitrage classique Dans le cas drsquoune ouverture vitreacutee (vitrage classique) le flux incident subit lrsquoinfluence de la transmission directionnelle du vitrage Cette transmission diminue avec lrsquoaugmentation de lrsquoangle drsquoincidence du rayonnement lumineux et varie selon le type de vitrage (simple double teinteacutehellip)
Il existe plusieurs reacutefeacuterences pour deacuteterminer la variation theacuteorique de la transmission lumineuse drsquoun vitrage avec lrsquoangle drsquoincidence Mais en geacuteneacuteral la majoriteacute drsquoun flux lumineux transmis agrave travers un vitrage classique est supposeacute garder sa directionnaliteacute (angle de transmission = angle drsquoincidence) et ne subit qursquoune simple atteacutenuation selon lrsquoangle drsquoincidence [Hopkinson 1966] [Hopkinson 1966 Tregenza 1993]
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture vitreacutee dans une simulation drsquoeacuteclairage naturel suit le mecircme principe que pour une ouverture non vitreacutee mais en plus une atteacutenuation de la contribution drsquoune maille agrave lrsquoeacuteclairement drsquoun point est calculeacutee selon lrsquoangle drsquoincidence entre cette maille et ce point de mesure Cependant certains logiciels ne prennent pas en consideacuteration la transmission directionnelle drsquoun vitrage et se contentent drsquoaffecter un facteur de transmission uniforme
I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel Il existe sur le marcheacute de la construction de plus en plus de vitrages agrave proprieacuteteacutes bi-directionnelles dont le but est souvent de favoriser le cheminement drsquoun flux lumineux incident dans une direction donneacutee (Laser Cut Panel Serraglaze etc) Par exemple dans le cas drsquoune ouverture verticale lrsquoobjectif est souvent de favoriser lrsquoorientation du flux transmis vers le plafond afin de permettre une entreacutee plus profonde de la lumiegravere et afin drsquoeacuteviter ou au moins drsquoatteacutenuer les taches solaires Dans le cas drsquoune ouverture zeacutenithale lrsquoobjectif est de favoriser lrsquoentreacutee verticale de la lumiegravere provenant de toutes les directions de lrsquoheacutemisphegravere exteacuterieur
Le flux lumineux incident sur ce type de mateacuteriaux est transmis avec changement drsquoorientation partielle ou totale dans le mecircme plan drsquoincidence ou bien dans tout lrsquoheacutemisphegravere de sortie
La prise en consideacuteration drsquoun mateacuteriau agrave transmission bidirectionnelle dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel est drsquoune complexiteacute importante Elle neacutecessite lrsquoutilisation des fonctions de transfert bidirectionnelles dite BTDF qui sont assez lourdes en calcul Les logiciels permettant ce type de simulations sont encore assez rares et limiteacutes au domaine de la recherche scientifique [Fontoynont 1999] [Greenup 2000] [Andersen 2003]
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Chapitre I
I144 Eleacutements de protection solaire Le rocircle des eacuteleacutements de protection solaire est de bloquer drsquoatteacutenuer ou de reacuteorienter la lumiegravere directe du soleil Parmi les types les plus utiliseacutes nous citons en particulier les stores veacutenitiens (agrave effet de reacuteorientation) les brises soleil (agrave effet de masque) et les stores en toile (agrave effet de diffusion)
La prise en consideacuteration des eacuteleacutements de protection solaires dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel deacutepend de leur type Par exemple les protections solaires agrave effet de masque neacutecessitent un simple calcul de lancer de rayons alors que la simulation des eacuteleacutements agrave effet de reacuteorientation suit le mecircme principe que pour les vitrages bidirectionnels [Klems 1995] [Shareef 2001]
I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux Pour caracteacuteriser le comportement des parois vitreacutees afin de mieux les prendre en consideacuteration dans le calcul ou la simulation de lrsquoeacuteclairage on a recours aux mesures goniophotomeacutetriques
Ces mesures peuvent srsquoaveacuterer drsquoune grande complexiteacute en particulier dans le cas des mateacuteriaux bidirectionnels puisqursquoils neacutecessitent des mesures heacutemispheacuteriques en entreacutee et en sortie
De nos jours plusieurs deacuteveloppements sont en cours afin de simplifier les proceacutedures de mesure ou de conduire ces mesures numeacuteriquement agrave lrsquoaide drsquoalgorithmes physiques [Mitanchey 1995] [Andersen 2003] [Andersen 2003] [De Boer 2003]
Drsquoautres efforts sont eacutegalement investis dans le but de simplifier la preacutesentation des donneacutees goniophotomeacutetriques [Roy 1995] [Mitanchey 1996] [IEA-SHC 1999]
I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux Si lrsquoeacuteclairage direct reccedilu des sources de lumiegravere (naturelles ou artificielles) est un eacuteleacutement de base dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere lrsquoeacuteclairage dit indirect nrsquoest pas de moindre importance
En effet lrsquoeacuteclairage indirect ducirc aux inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les diffeacuterentes surfaces drsquoune scegravene peut repreacutesenter une proportion importante de lrsquoeacuteclairement total par rapport agrave lrsquoeacuteclairement direct Crsquoest le cas notamment des luminaires indirects ou des systegravemes de reacute-acheminement de la lumiegravere directe du soleil
Les inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie deacutependent de la photomeacutetrie de ces surfaces (ou des mateacuteriaux qui les constituent) Cette photomeacutetrie est caracteacuteriseacutee en particulier par trois paramegravetres
- Le facteur de reacuteflexion global - La directionnaliteacute de la lumiegravere reacutefleacutechie - Lrsquoinfluence spectrale sur la lumiegravere reacutefleacutechie
Le premier repreacutesente le rapport entre le flux total reacutefleacutechi sur une surface et le flux initial incident Pour faciliter la mesure de ce paramegravetre un nombre de mateacuteriaux standards a eacuteteacute deacutefini comme reacutefeacuterence [CIE 1979] [CIE 1979] [CIE 1998]
Le deuxiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la ou les directions de reacuteflexion drsquoun flux incident avec une direction donneacutee Cette directionnaliteacute deacutepend de la geacuteomeacutetrie microscopique de la surface (apparente) drsquoun mateacuteriau opaque On distingue en particulier deux types de reacuteflexion theacuteoriques Les reacuteflexions parfaitement speacuteculaires et les reacuteflexions
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Chapitre I
parfaitement diffuses Bien que ces cas extrecircmes nrsquoexistent pas dans la reacutealiteacute les lois theacuteoriques relatives sont bien deacutefinies (La loi de Descartes pour le premier et loi de Lambert et les formules de facteur de forme pour le deuxiegraveme) Au-delagrave de ces deux cas theacuteoriques simplifieacutes un nombre de travaux a eacuteteacute meneacute pour deacutecrire des modegraveles analytiques plus complets qui srsquoapprochent mieux de la reacutealiteacute mais qui repreacutesentent un degreacute de complexiteacute plus eacuteleveacute [Trowbridge 1975] [Kajiya 1985] [Uetani 1992] [Balocco 2001] [Deniel 2002]
Dans la majoriteacute des logiciels existants la reacuteflexion de la lumiegravere sur une surface est simuleacutee par une combinaison de reacuteflexions diffuses et speacuteculaires Ainsi une partie du flux est reacutefleacutechie en obeacuteissant agrave la loi de Descartes et une autre partie est diffuseacutee uniformeacutement dans lrsquoespace Les algorithmes utiliseacutes sont eacutegalement en geacuteneacuteral une combinaison de radiositeacute et de lancer de rayons Certains logiciels nrsquoutilisant que les algorithmes de radiositeacute se contentent de supposer les surfaces comme 100 diffuses
Drsquoautres logiciels qui restent assez rares prennent en consideacuteration les fonctions de reacuteflexions bidirectionnelles (BRDF) theacuteoriques ou mesureacutees Cependant il faut noter que de nos jours la preacutecision des mesures de ces fonctions neacutecessite encore des moyens financiers et logistiques trop importants
Le troisiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la qualiteacute spectrale de la lumiegravere reacutefleacutechie par rapport agrave celle de la lumiegravere incidente Elle deacutepend en particulier de lrsquoabsorption spectrale seacutelective du mateacuteriau En effet le facteur drsquoabsorption drsquoun mateacuteriau peut ecirctre plus ou moins eacuteleveacute selon la longueur drsquoonde avec laquelle arrive une partie du flux incident Ainsi le spectre de la lumiegravere reacutefleacutechie peut ecirctre complegravetement diffeacuterent de celui de la lumiegravere incidente Les mateacuteriaux qui ont le mecircme facteur de reacuteflexion pour toutes les longueurs drsquoonde sont dits spectralement neutres [CIE 1986] [Smith 1992] [CIE 1996]
Plusieurs approches sont proposeacutees pour traiter lrsquoaspect spectral ou colorimeacutetrique de la propagation de la lumiegravere Les approches les plus utiliseacutees dans les logiciels de simulation de la lumiegravere sont baseacutees sur une caracteacuterisation agrave trois composantes de la couleur (de la source lumineuse ou des surfaces) Nous citons les systegravemes XYZ (de la CIE) RGB CMY et HSV Cependant si ce type de caracteacuterisation est convenable pour la repreacutesentation des couleurs il srsquoavegravere insuffisant pour simuler la variation du spectre du flux lumineux agrave travers les inter-reacuteflexions sur les surfaces inteacuterieures drsquoun espace [Mitanchey 1996] Pour plus de preacutecision il est alors recommandeacute drsquoutiliser les approches baseacutees sur une discreacutetisation plus ou moins fine du spectre Mais lrsquoimpleacutementation de telles approches dans les logiciels existants est loin drsquoecirctre courante [Smith 1992] [Mitanchey 1996]
I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage Il existe sur le marcheacute international un nombre important de logiciels deacutedieacutes agrave la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Dans une enquecircte meneacutee par le groupe 3D lumiegravere en 2000 aupregraves de 74 professionnels [3D-lumiegravere 2000] environ quarante logiciels ont eacuteteacute citeacutes par les enquecircteacutes comme outils de travail en eacuteclairage Dans une deuxiegraveme eacutetude plus speacutecialiseacutee dans le calcul drsquoeacuteclairage naturel et meneacutee par lrsquoagence international drsquoeacutenergie IEA SHC Task 21-C2 [Fontoynont 1999] vingt cinq logiciels ont eacuteteacute citeacutes Vingt deux de ces logiciels ne sont pas connus par les utilisateurs franccedilais enquecircteacutes par 3D lumiegravere Finalement nous citons lrsquoenquecircte de lrsquoIENSA [IESNA 1999] preacutesentant un nombre de logiciels existants au niveau international
Les logiciels existants diffegraverent entre eux par les algorithmes qursquoils utilisent par leurs approches DAO par la prise en consideacuteration des diffeacuterents types de sources lumineuses par
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Chapitre I
leur capaciteacute agrave simuler les pheacutenomegravenes de propagation de lumiegravere plus ou moins complexes par leur interface utilisateur et finalement par leurs vocations et leurs domaines drsquoapplication
I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage Le rocircle des algorithmes dans une simulation drsquoeacuteclairage est de geacuterer le calcul de la propagation de la lumiegravere entre les sources et les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie puis les inter-reacuteflexions entre ces surfaces
Les algorithmes utiliseacutes dans les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage sont des algorithmes dits drsquoeacuteclairement global (global illumination) puisqursquoils font un calcul tridimensionnel de la propagation de la lumiegravere Ils peuvent ecirctre classeacutes sous deux grandes familles la radiositeacute et le lancer de rayons Ces deux familles tendent agrave avoir des avantages et des inconveacutenients compleacutementaires ce qui fait que certains logiciels utilisent une logique hybride combinant les deux familles [IEA-SHC 1999] [Mitanchey 1996]
1211 Radiositeacute Les algorithmes de radiositeacute utiliseacutes pour le calcul de lrsquoeacuteclairage datent du deacutebut des anneacutees 80 Ils ont eacuteteacute adapteacutes agrave partir des algorithmes de radiositeacute utiliseacutes depuis les anneacutees 60 pour le calcul des eacutechanges radiatifs thermiques sur la base de lrsquoeacutequilibre eacutenergeacutetique
Les algorithmes de radiositeacute procegravedent en geacuteneacuteral agrave une discreacutetisation de lrsquoenvironnement simuleacute agrave travers un maillage (subdivision en petites mailles) des surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie eacuteclaireacutee par une source donneacutee (voir figure I3) Tout drsquoabord un calcul de la lumiegravere directe reccedilue par chaque maille est effectueacute Ensuite chaque maille est traiteacutee comme une source lumineuse eacutemettant une partie du flux lumineux qursquoelle a reccedilu (selon son facteur de reacuteflexion) vers les autres mailles de la geacuteomeacutetrie Cette lumiegravere indirecte subit plusieurs inter-reacuteflexions jusqursquoagrave ce que la quasi-totaliteacute du flux initial soit absorbeacutee
Suite agrave ce calcul on est capable de savoir la quantiteacute de flux lumineux direct et indirect reccedilue et eacutemise par une maille donneacutee et donc lrsquoeacuteclairement et la luminance de cette maille [Scartezzini 1993] [Ashdown 2001]
Figure I3 Exemple drsquoun calcul de Radiositeacute agrave lrsquointeacuterieur drsquoune geacuteomeacutetrie
Bien que le principe geacuteneacuteral de la radiositeacute deacutecrit ci-dessus soit le mecircme pour tous les algorithmes de radiositeacute existants ceux-ci diffegraverent dans la meacutethode adopteacutee pour le maillage de la geacuteomeacutetrie et pour le suivi du flux
La radiositeacute peut ecirctre en principe appliqueacutee agrave tout type de reacuteflexion cependant les algorithmes existants sont encore limiteacutes aux reacuteflexions 100 diffuses Ce qui entraicircne des erreurs plus ou moins importantes selon le comportement reacuteel du mateacuteriau simuleacute La
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Chapitre I
radiositeacute preacutesente aussi quelques autres inconveacutenients dont particuliegraverement un temps de calcul assez long une lourde consommation en meacutemoire et une faible performance en qualiteacute graphique
Cependant le calcul de radiositeacute a lrsquoavantage drsquoecirctre indeacutependant de la position de lrsquoobservateur Ainsi un seul calcul est suffisant pour connaicirctre lrsquoeacuteclairement de tous les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie et pour la visualiser agrave partir drsquoune infiniteacute de points de vue
Une nouvelle geacuteneacuteration drsquoalgorithmes de radiositeacute est apparue en 1988 elle permet drsquoobtenir un reacutesultat graphique immeacutediat qui srsquoameacuteliore progressivement en preacutecision et en qualiteacute visuelle drsquoougrave son nom progressive refinement radiosity [Cohen 1988] [Autodesk 1999]
Une autre eacutevolution des algorithmes de radiositeacute fut le concept de maillage adaptatif ougrave le logiciel commence agrave calculer agrave partir drsquoun maillage de faible preacutecision Ensuite il procegravede agrave des subdivisions suppleacutementaires lagrave ougrave il y a une grande diffeacuterence drsquoeacuteclairement entre les mailles Cette meacutethode conduit agrave une eacuteconomie dans le temps de calcul et dans lrsquoutilisation de meacutemoire
1212 Lancer de rayons La deuxiegraveme famille drsquoalgorithmes est la plus ancienne elle a connu plus de deacuteveloppements et preacutesente une plus grande varieacuteteacute de meacutethodes
Ces meacutethodes ont lrsquoavantage de calculer avec preacutecision lrsquoeacuteclairement direct de calculer les effets speacuteculaires des mateacuteriaux de mieux deacutefinir les ombres et de consideacuterer les reacutefractions agrave travers les surfaces transparentes Crsquoest donc les algorithmes qui donnent les meilleurs reacutesultats graphiques drsquoougrave ce qursquoon appelle le photo-reacutealisme des images de synthegravese
Il existe plusieurs cateacutegories drsquoalgorithmes baseacutees sur le lancer de rayon nous citons les suivantes
Figure I4 Exemple drsquoun calcul de Lancer de rayons (inverse)
1 Traceacute de rayons ou Lancer de rayons depuis lrsquoobservateur dite aussi Lancer inverse de rayons (backward ray tracing) les rayons sont geacuteneacutereacutes depuis lrsquoœil de lrsquoobservateur et cheminent agrave travers des reacuteflexions multiples sur les parois jusqursquoaux sources de lumiegravere (voir figure I4) Ainsi seuls les rayons utiles pour la construction de lrsquoimage seront geacuteneacutereacutes et suivis agrave travers les diffeacuterentes inter-reacuteflexions mais la solution est valide pour un seul point de vue [Whitted 1980]
2 Suivi de rayons ou Lancer direct de rayons (forward ray tracing) cette meacutethode geacutenegravere les rayons lumineux depuis la source vers les surfaces reacuteceptrices quand un rayon atteint une surface il est dirigeacute selon la photomeacutetrie rencontreacutee jusqursquoagrave lrsquoeacutepuisement de son eacutenergie [Fontoynont 1991]
3 Technique statistique de monte-carlo backward ou forward La meacutethode de Monte-Carlo associeacutee agrave des meacutethodes de lancer de rayons a recours agrave une technique statistique
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Chapitre I
pour la distribution des rayons reacutefleacutechis Elle neacutecessite un temps de calcul eacuteleveacute [IEA-SHC 1999]
I22 Exemples types des logiciels existants Les logiciels existants sur le marcheacute international et utiliseacutes comme outils de conception en eacuteclairage peuvent ecirctre classeacutes en diffeacuterentes familles [De Boer 1999] [IESNA 1999]
1 Les logiciels baseacutes sur les formules de base de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel Ces logiciels sont souvent distribueacutes par les constructeurs de luminaires et munis de leur bibliothegraveque de luminaires
2 Des logiciels baseacutes sur des formules de base de calcul en eacuteclairage naturel ou sur des donneacutees empiriques (ou preacute-simuleacutees) Ces logiciels sont souvent deacutedieacutes agrave lrsquoutilisation dans les phases preacuteliminaires de la conception drsquoun projet (ex Dial Sodalight etc)
3 Les logiciels capables de calculer lrsquoeacuteclairage direct uniquement Ils sont tregraves souvent inteacutegreacutes dans des logiciels de DAO Leur objectif est limiteacute agrave lrsquoameacutelioration du rendu graphique drsquoun projet ou au mieux agrave une eacutetude de taches solaires (ex Archicad) Cependant ce type de logiciels devient de plus en plus rare En effet vu leurs potentiels un certain nombre de ces logiciels a eacuteteacute mis agrave niveau par les deacuteveloppeurs et a passeacute ainsi agrave la famille suivante (ex Microstation et 3D Studio)
4 Les logiciels dits drsquoeacuteclairement global Ils utilisent souvent des algorithmes de calcul physique (en particulier de radiositeacute et lancer de rayons) Nous distinguons cependant dans cette cateacutegorie les logiciels deacuteveloppeacutes dans un cadre scientifique (ex Radiance Geacuteneacutelux CSTB) de ceux deacuteveloppeacutes et diffuseacutes dans un cadre commercial (Lightscape Dialuxhellip) En geacuteneacuteral les logiciels commerciaux possegravedent des interfaces plus conviviales mais les logiciels scientifiques offrent des fonctionnaliteacutes plus complegravetes Par exemple certains logiciels scientifiques sont capables de prendre en consideacuteration lrsquoaspect spectral de la propagation de la lumiegravere etou de traiter les fonctions bidirectionnelles Finalement nous notons que les logiciels commerciaux manquent le plus de transparence sur leur fiabiliteacute dans les diffeacuterents domaines drsquoapplication (manque de travaux de validation)
Dans notre travail de thegravese nous nous inteacuteressons en particulier agrave la derniegravere famille Ne pouvant pas enquecircter sur tous les logiciels existants nous nous contentons de citer (par ordre alphabeacutetique) quelques logiciels sur lesquels il y a eu des publications scientifiques et des travaux de validation [Fontoynont 1999]
1221 Adeline Deacuteveloppeacute dans le cadre de lrsquoIEA Adeline a eacuteteacute fondeacute sur les logiciels Superlite et Radiance par le biais drsquoun modeleur graphique et drsquooutils de DAO Ainsi il permet de deacutefinir la geacuteomeacutetrie avec son propre systegraveme de DAO par lrsquoentreacutee manuelle des coordonneacutes carteacutesiennes ou agrave partir drsquoun fichier DXF
Le logiciel est muni drsquoune bibliothegraveque de base de donneacutees de mateacuteriaux de luminaires et de mobilier Il produit des reacutesultats numeacuteriques ou bien graphiques Au-delagrave des eacuteclairements et des luminances Adeline permet de calculer lrsquoeacutenergie consommeacutee par lrsquoeacuteclairage artificiel en fonction des apports de lumiegravere du jour [Erhorn 1998] [Scartezzini 1993]
1222 Genelux Le logiciel Genelux deacuteveloppeacute au laboratoire des sciences de lrsquohabitat utilise un algorithme de lancer direct et suivi de rayons lumineux (Forward Ray tracking) La distribution des rayons reacutefleacutechis est effectueacutee en ayant recours agrave une technique statistique de Monte Carlo
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Chapitre I
Dans le cas ougrave les surfaces seraient parfaitement diffusantes il est possible de faire appel agrave un algorithme baseacute sur la meacutethode de radiositeacute afin de reacuteduire les temps de simulation Genelux peut modeacuteliser les surfaces speacuteculaires diffuses ou mixtes en transmission etou reacuteflexion Il peut eacutegalement prendre en consideacuteration des quantiteacutes spectrales en deacutecomposant les rayons incidents par bandes spectrales [Mitanchey 1996] [Maamari 2003]
1223 Inspirer Destineacute surtout au domaine de lrsquoarchitecture avec comme fonctionnaliteacutes les calculs de lrsquoeacuteclairage les analyses de visibiliteacute et la visualisation des projets Pour le calcul de lrsquoeacuteclairage il utilise des approches hybrides surtout la meacutethode bi-directionnelle de Monte Carlo au Lancer de Rayons Ce qui diffeacuterencie le plus ce logiciel est lrsquoutilisation des formules de BRDF qui permet de respecter les variations de reacuteflexion et de transmission (diffuse et speacuteculaire) ainsi que des couleurs selon lrsquoangle drsquoincidence et de vision [Maamari 2003]
1224 DIAL Leso-Dial Le but du logiciel est de donner aux architectes des informations utiles concernant lrsquoutilisation de la lumiegravere de jour dans un bacirctiment degraves la phase de lrsquoavant projet Il calcule le facteur de lumiegravere du jour sur le plan utile gracircce agrave une utilisation hybride de formule analytique et empirique [Paule 1995]
1225 Lightscape 32 Crsquoest un logiciel qui est destineacute agrave des utilisations graphiques mais il offre eacutegalement des fonctionnaliteacutes inteacuteressantes pour la simulation physique de la lumiegravere Il utilise un algorithme de radiositeacute pour le calcul quantitatif et un algorithme de lancier de rayons pour lrsquoameacutelioration qualitative et visuelle des images de synthegraveses Ce logiciel est deacutecrit en deacutetail dans la partie IV11 de ce document [Khodulev 1996] [Maamari 2002]
1226 Radiance Le logiciel Radiance utilise un algorithme de lancer inverse de rayons Le lancer des rayons peut ecirctre stoppeacute si leur eacutenergie est jugeacutee insuffisante Les rayons reacutefleacutechis peuvent ecirctre geacuteneacutereacutes selon une fonction de distribution permettant la simulation de reacuteflexions speacuteculaires semi-speacuteculaires ou diffuses Ce lancer de rayons est compleacuteteacute drsquoun calcul statistique de reacuteflexion diffuse pour distribuer le flux reacutesiduel [Ward 1994] [Grynberg 1988]
1227 Superlite Le logiciel Superlite utilise une meacutethode point agrave point de radiositeacute Toutes les surfaces sont supposeacutees ecirctre parfaitement diffusantes Crsquoest la meacutethode la plus rapide mais elle est toutefois limiteacutee aux surfaces diffuses [Grynberg 1988]
I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels Lrsquoutilisation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage se geacuteneacuteralise de plus en plus dans le domaine de conception en eacuteclairage et au-delagrave Ainsi de nos jours ces logiciels sont utiliseacutes aussi bien par des bureaux drsquoeacutetude du bacirctiment et des architectes que par des deacuteveloppeurs de jeu videacuteo Les applications peuvent ecirctre entre autres [IESNA 1999] [3D-lumiegravere 2000] [Maamari 2002]
1 La conception en eacuteclairage artificiel Que ce soit pour lrsquoeacuteclairage inteacuterieur des bacirctiments lrsquoeacuteclairage des faccedilades des monuments des voiries des trottoirs ou lrsquoeacuteclairage des
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Chapitre I
tunnels etc Elle comprend entre autre le dimensionnement des systegravemes lrsquoanalyse du confort visuel et de la consommation etc
2 La conception en eacuteclairage naturel dimensionnement des ouvertures et des protections solaires orientation des projets analyse de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour et eacutetudes des FLJhellip
3 Le rendu et la preacutesentation des projets par les architectes et par les deacutecorateurs drsquointeacuterieur 4 La creacuteation de scegravenes de reacutealiteacute virtuelle pour le monde du cineacutema de la publiciteacute ou des
jeux videacuteohellip 5 La conception mecircme des optiques de luminaires ou de phares de voitures
Le domaine drsquoutilisation drsquoun logiciel donneacute deacutepend des fonctionnaliteacutes proposeacutees par ce logiciel de ses capaciteacutes agrave simuler avec un certain degreacute de fiabiliteacute et de faciliteacute les diffeacuterents domaines de la propagation de la lumiegravere en relation avec les besoins de lrsquoutilisateur
Bien que les algorithmes de calcul utiliseacutes dans les logiciels se ressemblent ces derniers ne sont pas tous adapteacutes pour les mecircme types drsquoapplications et ne reacutepondent pas aux mecircmes besoins
Ainsi certains utilisateurs cherchent en prioriteacute la faciliteacute drsquoutilisation des fonctionnaliteacutes en relation avec leur propre activiteacute en deacutepit des autres fonctionnaliteacutes et mecircme parfois en deacutepit de la validiteacute des reacutesultats Drsquoailleurs crsquoest agrave cause de ce contexte que des deacuteveloppeurs de logiciels commerciaux ont tendance agrave proposer des interfaces et des fonctionnaliteacutes optimiseacutees et orienteacutees vers un domaine drsquoapplication donneacute Ainsi nous commenccedilons agrave trouver par exemple des logiciels deacutedieacutes agrave la conception de lrsquoeacuteclairage public etou des tunnels (ex Tunnel-Lite) drsquoautres agrave la conception des protections solaires (ex ParaSol) etc
Cependant il est encore difficile de nos jours agrave un concepteur de bacirctiment de savoir quel est le ou les logiciels existants qui reacutepondent le mieux agrave ses propres besoins Crsquoest ce qui ressort dans les diffeacuterentes enquecirctes meneacutees sur lrsquoutilisation des logiciels en particulier celle meneacutee par le club 3D-Lumiegravere [3D-lumiegravere 2000] et celle que nous avons meneacutee au Light and Building 2002 [Maamari 2002] (voir annexe D) Nous notons par exemple dans ces deux enquecirctes lrsquoutilisation par des concepteurs lumiegravere de logiciels graphiques (Photoshop) en tant qursquooutils de conception
I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I31 Introduction Comme son nom lrsquoindique un logiciel de simulation de lrsquoeacuteclairage est supposeacute simuler la reacutealiteacute Mais la fideacuteliteacute de la simulation agrave la reacutealiteacute est loin drsquoecirctre veacuterifieacutee pour tous les logiciels existants sur le marcheacute international
Drsquoailleurs le niveau de preacutecision et de similitude (entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage et la reacutealiteacute) exigeacute ou souhaiteacute par les diffeacuterents utilisateurs nrsquoest pas neacutecessairement le mecircme et peut varier largement selon la speacutecificiteacute de leurs domaines drsquoactiviteacute [Maamari 2002]
Ainsi pour des utilisateurs qui srsquointeacuteressent uniquement au rendu graphique une image de synthegravese reacutealiste sans ecirctre neacutecessairement proche de la reacutealiteacute peut ecirctre suffisante Pour eux la question de la validation scientifique du logiciel utiliseacute ne se pose pas trop
Alors que pour des utilisateurs qui comptent extraire drsquoune simulation des cartes de luminances pour analyser le confort visuel de lrsquooccupant la validiteacute du logiciel devient drsquoune
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Chapitre I
importance de premier ordre Ceci est eacutegalement vrai pour les concepteurs en eacuteclairage qui ont besoin de veacuterifier que le niveau drsquoeacuteclairement est suffisant sur le plan de travail
Mais quel que soit le niveau de preacutecision souhaiteacute il est important pour un futur utilisateur de savoir la preacutecision qursquoil peut attendre de la part du logiciel qursquoil souhaite utiliser pour un type donneacute de tacircches Cette information est mecircme indispensable pour aboutir agrave une utilisation responsable des logiciels de simulation mais cela ne peut ecirctre possible qursquoagrave travers une validation rigoureuse et transparente de ce logiciel
Une validation rigoureuse et transparente des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage est une tacircche immense et drsquoune complexiteacute non neacutegligeable Ce qui est vrai pour tous les logiciels baseacutes sur des lois physiques comme par exemple les logiciels de simulation thermique
Cette complexiteacute est drsquoautant plus vraie quand on srsquointeacuteresse agrave lrsquoorientation du choix des utilisateurs vers un logiciel qui reacutepond le mieux agrave leurs propres besoins Dans ce contexte on souhaite veacuterifier la capaciteacute du logiciel agrave simuler avec preacutecision les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere lieacutes au domaine drsquoutilisation mais aussi on veut comparer cette capaciteacute agrave drsquoautres logiciels existants
La multitude des aspects qui entrent en jeu dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere combineacutee agrave la diversiteacute des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage contribuent agrave cette complexiteacute
Ainsi un logiciel capable de simuler des luminaires agrave optique diffusante nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler un luminaire avec une optique asymeacutetrique De mecircme un logiciel capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour agrave travers un vitrage ordinaire nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave travers un vitrage ou un systegraveme de protection solaire agrave aspect bidirectionnel etc
Nous preacutesentons ci-dessous une eacutetude bibliographique sur lrsquoeacutetat de lrsquoart du domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I32 Diffeacuterents types de validation En ce qui concerne les types de travaux de validation reacutealiseacutes nous avons pu identifier les suivants
I321 La validation analytique La validation analytique comme son nom lrsquoindique porte sur des cas theacuteoriques pour lesquels il existe des lois analytiques Ces lois sont issues des notions de base de la science physique lieacutees au rayonnement eacutelectromagneacutetique
Les travaux de validation baseacutes sur des reacutefeacuterences analytiques sont assez rares parmi les travaux reacutealiseacutes que nous avons pu trouver lors de notre recherche bibliographique
Cependant la validation analytique preacutesente des avantages consideacuterables comme la possibiliteacute de limiter les paramegravetres lieacutes agrave la propagation de la lumiegravere qui entrent en jeu dans un sceacutenario test Nous notons aussi lrsquoavantage de donner des solutions de reacutefeacuterences avec des incertitudes nulles ou neacutegligeables
En contrepartie la validation analytique ne peut couvrir que des domaines limiteacutes de la propagation de la lumiegravere Ce sont en geacuteneacuteral des cas de figures simples pour lesquels existe une loi theacuteorique [Aizlewood 1997]
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Chapitre I
I322 La validation expeacuterimentale Dans ce type de validation les reacutesultats des logiciels sont compareacutes agrave des mesures expeacuterimentales Ces mesures peuvent ecirctre reacutealiseacutees dans
a des maquettes drsquoeacutetude agrave eacutechelle reacuteduite [Caroll 1999] b des cellules tests agrave eacutechelle 11 c ou des piegraveces reacuteelles [Galasiu 1998] [Jarvis 1997]
Quel que soit le type des mesures reacutealiseacute la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales agrave utiliser pour des travaux de validation est confronteacutee agrave des obstacles consideacuterables
Le premier est lieacute aux sources drsquoerreur introduites lors de la description du sceacutenario expeacuterimental afin de le reproduire dans une simulation numeacuterique
Lrsquoimportance de cet obstacle est aggraveacutee par la multitude des paramegravetres qui entrent en jeu dans un sceacutenario expeacuterimental et par lrsquointeraction entre les sources drsquoerreurs lieacutees agrave chacun de ces paramegravetres
A titre drsquoexemple les sources drsquoerreur peuvent survenir lors de la description de la source de lumiegravere (artificielle ou reacuteelle) lors de la description de la photomeacutetrie des mateacuteriaux (reacuteflexion bidirectionnelle caracteacuteristiques spectraleshellip) etc
Un autre obstacle est ducirc agrave lrsquoincertitude qui existe dans la valeur mesureacutee et cela quelle que soit la preacutecision du protocole expeacuterimental appliqueacute Cette incertitude est lieacutee en partie agrave la preacutecision de lrsquoappareil de mesure et agrave son positionnement
Ducirc agrave tous ces obstacles la comparaison entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique et les mesures expeacuterimentales permet difficilement de conclure sur la preacutecision du logiciel testeacute
Il est aussi important de noter qursquoun des plus grands obstacles agrave la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales fiables reste celui des moyens techniques financiers et humains neacutecessaires aux expeacuterimentations
I323 La validation comparative Elle porte sur une comparaison des reacutesultats de simulation de plusieurs logiciels entre eux Cela peut ecirctre fait avec lrsquoexistence ou non drsquoune reacutefeacuterence expeacuterimentale ou analytique
Lrsquoavantage des comparaisons est de donner la possibiliteacute aux utilisateurs de mieux choisir entre plusieurs logiciels selon leur performance dans un domaine donneacute de la simulation
Cependant lrsquoutilisation des reacutesultats drsquoune comparaison afin de juger des logiciels les uns par rapport aux autres neacutecessite un maximum de transparence en particulier sur la complexiteacute des proceacutedures et sur le temps de calcul neacutecessaire pour obtenir ces reacutesultats [Grynberg 1988] [Fontoynont 1999] [Maamari 2003]
I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes Les travaux de validation reacutealiseacutes sur des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage ne manquent pas en nombre cependant crsquoest la creacutedibiliteacute de ces travaux qui nrsquoest pas toujours veacuterifieacutee
En ce qui concerne les rares travaux de validation existants qui beacuteneacuteficient drsquoune creacutedibiliteacute scientifique ou celle drsquoun organisme agreacuteeacute nous citons les suivants
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Chapitre I
I331 Le travail de Khodulev et Kopylov Ce travail reacutealiseacute et publieacute par Andrei B Khodulev et Edward A Kopylov en 1996 [Khodulev 1996] est lrsquoun des rares travaux de validation qui ont utiliseacute une reacutefeacuterence analytique
Le travail porte sur une validation comparative entre les logiciels Lightscape Specter et Radiance Une description des trois logiciels est donneacutee portant sur plusieurs critegraveres y compris lrsquointerface utilisateur
Un des sceacutenarios utiliseacutes pour la comparaison est celui drsquoune piegravece cubique fermeacutee avec une source lumineuse isotrope au centre La comparaison porte sur lrsquoeacuteclairement au niveau des points de mesure situeacutes sur le sol La valeur de reacutefeacuterence de cet eacuteclairement est calculeacutee semi-analytiquement pour prendre en consideacuteration la composante reacutefleacutechie interne
I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE Ce rapport repreacutesente un exemple ideacuteal sur la creacuteation des donneacutees expeacuterimentales fiables pour la validation des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage [Slater 2002]
Le travail deacutecrit dans ce rapport porte sur un protocole expeacuterimental qui a eacuteteacute deacutefini et conduit drsquoune maniegravere remarquablement rigoureuse dans une cellule test agrave eacutechelle 11 Le but est de creacuteer une base de donneacutees expeacuterimentales pour la validation des logiciels de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel
Le rapport comprend une description preacutecise du sceacutenario expeacuterimental y compris les dimensions de la geacuteomeacutetrie (une piegravece carreacutee) la position des lampes ou des luminaires la position des points de mesure ainsi que le coefficient de reacuteflexion des surfaces La description du sceacutenario comprend aussi les fichiers photomeacutetriques des luminaires au format CIBSE TM 14 sachant que la photomeacutetrie reacuteelle de chaque luminaire a eacuteteacute mesureacutee seacutepareacutement dans un laboratoire agreacuteeacute
Le protocole expeacuterimental comprend un controcircle du flux lumineux agrave travers lrsquoobservation et le controcircle des fluctuations du courant eacutelectrique et de la tempeacuterature de la piegravece Les lampes et les ballasts ont eacuteteacute vieillis Les lampes ont eacuteteacute preacutechauffeacutees une heure avant les mesures
Les capteurs ont eacuteteacute calibreacutes et fixeacutes sur un trolley afin de garantir la reacutepeacutetitiviteacute de leur position Six diffeacuterentes mesures ont eacuteteacute prises pour chaque point agrave lrsquoaide de deux capteurs diffeacuterents la moyenne de ces mesures a eacuteteacute utiliseacutee comme reacutefeacuterence
Une estimation des erreurs de mesures a eacuteteacute calculeacutee ainsi que des erreurs de simulation dues agrave lrsquoincertitude dans la description du sceacutenario Les reacutesultats ont alors eacuteteacute preacutesenteacutes sous forme de deux bandes de valeurs la premiegravere bande est celle des mesures prises + ou ndash lrsquoestimation des erreurs de mesure et lrsquoautre est celle des mesures + ou ndash le total des erreurs estimeacutees y compris les erreurs de simulation
I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA Ce travail a eacuteteacute meneacute dans le cadre de la tache 21 de lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie intituleacutee lumiegravere naturelle dans les bacirctiments En effet un projet a eacuteteacute deacutedieacute au thegraveme de la validation des logiciels de calcul en eacuteclairage et a fait lrsquoobjet drsquoune collaboration entre les laboratoires de six nations diffeacuterentes parmi lesquels le Laboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Fontoynont 1999] [Maamari 2002]
Dans le cadre de ce projet des donneacutees expeacuterimentales ont eacuteteacute reacutecolteacutees agrave travers des mesures drsquoeacuteclairement agrave lrsquointeacuterieur drsquoune seacuterie de maquettes agrave eacutechelle reacuteduite placeacutees sous des ciels
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Chapitre I
artificiels Trois bacirctiments types ont eacuteteacute testeacutes sous plusieurs configurations en changeant les types drsquoouverture etou les coefficients de reacuteflexion des surfaces
Les sceacutenarios expeacuterimentaux ont eacuteteacute simuleacutes agrave lrsquoaide des logiciels drsquoeacuteclairage naturel Adeline Genelux Leso-DIAL Radiance et Superlite Les reacutesultats des simulations ont eacuteteacute compareacutes entre les diffeacuterents logiciels et confronteacutes aux mesures expeacuterimentales
Cette comparaison a montreacute que le calcul des eacuteclairements agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment dus agrave lrsquoeacuteclairage naturel demande une description minutieuse des luminances des portions de la voucircte ceacuteleste vues par la fenecirctre Les eacuteclairements directs agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment sont alors calculeacutes avec une preacutecision de lrsquoordre de 5 La preacutecision des calculs des reacuteflexions multiples agrave lrsquointeacuterieur de la piegravece deacutepend quant agrave elle des proprieacuteteacutes des surfaces inteacuterieures et en particulier de la lrsquoaspect bidirectionnel de ces surfaces
Cette eacutetude a montreacute finalement que les programmes doivent ecirctre utiliseacutes avec beaucoup de preacutecautions car les reacutesultats de simulation sont tregraves sensibles agrave la qualiteacute des hypothegraveses et des paramegravetres drsquoentreacutee description de la source de lumiegravere geacuteomeacutetrie du bacirctiment paramegravetres de simulation
I34 Analyse de la probleacutematique Drsquoapregraves la recherche bibliographique preacutesenteacutee ci-dessus sur le domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage nous pouvons reacutesumer la probleacutematique de ce domaine dans les points suivants
1 Difficulteacute drsquoaccegraves agrave lrsquoinformation Elle est due en particulier agrave lrsquoabsence de sources publiques speacutecialiseacutees dans le domaine
2 Manque de transparence Ainsi nous trouvons souvent des reacutesultats de validation preacutesenteacutes sans suffisamment drsquoinformation sur les proceacutedures qui ont abouti agrave ces reacutesultats
3 Manque de creacutedibiliteacute une partie importante des travaux de validation existants est reacutealiseacutee par les deacuteveloppeurs des logiciels testeacutes les sources drsquoincertitudes dans les valeurs de reacutefeacuterence ne sont souvent pas prises en consideacuteration etc
4 Manque de travaux concluants sur la validiteacute du logiciel testeacute Ceci est ducirc en partie agrave la complexiteacute des sceacutenarios expeacuterimentaux et agrave la restriction des domaines testeacutes Ainsi il est rarement possible drsquoidentifier avec certitude les points de faiblesse et les domaines drsquoapplication drsquoun logiciel testeacute
5 Absence de reacutefeacuterences standardiseacutees Ce qui fait qursquoun certain aspect de la propagation de la lumiegravere est testeacute dans diffeacuterents logiciels avec des protocoles diffeacuterents Ce qui ne permet pas une comparaison transparente et objective entre ces diffeacuterents logiciels
6 Manque de validations analytiques malgreacute les avantages de ce type de validation
En reacuteponse aux problegravemes listeacutes ci-dessus nous identifions en particulier le besoin drsquoune standardisation et drsquoune mise agrave disposition des reacutefeacuterences de validation fiables de preacutefeacuterence sous la garantie et le controcircle drsquoun ou plusieurs organismes creacutedibles
I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
I351 Introduction Le premier objectif qursquoon pourrait attendre des travaux de validation crsquoest de pouvoir ameacuteliorer la confiance des utilisateurs dans les logiciels de simulation A savoir qursquoameacuteliorer la confiance ne veut pas forceacutement dire lrsquoaugmenter Mais plutocirct sensibiliser les utilisateurs aux capaciteacutes et aux limites des diffeacuterents logiciels dans les diffeacuterents domaines de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Ainsi agrave travers lrsquoidentification des points de faiblesse
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Chapitre I
drsquoun logiciel et de ces domaines drsquoapplication on pourra aboutir agrave une utilisation responsable de ces logiciels
Drsquoougrave le besoin drsquoune meacutethodologie de validation qui permet de tester la capaciteacute drsquoun logiciel agrave simuler les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Cette meacutethodologie doit eacutegalement palier les deacutefaillances rencontreacutees dans le domaine agrave noter creacutedibiliteacute fiabiliteacute et accessibiliteacute
I352 Concept et approche proposeacutes Pour atteindre les objectifs fixeacutes ci-dessus la meacutethodologie de validation proposeacutee repose un concept de base qui est celui de tester seacutepareacutement les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Ceux-ci peuvent ecirctre classeacutes sous 3 grands groupes
1 La description de la source de lumiegravere et le calcul de lrsquoeacuteclairement direct 2 Le transfert du flux lumineux agrave travers les composants de la fenecirctre et lrsquoinfluence des
masques 3 Les inter-reacuteflexions sur les diffeacuterents mateacuteriaux avec diffeacuterentes photomeacutetries
Pour appliquer ce concept cette meacutethodologie de validation est baseacutee sur une seacuterie de cas-tests chacun traitant un sceacutenario drsquoeacuteclairage simple (un nombre limiteacute de paramegravetres) ougrave un certain aspect de la propagation de lumiegravere est mis en eacutevidence La description des cas-tests comprend la geacuteomeacutetrie les sources de lumiegravere ainsi qursquoune seacuterie de valeurs de reacutefeacuterence agrave utiliser pour tester la capaciteacute du logiciel agrave simuler lrsquoaspect en question Ces valeurs de reacutefeacuterence sont obtenues soit agrave lrsquoaide drsquoun calcul analytique quand crsquoest possible (pour des sceacutenarios theacuteoriques) ou bien agrave partir de mesures expeacuterimentales
Ainsi chaque cas-test est applicable agrave tout logiciel proposant des fonctionnaliteacutes lieacutees agrave lrsquoaspect traiteacute (dans ce cas-test) indeacutependamment des algorithmes utiliseacutes des meacutethodes de calcul adopteacutees ou des paramegravetres utiliseacutes
Cependant il est possible drsquoassocier agrave chaque test une eacutetude parameacutetrique propre agrave chaque logiciel Une telle eacutetude permet de mieux comprendre lrsquoinfluence des diffeacuterents paramegravetres proposeacutes sur la preacutecision du logiciel dans un aspect donneacute de la propagation de la lumiegravere
Pour une utilisation optimale de cette meacutethodologie de validation les cas-tests doivent couvrir tous les aspects de la propagation de la lumiegravere Ils seront alors utiliseacutes en tant qursquooutil unique et complet pour tester un logiciel donneacute
Une comparaison geacuteneacuterale des reacutesultats des simulations drsquoun logiciel donneacute aux valeurs de reacutefeacuterences de la seacuterie de cas-tests donnera une ideacutee claire sur les domaines ougrave le logiciel testeacute respecte ou non les lois physiques Ceci permettra agrave un utilisateur de veacuterifier si ce logiciel est compatible avec son propre domaine drsquoactiviteacute et agrave un deacuteveloppeur de veacuterifier si son logiciel a atteint les perspectives souhaiteacutees
De la mecircme faccedilon une comparaison entre les reacutesultats de diffeacuterents logiciels et les valeurs de reacutefeacuterence permet drsquooffrir une vision objective sur le logiciel qui reacutepond le mieux agrave une exigence donneacutee
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Chapitre I
Conclusions Suite agrave notre eacutetude bibliographique sur le domaine de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage nous avons orienteacute le travail de cette thegravese (agrave travers les chapitres suivants) de faccedilon agrave reacutepondre agrave certains des problegravemes identifieacutes dans ce domaine
Ainsi en ce qui concerne le manque de fiabiliteacute dans les travaux de validation des logiciels nous deacuteveloppons la meacutethode de validation que nous avons proposeacutee Dans ce cadre nous creacuteons une seacuterie de cas-tests en relation avec diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere traiteacutes ci-dessus Ces cas-tests sont reacutepartis en deux familles lrsquoune avec des sceacutenarios theacuteoriques et des reacutefeacuterences analytiques et lrsquoautre avec des reacutefeacuterences expeacuterimentales reacutepondant agrave des critegraveres de controcircle de qualiteacute que nous avons deacutefinis
En ce qui concerne la difficulteacute de simuler des sceacutenarios reacuteels de lumiegravere naturelle nous proposons et validons une meacutethode de simulation agrave partir des cartes de luminances reacuteelles agrave haute deacutefinition
Finalement nous proposons et nous validons une meacutethode de simulation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquoaide des luminaires eacutequivalents Cette meacutethode permet agrave la simulation de la lumiegravere de jour de beacuteneacuteficier de la preacutesence confirmeacutee des outils de simulation de la lumiegravere artificielle dans le domaine de la conception des bacirctiments Elle permet eacutegalement de surmonter un nombre de difficulteacutes rencontreacutees dans certains logiciels classiques de simulation la lumiegravere naturelle en particulier celles lieacutees agrave la preacutecision des reacutesultats par rapport au temps de calcul et agrave la simulation des masques exteacuterieurs
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Chapitre I
Reacutefeacuterences Bibliographiques 3D-LUMIEgraveRE Enquecircte sur la connaissance et lrsquoutilisation des systegravemes informatiques de simulation drsquoeacuteclairage Paris Club 3D Lumiegravere 2000 11 p ACHARD G LAFORGUE P SOUYRI B FONTOYNONT M BASTIE A MITANCHEY R Etude dun systegraveme Metrologique de Confort Radiatif Integrant lAspect Thermique et lAspect Visuel Paris 1994 60 p AFE Les sources de lumiegravere Socieacuteteacute dEdition Lux 1987 199 p AIZLEWOOD M BUTT J ISAAK K LITTLEFAIR P Daylighting in atria a comparison of measurements theory and simulation Lux Europa 1997 Amsterdam-Netherlands 1997 ANDERSEN M RUBIN M POWLES R SCARTEZZINI J L Bi-directional light transmission properties assessment for venetian blinds Computer simulations compared to photogoniometer measurements ISES Solar World Congress 2003 - Solar Energy for a Sustainable Future Gothenburg - Sweden International Solar Energy Society 2003 ANDERSEN M RUBIN M SCARTEZZINI J-L Comparison between ray-tracing simulations and bi-directional transmission measurements on prismatic glazing Solar Energy 2003 vol 74 ndeg2 pp 157-217 ANSIIESNA ANSIIESNA LM-63-02 ANSI Approved Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data and Related Information ANSIIESNA LM-63-02 2002 26 p ASE Eclairage inteacuterieur par la lumiegravere du jour Norme Suisse SN 418911 Zuumlrich Association Suisse des Electriciens 1989 ASHDOWN I Near-Field Photometry A New Approach IES 1993 vol 22 ndeg1 pp 163-180 ASHDOWN I EULUMDAT File Format Specification [en ligne] Disponible sur lthttpwwwhelios32comEulumdathtmgt (09 Mars 2004) ASHDOWN I Thinking photometrically Part II 105 Las Vegas workshop-Lightfair International 2001 42 p ASHRAE-IESNA Energy efficient design of new buildings except new low-rise residential buildings ASHRAEIES 901-1989 American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditionaing Engginers 1989 AUTODESK Lightscape 32 Users Guide 32 Autodesk 1999 352 p BALOCCO C FORASTIERE M A GRAZZINI G RIGHINI G C Experimental results of transparent reflective and absorbing propoerties of some building materials Energy and Buildings 2001 vol 33 pp 563-568
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Chapitre I
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Chapitre I
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Chapitre I
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Chapitre I
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52
Chapitre I
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Chapitre I
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- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
4 Consommation eacutenergeacutetique 5 Coucirct drsquoinstallation et de maintenance 6 Estheacutetique et inteacutegration architecturale (rendu de couleur)
Les outils drsquoaide agrave la conception inteacutegrant ces paramegravetres peuvent varier entre les meacutethodes simplifieacutees de calcul manuel (souvent associeacutees agrave des abaques) et les logiciels baseacutes sur des algorithmes de calcul physique de plus en plus complexes et performants (Radiositeacute Lancer de rayon) [CIE 1978] [IESNA 1982] [CIE 1982] [CIE 1984] [AFE 1987] [CIE 1989] [CIE 1992] [CIE 1995] [IESNA 1991] [IESNA 1991]
I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires Pour pouvoir calculer lrsquoeacuteclairement direct ducirc agrave un luminaire il est neacutecessaire de connaicirctre le flux lumineux sortant et sa distribution directionnelle Cette distribution dite aussi distribution des intensiteacutes courbe photomeacutetrique ou solide photomeacutetrique est mesureacutee agrave lrsquoaide drsquoun goniophotomegravetre
Un goniophotomegravetre consiste agrave preacutesenter sous diffeacuterents angles un luminaire muni drsquoune lampe et drsquoun ballast eacutetalonneacutes agrave un capteur drsquoeacuteclairement situeacute agrave une grande distance Les premiers goniophotomegravetres conccedilus par Ferris Wheel permettaient de faire tourner le luminaire dans un plan horizontal et de faire tourner le capteur dans un plan vertical ce qui neacutecessite des grands espaces
De nos jours on utilise surtout des goniophotomegravetres agrave miroir ougrave le luminaire fait des rotations dans le plan horizontal et un miroir fait une rotation verticale autour du luminaire de faccedilon agrave reacutefleacutechir la lumiegravere incidente du luminaire vers un capteur fixe placeacute agrave une certaine distance
Figure I1 Exemple drsquoun goniophotomegravetre agrave miroir
On utilise eacutegalement une deuxiegraveme meacutethode de mesures goniophotomeacutetriques dite photomeacutetrie agrave distance drsquoapplication Elle consiste agrave mesurer point par point les eacuteclairements reccedilus sur une surface situeacutee agrave une certaine distance du luminaire Ces mesures seront interpoleacutees de faccedilon agrave conclure une distribution des intensiteacutes eacutequivalentes qui produirait les mecircmes valeurs si elle eacutetait positionneacutee au centre photomeacutetrique du luminaire Lrsquoinconveacutenient de cette meacutethode est qursquoelle nrsquoest applicable que pour une certaine distance
24
Chapitre I
Une troisiegraveme meacutethode consiste agrave utiliser des capteurs CCD calibreacutes en luminance pour mesurer le champ de lumiegravere entourant la source Cette meacutethode est dite de photomeacutetrie agrave champ de luminances et elle est de plus en plus utiliseacutee dans le domaine de la photomeacutetrie en champ proche [CIE 1987] [CIE 1996] [Ashdown 2001] [Deniel 2002]
I113 Notion de champ proche - champ lointain Pour une mesure goniophotomeacutetrique drsquoun luminaire il faut faire la diffeacuterence entre mesures en champ proche et en champ lointain
Les mesures en champ lointain supposent que la source de lumiegravere mesureacutee est infiniment petite et pour laquelle peut srsquoappliquer la loi de lrsquoinverse du carreacute Cette hypothegravese est geacuteneacuteralement veacuterifieacutee agrave 2 pregraves pour les cas ougrave le point de mesure est agrave une distance du luminaire drsquoau moins cinq fois sa largeur (regravegle des 5x) Cependant cette notion nrsquoest pas toujours applicable comme par exemple pour les luminaires indirects de grande dimension (eg agrave tubes fluorescents)
Les mesures en champ proche prennent en consideacuteration lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute de la distribution des intensiteacutes entre diffeacuterentes zones drsquoune source Ca consiste agrave mesurer la distribution de la lumiegravere agrave une distance proche du luminaire
La photomeacutetrie en champ proche produit un grand nombre de donneacutees dont lrsquoexploitation nrsquoest pas encore agrave la porteacutee de la majoriteacute des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage existants Crsquoest pourquoi nous ne traitons pas la photomeacutetrie en champ dans notre travail [IESNA 1993] [Ashdown 1993] [Ashdown 2001] [Deniel 2002]
I114 Fichiers photomeacutetriques Les mesures goniophotomeacutetriques (en champ lointain) drsquoun luminaire sont souvent preacutesenteacutes sous forme de tableaux de valeurs ou des graphiques associant une valeur drsquointensiteacute lumineuse agrave chaque direction (repeacutereacutee par un angle vertical et un angle horizontal agrave partir du centre photomeacutetrique du luminaire ie centre de la rotation du luminaire)
La valeur donneacutee de lrsquointensiteacute peut ecirctre une valeur absolue mesureacutee ou bien une valeur relative en cdmsup2 pour un flux de 1000lm produit par la ou les lampes du luminaire
Pour prendre en consideacuteration ces donneacutees photomeacutetriques dans une simulation de lrsquoeacuteclairage un certain nombre de formats de fichiers numeacuterique a eacuteteacute creacuteeacute
7 Le format IESNA dit IES deacutefini et publieacute en 1986 par lrsquoIESNA (Illumination Engineering Society for North America) et depuis adopteacute par les constructeurs ameacutericains de luminaires et par les deacuteveloppeurs de logiciels de calcul drsquoeacuteclairage Ce format a eacuteteacute reacuteviseacute en 1991 en 1995 [IESNA 1995] et plus reacutecemment en 2002 [ANSIIESNA 2002]
8 Le format CIBSE TM 14 CIBSE standard file format for the electronic transfer of luminaire photometric data publieacute en 1988 et largement utiliseacute au Royaume Uni [CIBSE 1988]
9 Le format Eulumdat proposeacute par Stockmar A en 1990 et largement adopteacute par lrsquoindustrie europeacuteenne de lrsquoeacuteclairage [Stockmar 1990] [Stockmar 2000] [Ashdown 1999]
10 Le format CIE 102-1993 Recommended file format for electronic transfer of luminaire photometric data Ce rapport a eacuteteacute publieacute par la CIE dans lrsquoobjectif de standardiser un format international et unique mais il nrsquoa pas eacuteteacute suffisamment soutenu par lrsquoindustrie de lrsquoeacuteclairage ou par les deacuteveloppeurs de logiciels ce qui eacutetait le cas eacutegalement pour drsquoautres tentatives [CIE 1993]
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Chapitre I
Figure I2 Exemples de visualisation 3D de fichiers photomeacutetriques associeacutes agrave la geacuteomeacutetrie drsquoun luminaire
De faccedilon geacuteneacuterale les diffeacuterents formats proposeacutes preacutevoient une partie pour les informations geacuteneacuterales (sur le luminaire et les lampes utiliseacutees sur le flux sur les conditions de mesurehellip) une partie pour la description des angles de mesures (nombre drsquoangles verticaux et horizontaux et leurs valeurs les axes de symeacutetrie srsquoils existenthellip) puis une partie pour preacutesenter les valeurs drsquointensiteacute agrave associer agrave chaque angle de mesure
En ce qui concerne le flux reacuteel agrave utiliser pour la simulation il peut ecirctre deacuteduit de lrsquointeacutegration des intensiteacutes corrigeacutees ou non par un facteur multiplicateur (pour passer des valeurs relatives aux valeurs reacuteelles) ou bien il peut ecirctre donneacute en valeur absolue dans le fichier (Voir les exemples preacutesenteacutes dans lrsquoannexe G)
I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique) Lrsquoexploitation drsquoun fichier photomeacutetrique dans un logiciel se fait agrave lrsquoaide drsquoune interpolation des valeurs donneacutees pour les diffeacuterentes directions de mesure pour en deacuteduire des valeurs drsquointensiteacute agrave affecter agrave toutes les autres directions Il existe plusieurs meacutethodes drsquointerpolation dont les plus utiliseacutees la meacutethode diteSpline la meacutethode lineacuteaire et la meacutethode dite Seacuteries de Fourier Quelle que soit la meacutethode drsquointerpolation utiliseacutee il existe une source drsquoerreur potentielle en particulier dans le cas de variation rapide des valeurs drsquointensiteacute reacuteelles entre les directions mesureacutees Pour cela il est conseilleacute de faire des mesures goniophotomeacutetriques avec des pas de mesure assez fins en particulier pour les luminaires agrave photomeacutetrie complexe
Suite agrave cette interpolation le logiciel dispose drsquoune distribution drsquointensiteacute complegravete dite aussi solide photomeacutetrique qursquoil pourra utiliser pour calculer les eacuteclairements directs reccedilus sur les diffeacuterentes surfaces de la geacuteomeacutetrie Ce calcul est baseacute sur la formule deacutefinissant la relation entre lrsquointensiteacute (Iox) drsquoune source ponctuelle (O) dans la direction drsquoun point donneacute (X) lrsquoangle drsquoincidence par rapport agrave la surface de mesure (θ) et la valeur drsquoeacuteclairement reacutesultante sur ce point (E = Iox cosθ dsup2)
Etant donneacute que ce calcul prend en consideacuteration une source point (caracteacuteriseacutee par le solide photomeacutetrique souvent placeacute au centre photomeacutetrique du luminaire) il est important de veacuterifier la loi de 5x entre la distance d et la longueur du luminaire
Cependant la majoriteacute des logiciels existants procegravedent agrave une subdivision automatique drsquoune source lineacuteaire ou surfacique en une seacuterie de sources points et cela en fonction de sa dimension et de sa distance des points de mesure afin de veacuterifier la loi de 5x Le mecircme solide
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Chapitre I
photomeacutetrique sera attribueacute agrave toutes les sources points avec un flux qui correspond agrave une partie du flux initial de la grande source
Il faut noter que cette subdivision drsquoun luminaire en une seacuterie de sources points ne prend pas en consideacuteration lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute de la distribution des intensiteacutes entre les diffeacuterentes zones de ce luminaire Ce qui fait introduire une source drsquoerreur qui doit ecirctre prise en consideacuteration en comparant les reacutesultats drsquoune simulation (baseacutee sur un solide photomeacutetrique obtenu par des mesures goniophotomeacutetriques en champ lointain) agrave des mesures expeacuterimentales drsquoeacuteclairement [IESNA 1993] [Ashdown 2001] [Deniel 2002]
I12 Les sources de lumiegravere naturelle Malgreacute lrsquoutilisation intense de la lumiegravere artificielle dans notre mode de vie la source principale de lumiegravere reste la lumiegravere de jour Pour parler de la lumiegravere du jour il faut bien eacutevidemment parler du soleil et du ciel mais aussi du sol exteacuterieur et de lrsquoenvironnement urbain [CIE 1970] [IESNA 1993] [Dumortier 1995]
I121 le soleil A lrsquoorigine de la lumiegravere du jour on trouve le soleil qui est la source primaire de rayonnement sur la terre La variation de lrsquoinclinaison des rayons du soleil agrave la fois dans le temps et dans lrsquoespace creacutee un veacuteritable dynamisme et dessine les grandes lignes de la geacuteographie des climats
La position apparente du soleil par rapport agrave un point donneacute de la terre est exprimeacutee par deux paramegravetres la hauteur solaire qui repreacutesente lrsquoangle vertical du soleil avec lrsquohorizon et lrsquoazimut solaire qui repreacutesente lrsquoangle horizontal (dans le sens des aiguilles de la montre) du soleil avec le sud
Lrsquoeacuteclairement solaire direct reccedilu sur une surface donneacutee deacutepend en particulier de lrsquoangle drsquoincidence du rayonnement solaire sur la surface (variant avec lrsquoorientation de la surface et la position du soleil) de la distance entre le soleil et cette surface (variant avec lrsquoorbite elliptique de la terre) et de lrsquoatteacutenuation du flux lumineux dans lrsquoatmosphegravere (variant avec la densiteacute des nuages et des aeacuterosols) Cet eacuteclairement deacutepend aussi de lrsquoExitance eacutenergeacutetique du soleil exprimeacutee par la Constante solaire qui repreacutesente lrsquoeacuteclairement eacutenergeacutetique (en klx) produit par le rayonnement solaire extraterrestre sur une face perpendiculaire aux rayons solaires agrave la distance moyenne Soleil-Terre Cette constante est pondeacutereacutee par lrsquoefficaciteacute lumineuse relative du rayonnement solaire
La prise en consideacuteration du soleil dans une simulation numeacuterique se fait surtout agrave travers des algorithmes matheacutematiques qui servent agrave calculer la position du soleil par rapport agrave la latitude et la longitude du site au jour de lrsquoanneacutee (de 1 agrave 365) et au temps local Cette position est alors utiliseacutee pour eacutevaluer la peacuteneacutetration agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment
I122 le ciel Avant drsquoatteindre la surface de la terre les rayons solaires traversent et subissent les effets de la couche gazeuse qui enveloppe la terre lrsquoatmosphegravere Sa densiteacute et sa pression diminuent au fur et agrave mesure que lrsquoaltitude augmente Trois reacutegions sont deacutefinies pour caracteacuteriser la composition de lrsquoatmosphegravere lrsquohomosphegravere lrsquoheacuteteacuterosphegravere et la photosphegravere Seule lrsquohomosphegravere intervient dans les pheacutenomegravenes de propagation du rayonnement solaire car elle contient lrsquoair sec et pratiquement la totaliteacute de lrsquoeau atmospheacuterique et les aeacuterosols principaux eacuteleacutements qui influencent la composition spectrale et la propagation de la lumiegravere
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Chapitre I
Ainsi avec la position du soleil et les conditions climatiques (eg densiteacute des nuages densiteacute des aeacuterosolshellip) se dessine une distribution spatiale des luminances de la voucircte ceacuteleste vue par un site donneacute de la terre
Cette distribution des luminances deacutetermine lrsquoeacuteclairement horizontal sur un site donneacute et joue un rocircle principal dans la propagation de la lumiegravere de jour agrave lrsquointeacuterieur des bacirctiments
La prise en consideacuteration des champs de luminances des ciels dans une simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage se fait tregraves souvent agrave travers les modegraveles numeacuteriques de ciels
I123 les modegraveles de ciel Pour pouvoir preacutedire avec preacutecision les eacuteclairements obtenus agrave lrsquointeacuterieur drsquoune piegravece eacuteclaireacutee en lumiegravere de jour il est essentiel de pouvoir deacuteterminer la distribution des luminances du ciel
Pour cela des recherches et des observations ont eacuteteacute meneacutees agrave travers le monde et plusieurs modegraveles numeacuteriques ont eacuteteacute creacuteeacutes et standardiseacutes afin de deacutecrire des reacutepartitions types de luminances qui correspondent le mieux aux conditions de ciel les plus rencontreacutees dans la reacutealiteacute
Ces modegraveles sont geacuteneacuteralement deacutecrits par des formules exprimant la variation des luminances des diffeacuterentes zonesmailles du ciel souvent par rapport agrave la luminance au zeacutenith et selon la position du soleil et les caracteacuteristiques de lrsquoatmosphegravere
A noter que de maniegravere geacuteneacuterale ces modegraveles de ciel ne prennent pas en consideacuteration le rayonnement direct du soleil
Parmi les modegraveles de ciel existants nous citons les suivants
1 Ciel Uniforme utiliseacute auparavant pour le calcul du facteur de lumiegravere de jour 2 Ciel clair CIE baseacute sur le modegravele deacutefini par kittler en 1965 [Kittler 1965] [CIE 1973]
[CIE 1990] 3 Ciel couvert CIE baseacute sur le modegravele de Moon and Spencer et largement utiliseacute comme
reacutefeacuterence pour le calcul du facteur de lumiegravere de jour depuis sa recommandation par la CIE en 1970 [Moon 1942] [CIE 1970] [CIE 1990]
4 Ciel intermeacutediaire de Nakamura [Nakamura 1989] 5 Ciels IESNA Pour deacuteterminer la reacutepartition des luminances drsquoun ciel lrsquoIESNA utilise les
eacutequations utiliseacutees par la CIE pour les ciels clair et couvert et propose une autre eacutequation pour un ciel intermeacutediaire Cependant en plus de la reacutepartition des luminances lrsquoIESNA propose lrsquoutilisation drsquoune eacutequation pour obtenir une valeur absolue de lrsquoeacuteclairement horizontal et une autre eacutequation pour en deacuteduire directement la luminance au zeacutenith Les paramegravetres associeacutes aux deux eacutequations deacutependent de la condition du ciel (clair intermeacutediaire ou couvert) et de la position du soleil [Karayel 1984]
6 Modegravele tout temps de Perez Crsquoest un modegravele empirique baseacute sur un algorithme unique qui agrave partir de la variation de deux paramegravetres lieacutes aux conditions climatiques (clarteacute et luminositeacute) deacutecrit des reacutepartitions de luminances correspondantes agrave des conditions de ciel allant du ciel sans nuages au ciel complegravetement couvert [Perez 1993]
7 Modegravele du Ciel Geacuteneacuteral de la CIE qursquoon peut consideacuterer comme une deacuteriveacutee du ciel tout temps de Perez Il est deacutefini par une eacutequation unique et 15 seacuteries de paramegravetres pour deacutecrire 15 conditions types de ciel et la distribution des luminances propre agrave chacune de ces conditions [CIE 2002]
Mecircme si la majoriteacute de ces modegraveles tentent de repreacutesenter les champs de luminances des ciels le plus fidegravelement possible agrave la reacutealiteacute il est important de noter qursquoil sera difficile sinon
28
Chapitre I
impossible de repreacutesenter tous les cas de figures qui peuvent exister dans un ciel reacuteel par des simples formules
Ceci est particuliegraverement vrai si nous voulons prendre en consideacuteration ce qui peut apparaicirctre dans un champ de luminances externe agrave une ouverture zeacutenithale ou verticale (masques sol exteacuterieurhellip)
Face agrave la complexiteacute des champs de luminances reacuteels plusieurs tentatives ont eacuteteacute meneacutees afin de transformer un champ de luminances reacuteel en un modegravele de ciel agrave travers des mesures de scanner de ciel ou bien agrave travers des photos numeacuteriques eacutetalonneacutees [Roy 1998] [Mardaljevic 2001] [Dumortier 2001]
Au-delagrave de la variation des luminances drsquoun ciel certaines eacutetudes se sont inteacuteresseacutees agrave la variation de la tempeacuterature de couleur proximale et de la reacutepartition spectrale [Chain 1999]
I123 Le sol exteacuterieur La lumiegravere naturelle reacutefleacutechie sur le sol exteacuterieur peut jouer un rocircle important dans la propagation de la lumiegravere du jour agrave lrsquointeacuterieur des bacirctiments En effet elle repreacutesente en moyenne 10 agrave 15 de lrsquoeacuteclairement vertical direct sur une faccedilade et peut deacutepasser cette valeur dans le cas drsquoun sol clair
En geacuteneacuteral cette lumiegravere est renvoyeacutee par les surfaces du plafond ou des murs vers les autres surfaces internes et participe ainsi agrave la composante reacutefleacutechie interne du facteur de lumiegravere de jour
La prise en consideacuteration du sol exteacuterieur dans une simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage se fait souvent en supposant une luminance uniforme de celui-ci variant avec lrsquoeacuteclairement Hz et le facteur de reacuteflexion moyen du sol Cependant dans certains logiciels il est neacutecessaire de modeler le sol exteacuterieur par une surface de grande dimension Dans ce cas le moteur de calcul doit proceacuteder au calcul de la reacutepartition de la luminance sur le sol avant de calculer sa contribution agrave lrsquoeacuteclairage inteacuterieur
I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain) Dans le calcul de la lumiegravere du jour agrave lrsquointeacuterieur drsquoun bacirctiment il est important de prendre en consideacuteration les eacuteleacutements de faccedilade et lrsquoenvironnement urbain Ceux ci peuvent repreacutesenter agrave la fois une obstruction agrave lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour directe dans le bacirctiment et une source secondaire de lumiegravere naturelle par reacuteflexion (composante reacutefleacutechie externe)
Ainsi par exemple une piegravece au premier eacutetage sera moins eacuteclaireacutee qursquoune autre au 5egraveme eacutetage dans le cas drsquoun bacirctiment en vis agrave vis Ou encore la mecircme piegravece sera mieux eacuteclaireacutee avec un facteur de reacuteflexion plus eacuteleveacute de la faccedilade en face
La prise en consideacuteration des masques dans certaines meacutethodes de calcul simplifieacutees se fait agrave travers la deacutetermination de lrsquoangle drsquoobstruction (entre le centre de la fenecirctre et la ligne limite entre le masque et le ciel) et du facteur de reacuteflexion moyen du masque
Un calcul plus preacutecis de lrsquoinfluence drsquoun sceacutenario urbain donneacute sur lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour dans une piegravece peut se faire agrave lrsquoaide des algorithmes de calcul physiques (radiositeacute ou lancer de rayon) Cependant cela neacutecessite la modeacutelisation geacuteomeacutetrique des masques exteacuterieurs ce qui entraicircne un temps de calcul relativement long
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Chapitre I
I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
Geacuteneacuteraliteacutes On entend par conception de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment le choix des composants et des caracteacuteristiques des parois vitreacutees leur position leurs dimensions les speacutecifications des vitrages et des protections solaires
Ces choix sont guideacutes par des consideacuterations thermiques (apport solaire et surchauffe deacuteperditions par lrsquoenveloppe) acoustiques eacutenergeacutetiques (eacuteclairage artificiel systegravemes de chauffage et de climatisation) ergonomiques (confort visuel) ainsi qursquoestheacutetiques et architecturales
Il est eacutegalement neacutecessaire de prendre en consideacuteration les interactions entre ces diffeacuterents paramegravetres afin drsquoarriver agrave un compromis qui reacutepond le mieux aux exigences du projet Par exemple laisser passer plus de lumiegravere naturelle en agrandissant les surfaces vitreacutees entraicircnerait une augmentation de lrsquoapport solaire et des surchauffes en eacuteteacute et de la deacuteperdition et de la consommation eacutenergeacutetique du chauffage en hiver
Avec les progregraves technologiques apporteacutes aux systegravemes de controcircle on arrive de nos jours agrave mieux geacuterer ces interactions en particulier le controcircle des protections solaires en relation avec le confort visuel et le controcircle de lrsquoeacuteclairage artificiel en relation avec la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour sur le plan de travail (systegravemes de dimming controcircles automatiseacutes zonagehellip) Cependant pour que la conception de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment aboutisse agrave une meilleure efficaciteacute eacutenergeacutetique il est important de srsquoy inteacuteresser degraves les premiegraveres phases de la conception du bacirctiment (orientation dimensionnementhellip) [ASHRAE-IESNA 1989] [CIE 1994] [Leslie 2003]
Eclairement inteacuterieur requis Un paramegravetre cleacute dans la conception de lrsquoeacuteclairage naturel est lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (en particulier sur le plan de travail) Cet eacuteclairement subit des variations importantes avec le temps dues au dynamisme de la distribution des luminances du ciel (en particulier la zone vue par un point de reacutefeacuterence)
Ducirc agrave cette dynamique et pour simplifier la prise en consideacuteration de ce paramegravetre dans la conception drsquoun bacirctiment la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute a eacuteteacute introduite Ainsi on srsquointeacuteresse agrave un seuil minimum drsquoeacuteclairement neacutecessaire pour assurer le bon fonctionnement des tacircches pour lesquelles est deacutedieacute un local Le deacutepassement de ce seuil est supposeacute comme geacuteneacuteralement compenseacute par lrsquoadaptation de lrsquoœil
Disponibiliteacute de la lumiegravere de jour Lrsquoeacuteclairement inteacuterieur est directement lieacute agrave la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour agrave lrsquoexteacuterieur du bacirctiment Cette derniegravere est exprimeacutee par lrsquoeacuteclairement sur une surface horizontale deacutegageacutee Sa variation avec le temps et la geacuteographie a eacuteteacute eacutetudieacutee agrave partir de plusieurs campagnes de mesure agrave travers le monde [Dumortier 2003]
Ainsi la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour a pu ecirctre deacutecrite par des diagrammes en fonction de la latitude et drsquoun pourcentage des heures drsquoune anneacutee pour une peacuteriode journaliegravere donneacutee (9h agrave 17h par ex) pour lesquelles lrsquoeacuteclairement horizontal exteacuterieur deacutepasse un certain seuil Ces diagrammes ne prennent souvent en consideacuteration que lrsquoeacuteclairement diffus
De nos jours on arrive agrave estimer la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour par lrsquoanalyse des images satellites Nous citons dans ce domaine le serveur Web Satel-Light deacuteveloppeacute au
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Chapitre I
LAboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Dumortier 1995] [Satel-Light 1995] [Dumortier 2002] [Dumortier 2003]
Facteur de lumiegravere de jour Afin de deacuteterminer une relation entre lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (en un point de la piegravece) et la disponibiliteacute de la lumiegravere du jour agrave lrsquoexteacuterieur drsquoun bacirctiment la notion du Facteur de Lumiegravere de Jour est utiliseacutee
FJ= (EintEext)
Ce ratio est subdiviseacute en plusieurs composantes
- La composante directe FJD (varie avec la distribution des luminances du ciel vues par le point de reacutefeacuterence)
- La composante reacutefleacutechie externe FRE (varie avec la contribution de la lumiegravere reacutefleacutechie sur le sol et les masques exteacuterieurs)
- La composante reacutefleacutechie interne FRI (varie avec les inter-reacuteflexions au niveau des surfaces inteacuterieures et deacutepend du facteur de reacuteflexion de ces surfaces)
Ainsi FJ = FJD + FRE + FRI
Pour le calcul drsquoun facteur de lumiegravere de jour en particulier sa composante directe il est important de caracteacuteriser la reacutepartition des luminances dans le ciel Alors que pour des raisons de simplification on supposait une reacutepartition uniforme (en azimut et en zeacutenith) de la luminance du ciel la CIE a proposeacute lrsquoadoption du ciel CIE couvert standard eacutetant donneacute qursquoil repreacutesente mieux de la distribution reacuteelle des luminances drsquoun ciel nuageux
Lrsquoutilisation drsquoun ciel nuageux pour la mesure ou le calcul du facteur de lumiegravere de jour est compatible avec la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute En effet les autres conditions possibles de ciel aboutissent geacuteneacuteralement agrave une meilleure peacuteneacutetration de la lumiegravere diffuse ou agrave une compensation par la lumiegravere directe du soleil Ainsi en adoptant le facteur de lumiegravere de jour sous un ciel nuageux comme reacutefeacuterence pour la conception on garantit une marge de seacutecuriteacute et un niveau minimum
Diagrammes drsquoautonomie A lrsquoaide des paramegravetres deacutecrits ci-dessus lrsquoeacuteclairement inteacuterieur requis les diagrammes de disponibiliteacute de la lumiegravere de jour et le facteur de lumiegravere de jour il est possible de deacutecrire des diagrammes drsquoautonomie en lumiegravere de jour Ces diagrammes permettent de deacutefinir un pourcentage de temps garanti ougrave lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (naturel) en un point donneacute deacutepassera un certain seuil Ou bien il permet de deacutefinir un facteur de lumiegravere de jour minimum requis afin de garantir un certain pourcentage de temps de deacutepassement drsquoun seuil drsquoeacuteclairement inteacuterieur [ASE 1989] [Satel-Light 1995]
Calcul dynamique de lrsquoeacuteclairage naturel (coefficient de FLJ) La nouvelle tendance dans la conception en eacuteclairage naturel nrsquoest plus baseacutee sur la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute mais sur un calcul dynamique de lrsquoentreacutee de la lumiegravere en utilisant les fichiers climatiques drsquoun site donneacute Cette meacutethode plus reacutealiste mais plus lourde en calcul est devenue utilisable gracircce agrave lrsquoeacutevolution des capaciteacutes du mateacuteriel informatique Sa mise en place utilise lrsquoapproche du facteur de lumiegravere de jour directionnel pour preacute-calculer la contribution relative des diffeacuterentes mailles du ciel agrave lrsquoeacuteclairement des diffeacuterents points drsquoun espace inteacuterieur [Tregenza 1983] [Mardaljevic 2000] [Reinhart 2000] [Dumortier 1995]
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Chapitre I
Outils de conception En ce qui concerne les meacutethodes existantes pour le calcul et lrsquoeacutevaluation de lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment elles sont classeacutees selon les cateacutegories suivantes [De Boer 1999]
- Les meacutethodes de calcul manuel (meacutethode de lumen ) - Les meacutethodes graphiques baseacutees sur des diagrammes selon des configurations types
du bacirctiment Ces diagrammes sont compleacuteteacutes par des facteurs de correction agrave prendre en consideacuteration en relation avec la transmission des vitrages la deacutegradation due agrave lrsquoaccumulation des saleteacutes le facteur de reacuteflexion moyen des surfaces inteacuterieureshellip
- Des mesures expeacuterimentales dans des maquettes agrave eacutechelle reacuteduite ou reacuteelle sous un ciel artificiel ou reacuteel
- Les logiciels de simulation baseacutes en particulier sur les meacutethodes de radiositeacute et de lancer de rayon
Un autre aspect de conception en eacuteclairage naturel (que celui de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour) consiste agrave prendre en consideacuteration les taches solaires agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment en particulier du point de vue de lrsquoapport thermique et du confort visuel Lrsquoeacutetude des taches est le plus souvent limiteacutee agrave certains jours repreacutesentatifs de lrsquoanneacutee (en particulier les solstices) et pour diffeacuterentes heures de la journeacutee
Les meacutethodes existantes pour lrsquoeacutetude des taches solaires sont
- Des meacutethodes manuelles utilisant des diagrammes solaires - Des eacutetudes sur maquette reacuteduite sous un heacuteliodon - Des meacutethodes numeacuteriques utilisant des algorithmes matheacutematiques pour deacutefinir la
position du soleil et des algorithmes de lancer de rayon pour simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere solaire directe agrave travers lrsquoenveloppe du bacirctiment Certains logiciels sont deacuteveloppeacutes speacutecialement pour lrsquoeacutetude des taches solaires on parle alors drsquoheacuteliodons numeacuteriques
En plus que les outils de simulation nous traitons dans notre travail les mesures expeacuterimentales dans des maquettes drsquoeacutetude
I13 La geacuteomeacutetrie
I131 Geacuteneacuteraliteacutes Comme la source lumineuse la geacuteomeacutetrie drsquoun espace est un eacuteleacutement cleacute pour calculer et preacutedire la propagation de la lumiegravere agrave lrsquointeacuterieur de cet espace Pour un calcul drsquoeacuteclairage (manuel ou numeacuterique) la description de cette geacuteomeacutetrie doit inclure une description tri-dimensionnelle de lrsquoespace ainsi qursquoune caracteacuterisation physique de ses mateacuteriaux Dans cette partie nous nous inteacuteressons agrave la description tri-dimensionnelle de lrsquoespace dans la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage
Les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie agrave prendre en consideacuteration dans une simulation sont geacuteneacuteralement les surfaces visibles des mateacuteriaux opaques du volume inteacuterieur Dans un sceacutenario drsquoeacuteclairage naturel nous consideacuterons eacutegalement les surfaces du sol et des masques exteacuterieurs ainsi que les composants des parois vitreacutees
On parle de surfaces visibles des mateacuteriaux opaques car contrairement au cas des eacutechanges de flux thermiques lrsquoinfluence des mateacuteriaux opaques sur la propagation des flux lumineux se limite agrave ces surfaces
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Chapitre I
La prise en consideacuteration des parois vitreacutees du sol et des masques exteacuterieurs peut varier entre les diffeacuterents logiciels Ainsi lrsquoinfluence de ces eacuteleacutements (vitrage store veacutenitien masque vertical ou horizontalhellip) peut ecirctre calculeacutee analytiquement dans un logiciel et agrave lrsquoaide drsquoun lancer de rayon ou un calcul de radiositeacute dans un autre Le premier cas ne neacutecessite qursquoune description parameacutetrique (type de vitrage couleur et orientation des lames angle drsquoobstructionhellip) et le deuxiegraveme neacutecessite une modeacutelisation preacutecise des eacuteleacutements
I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie Bien que certains logiciels offrent la possibiliteacute drsquoune automatisation de lrsquoentreacutee de la geacuteomeacutetrie 3D cellendashci est en fin de compte deacutecrite par un ensemble de polygones deacutefinis par les coordonneacutees carteacutesiennes de leurs sommets (x y z)
Pour les logiciels de simulation qui nrsquooffrent pas une interface de DAO pour lrsquoentreacutee de la geacuteomeacutetrie il est possible drsquoimporter cette derniegravere agrave partir drsquoun logiciel de DAO externe [IESNA 1999] La plupart des logiciels de simulation sont compatibles avec le format DXF creacuteeacute par Autodesk et standardiseacute par la suite pour le transfert de donneacutees geacuteomeacutetriques [Autodesk 1999]
Parmi les logiciels de DAO souvent utiliseacutes pour modeacuteliser la geacuteomeacutetrie 3D nous citons AutoCAD ArchiCAD et Microstation Cependant lorsqursquoune geacuteomeacutetrie est deacutecrite agrave lrsquoaide drsquoun logiciel externe il est important de prendre certaines preacutecautions dans le mode de dessin afin de garantir une meilleure compatibiliteacute avec la plupart des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
Les preacutecautions agrave prendre et leurs importances sont diffeacuterentes drsquoun logiciel agrave un autre mais souvent le but est drsquoeacuteviter les confusions lors du transfert qui peuvent mener agrave des erreurs de calcul Par exemple il peut srsquoagir de respecter la notion de lrsquoorientation des surfaces qui est importante dans certains logiciels ou bien de limiter la modeacutelisation des surfaces de la geacuteomeacutetrie aux parties apparentes pour eacuteviter les fausses ombres [Foley 1990]
I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade La propagation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquointeacuterieur drsquoun bacirctiment deacutebute par un transfert des flux agrave travers les parois vitreacutees Ainsi il est important de prendre ces derniegraveres en consideacuteration pour une preacutediction preacutecise de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment
La caracteacuterisation drsquoun composant drsquoune paroi vitreacutee en transmission lumineuse se fait geacuteneacuteralement agrave travers des mesures goniophotomeacutetriques Ainsi agrave partir drsquoune seacuterie de mesures de transmission en direct-direct seront deacuteduites les fonctions de transfert direct-heacutemispheacuterique et heacutemispheacuterique-heacutemispheacuterique qui caracteacuterisent un mateacuteriau donneacute [CIE 1998]
Cependant une paroi vitreacutee peut se preacutesenter sous diffeacuterentes formes agrave diffeacuterents niveaux de complexiteacute Nous listons ci-dessous les principaux cas de figures
I141 Ouverture simple Le cas le plus basique est celui drsquoune simple ouverture sans vitrage Lrsquoinfluence drsquoune telle ouverture sur la propagation de la lumiegravere naturelle se limite agrave sa dimension et son eacutepaisseur qui deacuteterminent la partie du champ de luminances externe rendue visible aux points inteacuterieurs Lrsquoaspect directionnel qualitatif et quantitatif du flux lumineux incident est conserveacute lors du passage agrave travers cette ouverture et ne subit aucune deacuteviation ni atteacutenuation (si ce nrsquoest la reacuteflexion sur les bords)
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Chapitre I
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel se fait souvent agrave lrsquoaide drsquoun maillage de sa surface La luminance apparente des mailles est ensuite calculeacutee (agrave partir de la luminance de la zone du ciel apparente agrave travers cette maille par un point donneacute) et finalement est calculeacutee la contribution de chaque maille agrave lrsquoeacuteclairement du point eacutetudieacute
Dans un certain nombre de logiciels le calcul commence par une deacutetection du champ de vision drsquoun point de mesure agrave travers lrsquoouverture Cette deacutetection se fait geacuteneacuteralement agrave lrsquoaide drsquoun lancer de rayons qui permet de deacutefinir les limites du masque constitueacute par les murs entourant lrsquoouverture
I142 Vitrage classique Dans le cas drsquoune ouverture vitreacutee (vitrage classique) le flux incident subit lrsquoinfluence de la transmission directionnelle du vitrage Cette transmission diminue avec lrsquoaugmentation de lrsquoangle drsquoincidence du rayonnement lumineux et varie selon le type de vitrage (simple double teinteacutehellip)
Il existe plusieurs reacutefeacuterences pour deacuteterminer la variation theacuteorique de la transmission lumineuse drsquoun vitrage avec lrsquoangle drsquoincidence Mais en geacuteneacuteral la majoriteacute drsquoun flux lumineux transmis agrave travers un vitrage classique est supposeacute garder sa directionnaliteacute (angle de transmission = angle drsquoincidence) et ne subit qursquoune simple atteacutenuation selon lrsquoangle drsquoincidence [Hopkinson 1966] [Hopkinson 1966 Tregenza 1993]
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture vitreacutee dans une simulation drsquoeacuteclairage naturel suit le mecircme principe que pour une ouverture non vitreacutee mais en plus une atteacutenuation de la contribution drsquoune maille agrave lrsquoeacuteclairement drsquoun point est calculeacutee selon lrsquoangle drsquoincidence entre cette maille et ce point de mesure Cependant certains logiciels ne prennent pas en consideacuteration la transmission directionnelle drsquoun vitrage et se contentent drsquoaffecter un facteur de transmission uniforme
I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel Il existe sur le marcheacute de la construction de plus en plus de vitrages agrave proprieacuteteacutes bi-directionnelles dont le but est souvent de favoriser le cheminement drsquoun flux lumineux incident dans une direction donneacutee (Laser Cut Panel Serraglaze etc) Par exemple dans le cas drsquoune ouverture verticale lrsquoobjectif est souvent de favoriser lrsquoorientation du flux transmis vers le plafond afin de permettre une entreacutee plus profonde de la lumiegravere et afin drsquoeacuteviter ou au moins drsquoatteacutenuer les taches solaires Dans le cas drsquoune ouverture zeacutenithale lrsquoobjectif est de favoriser lrsquoentreacutee verticale de la lumiegravere provenant de toutes les directions de lrsquoheacutemisphegravere exteacuterieur
Le flux lumineux incident sur ce type de mateacuteriaux est transmis avec changement drsquoorientation partielle ou totale dans le mecircme plan drsquoincidence ou bien dans tout lrsquoheacutemisphegravere de sortie
La prise en consideacuteration drsquoun mateacuteriau agrave transmission bidirectionnelle dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel est drsquoune complexiteacute importante Elle neacutecessite lrsquoutilisation des fonctions de transfert bidirectionnelles dite BTDF qui sont assez lourdes en calcul Les logiciels permettant ce type de simulations sont encore assez rares et limiteacutes au domaine de la recherche scientifique [Fontoynont 1999] [Greenup 2000] [Andersen 2003]
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Chapitre I
I144 Eleacutements de protection solaire Le rocircle des eacuteleacutements de protection solaire est de bloquer drsquoatteacutenuer ou de reacuteorienter la lumiegravere directe du soleil Parmi les types les plus utiliseacutes nous citons en particulier les stores veacutenitiens (agrave effet de reacuteorientation) les brises soleil (agrave effet de masque) et les stores en toile (agrave effet de diffusion)
La prise en consideacuteration des eacuteleacutements de protection solaires dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel deacutepend de leur type Par exemple les protections solaires agrave effet de masque neacutecessitent un simple calcul de lancer de rayons alors que la simulation des eacuteleacutements agrave effet de reacuteorientation suit le mecircme principe que pour les vitrages bidirectionnels [Klems 1995] [Shareef 2001]
I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux Pour caracteacuteriser le comportement des parois vitreacutees afin de mieux les prendre en consideacuteration dans le calcul ou la simulation de lrsquoeacuteclairage on a recours aux mesures goniophotomeacutetriques
Ces mesures peuvent srsquoaveacuterer drsquoune grande complexiteacute en particulier dans le cas des mateacuteriaux bidirectionnels puisqursquoils neacutecessitent des mesures heacutemispheacuteriques en entreacutee et en sortie
De nos jours plusieurs deacuteveloppements sont en cours afin de simplifier les proceacutedures de mesure ou de conduire ces mesures numeacuteriquement agrave lrsquoaide drsquoalgorithmes physiques [Mitanchey 1995] [Andersen 2003] [Andersen 2003] [De Boer 2003]
Drsquoautres efforts sont eacutegalement investis dans le but de simplifier la preacutesentation des donneacutees goniophotomeacutetriques [Roy 1995] [Mitanchey 1996] [IEA-SHC 1999]
I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux Si lrsquoeacuteclairage direct reccedilu des sources de lumiegravere (naturelles ou artificielles) est un eacuteleacutement de base dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere lrsquoeacuteclairage dit indirect nrsquoest pas de moindre importance
En effet lrsquoeacuteclairage indirect ducirc aux inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les diffeacuterentes surfaces drsquoune scegravene peut repreacutesenter une proportion importante de lrsquoeacuteclairement total par rapport agrave lrsquoeacuteclairement direct Crsquoest le cas notamment des luminaires indirects ou des systegravemes de reacute-acheminement de la lumiegravere directe du soleil
Les inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie deacutependent de la photomeacutetrie de ces surfaces (ou des mateacuteriaux qui les constituent) Cette photomeacutetrie est caracteacuteriseacutee en particulier par trois paramegravetres
- Le facteur de reacuteflexion global - La directionnaliteacute de la lumiegravere reacutefleacutechie - Lrsquoinfluence spectrale sur la lumiegravere reacutefleacutechie
Le premier repreacutesente le rapport entre le flux total reacutefleacutechi sur une surface et le flux initial incident Pour faciliter la mesure de ce paramegravetre un nombre de mateacuteriaux standards a eacuteteacute deacutefini comme reacutefeacuterence [CIE 1979] [CIE 1979] [CIE 1998]
Le deuxiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la ou les directions de reacuteflexion drsquoun flux incident avec une direction donneacutee Cette directionnaliteacute deacutepend de la geacuteomeacutetrie microscopique de la surface (apparente) drsquoun mateacuteriau opaque On distingue en particulier deux types de reacuteflexion theacuteoriques Les reacuteflexions parfaitement speacuteculaires et les reacuteflexions
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Chapitre I
parfaitement diffuses Bien que ces cas extrecircmes nrsquoexistent pas dans la reacutealiteacute les lois theacuteoriques relatives sont bien deacutefinies (La loi de Descartes pour le premier et loi de Lambert et les formules de facteur de forme pour le deuxiegraveme) Au-delagrave de ces deux cas theacuteoriques simplifieacutes un nombre de travaux a eacuteteacute meneacute pour deacutecrire des modegraveles analytiques plus complets qui srsquoapprochent mieux de la reacutealiteacute mais qui repreacutesentent un degreacute de complexiteacute plus eacuteleveacute [Trowbridge 1975] [Kajiya 1985] [Uetani 1992] [Balocco 2001] [Deniel 2002]
Dans la majoriteacute des logiciels existants la reacuteflexion de la lumiegravere sur une surface est simuleacutee par une combinaison de reacuteflexions diffuses et speacuteculaires Ainsi une partie du flux est reacutefleacutechie en obeacuteissant agrave la loi de Descartes et une autre partie est diffuseacutee uniformeacutement dans lrsquoespace Les algorithmes utiliseacutes sont eacutegalement en geacuteneacuteral une combinaison de radiositeacute et de lancer de rayons Certains logiciels nrsquoutilisant que les algorithmes de radiositeacute se contentent de supposer les surfaces comme 100 diffuses
Drsquoautres logiciels qui restent assez rares prennent en consideacuteration les fonctions de reacuteflexions bidirectionnelles (BRDF) theacuteoriques ou mesureacutees Cependant il faut noter que de nos jours la preacutecision des mesures de ces fonctions neacutecessite encore des moyens financiers et logistiques trop importants
Le troisiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la qualiteacute spectrale de la lumiegravere reacutefleacutechie par rapport agrave celle de la lumiegravere incidente Elle deacutepend en particulier de lrsquoabsorption spectrale seacutelective du mateacuteriau En effet le facteur drsquoabsorption drsquoun mateacuteriau peut ecirctre plus ou moins eacuteleveacute selon la longueur drsquoonde avec laquelle arrive une partie du flux incident Ainsi le spectre de la lumiegravere reacutefleacutechie peut ecirctre complegravetement diffeacuterent de celui de la lumiegravere incidente Les mateacuteriaux qui ont le mecircme facteur de reacuteflexion pour toutes les longueurs drsquoonde sont dits spectralement neutres [CIE 1986] [Smith 1992] [CIE 1996]
Plusieurs approches sont proposeacutees pour traiter lrsquoaspect spectral ou colorimeacutetrique de la propagation de la lumiegravere Les approches les plus utiliseacutees dans les logiciels de simulation de la lumiegravere sont baseacutees sur une caracteacuterisation agrave trois composantes de la couleur (de la source lumineuse ou des surfaces) Nous citons les systegravemes XYZ (de la CIE) RGB CMY et HSV Cependant si ce type de caracteacuterisation est convenable pour la repreacutesentation des couleurs il srsquoavegravere insuffisant pour simuler la variation du spectre du flux lumineux agrave travers les inter-reacuteflexions sur les surfaces inteacuterieures drsquoun espace [Mitanchey 1996] Pour plus de preacutecision il est alors recommandeacute drsquoutiliser les approches baseacutees sur une discreacutetisation plus ou moins fine du spectre Mais lrsquoimpleacutementation de telles approches dans les logiciels existants est loin drsquoecirctre courante [Smith 1992] [Mitanchey 1996]
I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage Il existe sur le marcheacute international un nombre important de logiciels deacutedieacutes agrave la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Dans une enquecircte meneacutee par le groupe 3D lumiegravere en 2000 aupregraves de 74 professionnels [3D-lumiegravere 2000] environ quarante logiciels ont eacuteteacute citeacutes par les enquecircteacutes comme outils de travail en eacuteclairage Dans une deuxiegraveme eacutetude plus speacutecialiseacutee dans le calcul drsquoeacuteclairage naturel et meneacutee par lrsquoagence international drsquoeacutenergie IEA SHC Task 21-C2 [Fontoynont 1999] vingt cinq logiciels ont eacuteteacute citeacutes Vingt deux de ces logiciels ne sont pas connus par les utilisateurs franccedilais enquecircteacutes par 3D lumiegravere Finalement nous citons lrsquoenquecircte de lrsquoIENSA [IESNA 1999] preacutesentant un nombre de logiciels existants au niveau international
Les logiciels existants diffegraverent entre eux par les algorithmes qursquoils utilisent par leurs approches DAO par la prise en consideacuteration des diffeacuterents types de sources lumineuses par
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Chapitre I
leur capaciteacute agrave simuler les pheacutenomegravenes de propagation de lumiegravere plus ou moins complexes par leur interface utilisateur et finalement par leurs vocations et leurs domaines drsquoapplication
I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage Le rocircle des algorithmes dans une simulation drsquoeacuteclairage est de geacuterer le calcul de la propagation de la lumiegravere entre les sources et les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie puis les inter-reacuteflexions entre ces surfaces
Les algorithmes utiliseacutes dans les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage sont des algorithmes dits drsquoeacuteclairement global (global illumination) puisqursquoils font un calcul tridimensionnel de la propagation de la lumiegravere Ils peuvent ecirctre classeacutes sous deux grandes familles la radiositeacute et le lancer de rayons Ces deux familles tendent agrave avoir des avantages et des inconveacutenients compleacutementaires ce qui fait que certains logiciels utilisent une logique hybride combinant les deux familles [IEA-SHC 1999] [Mitanchey 1996]
1211 Radiositeacute Les algorithmes de radiositeacute utiliseacutes pour le calcul de lrsquoeacuteclairage datent du deacutebut des anneacutees 80 Ils ont eacuteteacute adapteacutes agrave partir des algorithmes de radiositeacute utiliseacutes depuis les anneacutees 60 pour le calcul des eacutechanges radiatifs thermiques sur la base de lrsquoeacutequilibre eacutenergeacutetique
Les algorithmes de radiositeacute procegravedent en geacuteneacuteral agrave une discreacutetisation de lrsquoenvironnement simuleacute agrave travers un maillage (subdivision en petites mailles) des surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie eacuteclaireacutee par une source donneacutee (voir figure I3) Tout drsquoabord un calcul de la lumiegravere directe reccedilue par chaque maille est effectueacute Ensuite chaque maille est traiteacutee comme une source lumineuse eacutemettant une partie du flux lumineux qursquoelle a reccedilu (selon son facteur de reacuteflexion) vers les autres mailles de la geacuteomeacutetrie Cette lumiegravere indirecte subit plusieurs inter-reacuteflexions jusqursquoagrave ce que la quasi-totaliteacute du flux initial soit absorbeacutee
Suite agrave ce calcul on est capable de savoir la quantiteacute de flux lumineux direct et indirect reccedilue et eacutemise par une maille donneacutee et donc lrsquoeacuteclairement et la luminance de cette maille [Scartezzini 1993] [Ashdown 2001]
Figure I3 Exemple drsquoun calcul de Radiositeacute agrave lrsquointeacuterieur drsquoune geacuteomeacutetrie
Bien que le principe geacuteneacuteral de la radiositeacute deacutecrit ci-dessus soit le mecircme pour tous les algorithmes de radiositeacute existants ceux-ci diffegraverent dans la meacutethode adopteacutee pour le maillage de la geacuteomeacutetrie et pour le suivi du flux
La radiositeacute peut ecirctre en principe appliqueacutee agrave tout type de reacuteflexion cependant les algorithmes existants sont encore limiteacutes aux reacuteflexions 100 diffuses Ce qui entraicircne des erreurs plus ou moins importantes selon le comportement reacuteel du mateacuteriau simuleacute La
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Chapitre I
radiositeacute preacutesente aussi quelques autres inconveacutenients dont particuliegraverement un temps de calcul assez long une lourde consommation en meacutemoire et une faible performance en qualiteacute graphique
Cependant le calcul de radiositeacute a lrsquoavantage drsquoecirctre indeacutependant de la position de lrsquoobservateur Ainsi un seul calcul est suffisant pour connaicirctre lrsquoeacuteclairement de tous les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie et pour la visualiser agrave partir drsquoune infiniteacute de points de vue
Une nouvelle geacuteneacuteration drsquoalgorithmes de radiositeacute est apparue en 1988 elle permet drsquoobtenir un reacutesultat graphique immeacutediat qui srsquoameacuteliore progressivement en preacutecision et en qualiteacute visuelle drsquoougrave son nom progressive refinement radiosity [Cohen 1988] [Autodesk 1999]
Une autre eacutevolution des algorithmes de radiositeacute fut le concept de maillage adaptatif ougrave le logiciel commence agrave calculer agrave partir drsquoun maillage de faible preacutecision Ensuite il procegravede agrave des subdivisions suppleacutementaires lagrave ougrave il y a une grande diffeacuterence drsquoeacuteclairement entre les mailles Cette meacutethode conduit agrave une eacuteconomie dans le temps de calcul et dans lrsquoutilisation de meacutemoire
1212 Lancer de rayons La deuxiegraveme famille drsquoalgorithmes est la plus ancienne elle a connu plus de deacuteveloppements et preacutesente une plus grande varieacuteteacute de meacutethodes
Ces meacutethodes ont lrsquoavantage de calculer avec preacutecision lrsquoeacuteclairement direct de calculer les effets speacuteculaires des mateacuteriaux de mieux deacutefinir les ombres et de consideacuterer les reacutefractions agrave travers les surfaces transparentes Crsquoest donc les algorithmes qui donnent les meilleurs reacutesultats graphiques drsquoougrave ce qursquoon appelle le photo-reacutealisme des images de synthegravese
Il existe plusieurs cateacutegories drsquoalgorithmes baseacutees sur le lancer de rayon nous citons les suivantes
Figure I4 Exemple drsquoun calcul de Lancer de rayons (inverse)
1 Traceacute de rayons ou Lancer de rayons depuis lrsquoobservateur dite aussi Lancer inverse de rayons (backward ray tracing) les rayons sont geacuteneacutereacutes depuis lrsquoœil de lrsquoobservateur et cheminent agrave travers des reacuteflexions multiples sur les parois jusqursquoaux sources de lumiegravere (voir figure I4) Ainsi seuls les rayons utiles pour la construction de lrsquoimage seront geacuteneacutereacutes et suivis agrave travers les diffeacuterentes inter-reacuteflexions mais la solution est valide pour un seul point de vue [Whitted 1980]
2 Suivi de rayons ou Lancer direct de rayons (forward ray tracing) cette meacutethode geacutenegravere les rayons lumineux depuis la source vers les surfaces reacuteceptrices quand un rayon atteint une surface il est dirigeacute selon la photomeacutetrie rencontreacutee jusqursquoagrave lrsquoeacutepuisement de son eacutenergie [Fontoynont 1991]
3 Technique statistique de monte-carlo backward ou forward La meacutethode de Monte-Carlo associeacutee agrave des meacutethodes de lancer de rayons a recours agrave une technique statistique
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Chapitre I
pour la distribution des rayons reacutefleacutechis Elle neacutecessite un temps de calcul eacuteleveacute [IEA-SHC 1999]
I22 Exemples types des logiciels existants Les logiciels existants sur le marcheacute international et utiliseacutes comme outils de conception en eacuteclairage peuvent ecirctre classeacutes en diffeacuterentes familles [De Boer 1999] [IESNA 1999]
1 Les logiciels baseacutes sur les formules de base de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel Ces logiciels sont souvent distribueacutes par les constructeurs de luminaires et munis de leur bibliothegraveque de luminaires
2 Des logiciels baseacutes sur des formules de base de calcul en eacuteclairage naturel ou sur des donneacutees empiriques (ou preacute-simuleacutees) Ces logiciels sont souvent deacutedieacutes agrave lrsquoutilisation dans les phases preacuteliminaires de la conception drsquoun projet (ex Dial Sodalight etc)
3 Les logiciels capables de calculer lrsquoeacuteclairage direct uniquement Ils sont tregraves souvent inteacutegreacutes dans des logiciels de DAO Leur objectif est limiteacute agrave lrsquoameacutelioration du rendu graphique drsquoun projet ou au mieux agrave une eacutetude de taches solaires (ex Archicad) Cependant ce type de logiciels devient de plus en plus rare En effet vu leurs potentiels un certain nombre de ces logiciels a eacuteteacute mis agrave niveau par les deacuteveloppeurs et a passeacute ainsi agrave la famille suivante (ex Microstation et 3D Studio)
4 Les logiciels dits drsquoeacuteclairement global Ils utilisent souvent des algorithmes de calcul physique (en particulier de radiositeacute et lancer de rayons) Nous distinguons cependant dans cette cateacutegorie les logiciels deacuteveloppeacutes dans un cadre scientifique (ex Radiance Geacuteneacutelux CSTB) de ceux deacuteveloppeacutes et diffuseacutes dans un cadre commercial (Lightscape Dialuxhellip) En geacuteneacuteral les logiciels commerciaux possegravedent des interfaces plus conviviales mais les logiciels scientifiques offrent des fonctionnaliteacutes plus complegravetes Par exemple certains logiciels scientifiques sont capables de prendre en consideacuteration lrsquoaspect spectral de la propagation de la lumiegravere etou de traiter les fonctions bidirectionnelles Finalement nous notons que les logiciels commerciaux manquent le plus de transparence sur leur fiabiliteacute dans les diffeacuterents domaines drsquoapplication (manque de travaux de validation)
Dans notre travail de thegravese nous nous inteacuteressons en particulier agrave la derniegravere famille Ne pouvant pas enquecircter sur tous les logiciels existants nous nous contentons de citer (par ordre alphabeacutetique) quelques logiciels sur lesquels il y a eu des publications scientifiques et des travaux de validation [Fontoynont 1999]
1221 Adeline Deacuteveloppeacute dans le cadre de lrsquoIEA Adeline a eacuteteacute fondeacute sur les logiciels Superlite et Radiance par le biais drsquoun modeleur graphique et drsquooutils de DAO Ainsi il permet de deacutefinir la geacuteomeacutetrie avec son propre systegraveme de DAO par lrsquoentreacutee manuelle des coordonneacutes carteacutesiennes ou agrave partir drsquoun fichier DXF
Le logiciel est muni drsquoune bibliothegraveque de base de donneacutees de mateacuteriaux de luminaires et de mobilier Il produit des reacutesultats numeacuteriques ou bien graphiques Au-delagrave des eacuteclairements et des luminances Adeline permet de calculer lrsquoeacutenergie consommeacutee par lrsquoeacuteclairage artificiel en fonction des apports de lumiegravere du jour [Erhorn 1998] [Scartezzini 1993]
1222 Genelux Le logiciel Genelux deacuteveloppeacute au laboratoire des sciences de lrsquohabitat utilise un algorithme de lancer direct et suivi de rayons lumineux (Forward Ray tracking) La distribution des rayons reacutefleacutechis est effectueacutee en ayant recours agrave une technique statistique de Monte Carlo
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Chapitre I
Dans le cas ougrave les surfaces seraient parfaitement diffusantes il est possible de faire appel agrave un algorithme baseacute sur la meacutethode de radiositeacute afin de reacuteduire les temps de simulation Genelux peut modeacuteliser les surfaces speacuteculaires diffuses ou mixtes en transmission etou reacuteflexion Il peut eacutegalement prendre en consideacuteration des quantiteacutes spectrales en deacutecomposant les rayons incidents par bandes spectrales [Mitanchey 1996] [Maamari 2003]
1223 Inspirer Destineacute surtout au domaine de lrsquoarchitecture avec comme fonctionnaliteacutes les calculs de lrsquoeacuteclairage les analyses de visibiliteacute et la visualisation des projets Pour le calcul de lrsquoeacuteclairage il utilise des approches hybrides surtout la meacutethode bi-directionnelle de Monte Carlo au Lancer de Rayons Ce qui diffeacuterencie le plus ce logiciel est lrsquoutilisation des formules de BRDF qui permet de respecter les variations de reacuteflexion et de transmission (diffuse et speacuteculaire) ainsi que des couleurs selon lrsquoangle drsquoincidence et de vision [Maamari 2003]
1224 DIAL Leso-Dial Le but du logiciel est de donner aux architectes des informations utiles concernant lrsquoutilisation de la lumiegravere de jour dans un bacirctiment degraves la phase de lrsquoavant projet Il calcule le facteur de lumiegravere du jour sur le plan utile gracircce agrave une utilisation hybride de formule analytique et empirique [Paule 1995]
1225 Lightscape 32 Crsquoest un logiciel qui est destineacute agrave des utilisations graphiques mais il offre eacutegalement des fonctionnaliteacutes inteacuteressantes pour la simulation physique de la lumiegravere Il utilise un algorithme de radiositeacute pour le calcul quantitatif et un algorithme de lancier de rayons pour lrsquoameacutelioration qualitative et visuelle des images de synthegraveses Ce logiciel est deacutecrit en deacutetail dans la partie IV11 de ce document [Khodulev 1996] [Maamari 2002]
1226 Radiance Le logiciel Radiance utilise un algorithme de lancer inverse de rayons Le lancer des rayons peut ecirctre stoppeacute si leur eacutenergie est jugeacutee insuffisante Les rayons reacutefleacutechis peuvent ecirctre geacuteneacutereacutes selon une fonction de distribution permettant la simulation de reacuteflexions speacuteculaires semi-speacuteculaires ou diffuses Ce lancer de rayons est compleacuteteacute drsquoun calcul statistique de reacuteflexion diffuse pour distribuer le flux reacutesiduel [Ward 1994] [Grynberg 1988]
1227 Superlite Le logiciel Superlite utilise une meacutethode point agrave point de radiositeacute Toutes les surfaces sont supposeacutees ecirctre parfaitement diffusantes Crsquoest la meacutethode la plus rapide mais elle est toutefois limiteacutee aux surfaces diffuses [Grynberg 1988]
I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels Lrsquoutilisation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage se geacuteneacuteralise de plus en plus dans le domaine de conception en eacuteclairage et au-delagrave Ainsi de nos jours ces logiciels sont utiliseacutes aussi bien par des bureaux drsquoeacutetude du bacirctiment et des architectes que par des deacuteveloppeurs de jeu videacuteo Les applications peuvent ecirctre entre autres [IESNA 1999] [3D-lumiegravere 2000] [Maamari 2002]
1 La conception en eacuteclairage artificiel Que ce soit pour lrsquoeacuteclairage inteacuterieur des bacirctiments lrsquoeacuteclairage des faccedilades des monuments des voiries des trottoirs ou lrsquoeacuteclairage des
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Chapitre I
tunnels etc Elle comprend entre autre le dimensionnement des systegravemes lrsquoanalyse du confort visuel et de la consommation etc
2 La conception en eacuteclairage naturel dimensionnement des ouvertures et des protections solaires orientation des projets analyse de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour et eacutetudes des FLJhellip
3 Le rendu et la preacutesentation des projets par les architectes et par les deacutecorateurs drsquointeacuterieur 4 La creacuteation de scegravenes de reacutealiteacute virtuelle pour le monde du cineacutema de la publiciteacute ou des
jeux videacuteohellip 5 La conception mecircme des optiques de luminaires ou de phares de voitures
Le domaine drsquoutilisation drsquoun logiciel donneacute deacutepend des fonctionnaliteacutes proposeacutees par ce logiciel de ses capaciteacutes agrave simuler avec un certain degreacute de fiabiliteacute et de faciliteacute les diffeacuterents domaines de la propagation de la lumiegravere en relation avec les besoins de lrsquoutilisateur
Bien que les algorithmes de calcul utiliseacutes dans les logiciels se ressemblent ces derniers ne sont pas tous adapteacutes pour les mecircme types drsquoapplications et ne reacutepondent pas aux mecircmes besoins
Ainsi certains utilisateurs cherchent en prioriteacute la faciliteacute drsquoutilisation des fonctionnaliteacutes en relation avec leur propre activiteacute en deacutepit des autres fonctionnaliteacutes et mecircme parfois en deacutepit de la validiteacute des reacutesultats Drsquoailleurs crsquoest agrave cause de ce contexte que des deacuteveloppeurs de logiciels commerciaux ont tendance agrave proposer des interfaces et des fonctionnaliteacutes optimiseacutees et orienteacutees vers un domaine drsquoapplication donneacute Ainsi nous commenccedilons agrave trouver par exemple des logiciels deacutedieacutes agrave la conception de lrsquoeacuteclairage public etou des tunnels (ex Tunnel-Lite) drsquoautres agrave la conception des protections solaires (ex ParaSol) etc
Cependant il est encore difficile de nos jours agrave un concepteur de bacirctiment de savoir quel est le ou les logiciels existants qui reacutepondent le mieux agrave ses propres besoins Crsquoest ce qui ressort dans les diffeacuterentes enquecirctes meneacutees sur lrsquoutilisation des logiciels en particulier celle meneacutee par le club 3D-Lumiegravere [3D-lumiegravere 2000] et celle que nous avons meneacutee au Light and Building 2002 [Maamari 2002] (voir annexe D) Nous notons par exemple dans ces deux enquecirctes lrsquoutilisation par des concepteurs lumiegravere de logiciels graphiques (Photoshop) en tant qursquooutils de conception
I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I31 Introduction Comme son nom lrsquoindique un logiciel de simulation de lrsquoeacuteclairage est supposeacute simuler la reacutealiteacute Mais la fideacuteliteacute de la simulation agrave la reacutealiteacute est loin drsquoecirctre veacuterifieacutee pour tous les logiciels existants sur le marcheacute international
Drsquoailleurs le niveau de preacutecision et de similitude (entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage et la reacutealiteacute) exigeacute ou souhaiteacute par les diffeacuterents utilisateurs nrsquoest pas neacutecessairement le mecircme et peut varier largement selon la speacutecificiteacute de leurs domaines drsquoactiviteacute [Maamari 2002]
Ainsi pour des utilisateurs qui srsquointeacuteressent uniquement au rendu graphique une image de synthegravese reacutealiste sans ecirctre neacutecessairement proche de la reacutealiteacute peut ecirctre suffisante Pour eux la question de la validation scientifique du logiciel utiliseacute ne se pose pas trop
Alors que pour des utilisateurs qui comptent extraire drsquoune simulation des cartes de luminances pour analyser le confort visuel de lrsquooccupant la validiteacute du logiciel devient drsquoune
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Chapitre I
importance de premier ordre Ceci est eacutegalement vrai pour les concepteurs en eacuteclairage qui ont besoin de veacuterifier que le niveau drsquoeacuteclairement est suffisant sur le plan de travail
Mais quel que soit le niveau de preacutecision souhaiteacute il est important pour un futur utilisateur de savoir la preacutecision qursquoil peut attendre de la part du logiciel qursquoil souhaite utiliser pour un type donneacute de tacircches Cette information est mecircme indispensable pour aboutir agrave une utilisation responsable des logiciels de simulation mais cela ne peut ecirctre possible qursquoagrave travers une validation rigoureuse et transparente de ce logiciel
Une validation rigoureuse et transparente des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage est une tacircche immense et drsquoune complexiteacute non neacutegligeable Ce qui est vrai pour tous les logiciels baseacutes sur des lois physiques comme par exemple les logiciels de simulation thermique
Cette complexiteacute est drsquoautant plus vraie quand on srsquointeacuteresse agrave lrsquoorientation du choix des utilisateurs vers un logiciel qui reacutepond le mieux agrave leurs propres besoins Dans ce contexte on souhaite veacuterifier la capaciteacute du logiciel agrave simuler avec preacutecision les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere lieacutes au domaine drsquoutilisation mais aussi on veut comparer cette capaciteacute agrave drsquoautres logiciels existants
La multitude des aspects qui entrent en jeu dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere combineacutee agrave la diversiteacute des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage contribuent agrave cette complexiteacute
Ainsi un logiciel capable de simuler des luminaires agrave optique diffusante nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler un luminaire avec une optique asymeacutetrique De mecircme un logiciel capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour agrave travers un vitrage ordinaire nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave travers un vitrage ou un systegraveme de protection solaire agrave aspect bidirectionnel etc
Nous preacutesentons ci-dessous une eacutetude bibliographique sur lrsquoeacutetat de lrsquoart du domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I32 Diffeacuterents types de validation En ce qui concerne les types de travaux de validation reacutealiseacutes nous avons pu identifier les suivants
I321 La validation analytique La validation analytique comme son nom lrsquoindique porte sur des cas theacuteoriques pour lesquels il existe des lois analytiques Ces lois sont issues des notions de base de la science physique lieacutees au rayonnement eacutelectromagneacutetique
Les travaux de validation baseacutes sur des reacutefeacuterences analytiques sont assez rares parmi les travaux reacutealiseacutes que nous avons pu trouver lors de notre recherche bibliographique
Cependant la validation analytique preacutesente des avantages consideacuterables comme la possibiliteacute de limiter les paramegravetres lieacutes agrave la propagation de la lumiegravere qui entrent en jeu dans un sceacutenario test Nous notons aussi lrsquoavantage de donner des solutions de reacutefeacuterences avec des incertitudes nulles ou neacutegligeables
En contrepartie la validation analytique ne peut couvrir que des domaines limiteacutes de la propagation de la lumiegravere Ce sont en geacuteneacuteral des cas de figures simples pour lesquels existe une loi theacuteorique [Aizlewood 1997]
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Chapitre I
I322 La validation expeacuterimentale Dans ce type de validation les reacutesultats des logiciels sont compareacutes agrave des mesures expeacuterimentales Ces mesures peuvent ecirctre reacutealiseacutees dans
a des maquettes drsquoeacutetude agrave eacutechelle reacuteduite [Caroll 1999] b des cellules tests agrave eacutechelle 11 c ou des piegraveces reacuteelles [Galasiu 1998] [Jarvis 1997]
Quel que soit le type des mesures reacutealiseacute la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales agrave utiliser pour des travaux de validation est confronteacutee agrave des obstacles consideacuterables
Le premier est lieacute aux sources drsquoerreur introduites lors de la description du sceacutenario expeacuterimental afin de le reproduire dans une simulation numeacuterique
Lrsquoimportance de cet obstacle est aggraveacutee par la multitude des paramegravetres qui entrent en jeu dans un sceacutenario expeacuterimental et par lrsquointeraction entre les sources drsquoerreurs lieacutees agrave chacun de ces paramegravetres
A titre drsquoexemple les sources drsquoerreur peuvent survenir lors de la description de la source de lumiegravere (artificielle ou reacuteelle) lors de la description de la photomeacutetrie des mateacuteriaux (reacuteflexion bidirectionnelle caracteacuteristiques spectraleshellip) etc
Un autre obstacle est ducirc agrave lrsquoincertitude qui existe dans la valeur mesureacutee et cela quelle que soit la preacutecision du protocole expeacuterimental appliqueacute Cette incertitude est lieacutee en partie agrave la preacutecision de lrsquoappareil de mesure et agrave son positionnement
Ducirc agrave tous ces obstacles la comparaison entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique et les mesures expeacuterimentales permet difficilement de conclure sur la preacutecision du logiciel testeacute
Il est aussi important de noter qursquoun des plus grands obstacles agrave la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales fiables reste celui des moyens techniques financiers et humains neacutecessaires aux expeacuterimentations
I323 La validation comparative Elle porte sur une comparaison des reacutesultats de simulation de plusieurs logiciels entre eux Cela peut ecirctre fait avec lrsquoexistence ou non drsquoune reacutefeacuterence expeacuterimentale ou analytique
Lrsquoavantage des comparaisons est de donner la possibiliteacute aux utilisateurs de mieux choisir entre plusieurs logiciels selon leur performance dans un domaine donneacute de la simulation
Cependant lrsquoutilisation des reacutesultats drsquoune comparaison afin de juger des logiciels les uns par rapport aux autres neacutecessite un maximum de transparence en particulier sur la complexiteacute des proceacutedures et sur le temps de calcul neacutecessaire pour obtenir ces reacutesultats [Grynberg 1988] [Fontoynont 1999] [Maamari 2003]
I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes Les travaux de validation reacutealiseacutes sur des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage ne manquent pas en nombre cependant crsquoest la creacutedibiliteacute de ces travaux qui nrsquoest pas toujours veacuterifieacutee
En ce qui concerne les rares travaux de validation existants qui beacuteneacuteficient drsquoune creacutedibiliteacute scientifique ou celle drsquoun organisme agreacuteeacute nous citons les suivants
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Chapitre I
I331 Le travail de Khodulev et Kopylov Ce travail reacutealiseacute et publieacute par Andrei B Khodulev et Edward A Kopylov en 1996 [Khodulev 1996] est lrsquoun des rares travaux de validation qui ont utiliseacute une reacutefeacuterence analytique
Le travail porte sur une validation comparative entre les logiciels Lightscape Specter et Radiance Une description des trois logiciels est donneacutee portant sur plusieurs critegraveres y compris lrsquointerface utilisateur
Un des sceacutenarios utiliseacutes pour la comparaison est celui drsquoune piegravece cubique fermeacutee avec une source lumineuse isotrope au centre La comparaison porte sur lrsquoeacuteclairement au niveau des points de mesure situeacutes sur le sol La valeur de reacutefeacuterence de cet eacuteclairement est calculeacutee semi-analytiquement pour prendre en consideacuteration la composante reacutefleacutechie interne
I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE Ce rapport repreacutesente un exemple ideacuteal sur la creacuteation des donneacutees expeacuterimentales fiables pour la validation des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage [Slater 2002]
Le travail deacutecrit dans ce rapport porte sur un protocole expeacuterimental qui a eacuteteacute deacutefini et conduit drsquoune maniegravere remarquablement rigoureuse dans une cellule test agrave eacutechelle 11 Le but est de creacuteer une base de donneacutees expeacuterimentales pour la validation des logiciels de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel
Le rapport comprend une description preacutecise du sceacutenario expeacuterimental y compris les dimensions de la geacuteomeacutetrie (une piegravece carreacutee) la position des lampes ou des luminaires la position des points de mesure ainsi que le coefficient de reacuteflexion des surfaces La description du sceacutenario comprend aussi les fichiers photomeacutetriques des luminaires au format CIBSE TM 14 sachant que la photomeacutetrie reacuteelle de chaque luminaire a eacuteteacute mesureacutee seacutepareacutement dans un laboratoire agreacuteeacute
Le protocole expeacuterimental comprend un controcircle du flux lumineux agrave travers lrsquoobservation et le controcircle des fluctuations du courant eacutelectrique et de la tempeacuterature de la piegravece Les lampes et les ballasts ont eacuteteacute vieillis Les lampes ont eacuteteacute preacutechauffeacutees une heure avant les mesures
Les capteurs ont eacuteteacute calibreacutes et fixeacutes sur un trolley afin de garantir la reacutepeacutetitiviteacute de leur position Six diffeacuterentes mesures ont eacuteteacute prises pour chaque point agrave lrsquoaide de deux capteurs diffeacuterents la moyenne de ces mesures a eacuteteacute utiliseacutee comme reacutefeacuterence
Une estimation des erreurs de mesures a eacuteteacute calculeacutee ainsi que des erreurs de simulation dues agrave lrsquoincertitude dans la description du sceacutenario Les reacutesultats ont alors eacuteteacute preacutesenteacutes sous forme de deux bandes de valeurs la premiegravere bande est celle des mesures prises + ou ndash lrsquoestimation des erreurs de mesure et lrsquoautre est celle des mesures + ou ndash le total des erreurs estimeacutees y compris les erreurs de simulation
I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA Ce travail a eacuteteacute meneacute dans le cadre de la tache 21 de lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie intituleacutee lumiegravere naturelle dans les bacirctiments En effet un projet a eacuteteacute deacutedieacute au thegraveme de la validation des logiciels de calcul en eacuteclairage et a fait lrsquoobjet drsquoune collaboration entre les laboratoires de six nations diffeacuterentes parmi lesquels le Laboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Fontoynont 1999] [Maamari 2002]
Dans le cadre de ce projet des donneacutees expeacuterimentales ont eacuteteacute reacutecolteacutees agrave travers des mesures drsquoeacuteclairement agrave lrsquointeacuterieur drsquoune seacuterie de maquettes agrave eacutechelle reacuteduite placeacutees sous des ciels
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Chapitre I
artificiels Trois bacirctiments types ont eacuteteacute testeacutes sous plusieurs configurations en changeant les types drsquoouverture etou les coefficients de reacuteflexion des surfaces
Les sceacutenarios expeacuterimentaux ont eacuteteacute simuleacutes agrave lrsquoaide des logiciels drsquoeacuteclairage naturel Adeline Genelux Leso-DIAL Radiance et Superlite Les reacutesultats des simulations ont eacuteteacute compareacutes entre les diffeacuterents logiciels et confronteacutes aux mesures expeacuterimentales
Cette comparaison a montreacute que le calcul des eacuteclairements agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment dus agrave lrsquoeacuteclairage naturel demande une description minutieuse des luminances des portions de la voucircte ceacuteleste vues par la fenecirctre Les eacuteclairements directs agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment sont alors calculeacutes avec une preacutecision de lrsquoordre de 5 La preacutecision des calculs des reacuteflexions multiples agrave lrsquointeacuterieur de la piegravece deacutepend quant agrave elle des proprieacuteteacutes des surfaces inteacuterieures et en particulier de la lrsquoaspect bidirectionnel de ces surfaces
Cette eacutetude a montreacute finalement que les programmes doivent ecirctre utiliseacutes avec beaucoup de preacutecautions car les reacutesultats de simulation sont tregraves sensibles agrave la qualiteacute des hypothegraveses et des paramegravetres drsquoentreacutee description de la source de lumiegravere geacuteomeacutetrie du bacirctiment paramegravetres de simulation
I34 Analyse de la probleacutematique Drsquoapregraves la recherche bibliographique preacutesenteacutee ci-dessus sur le domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage nous pouvons reacutesumer la probleacutematique de ce domaine dans les points suivants
1 Difficulteacute drsquoaccegraves agrave lrsquoinformation Elle est due en particulier agrave lrsquoabsence de sources publiques speacutecialiseacutees dans le domaine
2 Manque de transparence Ainsi nous trouvons souvent des reacutesultats de validation preacutesenteacutes sans suffisamment drsquoinformation sur les proceacutedures qui ont abouti agrave ces reacutesultats
3 Manque de creacutedibiliteacute une partie importante des travaux de validation existants est reacutealiseacutee par les deacuteveloppeurs des logiciels testeacutes les sources drsquoincertitudes dans les valeurs de reacutefeacuterence ne sont souvent pas prises en consideacuteration etc
4 Manque de travaux concluants sur la validiteacute du logiciel testeacute Ceci est ducirc en partie agrave la complexiteacute des sceacutenarios expeacuterimentaux et agrave la restriction des domaines testeacutes Ainsi il est rarement possible drsquoidentifier avec certitude les points de faiblesse et les domaines drsquoapplication drsquoun logiciel testeacute
5 Absence de reacutefeacuterences standardiseacutees Ce qui fait qursquoun certain aspect de la propagation de la lumiegravere est testeacute dans diffeacuterents logiciels avec des protocoles diffeacuterents Ce qui ne permet pas une comparaison transparente et objective entre ces diffeacuterents logiciels
6 Manque de validations analytiques malgreacute les avantages de ce type de validation
En reacuteponse aux problegravemes listeacutes ci-dessus nous identifions en particulier le besoin drsquoune standardisation et drsquoune mise agrave disposition des reacutefeacuterences de validation fiables de preacutefeacuterence sous la garantie et le controcircle drsquoun ou plusieurs organismes creacutedibles
I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
I351 Introduction Le premier objectif qursquoon pourrait attendre des travaux de validation crsquoest de pouvoir ameacuteliorer la confiance des utilisateurs dans les logiciels de simulation A savoir qursquoameacuteliorer la confiance ne veut pas forceacutement dire lrsquoaugmenter Mais plutocirct sensibiliser les utilisateurs aux capaciteacutes et aux limites des diffeacuterents logiciels dans les diffeacuterents domaines de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Ainsi agrave travers lrsquoidentification des points de faiblesse
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Chapitre I
drsquoun logiciel et de ces domaines drsquoapplication on pourra aboutir agrave une utilisation responsable de ces logiciels
Drsquoougrave le besoin drsquoune meacutethodologie de validation qui permet de tester la capaciteacute drsquoun logiciel agrave simuler les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Cette meacutethodologie doit eacutegalement palier les deacutefaillances rencontreacutees dans le domaine agrave noter creacutedibiliteacute fiabiliteacute et accessibiliteacute
I352 Concept et approche proposeacutes Pour atteindre les objectifs fixeacutes ci-dessus la meacutethodologie de validation proposeacutee repose un concept de base qui est celui de tester seacutepareacutement les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Ceux-ci peuvent ecirctre classeacutes sous 3 grands groupes
1 La description de la source de lumiegravere et le calcul de lrsquoeacuteclairement direct 2 Le transfert du flux lumineux agrave travers les composants de la fenecirctre et lrsquoinfluence des
masques 3 Les inter-reacuteflexions sur les diffeacuterents mateacuteriaux avec diffeacuterentes photomeacutetries
Pour appliquer ce concept cette meacutethodologie de validation est baseacutee sur une seacuterie de cas-tests chacun traitant un sceacutenario drsquoeacuteclairage simple (un nombre limiteacute de paramegravetres) ougrave un certain aspect de la propagation de lumiegravere est mis en eacutevidence La description des cas-tests comprend la geacuteomeacutetrie les sources de lumiegravere ainsi qursquoune seacuterie de valeurs de reacutefeacuterence agrave utiliser pour tester la capaciteacute du logiciel agrave simuler lrsquoaspect en question Ces valeurs de reacutefeacuterence sont obtenues soit agrave lrsquoaide drsquoun calcul analytique quand crsquoest possible (pour des sceacutenarios theacuteoriques) ou bien agrave partir de mesures expeacuterimentales
Ainsi chaque cas-test est applicable agrave tout logiciel proposant des fonctionnaliteacutes lieacutees agrave lrsquoaspect traiteacute (dans ce cas-test) indeacutependamment des algorithmes utiliseacutes des meacutethodes de calcul adopteacutees ou des paramegravetres utiliseacutes
Cependant il est possible drsquoassocier agrave chaque test une eacutetude parameacutetrique propre agrave chaque logiciel Une telle eacutetude permet de mieux comprendre lrsquoinfluence des diffeacuterents paramegravetres proposeacutes sur la preacutecision du logiciel dans un aspect donneacute de la propagation de la lumiegravere
Pour une utilisation optimale de cette meacutethodologie de validation les cas-tests doivent couvrir tous les aspects de la propagation de la lumiegravere Ils seront alors utiliseacutes en tant qursquooutil unique et complet pour tester un logiciel donneacute
Une comparaison geacuteneacuterale des reacutesultats des simulations drsquoun logiciel donneacute aux valeurs de reacutefeacuterences de la seacuterie de cas-tests donnera une ideacutee claire sur les domaines ougrave le logiciel testeacute respecte ou non les lois physiques Ceci permettra agrave un utilisateur de veacuterifier si ce logiciel est compatible avec son propre domaine drsquoactiviteacute et agrave un deacuteveloppeur de veacuterifier si son logiciel a atteint les perspectives souhaiteacutees
De la mecircme faccedilon une comparaison entre les reacutesultats de diffeacuterents logiciels et les valeurs de reacutefeacuterence permet drsquooffrir une vision objective sur le logiciel qui reacutepond le mieux agrave une exigence donneacutee
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Chapitre I
Conclusions Suite agrave notre eacutetude bibliographique sur le domaine de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage nous avons orienteacute le travail de cette thegravese (agrave travers les chapitres suivants) de faccedilon agrave reacutepondre agrave certains des problegravemes identifieacutes dans ce domaine
Ainsi en ce qui concerne le manque de fiabiliteacute dans les travaux de validation des logiciels nous deacuteveloppons la meacutethode de validation que nous avons proposeacutee Dans ce cadre nous creacuteons une seacuterie de cas-tests en relation avec diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere traiteacutes ci-dessus Ces cas-tests sont reacutepartis en deux familles lrsquoune avec des sceacutenarios theacuteoriques et des reacutefeacuterences analytiques et lrsquoautre avec des reacutefeacuterences expeacuterimentales reacutepondant agrave des critegraveres de controcircle de qualiteacute que nous avons deacutefinis
En ce qui concerne la difficulteacute de simuler des sceacutenarios reacuteels de lumiegravere naturelle nous proposons et validons une meacutethode de simulation agrave partir des cartes de luminances reacuteelles agrave haute deacutefinition
Finalement nous proposons et nous validons une meacutethode de simulation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquoaide des luminaires eacutequivalents Cette meacutethode permet agrave la simulation de la lumiegravere de jour de beacuteneacuteficier de la preacutesence confirmeacutee des outils de simulation de la lumiegravere artificielle dans le domaine de la conception des bacirctiments Elle permet eacutegalement de surmonter un nombre de difficulteacutes rencontreacutees dans certains logiciels classiques de simulation la lumiegravere naturelle en particulier celles lieacutees agrave la preacutecision des reacutesultats par rapport au temps de calcul et agrave la simulation des masques exteacuterieurs
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Chapitre I
Reacutefeacuterences Bibliographiques 3D-LUMIEgraveRE Enquecircte sur la connaissance et lrsquoutilisation des systegravemes informatiques de simulation drsquoeacuteclairage Paris Club 3D Lumiegravere 2000 11 p ACHARD G LAFORGUE P SOUYRI B FONTOYNONT M BASTIE A MITANCHEY R Etude dun systegraveme Metrologique de Confort Radiatif Integrant lAspect Thermique et lAspect Visuel Paris 1994 60 p AFE Les sources de lumiegravere Socieacuteteacute dEdition Lux 1987 199 p AIZLEWOOD M BUTT J ISAAK K LITTLEFAIR P Daylighting in atria a comparison of measurements theory and simulation Lux Europa 1997 Amsterdam-Netherlands 1997 ANDERSEN M RUBIN M POWLES R SCARTEZZINI J L Bi-directional light transmission properties assessment for venetian blinds Computer simulations compared to photogoniometer measurements ISES Solar World Congress 2003 - Solar Energy for a Sustainable Future Gothenburg - Sweden International Solar Energy Society 2003 ANDERSEN M RUBIN M SCARTEZZINI J-L Comparison between ray-tracing simulations and bi-directional transmission measurements on prismatic glazing Solar Energy 2003 vol 74 ndeg2 pp 157-217 ANSIIESNA ANSIIESNA LM-63-02 ANSI Approved Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data and Related Information ANSIIESNA LM-63-02 2002 26 p ASE Eclairage inteacuterieur par la lumiegravere du jour Norme Suisse SN 418911 Zuumlrich Association Suisse des Electriciens 1989 ASHDOWN I Near-Field Photometry A New Approach IES 1993 vol 22 ndeg1 pp 163-180 ASHDOWN I EULUMDAT File Format Specification [en ligne] Disponible sur lthttpwwwhelios32comEulumdathtmgt (09 Mars 2004) ASHDOWN I Thinking photometrically Part II 105 Las Vegas workshop-Lightfair International 2001 42 p ASHRAE-IESNA Energy efficient design of new buildings except new low-rise residential buildings ASHRAEIES 901-1989 American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditionaing Engginers 1989 AUTODESK Lightscape 32 Users Guide 32 Autodesk 1999 352 p BALOCCO C FORASTIERE M A GRAZZINI G RIGHINI G C Experimental results of transparent reflective and absorbing propoerties of some building materials Energy and Buildings 2001 vol 33 pp 563-568
48
Chapitre I
CAROLL W L HITCHCOCK R J Recent Comparisons of SUPERLITE to Scale Model Data LBNL-43107 Lawrence Berkeley National Laboratory 1999 CHAIN C DUMORTIER D FONTOYNONT M A comprehensive model of luminance correlated colour temperature and spectral distribution of skylight Comparison with experimental data Solar Energy 1999 vol 65 ndeg5 pp 285-295 CIBSE CIBSE standard file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIBSE TM 14 London CIBSE 1988 CIE Daylight CIE-16 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1970 79 p CIE Standardization of Luminance Distribution on Clear Skies CIE-22 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1973 CIE Calculations for Interior Lighting Basic Method CIE-40 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1978 CIE Absolute Methods for Reflection Measurements CIE-44 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 CIE A Review of Publications on Properties and Reflection Values of Material Reflection Standards CIE-46 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 99 p CIE Calculations for Interior Lighting Applied Method CIE-52 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1982 CIE The Spectroradiometric Measurement of Light Sources CIE-63 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1984 CIE Colorimetry 2nd Edition CIE-152 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1986 CIE The Measurement of Absolute Luminous Intensity Distributions CIE-70 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1987 CIE The Measurement of Luminous Flux CIE-84 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1989 CIE Standard overcast and clear sky 3rd Draft Vienne Commission Internationale de LrsquoEclairage 1990 CIE Electric Light Sources State of the Art-1991 CIE-96 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1992 CIE Recommended file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIE-102 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1993 CIE Guide to Recommended Practice of Daylight Measurement CIE-108 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1994
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Chapitre I
CIE Discomfort Glare in Interior Lighting CIE-117 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1995 CIE The Photometry and Goniophotometry of Luminaires CIE-121 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE The Relationship Between Digital and Colorimetric Data for Computer-Controlled CRT Displays CIE-122 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance CIE-130 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1998 CIE Spatial distribution of daylight - CIE standard general sky Vienne Commission Internationale de lEclairage 2002 7 p COHEN M F CHEN S E WALLACE J R GREENBERG DP A progressive refinement approach to fast radiosity image generation 15th annual conference on computer graphics and interactive techniques ACM Press New York 1988 pp 75-84 DE BOER J Encorporation of numerical goniophotometry into daylighting design CISBAT 2003 Lausanne EPFL 2003 pp 229-234 DE BOER J ERHORN H Survey Simple Design Tools IEA 1999 49 p DENIEL J M Modeacutelisation des luminaires et des BRDF Reacutealisation mesure et compression Thegravese en Informatique Rennes Universiteacute de Rennes 1 2002 277 p DUMORTIER D Mesure Analyse et Modeacutelisation du gisement lumineux Application agrave leacutevaluation des performances de leacuteclairage naturel des bacirctiments Thegravese en Geacutenie Civil et Sciences de lHabitat Vaulx en Velin ENTPE Universiteacutee de Savoie 1995 295 p DUMORTIER D Lumiegravere naturelle et rayonnement solaire - Mesures au sol et estimations agrave partir dimages satellites - Deacuteveloppement de services Web pour leacuteclairage naturel des bacirctiments HDR Thermique et Energeacutetique Vaulx en Velin ENTPE 2003 161 p DUMORTIER D VAN ROY F SODA daylighting resource SODA Deliverable 53C 2002 DUMORTIER D VETRO P Luminance calibration of the Nikon 950 digital cameras Lux Europa Reykjavik 2001 ERHORN H DE BOER J DIRKSMOLLER M ADELINE - An Integrated Approach to Lighting Simulation Daylighting 98 Ottawa 1998 FOLEY D J VAN-DAM A FEINER S K HUGHES J F Computer Graphics Principles and Practice Second Edition ADDISON-WESLEY 1990 (The systems programming series
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Chapitre I
FONTOYNONT M Le point sur les meacutethodes de simulation et sur lrsquoutilisation de lrsquoimage de synthegravese en eacuteclairage LUX 1991 FONTOYNONT M LAFORGUE P MITANCHEY R AIZLEWOOD M BUTT J CARROLL W HITCHOCK R ERHORN H DE BOER J DIRKSMOumlLLER M MICHEL L PAULE B SCARTEZZINI J-L BODART M AND ROY G Validation of daylighting simulation programs IEA SHC Task 21 ECBCS Annex 29 1999 28 p GALASIU A ATIF M Applicability of Daylighting Computer Modeling in Real Case Studies Comparison between Measured and Simulated Daylight Availability and Lighting Consumption IEA SHC Task 21 IEA ECBCS Annex 29 Daylight in Buildings International Energy Agency National Research Council Canada 1998 68 p GREENUP P J EDMONDS I R COMPAGNON R RADIANCE algorithm to simulate laser-cut panel light-redirecting elements Lighting Research amp Technology 2000 vol 32 ndeg2 pp 49-54 GRYNBERG A Comparison and Validation of Radiance and Superlite Rapport interne Lawrence Berkeley National Laboratory 1988 HOPKINSON R G PETHERBRIDGE P LONGMORE J Daylighting William Heinneman Ltd London 1966 IEA-SHC Daylighting simulation Methods Algorithms and Ressources Agence Internaitonale de lEnergie - SHC 1999 IEA-SHC Measurement of Luminous Characteristics of Daylighting Materials Agence Internationale de lEnergie - SHC - Tacircche 21 1999 IESNA Calculating Coefficients of Utilisation Wall and Ceiling Cavity Exitance IES LM-57 New York Illuminating engineering Society of North America 1982 IESNA The Determination of Illuminance at a Point in Interior Spaces IES LM-43-1991 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 34 p IESNA An Introduction to Light and Lighting IES ED-50 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 51 p IESNA Lighting Handbook 8th Edition New York Illuminating engineering Society of North America 1993 IESNA IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data IESNA LM-63-95 New York Illuminating engineering Society of North America 1995 5 p IESNA 1999 IESNA Software Survey Lighting Design + Application 1999 vol 29 ndeg12 pp 39-48 JARVIS D DONN M Comparison of Computer and Model Simulations of a Daylit Interior with Reality 5th International conference on Building Performance and Simulation Association Prague Czech Republic 1997 pp 9-16
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Chapitre I
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Chapitre I
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Chapitre I
TREGENZA P Daylighting algorithms ETSU S 1350 UK Department of Trade and Industry on behalf of the Energy Technology Support Unit 1993 43 p TREGENZA P R WATERS I M Daylight Coefficients Lighting Research amp Technology 1983 vol 15 ndeg2 pp 65-71 TROWBRIDGE T S REITZ K P Average Irregularity Representation of a Rough Surface for Ray Reflection Opt Soc Am 1975 vol 65 ndeg5 pp 531-536 UETANI Y MATSUURA K A Method of Luminance Calculation in an Anisotropic Diffuse Reflecting Interior IESNA Annual Conference Technical Papers San Diego 1992 WARD G J The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System SIGGRAPH Computer graphics 1994 pp 459-472 WHITTED T An improved illumination model for shaded display Computer graphics amp Image processing 1980
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- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
Une troisiegraveme meacutethode consiste agrave utiliser des capteurs CCD calibreacutes en luminance pour mesurer le champ de lumiegravere entourant la source Cette meacutethode est dite de photomeacutetrie agrave champ de luminances et elle est de plus en plus utiliseacutee dans le domaine de la photomeacutetrie en champ proche [CIE 1987] [CIE 1996] [Ashdown 2001] [Deniel 2002]
I113 Notion de champ proche - champ lointain Pour une mesure goniophotomeacutetrique drsquoun luminaire il faut faire la diffeacuterence entre mesures en champ proche et en champ lointain
Les mesures en champ lointain supposent que la source de lumiegravere mesureacutee est infiniment petite et pour laquelle peut srsquoappliquer la loi de lrsquoinverse du carreacute Cette hypothegravese est geacuteneacuteralement veacuterifieacutee agrave 2 pregraves pour les cas ougrave le point de mesure est agrave une distance du luminaire drsquoau moins cinq fois sa largeur (regravegle des 5x) Cependant cette notion nrsquoest pas toujours applicable comme par exemple pour les luminaires indirects de grande dimension (eg agrave tubes fluorescents)
Les mesures en champ proche prennent en consideacuteration lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute de la distribution des intensiteacutes entre diffeacuterentes zones drsquoune source Ca consiste agrave mesurer la distribution de la lumiegravere agrave une distance proche du luminaire
La photomeacutetrie en champ proche produit un grand nombre de donneacutees dont lrsquoexploitation nrsquoest pas encore agrave la porteacutee de la majoriteacute des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage existants Crsquoest pourquoi nous ne traitons pas la photomeacutetrie en champ dans notre travail [IESNA 1993] [Ashdown 1993] [Ashdown 2001] [Deniel 2002]
I114 Fichiers photomeacutetriques Les mesures goniophotomeacutetriques (en champ lointain) drsquoun luminaire sont souvent preacutesenteacutes sous forme de tableaux de valeurs ou des graphiques associant une valeur drsquointensiteacute lumineuse agrave chaque direction (repeacutereacutee par un angle vertical et un angle horizontal agrave partir du centre photomeacutetrique du luminaire ie centre de la rotation du luminaire)
La valeur donneacutee de lrsquointensiteacute peut ecirctre une valeur absolue mesureacutee ou bien une valeur relative en cdmsup2 pour un flux de 1000lm produit par la ou les lampes du luminaire
Pour prendre en consideacuteration ces donneacutees photomeacutetriques dans une simulation de lrsquoeacuteclairage un certain nombre de formats de fichiers numeacuterique a eacuteteacute creacuteeacute
7 Le format IESNA dit IES deacutefini et publieacute en 1986 par lrsquoIESNA (Illumination Engineering Society for North America) et depuis adopteacute par les constructeurs ameacutericains de luminaires et par les deacuteveloppeurs de logiciels de calcul drsquoeacuteclairage Ce format a eacuteteacute reacuteviseacute en 1991 en 1995 [IESNA 1995] et plus reacutecemment en 2002 [ANSIIESNA 2002]
8 Le format CIBSE TM 14 CIBSE standard file format for the electronic transfer of luminaire photometric data publieacute en 1988 et largement utiliseacute au Royaume Uni [CIBSE 1988]
9 Le format Eulumdat proposeacute par Stockmar A en 1990 et largement adopteacute par lrsquoindustrie europeacuteenne de lrsquoeacuteclairage [Stockmar 1990] [Stockmar 2000] [Ashdown 1999]
10 Le format CIE 102-1993 Recommended file format for electronic transfer of luminaire photometric data Ce rapport a eacuteteacute publieacute par la CIE dans lrsquoobjectif de standardiser un format international et unique mais il nrsquoa pas eacuteteacute suffisamment soutenu par lrsquoindustrie de lrsquoeacuteclairage ou par les deacuteveloppeurs de logiciels ce qui eacutetait le cas eacutegalement pour drsquoautres tentatives [CIE 1993]
25
Chapitre I
Figure I2 Exemples de visualisation 3D de fichiers photomeacutetriques associeacutes agrave la geacuteomeacutetrie drsquoun luminaire
De faccedilon geacuteneacuterale les diffeacuterents formats proposeacutes preacutevoient une partie pour les informations geacuteneacuterales (sur le luminaire et les lampes utiliseacutees sur le flux sur les conditions de mesurehellip) une partie pour la description des angles de mesures (nombre drsquoangles verticaux et horizontaux et leurs valeurs les axes de symeacutetrie srsquoils existenthellip) puis une partie pour preacutesenter les valeurs drsquointensiteacute agrave associer agrave chaque angle de mesure
En ce qui concerne le flux reacuteel agrave utiliser pour la simulation il peut ecirctre deacuteduit de lrsquointeacutegration des intensiteacutes corrigeacutees ou non par un facteur multiplicateur (pour passer des valeurs relatives aux valeurs reacuteelles) ou bien il peut ecirctre donneacute en valeur absolue dans le fichier (Voir les exemples preacutesenteacutes dans lrsquoannexe G)
I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique) Lrsquoexploitation drsquoun fichier photomeacutetrique dans un logiciel se fait agrave lrsquoaide drsquoune interpolation des valeurs donneacutees pour les diffeacuterentes directions de mesure pour en deacuteduire des valeurs drsquointensiteacute agrave affecter agrave toutes les autres directions Il existe plusieurs meacutethodes drsquointerpolation dont les plus utiliseacutees la meacutethode diteSpline la meacutethode lineacuteaire et la meacutethode dite Seacuteries de Fourier Quelle que soit la meacutethode drsquointerpolation utiliseacutee il existe une source drsquoerreur potentielle en particulier dans le cas de variation rapide des valeurs drsquointensiteacute reacuteelles entre les directions mesureacutees Pour cela il est conseilleacute de faire des mesures goniophotomeacutetriques avec des pas de mesure assez fins en particulier pour les luminaires agrave photomeacutetrie complexe
Suite agrave cette interpolation le logiciel dispose drsquoune distribution drsquointensiteacute complegravete dite aussi solide photomeacutetrique qursquoil pourra utiliser pour calculer les eacuteclairements directs reccedilus sur les diffeacuterentes surfaces de la geacuteomeacutetrie Ce calcul est baseacute sur la formule deacutefinissant la relation entre lrsquointensiteacute (Iox) drsquoune source ponctuelle (O) dans la direction drsquoun point donneacute (X) lrsquoangle drsquoincidence par rapport agrave la surface de mesure (θ) et la valeur drsquoeacuteclairement reacutesultante sur ce point (E = Iox cosθ dsup2)
Etant donneacute que ce calcul prend en consideacuteration une source point (caracteacuteriseacutee par le solide photomeacutetrique souvent placeacute au centre photomeacutetrique du luminaire) il est important de veacuterifier la loi de 5x entre la distance d et la longueur du luminaire
Cependant la majoriteacute des logiciels existants procegravedent agrave une subdivision automatique drsquoune source lineacuteaire ou surfacique en une seacuterie de sources points et cela en fonction de sa dimension et de sa distance des points de mesure afin de veacuterifier la loi de 5x Le mecircme solide
26
Chapitre I
photomeacutetrique sera attribueacute agrave toutes les sources points avec un flux qui correspond agrave une partie du flux initial de la grande source
Il faut noter que cette subdivision drsquoun luminaire en une seacuterie de sources points ne prend pas en consideacuteration lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute de la distribution des intensiteacutes entre les diffeacuterentes zones de ce luminaire Ce qui fait introduire une source drsquoerreur qui doit ecirctre prise en consideacuteration en comparant les reacutesultats drsquoune simulation (baseacutee sur un solide photomeacutetrique obtenu par des mesures goniophotomeacutetriques en champ lointain) agrave des mesures expeacuterimentales drsquoeacuteclairement [IESNA 1993] [Ashdown 2001] [Deniel 2002]
I12 Les sources de lumiegravere naturelle Malgreacute lrsquoutilisation intense de la lumiegravere artificielle dans notre mode de vie la source principale de lumiegravere reste la lumiegravere de jour Pour parler de la lumiegravere du jour il faut bien eacutevidemment parler du soleil et du ciel mais aussi du sol exteacuterieur et de lrsquoenvironnement urbain [CIE 1970] [IESNA 1993] [Dumortier 1995]
I121 le soleil A lrsquoorigine de la lumiegravere du jour on trouve le soleil qui est la source primaire de rayonnement sur la terre La variation de lrsquoinclinaison des rayons du soleil agrave la fois dans le temps et dans lrsquoespace creacutee un veacuteritable dynamisme et dessine les grandes lignes de la geacuteographie des climats
La position apparente du soleil par rapport agrave un point donneacute de la terre est exprimeacutee par deux paramegravetres la hauteur solaire qui repreacutesente lrsquoangle vertical du soleil avec lrsquohorizon et lrsquoazimut solaire qui repreacutesente lrsquoangle horizontal (dans le sens des aiguilles de la montre) du soleil avec le sud
Lrsquoeacuteclairement solaire direct reccedilu sur une surface donneacutee deacutepend en particulier de lrsquoangle drsquoincidence du rayonnement solaire sur la surface (variant avec lrsquoorientation de la surface et la position du soleil) de la distance entre le soleil et cette surface (variant avec lrsquoorbite elliptique de la terre) et de lrsquoatteacutenuation du flux lumineux dans lrsquoatmosphegravere (variant avec la densiteacute des nuages et des aeacuterosols) Cet eacuteclairement deacutepend aussi de lrsquoExitance eacutenergeacutetique du soleil exprimeacutee par la Constante solaire qui repreacutesente lrsquoeacuteclairement eacutenergeacutetique (en klx) produit par le rayonnement solaire extraterrestre sur une face perpendiculaire aux rayons solaires agrave la distance moyenne Soleil-Terre Cette constante est pondeacutereacutee par lrsquoefficaciteacute lumineuse relative du rayonnement solaire
La prise en consideacuteration du soleil dans une simulation numeacuterique se fait surtout agrave travers des algorithmes matheacutematiques qui servent agrave calculer la position du soleil par rapport agrave la latitude et la longitude du site au jour de lrsquoanneacutee (de 1 agrave 365) et au temps local Cette position est alors utiliseacutee pour eacutevaluer la peacuteneacutetration agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment
I122 le ciel Avant drsquoatteindre la surface de la terre les rayons solaires traversent et subissent les effets de la couche gazeuse qui enveloppe la terre lrsquoatmosphegravere Sa densiteacute et sa pression diminuent au fur et agrave mesure que lrsquoaltitude augmente Trois reacutegions sont deacutefinies pour caracteacuteriser la composition de lrsquoatmosphegravere lrsquohomosphegravere lrsquoheacuteteacuterosphegravere et la photosphegravere Seule lrsquohomosphegravere intervient dans les pheacutenomegravenes de propagation du rayonnement solaire car elle contient lrsquoair sec et pratiquement la totaliteacute de lrsquoeau atmospheacuterique et les aeacuterosols principaux eacuteleacutements qui influencent la composition spectrale et la propagation de la lumiegravere
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Chapitre I
Ainsi avec la position du soleil et les conditions climatiques (eg densiteacute des nuages densiteacute des aeacuterosolshellip) se dessine une distribution spatiale des luminances de la voucircte ceacuteleste vue par un site donneacute de la terre
Cette distribution des luminances deacutetermine lrsquoeacuteclairement horizontal sur un site donneacute et joue un rocircle principal dans la propagation de la lumiegravere de jour agrave lrsquointeacuterieur des bacirctiments
La prise en consideacuteration des champs de luminances des ciels dans une simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage se fait tregraves souvent agrave travers les modegraveles numeacuteriques de ciels
I123 les modegraveles de ciel Pour pouvoir preacutedire avec preacutecision les eacuteclairements obtenus agrave lrsquointeacuterieur drsquoune piegravece eacuteclaireacutee en lumiegravere de jour il est essentiel de pouvoir deacuteterminer la distribution des luminances du ciel
Pour cela des recherches et des observations ont eacuteteacute meneacutees agrave travers le monde et plusieurs modegraveles numeacuteriques ont eacuteteacute creacuteeacutes et standardiseacutes afin de deacutecrire des reacutepartitions types de luminances qui correspondent le mieux aux conditions de ciel les plus rencontreacutees dans la reacutealiteacute
Ces modegraveles sont geacuteneacuteralement deacutecrits par des formules exprimant la variation des luminances des diffeacuterentes zonesmailles du ciel souvent par rapport agrave la luminance au zeacutenith et selon la position du soleil et les caracteacuteristiques de lrsquoatmosphegravere
A noter que de maniegravere geacuteneacuterale ces modegraveles de ciel ne prennent pas en consideacuteration le rayonnement direct du soleil
Parmi les modegraveles de ciel existants nous citons les suivants
1 Ciel Uniforme utiliseacute auparavant pour le calcul du facteur de lumiegravere de jour 2 Ciel clair CIE baseacute sur le modegravele deacutefini par kittler en 1965 [Kittler 1965] [CIE 1973]
[CIE 1990] 3 Ciel couvert CIE baseacute sur le modegravele de Moon and Spencer et largement utiliseacute comme
reacutefeacuterence pour le calcul du facteur de lumiegravere de jour depuis sa recommandation par la CIE en 1970 [Moon 1942] [CIE 1970] [CIE 1990]
4 Ciel intermeacutediaire de Nakamura [Nakamura 1989] 5 Ciels IESNA Pour deacuteterminer la reacutepartition des luminances drsquoun ciel lrsquoIESNA utilise les
eacutequations utiliseacutees par la CIE pour les ciels clair et couvert et propose une autre eacutequation pour un ciel intermeacutediaire Cependant en plus de la reacutepartition des luminances lrsquoIESNA propose lrsquoutilisation drsquoune eacutequation pour obtenir une valeur absolue de lrsquoeacuteclairement horizontal et une autre eacutequation pour en deacuteduire directement la luminance au zeacutenith Les paramegravetres associeacutes aux deux eacutequations deacutependent de la condition du ciel (clair intermeacutediaire ou couvert) et de la position du soleil [Karayel 1984]
6 Modegravele tout temps de Perez Crsquoest un modegravele empirique baseacute sur un algorithme unique qui agrave partir de la variation de deux paramegravetres lieacutes aux conditions climatiques (clarteacute et luminositeacute) deacutecrit des reacutepartitions de luminances correspondantes agrave des conditions de ciel allant du ciel sans nuages au ciel complegravetement couvert [Perez 1993]
7 Modegravele du Ciel Geacuteneacuteral de la CIE qursquoon peut consideacuterer comme une deacuteriveacutee du ciel tout temps de Perez Il est deacutefini par une eacutequation unique et 15 seacuteries de paramegravetres pour deacutecrire 15 conditions types de ciel et la distribution des luminances propre agrave chacune de ces conditions [CIE 2002]
Mecircme si la majoriteacute de ces modegraveles tentent de repreacutesenter les champs de luminances des ciels le plus fidegravelement possible agrave la reacutealiteacute il est important de noter qursquoil sera difficile sinon
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Chapitre I
impossible de repreacutesenter tous les cas de figures qui peuvent exister dans un ciel reacuteel par des simples formules
Ceci est particuliegraverement vrai si nous voulons prendre en consideacuteration ce qui peut apparaicirctre dans un champ de luminances externe agrave une ouverture zeacutenithale ou verticale (masques sol exteacuterieurhellip)
Face agrave la complexiteacute des champs de luminances reacuteels plusieurs tentatives ont eacuteteacute meneacutees afin de transformer un champ de luminances reacuteel en un modegravele de ciel agrave travers des mesures de scanner de ciel ou bien agrave travers des photos numeacuteriques eacutetalonneacutees [Roy 1998] [Mardaljevic 2001] [Dumortier 2001]
Au-delagrave de la variation des luminances drsquoun ciel certaines eacutetudes se sont inteacuteresseacutees agrave la variation de la tempeacuterature de couleur proximale et de la reacutepartition spectrale [Chain 1999]
I123 Le sol exteacuterieur La lumiegravere naturelle reacutefleacutechie sur le sol exteacuterieur peut jouer un rocircle important dans la propagation de la lumiegravere du jour agrave lrsquointeacuterieur des bacirctiments En effet elle repreacutesente en moyenne 10 agrave 15 de lrsquoeacuteclairement vertical direct sur une faccedilade et peut deacutepasser cette valeur dans le cas drsquoun sol clair
En geacuteneacuteral cette lumiegravere est renvoyeacutee par les surfaces du plafond ou des murs vers les autres surfaces internes et participe ainsi agrave la composante reacutefleacutechie interne du facteur de lumiegravere de jour
La prise en consideacuteration du sol exteacuterieur dans une simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage se fait souvent en supposant une luminance uniforme de celui-ci variant avec lrsquoeacuteclairement Hz et le facteur de reacuteflexion moyen du sol Cependant dans certains logiciels il est neacutecessaire de modeler le sol exteacuterieur par une surface de grande dimension Dans ce cas le moteur de calcul doit proceacuteder au calcul de la reacutepartition de la luminance sur le sol avant de calculer sa contribution agrave lrsquoeacuteclairage inteacuterieur
I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain) Dans le calcul de la lumiegravere du jour agrave lrsquointeacuterieur drsquoun bacirctiment il est important de prendre en consideacuteration les eacuteleacutements de faccedilade et lrsquoenvironnement urbain Ceux ci peuvent repreacutesenter agrave la fois une obstruction agrave lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour directe dans le bacirctiment et une source secondaire de lumiegravere naturelle par reacuteflexion (composante reacutefleacutechie externe)
Ainsi par exemple une piegravece au premier eacutetage sera moins eacuteclaireacutee qursquoune autre au 5egraveme eacutetage dans le cas drsquoun bacirctiment en vis agrave vis Ou encore la mecircme piegravece sera mieux eacuteclaireacutee avec un facteur de reacuteflexion plus eacuteleveacute de la faccedilade en face
La prise en consideacuteration des masques dans certaines meacutethodes de calcul simplifieacutees se fait agrave travers la deacutetermination de lrsquoangle drsquoobstruction (entre le centre de la fenecirctre et la ligne limite entre le masque et le ciel) et du facteur de reacuteflexion moyen du masque
Un calcul plus preacutecis de lrsquoinfluence drsquoun sceacutenario urbain donneacute sur lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour dans une piegravece peut se faire agrave lrsquoaide des algorithmes de calcul physiques (radiositeacute ou lancer de rayon) Cependant cela neacutecessite la modeacutelisation geacuteomeacutetrique des masques exteacuterieurs ce qui entraicircne un temps de calcul relativement long
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Chapitre I
I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
Geacuteneacuteraliteacutes On entend par conception de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment le choix des composants et des caracteacuteristiques des parois vitreacutees leur position leurs dimensions les speacutecifications des vitrages et des protections solaires
Ces choix sont guideacutes par des consideacuterations thermiques (apport solaire et surchauffe deacuteperditions par lrsquoenveloppe) acoustiques eacutenergeacutetiques (eacuteclairage artificiel systegravemes de chauffage et de climatisation) ergonomiques (confort visuel) ainsi qursquoestheacutetiques et architecturales
Il est eacutegalement neacutecessaire de prendre en consideacuteration les interactions entre ces diffeacuterents paramegravetres afin drsquoarriver agrave un compromis qui reacutepond le mieux aux exigences du projet Par exemple laisser passer plus de lumiegravere naturelle en agrandissant les surfaces vitreacutees entraicircnerait une augmentation de lrsquoapport solaire et des surchauffes en eacuteteacute et de la deacuteperdition et de la consommation eacutenergeacutetique du chauffage en hiver
Avec les progregraves technologiques apporteacutes aux systegravemes de controcircle on arrive de nos jours agrave mieux geacuterer ces interactions en particulier le controcircle des protections solaires en relation avec le confort visuel et le controcircle de lrsquoeacuteclairage artificiel en relation avec la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour sur le plan de travail (systegravemes de dimming controcircles automatiseacutes zonagehellip) Cependant pour que la conception de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment aboutisse agrave une meilleure efficaciteacute eacutenergeacutetique il est important de srsquoy inteacuteresser degraves les premiegraveres phases de la conception du bacirctiment (orientation dimensionnementhellip) [ASHRAE-IESNA 1989] [CIE 1994] [Leslie 2003]
Eclairement inteacuterieur requis Un paramegravetre cleacute dans la conception de lrsquoeacuteclairage naturel est lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (en particulier sur le plan de travail) Cet eacuteclairement subit des variations importantes avec le temps dues au dynamisme de la distribution des luminances du ciel (en particulier la zone vue par un point de reacutefeacuterence)
Ducirc agrave cette dynamique et pour simplifier la prise en consideacuteration de ce paramegravetre dans la conception drsquoun bacirctiment la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute a eacuteteacute introduite Ainsi on srsquointeacuteresse agrave un seuil minimum drsquoeacuteclairement neacutecessaire pour assurer le bon fonctionnement des tacircches pour lesquelles est deacutedieacute un local Le deacutepassement de ce seuil est supposeacute comme geacuteneacuteralement compenseacute par lrsquoadaptation de lrsquoœil
Disponibiliteacute de la lumiegravere de jour Lrsquoeacuteclairement inteacuterieur est directement lieacute agrave la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour agrave lrsquoexteacuterieur du bacirctiment Cette derniegravere est exprimeacutee par lrsquoeacuteclairement sur une surface horizontale deacutegageacutee Sa variation avec le temps et la geacuteographie a eacuteteacute eacutetudieacutee agrave partir de plusieurs campagnes de mesure agrave travers le monde [Dumortier 2003]
Ainsi la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour a pu ecirctre deacutecrite par des diagrammes en fonction de la latitude et drsquoun pourcentage des heures drsquoune anneacutee pour une peacuteriode journaliegravere donneacutee (9h agrave 17h par ex) pour lesquelles lrsquoeacuteclairement horizontal exteacuterieur deacutepasse un certain seuil Ces diagrammes ne prennent souvent en consideacuteration que lrsquoeacuteclairement diffus
De nos jours on arrive agrave estimer la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour par lrsquoanalyse des images satellites Nous citons dans ce domaine le serveur Web Satel-Light deacuteveloppeacute au
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Chapitre I
LAboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Dumortier 1995] [Satel-Light 1995] [Dumortier 2002] [Dumortier 2003]
Facteur de lumiegravere de jour Afin de deacuteterminer une relation entre lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (en un point de la piegravece) et la disponibiliteacute de la lumiegravere du jour agrave lrsquoexteacuterieur drsquoun bacirctiment la notion du Facteur de Lumiegravere de Jour est utiliseacutee
FJ= (EintEext)
Ce ratio est subdiviseacute en plusieurs composantes
- La composante directe FJD (varie avec la distribution des luminances du ciel vues par le point de reacutefeacuterence)
- La composante reacutefleacutechie externe FRE (varie avec la contribution de la lumiegravere reacutefleacutechie sur le sol et les masques exteacuterieurs)
- La composante reacutefleacutechie interne FRI (varie avec les inter-reacuteflexions au niveau des surfaces inteacuterieures et deacutepend du facteur de reacuteflexion de ces surfaces)
Ainsi FJ = FJD + FRE + FRI
Pour le calcul drsquoun facteur de lumiegravere de jour en particulier sa composante directe il est important de caracteacuteriser la reacutepartition des luminances dans le ciel Alors que pour des raisons de simplification on supposait une reacutepartition uniforme (en azimut et en zeacutenith) de la luminance du ciel la CIE a proposeacute lrsquoadoption du ciel CIE couvert standard eacutetant donneacute qursquoil repreacutesente mieux de la distribution reacuteelle des luminances drsquoun ciel nuageux
Lrsquoutilisation drsquoun ciel nuageux pour la mesure ou le calcul du facteur de lumiegravere de jour est compatible avec la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute En effet les autres conditions possibles de ciel aboutissent geacuteneacuteralement agrave une meilleure peacuteneacutetration de la lumiegravere diffuse ou agrave une compensation par la lumiegravere directe du soleil Ainsi en adoptant le facteur de lumiegravere de jour sous un ciel nuageux comme reacutefeacuterence pour la conception on garantit une marge de seacutecuriteacute et un niveau minimum
Diagrammes drsquoautonomie A lrsquoaide des paramegravetres deacutecrits ci-dessus lrsquoeacuteclairement inteacuterieur requis les diagrammes de disponibiliteacute de la lumiegravere de jour et le facteur de lumiegravere de jour il est possible de deacutecrire des diagrammes drsquoautonomie en lumiegravere de jour Ces diagrammes permettent de deacutefinir un pourcentage de temps garanti ougrave lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (naturel) en un point donneacute deacutepassera un certain seuil Ou bien il permet de deacutefinir un facteur de lumiegravere de jour minimum requis afin de garantir un certain pourcentage de temps de deacutepassement drsquoun seuil drsquoeacuteclairement inteacuterieur [ASE 1989] [Satel-Light 1995]
Calcul dynamique de lrsquoeacuteclairage naturel (coefficient de FLJ) La nouvelle tendance dans la conception en eacuteclairage naturel nrsquoest plus baseacutee sur la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute mais sur un calcul dynamique de lrsquoentreacutee de la lumiegravere en utilisant les fichiers climatiques drsquoun site donneacute Cette meacutethode plus reacutealiste mais plus lourde en calcul est devenue utilisable gracircce agrave lrsquoeacutevolution des capaciteacutes du mateacuteriel informatique Sa mise en place utilise lrsquoapproche du facteur de lumiegravere de jour directionnel pour preacute-calculer la contribution relative des diffeacuterentes mailles du ciel agrave lrsquoeacuteclairement des diffeacuterents points drsquoun espace inteacuterieur [Tregenza 1983] [Mardaljevic 2000] [Reinhart 2000] [Dumortier 1995]
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Chapitre I
Outils de conception En ce qui concerne les meacutethodes existantes pour le calcul et lrsquoeacutevaluation de lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment elles sont classeacutees selon les cateacutegories suivantes [De Boer 1999]
- Les meacutethodes de calcul manuel (meacutethode de lumen ) - Les meacutethodes graphiques baseacutees sur des diagrammes selon des configurations types
du bacirctiment Ces diagrammes sont compleacuteteacutes par des facteurs de correction agrave prendre en consideacuteration en relation avec la transmission des vitrages la deacutegradation due agrave lrsquoaccumulation des saleteacutes le facteur de reacuteflexion moyen des surfaces inteacuterieureshellip
- Des mesures expeacuterimentales dans des maquettes agrave eacutechelle reacuteduite ou reacuteelle sous un ciel artificiel ou reacuteel
- Les logiciels de simulation baseacutes en particulier sur les meacutethodes de radiositeacute et de lancer de rayon
Un autre aspect de conception en eacuteclairage naturel (que celui de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour) consiste agrave prendre en consideacuteration les taches solaires agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment en particulier du point de vue de lrsquoapport thermique et du confort visuel Lrsquoeacutetude des taches est le plus souvent limiteacutee agrave certains jours repreacutesentatifs de lrsquoanneacutee (en particulier les solstices) et pour diffeacuterentes heures de la journeacutee
Les meacutethodes existantes pour lrsquoeacutetude des taches solaires sont
- Des meacutethodes manuelles utilisant des diagrammes solaires - Des eacutetudes sur maquette reacuteduite sous un heacuteliodon - Des meacutethodes numeacuteriques utilisant des algorithmes matheacutematiques pour deacutefinir la
position du soleil et des algorithmes de lancer de rayon pour simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere solaire directe agrave travers lrsquoenveloppe du bacirctiment Certains logiciels sont deacuteveloppeacutes speacutecialement pour lrsquoeacutetude des taches solaires on parle alors drsquoheacuteliodons numeacuteriques
En plus que les outils de simulation nous traitons dans notre travail les mesures expeacuterimentales dans des maquettes drsquoeacutetude
I13 La geacuteomeacutetrie
I131 Geacuteneacuteraliteacutes Comme la source lumineuse la geacuteomeacutetrie drsquoun espace est un eacuteleacutement cleacute pour calculer et preacutedire la propagation de la lumiegravere agrave lrsquointeacuterieur de cet espace Pour un calcul drsquoeacuteclairage (manuel ou numeacuterique) la description de cette geacuteomeacutetrie doit inclure une description tri-dimensionnelle de lrsquoespace ainsi qursquoune caracteacuterisation physique de ses mateacuteriaux Dans cette partie nous nous inteacuteressons agrave la description tri-dimensionnelle de lrsquoespace dans la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage
Les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie agrave prendre en consideacuteration dans une simulation sont geacuteneacuteralement les surfaces visibles des mateacuteriaux opaques du volume inteacuterieur Dans un sceacutenario drsquoeacuteclairage naturel nous consideacuterons eacutegalement les surfaces du sol et des masques exteacuterieurs ainsi que les composants des parois vitreacutees
On parle de surfaces visibles des mateacuteriaux opaques car contrairement au cas des eacutechanges de flux thermiques lrsquoinfluence des mateacuteriaux opaques sur la propagation des flux lumineux se limite agrave ces surfaces
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Chapitre I
La prise en consideacuteration des parois vitreacutees du sol et des masques exteacuterieurs peut varier entre les diffeacuterents logiciels Ainsi lrsquoinfluence de ces eacuteleacutements (vitrage store veacutenitien masque vertical ou horizontalhellip) peut ecirctre calculeacutee analytiquement dans un logiciel et agrave lrsquoaide drsquoun lancer de rayon ou un calcul de radiositeacute dans un autre Le premier cas ne neacutecessite qursquoune description parameacutetrique (type de vitrage couleur et orientation des lames angle drsquoobstructionhellip) et le deuxiegraveme neacutecessite une modeacutelisation preacutecise des eacuteleacutements
I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie Bien que certains logiciels offrent la possibiliteacute drsquoune automatisation de lrsquoentreacutee de la geacuteomeacutetrie 3D cellendashci est en fin de compte deacutecrite par un ensemble de polygones deacutefinis par les coordonneacutees carteacutesiennes de leurs sommets (x y z)
Pour les logiciels de simulation qui nrsquooffrent pas une interface de DAO pour lrsquoentreacutee de la geacuteomeacutetrie il est possible drsquoimporter cette derniegravere agrave partir drsquoun logiciel de DAO externe [IESNA 1999] La plupart des logiciels de simulation sont compatibles avec le format DXF creacuteeacute par Autodesk et standardiseacute par la suite pour le transfert de donneacutees geacuteomeacutetriques [Autodesk 1999]
Parmi les logiciels de DAO souvent utiliseacutes pour modeacuteliser la geacuteomeacutetrie 3D nous citons AutoCAD ArchiCAD et Microstation Cependant lorsqursquoune geacuteomeacutetrie est deacutecrite agrave lrsquoaide drsquoun logiciel externe il est important de prendre certaines preacutecautions dans le mode de dessin afin de garantir une meilleure compatibiliteacute avec la plupart des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
Les preacutecautions agrave prendre et leurs importances sont diffeacuterentes drsquoun logiciel agrave un autre mais souvent le but est drsquoeacuteviter les confusions lors du transfert qui peuvent mener agrave des erreurs de calcul Par exemple il peut srsquoagir de respecter la notion de lrsquoorientation des surfaces qui est importante dans certains logiciels ou bien de limiter la modeacutelisation des surfaces de la geacuteomeacutetrie aux parties apparentes pour eacuteviter les fausses ombres [Foley 1990]
I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade La propagation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquointeacuterieur drsquoun bacirctiment deacutebute par un transfert des flux agrave travers les parois vitreacutees Ainsi il est important de prendre ces derniegraveres en consideacuteration pour une preacutediction preacutecise de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment
La caracteacuterisation drsquoun composant drsquoune paroi vitreacutee en transmission lumineuse se fait geacuteneacuteralement agrave travers des mesures goniophotomeacutetriques Ainsi agrave partir drsquoune seacuterie de mesures de transmission en direct-direct seront deacuteduites les fonctions de transfert direct-heacutemispheacuterique et heacutemispheacuterique-heacutemispheacuterique qui caracteacuterisent un mateacuteriau donneacute [CIE 1998]
Cependant une paroi vitreacutee peut se preacutesenter sous diffeacuterentes formes agrave diffeacuterents niveaux de complexiteacute Nous listons ci-dessous les principaux cas de figures
I141 Ouverture simple Le cas le plus basique est celui drsquoune simple ouverture sans vitrage Lrsquoinfluence drsquoune telle ouverture sur la propagation de la lumiegravere naturelle se limite agrave sa dimension et son eacutepaisseur qui deacuteterminent la partie du champ de luminances externe rendue visible aux points inteacuterieurs Lrsquoaspect directionnel qualitatif et quantitatif du flux lumineux incident est conserveacute lors du passage agrave travers cette ouverture et ne subit aucune deacuteviation ni atteacutenuation (si ce nrsquoest la reacuteflexion sur les bords)
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Chapitre I
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel se fait souvent agrave lrsquoaide drsquoun maillage de sa surface La luminance apparente des mailles est ensuite calculeacutee (agrave partir de la luminance de la zone du ciel apparente agrave travers cette maille par un point donneacute) et finalement est calculeacutee la contribution de chaque maille agrave lrsquoeacuteclairement du point eacutetudieacute
Dans un certain nombre de logiciels le calcul commence par une deacutetection du champ de vision drsquoun point de mesure agrave travers lrsquoouverture Cette deacutetection se fait geacuteneacuteralement agrave lrsquoaide drsquoun lancer de rayons qui permet de deacutefinir les limites du masque constitueacute par les murs entourant lrsquoouverture
I142 Vitrage classique Dans le cas drsquoune ouverture vitreacutee (vitrage classique) le flux incident subit lrsquoinfluence de la transmission directionnelle du vitrage Cette transmission diminue avec lrsquoaugmentation de lrsquoangle drsquoincidence du rayonnement lumineux et varie selon le type de vitrage (simple double teinteacutehellip)
Il existe plusieurs reacutefeacuterences pour deacuteterminer la variation theacuteorique de la transmission lumineuse drsquoun vitrage avec lrsquoangle drsquoincidence Mais en geacuteneacuteral la majoriteacute drsquoun flux lumineux transmis agrave travers un vitrage classique est supposeacute garder sa directionnaliteacute (angle de transmission = angle drsquoincidence) et ne subit qursquoune simple atteacutenuation selon lrsquoangle drsquoincidence [Hopkinson 1966] [Hopkinson 1966 Tregenza 1993]
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture vitreacutee dans une simulation drsquoeacuteclairage naturel suit le mecircme principe que pour une ouverture non vitreacutee mais en plus une atteacutenuation de la contribution drsquoune maille agrave lrsquoeacuteclairement drsquoun point est calculeacutee selon lrsquoangle drsquoincidence entre cette maille et ce point de mesure Cependant certains logiciels ne prennent pas en consideacuteration la transmission directionnelle drsquoun vitrage et se contentent drsquoaffecter un facteur de transmission uniforme
I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel Il existe sur le marcheacute de la construction de plus en plus de vitrages agrave proprieacuteteacutes bi-directionnelles dont le but est souvent de favoriser le cheminement drsquoun flux lumineux incident dans une direction donneacutee (Laser Cut Panel Serraglaze etc) Par exemple dans le cas drsquoune ouverture verticale lrsquoobjectif est souvent de favoriser lrsquoorientation du flux transmis vers le plafond afin de permettre une entreacutee plus profonde de la lumiegravere et afin drsquoeacuteviter ou au moins drsquoatteacutenuer les taches solaires Dans le cas drsquoune ouverture zeacutenithale lrsquoobjectif est de favoriser lrsquoentreacutee verticale de la lumiegravere provenant de toutes les directions de lrsquoheacutemisphegravere exteacuterieur
Le flux lumineux incident sur ce type de mateacuteriaux est transmis avec changement drsquoorientation partielle ou totale dans le mecircme plan drsquoincidence ou bien dans tout lrsquoheacutemisphegravere de sortie
La prise en consideacuteration drsquoun mateacuteriau agrave transmission bidirectionnelle dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel est drsquoune complexiteacute importante Elle neacutecessite lrsquoutilisation des fonctions de transfert bidirectionnelles dite BTDF qui sont assez lourdes en calcul Les logiciels permettant ce type de simulations sont encore assez rares et limiteacutes au domaine de la recherche scientifique [Fontoynont 1999] [Greenup 2000] [Andersen 2003]
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Chapitre I
I144 Eleacutements de protection solaire Le rocircle des eacuteleacutements de protection solaire est de bloquer drsquoatteacutenuer ou de reacuteorienter la lumiegravere directe du soleil Parmi les types les plus utiliseacutes nous citons en particulier les stores veacutenitiens (agrave effet de reacuteorientation) les brises soleil (agrave effet de masque) et les stores en toile (agrave effet de diffusion)
La prise en consideacuteration des eacuteleacutements de protection solaires dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel deacutepend de leur type Par exemple les protections solaires agrave effet de masque neacutecessitent un simple calcul de lancer de rayons alors que la simulation des eacuteleacutements agrave effet de reacuteorientation suit le mecircme principe que pour les vitrages bidirectionnels [Klems 1995] [Shareef 2001]
I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux Pour caracteacuteriser le comportement des parois vitreacutees afin de mieux les prendre en consideacuteration dans le calcul ou la simulation de lrsquoeacuteclairage on a recours aux mesures goniophotomeacutetriques
Ces mesures peuvent srsquoaveacuterer drsquoune grande complexiteacute en particulier dans le cas des mateacuteriaux bidirectionnels puisqursquoils neacutecessitent des mesures heacutemispheacuteriques en entreacutee et en sortie
De nos jours plusieurs deacuteveloppements sont en cours afin de simplifier les proceacutedures de mesure ou de conduire ces mesures numeacuteriquement agrave lrsquoaide drsquoalgorithmes physiques [Mitanchey 1995] [Andersen 2003] [Andersen 2003] [De Boer 2003]
Drsquoautres efforts sont eacutegalement investis dans le but de simplifier la preacutesentation des donneacutees goniophotomeacutetriques [Roy 1995] [Mitanchey 1996] [IEA-SHC 1999]
I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux Si lrsquoeacuteclairage direct reccedilu des sources de lumiegravere (naturelles ou artificielles) est un eacuteleacutement de base dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere lrsquoeacuteclairage dit indirect nrsquoest pas de moindre importance
En effet lrsquoeacuteclairage indirect ducirc aux inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les diffeacuterentes surfaces drsquoune scegravene peut repreacutesenter une proportion importante de lrsquoeacuteclairement total par rapport agrave lrsquoeacuteclairement direct Crsquoest le cas notamment des luminaires indirects ou des systegravemes de reacute-acheminement de la lumiegravere directe du soleil
Les inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie deacutependent de la photomeacutetrie de ces surfaces (ou des mateacuteriaux qui les constituent) Cette photomeacutetrie est caracteacuteriseacutee en particulier par trois paramegravetres
- Le facteur de reacuteflexion global - La directionnaliteacute de la lumiegravere reacutefleacutechie - Lrsquoinfluence spectrale sur la lumiegravere reacutefleacutechie
Le premier repreacutesente le rapport entre le flux total reacutefleacutechi sur une surface et le flux initial incident Pour faciliter la mesure de ce paramegravetre un nombre de mateacuteriaux standards a eacuteteacute deacutefini comme reacutefeacuterence [CIE 1979] [CIE 1979] [CIE 1998]
Le deuxiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la ou les directions de reacuteflexion drsquoun flux incident avec une direction donneacutee Cette directionnaliteacute deacutepend de la geacuteomeacutetrie microscopique de la surface (apparente) drsquoun mateacuteriau opaque On distingue en particulier deux types de reacuteflexion theacuteoriques Les reacuteflexions parfaitement speacuteculaires et les reacuteflexions
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Chapitre I
parfaitement diffuses Bien que ces cas extrecircmes nrsquoexistent pas dans la reacutealiteacute les lois theacuteoriques relatives sont bien deacutefinies (La loi de Descartes pour le premier et loi de Lambert et les formules de facteur de forme pour le deuxiegraveme) Au-delagrave de ces deux cas theacuteoriques simplifieacutes un nombre de travaux a eacuteteacute meneacute pour deacutecrire des modegraveles analytiques plus complets qui srsquoapprochent mieux de la reacutealiteacute mais qui repreacutesentent un degreacute de complexiteacute plus eacuteleveacute [Trowbridge 1975] [Kajiya 1985] [Uetani 1992] [Balocco 2001] [Deniel 2002]
Dans la majoriteacute des logiciels existants la reacuteflexion de la lumiegravere sur une surface est simuleacutee par une combinaison de reacuteflexions diffuses et speacuteculaires Ainsi une partie du flux est reacutefleacutechie en obeacuteissant agrave la loi de Descartes et une autre partie est diffuseacutee uniformeacutement dans lrsquoespace Les algorithmes utiliseacutes sont eacutegalement en geacuteneacuteral une combinaison de radiositeacute et de lancer de rayons Certains logiciels nrsquoutilisant que les algorithmes de radiositeacute se contentent de supposer les surfaces comme 100 diffuses
Drsquoautres logiciels qui restent assez rares prennent en consideacuteration les fonctions de reacuteflexions bidirectionnelles (BRDF) theacuteoriques ou mesureacutees Cependant il faut noter que de nos jours la preacutecision des mesures de ces fonctions neacutecessite encore des moyens financiers et logistiques trop importants
Le troisiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la qualiteacute spectrale de la lumiegravere reacutefleacutechie par rapport agrave celle de la lumiegravere incidente Elle deacutepend en particulier de lrsquoabsorption spectrale seacutelective du mateacuteriau En effet le facteur drsquoabsorption drsquoun mateacuteriau peut ecirctre plus ou moins eacuteleveacute selon la longueur drsquoonde avec laquelle arrive une partie du flux incident Ainsi le spectre de la lumiegravere reacutefleacutechie peut ecirctre complegravetement diffeacuterent de celui de la lumiegravere incidente Les mateacuteriaux qui ont le mecircme facteur de reacuteflexion pour toutes les longueurs drsquoonde sont dits spectralement neutres [CIE 1986] [Smith 1992] [CIE 1996]
Plusieurs approches sont proposeacutees pour traiter lrsquoaspect spectral ou colorimeacutetrique de la propagation de la lumiegravere Les approches les plus utiliseacutees dans les logiciels de simulation de la lumiegravere sont baseacutees sur une caracteacuterisation agrave trois composantes de la couleur (de la source lumineuse ou des surfaces) Nous citons les systegravemes XYZ (de la CIE) RGB CMY et HSV Cependant si ce type de caracteacuterisation est convenable pour la repreacutesentation des couleurs il srsquoavegravere insuffisant pour simuler la variation du spectre du flux lumineux agrave travers les inter-reacuteflexions sur les surfaces inteacuterieures drsquoun espace [Mitanchey 1996] Pour plus de preacutecision il est alors recommandeacute drsquoutiliser les approches baseacutees sur une discreacutetisation plus ou moins fine du spectre Mais lrsquoimpleacutementation de telles approches dans les logiciels existants est loin drsquoecirctre courante [Smith 1992] [Mitanchey 1996]
I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage Il existe sur le marcheacute international un nombre important de logiciels deacutedieacutes agrave la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Dans une enquecircte meneacutee par le groupe 3D lumiegravere en 2000 aupregraves de 74 professionnels [3D-lumiegravere 2000] environ quarante logiciels ont eacuteteacute citeacutes par les enquecircteacutes comme outils de travail en eacuteclairage Dans une deuxiegraveme eacutetude plus speacutecialiseacutee dans le calcul drsquoeacuteclairage naturel et meneacutee par lrsquoagence international drsquoeacutenergie IEA SHC Task 21-C2 [Fontoynont 1999] vingt cinq logiciels ont eacuteteacute citeacutes Vingt deux de ces logiciels ne sont pas connus par les utilisateurs franccedilais enquecircteacutes par 3D lumiegravere Finalement nous citons lrsquoenquecircte de lrsquoIENSA [IESNA 1999] preacutesentant un nombre de logiciels existants au niveau international
Les logiciels existants diffegraverent entre eux par les algorithmes qursquoils utilisent par leurs approches DAO par la prise en consideacuteration des diffeacuterents types de sources lumineuses par
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Chapitre I
leur capaciteacute agrave simuler les pheacutenomegravenes de propagation de lumiegravere plus ou moins complexes par leur interface utilisateur et finalement par leurs vocations et leurs domaines drsquoapplication
I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage Le rocircle des algorithmes dans une simulation drsquoeacuteclairage est de geacuterer le calcul de la propagation de la lumiegravere entre les sources et les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie puis les inter-reacuteflexions entre ces surfaces
Les algorithmes utiliseacutes dans les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage sont des algorithmes dits drsquoeacuteclairement global (global illumination) puisqursquoils font un calcul tridimensionnel de la propagation de la lumiegravere Ils peuvent ecirctre classeacutes sous deux grandes familles la radiositeacute et le lancer de rayons Ces deux familles tendent agrave avoir des avantages et des inconveacutenients compleacutementaires ce qui fait que certains logiciels utilisent une logique hybride combinant les deux familles [IEA-SHC 1999] [Mitanchey 1996]
1211 Radiositeacute Les algorithmes de radiositeacute utiliseacutes pour le calcul de lrsquoeacuteclairage datent du deacutebut des anneacutees 80 Ils ont eacuteteacute adapteacutes agrave partir des algorithmes de radiositeacute utiliseacutes depuis les anneacutees 60 pour le calcul des eacutechanges radiatifs thermiques sur la base de lrsquoeacutequilibre eacutenergeacutetique
Les algorithmes de radiositeacute procegravedent en geacuteneacuteral agrave une discreacutetisation de lrsquoenvironnement simuleacute agrave travers un maillage (subdivision en petites mailles) des surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie eacuteclaireacutee par une source donneacutee (voir figure I3) Tout drsquoabord un calcul de la lumiegravere directe reccedilue par chaque maille est effectueacute Ensuite chaque maille est traiteacutee comme une source lumineuse eacutemettant une partie du flux lumineux qursquoelle a reccedilu (selon son facteur de reacuteflexion) vers les autres mailles de la geacuteomeacutetrie Cette lumiegravere indirecte subit plusieurs inter-reacuteflexions jusqursquoagrave ce que la quasi-totaliteacute du flux initial soit absorbeacutee
Suite agrave ce calcul on est capable de savoir la quantiteacute de flux lumineux direct et indirect reccedilue et eacutemise par une maille donneacutee et donc lrsquoeacuteclairement et la luminance de cette maille [Scartezzini 1993] [Ashdown 2001]
Figure I3 Exemple drsquoun calcul de Radiositeacute agrave lrsquointeacuterieur drsquoune geacuteomeacutetrie
Bien que le principe geacuteneacuteral de la radiositeacute deacutecrit ci-dessus soit le mecircme pour tous les algorithmes de radiositeacute existants ceux-ci diffegraverent dans la meacutethode adopteacutee pour le maillage de la geacuteomeacutetrie et pour le suivi du flux
La radiositeacute peut ecirctre en principe appliqueacutee agrave tout type de reacuteflexion cependant les algorithmes existants sont encore limiteacutes aux reacuteflexions 100 diffuses Ce qui entraicircne des erreurs plus ou moins importantes selon le comportement reacuteel du mateacuteriau simuleacute La
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Chapitre I
radiositeacute preacutesente aussi quelques autres inconveacutenients dont particuliegraverement un temps de calcul assez long une lourde consommation en meacutemoire et une faible performance en qualiteacute graphique
Cependant le calcul de radiositeacute a lrsquoavantage drsquoecirctre indeacutependant de la position de lrsquoobservateur Ainsi un seul calcul est suffisant pour connaicirctre lrsquoeacuteclairement de tous les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie et pour la visualiser agrave partir drsquoune infiniteacute de points de vue
Une nouvelle geacuteneacuteration drsquoalgorithmes de radiositeacute est apparue en 1988 elle permet drsquoobtenir un reacutesultat graphique immeacutediat qui srsquoameacuteliore progressivement en preacutecision et en qualiteacute visuelle drsquoougrave son nom progressive refinement radiosity [Cohen 1988] [Autodesk 1999]
Une autre eacutevolution des algorithmes de radiositeacute fut le concept de maillage adaptatif ougrave le logiciel commence agrave calculer agrave partir drsquoun maillage de faible preacutecision Ensuite il procegravede agrave des subdivisions suppleacutementaires lagrave ougrave il y a une grande diffeacuterence drsquoeacuteclairement entre les mailles Cette meacutethode conduit agrave une eacuteconomie dans le temps de calcul et dans lrsquoutilisation de meacutemoire
1212 Lancer de rayons La deuxiegraveme famille drsquoalgorithmes est la plus ancienne elle a connu plus de deacuteveloppements et preacutesente une plus grande varieacuteteacute de meacutethodes
Ces meacutethodes ont lrsquoavantage de calculer avec preacutecision lrsquoeacuteclairement direct de calculer les effets speacuteculaires des mateacuteriaux de mieux deacutefinir les ombres et de consideacuterer les reacutefractions agrave travers les surfaces transparentes Crsquoest donc les algorithmes qui donnent les meilleurs reacutesultats graphiques drsquoougrave ce qursquoon appelle le photo-reacutealisme des images de synthegravese
Il existe plusieurs cateacutegories drsquoalgorithmes baseacutees sur le lancer de rayon nous citons les suivantes
Figure I4 Exemple drsquoun calcul de Lancer de rayons (inverse)
1 Traceacute de rayons ou Lancer de rayons depuis lrsquoobservateur dite aussi Lancer inverse de rayons (backward ray tracing) les rayons sont geacuteneacutereacutes depuis lrsquoœil de lrsquoobservateur et cheminent agrave travers des reacuteflexions multiples sur les parois jusqursquoaux sources de lumiegravere (voir figure I4) Ainsi seuls les rayons utiles pour la construction de lrsquoimage seront geacuteneacutereacutes et suivis agrave travers les diffeacuterentes inter-reacuteflexions mais la solution est valide pour un seul point de vue [Whitted 1980]
2 Suivi de rayons ou Lancer direct de rayons (forward ray tracing) cette meacutethode geacutenegravere les rayons lumineux depuis la source vers les surfaces reacuteceptrices quand un rayon atteint une surface il est dirigeacute selon la photomeacutetrie rencontreacutee jusqursquoagrave lrsquoeacutepuisement de son eacutenergie [Fontoynont 1991]
3 Technique statistique de monte-carlo backward ou forward La meacutethode de Monte-Carlo associeacutee agrave des meacutethodes de lancer de rayons a recours agrave une technique statistique
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pour la distribution des rayons reacutefleacutechis Elle neacutecessite un temps de calcul eacuteleveacute [IEA-SHC 1999]
I22 Exemples types des logiciels existants Les logiciels existants sur le marcheacute international et utiliseacutes comme outils de conception en eacuteclairage peuvent ecirctre classeacutes en diffeacuterentes familles [De Boer 1999] [IESNA 1999]
1 Les logiciels baseacutes sur les formules de base de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel Ces logiciels sont souvent distribueacutes par les constructeurs de luminaires et munis de leur bibliothegraveque de luminaires
2 Des logiciels baseacutes sur des formules de base de calcul en eacuteclairage naturel ou sur des donneacutees empiriques (ou preacute-simuleacutees) Ces logiciels sont souvent deacutedieacutes agrave lrsquoutilisation dans les phases preacuteliminaires de la conception drsquoun projet (ex Dial Sodalight etc)
3 Les logiciels capables de calculer lrsquoeacuteclairage direct uniquement Ils sont tregraves souvent inteacutegreacutes dans des logiciels de DAO Leur objectif est limiteacute agrave lrsquoameacutelioration du rendu graphique drsquoun projet ou au mieux agrave une eacutetude de taches solaires (ex Archicad) Cependant ce type de logiciels devient de plus en plus rare En effet vu leurs potentiels un certain nombre de ces logiciels a eacuteteacute mis agrave niveau par les deacuteveloppeurs et a passeacute ainsi agrave la famille suivante (ex Microstation et 3D Studio)
4 Les logiciels dits drsquoeacuteclairement global Ils utilisent souvent des algorithmes de calcul physique (en particulier de radiositeacute et lancer de rayons) Nous distinguons cependant dans cette cateacutegorie les logiciels deacuteveloppeacutes dans un cadre scientifique (ex Radiance Geacuteneacutelux CSTB) de ceux deacuteveloppeacutes et diffuseacutes dans un cadre commercial (Lightscape Dialuxhellip) En geacuteneacuteral les logiciels commerciaux possegravedent des interfaces plus conviviales mais les logiciels scientifiques offrent des fonctionnaliteacutes plus complegravetes Par exemple certains logiciels scientifiques sont capables de prendre en consideacuteration lrsquoaspect spectral de la propagation de la lumiegravere etou de traiter les fonctions bidirectionnelles Finalement nous notons que les logiciels commerciaux manquent le plus de transparence sur leur fiabiliteacute dans les diffeacuterents domaines drsquoapplication (manque de travaux de validation)
Dans notre travail de thegravese nous nous inteacuteressons en particulier agrave la derniegravere famille Ne pouvant pas enquecircter sur tous les logiciels existants nous nous contentons de citer (par ordre alphabeacutetique) quelques logiciels sur lesquels il y a eu des publications scientifiques et des travaux de validation [Fontoynont 1999]
1221 Adeline Deacuteveloppeacute dans le cadre de lrsquoIEA Adeline a eacuteteacute fondeacute sur les logiciels Superlite et Radiance par le biais drsquoun modeleur graphique et drsquooutils de DAO Ainsi il permet de deacutefinir la geacuteomeacutetrie avec son propre systegraveme de DAO par lrsquoentreacutee manuelle des coordonneacutes carteacutesiennes ou agrave partir drsquoun fichier DXF
Le logiciel est muni drsquoune bibliothegraveque de base de donneacutees de mateacuteriaux de luminaires et de mobilier Il produit des reacutesultats numeacuteriques ou bien graphiques Au-delagrave des eacuteclairements et des luminances Adeline permet de calculer lrsquoeacutenergie consommeacutee par lrsquoeacuteclairage artificiel en fonction des apports de lumiegravere du jour [Erhorn 1998] [Scartezzini 1993]
1222 Genelux Le logiciel Genelux deacuteveloppeacute au laboratoire des sciences de lrsquohabitat utilise un algorithme de lancer direct et suivi de rayons lumineux (Forward Ray tracking) La distribution des rayons reacutefleacutechis est effectueacutee en ayant recours agrave une technique statistique de Monte Carlo
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Chapitre I
Dans le cas ougrave les surfaces seraient parfaitement diffusantes il est possible de faire appel agrave un algorithme baseacute sur la meacutethode de radiositeacute afin de reacuteduire les temps de simulation Genelux peut modeacuteliser les surfaces speacuteculaires diffuses ou mixtes en transmission etou reacuteflexion Il peut eacutegalement prendre en consideacuteration des quantiteacutes spectrales en deacutecomposant les rayons incidents par bandes spectrales [Mitanchey 1996] [Maamari 2003]
1223 Inspirer Destineacute surtout au domaine de lrsquoarchitecture avec comme fonctionnaliteacutes les calculs de lrsquoeacuteclairage les analyses de visibiliteacute et la visualisation des projets Pour le calcul de lrsquoeacuteclairage il utilise des approches hybrides surtout la meacutethode bi-directionnelle de Monte Carlo au Lancer de Rayons Ce qui diffeacuterencie le plus ce logiciel est lrsquoutilisation des formules de BRDF qui permet de respecter les variations de reacuteflexion et de transmission (diffuse et speacuteculaire) ainsi que des couleurs selon lrsquoangle drsquoincidence et de vision [Maamari 2003]
1224 DIAL Leso-Dial Le but du logiciel est de donner aux architectes des informations utiles concernant lrsquoutilisation de la lumiegravere de jour dans un bacirctiment degraves la phase de lrsquoavant projet Il calcule le facteur de lumiegravere du jour sur le plan utile gracircce agrave une utilisation hybride de formule analytique et empirique [Paule 1995]
1225 Lightscape 32 Crsquoest un logiciel qui est destineacute agrave des utilisations graphiques mais il offre eacutegalement des fonctionnaliteacutes inteacuteressantes pour la simulation physique de la lumiegravere Il utilise un algorithme de radiositeacute pour le calcul quantitatif et un algorithme de lancier de rayons pour lrsquoameacutelioration qualitative et visuelle des images de synthegraveses Ce logiciel est deacutecrit en deacutetail dans la partie IV11 de ce document [Khodulev 1996] [Maamari 2002]
1226 Radiance Le logiciel Radiance utilise un algorithme de lancer inverse de rayons Le lancer des rayons peut ecirctre stoppeacute si leur eacutenergie est jugeacutee insuffisante Les rayons reacutefleacutechis peuvent ecirctre geacuteneacutereacutes selon une fonction de distribution permettant la simulation de reacuteflexions speacuteculaires semi-speacuteculaires ou diffuses Ce lancer de rayons est compleacuteteacute drsquoun calcul statistique de reacuteflexion diffuse pour distribuer le flux reacutesiduel [Ward 1994] [Grynberg 1988]
1227 Superlite Le logiciel Superlite utilise une meacutethode point agrave point de radiositeacute Toutes les surfaces sont supposeacutees ecirctre parfaitement diffusantes Crsquoest la meacutethode la plus rapide mais elle est toutefois limiteacutee aux surfaces diffuses [Grynberg 1988]
I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels Lrsquoutilisation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage se geacuteneacuteralise de plus en plus dans le domaine de conception en eacuteclairage et au-delagrave Ainsi de nos jours ces logiciels sont utiliseacutes aussi bien par des bureaux drsquoeacutetude du bacirctiment et des architectes que par des deacuteveloppeurs de jeu videacuteo Les applications peuvent ecirctre entre autres [IESNA 1999] [3D-lumiegravere 2000] [Maamari 2002]
1 La conception en eacuteclairage artificiel Que ce soit pour lrsquoeacuteclairage inteacuterieur des bacirctiments lrsquoeacuteclairage des faccedilades des monuments des voiries des trottoirs ou lrsquoeacuteclairage des
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Chapitre I
tunnels etc Elle comprend entre autre le dimensionnement des systegravemes lrsquoanalyse du confort visuel et de la consommation etc
2 La conception en eacuteclairage naturel dimensionnement des ouvertures et des protections solaires orientation des projets analyse de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour et eacutetudes des FLJhellip
3 Le rendu et la preacutesentation des projets par les architectes et par les deacutecorateurs drsquointeacuterieur 4 La creacuteation de scegravenes de reacutealiteacute virtuelle pour le monde du cineacutema de la publiciteacute ou des
jeux videacuteohellip 5 La conception mecircme des optiques de luminaires ou de phares de voitures
Le domaine drsquoutilisation drsquoun logiciel donneacute deacutepend des fonctionnaliteacutes proposeacutees par ce logiciel de ses capaciteacutes agrave simuler avec un certain degreacute de fiabiliteacute et de faciliteacute les diffeacuterents domaines de la propagation de la lumiegravere en relation avec les besoins de lrsquoutilisateur
Bien que les algorithmes de calcul utiliseacutes dans les logiciels se ressemblent ces derniers ne sont pas tous adapteacutes pour les mecircme types drsquoapplications et ne reacutepondent pas aux mecircmes besoins
Ainsi certains utilisateurs cherchent en prioriteacute la faciliteacute drsquoutilisation des fonctionnaliteacutes en relation avec leur propre activiteacute en deacutepit des autres fonctionnaliteacutes et mecircme parfois en deacutepit de la validiteacute des reacutesultats Drsquoailleurs crsquoest agrave cause de ce contexte que des deacuteveloppeurs de logiciels commerciaux ont tendance agrave proposer des interfaces et des fonctionnaliteacutes optimiseacutees et orienteacutees vers un domaine drsquoapplication donneacute Ainsi nous commenccedilons agrave trouver par exemple des logiciels deacutedieacutes agrave la conception de lrsquoeacuteclairage public etou des tunnels (ex Tunnel-Lite) drsquoautres agrave la conception des protections solaires (ex ParaSol) etc
Cependant il est encore difficile de nos jours agrave un concepteur de bacirctiment de savoir quel est le ou les logiciels existants qui reacutepondent le mieux agrave ses propres besoins Crsquoest ce qui ressort dans les diffeacuterentes enquecirctes meneacutees sur lrsquoutilisation des logiciels en particulier celle meneacutee par le club 3D-Lumiegravere [3D-lumiegravere 2000] et celle que nous avons meneacutee au Light and Building 2002 [Maamari 2002] (voir annexe D) Nous notons par exemple dans ces deux enquecirctes lrsquoutilisation par des concepteurs lumiegravere de logiciels graphiques (Photoshop) en tant qursquooutils de conception
I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I31 Introduction Comme son nom lrsquoindique un logiciel de simulation de lrsquoeacuteclairage est supposeacute simuler la reacutealiteacute Mais la fideacuteliteacute de la simulation agrave la reacutealiteacute est loin drsquoecirctre veacuterifieacutee pour tous les logiciels existants sur le marcheacute international
Drsquoailleurs le niveau de preacutecision et de similitude (entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage et la reacutealiteacute) exigeacute ou souhaiteacute par les diffeacuterents utilisateurs nrsquoest pas neacutecessairement le mecircme et peut varier largement selon la speacutecificiteacute de leurs domaines drsquoactiviteacute [Maamari 2002]
Ainsi pour des utilisateurs qui srsquointeacuteressent uniquement au rendu graphique une image de synthegravese reacutealiste sans ecirctre neacutecessairement proche de la reacutealiteacute peut ecirctre suffisante Pour eux la question de la validation scientifique du logiciel utiliseacute ne se pose pas trop
Alors que pour des utilisateurs qui comptent extraire drsquoune simulation des cartes de luminances pour analyser le confort visuel de lrsquooccupant la validiteacute du logiciel devient drsquoune
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Chapitre I
importance de premier ordre Ceci est eacutegalement vrai pour les concepteurs en eacuteclairage qui ont besoin de veacuterifier que le niveau drsquoeacuteclairement est suffisant sur le plan de travail
Mais quel que soit le niveau de preacutecision souhaiteacute il est important pour un futur utilisateur de savoir la preacutecision qursquoil peut attendre de la part du logiciel qursquoil souhaite utiliser pour un type donneacute de tacircches Cette information est mecircme indispensable pour aboutir agrave une utilisation responsable des logiciels de simulation mais cela ne peut ecirctre possible qursquoagrave travers une validation rigoureuse et transparente de ce logiciel
Une validation rigoureuse et transparente des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage est une tacircche immense et drsquoune complexiteacute non neacutegligeable Ce qui est vrai pour tous les logiciels baseacutes sur des lois physiques comme par exemple les logiciels de simulation thermique
Cette complexiteacute est drsquoautant plus vraie quand on srsquointeacuteresse agrave lrsquoorientation du choix des utilisateurs vers un logiciel qui reacutepond le mieux agrave leurs propres besoins Dans ce contexte on souhaite veacuterifier la capaciteacute du logiciel agrave simuler avec preacutecision les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere lieacutes au domaine drsquoutilisation mais aussi on veut comparer cette capaciteacute agrave drsquoautres logiciels existants
La multitude des aspects qui entrent en jeu dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere combineacutee agrave la diversiteacute des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage contribuent agrave cette complexiteacute
Ainsi un logiciel capable de simuler des luminaires agrave optique diffusante nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler un luminaire avec une optique asymeacutetrique De mecircme un logiciel capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour agrave travers un vitrage ordinaire nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave travers un vitrage ou un systegraveme de protection solaire agrave aspect bidirectionnel etc
Nous preacutesentons ci-dessous une eacutetude bibliographique sur lrsquoeacutetat de lrsquoart du domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I32 Diffeacuterents types de validation En ce qui concerne les types de travaux de validation reacutealiseacutes nous avons pu identifier les suivants
I321 La validation analytique La validation analytique comme son nom lrsquoindique porte sur des cas theacuteoriques pour lesquels il existe des lois analytiques Ces lois sont issues des notions de base de la science physique lieacutees au rayonnement eacutelectromagneacutetique
Les travaux de validation baseacutes sur des reacutefeacuterences analytiques sont assez rares parmi les travaux reacutealiseacutes que nous avons pu trouver lors de notre recherche bibliographique
Cependant la validation analytique preacutesente des avantages consideacuterables comme la possibiliteacute de limiter les paramegravetres lieacutes agrave la propagation de la lumiegravere qui entrent en jeu dans un sceacutenario test Nous notons aussi lrsquoavantage de donner des solutions de reacutefeacuterences avec des incertitudes nulles ou neacutegligeables
En contrepartie la validation analytique ne peut couvrir que des domaines limiteacutes de la propagation de la lumiegravere Ce sont en geacuteneacuteral des cas de figures simples pour lesquels existe une loi theacuteorique [Aizlewood 1997]
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Chapitre I
I322 La validation expeacuterimentale Dans ce type de validation les reacutesultats des logiciels sont compareacutes agrave des mesures expeacuterimentales Ces mesures peuvent ecirctre reacutealiseacutees dans
a des maquettes drsquoeacutetude agrave eacutechelle reacuteduite [Caroll 1999] b des cellules tests agrave eacutechelle 11 c ou des piegraveces reacuteelles [Galasiu 1998] [Jarvis 1997]
Quel que soit le type des mesures reacutealiseacute la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales agrave utiliser pour des travaux de validation est confronteacutee agrave des obstacles consideacuterables
Le premier est lieacute aux sources drsquoerreur introduites lors de la description du sceacutenario expeacuterimental afin de le reproduire dans une simulation numeacuterique
Lrsquoimportance de cet obstacle est aggraveacutee par la multitude des paramegravetres qui entrent en jeu dans un sceacutenario expeacuterimental et par lrsquointeraction entre les sources drsquoerreurs lieacutees agrave chacun de ces paramegravetres
A titre drsquoexemple les sources drsquoerreur peuvent survenir lors de la description de la source de lumiegravere (artificielle ou reacuteelle) lors de la description de la photomeacutetrie des mateacuteriaux (reacuteflexion bidirectionnelle caracteacuteristiques spectraleshellip) etc
Un autre obstacle est ducirc agrave lrsquoincertitude qui existe dans la valeur mesureacutee et cela quelle que soit la preacutecision du protocole expeacuterimental appliqueacute Cette incertitude est lieacutee en partie agrave la preacutecision de lrsquoappareil de mesure et agrave son positionnement
Ducirc agrave tous ces obstacles la comparaison entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique et les mesures expeacuterimentales permet difficilement de conclure sur la preacutecision du logiciel testeacute
Il est aussi important de noter qursquoun des plus grands obstacles agrave la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales fiables reste celui des moyens techniques financiers et humains neacutecessaires aux expeacuterimentations
I323 La validation comparative Elle porte sur une comparaison des reacutesultats de simulation de plusieurs logiciels entre eux Cela peut ecirctre fait avec lrsquoexistence ou non drsquoune reacutefeacuterence expeacuterimentale ou analytique
Lrsquoavantage des comparaisons est de donner la possibiliteacute aux utilisateurs de mieux choisir entre plusieurs logiciels selon leur performance dans un domaine donneacute de la simulation
Cependant lrsquoutilisation des reacutesultats drsquoune comparaison afin de juger des logiciels les uns par rapport aux autres neacutecessite un maximum de transparence en particulier sur la complexiteacute des proceacutedures et sur le temps de calcul neacutecessaire pour obtenir ces reacutesultats [Grynberg 1988] [Fontoynont 1999] [Maamari 2003]
I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes Les travaux de validation reacutealiseacutes sur des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage ne manquent pas en nombre cependant crsquoest la creacutedibiliteacute de ces travaux qui nrsquoest pas toujours veacuterifieacutee
En ce qui concerne les rares travaux de validation existants qui beacuteneacuteficient drsquoune creacutedibiliteacute scientifique ou celle drsquoun organisme agreacuteeacute nous citons les suivants
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Chapitre I
I331 Le travail de Khodulev et Kopylov Ce travail reacutealiseacute et publieacute par Andrei B Khodulev et Edward A Kopylov en 1996 [Khodulev 1996] est lrsquoun des rares travaux de validation qui ont utiliseacute une reacutefeacuterence analytique
Le travail porte sur une validation comparative entre les logiciels Lightscape Specter et Radiance Une description des trois logiciels est donneacutee portant sur plusieurs critegraveres y compris lrsquointerface utilisateur
Un des sceacutenarios utiliseacutes pour la comparaison est celui drsquoune piegravece cubique fermeacutee avec une source lumineuse isotrope au centre La comparaison porte sur lrsquoeacuteclairement au niveau des points de mesure situeacutes sur le sol La valeur de reacutefeacuterence de cet eacuteclairement est calculeacutee semi-analytiquement pour prendre en consideacuteration la composante reacutefleacutechie interne
I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE Ce rapport repreacutesente un exemple ideacuteal sur la creacuteation des donneacutees expeacuterimentales fiables pour la validation des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage [Slater 2002]
Le travail deacutecrit dans ce rapport porte sur un protocole expeacuterimental qui a eacuteteacute deacutefini et conduit drsquoune maniegravere remarquablement rigoureuse dans une cellule test agrave eacutechelle 11 Le but est de creacuteer une base de donneacutees expeacuterimentales pour la validation des logiciels de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel
Le rapport comprend une description preacutecise du sceacutenario expeacuterimental y compris les dimensions de la geacuteomeacutetrie (une piegravece carreacutee) la position des lampes ou des luminaires la position des points de mesure ainsi que le coefficient de reacuteflexion des surfaces La description du sceacutenario comprend aussi les fichiers photomeacutetriques des luminaires au format CIBSE TM 14 sachant que la photomeacutetrie reacuteelle de chaque luminaire a eacuteteacute mesureacutee seacutepareacutement dans un laboratoire agreacuteeacute
Le protocole expeacuterimental comprend un controcircle du flux lumineux agrave travers lrsquoobservation et le controcircle des fluctuations du courant eacutelectrique et de la tempeacuterature de la piegravece Les lampes et les ballasts ont eacuteteacute vieillis Les lampes ont eacuteteacute preacutechauffeacutees une heure avant les mesures
Les capteurs ont eacuteteacute calibreacutes et fixeacutes sur un trolley afin de garantir la reacutepeacutetitiviteacute de leur position Six diffeacuterentes mesures ont eacuteteacute prises pour chaque point agrave lrsquoaide de deux capteurs diffeacuterents la moyenne de ces mesures a eacuteteacute utiliseacutee comme reacutefeacuterence
Une estimation des erreurs de mesures a eacuteteacute calculeacutee ainsi que des erreurs de simulation dues agrave lrsquoincertitude dans la description du sceacutenario Les reacutesultats ont alors eacuteteacute preacutesenteacutes sous forme de deux bandes de valeurs la premiegravere bande est celle des mesures prises + ou ndash lrsquoestimation des erreurs de mesure et lrsquoautre est celle des mesures + ou ndash le total des erreurs estimeacutees y compris les erreurs de simulation
I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA Ce travail a eacuteteacute meneacute dans le cadre de la tache 21 de lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie intituleacutee lumiegravere naturelle dans les bacirctiments En effet un projet a eacuteteacute deacutedieacute au thegraveme de la validation des logiciels de calcul en eacuteclairage et a fait lrsquoobjet drsquoune collaboration entre les laboratoires de six nations diffeacuterentes parmi lesquels le Laboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Fontoynont 1999] [Maamari 2002]
Dans le cadre de ce projet des donneacutees expeacuterimentales ont eacuteteacute reacutecolteacutees agrave travers des mesures drsquoeacuteclairement agrave lrsquointeacuterieur drsquoune seacuterie de maquettes agrave eacutechelle reacuteduite placeacutees sous des ciels
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Chapitre I
artificiels Trois bacirctiments types ont eacuteteacute testeacutes sous plusieurs configurations en changeant les types drsquoouverture etou les coefficients de reacuteflexion des surfaces
Les sceacutenarios expeacuterimentaux ont eacuteteacute simuleacutes agrave lrsquoaide des logiciels drsquoeacuteclairage naturel Adeline Genelux Leso-DIAL Radiance et Superlite Les reacutesultats des simulations ont eacuteteacute compareacutes entre les diffeacuterents logiciels et confronteacutes aux mesures expeacuterimentales
Cette comparaison a montreacute que le calcul des eacuteclairements agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment dus agrave lrsquoeacuteclairage naturel demande une description minutieuse des luminances des portions de la voucircte ceacuteleste vues par la fenecirctre Les eacuteclairements directs agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment sont alors calculeacutes avec une preacutecision de lrsquoordre de 5 La preacutecision des calculs des reacuteflexions multiples agrave lrsquointeacuterieur de la piegravece deacutepend quant agrave elle des proprieacuteteacutes des surfaces inteacuterieures et en particulier de la lrsquoaspect bidirectionnel de ces surfaces
Cette eacutetude a montreacute finalement que les programmes doivent ecirctre utiliseacutes avec beaucoup de preacutecautions car les reacutesultats de simulation sont tregraves sensibles agrave la qualiteacute des hypothegraveses et des paramegravetres drsquoentreacutee description de la source de lumiegravere geacuteomeacutetrie du bacirctiment paramegravetres de simulation
I34 Analyse de la probleacutematique Drsquoapregraves la recherche bibliographique preacutesenteacutee ci-dessus sur le domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage nous pouvons reacutesumer la probleacutematique de ce domaine dans les points suivants
1 Difficulteacute drsquoaccegraves agrave lrsquoinformation Elle est due en particulier agrave lrsquoabsence de sources publiques speacutecialiseacutees dans le domaine
2 Manque de transparence Ainsi nous trouvons souvent des reacutesultats de validation preacutesenteacutes sans suffisamment drsquoinformation sur les proceacutedures qui ont abouti agrave ces reacutesultats
3 Manque de creacutedibiliteacute une partie importante des travaux de validation existants est reacutealiseacutee par les deacuteveloppeurs des logiciels testeacutes les sources drsquoincertitudes dans les valeurs de reacutefeacuterence ne sont souvent pas prises en consideacuteration etc
4 Manque de travaux concluants sur la validiteacute du logiciel testeacute Ceci est ducirc en partie agrave la complexiteacute des sceacutenarios expeacuterimentaux et agrave la restriction des domaines testeacutes Ainsi il est rarement possible drsquoidentifier avec certitude les points de faiblesse et les domaines drsquoapplication drsquoun logiciel testeacute
5 Absence de reacutefeacuterences standardiseacutees Ce qui fait qursquoun certain aspect de la propagation de la lumiegravere est testeacute dans diffeacuterents logiciels avec des protocoles diffeacuterents Ce qui ne permet pas une comparaison transparente et objective entre ces diffeacuterents logiciels
6 Manque de validations analytiques malgreacute les avantages de ce type de validation
En reacuteponse aux problegravemes listeacutes ci-dessus nous identifions en particulier le besoin drsquoune standardisation et drsquoune mise agrave disposition des reacutefeacuterences de validation fiables de preacutefeacuterence sous la garantie et le controcircle drsquoun ou plusieurs organismes creacutedibles
I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
I351 Introduction Le premier objectif qursquoon pourrait attendre des travaux de validation crsquoest de pouvoir ameacuteliorer la confiance des utilisateurs dans les logiciels de simulation A savoir qursquoameacuteliorer la confiance ne veut pas forceacutement dire lrsquoaugmenter Mais plutocirct sensibiliser les utilisateurs aux capaciteacutes et aux limites des diffeacuterents logiciels dans les diffeacuterents domaines de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Ainsi agrave travers lrsquoidentification des points de faiblesse
45
Chapitre I
drsquoun logiciel et de ces domaines drsquoapplication on pourra aboutir agrave une utilisation responsable de ces logiciels
Drsquoougrave le besoin drsquoune meacutethodologie de validation qui permet de tester la capaciteacute drsquoun logiciel agrave simuler les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Cette meacutethodologie doit eacutegalement palier les deacutefaillances rencontreacutees dans le domaine agrave noter creacutedibiliteacute fiabiliteacute et accessibiliteacute
I352 Concept et approche proposeacutes Pour atteindre les objectifs fixeacutes ci-dessus la meacutethodologie de validation proposeacutee repose un concept de base qui est celui de tester seacutepareacutement les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Ceux-ci peuvent ecirctre classeacutes sous 3 grands groupes
1 La description de la source de lumiegravere et le calcul de lrsquoeacuteclairement direct 2 Le transfert du flux lumineux agrave travers les composants de la fenecirctre et lrsquoinfluence des
masques 3 Les inter-reacuteflexions sur les diffeacuterents mateacuteriaux avec diffeacuterentes photomeacutetries
Pour appliquer ce concept cette meacutethodologie de validation est baseacutee sur une seacuterie de cas-tests chacun traitant un sceacutenario drsquoeacuteclairage simple (un nombre limiteacute de paramegravetres) ougrave un certain aspect de la propagation de lumiegravere est mis en eacutevidence La description des cas-tests comprend la geacuteomeacutetrie les sources de lumiegravere ainsi qursquoune seacuterie de valeurs de reacutefeacuterence agrave utiliser pour tester la capaciteacute du logiciel agrave simuler lrsquoaspect en question Ces valeurs de reacutefeacuterence sont obtenues soit agrave lrsquoaide drsquoun calcul analytique quand crsquoest possible (pour des sceacutenarios theacuteoriques) ou bien agrave partir de mesures expeacuterimentales
Ainsi chaque cas-test est applicable agrave tout logiciel proposant des fonctionnaliteacutes lieacutees agrave lrsquoaspect traiteacute (dans ce cas-test) indeacutependamment des algorithmes utiliseacutes des meacutethodes de calcul adopteacutees ou des paramegravetres utiliseacutes
Cependant il est possible drsquoassocier agrave chaque test une eacutetude parameacutetrique propre agrave chaque logiciel Une telle eacutetude permet de mieux comprendre lrsquoinfluence des diffeacuterents paramegravetres proposeacutes sur la preacutecision du logiciel dans un aspect donneacute de la propagation de la lumiegravere
Pour une utilisation optimale de cette meacutethodologie de validation les cas-tests doivent couvrir tous les aspects de la propagation de la lumiegravere Ils seront alors utiliseacutes en tant qursquooutil unique et complet pour tester un logiciel donneacute
Une comparaison geacuteneacuterale des reacutesultats des simulations drsquoun logiciel donneacute aux valeurs de reacutefeacuterences de la seacuterie de cas-tests donnera une ideacutee claire sur les domaines ougrave le logiciel testeacute respecte ou non les lois physiques Ceci permettra agrave un utilisateur de veacuterifier si ce logiciel est compatible avec son propre domaine drsquoactiviteacute et agrave un deacuteveloppeur de veacuterifier si son logiciel a atteint les perspectives souhaiteacutees
De la mecircme faccedilon une comparaison entre les reacutesultats de diffeacuterents logiciels et les valeurs de reacutefeacuterence permet drsquooffrir une vision objective sur le logiciel qui reacutepond le mieux agrave une exigence donneacutee
46
Chapitre I
Conclusions Suite agrave notre eacutetude bibliographique sur le domaine de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage nous avons orienteacute le travail de cette thegravese (agrave travers les chapitres suivants) de faccedilon agrave reacutepondre agrave certains des problegravemes identifieacutes dans ce domaine
Ainsi en ce qui concerne le manque de fiabiliteacute dans les travaux de validation des logiciels nous deacuteveloppons la meacutethode de validation que nous avons proposeacutee Dans ce cadre nous creacuteons une seacuterie de cas-tests en relation avec diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere traiteacutes ci-dessus Ces cas-tests sont reacutepartis en deux familles lrsquoune avec des sceacutenarios theacuteoriques et des reacutefeacuterences analytiques et lrsquoautre avec des reacutefeacuterences expeacuterimentales reacutepondant agrave des critegraveres de controcircle de qualiteacute que nous avons deacutefinis
En ce qui concerne la difficulteacute de simuler des sceacutenarios reacuteels de lumiegravere naturelle nous proposons et validons une meacutethode de simulation agrave partir des cartes de luminances reacuteelles agrave haute deacutefinition
Finalement nous proposons et nous validons une meacutethode de simulation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquoaide des luminaires eacutequivalents Cette meacutethode permet agrave la simulation de la lumiegravere de jour de beacuteneacuteficier de la preacutesence confirmeacutee des outils de simulation de la lumiegravere artificielle dans le domaine de la conception des bacirctiments Elle permet eacutegalement de surmonter un nombre de difficulteacutes rencontreacutees dans certains logiciels classiques de simulation la lumiegravere naturelle en particulier celles lieacutees agrave la preacutecision des reacutesultats par rapport au temps de calcul et agrave la simulation des masques exteacuterieurs
47
Chapitre I
Reacutefeacuterences Bibliographiques 3D-LUMIEgraveRE Enquecircte sur la connaissance et lrsquoutilisation des systegravemes informatiques de simulation drsquoeacuteclairage Paris Club 3D Lumiegravere 2000 11 p ACHARD G LAFORGUE P SOUYRI B FONTOYNONT M BASTIE A MITANCHEY R Etude dun systegraveme Metrologique de Confort Radiatif Integrant lAspect Thermique et lAspect Visuel Paris 1994 60 p AFE Les sources de lumiegravere Socieacuteteacute dEdition Lux 1987 199 p AIZLEWOOD M BUTT J ISAAK K LITTLEFAIR P Daylighting in atria a comparison of measurements theory and simulation Lux Europa 1997 Amsterdam-Netherlands 1997 ANDERSEN M RUBIN M POWLES R SCARTEZZINI J L Bi-directional light transmission properties assessment for venetian blinds Computer simulations compared to photogoniometer measurements ISES Solar World Congress 2003 - Solar Energy for a Sustainable Future Gothenburg - Sweden International Solar Energy Society 2003 ANDERSEN M RUBIN M SCARTEZZINI J-L Comparison between ray-tracing simulations and bi-directional transmission measurements on prismatic glazing Solar Energy 2003 vol 74 ndeg2 pp 157-217 ANSIIESNA ANSIIESNA LM-63-02 ANSI Approved Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data and Related Information ANSIIESNA LM-63-02 2002 26 p ASE Eclairage inteacuterieur par la lumiegravere du jour Norme Suisse SN 418911 Zuumlrich Association Suisse des Electriciens 1989 ASHDOWN I Near-Field Photometry A New Approach IES 1993 vol 22 ndeg1 pp 163-180 ASHDOWN I EULUMDAT File Format Specification [en ligne] Disponible sur lthttpwwwhelios32comEulumdathtmgt (09 Mars 2004) ASHDOWN I Thinking photometrically Part II 105 Las Vegas workshop-Lightfair International 2001 42 p ASHRAE-IESNA Energy efficient design of new buildings except new low-rise residential buildings ASHRAEIES 901-1989 American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditionaing Engginers 1989 AUTODESK Lightscape 32 Users Guide 32 Autodesk 1999 352 p BALOCCO C FORASTIERE M A GRAZZINI G RIGHINI G C Experimental results of transparent reflective and absorbing propoerties of some building materials Energy and Buildings 2001 vol 33 pp 563-568
48
Chapitre I
CAROLL W L HITCHCOCK R J Recent Comparisons of SUPERLITE to Scale Model Data LBNL-43107 Lawrence Berkeley National Laboratory 1999 CHAIN C DUMORTIER D FONTOYNONT M A comprehensive model of luminance correlated colour temperature and spectral distribution of skylight Comparison with experimental data Solar Energy 1999 vol 65 ndeg5 pp 285-295 CIBSE CIBSE standard file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIBSE TM 14 London CIBSE 1988 CIE Daylight CIE-16 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1970 79 p CIE Standardization of Luminance Distribution on Clear Skies CIE-22 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1973 CIE Calculations for Interior Lighting Basic Method CIE-40 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1978 CIE Absolute Methods for Reflection Measurements CIE-44 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 CIE A Review of Publications on Properties and Reflection Values of Material Reflection Standards CIE-46 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 99 p CIE Calculations for Interior Lighting Applied Method CIE-52 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1982 CIE The Spectroradiometric Measurement of Light Sources CIE-63 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1984 CIE Colorimetry 2nd Edition CIE-152 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1986 CIE The Measurement of Absolute Luminous Intensity Distributions CIE-70 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1987 CIE The Measurement of Luminous Flux CIE-84 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1989 CIE Standard overcast and clear sky 3rd Draft Vienne Commission Internationale de LrsquoEclairage 1990 CIE Electric Light Sources State of the Art-1991 CIE-96 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1992 CIE Recommended file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIE-102 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1993 CIE Guide to Recommended Practice of Daylight Measurement CIE-108 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1994
49
Chapitre I
CIE Discomfort Glare in Interior Lighting CIE-117 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1995 CIE The Photometry and Goniophotometry of Luminaires CIE-121 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE The Relationship Between Digital and Colorimetric Data for Computer-Controlled CRT Displays CIE-122 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance CIE-130 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1998 CIE Spatial distribution of daylight - CIE standard general sky Vienne Commission Internationale de lEclairage 2002 7 p COHEN M F CHEN S E WALLACE J R GREENBERG DP A progressive refinement approach to fast radiosity image generation 15th annual conference on computer graphics and interactive techniques ACM Press New York 1988 pp 75-84 DE BOER J Encorporation of numerical goniophotometry into daylighting design CISBAT 2003 Lausanne EPFL 2003 pp 229-234 DE BOER J ERHORN H Survey Simple Design Tools IEA 1999 49 p DENIEL J M Modeacutelisation des luminaires et des BRDF Reacutealisation mesure et compression Thegravese en Informatique Rennes Universiteacute de Rennes 1 2002 277 p DUMORTIER D Mesure Analyse et Modeacutelisation du gisement lumineux Application agrave leacutevaluation des performances de leacuteclairage naturel des bacirctiments Thegravese en Geacutenie Civil et Sciences de lHabitat Vaulx en Velin ENTPE Universiteacutee de Savoie 1995 295 p DUMORTIER D Lumiegravere naturelle et rayonnement solaire - Mesures au sol et estimations agrave partir dimages satellites - Deacuteveloppement de services Web pour leacuteclairage naturel des bacirctiments HDR Thermique et Energeacutetique Vaulx en Velin ENTPE 2003 161 p DUMORTIER D VAN ROY F SODA daylighting resource SODA Deliverable 53C 2002 DUMORTIER D VETRO P Luminance calibration of the Nikon 950 digital cameras Lux Europa Reykjavik 2001 ERHORN H DE BOER J DIRKSMOLLER M ADELINE - An Integrated Approach to Lighting Simulation Daylighting 98 Ottawa 1998 FOLEY D J VAN-DAM A FEINER S K HUGHES J F Computer Graphics Principles and Practice Second Edition ADDISON-WESLEY 1990 (The systems programming series
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Chapitre I
FONTOYNONT M Le point sur les meacutethodes de simulation et sur lrsquoutilisation de lrsquoimage de synthegravese en eacuteclairage LUX 1991 FONTOYNONT M LAFORGUE P MITANCHEY R AIZLEWOOD M BUTT J CARROLL W HITCHOCK R ERHORN H DE BOER J DIRKSMOumlLLER M MICHEL L PAULE B SCARTEZZINI J-L BODART M AND ROY G Validation of daylighting simulation programs IEA SHC Task 21 ECBCS Annex 29 1999 28 p GALASIU A ATIF M Applicability of Daylighting Computer Modeling in Real Case Studies Comparison between Measured and Simulated Daylight Availability and Lighting Consumption IEA SHC Task 21 IEA ECBCS Annex 29 Daylight in Buildings International Energy Agency National Research Council Canada 1998 68 p GREENUP P J EDMONDS I R COMPAGNON R RADIANCE algorithm to simulate laser-cut panel light-redirecting elements Lighting Research amp Technology 2000 vol 32 ndeg2 pp 49-54 GRYNBERG A Comparison and Validation of Radiance and Superlite Rapport interne Lawrence Berkeley National Laboratory 1988 HOPKINSON R G PETHERBRIDGE P LONGMORE J Daylighting William Heinneman Ltd London 1966 IEA-SHC Daylighting simulation Methods Algorithms and Ressources Agence Internaitonale de lEnergie - SHC 1999 IEA-SHC Measurement of Luminous Characteristics of Daylighting Materials Agence Internationale de lEnergie - SHC - Tacircche 21 1999 IESNA Calculating Coefficients of Utilisation Wall and Ceiling Cavity Exitance IES LM-57 New York Illuminating engineering Society of North America 1982 IESNA The Determination of Illuminance at a Point in Interior Spaces IES LM-43-1991 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 34 p IESNA An Introduction to Light and Lighting IES ED-50 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 51 p IESNA Lighting Handbook 8th Edition New York Illuminating engineering Society of North America 1993 IESNA IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data IESNA LM-63-95 New York Illuminating engineering Society of North America 1995 5 p IESNA 1999 IESNA Software Survey Lighting Design + Application 1999 vol 29 ndeg12 pp 39-48 JARVIS D DONN M Comparison of Computer and Model Simulations of a Daylit Interior with Reality 5th International conference on Building Performance and Simulation Association Prague Czech Republic 1997 pp 9-16
51
Chapitre I
KAJIYA J T Anisotropic Reflection Models SIGGRAPH85 San Francisco 1985 pp 15-21 KARAYEL M NAVVAB M NEEMAN E SELKOWITZ S Zenith Luminance and sky luminance distributions for daylighting calculations Energy Build 1984 vol 6 ndeg3 pp 283-291 KHODULEV A B KOPYLOV E A Physically accurate lighting simulation in computer graphics software GraphiConrsquo96 The 6th International Conference on Computer graphics and Visualization St Petersburg Russia 1996 pp 111-119 KITTLER R Standardisation of outdoor conditions for the calculation of daylight factor with clear skies Sunlight in Buinldings CIE Intercessional conference Newcastle-Upon-Tyne 1965 KLEMS J H WARNER J L Measurement of bidirectional optical properties of complex shading devices ASHRAE Symposium Chicago 1995 LESLIE R P Capturing the daylight in buildings why and how Building and Environment 2003 vol 38 pp 381-385 MAAMARI F International survey on lighting simulation tools - Light and Building 2002 IEA-SHC-Task-31 2002 7 p MAAMARI F FONTOYNONT M Use of IEA-SHC Task 21 C benchmarks to assess performance of Lightscape 32 in daylighting calculations EPIC Lyon France 2002 pp 709-714 MAAMARI F FONTOYNONT M HIRATA M KOSTER J MARTY C TRANSGRASSOULIS A Reliable Datasets for Lighting Programs Validation Benchmark results CISBAT 2003 Conference 2003 pp 6 MAAMARI F JONGEWAARD M KOSTER J TRANSGRASSOULIS A FONTOYNONT M A Step Toward A Complete And Objective Validation Methodology For Lighting Simulation Tools CIE 25th Session San Diego 2003 pp 4 MARDALJEVIC J Daylight Simulation Validation Sky Models and Daylight Coefficients Leicester UK Montfort University 2000 MARDALJEVIC J The BRE-IDMP dataset a new benchmark for the validation of illuminance prediction techniques Lighting Research and Technology 2001 vol 33 ndegISSN 1365-7828 pp 117-136 MITANCHEY R Synthegravese dimages appliqueacutee agrave leacuteclairagisme inteacuterieur des bacirctiments Thegravese en Informatique speacutecialiteacute images Saint-Etienne Leacutecole Nationale Supeacuterieure des Mines de Saint-Etienne 1996 200 p
52
Chapitre I
MITANCHEY R PERIOLE G FONTOYNONT M Goniophotometric measurements Numerical simulation for research and development applications Lighting Research and Technology 1995 vol 27 ndeg4 pp 189-196 MOON P SPENCER D E Illumination from a nonuniform sky Illum Eng 1942 vol 37 ndeg12 pp 707-726 NAKAMURA H OKI M AYASHI Y Luminance distribution of intermediate sky Light Visual Environ 1989 vol 9 ndeg1 pp 6-13 PAULE B COMPAGNON R SCARTEZZINI J L Towards a new daylighting design computer tool Right Light Three conference Newcastle upon Tyne England 1995 PEREZ R SEALS R MICHALSKY J All-Weather model for sky luminance distribution Preliminary configuration and validation Solar Energy 1993 vol 50 ndeg3 pp 235-245 REINHART C F HERKEL S The simulation of annual daylight illuminance distributions ndash a state-of-the-art comparison of six RADIANCE-based methods Energy and Buildings 2000 vol 32 ndeg167-187 ROY G HAYMAN S JULIAN W Sky Modeling from Digital Imagery ARC Project No A89530177 Sidney The University of Sidney amp Murdoch university 1998 ROY G RUCK N REID G JULIAN W Sky luminanceStandard Digital Form for modelling Lighting Research amp Technology 1995 vol 27 ndeg3 pp 161-167 SATEL-LIGHT Satel-Light the European Database for Daylight and Solar Radiation [en ligne] Disponible sur lthttpwwwsatel-lightcomgt (27 janvier 2004) SCARTEZZINI J L COMPAGNON G WARD G PAULE B Outils Informatiques en Lumiegravere Naturelle NEFF-4352 Universiteacute de Genegraveve EPFL 1993 142 p SHAREEF F M OLDHAM D J CARTER D J A computer model for predicting the daylight performance of complex parallel shading systems Building and Environment 2001 vol 36 pp 605-618 SLATER A GRAVES H Benchmarking Lighting Design Software TM 2800 London CIBSE 2002 33 p SMITH B SPIEKERMANN C SEMBER R Numerical methods for colorimetric calculations A comparison of integration methods Color Research and Application 1992 vol 17 ndeg6 STOCKMAR A Eulumdat file format CIBSEILE National Lighting Conference York 2000 STOCKMAR A W EULUMDAT ein leuchtendatenformat fur den europaischen beleuchtungplaner Tagungsband Licht 1990 pp 641-644
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Chapitre I
TREGENZA P Daylighting algorithms ETSU S 1350 UK Department of Trade and Industry on behalf of the Energy Technology Support Unit 1993 43 p TREGENZA P R WATERS I M Daylight Coefficients Lighting Research amp Technology 1983 vol 15 ndeg2 pp 65-71 TROWBRIDGE T S REITZ K P Average Irregularity Representation of a Rough Surface for Ray Reflection Opt Soc Am 1975 vol 65 ndeg5 pp 531-536 UETANI Y MATSUURA K A Method of Luminance Calculation in an Anisotropic Diffuse Reflecting Interior IESNA Annual Conference Technical Papers San Diego 1992 WARD G J The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System SIGGRAPH Computer graphics 1994 pp 459-472 WHITTED T An improved illumination model for shaded display Computer graphics amp Image processing 1980
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- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
Figure I2 Exemples de visualisation 3D de fichiers photomeacutetriques associeacutes agrave la geacuteomeacutetrie drsquoun luminaire
De faccedilon geacuteneacuterale les diffeacuterents formats proposeacutes preacutevoient une partie pour les informations geacuteneacuterales (sur le luminaire et les lampes utiliseacutees sur le flux sur les conditions de mesurehellip) une partie pour la description des angles de mesures (nombre drsquoangles verticaux et horizontaux et leurs valeurs les axes de symeacutetrie srsquoils existenthellip) puis une partie pour preacutesenter les valeurs drsquointensiteacute agrave associer agrave chaque angle de mesure
En ce qui concerne le flux reacuteel agrave utiliser pour la simulation il peut ecirctre deacuteduit de lrsquointeacutegration des intensiteacutes corrigeacutees ou non par un facteur multiplicateur (pour passer des valeurs relatives aux valeurs reacuteelles) ou bien il peut ecirctre donneacute en valeur absolue dans le fichier (Voir les exemples preacutesenteacutes dans lrsquoannexe G)
I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique) Lrsquoexploitation drsquoun fichier photomeacutetrique dans un logiciel se fait agrave lrsquoaide drsquoune interpolation des valeurs donneacutees pour les diffeacuterentes directions de mesure pour en deacuteduire des valeurs drsquointensiteacute agrave affecter agrave toutes les autres directions Il existe plusieurs meacutethodes drsquointerpolation dont les plus utiliseacutees la meacutethode diteSpline la meacutethode lineacuteaire et la meacutethode dite Seacuteries de Fourier Quelle que soit la meacutethode drsquointerpolation utiliseacutee il existe une source drsquoerreur potentielle en particulier dans le cas de variation rapide des valeurs drsquointensiteacute reacuteelles entre les directions mesureacutees Pour cela il est conseilleacute de faire des mesures goniophotomeacutetriques avec des pas de mesure assez fins en particulier pour les luminaires agrave photomeacutetrie complexe
Suite agrave cette interpolation le logiciel dispose drsquoune distribution drsquointensiteacute complegravete dite aussi solide photomeacutetrique qursquoil pourra utiliser pour calculer les eacuteclairements directs reccedilus sur les diffeacuterentes surfaces de la geacuteomeacutetrie Ce calcul est baseacute sur la formule deacutefinissant la relation entre lrsquointensiteacute (Iox) drsquoune source ponctuelle (O) dans la direction drsquoun point donneacute (X) lrsquoangle drsquoincidence par rapport agrave la surface de mesure (θ) et la valeur drsquoeacuteclairement reacutesultante sur ce point (E = Iox cosθ dsup2)
Etant donneacute que ce calcul prend en consideacuteration une source point (caracteacuteriseacutee par le solide photomeacutetrique souvent placeacute au centre photomeacutetrique du luminaire) il est important de veacuterifier la loi de 5x entre la distance d et la longueur du luminaire
Cependant la majoriteacute des logiciels existants procegravedent agrave une subdivision automatique drsquoune source lineacuteaire ou surfacique en une seacuterie de sources points et cela en fonction de sa dimension et de sa distance des points de mesure afin de veacuterifier la loi de 5x Le mecircme solide
26
Chapitre I
photomeacutetrique sera attribueacute agrave toutes les sources points avec un flux qui correspond agrave une partie du flux initial de la grande source
Il faut noter que cette subdivision drsquoun luminaire en une seacuterie de sources points ne prend pas en consideacuteration lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute de la distribution des intensiteacutes entre les diffeacuterentes zones de ce luminaire Ce qui fait introduire une source drsquoerreur qui doit ecirctre prise en consideacuteration en comparant les reacutesultats drsquoune simulation (baseacutee sur un solide photomeacutetrique obtenu par des mesures goniophotomeacutetriques en champ lointain) agrave des mesures expeacuterimentales drsquoeacuteclairement [IESNA 1993] [Ashdown 2001] [Deniel 2002]
I12 Les sources de lumiegravere naturelle Malgreacute lrsquoutilisation intense de la lumiegravere artificielle dans notre mode de vie la source principale de lumiegravere reste la lumiegravere de jour Pour parler de la lumiegravere du jour il faut bien eacutevidemment parler du soleil et du ciel mais aussi du sol exteacuterieur et de lrsquoenvironnement urbain [CIE 1970] [IESNA 1993] [Dumortier 1995]
I121 le soleil A lrsquoorigine de la lumiegravere du jour on trouve le soleil qui est la source primaire de rayonnement sur la terre La variation de lrsquoinclinaison des rayons du soleil agrave la fois dans le temps et dans lrsquoespace creacutee un veacuteritable dynamisme et dessine les grandes lignes de la geacuteographie des climats
La position apparente du soleil par rapport agrave un point donneacute de la terre est exprimeacutee par deux paramegravetres la hauteur solaire qui repreacutesente lrsquoangle vertical du soleil avec lrsquohorizon et lrsquoazimut solaire qui repreacutesente lrsquoangle horizontal (dans le sens des aiguilles de la montre) du soleil avec le sud
Lrsquoeacuteclairement solaire direct reccedilu sur une surface donneacutee deacutepend en particulier de lrsquoangle drsquoincidence du rayonnement solaire sur la surface (variant avec lrsquoorientation de la surface et la position du soleil) de la distance entre le soleil et cette surface (variant avec lrsquoorbite elliptique de la terre) et de lrsquoatteacutenuation du flux lumineux dans lrsquoatmosphegravere (variant avec la densiteacute des nuages et des aeacuterosols) Cet eacuteclairement deacutepend aussi de lrsquoExitance eacutenergeacutetique du soleil exprimeacutee par la Constante solaire qui repreacutesente lrsquoeacuteclairement eacutenergeacutetique (en klx) produit par le rayonnement solaire extraterrestre sur une face perpendiculaire aux rayons solaires agrave la distance moyenne Soleil-Terre Cette constante est pondeacutereacutee par lrsquoefficaciteacute lumineuse relative du rayonnement solaire
La prise en consideacuteration du soleil dans une simulation numeacuterique se fait surtout agrave travers des algorithmes matheacutematiques qui servent agrave calculer la position du soleil par rapport agrave la latitude et la longitude du site au jour de lrsquoanneacutee (de 1 agrave 365) et au temps local Cette position est alors utiliseacutee pour eacutevaluer la peacuteneacutetration agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment
I122 le ciel Avant drsquoatteindre la surface de la terre les rayons solaires traversent et subissent les effets de la couche gazeuse qui enveloppe la terre lrsquoatmosphegravere Sa densiteacute et sa pression diminuent au fur et agrave mesure que lrsquoaltitude augmente Trois reacutegions sont deacutefinies pour caracteacuteriser la composition de lrsquoatmosphegravere lrsquohomosphegravere lrsquoheacuteteacuterosphegravere et la photosphegravere Seule lrsquohomosphegravere intervient dans les pheacutenomegravenes de propagation du rayonnement solaire car elle contient lrsquoair sec et pratiquement la totaliteacute de lrsquoeau atmospheacuterique et les aeacuterosols principaux eacuteleacutements qui influencent la composition spectrale et la propagation de la lumiegravere
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Chapitre I
Ainsi avec la position du soleil et les conditions climatiques (eg densiteacute des nuages densiteacute des aeacuterosolshellip) se dessine une distribution spatiale des luminances de la voucircte ceacuteleste vue par un site donneacute de la terre
Cette distribution des luminances deacutetermine lrsquoeacuteclairement horizontal sur un site donneacute et joue un rocircle principal dans la propagation de la lumiegravere de jour agrave lrsquointeacuterieur des bacirctiments
La prise en consideacuteration des champs de luminances des ciels dans une simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage se fait tregraves souvent agrave travers les modegraveles numeacuteriques de ciels
I123 les modegraveles de ciel Pour pouvoir preacutedire avec preacutecision les eacuteclairements obtenus agrave lrsquointeacuterieur drsquoune piegravece eacuteclaireacutee en lumiegravere de jour il est essentiel de pouvoir deacuteterminer la distribution des luminances du ciel
Pour cela des recherches et des observations ont eacuteteacute meneacutees agrave travers le monde et plusieurs modegraveles numeacuteriques ont eacuteteacute creacuteeacutes et standardiseacutes afin de deacutecrire des reacutepartitions types de luminances qui correspondent le mieux aux conditions de ciel les plus rencontreacutees dans la reacutealiteacute
Ces modegraveles sont geacuteneacuteralement deacutecrits par des formules exprimant la variation des luminances des diffeacuterentes zonesmailles du ciel souvent par rapport agrave la luminance au zeacutenith et selon la position du soleil et les caracteacuteristiques de lrsquoatmosphegravere
A noter que de maniegravere geacuteneacuterale ces modegraveles de ciel ne prennent pas en consideacuteration le rayonnement direct du soleil
Parmi les modegraveles de ciel existants nous citons les suivants
1 Ciel Uniforme utiliseacute auparavant pour le calcul du facteur de lumiegravere de jour 2 Ciel clair CIE baseacute sur le modegravele deacutefini par kittler en 1965 [Kittler 1965] [CIE 1973]
[CIE 1990] 3 Ciel couvert CIE baseacute sur le modegravele de Moon and Spencer et largement utiliseacute comme
reacutefeacuterence pour le calcul du facteur de lumiegravere de jour depuis sa recommandation par la CIE en 1970 [Moon 1942] [CIE 1970] [CIE 1990]
4 Ciel intermeacutediaire de Nakamura [Nakamura 1989] 5 Ciels IESNA Pour deacuteterminer la reacutepartition des luminances drsquoun ciel lrsquoIESNA utilise les
eacutequations utiliseacutees par la CIE pour les ciels clair et couvert et propose une autre eacutequation pour un ciel intermeacutediaire Cependant en plus de la reacutepartition des luminances lrsquoIESNA propose lrsquoutilisation drsquoune eacutequation pour obtenir une valeur absolue de lrsquoeacuteclairement horizontal et une autre eacutequation pour en deacuteduire directement la luminance au zeacutenith Les paramegravetres associeacutes aux deux eacutequations deacutependent de la condition du ciel (clair intermeacutediaire ou couvert) et de la position du soleil [Karayel 1984]
6 Modegravele tout temps de Perez Crsquoest un modegravele empirique baseacute sur un algorithme unique qui agrave partir de la variation de deux paramegravetres lieacutes aux conditions climatiques (clarteacute et luminositeacute) deacutecrit des reacutepartitions de luminances correspondantes agrave des conditions de ciel allant du ciel sans nuages au ciel complegravetement couvert [Perez 1993]
7 Modegravele du Ciel Geacuteneacuteral de la CIE qursquoon peut consideacuterer comme une deacuteriveacutee du ciel tout temps de Perez Il est deacutefini par une eacutequation unique et 15 seacuteries de paramegravetres pour deacutecrire 15 conditions types de ciel et la distribution des luminances propre agrave chacune de ces conditions [CIE 2002]
Mecircme si la majoriteacute de ces modegraveles tentent de repreacutesenter les champs de luminances des ciels le plus fidegravelement possible agrave la reacutealiteacute il est important de noter qursquoil sera difficile sinon
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Chapitre I
impossible de repreacutesenter tous les cas de figures qui peuvent exister dans un ciel reacuteel par des simples formules
Ceci est particuliegraverement vrai si nous voulons prendre en consideacuteration ce qui peut apparaicirctre dans un champ de luminances externe agrave une ouverture zeacutenithale ou verticale (masques sol exteacuterieurhellip)
Face agrave la complexiteacute des champs de luminances reacuteels plusieurs tentatives ont eacuteteacute meneacutees afin de transformer un champ de luminances reacuteel en un modegravele de ciel agrave travers des mesures de scanner de ciel ou bien agrave travers des photos numeacuteriques eacutetalonneacutees [Roy 1998] [Mardaljevic 2001] [Dumortier 2001]
Au-delagrave de la variation des luminances drsquoun ciel certaines eacutetudes se sont inteacuteresseacutees agrave la variation de la tempeacuterature de couleur proximale et de la reacutepartition spectrale [Chain 1999]
I123 Le sol exteacuterieur La lumiegravere naturelle reacutefleacutechie sur le sol exteacuterieur peut jouer un rocircle important dans la propagation de la lumiegravere du jour agrave lrsquointeacuterieur des bacirctiments En effet elle repreacutesente en moyenne 10 agrave 15 de lrsquoeacuteclairement vertical direct sur une faccedilade et peut deacutepasser cette valeur dans le cas drsquoun sol clair
En geacuteneacuteral cette lumiegravere est renvoyeacutee par les surfaces du plafond ou des murs vers les autres surfaces internes et participe ainsi agrave la composante reacutefleacutechie interne du facteur de lumiegravere de jour
La prise en consideacuteration du sol exteacuterieur dans une simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage se fait souvent en supposant une luminance uniforme de celui-ci variant avec lrsquoeacuteclairement Hz et le facteur de reacuteflexion moyen du sol Cependant dans certains logiciels il est neacutecessaire de modeler le sol exteacuterieur par une surface de grande dimension Dans ce cas le moteur de calcul doit proceacuteder au calcul de la reacutepartition de la luminance sur le sol avant de calculer sa contribution agrave lrsquoeacuteclairage inteacuterieur
I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain) Dans le calcul de la lumiegravere du jour agrave lrsquointeacuterieur drsquoun bacirctiment il est important de prendre en consideacuteration les eacuteleacutements de faccedilade et lrsquoenvironnement urbain Ceux ci peuvent repreacutesenter agrave la fois une obstruction agrave lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour directe dans le bacirctiment et une source secondaire de lumiegravere naturelle par reacuteflexion (composante reacutefleacutechie externe)
Ainsi par exemple une piegravece au premier eacutetage sera moins eacuteclaireacutee qursquoune autre au 5egraveme eacutetage dans le cas drsquoun bacirctiment en vis agrave vis Ou encore la mecircme piegravece sera mieux eacuteclaireacutee avec un facteur de reacuteflexion plus eacuteleveacute de la faccedilade en face
La prise en consideacuteration des masques dans certaines meacutethodes de calcul simplifieacutees se fait agrave travers la deacutetermination de lrsquoangle drsquoobstruction (entre le centre de la fenecirctre et la ligne limite entre le masque et le ciel) et du facteur de reacuteflexion moyen du masque
Un calcul plus preacutecis de lrsquoinfluence drsquoun sceacutenario urbain donneacute sur lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour dans une piegravece peut se faire agrave lrsquoaide des algorithmes de calcul physiques (radiositeacute ou lancer de rayon) Cependant cela neacutecessite la modeacutelisation geacuteomeacutetrique des masques exteacuterieurs ce qui entraicircne un temps de calcul relativement long
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Chapitre I
I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
Geacuteneacuteraliteacutes On entend par conception de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment le choix des composants et des caracteacuteristiques des parois vitreacutees leur position leurs dimensions les speacutecifications des vitrages et des protections solaires
Ces choix sont guideacutes par des consideacuterations thermiques (apport solaire et surchauffe deacuteperditions par lrsquoenveloppe) acoustiques eacutenergeacutetiques (eacuteclairage artificiel systegravemes de chauffage et de climatisation) ergonomiques (confort visuel) ainsi qursquoestheacutetiques et architecturales
Il est eacutegalement neacutecessaire de prendre en consideacuteration les interactions entre ces diffeacuterents paramegravetres afin drsquoarriver agrave un compromis qui reacutepond le mieux aux exigences du projet Par exemple laisser passer plus de lumiegravere naturelle en agrandissant les surfaces vitreacutees entraicircnerait une augmentation de lrsquoapport solaire et des surchauffes en eacuteteacute et de la deacuteperdition et de la consommation eacutenergeacutetique du chauffage en hiver
Avec les progregraves technologiques apporteacutes aux systegravemes de controcircle on arrive de nos jours agrave mieux geacuterer ces interactions en particulier le controcircle des protections solaires en relation avec le confort visuel et le controcircle de lrsquoeacuteclairage artificiel en relation avec la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour sur le plan de travail (systegravemes de dimming controcircles automatiseacutes zonagehellip) Cependant pour que la conception de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment aboutisse agrave une meilleure efficaciteacute eacutenergeacutetique il est important de srsquoy inteacuteresser degraves les premiegraveres phases de la conception du bacirctiment (orientation dimensionnementhellip) [ASHRAE-IESNA 1989] [CIE 1994] [Leslie 2003]
Eclairement inteacuterieur requis Un paramegravetre cleacute dans la conception de lrsquoeacuteclairage naturel est lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (en particulier sur le plan de travail) Cet eacuteclairement subit des variations importantes avec le temps dues au dynamisme de la distribution des luminances du ciel (en particulier la zone vue par un point de reacutefeacuterence)
Ducirc agrave cette dynamique et pour simplifier la prise en consideacuteration de ce paramegravetre dans la conception drsquoun bacirctiment la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute a eacuteteacute introduite Ainsi on srsquointeacuteresse agrave un seuil minimum drsquoeacuteclairement neacutecessaire pour assurer le bon fonctionnement des tacircches pour lesquelles est deacutedieacute un local Le deacutepassement de ce seuil est supposeacute comme geacuteneacuteralement compenseacute par lrsquoadaptation de lrsquoœil
Disponibiliteacute de la lumiegravere de jour Lrsquoeacuteclairement inteacuterieur est directement lieacute agrave la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour agrave lrsquoexteacuterieur du bacirctiment Cette derniegravere est exprimeacutee par lrsquoeacuteclairement sur une surface horizontale deacutegageacutee Sa variation avec le temps et la geacuteographie a eacuteteacute eacutetudieacutee agrave partir de plusieurs campagnes de mesure agrave travers le monde [Dumortier 2003]
Ainsi la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour a pu ecirctre deacutecrite par des diagrammes en fonction de la latitude et drsquoun pourcentage des heures drsquoune anneacutee pour une peacuteriode journaliegravere donneacutee (9h agrave 17h par ex) pour lesquelles lrsquoeacuteclairement horizontal exteacuterieur deacutepasse un certain seuil Ces diagrammes ne prennent souvent en consideacuteration que lrsquoeacuteclairement diffus
De nos jours on arrive agrave estimer la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour par lrsquoanalyse des images satellites Nous citons dans ce domaine le serveur Web Satel-Light deacuteveloppeacute au
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Chapitre I
LAboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Dumortier 1995] [Satel-Light 1995] [Dumortier 2002] [Dumortier 2003]
Facteur de lumiegravere de jour Afin de deacuteterminer une relation entre lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (en un point de la piegravece) et la disponibiliteacute de la lumiegravere du jour agrave lrsquoexteacuterieur drsquoun bacirctiment la notion du Facteur de Lumiegravere de Jour est utiliseacutee
FJ= (EintEext)
Ce ratio est subdiviseacute en plusieurs composantes
- La composante directe FJD (varie avec la distribution des luminances du ciel vues par le point de reacutefeacuterence)
- La composante reacutefleacutechie externe FRE (varie avec la contribution de la lumiegravere reacutefleacutechie sur le sol et les masques exteacuterieurs)
- La composante reacutefleacutechie interne FRI (varie avec les inter-reacuteflexions au niveau des surfaces inteacuterieures et deacutepend du facteur de reacuteflexion de ces surfaces)
Ainsi FJ = FJD + FRE + FRI
Pour le calcul drsquoun facteur de lumiegravere de jour en particulier sa composante directe il est important de caracteacuteriser la reacutepartition des luminances dans le ciel Alors que pour des raisons de simplification on supposait une reacutepartition uniforme (en azimut et en zeacutenith) de la luminance du ciel la CIE a proposeacute lrsquoadoption du ciel CIE couvert standard eacutetant donneacute qursquoil repreacutesente mieux de la distribution reacuteelle des luminances drsquoun ciel nuageux
Lrsquoutilisation drsquoun ciel nuageux pour la mesure ou le calcul du facteur de lumiegravere de jour est compatible avec la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute En effet les autres conditions possibles de ciel aboutissent geacuteneacuteralement agrave une meilleure peacuteneacutetration de la lumiegravere diffuse ou agrave une compensation par la lumiegravere directe du soleil Ainsi en adoptant le facteur de lumiegravere de jour sous un ciel nuageux comme reacutefeacuterence pour la conception on garantit une marge de seacutecuriteacute et un niveau minimum
Diagrammes drsquoautonomie A lrsquoaide des paramegravetres deacutecrits ci-dessus lrsquoeacuteclairement inteacuterieur requis les diagrammes de disponibiliteacute de la lumiegravere de jour et le facteur de lumiegravere de jour il est possible de deacutecrire des diagrammes drsquoautonomie en lumiegravere de jour Ces diagrammes permettent de deacutefinir un pourcentage de temps garanti ougrave lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (naturel) en un point donneacute deacutepassera un certain seuil Ou bien il permet de deacutefinir un facteur de lumiegravere de jour minimum requis afin de garantir un certain pourcentage de temps de deacutepassement drsquoun seuil drsquoeacuteclairement inteacuterieur [ASE 1989] [Satel-Light 1995]
Calcul dynamique de lrsquoeacuteclairage naturel (coefficient de FLJ) La nouvelle tendance dans la conception en eacuteclairage naturel nrsquoest plus baseacutee sur la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute mais sur un calcul dynamique de lrsquoentreacutee de la lumiegravere en utilisant les fichiers climatiques drsquoun site donneacute Cette meacutethode plus reacutealiste mais plus lourde en calcul est devenue utilisable gracircce agrave lrsquoeacutevolution des capaciteacutes du mateacuteriel informatique Sa mise en place utilise lrsquoapproche du facteur de lumiegravere de jour directionnel pour preacute-calculer la contribution relative des diffeacuterentes mailles du ciel agrave lrsquoeacuteclairement des diffeacuterents points drsquoun espace inteacuterieur [Tregenza 1983] [Mardaljevic 2000] [Reinhart 2000] [Dumortier 1995]
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Chapitre I
Outils de conception En ce qui concerne les meacutethodes existantes pour le calcul et lrsquoeacutevaluation de lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment elles sont classeacutees selon les cateacutegories suivantes [De Boer 1999]
- Les meacutethodes de calcul manuel (meacutethode de lumen ) - Les meacutethodes graphiques baseacutees sur des diagrammes selon des configurations types
du bacirctiment Ces diagrammes sont compleacuteteacutes par des facteurs de correction agrave prendre en consideacuteration en relation avec la transmission des vitrages la deacutegradation due agrave lrsquoaccumulation des saleteacutes le facteur de reacuteflexion moyen des surfaces inteacuterieureshellip
- Des mesures expeacuterimentales dans des maquettes agrave eacutechelle reacuteduite ou reacuteelle sous un ciel artificiel ou reacuteel
- Les logiciels de simulation baseacutes en particulier sur les meacutethodes de radiositeacute et de lancer de rayon
Un autre aspect de conception en eacuteclairage naturel (que celui de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour) consiste agrave prendre en consideacuteration les taches solaires agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment en particulier du point de vue de lrsquoapport thermique et du confort visuel Lrsquoeacutetude des taches est le plus souvent limiteacutee agrave certains jours repreacutesentatifs de lrsquoanneacutee (en particulier les solstices) et pour diffeacuterentes heures de la journeacutee
Les meacutethodes existantes pour lrsquoeacutetude des taches solaires sont
- Des meacutethodes manuelles utilisant des diagrammes solaires - Des eacutetudes sur maquette reacuteduite sous un heacuteliodon - Des meacutethodes numeacuteriques utilisant des algorithmes matheacutematiques pour deacutefinir la
position du soleil et des algorithmes de lancer de rayon pour simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere solaire directe agrave travers lrsquoenveloppe du bacirctiment Certains logiciels sont deacuteveloppeacutes speacutecialement pour lrsquoeacutetude des taches solaires on parle alors drsquoheacuteliodons numeacuteriques
En plus que les outils de simulation nous traitons dans notre travail les mesures expeacuterimentales dans des maquettes drsquoeacutetude
I13 La geacuteomeacutetrie
I131 Geacuteneacuteraliteacutes Comme la source lumineuse la geacuteomeacutetrie drsquoun espace est un eacuteleacutement cleacute pour calculer et preacutedire la propagation de la lumiegravere agrave lrsquointeacuterieur de cet espace Pour un calcul drsquoeacuteclairage (manuel ou numeacuterique) la description de cette geacuteomeacutetrie doit inclure une description tri-dimensionnelle de lrsquoespace ainsi qursquoune caracteacuterisation physique de ses mateacuteriaux Dans cette partie nous nous inteacuteressons agrave la description tri-dimensionnelle de lrsquoespace dans la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage
Les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie agrave prendre en consideacuteration dans une simulation sont geacuteneacuteralement les surfaces visibles des mateacuteriaux opaques du volume inteacuterieur Dans un sceacutenario drsquoeacuteclairage naturel nous consideacuterons eacutegalement les surfaces du sol et des masques exteacuterieurs ainsi que les composants des parois vitreacutees
On parle de surfaces visibles des mateacuteriaux opaques car contrairement au cas des eacutechanges de flux thermiques lrsquoinfluence des mateacuteriaux opaques sur la propagation des flux lumineux se limite agrave ces surfaces
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Chapitre I
La prise en consideacuteration des parois vitreacutees du sol et des masques exteacuterieurs peut varier entre les diffeacuterents logiciels Ainsi lrsquoinfluence de ces eacuteleacutements (vitrage store veacutenitien masque vertical ou horizontalhellip) peut ecirctre calculeacutee analytiquement dans un logiciel et agrave lrsquoaide drsquoun lancer de rayon ou un calcul de radiositeacute dans un autre Le premier cas ne neacutecessite qursquoune description parameacutetrique (type de vitrage couleur et orientation des lames angle drsquoobstructionhellip) et le deuxiegraveme neacutecessite une modeacutelisation preacutecise des eacuteleacutements
I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie Bien que certains logiciels offrent la possibiliteacute drsquoune automatisation de lrsquoentreacutee de la geacuteomeacutetrie 3D cellendashci est en fin de compte deacutecrite par un ensemble de polygones deacutefinis par les coordonneacutees carteacutesiennes de leurs sommets (x y z)
Pour les logiciels de simulation qui nrsquooffrent pas une interface de DAO pour lrsquoentreacutee de la geacuteomeacutetrie il est possible drsquoimporter cette derniegravere agrave partir drsquoun logiciel de DAO externe [IESNA 1999] La plupart des logiciels de simulation sont compatibles avec le format DXF creacuteeacute par Autodesk et standardiseacute par la suite pour le transfert de donneacutees geacuteomeacutetriques [Autodesk 1999]
Parmi les logiciels de DAO souvent utiliseacutes pour modeacuteliser la geacuteomeacutetrie 3D nous citons AutoCAD ArchiCAD et Microstation Cependant lorsqursquoune geacuteomeacutetrie est deacutecrite agrave lrsquoaide drsquoun logiciel externe il est important de prendre certaines preacutecautions dans le mode de dessin afin de garantir une meilleure compatibiliteacute avec la plupart des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
Les preacutecautions agrave prendre et leurs importances sont diffeacuterentes drsquoun logiciel agrave un autre mais souvent le but est drsquoeacuteviter les confusions lors du transfert qui peuvent mener agrave des erreurs de calcul Par exemple il peut srsquoagir de respecter la notion de lrsquoorientation des surfaces qui est importante dans certains logiciels ou bien de limiter la modeacutelisation des surfaces de la geacuteomeacutetrie aux parties apparentes pour eacuteviter les fausses ombres [Foley 1990]
I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade La propagation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquointeacuterieur drsquoun bacirctiment deacutebute par un transfert des flux agrave travers les parois vitreacutees Ainsi il est important de prendre ces derniegraveres en consideacuteration pour une preacutediction preacutecise de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment
La caracteacuterisation drsquoun composant drsquoune paroi vitreacutee en transmission lumineuse se fait geacuteneacuteralement agrave travers des mesures goniophotomeacutetriques Ainsi agrave partir drsquoune seacuterie de mesures de transmission en direct-direct seront deacuteduites les fonctions de transfert direct-heacutemispheacuterique et heacutemispheacuterique-heacutemispheacuterique qui caracteacuterisent un mateacuteriau donneacute [CIE 1998]
Cependant une paroi vitreacutee peut se preacutesenter sous diffeacuterentes formes agrave diffeacuterents niveaux de complexiteacute Nous listons ci-dessous les principaux cas de figures
I141 Ouverture simple Le cas le plus basique est celui drsquoune simple ouverture sans vitrage Lrsquoinfluence drsquoune telle ouverture sur la propagation de la lumiegravere naturelle se limite agrave sa dimension et son eacutepaisseur qui deacuteterminent la partie du champ de luminances externe rendue visible aux points inteacuterieurs Lrsquoaspect directionnel qualitatif et quantitatif du flux lumineux incident est conserveacute lors du passage agrave travers cette ouverture et ne subit aucune deacuteviation ni atteacutenuation (si ce nrsquoest la reacuteflexion sur les bords)
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Chapitre I
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel se fait souvent agrave lrsquoaide drsquoun maillage de sa surface La luminance apparente des mailles est ensuite calculeacutee (agrave partir de la luminance de la zone du ciel apparente agrave travers cette maille par un point donneacute) et finalement est calculeacutee la contribution de chaque maille agrave lrsquoeacuteclairement du point eacutetudieacute
Dans un certain nombre de logiciels le calcul commence par une deacutetection du champ de vision drsquoun point de mesure agrave travers lrsquoouverture Cette deacutetection se fait geacuteneacuteralement agrave lrsquoaide drsquoun lancer de rayons qui permet de deacutefinir les limites du masque constitueacute par les murs entourant lrsquoouverture
I142 Vitrage classique Dans le cas drsquoune ouverture vitreacutee (vitrage classique) le flux incident subit lrsquoinfluence de la transmission directionnelle du vitrage Cette transmission diminue avec lrsquoaugmentation de lrsquoangle drsquoincidence du rayonnement lumineux et varie selon le type de vitrage (simple double teinteacutehellip)
Il existe plusieurs reacutefeacuterences pour deacuteterminer la variation theacuteorique de la transmission lumineuse drsquoun vitrage avec lrsquoangle drsquoincidence Mais en geacuteneacuteral la majoriteacute drsquoun flux lumineux transmis agrave travers un vitrage classique est supposeacute garder sa directionnaliteacute (angle de transmission = angle drsquoincidence) et ne subit qursquoune simple atteacutenuation selon lrsquoangle drsquoincidence [Hopkinson 1966] [Hopkinson 1966 Tregenza 1993]
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture vitreacutee dans une simulation drsquoeacuteclairage naturel suit le mecircme principe que pour une ouverture non vitreacutee mais en plus une atteacutenuation de la contribution drsquoune maille agrave lrsquoeacuteclairement drsquoun point est calculeacutee selon lrsquoangle drsquoincidence entre cette maille et ce point de mesure Cependant certains logiciels ne prennent pas en consideacuteration la transmission directionnelle drsquoun vitrage et se contentent drsquoaffecter un facteur de transmission uniforme
I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel Il existe sur le marcheacute de la construction de plus en plus de vitrages agrave proprieacuteteacutes bi-directionnelles dont le but est souvent de favoriser le cheminement drsquoun flux lumineux incident dans une direction donneacutee (Laser Cut Panel Serraglaze etc) Par exemple dans le cas drsquoune ouverture verticale lrsquoobjectif est souvent de favoriser lrsquoorientation du flux transmis vers le plafond afin de permettre une entreacutee plus profonde de la lumiegravere et afin drsquoeacuteviter ou au moins drsquoatteacutenuer les taches solaires Dans le cas drsquoune ouverture zeacutenithale lrsquoobjectif est de favoriser lrsquoentreacutee verticale de la lumiegravere provenant de toutes les directions de lrsquoheacutemisphegravere exteacuterieur
Le flux lumineux incident sur ce type de mateacuteriaux est transmis avec changement drsquoorientation partielle ou totale dans le mecircme plan drsquoincidence ou bien dans tout lrsquoheacutemisphegravere de sortie
La prise en consideacuteration drsquoun mateacuteriau agrave transmission bidirectionnelle dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel est drsquoune complexiteacute importante Elle neacutecessite lrsquoutilisation des fonctions de transfert bidirectionnelles dite BTDF qui sont assez lourdes en calcul Les logiciels permettant ce type de simulations sont encore assez rares et limiteacutes au domaine de la recherche scientifique [Fontoynont 1999] [Greenup 2000] [Andersen 2003]
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Chapitre I
I144 Eleacutements de protection solaire Le rocircle des eacuteleacutements de protection solaire est de bloquer drsquoatteacutenuer ou de reacuteorienter la lumiegravere directe du soleil Parmi les types les plus utiliseacutes nous citons en particulier les stores veacutenitiens (agrave effet de reacuteorientation) les brises soleil (agrave effet de masque) et les stores en toile (agrave effet de diffusion)
La prise en consideacuteration des eacuteleacutements de protection solaires dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel deacutepend de leur type Par exemple les protections solaires agrave effet de masque neacutecessitent un simple calcul de lancer de rayons alors que la simulation des eacuteleacutements agrave effet de reacuteorientation suit le mecircme principe que pour les vitrages bidirectionnels [Klems 1995] [Shareef 2001]
I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux Pour caracteacuteriser le comportement des parois vitreacutees afin de mieux les prendre en consideacuteration dans le calcul ou la simulation de lrsquoeacuteclairage on a recours aux mesures goniophotomeacutetriques
Ces mesures peuvent srsquoaveacuterer drsquoune grande complexiteacute en particulier dans le cas des mateacuteriaux bidirectionnels puisqursquoils neacutecessitent des mesures heacutemispheacuteriques en entreacutee et en sortie
De nos jours plusieurs deacuteveloppements sont en cours afin de simplifier les proceacutedures de mesure ou de conduire ces mesures numeacuteriquement agrave lrsquoaide drsquoalgorithmes physiques [Mitanchey 1995] [Andersen 2003] [Andersen 2003] [De Boer 2003]
Drsquoautres efforts sont eacutegalement investis dans le but de simplifier la preacutesentation des donneacutees goniophotomeacutetriques [Roy 1995] [Mitanchey 1996] [IEA-SHC 1999]
I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux Si lrsquoeacuteclairage direct reccedilu des sources de lumiegravere (naturelles ou artificielles) est un eacuteleacutement de base dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere lrsquoeacuteclairage dit indirect nrsquoest pas de moindre importance
En effet lrsquoeacuteclairage indirect ducirc aux inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les diffeacuterentes surfaces drsquoune scegravene peut repreacutesenter une proportion importante de lrsquoeacuteclairement total par rapport agrave lrsquoeacuteclairement direct Crsquoest le cas notamment des luminaires indirects ou des systegravemes de reacute-acheminement de la lumiegravere directe du soleil
Les inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie deacutependent de la photomeacutetrie de ces surfaces (ou des mateacuteriaux qui les constituent) Cette photomeacutetrie est caracteacuteriseacutee en particulier par trois paramegravetres
- Le facteur de reacuteflexion global - La directionnaliteacute de la lumiegravere reacutefleacutechie - Lrsquoinfluence spectrale sur la lumiegravere reacutefleacutechie
Le premier repreacutesente le rapport entre le flux total reacutefleacutechi sur une surface et le flux initial incident Pour faciliter la mesure de ce paramegravetre un nombre de mateacuteriaux standards a eacuteteacute deacutefini comme reacutefeacuterence [CIE 1979] [CIE 1979] [CIE 1998]
Le deuxiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la ou les directions de reacuteflexion drsquoun flux incident avec une direction donneacutee Cette directionnaliteacute deacutepend de la geacuteomeacutetrie microscopique de la surface (apparente) drsquoun mateacuteriau opaque On distingue en particulier deux types de reacuteflexion theacuteoriques Les reacuteflexions parfaitement speacuteculaires et les reacuteflexions
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Chapitre I
parfaitement diffuses Bien que ces cas extrecircmes nrsquoexistent pas dans la reacutealiteacute les lois theacuteoriques relatives sont bien deacutefinies (La loi de Descartes pour le premier et loi de Lambert et les formules de facteur de forme pour le deuxiegraveme) Au-delagrave de ces deux cas theacuteoriques simplifieacutes un nombre de travaux a eacuteteacute meneacute pour deacutecrire des modegraveles analytiques plus complets qui srsquoapprochent mieux de la reacutealiteacute mais qui repreacutesentent un degreacute de complexiteacute plus eacuteleveacute [Trowbridge 1975] [Kajiya 1985] [Uetani 1992] [Balocco 2001] [Deniel 2002]
Dans la majoriteacute des logiciels existants la reacuteflexion de la lumiegravere sur une surface est simuleacutee par une combinaison de reacuteflexions diffuses et speacuteculaires Ainsi une partie du flux est reacutefleacutechie en obeacuteissant agrave la loi de Descartes et une autre partie est diffuseacutee uniformeacutement dans lrsquoespace Les algorithmes utiliseacutes sont eacutegalement en geacuteneacuteral une combinaison de radiositeacute et de lancer de rayons Certains logiciels nrsquoutilisant que les algorithmes de radiositeacute se contentent de supposer les surfaces comme 100 diffuses
Drsquoautres logiciels qui restent assez rares prennent en consideacuteration les fonctions de reacuteflexions bidirectionnelles (BRDF) theacuteoriques ou mesureacutees Cependant il faut noter que de nos jours la preacutecision des mesures de ces fonctions neacutecessite encore des moyens financiers et logistiques trop importants
Le troisiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la qualiteacute spectrale de la lumiegravere reacutefleacutechie par rapport agrave celle de la lumiegravere incidente Elle deacutepend en particulier de lrsquoabsorption spectrale seacutelective du mateacuteriau En effet le facteur drsquoabsorption drsquoun mateacuteriau peut ecirctre plus ou moins eacuteleveacute selon la longueur drsquoonde avec laquelle arrive une partie du flux incident Ainsi le spectre de la lumiegravere reacutefleacutechie peut ecirctre complegravetement diffeacuterent de celui de la lumiegravere incidente Les mateacuteriaux qui ont le mecircme facteur de reacuteflexion pour toutes les longueurs drsquoonde sont dits spectralement neutres [CIE 1986] [Smith 1992] [CIE 1996]
Plusieurs approches sont proposeacutees pour traiter lrsquoaspect spectral ou colorimeacutetrique de la propagation de la lumiegravere Les approches les plus utiliseacutees dans les logiciels de simulation de la lumiegravere sont baseacutees sur une caracteacuterisation agrave trois composantes de la couleur (de la source lumineuse ou des surfaces) Nous citons les systegravemes XYZ (de la CIE) RGB CMY et HSV Cependant si ce type de caracteacuterisation est convenable pour la repreacutesentation des couleurs il srsquoavegravere insuffisant pour simuler la variation du spectre du flux lumineux agrave travers les inter-reacuteflexions sur les surfaces inteacuterieures drsquoun espace [Mitanchey 1996] Pour plus de preacutecision il est alors recommandeacute drsquoutiliser les approches baseacutees sur une discreacutetisation plus ou moins fine du spectre Mais lrsquoimpleacutementation de telles approches dans les logiciels existants est loin drsquoecirctre courante [Smith 1992] [Mitanchey 1996]
I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage Il existe sur le marcheacute international un nombre important de logiciels deacutedieacutes agrave la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Dans une enquecircte meneacutee par le groupe 3D lumiegravere en 2000 aupregraves de 74 professionnels [3D-lumiegravere 2000] environ quarante logiciels ont eacuteteacute citeacutes par les enquecircteacutes comme outils de travail en eacuteclairage Dans une deuxiegraveme eacutetude plus speacutecialiseacutee dans le calcul drsquoeacuteclairage naturel et meneacutee par lrsquoagence international drsquoeacutenergie IEA SHC Task 21-C2 [Fontoynont 1999] vingt cinq logiciels ont eacuteteacute citeacutes Vingt deux de ces logiciels ne sont pas connus par les utilisateurs franccedilais enquecircteacutes par 3D lumiegravere Finalement nous citons lrsquoenquecircte de lrsquoIENSA [IESNA 1999] preacutesentant un nombre de logiciels existants au niveau international
Les logiciels existants diffegraverent entre eux par les algorithmes qursquoils utilisent par leurs approches DAO par la prise en consideacuteration des diffeacuterents types de sources lumineuses par
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Chapitre I
leur capaciteacute agrave simuler les pheacutenomegravenes de propagation de lumiegravere plus ou moins complexes par leur interface utilisateur et finalement par leurs vocations et leurs domaines drsquoapplication
I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage Le rocircle des algorithmes dans une simulation drsquoeacuteclairage est de geacuterer le calcul de la propagation de la lumiegravere entre les sources et les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie puis les inter-reacuteflexions entre ces surfaces
Les algorithmes utiliseacutes dans les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage sont des algorithmes dits drsquoeacuteclairement global (global illumination) puisqursquoils font un calcul tridimensionnel de la propagation de la lumiegravere Ils peuvent ecirctre classeacutes sous deux grandes familles la radiositeacute et le lancer de rayons Ces deux familles tendent agrave avoir des avantages et des inconveacutenients compleacutementaires ce qui fait que certains logiciels utilisent une logique hybride combinant les deux familles [IEA-SHC 1999] [Mitanchey 1996]
1211 Radiositeacute Les algorithmes de radiositeacute utiliseacutes pour le calcul de lrsquoeacuteclairage datent du deacutebut des anneacutees 80 Ils ont eacuteteacute adapteacutes agrave partir des algorithmes de radiositeacute utiliseacutes depuis les anneacutees 60 pour le calcul des eacutechanges radiatifs thermiques sur la base de lrsquoeacutequilibre eacutenergeacutetique
Les algorithmes de radiositeacute procegravedent en geacuteneacuteral agrave une discreacutetisation de lrsquoenvironnement simuleacute agrave travers un maillage (subdivision en petites mailles) des surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie eacuteclaireacutee par une source donneacutee (voir figure I3) Tout drsquoabord un calcul de la lumiegravere directe reccedilue par chaque maille est effectueacute Ensuite chaque maille est traiteacutee comme une source lumineuse eacutemettant une partie du flux lumineux qursquoelle a reccedilu (selon son facteur de reacuteflexion) vers les autres mailles de la geacuteomeacutetrie Cette lumiegravere indirecte subit plusieurs inter-reacuteflexions jusqursquoagrave ce que la quasi-totaliteacute du flux initial soit absorbeacutee
Suite agrave ce calcul on est capable de savoir la quantiteacute de flux lumineux direct et indirect reccedilue et eacutemise par une maille donneacutee et donc lrsquoeacuteclairement et la luminance de cette maille [Scartezzini 1993] [Ashdown 2001]
Figure I3 Exemple drsquoun calcul de Radiositeacute agrave lrsquointeacuterieur drsquoune geacuteomeacutetrie
Bien que le principe geacuteneacuteral de la radiositeacute deacutecrit ci-dessus soit le mecircme pour tous les algorithmes de radiositeacute existants ceux-ci diffegraverent dans la meacutethode adopteacutee pour le maillage de la geacuteomeacutetrie et pour le suivi du flux
La radiositeacute peut ecirctre en principe appliqueacutee agrave tout type de reacuteflexion cependant les algorithmes existants sont encore limiteacutes aux reacuteflexions 100 diffuses Ce qui entraicircne des erreurs plus ou moins importantes selon le comportement reacuteel du mateacuteriau simuleacute La
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Chapitre I
radiositeacute preacutesente aussi quelques autres inconveacutenients dont particuliegraverement un temps de calcul assez long une lourde consommation en meacutemoire et une faible performance en qualiteacute graphique
Cependant le calcul de radiositeacute a lrsquoavantage drsquoecirctre indeacutependant de la position de lrsquoobservateur Ainsi un seul calcul est suffisant pour connaicirctre lrsquoeacuteclairement de tous les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie et pour la visualiser agrave partir drsquoune infiniteacute de points de vue
Une nouvelle geacuteneacuteration drsquoalgorithmes de radiositeacute est apparue en 1988 elle permet drsquoobtenir un reacutesultat graphique immeacutediat qui srsquoameacuteliore progressivement en preacutecision et en qualiteacute visuelle drsquoougrave son nom progressive refinement radiosity [Cohen 1988] [Autodesk 1999]
Une autre eacutevolution des algorithmes de radiositeacute fut le concept de maillage adaptatif ougrave le logiciel commence agrave calculer agrave partir drsquoun maillage de faible preacutecision Ensuite il procegravede agrave des subdivisions suppleacutementaires lagrave ougrave il y a une grande diffeacuterence drsquoeacuteclairement entre les mailles Cette meacutethode conduit agrave une eacuteconomie dans le temps de calcul et dans lrsquoutilisation de meacutemoire
1212 Lancer de rayons La deuxiegraveme famille drsquoalgorithmes est la plus ancienne elle a connu plus de deacuteveloppements et preacutesente une plus grande varieacuteteacute de meacutethodes
Ces meacutethodes ont lrsquoavantage de calculer avec preacutecision lrsquoeacuteclairement direct de calculer les effets speacuteculaires des mateacuteriaux de mieux deacutefinir les ombres et de consideacuterer les reacutefractions agrave travers les surfaces transparentes Crsquoest donc les algorithmes qui donnent les meilleurs reacutesultats graphiques drsquoougrave ce qursquoon appelle le photo-reacutealisme des images de synthegravese
Il existe plusieurs cateacutegories drsquoalgorithmes baseacutees sur le lancer de rayon nous citons les suivantes
Figure I4 Exemple drsquoun calcul de Lancer de rayons (inverse)
1 Traceacute de rayons ou Lancer de rayons depuis lrsquoobservateur dite aussi Lancer inverse de rayons (backward ray tracing) les rayons sont geacuteneacutereacutes depuis lrsquoœil de lrsquoobservateur et cheminent agrave travers des reacuteflexions multiples sur les parois jusqursquoaux sources de lumiegravere (voir figure I4) Ainsi seuls les rayons utiles pour la construction de lrsquoimage seront geacuteneacutereacutes et suivis agrave travers les diffeacuterentes inter-reacuteflexions mais la solution est valide pour un seul point de vue [Whitted 1980]
2 Suivi de rayons ou Lancer direct de rayons (forward ray tracing) cette meacutethode geacutenegravere les rayons lumineux depuis la source vers les surfaces reacuteceptrices quand un rayon atteint une surface il est dirigeacute selon la photomeacutetrie rencontreacutee jusqursquoagrave lrsquoeacutepuisement de son eacutenergie [Fontoynont 1991]
3 Technique statistique de monte-carlo backward ou forward La meacutethode de Monte-Carlo associeacutee agrave des meacutethodes de lancer de rayons a recours agrave une technique statistique
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Chapitre I
pour la distribution des rayons reacutefleacutechis Elle neacutecessite un temps de calcul eacuteleveacute [IEA-SHC 1999]
I22 Exemples types des logiciels existants Les logiciels existants sur le marcheacute international et utiliseacutes comme outils de conception en eacuteclairage peuvent ecirctre classeacutes en diffeacuterentes familles [De Boer 1999] [IESNA 1999]
1 Les logiciels baseacutes sur les formules de base de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel Ces logiciels sont souvent distribueacutes par les constructeurs de luminaires et munis de leur bibliothegraveque de luminaires
2 Des logiciels baseacutes sur des formules de base de calcul en eacuteclairage naturel ou sur des donneacutees empiriques (ou preacute-simuleacutees) Ces logiciels sont souvent deacutedieacutes agrave lrsquoutilisation dans les phases preacuteliminaires de la conception drsquoun projet (ex Dial Sodalight etc)
3 Les logiciels capables de calculer lrsquoeacuteclairage direct uniquement Ils sont tregraves souvent inteacutegreacutes dans des logiciels de DAO Leur objectif est limiteacute agrave lrsquoameacutelioration du rendu graphique drsquoun projet ou au mieux agrave une eacutetude de taches solaires (ex Archicad) Cependant ce type de logiciels devient de plus en plus rare En effet vu leurs potentiels un certain nombre de ces logiciels a eacuteteacute mis agrave niveau par les deacuteveloppeurs et a passeacute ainsi agrave la famille suivante (ex Microstation et 3D Studio)
4 Les logiciels dits drsquoeacuteclairement global Ils utilisent souvent des algorithmes de calcul physique (en particulier de radiositeacute et lancer de rayons) Nous distinguons cependant dans cette cateacutegorie les logiciels deacuteveloppeacutes dans un cadre scientifique (ex Radiance Geacuteneacutelux CSTB) de ceux deacuteveloppeacutes et diffuseacutes dans un cadre commercial (Lightscape Dialuxhellip) En geacuteneacuteral les logiciels commerciaux possegravedent des interfaces plus conviviales mais les logiciels scientifiques offrent des fonctionnaliteacutes plus complegravetes Par exemple certains logiciels scientifiques sont capables de prendre en consideacuteration lrsquoaspect spectral de la propagation de la lumiegravere etou de traiter les fonctions bidirectionnelles Finalement nous notons que les logiciels commerciaux manquent le plus de transparence sur leur fiabiliteacute dans les diffeacuterents domaines drsquoapplication (manque de travaux de validation)
Dans notre travail de thegravese nous nous inteacuteressons en particulier agrave la derniegravere famille Ne pouvant pas enquecircter sur tous les logiciels existants nous nous contentons de citer (par ordre alphabeacutetique) quelques logiciels sur lesquels il y a eu des publications scientifiques et des travaux de validation [Fontoynont 1999]
1221 Adeline Deacuteveloppeacute dans le cadre de lrsquoIEA Adeline a eacuteteacute fondeacute sur les logiciels Superlite et Radiance par le biais drsquoun modeleur graphique et drsquooutils de DAO Ainsi il permet de deacutefinir la geacuteomeacutetrie avec son propre systegraveme de DAO par lrsquoentreacutee manuelle des coordonneacutes carteacutesiennes ou agrave partir drsquoun fichier DXF
Le logiciel est muni drsquoune bibliothegraveque de base de donneacutees de mateacuteriaux de luminaires et de mobilier Il produit des reacutesultats numeacuteriques ou bien graphiques Au-delagrave des eacuteclairements et des luminances Adeline permet de calculer lrsquoeacutenergie consommeacutee par lrsquoeacuteclairage artificiel en fonction des apports de lumiegravere du jour [Erhorn 1998] [Scartezzini 1993]
1222 Genelux Le logiciel Genelux deacuteveloppeacute au laboratoire des sciences de lrsquohabitat utilise un algorithme de lancer direct et suivi de rayons lumineux (Forward Ray tracking) La distribution des rayons reacutefleacutechis est effectueacutee en ayant recours agrave une technique statistique de Monte Carlo
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Chapitre I
Dans le cas ougrave les surfaces seraient parfaitement diffusantes il est possible de faire appel agrave un algorithme baseacute sur la meacutethode de radiositeacute afin de reacuteduire les temps de simulation Genelux peut modeacuteliser les surfaces speacuteculaires diffuses ou mixtes en transmission etou reacuteflexion Il peut eacutegalement prendre en consideacuteration des quantiteacutes spectrales en deacutecomposant les rayons incidents par bandes spectrales [Mitanchey 1996] [Maamari 2003]
1223 Inspirer Destineacute surtout au domaine de lrsquoarchitecture avec comme fonctionnaliteacutes les calculs de lrsquoeacuteclairage les analyses de visibiliteacute et la visualisation des projets Pour le calcul de lrsquoeacuteclairage il utilise des approches hybrides surtout la meacutethode bi-directionnelle de Monte Carlo au Lancer de Rayons Ce qui diffeacuterencie le plus ce logiciel est lrsquoutilisation des formules de BRDF qui permet de respecter les variations de reacuteflexion et de transmission (diffuse et speacuteculaire) ainsi que des couleurs selon lrsquoangle drsquoincidence et de vision [Maamari 2003]
1224 DIAL Leso-Dial Le but du logiciel est de donner aux architectes des informations utiles concernant lrsquoutilisation de la lumiegravere de jour dans un bacirctiment degraves la phase de lrsquoavant projet Il calcule le facteur de lumiegravere du jour sur le plan utile gracircce agrave une utilisation hybride de formule analytique et empirique [Paule 1995]
1225 Lightscape 32 Crsquoest un logiciel qui est destineacute agrave des utilisations graphiques mais il offre eacutegalement des fonctionnaliteacutes inteacuteressantes pour la simulation physique de la lumiegravere Il utilise un algorithme de radiositeacute pour le calcul quantitatif et un algorithme de lancier de rayons pour lrsquoameacutelioration qualitative et visuelle des images de synthegraveses Ce logiciel est deacutecrit en deacutetail dans la partie IV11 de ce document [Khodulev 1996] [Maamari 2002]
1226 Radiance Le logiciel Radiance utilise un algorithme de lancer inverse de rayons Le lancer des rayons peut ecirctre stoppeacute si leur eacutenergie est jugeacutee insuffisante Les rayons reacutefleacutechis peuvent ecirctre geacuteneacutereacutes selon une fonction de distribution permettant la simulation de reacuteflexions speacuteculaires semi-speacuteculaires ou diffuses Ce lancer de rayons est compleacuteteacute drsquoun calcul statistique de reacuteflexion diffuse pour distribuer le flux reacutesiduel [Ward 1994] [Grynberg 1988]
1227 Superlite Le logiciel Superlite utilise une meacutethode point agrave point de radiositeacute Toutes les surfaces sont supposeacutees ecirctre parfaitement diffusantes Crsquoest la meacutethode la plus rapide mais elle est toutefois limiteacutee aux surfaces diffuses [Grynberg 1988]
I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels Lrsquoutilisation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage se geacuteneacuteralise de plus en plus dans le domaine de conception en eacuteclairage et au-delagrave Ainsi de nos jours ces logiciels sont utiliseacutes aussi bien par des bureaux drsquoeacutetude du bacirctiment et des architectes que par des deacuteveloppeurs de jeu videacuteo Les applications peuvent ecirctre entre autres [IESNA 1999] [3D-lumiegravere 2000] [Maamari 2002]
1 La conception en eacuteclairage artificiel Que ce soit pour lrsquoeacuteclairage inteacuterieur des bacirctiments lrsquoeacuteclairage des faccedilades des monuments des voiries des trottoirs ou lrsquoeacuteclairage des
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Chapitre I
tunnels etc Elle comprend entre autre le dimensionnement des systegravemes lrsquoanalyse du confort visuel et de la consommation etc
2 La conception en eacuteclairage naturel dimensionnement des ouvertures et des protections solaires orientation des projets analyse de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour et eacutetudes des FLJhellip
3 Le rendu et la preacutesentation des projets par les architectes et par les deacutecorateurs drsquointeacuterieur 4 La creacuteation de scegravenes de reacutealiteacute virtuelle pour le monde du cineacutema de la publiciteacute ou des
jeux videacuteohellip 5 La conception mecircme des optiques de luminaires ou de phares de voitures
Le domaine drsquoutilisation drsquoun logiciel donneacute deacutepend des fonctionnaliteacutes proposeacutees par ce logiciel de ses capaciteacutes agrave simuler avec un certain degreacute de fiabiliteacute et de faciliteacute les diffeacuterents domaines de la propagation de la lumiegravere en relation avec les besoins de lrsquoutilisateur
Bien que les algorithmes de calcul utiliseacutes dans les logiciels se ressemblent ces derniers ne sont pas tous adapteacutes pour les mecircme types drsquoapplications et ne reacutepondent pas aux mecircmes besoins
Ainsi certains utilisateurs cherchent en prioriteacute la faciliteacute drsquoutilisation des fonctionnaliteacutes en relation avec leur propre activiteacute en deacutepit des autres fonctionnaliteacutes et mecircme parfois en deacutepit de la validiteacute des reacutesultats Drsquoailleurs crsquoest agrave cause de ce contexte que des deacuteveloppeurs de logiciels commerciaux ont tendance agrave proposer des interfaces et des fonctionnaliteacutes optimiseacutees et orienteacutees vers un domaine drsquoapplication donneacute Ainsi nous commenccedilons agrave trouver par exemple des logiciels deacutedieacutes agrave la conception de lrsquoeacuteclairage public etou des tunnels (ex Tunnel-Lite) drsquoautres agrave la conception des protections solaires (ex ParaSol) etc
Cependant il est encore difficile de nos jours agrave un concepteur de bacirctiment de savoir quel est le ou les logiciels existants qui reacutepondent le mieux agrave ses propres besoins Crsquoest ce qui ressort dans les diffeacuterentes enquecirctes meneacutees sur lrsquoutilisation des logiciels en particulier celle meneacutee par le club 3D-Lumiegravere [3D-lumiegravere 2000] et celle que nous avons meneacutee au Light and Building 2002 [Maamari 2002] (voir annexe D) Nous notons par exemple dans ces deux enquecirctes lrsquoutilisation par des concepteurs lumiegravere de logiciels graphiques (Photoshop) en tant qursquooutils de conception
I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I31 Introduction Comme son nom lrsquoindique un logiciel de simulation de lrsquoeacuteclairage est supposeacute simuler la reacutealiteacute Mais la fideacuteliteacute de la simulation agrave la reacutealiteacute est loin drsquoecirctre veacuterifieacutee pour tous les logiciels existants sur le marcheacute international
Drsquoailleurs le niveau de preacutecision et de similitude (entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage et la reacutealiteacute) exigeacute ou souhaiteacute par les diffeacuterents utilisateurs nrsquoest pas neacutecessairement le mecircme et peut varier largement selon la speacutecificiteacute de leurs domaines drsquoactiviteacute [Maamari 2002]
Ainsi pour des utilisateurs qui srsquointeacuteressent uniquement au rendu graphique une image de synthegravese reacutealiste sans ecirctre neacutecessairement proche de la reacutealiteacute peut ecirctre suffisante Pour eux la question de la validation scientifique du logiciel utiliseacute ne se pose pas trop
Alors que pour des utilisateurs qui comptent extraire drsquoune simulation des cartes de luminances pour analyser le confort visuel de lrsquooccupant la validiteacute du logiciel devient drsquoune
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Chapitre I
importance de premier ordre Ceci est eacutegalement vrai pour les concepteurs en eacuteclairage qui ont besoin de veacuterifier que le niveau drsquoeacuteclairement est suffisant sur le plan de travail
Mais quel que soit le niveau de preacutecision souhaiteacute il est important pour un futur utilisateur de savoir la preacutecision qursquoil peut attendre de la part du logiciel qursquoil souhaite utiliser pour un type donneacute de tacircches Cette information est mecircme indispensable pour aboutir agrave une utilisation responsable des logiciels de simulation mais cela ne peut ecirctre possible qursquoagrave travers une validation rigoureuse et transparente de ce logiciel
Une validation rigoureuse et transparente des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage est une tacircche immense et drsquoune complexiteacute non neacutegligeable Ce qui est vrai pour tous les logiciels baseacutes sur des lois physiques comme par exemple les logiciels de simulation thermique
Cette complexiteacute est drsquoautant plus vraie quand on srsquointeacuteresse agrave lrsquoorientation du choix des utilisateurs vers un logiciel qui reacutepond le mieux agrave leurs propres besoins Dans ce contexte on souhaite veacuterifier la capaciteacute du logiciel agrave simuler avec preacutecision les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere lieacutes au domaine drsquoutilisation mais aussi on veut comparer cette capaciteacute agrave drsquoautres logiciels existants
La multitude des aspects qui entrent en jeu dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere combineacutee agrave la diversiteacute des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage contribuent agrave cette complexiteacute
Ainsi un logiciel capable de simuler des luminaires agrave optique diffusante nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler un luminaire avec une optique asymeacutetrique De mecircme un logiciel capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour agrave travers un vitrage ordinaire nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave travers un vitrage ou un systegraveme de protection solaire agrave aspect bidirectionnel etc
Nous preacutesentons ci-dessous une eacutetude bibliographique sur lrsquoeacutetat de lrsquoart du domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I32 Diffeacuterents types de validation En ce qui concerne les types de travaux de validation reacutealiseacutes nous avons pu identifier les suivants
I321 La validation analytique La validation analytique comme son nom lrsquoindique porte sur des cas theacuteoriques pour lesquels il existe des lois analytiques Ces lois sont issues des notions de base de la science physique lieacutees au rayonnement eacutelectromagneacutetique
Les travaux de validation baseacutes sur des reacutefeacuterences analytiques sont assez rares parmi les travaux reacutealiseacutes que nous avons pu trouver lors de notre recherche bibliographique
Cependant la validation analytique preacutesente des avantages consideacuterables comme la possibiliteacute de limiter les paramegravetres lieacutes agrave la propagation de la lumiegravere qui entrent en jeu dans un sceacutenario test Nous notons aussi lrsquoavantage de donner des solutions de reacutefeacuterences avec des incertitudes nulles ou neacutegligeables
En contrepartie la validation analytique ne peut couvrir que des domaines limiteacutes de la propagation de la lumiegravere Ce sont en geacuteneacuteral des cas de figures simples pour lesquels existe une loi theacuteorique [Aizlewood 1997]
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Chapitre I
I322 La validation expeacuterimentale Dans ce type de validation les reacutesultats des logiciels sont compareacutes agrave des mesures expeacuterimentales Ces mesures peuvent ecirctre reacutealiseacutees dans
a des maquettes drsquoeacutetude agrave eacutechelle reacuteduite [Caroll 1999] b des cellules tests agrave eacutechelle 11 c ou des piegraveces reacuteelles [Galasiu 1998] [Jarvis 1997]
Quel que soit le type des mesures reacutealiseacute la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales agrave utiliser pour des travaux de validation est confronteacutee agrave des obstacles consideacuterables
Le premier est lieacute aux sources drsquoerreur introduites lors de la description du sceacutenario expeacuterimental afin de le reproduire dans une simulation numeacuterique
Lrsquoimportance de cet obstacle est aggraveacutee par la multitude des paramegravetres qui entrent en jeu dans un sceacutenario expeacuterimental et par lrsquointeraction entre les sources drsquoerreurs lieacutees agrave chacun de ces paramegravetres
A titre drsquoexemple les sources drsquoerreur peuvent survenir lors de la description de la source de lumiegravere (artificielle ou reacuteelle) lors de la description de la photomeacutetrie des mateacuteriaux (reacuteflexion bidirectionnelle caracteacuteristiques spectraleshellip) etc
Un autre obstacle est ducirc agrave lrsquoincertitude qui existe dans la valeur mesureacutee et cela quelle que soit la preacutecision du protocole expeacuterimental appliqueacute Cette incertitude est lieacutee en partie agrave la preacutecision de lrsquoappareil de mesure et agrave son positionnement
Ducirc agrave tous ces obstacles la comparaison entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique et les mesures expeacuterimentales permet difficilement de conclure sur la preacutecision du logiciel testeacute
Il est aussi important de noter qursquoun des plus grands obstacles agrave la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales fiables reste celui des moyens techniques financiers et humains neacutecessaires aux expeacuterimentations
I323 La validation comparative Elle porte sur une comparaison des reacutesultats de simulation de plusieurs logiciels entre eux Cela peut ecirctre fait avec lrsquoexistence ou non drsquoune reacutefeacuterence expeacuterimentale ou analytique
Lrsquoavantage des comparaisons est de donner la possibiliteacute aux utilisateurs de mieux choisir entre plusieurs logiciels selon leur performance dans un domaine donneacute de la simulation
Cependant lrsquoutilisation des reacutesultats drsquoune comparaison afin de juger des logiciels les uns par rapport aux autres neacutecessite un maximum de transparence en particulier sur la complexiteacute des proceacutedures et sur le temps de calcul neacutecessaire pour obtenir ces reacutesultats [Grynberg 1988] [Fontoynont 1999] [Maamari 2003]
I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes Les travaux de validation reacutealiseacutes sur des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage ne manquent pas en nombre cependant crsquoest la creacutedibiliteacute de ces travaux qui nrsquoest pas toujours veacuterifieacutee
En ce qui concerne les rares travaux de validation existants qui beacuteneacuteficient drsquoune creacutedibiliteacute scientifique ou celle drsquoun organisme agreacuteeacute nous citons les suivants
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Chapitre I
I331 Le travail de Khodulev et Kopylov Ce travail reacutealiseacute et publieacute par Andrei B Khodulev et Edward A Kopylov en 1996 [Khodulev 1996] est lrsquoun des rares travaux de validation qui ont utiliseacute une reacutefeacuterence analytique
Le travail porte sur une validation comparative entre les logiciels Lightscape Specter et Radiance Une description des trois logiciels est donneacutee portant sur plusieurs critegraveres y compris lrsquointerface utilisateur
Un des sceacutenarios utiliseacutes pour la comparaison est celui drsquoune piegravece cubique fermeacutee avec une source lumineuse isotrope au centre La comparaison porte sur lrsquoeacuteclairement au niveau des points de mesure situeacutes sur le sol La valeur de reacutefeacuterence de cet eacuteclairement est calculeacutee semi-analytiquement pour prendre en consideacuteration la composante reacutefleacutechie interne
I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE Ce rapport repreacutesente un exemple ideacuteal sur la creacuteation des donneacutees expeacuterimentales fiables pour la validation des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage [Slater 2002]
Le travail deacutecrit dans ce rapport porte sur un protocole expeacuterimental qui a eacuteteacute deacutefini et conduit drsquoune maniegravere remarquablement rigoureuse dans une cellule test agrave eacutechelle 11 Le but est de creacuteer une base de donneacutees expeacuterimentales pour la validation des logiciels de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel
Le rapport comprend une description preacutecise du sceacutenario expeacuterimental y compris les dimensions de la geacuteomeacutetrie (une piegravece carreacutee) la position des lampes ou des luminaires la position des points de mesure ainsi que le coefficient de reacuteflexion des surfaces La description du sceacutenario comprend aussi les fichiers photomeacutetriques des luminaires au format CIBSE TM 14 sachant que la photomeacutetrie reacuteelle de chaque luminaire a eacuteteacute mesureacutee seacutepareacutement dans un laboratoire agreacuteeacute
Le protocole expeacuterimental comprend un controcircle du flux lumineux agrave travers lrsquoobservation et le controcircle des fluctuations du courant eacutelectrique et de la tempeacuterature de la piegravece Les lampes et les ballasts ont eacuteteacute vieillis Les lampes ont eacuteteacute preacutechauffeacutees une heure avant les mesures
Les capteurs ont eacuteteacute calibreacutes et fixeacutes sur un trolley afin de garantir la reacutepeacutetitiviteacute de leur position Six diffeacuterentes mesures ont eacuteteacute prises pour chaque point agrave lrsquoaide de deux capteurs diffeacuterents la moyenne de ces mesures a eacuteteacute utiliseacutee comme reacutefeacuterence
Une estimation des erreurs de mesures a eacuteteacute calculeacutee ainsi que des erreurs de simulation dues agrave lrsquoincertitude dans la description du sceacutenario Les reacutesultats ont alors eacuteteacute preacutesenteacutes sous forme de deux bandes de valeurs la premiegravere bande est celle des mesures prises + ou ndash lrsquoestimation des erreurs de mesure et lrsquoautre est celle des mesures + ou ndash le total des erreurs estimeacutees y compris les erreurs de simulation
I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA Ce travail a eacuteteacute meneacute dans le cadre de la tache 21 de lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie intituleacutee lumiegravere naturelle dans les bacirctiments En effet un projet a eacuteteacute deacutedieacute au thegraveme de la validation des logiciels de calcul en eacuteclairage et a fait lrsquoobjet drsquoune collaboration entre les laboratoires de six nations diffeacuterentes parmi lesquels le Laboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Fontoynont 1999] [Maamari 2002]
Dans le cadre de ce projet des donneacutees expeacuterimentales ont eacuteteacute reacutecolteacutees agrave travers des mesures drsquoeacuteclairement agrave lrsquointeacuterieur drsquoune seacuterie de maquettes agrave eacutechelle reacuteduite placeacutees sous des ciels
44
Chapitre I
artificiels Trois bacirctiments types ont eacuteteacute testeacutes sous plusieurs configurations en changeant les types drsquoouverture etou les coefficients de reacuteflexion des surfaces
Les sceacutenarios expeacuterimentaux ont eacuteteacute simuleacutes agrave lrsquoaide des logiciels drsquoeacuteclairage naturel Adeline Genelux Leso-DIAL Radiance et Superlite Les reacutesultats des simulations ont eacuteteacute compareacutes entre les diffeacuterents logiciels et confronteacutes aux mesures expeacuterimentales
Cette comparaison a montreacute que le calcul des eacuteclairements agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment dus agrave lrsquoeacuteclairage naturel demande une description minutieuse des luminances des portions de la voucircte ceacuteleste vues par la fenecirctre Les eacuteclairements directs agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment sont alors calculeacutes avec une preacutecision de lrsquoordre de 5 La preacutecision des calculs des reacuteflexions multiples agrave lrsquointeacuterieur de la piegravece deacutepend quant agrave elle des proprieacuteteacutes des surfaces inteacuterieures et en particulier de la lrsquoaspect bidirectionnel de ces surfaces
Cette eacutetude a montreacute finalement que les programmes doivent ecirctre utiliseacutes avec beaucoup de preacutecautions car les reacutesultats de simulation sont tregraves sensibles agrave la qualiteacute des hypothegraveses et des paramegravetres drsquoentreacutee description de la source de lumiegravere geacuteomeacutetrie du bacirctiment paramegravetres de simulation
I34 Analyse de la probleacutematique Drsquoapregraves la recherche bibliographique preacutesenteacutee ci-dessus sur le domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage nous pouvons reacutesumer la probleacutematique de ce domaine dans les points suivants
1 Difficulteacute drsquoaccegraves agrave lrsquoinformation Elle est due en particulier agrave lrsquoabsence de sources publiques speacutecialiseacutees dans le domaine
2 Manque de transparence Ainsi nous trouvons souvent des reacutesultats de validation preacutesenteacutes sans suffisamment drsquoinformation sur les proceacutedures qui ont abouti agrave ces reacutesultats
3 Manque de creacutedibiliteacute une partie importante des travaux de validation existants est reacutealiseacutee par les deacuteveloppeurs des logiciels testeacutes les sources drsquoincertitudes dans les valeurs de reacutefeacuterence ne sont souvent pas prises en consideacuteration etc
4 Manque de travaux concluants sur la validiteacute du logiciel testeacute Ceci est ducirc en partie agrave la complexiteacute des sceacutenarios expeacuterimentaux et agrave la restriction des domaines testeacutes Ainsi il est rarement possible drsquoidentifier avec certitude les points de faiblesse et les domaines drsquoapplication drsquoun logiciel testeacute
5 Absence de reacutefeacuterences standardiseacutees Ce qui fait qursquoun certain aspect de la propagation de la lumiegravere est testeacute dans diffeacuterents logiciels avec des protocoles diffeacuterents Ce qui ne permet pas une comparaison transparente et objective entre ces diffeacuterents logiciels
6 Manque de validations analytiques malgreacute les avantages de ce type de validation
En reacuteponse aux problegravemes listeacutes ci-dessus nous identifions en particulier le besoin drsquoune standardisation et drsquoune mise agrave disposition des reacutefeacuterences de validation fiables de preacutefeacuterence sous la garantie et le controcircle drsquoun ou plusieurs organismes creacutedibles
I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
I351 Introduction Le premier objectif qursquoon pourrait attendre des travaux de validation crsquoest de pouvoir ameacuteliorer la confiance des utilisateurs dans les logiciels de simulation A savoir qursquoameacuteliorer la confiance ne veut pas forceacutement dire lrsquoaugmenter Mais plutocirct sensibiliser les utilisateurs aux capaciteacutes et aux limites des diffeacuterents logiciels dans les diffeacuterents domaines de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Ainsi agrave travers lrsquoidentification des points de faiblesse
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Chapitre I
drsquoun logiciel et de ces domaines drsquoapplication on pourra aboutir agrave une utilisation responsable de ces logiciels
Drsquoougrave le besoin drsquoune meacutethodologie de validation qui permet de tester la capaciteacute drsquoun logiciel agrave simuler les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Cette meacutethodologie doit eacutegalement palier les deacutefaillances rencontreacutees dans le domaine agrave noter creacutedibiliteacute fiabiliteacute et accessibiliteacute
I352 Concept et approche proposeacutes Pour atteindre les objectifs fixeacutes ci-dessus la meacutethodologie de validation proposeacutee repose un concept de base qui est celui de tester seacutepareacutement les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Ceux-ci peuvent ecirctre classeacutes sous 3 grands groupes
1 La description de la source de lumiegravere et le calcul de lrsquoeacuteclairement direct 2 Le transfert du flux lumineux agrave travers les composants de la fenecirctre et lrsquoinfluence des
masques 3 Les inter-reacuteflexions sur les diffeacuterents mateacuteriaux avec diffeacuterentes photomeacutetries
Pour appliquer ce concept cette meacutethodologie de validation est baseacutee sur une seacuterie de cas-tests chacun traitant un sceacutenario drsquoeacuteclairage simple (un nombre limiteacute de paramegravetres) ougrave un certain aspect de la propagation de lumiegravere est mis en eacutevidence La description des cas-tests comprend la geacuteomeacutetrie les sources de lumiegravere ainsi qursquoune seacuterie de valeurs de reacutefeacuterence agrave utiliser pour tester la capaciteacute du logiciel agrave simuler lrsquoaspect en question Ces valeurs de reacutefeacuterence sont obtenues soit agrave lrsquoaide drsquoun calcul analytique quand crsquoest possible (pour des sceacutenarios theacuteoriques) ou bien agrave partir de mesures expeacuterimentales
Ainsi chaque cas-test est applicable agrave tout logiciel proposant des fonctionnaliteacutes lieacutees agrave lrsquoaspect traiteacute (dans ce cas-test) indeacutependamment des algorithmes utiliseacutes des meacutethodes de calcul adopteacutees ou des paramegravetres utiliseacutes
Cependant il est possible drsquoassocier agrave chaque test une eacutetude parameacutetrique propre agrave chaque logiciel Une telle eacutetude permet de mieux comprendre lrsquoinfluence des diffeacuterents paramegravetres proposeacutes sur la preacutecision du logiciel dans un aspect donneacute de la propagation de la lumiegravere
Pour une utilisation optimale de cette meacutethodologie de validation les cas-tests doivent couvrir tous les aspects de la propagation de la lumiegravere Ils seront alors utiliseacutes en tant qursquooutil unique et complet pour tester un logiciel donneacute
Une comparaison geacuteneacuterale des reacutesultats des simulations drsquoun logiciel donneacute aux valeurs de reacutefeacuterences de la seacuterie de cas-tests donnera une ideacutee claire sur les domaines ougrave le logiciel testeacute respecte ou non les lois physiques Ceci permettra agrave un utilisateur de veacuterifier si ce logiciel est compatible avec son propre domaine drsquoactiviteacute et agrave un deacuteveloppeur de veacuterifier si son logiciel a atteint les perspectives souhaiteacutees
De la mecircme faccedilon une comparaison entre les reacutesultats de diffeacuterents logiciels et les valeurs de reacutefeacuterence permet drsquooffrir une vision objective sur le logiciel qui reacutepond le mieux agrave une exigence donneacutee
46
Chapitre I
Conclusions Suite agrave notre eacutetude bibliographique sur le domaine de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage nous avons orienteacute le travail de cette thegravese (agrave travers les chapitres suivants) de faccedilon agrave reacutepondre agrave certains des problegravemes identifieacutes dans ce domaine
Ainsi en ce qui concerne le manque de fiabiliteacute dans les travaux de validation des logiciels nous deacuteveloppons la meacutethode de validation que nous avons proposeacutee Dans ce cadre nous creacuteons une seacuterie de cas-tests en relation avec diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere traiteacutes ci-dessus Ces cas-tests sont reacutepartis en deux familles lrsquoune avec des sceacutenarios theacuteoriques et des reacutefeacuterences analytiques et lrsquoautre avec des reacutefeacuterences expeacuterimentales reacutepondant agrave des critegraveres de controcircle de qualiteacute que nous avons deacutefinis
En ce qui concerne la difficulteacute de simuler des sceacutenarios reacuteels de lumiegravere naturelle nous proposons et validons une meacutethode de simulation agrave partir des cartes de luminances reacuteelles agrave haute deacutefinition
Finalement nous proposons et nous validons une meacutethode de simulation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquoaide des luminaires eacutequivalents Cette meacutethode permet agrave la simulation de la lumiegravere de jour de beacuteneacuteficier de la preacutesence confirmeacutee des outils de simulation de la lumiegravere artificielle dans le domaine de la conception des bacirctiments Elle permet eacutegalement de surmonter un nombre de difficulteacutes rencontreacutees dans certains logiciels classiques de simulation la lumiegravere naturelle en particulier celles lieacutees agrave la preacutecision des reacutesultats par rapport au temps de calcul et agrave la simulation des masques exteacuterieurs
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Chapitre I
Reacutefeacuterences Bibliographiques 3D-LUMIEgraveRE Enquecircte sur la connaissance et lrsquoutilisation des systegravemes informatiques de simulation drsquoeacuteclairage Paris Club 3D Lumiegravere 2000 11 p ACHARD G LAFORGUE P SOUYRI B FONTOYNONT M BASTIE A MITANCHEY R Etude dun systegraveme Metrologique de Confort Radiatif Integrant lAspect Thermique et lAspect Visuel Paris 1994 60 p AFE Les sources de lumiegravere Socieacuteteacute dEdition Lux 1987 199 p AIZLEWOOD M BUTT J ISAAK K LITTLEFAIR P Daylighting in atria a comparison of measurements theory and simulation Lux Europa 1997 Amsterdam-Netherlands 1997 ANDERSEN M RUBIN M POWLES R SCARTEZZINI J L Bi-directional light transmission properties assessment for venetian blinds Computer simulations compared to photogoniometer measurements ISES Solar World Congress 2003 - Solar Energy for a Sustainable Future Gothenburg - Sweden International Solar Energy Society 2003 ANDERSEN M RUBIN M SCARTEZZINI J-L Comparison between ray-tracing simulations and bi-directional transmission measurements on prismatic glazing Solar Energy 2003 vol 74 ndeg2 pp 157-217 ANSIIESNA ANSIIESNA LM-63-02 ANSI Approved Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data and Related Information ANSIIESNA LM-63-02 2002 26 p ASE Eclairage inteacuterieur par la lumiegravere du jour Norme Suisse SN 418911 Zuumlrich Association Suisse des Electriciens 1989 ASHDOWN I Near-Field Photometry A New Approach IES 1993 vol 22 ndeg1 pp 163-180 ASHDOWN I EULUMDAT File Format Specification [en ligne] Disponible sur lthttpwwwhelios32comEulumdathtmgt (09 Mars 2004) ASHDOWN I Thinking photometrically Part II 105 Las Vegas workshop-Lightfair International 2001 42 p ASHRAE-IESNA Energy efficient design of new buildings except new low-rise residential buildings ASHRAEIES 901-1989 American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditionaing Engginers 1989 AUTODESK Lightscape 32 Users Guide 32 Autodesk 1999 352 p BALOCCO C FORASTIERE M A GRAZZINI G RIGHINI G C Experimental results of transparent reflective and absorbing propoerties of some building materials Energy and Buildings 2001 vol 33 pp 563-568
48
Chapitre I
CAROLL W L HITCHCOCK R J Recent Comparisons of SUPERLITE to Scale Model Data LBNL-43107 Lawrence Berkeley National Laboratory 1999 CHAIN C DUMORTIER D FONTOYNONT M A comprehensive model of luminance correlated colour temperature and spectral distribution of skylight Comparison with experimental data Solar Energy 1999 vol 65 ndeg5 pp 285-295 CIBSE CIBSE standard file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIBSE TM 14 London CIBSE 1988 CIE Daylight CIE-16 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1970 79 p CIE Standardization of Luminance Distribution on Clear Skies CIE-22 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1973 CIE Calculations for Interior Lighting Basic Method CIE-40 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1978 CIE Absolute Methods for Reflection Measurements CIE-44 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 CIE A Review of Publications on Properties and Reflection Values of Material Reflection Standards CIE-46 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 99 p CIE Calculations for Interior Lighting Applied Method CIE-52 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1982 CIE The Spectroradiometric Measurement of Light Sources CIE-63 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1984 CIE Colorimetry 2nd Edition CIE-152 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1986 CIE The Measurement of Absolute Luminous Intensity Distributions CIE-70 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1987 CIE The Measurement of Luminous Flux CIE-84 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1989 CIE Standard overcast and clear sky 3rd Draft Vienne Commission Internationale de LrsquoEclairage 1990 CIE Electric Light Sources State of the Art-1991 CIE-96 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1992 CIE Recommended file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIE-102 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1993 CIE Guide to Recommended Practice of Daylight Measurement CIE-108 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1994
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Chapitre I
CIE Discomfort Glare in Interior Lighting CIE-117 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1995 CIE The Photometry and Goniophotometry of Luminaires CIE-121 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE The Relationship Between Digital and Colorimetric Data for Computer-Controlled CRT Displays CIE-122 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance CIE-130 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1998 CIE Spatial distribution of daylight - CIE standard general sky Vienne Commission Internationale de lEclairage 2002 7 p COHEN M F CHEN S E WALLACE J R GREENBERG DP A progressive refinement approach to fast radiosity image generation 15th annual conference on computer graphics and interactive techniques ACM Press New York 1988 pp 75-84 DE BOER J Encorporation of numerical goniophotometry into daylighting design CISBAT 2003 Lausanne EPFL 2003 pp 229-234 DE BOER J ERHORN H Survey Simple Design Tools IEA 1999 49 p DENIEL J M Modeacutelisation des luminaires et des BRDF Reacutealisation mesure et compression Thegravese en Informatique Rennes Universiteacute de Rennes 1 2002 277 p DUMORTIER D Mesure Analyse et Modeacutelisation du gisement lumineux Application agrave leacutevaluation des performances de leacuteclairage naturel des bacirctiments Thegravese en Geacutenie Civil et Sciences de lHabitat Vaulx en Velin ENTPE Universiteacutee de Savoie 1995 295 p DUMORTIER D Lumiegravere naturelle et rayonnement solaire - Mesures au sol et estimations agrave partir dimages satellites - Deacuteveloppement de services Web pour leacuteclairage naturel des bacirctiments HDR Thermique et Energeacutetique Vaulx en Velin ENTPE 2003 161 p DUMORTIER D VAN ROY F SODA daylighting resource SODA Deliverable 53C 2002 DUMORTIER D VETRO P Luminance calibration of the Nikon 950 digital cameras Lux Europa Reykjavik 2001 ERHORN H DE BOER J DIRKSMOLLER M ADELINE - An Integrated Approach to Lighting Simulation Daylighting 98 Ottawa 1998 FOLEY D J VAN-DAM A FEINER S K HUGHES J F Computer Graphics Principles and Practice Second Edition ADDISON-WESLEY 1990 (The systems programming series
50
Chapitre I
FONTOYNONT M Le point sur les meacutethodes de simulation et sur lrsquoutilisation de lrsquoimage de synthegravese en eacuteclairage LUX 1991 FONTOYNONT M LAFORGUE P MITANCHEY R AIZLEWOOD M BUTT J CARROLL W HITCHOCK R ERHORN H DE BOER J DIRKSMOumlLLER M MICHEL L PAULE B SCARTEZZINI J-L BODART M AND ROY G Validation of daylighting simulation programs IEA SHC Task 21 ECBCS Annex 29 1999 28 p GALASIU A ATIF M Applicability of Daylighting Computer Modeling in Real Case Studies Comparison between Measured and Simulated Daylight Availability and Lighting Consumption IEA SHC Task 21 IEA ECBCS Annex 29 Daylight in Buildings International Energy Agency National Research Council Canada 1998 68 p GREENUP P J EDMONDS I R COMPAGNON R RADIANCE algorithm to simulate laser-cut panel light-redirecting elements Lighting Research amp Technology 2000 vol 32 ndeg2 pp 49-54 GRYNBERG A Comparison and Validation of Radiance and Superlite Rapport interne Lawrence Berkeley National Laboratory 1988 HOPKINSON R G PETHERBRIDGE P LONGMORE J Daylighting William Heinneman Ltd London 1966 IEA-SHC Daylighting simulation Methods Algorithms and Ressources Agence Internaitonale de lEnergie - SHC 1999 IEA-SHC Measurement of Luminous Characteristics of Daylighting Materials Agence Internationale de lEnergie - SHC - Tacircche 21 1999 IESNA Calculating Coefficients of Utilisation Wall and Ceiling Cavity Exitance IES LM-57 New York Illuminating engineering Society of North America 1982 IESNA The Determination of Illuminance at a Point in Interior Spaces IES LM-43-1991 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 34 p IESNA An Introduction to Light and Lighting IES ED-50 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 51 p IESNA Lighting Handbook 8th Edition New York Illuminating engineering Society of North America 1993 IESNA IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data IESNA LM-63-95 New York Illuminating engineering Society of North America 1995 5 p IESNA 1999 IESNA Software Survey Lighting Design + Application 1999 vol 29 ndeg12 pp 39-48 JARVIS D DONN M Comparison of Computer and Model Simulations of a Daylit Interior with Reality 5th International conference on Building Performance and Simulation Association Prague Czech Republic 1997 pp 9-16
51
Chapitre I
KAJIYA J T Anisotropic Reflection Models SIGGRAPH85 San Francisco 1985 pp 15-21 KARAYEL M NAVVAB M NEEMAN E SELKOWITZ S Zenith Luminance and sky luminance distributions for daylighting calculations Energy Build 1984 vol 6 ndeg3 pp 283-291 KHODULEV A B KOPYLOV E A Physically accurate lighting simulation in computer graphics software GraphiConrsquo96 The 6th International Conference on Computer graphics and Visualization St Petersburg Russia 1996 pp 111-119 KITTLER R Standardisation of outdoor conditions for the calculation of daylight factor with clear skies Sunlight in Buinldings CIE Intercessional conference Newcastle-Upon-Tyne 1965 KLEMS J H WARNER J L Measurement of bidirectional optical properties of complex shading devices ASHRAE Symposium Chicago 1995 LESLIE R P Capturing the daylight in buildings why and how Building and Environment 2003 vol 38 pp 381-385 MAAMARI F International survey on lighting simulation tools - Light and Building 2002 IEA-SHC-Task-31 2002 7 p MAAMARI F FONTOYNONT M Use of IEA-SHC Task 21 C benchmarks to assess performance of Lightscape 32 in daylighting calculations EPIC Lyon France 2002 pp 709-714 MAAMARI F FONTOYNONT M HIRATA M KOSTER J MARTY C TRANSGRASSOULIS A Reliable Datasets for Lighting Programs Validation Benchmark results CISBAT 2003 Conference 2003 pp 6 MAAMARI F JONGEWAARD M KOSTER J TRANSGRASSOULIS A FONTOYNONT M A Step Toward A Complete And Objective Validation Methodology For Lighting Simulation Tools CIE 25th Session San Diego 2003 pp 4 MARDALJEVIC J Daylight Simulation Validation Sky Models and Daylight Coefficients Leicester UK Montfort University 2000 MARDALJEVIC J The BRE-IDMP dataset a new benchmark for the validation of illuminance prediction techniques Lighting Research and Technology 2001 vol 33 ndegISSN 1365-7828 pp 117-136 MITANCHEY R Synthegravese dimages appliqueacutee agrave leacuteclairagisme inteacuterieur des bacirctiments Thegravese en Informatique speacutecialiteacute images Saint-Etienne Leacutecole Nationale Supeacuterieure des Mines de Saint-Etienne 1996 200 p
52
Chapitre I
MITANCHEY R PERIOLE G FONTOYNONT M Goniophotometric measurements Numerical simulation for research and development applications Lighting Research and Technology 1995 vol 27 ndeg4 pp 189-196 MOON P SPENCER D E Illumination from a nonuniform sky Illum Eng 1942 vol 37 ndeg12 pp 707-726 NAKAMURA H OKI M AYASHI Y Luminance distribution of intermediate sky Light Visual Environ 1989 vol 9 ndeg1 pp 6-13 PAULE B COMPAGNON R SCARTEZZINI J L Towards a new daylighting design computer tool Right Light Three conference Newcastle upon Tyne England 1995 PEREZ R SEALS R MICHALSKY J All-Weather model for sky luminance distribution Preliminary configuration and validation Solar Energy 1993 vol 50 ndeg3 pp 235-245 REINHART C F HERKEL S The simulation of annual daylight illuminance distributions ndash a state-of-the-art comparison of six RADIANCE-based methods Energy and Buildings 2000 vol 32 ndeg167-187 ROY G HAYMAN S JULIAN W Sky Modeling from Digital Imagery ARC Project No A89530177 Sidney The University of Sidney amp Murdoch university 1998 ROY G RUCK N REID G JULIAN W Sky luminanceStandard Digital Form for modelling Lighting Research amp Technology 1995 vol 27 ndeg3 pp 161-167 SATEL-LIGHT Satel-Light the European Database for Daylight and Solar Radiation [en ligne] Disponible sur lthttpwwwsatel-lightcomgt (27 janvier 2004) SCARTEZZINI J L COMPAGNON G WARD G PAULE B Outils Informatiques en Lumiegravere Naturelle NEFF-4352 Universiteacute de Genegraveve EPFL 1993 142 p SHAREEF F M OLDHAM D J CARTER D J A computer model for predicting the daylight performance of complex parallel shading systems Building and Environment 2001 vol 36 pp 605-618 SLATER A GRAVES H Benchmarking Lighting Design Software TM 2800 London CIBSE 2002 33 p SMITH B SPIEKERMANN C SEMBER R Numerical methods for colorimetric calculations A comparison of integration methods Color Research and Application 1992 vol 17 ndeg6 STOCKMAR A Eulumdat file format CIBSEILE National Lighting Conference York 2000 STOCKMAR A W EULUMDAT ein leuchtendatenformat fur den europaischen beleuchtungplaner Tagungsband Licht 1990 pp 641-644
53
Chapitre I
TREGENZA P Daylighting algorithms ETSU S 1350 UK Department of Trade and Industry on behalf of the Energy Technology Support Unit 1993 43 p TREGENZA P R WATERS I M Daylight Coefficients Lighting Research amp Technology 1983 vol 15 ndeg2 pp 65-71 TROWBRIDGE T S REITZ K P Average Irregularity Representation of a Rough Surface for Ray Reflection Opt Soc Am 1975 vol 65 ndeg5 pp 531-536 UETANI Y MATSUURA K A Method of Luminance Calculation in an Anisotropic Diffuse Reflecting Interior IESNA Annual Conference Technical Papers San Diego 1992 WARD G J The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System SIGGRAPH Computer graphics 1994 pp 459-472 WHITTED T An improved illumination model for shaded display Computer graphics amp Image processing 1980
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- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
photomeacutetrique sera attribueacute agrave toutes les sources points avec un flux qui correspond agrave une partie du flux initial de la grande source
Il faut noter que cette subdivision drsquoun luminaire en une seacuterie de sources points ne prend pas en consideacuteration lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute de la distribution des intensiteacutes entre les diffeacuterentes zones de ce luminaire Ce qui fait introduire une source drsquoerreur qui doit ecirctre prise en consideacuteration en comparant les reacutesultats drsquoune simulation (baseacutee sur un solide photomeacutetrique obtenu par des mesures goniophotomeacutetriques en champ lointain) agrave des mesures expeacuterimentales drsquoeacuteclairement [IESNA 1993] [Ashdown 2001] [Deniel 2002]
I12 Les sources de lumiegravere naturelle Malgreacute lrsquoutilisation intense de la lumiegravere artificielle dans notre mode de vie la source principale de lumiegravere reste la lumiegravere de jour Pour parler de la lumiegravere du jour il faut bien eacutevidemment parler du soleil et du ciel mais aussi du sol exteacuterieur et de lrsquoenvironnement urbain [CIE 1970] [IESNA 1993] [Dumortier 1995]
I121 le soleil A lrsquoorigine de la lumiegravere du jour on trouve le soleil qui est la source primaire de rayonnement sur la terre La variation de lrsquoinclinaison des rayons du soleil agrave la fois dans le temps et dans lrsquoespace creacutee un veacuteritable dynamisme et dessine les grandes lignes de la geacuteographie des climats
La position apparente du soleil par rapport agrave un point donneacute de la terre est exprimeacutee par deux paramegravetres la hauteur solaire qui repreacutesente lrsquoangle vertical du soleil avec lrsquohorizon et lrsquoazimut solaire qui repreacutesente lrsquoangle horizontal (dans le sens des aiguilles de la montre) du soleil avec le sud
Lrsquoeacuteclairement solaire direct reccedilu sur une surface donneacutee deacutepend en particulier de lrsquoangle drsquoincidence du rayonnement solaire sur la surface (variant avec lrsquoorientation de la surface et la position du soleil) de la distance entre le soleil et cette surface (variant avec lrsquoorbite elliptique de la terre) et de lrsquoatteacutenuation du flux lumineux dans lrsquoatmosphegravere (variant avec la densiteacute des nuages et des aeacuterosols) Cet eacuteclairement deacutepend aussi de lrsquoExitance eacutenergeacutetique du soleil exprimeacutee par la Constante solaire qui repreacutesente lrsquoeacuteclairement eacutenergeacutetique (en klx) produit par le rayonnement solaire extraterrestre sur une face perpendiculaire aux rayons solaires agrave la distance moyenne Soleil-Terre Cette constante est pondeacutereacutee par lrsquoefficaciteacute lumineuse relative du rayonnement solaire
La prise en consideacuteration du soleil dans une simulation numeacuterique se fait surtout agrave travers des algorithmes matheacutematiques qui servent agrave calculer la position du soleil par rapport agrave la latitude et la longitude du site au jour de lrsquoanneacutee (de 1 agrave 365) et au temps local Cette position est alors utiliseacutee pour eacutevaluer la peacuteneacutetration agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment
I122 le ciel Avant drsquoatteindre la surface de la terre les rayons solaires traversent et subissent les effets de la couche gazeuse qui enveloppe la terre lrsquoatmosphegravere Sa densiteacute et sa pression diminuent au fur et agrave mesure que lrsquoaltitude augmente Trois reacutegions sont deacutefinies pour caracteacuteriser la composition de lrsquoatmosphegravere lrsquohomosphegravere lrsquoheacuteteacuterosphegravere et la photosphegravere Seule lrsquohomosphegravere intervient dans les pheacutenomegravenes de propagation du rayonnement solaire car elle contient lrsquoair sec et pratiquement la totaliteacute de lrsquoeau atmospheacuterique et les aeacuterosols principaux eacuteleacutements qui influencent la composition spectrale et la propagation de la lumiegravere
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Chapitre I
Ainsi avec la position du soleil et les conditions climatiques (eg densiteacute des nuages densiteacute des aeacuterosolshellip) se dessine une distribution spatiale des luminances de la voucircte ceacuteleste vue par un site donneacute de la terre
Cette distribution des luminances deacutetermine lrsquoeacuteclairement horizontal sur un site donneacute et joue un rocircle principal dans la propagation de la lumiegravere de jour agrave lrsquointeacuterieur des bacirctiments
La prise en consideacuteration des champs de luminances des ciels dans une simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage se fait tregraves souvent agrave travers les modegraveles numeacuteriques de ciels
I123 les modegraveles de ciel Pour pouvoir preacutedire avec preacutecision les eacuteclairements obtenus agrave lrsquointeacuterieur drsquoune piegravece eacuteclaireacutee en lumiegravere de jour il est essentiel de pouvoir deacuteterminer la distribution des luminances du ciel
Pour cela des recherches et des observations ont eacuteteacute meneacutees agrave travers le monde et plusieurs modegraveles numeacuteriques ont eacuteteacute creacuteeacutes et standardiseacutes afin de deacutecrire des reacutepartitions types de luminances qui correspondent le mieux aux conditions de ciel les plus rencontreacutees dans la reacutealiteacute
Ces modegraveles sont geacuteneacuteralement deacutecrits par des formules exprimant la variation des luminances des diffeacuterentes zonesmailles du ciel souvent par rapport agrave la luminance au zeacutenith et selon la position du soleil et les caracteacuteristiques de lrsquoatmosphegravere
A noter que de maniegravere geacuteneacuterale ces modegraveles de ciel ne prennent pas en consideacuteration le rayonnement direct du soleil
Parmi les modegraveles de ciel existants nous citons les suivants
1 Ciel Uniforme utiliseacute auparavant pour le calcul du facteur de lumiegravere de jour 2 Ciel clair CIE baseacute sur le modegravele deacutefini par kittler en 1965 [Kittler 1965] [CIE 1973]
[CIE 1990] 3 Ciel couvert CIE baseacute sur le modegravele de Moon and Spencer et largement utiliseacute comme
reacutefeacuterence pour le calcul du facteur de lumiegravere de jour depuis sa recommandation par la CIE en 1970 [Moon 1942] [CIE 1970] [CIE 1990]
4 Ciel intermeacutediaire de Nakamura [Nakamura 1989] 5 Ciels IESNA Pour deacuteterminer la reacutepartition des luminances drsquoun ciel lrsquoIESNA utilise les
eacutequations utiliseacutees par la CIE pour les ciels clair et couvert et propose une autre eacutequation pour un ciel intermeacutediaire Cependant en plus de la reacutepartition des luminances lrsquoIESNA propose lrsquoutilisation drsquoune eacutequation pour obtenir une valeur absolue de lrsquoeacuteclairement horizontal et une autre eacutequation pour en deacuteduire directement la luminance au zeacutenith Les paramegravetres associeacutes aux deux eacutequations deacutependent de la condition du ciel (clair intermeacutediaire ou couvert) et de la position du soleil [Karayel 1984]
6 Modegravele tout temps de Perez Crsquoest un modegravele empirique baseacute sur un algorithme unique qui agrave partir de la variation de deux paramegravetres lieacutes aux conditions climatiques (clarteacute et luminositeacute) deacutecrit des reacutepartitions de luminances correspondantes agrave des conditions de ciel allant du ciel sans nuages au ciel complegravetement couvert [Perez 1993]
7 Modegravele du Ciel Geacuteneacuteral de la CIE qursquoon peut consideacuterer comme une deacuteriveacutee du ciel tout temps de Perez Il est deacutefini par une eacutequation unique et 15 seacuteries de paramegravetres pour deacutecrire 15 conditions types de ciel et la distribution des luminances propre agrave chacune de ces conditions [CIE 2002]
Mecircme si la majoriteacute de ces modegraveles tentent de repreacutesenter les champs de luminances des ciels le plus fidegravelement possible agrave la reacutealiteacute il est important de noter qursquoil sera difficile sinon
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Chapitre I
impossible de repreacutesenter tous les cas de figures qui peuvent exister dans un ciel reacuteel par des simples formules
Ceci est particuliegraverement vrai si nous voulons prendre en consideacuteration ce qui peut apparaicirctre dans un champ de luminances externe agrave une ouverture zeacutenithale ou verticale (masques sol exteacuterieurhellip)
Face agrave la complexiteacute des champs de luminances reacuteels plusieurs tentatives ont eacuteteacute meneacutees afin de transformer un champ de luminances reacuteel en un modegravele de ciel agrave travers des mesures de scanner de ciel ou bien agrave travers des photos numeacuteriques eacutetalonneacutees [Roy 1998] [Mardaljevic 2001] [Dumortier 2001]
Au-delagrave de la variation des luminances drsquoun ciel certaines eacutetudes se sont inteacuteresseacutees agrave la variation de la tempeacuterature de couleur proximale et de la reacutepartition spectrale [Chain 1999]
I123 Le sol exteacuterieur La lumiegravere naturelle reacutefleacutechie sur le sol exteacuterieur peut jouer un rocircle important dans la propagation de la lumiegravere du jour agrave lrsquointeacuterieur des bacirctiments En effet elle repreacutesente en moyenne 10 agrave 15 de lrsquoeacuteclairement vertical direct sur une faccedilade et peut deacutepasser cette valeur dans le cas drsquoun sol clair
En geacuteneacuteral cette lumiegravere est renvoyeacutee par les surfaces du plafond ou des murs vers les autres surfaces internes et participe ainsi agrave la composante reacutefleacutechie interne du facteur de lumiegravere de jour
La prise en consideacuteration du sol exteacuterieur dans une simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage se fait souvent en supposant une luminance uniforme de celui-ci variant avec lrsquoeacuteclairement Hz et le facteur de reacuteflexion moyen du sol Cependant dans certains logiciels il est neacutecessaire de modeler le sol exteacuterieur par une surface de grande dimension Dans ce cas le moteur de calcul doit proceacuteder au calcul de la reacutepartition de la luminance sur le sol avant de calculer sa contribution agrave lrsquoeacuteclairage inteacuterieur
I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain) Dans le calcul de la lumiegravere du jour agrave lrsquointeacuterieur drsquoun bacirctiment il est important de prendre en consideacuteration les eacuteleacutements de faccedilade et lrsquoenvironnement urbain Ceux ci peuvent repreacutesenter agrave la fois une obstruction agrave lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour directe dans le bacirctiment et une source secondaire de lumiegravere naturelle par reacuteflexion (composante reacutefleacutechie externe)
Ainsi par exemple une piegravece au premier eacutetage sera moins eacuteclaireacutee qursquoune autre au 5egraveme eacutetage dans le cas drsquoun bacirctiment en vis agrave vis Ou encore la mecircme piegravece sera mieux eacuteclaireacutee avec un facteur de reacuteflexion plus eacuteleveacute de la faccedilade en face
La prise en consideacuteration des masques dans certaines meacutethodes de calcul simplifieacutees se fait agrave travers la deacutetermination de lrsquoangle drsquoobstruction (entre le centre de la fenecirctre et la ligne limite entre le masque et le ciel) et du facteur de reacuteflexion moyen du masque
Un calcul plus preacutecis de lrsquoinfluence drsquoun sceacutenario urbain donneacute sur lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour dans une piegravece peut se faire agrave lrsquoaide des algorithmes de calcul physiques (radiositeacute ou lancer de rayon) Cependant cela neacutecessite la modeacutelisation geacuteomeacutetrique des masques exteacuterieurs ce qui entraicircne un temps de calcul relativement long
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Chapitre I
I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
Geacuteneacuteraliteacutes On entend par conception de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment le choix des composants et des caracteacuteristiques des parois vitreacutees leur position leurs dimensions les speacutecifications des vitrages et des protections solaires
Ces choix sont guideacutes par des consideacuterations thermiques (apport solaire et surchauffe deacuteperditions par lrsquoenveloppe) acoustiques eacutenergeacutetiques (eacuteclairage artificiel systegravemes de chauffage et de climatisation) ergonomiques (confort visuel) ainsi qursquoestheacutetiques et architecturales
Il est eacutegalement neacutecessaire de prendre en consideacuteration les interactions entre ces diffeacuterents paramegravetres afin drsquoarriver agrave un compromis qui reacutepond le mieux aux exigences du projet Par exemple laisser passer plus de lumiegravere naturelle en agrandissant les surfaces vitreacutees entraicircnerait une augmentation de lrsquoapport solaire et des surchauffes en eacuteteacute et de la deacuteperdition et de la consommation eacutenergeacutetique du chauffage en hiver
Avec les progregraves technologiques apporteacutes aux systegravemes de controcircle on arrive de nos jours agrave mieux geacuterer ces interactions en particulier le controcircle des protections solaires en relation avec le confort visuel et le controcircle de lrsquoeacuteclairage artificiel en relation avec la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour sur le plan de travail (systegravemes de dimming controcircles automatiseacutes zonagehellip) Cependant pour que la conception de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment aboutisse agrave une meilleure efficaciteacute eacutenergeacutetique il est important de srsquoy inteacuteresser degraves les premiegraveres phases de la conception du bacirctiment (orientation dimensionnementhellip) [ASHRAE-IESNA 1989] [CIE 1994] [Leslie 2003]
Eclairement inteacuterieur requis Un paramegravetre cleacute dans la conception de lrsquoeacuteclairage naturel est lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (en particulier sur le plan de travail) Cet eacuteclairement subit des variations importantes avec le temps dues au dynamisme de la distribution des luminances du ciel (en particulier la zone vue par un point de reacutefeacuterence)
Ducirc agrave cette dynamique et pour simplifier la prise en consideacuteration de ce paramegravetre dans la conception drsquoun bacirctiment la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute a eacuteteacute introduite Ainsi on srsquointeacuteresse agrave un seuil minimum drsquoeacuteclairement neacutecessaire pour assurer le bon fonctionnement des tacircches pour lesquelles est deacutedieacute un local Le deacutepassement de ce seuil est supposeacute comme geacuteneacuteralement compenseacute par lrsquoadaptation de lrsquoœil
Disponibiliteacute de la lumiegravere de jour Lrsquoeacuteclairement inteacuterieur est directement lieacute agrave la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour agrave lrsquoexteacuterieur du bacirctiment Cette derniegravere est exprimeacutee par lrsquoeacuteclairement sur une surface horizontale deacutegageacutee Sa variation avec le temps et la geacuteographie a eacuteteacute eacutetudieacutee agrave partir de plusieurs campagnes de mesure agrave travers le monde [Dumortier 2003]
Ainsi la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour a pu ecirctre deacutecrite par des diagrammes en fonction de la latitude et drsquoun pourcentage des heures drsquoune anneacutee pour une peacuteriode journaliegravere donneacutee (9h agrave 17h par ex) pour lesquelles lrsquoeacuteclairement horizontal exteacuterieur deacutepasse un certain seuil Ces diagrammes ne prennent souvent en consideacuteration que lrsquoeacuteclairement diffus
De nos jours on arrive agrave estimer la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour par lrsquoanalyse des images satellites Nous citons dans ce domaine le serveur Web Satel-Light deacuteveloppeacute au
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Chapitre I
LAboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Dumortier 1995] [Satel-Light 1995] [Dumortier 2002] [Dumortier 2003]
Facteur de lumiegravere de jour Afin de deacuteterminer une relation entre lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (en un point de la piegravece) et la disponibiliteacute de la lumiegravere du jour agrave lrsquoexteacuterieur drsquoun bacirctiment la notion du Facteur de Lumiegravere de Jour est utiliseacutee
FJ= (EintEext)
Ce ratio est subdiviseacute en plusieurs composantes
- La composante directe FJD (varie avec la distribution des luminances du ciel vues par le point de reacutefeacuterence)
- La composante reacutefleacutechie externe FRE (varie avec la contribution de la lumiegravere reacutefleacutechie sur le sol et les masques exteacuterieurs)
- La composante reacutefleacutechie interne FRI (varie avec les inter-reacuteflexions au niveau des surfaces inteacuterieures et deacutepend du facteur de reacuteflexion de ces surfaces)
Ainsi FJ = FJD + FRE + FRI
Pour le calcul drsquoun facteur de lumiegravere de jour en particulier sa composante directe il est important de caracteacuteriser la reacutepartition des luminances dans le ciel Alors que pour des raisons de simplification on supposait une reacutepartition uniforme (en azimut et en zeacutenith) de la luminance du ciel la CIE a proposeacute lrsquoadoption du ciel CIE couvert standard eacutetant donneacute qursquoil repreacutesente mieux de la distribution reacuteelle des luminances drsquoun ciel nuageux
Lrsquoutilisation drsquoun ciel nuageux pour la mesure ou le calcul du facteur de lumiegravere de jour est compatible avec la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute En effet les autres conditions possibles de ciel aboutissent geacuteneacuteralement agrave une meilleure peacuteneacutetration de la lumiegravere diffuse ou agrave une compensation par la lumiegravere directe du soleil Ainsi en adoptant le facteur de lumiegravere de jour sous un ciel nuageux comme reacutefeacuterence pour la conception on garantit une marge de seacutecuriteacute et un niveau minimum
Diagrammes drsquoautonomie A lrsquoaide des paramegravetres deacutecrits ci-dessus lrsquoeacuteclairement inteacuterieur requis les diagrammes de disponibiliteacute de la lumiegravere de jour et le facteur de lumiegravere de jour il est possible de deacutecrire des diagrammes drsquoautonomie en lumiegravere de jour Ces diagrammes permettent de deacutefinir un pourcentage de temps garanti ougrave lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (naturel) en un point donneacute deacutepassera un certain seuil Ou bien il permet de deacutefinir un facteur de lumiegravere de jour minimum requis afin de garantir un certain pourcentage de temps de deacutepassement drsquoun seuil drsquoeacuteclairement inteacuterieur [ASE 1989] [Satel-Light 1995]
Calcul dynamique de lrsquoeacuteclairage naturel (coefficient de FLJ) La nouvelle tendance dans la conception en eacuteclairage naturel nrsquoest plus baseacutee sur la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute mais sur un calcul dynamique de lrsquoentreacutee de la lumiegravere en utilisant les fichiers climatiques drsquoun site donneacute Cette meacutethode plus reacutealiste mais plus lourde en calcul est devenue utilisable gracircce agrave lrsquoeacutevolution des capaciteacutes du mateacuteriel informatique Sa mise en place utilise lrsquoapproche du facteur de lumiegravere de jour directionnel pour preacute-calculer la contribution relative des diffeacuterentes mailles du ciel agrave lrsquoeacuteclairement des diffeacuterents points drsquoun espace inteacuterieur [Tregenza 1983] [Mardaljevic 2000] [Reinhart 2000] [Dumortier 1995]
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Chapitre I
Outils de conception En ce qui concerne les meacutethodes existantes pour le calcul et lrsquoeacutevaluation de lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment elles sont classeacutees selon les cateacutegories suivantes [De Boer 1999]
- Les meacutethodes de calcul manuel (meacutethode de lumen ) - Les meacutethodes graphiques baseacutees sur des diagrammes selon des configurations types
du bacirctiment Ces diagrammes sont compleacuteteacutes par des facteurs de correction agrave prendre en consideacuteration en relation avec la transmission des vitrages la deacutegradation due agrave lrsquoaccumulation des saleteacutes le facteur de reacuteflexion moyen des surfaces inteacuterieureshellip
- Des mesures expeacuterimentales dans des maquettes agrave eacutechelle reacuteduite ou reacuteelle sous un ciel artificiel ou reacuteel
- Les logiciels de simulation baseacutes en particulier sur les meacutethodes de radiositeacute et de lancer de rayon
Un autre aspect de conception en eacuteclairage naturel (que celui de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour) consiste agrave prendre en consideacuteration les taches solaires agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment en particulier du point de vue de lrsquoapport thermique et du confort visuel Lrsquoeacutetude des taches est le plus souvent limiteacutee agrave certains jours repreacutesentatifs de lrsquoanneacutee (en particulier les solstices) et pour diffeacuterentes heures de la journeacutee
Les meacutethodes existantes pour lrsquoeacutetude des taches solaires sont
- Des meacutethodes manuelles utilisant des diagrammes solaires - Des eacutetudes sur maquette reacuteduite sous un heacuteliodon - Des meacutethodes numeacuteriques utilisant des algorithmes matheacutematiques pour deacutefinir la
position du soleil et des algorithmes de lancer de rayon pour simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere solaire directe agrave travers lrsquoenveloppe du bacirctiment Certains logiciels sont deacuteveloppeacutes speacutecialement pour lrsquoeacutetude des taches solaires on parle alors drsquoheacuteliodons numeacuteriques
En plus que les outils de simulation nous traitons dans notre travail les mesures expeacuterimentales dans des maquettes drsquoeacutetude
I13 La geacuteomeacutetrie
I131 Geacuteneacuteraliteacutes Comme la source lumineuse la geacuteomeacutetrie drsquoun espace est un eacuteleacutement cleacute pour calculer et preacutedire la propagation de la lumiegravere agrave lrsquointeacuterieur de cet espace Pour un calcul drsquoeacuteclairage (manuel ou numeacuterique) la description de cette geacuteomeacutetrie doit inclure une description tri-dimensionnelle de lrsquoespace ainsi qursquoune caracteacuterisation physique de ses mateacuteriaux Dans cette partie nous nous inteacuteressons agrave la description tri-dimensionnelle de lrsquoespace dans la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage
Les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie agrave prendre en consideacuteration dans une simulation sont geacuteneacuteralement les surfaces visibles des mateacuteriaux opaques du volume inteacuterieur Dans un sceacutenario drsquoeacuteclairage naturel nous consideacuterons eacutegalement les surfaces du sol et des masques exteacuterieurs ainsi que les composants des parois vitreacutees
On parle de surfaces visibles des mateacuteriaux opaques car contrairement au cas des eacutechanges de flux thermiques lrsquoinfluence des mateacuteriaux opaques sur la propagation des flux lumineux se limite agrave ces surfaces
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Chapitre I
La prise en consideacuteration des parois vitreacutees du sol et des masques exteacuterieurs peut varier entre les diffeacuterents logiciels Ainsi lrsquoinfluence de ces eacuteleacutements (vitrage store veacutenitien masque vertical ou horizontalhellip) peut ecirctre calculeacutee analytiquement dans un logiciel et agrave lrsquoaide drsquoun lancer de rayon ou un calcul de radiositeacute dans un autre Le premier cas ne neacutecessite qursquoune description parameacutetrique (type de vitrage couleur et orientation des lames angle drsquoobstructionhellip) et le deuxiegraveme neacutecessite une modeacutelisation preacutecise des eacuteleacutements
I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie Bien que certains logiciels offrent la possibiliteacute drsquoune automatisation de lrsquoentreacutee de la geacuteomeacutetrie 3D cellendashci est en fin de compte deacutecrite par un ensemble de polygones deacutefinis par les coordonneacutees carteacutesiennes de leurs sommets (x y z)
Pour les logiciels de simulation qui nrsquooffrent pas une interface de DAO pour lrsquoentreacutee de la geacuteomeacutetrie il est possible drsquoimporter cette derniegravere agrave partir drsquoun logiciel de DAO externe [IESNA 1999] La plupart des logiciels de simulation sont compatibles avec le format DXF creacuteeacute par Autodesk et standardiseacute par la suite pour le transfert de donneacutees geacuteomeacutetriques [Autodesk 1999]
Parmi les logiciels de DAO souvent utiliseacutes pour modeacuteliser la geacuteomeacutetrie 3D nous citons AutoCAD ArchiCAD et Microstation Cependant lorsqursquoune geacuteomeacutetrie est deacutecrite agrave lrsquoaide drsquoun logiciel externe il est important de prendre certaines preacutecautions dans le mode de dessin afin de garantir une meilleure compatibiliteacute avec la plupart des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
Les preacutecautions agrave prendre et leurs importances sont diffeacuterentes drsquoun logiciel agrave un autre mais souvent le but est drsquoeacuteviter les confusions lors du transfert qui peuvent mener agrave des erreurs de calcul Par exemple il peut srsquoagir de respecter la notion de lrsquoorientation des surfaces qui est importante dans certains logiciels ou bien de limiter la modeacutelisation des surfaces de la geacuteomeacutetrie aux parties apparentes pour eacuteviter les fausses ombres [Foley 1990]
I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade La propagation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquointeacuterieur drsquoun bacirctiment deacutebute par un transfert des flux agrave travers les parois vitreacutees Ainsi il est important de prendre ces derniegraveres en consideacuteration pour une preacutediction preacutecise de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment
La caracteacuterisation drsquoun composant drsquoune paroi vitreacutee en transmission lumineuse se fait geacuteneacuteralement agrave travers des mesures goniophotomeacutetriques Ainsi agrave partir drsquoune seacuterie de mesures de transmission en direct-direct seront deacuteduites les fonctions de transfert direct-heacutemispheacuterique et heacutemispheacuterique-heacutemispheacuterique qui caracteacuterisent un mateacuteriau donneacute [CIE 1998]
Cependant une paroi vitreacutee peut se preacutesenter sous diffeacuterentes formes agrave diffeacuterents niveaux de complexiteacute Nous listons ci-dessous les principaux cas de figures
I141 Ouverture simple Le cas le plus basique est celui drsquoune simple ouverture sans vitrage Lrsquoinfluence drsquoune telle ouverture sur la propagation de la lumiegravere naturelle se limite agrave sa dimension et son eacutepaisseur qui deacuteterminent la partie du champ de luminances externe rendue visible aux points inteacuterieurs Lrsquoaspect directionnel qualitatif et quantitatif du flux lumineux incident est conserveacute lors du passage agrave travers cette ouverture et ne subit aucune deacuteviation ni atteacutenuation (si ce nrsquoest la reacuteflexion sur les bords)
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Chapitre I
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel se fait souvent agrave lrsquoaide drsquoun maillage de sa surface La luminance apparente des mailles est ensuite calculeacutee (agrave partir de la luminance de la zone du ciel apparente agrave travers cette maille par un point donneacute) et finalement est calculeacutee la contribution de chaque maille agrave lrsquoeacuteclairement du point eacutetudieacute
Dans un certain nombre de logiciels le calcul commence par une deacutetection du champ de vision drsquoun point de mesure agrave travers lrsquoouverture Cette deacutetection se fait geacuteneacuteralement agrave lrsquoaide drsquoun lancer de rayons qui permet de deacutefinir les limites du masque constitueacute par les murs entourant lrsquoouverture
I142 Vitrage classique Dans le cas drsquoune ouverture vitreacutee (vitrage classique) le flux incident subit lrsquoinfluence de la transmission directionnelle du vitrage Cette transmission diminue avec lrsquoaugmentation de lrsquoangle drsquoincidence du rayonnement lumineux et varie selon le type de vitrage (simple double teinteacutehellip)
Il existe plusieurs reacutefeacuterences pour deacuteterminer la variation theacuteorique de la transmission lumineuse drsquoun vitrage avec lrsquoangle drsquoincidence Mais en geacuteneacuteral la majoriteacute drsquoun flux lumineux transmis agrave travers un vitrage classique est supposeacute garder sa directionnaliteacute (angle de transmission = angle drsquoincidence) et ne subit qursquoune simple atteacutenuation selon lrsquoangle drsquoincidence [Hopkinson 1966] [Hopkinson 1966 Tregenza 1993]
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture vitreacutee dans une simulation drsquoeacuteclairage naturel suit le mecircme principe que pour une ouverture non vitreacutee mais en plus une atteacutenuation de la contribution drsquoune maille agrave lrsquoeacuteclairement drsquoun point est calculeacutee selon lrsquoangle drsquoincidence entre cette maille et ce point de mesure Cependant certains logiciels ne prennent pas en consideacuteration la transmission directionnelle drsquoun vitrage et se contentent drsquoaffecter un facteur de transmission uniforme
I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel Il existe sur le marcheacute de la construction de plus en plus de vitrages agrave proprieacuteteacutes bi-directionnelles dont le but est souvent de favoriser le cheminement drsquoun flux lumineux incident dans une direction donneacutee (Laser Cut Panel Serraglaze etc) Par exemple dans le cas drsquoune ouverture verticale lrsquoobjectif est souvent de favoriser lrsquoorientation du flux transmis vers le plafond afin de permettre une entreacutee plus profonde de la lumiegravere et afin drsquoeacuteviter ou au moins drsquoatteacutenuer les taches solaires Dans le cas drsquoune ouverture zeacutenithale lrsquoobjectif est de favoriser lrsquoentreacutee verticale de la lumiegravere provenant de toutes les directions de lrsquoheacutemisphegravere exteacuterieur
Le flux lumineux incident sur ce type de mateacuteriaux est transmis avec changement drsquoorientation partielle ou totale dans le mecircme plan drsquoincidence ou bien dans tout lrsquoheacutemisphegravere de sortie
La prise en consideacuteration drsquoun mateacuteriau agrave transmission bidirectionnelle dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel est drsquoune complexiteacute importante Elle neacutecessite lrsquoutilisation des fonctions de transfert bidirectionnelles dite BTDF qui sont assez lourdes en calcul Les logiciels permettant ce type de simulations sont encore assez rares et limiteacutes au domaine de la recherche scientifique [Fontoynont 1999] [Greenup 2000] [Andersen 2003]
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Chapitre I
I144 Eleacutements de protection solaire Le rocircle des eacuteleacutements de protection solaire est de bloquer drsquoatteacutenuer ou de reacuteorienter la lumiegravere directe du soleil Parmi les types les plus utiliseacutes nous citons en particulier les stores veacutenitiens (agrave effet de reacuteorientation) les brises soleil (agrave effet de masque) et les stores en toile (agrave effet de diffusion)
La prise en consideacuteration des eacuteleacutements de protection solaires dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel deacutepend de leur type Par exemple les protections solaires agrave effet de masque neacutecessitent un simple calcul de lancer de rayons alors que la simulation des eacuteleacutements agrave effet de reacuteorientation suit le mecircme principe que pour les vitrages bidirectionnels [Klems 1995] [Shareef 2001]
I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux Pour caracteacuteriser le comportement des parois vitreacutees afin de mieux les prendre en consideacuteration dans le calcul ou la simulation de lrsquoeacuteclairage on a recours aux mesures goniophotomeacutetriques
Ces mesures peuvent srsquoaveacuterer drsquoune grande complexiteacute en particulier dans le cas des mateacuteriaux bidirectionnels puisqursquoils neacutecessitent des mesures heacutemispheacuteriques en entreacutee et en sortie
De nos jours plusieurs deacuteveloppements sont en cours afin de simplifier les proceacutedures de mesure ou de conduire ces mesures numeacuteriquement agrave lrsquoaide drsquoalgorithmes physiques [Mitanchey 1995] [Andersen 2003] [Andersen 2003] [De Boer 2003]
Drsquoautres efforts sont eacutegalement investis dans le but de simplifier la preacutesentation des donneacutees goniophotomeacutetriques [Roy 1995] [Mitanchey 1996] [IEA-SHC 1999]
I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux Si lrsquoeacuteclairage direct reccedilu des sources de lumiegravere (naturelles ou artificielles) est un eacuteleacutement de base dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere lrsquoeacuteclairage dit indirect nrsquoest pas de moindre importance
En effet lrsquoeacuteclairage indirect ducirc aux inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les diffeacuterentes surfaces drsquoune scegravene peut repreacutesenter une proportion importante de lrsquoeacuteclairement total par rapport agrave lrsquoeacuteclairement direct Crsquoest le cas notamment des luminaires indirects ou des systegravemes de reacute-acheminement de la lumiegravere directe du soleil
Les inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie deacutependent de la photomeacutetrie de ces surfaces (ou des mateacuteriaux qui les constituent) Cette photomeacutetrie est caracteacuteriseacutee en particulier par trois paramegravetres
- Le facteur de reacuteflexion global - La directionnaliteacute de la lumiegravere reacutefleacutechie - Lrsquoinfluence spectrale sur la lumiegravere reacutefleacutechie
Le premier repreacutesente le rapport entre le flux total reacutefleacutechi sur une surface et le flux initial incident Pour faciliter la mesure de ce paramegravetre un nombre de mateacuteriaux standards a eacuteteacute deacutefini comme reacutefeacuterence [CIE 1979] [CIE 1979] [CIE 1998]
Le deuxiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la ou les directions de reacuteflexion drsquoun flux incident avec une direction donneacutee Cette directionnaliteacute deacutepend de la geacuteomeacutetrie microscopique de la surface (apparente) drsquoun mateacuteriau opaque On distingue en particulier deux types de reacuteflexion theacuteoriques Les reacuteflexions parfaitement speacuteculaires et les reacuteflexions
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Chapitre I
parfaitement diffuses Bien que ces cas extrecircmes nrsquoexistent pas dans la reacutealiteacute les lois theacuteoriques relatives sont bien deacutefinies (La loi de Descartes pour le premier et loi de Lambert et les formules de facteur de forme pour le deuxiegraveme) Au-delagrave de ces deux cas theacuteoriques simplifieacutes un nombre de travaux a eacuteteacute meneacute pour deacutecrire des modegraveles analytiques plus complets qui srsquoapprochent mieux de la reacutealiteacute mais qui repreacutesentent un degreacute de complexiteacute plus eacuteleveacute [Trowbridge 1975] [Kajiya 1985] [Uetani 1992] [Balocco 2001] [Deniel 2002]
Dans la majoriteacute des logiciels existants la reacuteflexion de la lumiegravere sur une surface est simuleacutee par une combinaison de reacuteflexions diffuses et speacuteculaires Ainsi une partie du flux est reacutefleacutechie en obeacuteissant agrave la loi de Descartes et une autre partie est diffuseacutee uniformeacutement dans lrsquoespace Les algorithmes utiliseacutes sont eacutegalement en geacuteneacuteral une combinaison de radiositeacute et de lancer de rayons Certains logiciels nrsquoutilisant que les algorithmes de radiositeacute se contentent de supposer les surfaces comme 100 diffuses
Drsquoautres logiciels qui restent assez rares prennent en consideacuteration les fonctions de reacuteflexions bidirectionnelles (BRDF) theacuteoriques ou mesureacutees Cependant il faut noter que de nos jours la preacutecision des mesures de ces fonctions neacutecessite encore des moyens financiers et logistiques trop importants
Le troisiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la qualiteacute spectrale de la lumiegravere reacutefleacutechie par rapport agrave celle de la lumiegravere incidente Elle deacutepend en particulier de lrsquoabsorption spectrale seacutelective du mateacuteriau En effet le facteur drsquoabsorption drsquoun mateacuteriau peut ecirctre plus ou moins eacuteleveacute selon la longueur drsquoonde avec laquelle arrive une partie du flux incident Ainsi le spectre de la lumiegravere reacutefleacutechie peut ecirctre complegravetement diffeacuterent de celui de la lumiegravere incidente Les mateacuteriaux qui ont le mecircme facteur de reacuteflexion pour toutes les longueurs drsquoonde sont dits spectralement neutres [CIE 1986] [Smith 1992] [CIE 1996]
Plusieurs approches sont proposeacutees pour traiter lrsquoaspect spectral ou colorimeacutetrique de la propagation de la lumiegravere Les approches les plus utiliseacutees dans les logiciels de simulation de la lumiegravere sont baseacutees sur une caracteacuterisation agrave trois composantes de la couleur (de la source lumineuse ou des surfaces) Nous citons les systegravemes XYZ (de la CIE) RGB CMY et HSV Cependant si ce type de caracteacuterisation est convenable pour la repreacutesentation des couleurs il srsquoavegravere insuffisant pour simuler la variation du spectre du flux lumineux agrave travers les inter-reacuteflexions sur les surfaces inteacuterieures drsquoun espace [Mitanchey 1996] Pour plus de preacutecision il est alors recommandeacute drsquoutiliser les approches baseacutees sur une discreacutetisation plus ou moins fine du spectre Mais lrsquoimpleacutementation de telles approches dans les logiciels existants est loin drsquoecirctre courante [Smith 1992] [Mitanchey 1996]
I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage Il existe sur le marcheacute international un nombre important de logiciels deacutedieacutes agrave la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Dans une enquecircte meneacutee par le groupe 3D lumiegravere en 2000 aupregraves de 74 professionnels [3D-lumiegravere 2000] environ quarante logiciels ont eacuteteacute citeacutes par les enquecircteacutes comme outils de travail en eacuteclairage Dans une deuxiegraveme eacutetude plus speacutecialiseacutee dans le calcul drsquoeacuteclairage naturel et meneacutee par lrsquoagence international drsquoeacutenergie IEA SHC Task 21-C2 [Fontoynont 1999] vingt cinq logiciels ont eacuteteacute citeacutes Vingt deux de ces logiciels ne sont pas connus par les utilisateurs franccedilais enquecircteacutes par 3D lumiegravere Finalement nous citons lrsquoenquecircte de lrsquoIENSA [IESNA 1999] preacutesentant un nombre de logiciels existants au niveau international
Les logiciels existants diffegraverent entre eux par les algorithmes qursquoils utilisent par leurs approches DAO par la prise en consideacuteration des diffeacuterents types de sources lumineuses par
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Chapitre I
leur capaciteacute agrave simuler les pheacutenomegravenes de propagation de lumiegravere plus ou moins complexes par leur interface utilisateur et finalement par leurs vocations et leurs domaines drsquoapplication
I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage Le rocircle des algorithmes dans une simulation drsquoeacuteclairage est de geacuterer le calcul de la propagation de la lumiegravere entre les sources et les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie puis les inter-reacuteflexions entre ces surfaces
Les algorithmes utiliseacutes dans les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage sont des algorithmes dits drsquoeacuteclairement global (global illumination) puisqursquoils font un calcul tridimensionnel de la propagation de la lumiegravere Ils peuvent ecirctre classeacutes sous deux grandes familles la radiositeacute et le lancer de rayons Ces deux familles tendent agrave avoir des avantages et des inconveacutenients compleacutementaires ce qui fait que certains logiciels utilisent une logique hybride combinant les deux familles [IEA-SHC 1999] [Mitanchey 1996]
1211 Radiositeacute Les algorithmes de radiositeacute utiliseacutes pour le calcul de lrsquoeacuteclairage datent du deacutebut des anneacutees 80 Ils ont eacuteteacute adapteacutes agrave partir des algorithmes de radiositeacute utiliseacutes depuis les anneacutees 60 pour le calcul des eacutechanges radiatifs thermiques sur la base de lrsquoeacutequilibre eacutenergeacutetique
Les algorithmes de radiositeacute procegravedent en geacuteneacuteral agrave une discreacutetisation de lrsquoenvironnement simuleacute agrave travers un maillage (subdivision en petites mailles) des surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie eacuteclaireacutee par une source donneacutee (voir figure I3) Tout drsquoabord un calcul de la lumiegravere directe reccedilue par chaque maille est effectueacute Ensuite chaque maille est traiteacutee comme une source lumineuse eacutemettant une partie du flux lumineux qursquoelle a reccedilu (selon son facteur de reacuteflexion) vers les autres mailles de la geacuteomeacutetrie Cette lumiegravere indirecte subit plusieurs inter-reacuteflexions jusqursquoagrave ce que la quasi-totaliteacute du flux initial soit absorbeacutee
Suite agrave ce calcul on est capable de savoir la quantiteacute de flux lumineux direct et indirect reccedilue et eacutemise par une maille donneacutee et donc lrsquoeacuteclairement et la luminance de cette maille [Scartezzini 1993] [Ashdown 2001]
Figure I3 Exemple drsquoun calcul de Radiositeacute agrave lrsquointeacuterieur drsquoune geacuteomeacutetrie
Bien que le principe geacuteneacuteral de la radiositeacute deacutecrit ci-dessus soit le mecircme pour tous les algorithmes de radiositeacute existants ceux-ci diffegraverent dans la meacutethode adopteacutee pour le maillage de la geacuteomeacutetrie et pour le suivi du flux
La radiositeacute peut ecirctre en principe appliqueacutee agrave tout type de reacuteflexion cependant les algorithmes existants sont encore limiteacutes aux reacuteflexions 100 diffuses Ce qui entraicircne des erreurs plus ou moins importantes selon le comportement reacuteel du mateacuteriau simuleacute La
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Chapitre I
radiositeacute preacutesente aussi quelques autres inconveacutenients dont particuliegraverement un temps de calcul assez long une lourde consommation en meacutemoire et une faible performance en qualiteacute graphique
Cependant le calcul de radiositeacute a lrsquoavantage drsquoecirctre indeacutependant de la position de lrsquoobservateur Ainsi un seul calcul est suffisant pour connaicirctre lrsquoeacuteclairement de tous les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie et pour la visualiser agrave partir drsquoune infiniteacute de points de vue
Une nouvelle geacuteneacuteration drsquoalgorithmes de radiositeacute est apparue en 1988 elle permet drsquoobtenir un reacutesultat graphique immeacutediat qui srsquoameacuteliore progressivement en preacutecision et en qualiteacute visuelle drsquoougrave son nom progressive refinement radiosity [Cohen 1988] [Autodesk 1999]
Une autre eacutevolution des algorithmes de radiositeacute fut le concept de maillage adaptatif ougrave le logiciel commence agrave calculer agrave partir drsquoun maillage de faible preacutecision Ensuite il procegravede agrave des subdivisions suppleacutementaires lagrave ougrave il y a une grande diffeacuterence drsquoeacuteclairement entre les mailles Cette meacutethode conduit agrave une eacuteconomie dans le temps de calcul et dans lrsquoutilisation de meacutemoire
1212 Lancer de rayons La deuxiegraveme famille drsquoalgorithmes est la plus ancienne elle a connu plus de deacuteveloppements et preacutesente une plus grande varieacuteteacute de meacutethodes
Ces meacutethodes ont lrsquoavantage de calculer avec preacutecision lrsquoeacuteclairement direct de calculer les effets speacuteculaires des mateacuteriaux de mieux deacutefinir les ombres et de consideacuterer les reacutefractions agrave travers les surfaces transparentes Crsquoest donc les algorithmes qui donnent les meilleurs reacutesultats graphiques drsquoougrave ce qursquoon appelle le photo-reacutealisme des images de synthegravese
Il existe plusieurs cateacutegories drsquoalgorithmes baseacutees sur le lancer de rayon nous citons les suivantes
Figure I4 Exemple drsquoun calcul de Lancer de rayons (inverse)
1 Traceacute de rayons ou Lancer de rayons depuis lrsquoobservateur dite aussi Lancer inverse de rayons (backward ray tracing) les rayons sont geacuteneacutereacutes depuis lrsquoœil de lrsquoobservateur et cheminent agrave travers des reacuteflexions multiples sur les parois jusqursquoaux sources de lumiegravere (voir figure I4) Ainsi seuls les rayons utiles pour la construction de lrsquoimage seront geacuteneacutereacutes et suivis agrave travers les diffeacuterentes inter-reacuteflexions mais la solution est valide pour un seul point de vue [Whitted 1980]
2 Suivi de rayons ou Lancer direct de rayons (forward ray tracing) cette meacutethode geacutenegravere les rayons lumineux depuis la source vers les surfaces reacuteceptrices quand un rayon atteint une surface il est dirigeacute selon la photomeacutetrie rencontreacutee jusqursquoagrave lrsquoeacutepuisement de son eacutenergie [Fontoynont 1991]
3 Technique statistique de monte-carlo backward ou forward La meacutethode de Monte-Carlo associeacutee agrave des meacutethodes de lancer de rayons a recours agrave une technique statistique
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Chapitre I
pour la distribution des rayons reacutefleacutechis Elle neacutecessite un temps de calcul eacuteleveacute [IEA-SHC 1999]
I22 Exemples types des logiciels existants Les logiciels existants sur le marcheacute international et utiliseacutes comme outils de conception en eacuteclairage peuvent ecirctre classeacutes en diffeacuterentes familles [De Boer 1999] [IESNA 1999]
1 Les logiciels baseacutes sur les formules de base de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel Ces logiciels sont souvent distribueacutes par les constructeurs de luminaires et munis de leur bibliothegraveque de luminaires
2 Des logiciels baseacutes sur des formules de base de calcul en eacuteclairage naturel ou sur des donneacutees empiriques (ou preacute-simuleacutees) Ces logiciels sont souvent deacutedieacutes agrave lrsquoutilisation dans les phases preacuteliminaires de la conception drsquoun projet (ex Dial Sodalight etc)
3 Les logiciels capables de calculer lrsquoeacuteclairage direct uniquement Ils sont tregraves souvent inteacutegreacutes dans des logiciels de DAO Leur objectif est limiteacute agrave lrsquoameacutelioration du rendu graphique drsquoun projet ou au mieux agrave une eacutetude de taches solaires (ex Archicad) Cependant ce type de logiciels devient de plus en plus rare En effet vu leurs potentiels un certain nombre de ces logiciels a eacuteteacute mis agrave niveau par les deacuteveloppeurs et a passeacute ainsi agrave la famille suivante (ex Microstation et 3D Studio)
4 Les logiciels dits drsquoeacuteclairement global Ils utilisent souvent des algorithmes de calcul physique (en particulier de radiositeacute et lancer de rayons) Nous distinguons cependant dans cette cateacutegorie les logiciels deacuteveloppeacutes dans un cadre scientifique (ex Radiance Geacuteneacutelux CSTB) de ceux deacuteveloppeacutes et diffuseacutes dans un cadre commercial (Lightscape Dialuxhellip) En geacuteneacuteral les logiciels commerciaux possegravedent des interfaces plus conviviales mais les logiciels scientifiques offrent des fonctionnaliteacutes plus complegravetes Par exemple certains logiciels scientifiques sont capables de prendre en consideacuteration lrsquoaspect spectral de la propagation de la lumiegravere etou de traiter les fonctions bidirectionnelles Finalement nous notons que les logiciels commerciaux manquent le plus de transparence sur leur fiabiliteacute dans les diffeacuterents domaines drsquoapplication (manque de travaux de validation)
Dans notre travail de thegravese nous nous inteacuteressons en particulier agrave la derniegravere famille Ne pouvant pas enquecircter sur tous les logiciels existants nous nous contentons de citer (par ordre alphabeacutetique) quelques logiciels sur lesquels il y a eu des publications scientifiques et des travaux de validation [Fontoynont 1999]
1221 Adeline Deacuteveloppeacute dans le cadre de lrsquoIEA Adeline a eacuteteacute fondeacute sur les logiciels Superlite et Radiance par le biais drsquoun modeleur graphique et drsquooutils de DAO Ainsi il permet de deacutefinir la geacuteomeacutetrie avec son propre systegraveme de DAO par lrsquoentreacutee manuelle des coordonneacutes carteacutesiennes ou agrave partir drsquoun fichier DXF
Le logiciel est muni drsquoune bibliothegraveque de base de donneacutees de mateacuteriaux de luminaires et de mobilier Il produit des reacutesultats numeacuteriques ou bien graphiques Au-delagrave des eacuteclairements et des luminances Adeline permet de calculer lrsquoeacutenergie consommeacutee par lrsquoeacuteclairage artificiel en fonction des apports de lumiegravere du jour [Erhorn 1998] [Scartezzini 1993]
1222 Genelux Le logiciel Genelux deacuteveloppeacute au laboratoire des sciences de lrsquohabitat utilise un algorithme de lancer direct et suivi de rayons lumineux (Forward Ray tracking) La distribution des rayons reacutefleacutechis est effectueacutee en ayant recours agrave une technique statistique de Monte Carlo
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Chapitre I
Dans le cas ougrave les surfaces seraient parfaitement diffusantes il est possible de faire appel agrave un algorithme baseacute sur la meacutethode de radiositeacute afin de reacuteduire les temps de simulation Genelux peut modeacuteliser les surfaces speacuteculaires diffuses ou mixtes en transmission etou reacuteflexion Il peut eacutegalement prendre en consideacuteration des quantiteacutes spectrales en deacutecomposant les rayons incidents par bandes spectrales [Mitanchey 1996] [Maamari 2003]
1223 Inspirer Destineacute surtout au domaine de lrsquoarchitecture avec comme fonctionnaliteacutes les calculs de lrsquoeacuteclairage les analyses de visibiliteacute et la visualisation des projets Pour le calcul de lrsquoeacuteclairage il utilise des approches hybrides surtout la meacutethode bi-directionnelle de Monte Carlo au Lancer de Rayons Ce qui diffeacuterencie le plus ce logiciel est lrsquoutilisation des formules de BRDF qui permet de respecter les variations de reacuteflexion et de transmission (diffuse et speacuteculaire) ainsi que des couleurs selon lrsquoangle drsquoincidence et de vision [Maamari 2003]
1224 DIAL Leso-Dial Le but du logiciel est de donner aux architectes des informations utiles concernant lrsquoutilisation de la lumiegravere de jour dans un bacirctiment degraves la phase de lrsquoavant projet Il calcule le facteur de lumiegravere du jour sur le plan utile gracircce agrave une utilisation hybride de formule analytique et empirique [Paule 1995]
1225 Lightscape 32 Crsquoest un logiciel qui est destineacute agrave des utilisations graphiques mais il offre eacutegalement des fonctionnaliteacutes inteacuteressantes pour la simulation physique de la lumiegravere Il utilise un algorithme de radiositeacute pour le calcul quantitatif et un algorithme de lancier de rayons pour lrsquoameacutelioration qualitative et visuelle des images de synthegraveses Ce logiciel est deacutecrit en deacutetail dans la partie IV11 de ce document [Khodulev 1996] [Maamari 2002]
1226 Radiance Le logiciel Radiance utilise un algorithme de lancer inverse de rayons Le lancer des rayons peut ecirctre stoppeacute si leur eacutenergie est jugeacutee insuffisante Les rayons reacutefleacutechis peuvent ecirctre geacuteneacutereacutes selon une fonction de distribution permettant la simulation de reacuteflexions speacuteculaires semi-speacuteculaires ou diffuses Ce lancer de rayons est compleacuteteacute drsquoun calcul statistique de reacuteflexion diffuse pour distribuer le flux reacutesiduel [Ward 1994] [Grynberg 1988]
1227 Superlite Le logiciel Superlite utilise une meacutethode point agrave point de radiositeacute Toutes les surfaces sont supposeacutees ecirctre parfaitement diffusantes Crsquoest la meacutethode la plus rapide mais elle est toutefois limiteacutee aux surfaces diffuses [Grynberg 1988]
I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels Lrsquoutilisation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage se geacuteneacuteralise de plus en plus dans le domaine de conception en eacuteclairage et au-delagrave Ainsi de nos jours ces logiciels sont utiliseacutes aussi bien par des bureaux drsquoeacutetude du bacirctiment et des architectes que par des deacuteveloppeurs de jeu videacuteo Les applications peuvent ecirctre entre autres [IESNA 1999] [3D-lumiegravere 2000] [Maamari 2002]
1 La conception en eacuteclairage artificiel Que ce soit pour lrsquoeacuteclairage inteacuterieur des bacirctiments lrsquoeacuteclairage des faccedilades des monuments des voiries des trottoirs ou lrsquoeacuteclairage des
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Chapitre I
tunnels etc Elle comprend entre autre le dimensionnement des systegravemes lrsquoanalyse du confort visuel et de la consommation etc
2 La conception en eacuteclairage naturel dimensionnement des ouvertures et des protections solaires orientation des projets analyse de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour et eacutetudes des FLJhellip
3 Le rendu et la preacutesentation des projets par les architectes et par les deacutecorateurs drsquointeacuterieur 4 La creacuteation de scegravenes de reacutealiteacute virtuelle pour le monde du cineacutema de la publiciteacute ou des
jeux videacuteohellip 5 La conception mecircme des optiques de luminaires ou de phares de voitures
Le domaine drsquoutilisation drsquoun logiciel donneacute deacutepend des fonctionnaliteacutes proposeacutees par ce logiciel de ses capaciteacutes agrave simuler avec un certain degreacute de fiabiliteacute et de faciliteacute les diffeacuterents domaines de la propagation de la lumiegravere en relation avec les besoins de lrsquoutilisateur
Bien que les algorithmes de calcul utiliseacutes dans les logiciels se ressemblent ces derniers ne sont pas tous adapteacutes pour les mecircme types drsquoapplications et ne reacutepondent pas aux mecircmes besoins
Ainsi certains utilisateurs cherchent en prioriteacute la faciliteacute drsquoutilisation des fonctionnaliteacutes en relation avec leur propre activiteacute en deacutepit des autres fonctionnaliteacutes et mecircme parfois en deacutepit de la validiteacute des reacutesultats Drsquoailleurs crsquoest agrave cause de ce contexte que des deacuteveloppeurs de logiciels commerciaux ont tendance agrave proposer des interfaces et des fonctionnaliteacutes optimiseacutees et orienteacutees vers un domaine drsquoapplication donneacute Ainsi nous commenccedilons agrave trouver par exemple des logiciels deacutedieacutes agrave la conception de lrsquoeacuteclairage public etou des tunnels (ex Tunnel-Lite) drsquoautres agrave la conception des protections solaires (ex ParaSol) etc
Cependant il est encore difficile de nos jours agrave un concepteur de bacirctiment de savoir quel est le ou les logiciels existants qui reacutepondent le mieux agrave ses propres besoins Crsquoest ce qui ressort dans les diffeacuterentes enquecirctes meneacutees sur lrsquoutilisation des logiciels en particulier celle meneacutee par le club 3D-Lumiegravere [3D-lumiegravere 2000] et celle que nous avons meneacutee au Light and Building 2002 [Maamari 2002] (voir annexe D) Nous notons par exemple dans ces deux enquecirctes lrsquoutilisation par des concepteurs lumiegravere de logiciels graphiques (Photoshop) en tant qursquooutils de conception
I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I31 Introduction Comme son nom lrsquoindique un logiciel de simulation de lrsquoeacuteclairage est supposeacute simuler la reacutealiteacute Mais la fideacuteliteacute de la simulation agrave la reacutealiteacute est loin drsquoecirctre veacuterifieacutee pour tous les logiciels existants sur le marcheacute international
Drsquoailleurs le niveau de preacutecision et de similitude (entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage et la reacutealiteacute) exigeacute ou souhaiteacute par les diffeacuterents utilisateurs nrsquoest pas neacutecessairement le mecircme et peut varier largement selon la speacutecificiteacute de leurs domaines drsquoactiviteacute [Maamari 2002]
Ainsi pour des utilisateurs qui srsquointeacuteressent uniquement au rendu graphique une image de synthegravese reacutealiste sans ecirctre neacutecessairement proche de la reacutealiteacute peut ecirctre suffisante Pour eux la question de la validation scientifique du logiciel utiliseacute ne se pose pas trop
Alors que pour des utilisateurs qui comptent extraire drsquoune simulation des cartes de luminances pour analyser le confort visuel de lrsquooccupant la validiteacute du logiciel devient drsquoune
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Chapitre I
importance de premier ordre Ceci est eacutegalement vrai pour les concepteurs en eacuteclairage qui ont besoin de veacuterifier que le niveau drsquoeacuteclairement est suffisant sur le plan de travail
Mais quel que soit le niveau de preacutecision souhaiteacute il est important pour un futur utilisateur de savoir la preacutecision qursquoil peut attendre de la part du logiciel qursquoil souhaite utiliser pour un type donneacute de tacircches Cette information est mecircme indispensable pour aboutir agrave une utilisation responsable des logiciels de simulation mais cela ne peut ecirctre possible qursquoagrave travers une validation rigoureuse et transparente de ce logiciel
Une validation rigoureuse et transparente des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage est une tacircche immense et drsquoune complexiteacute non neacutegligeable Ce qui est vrai pour tous les logiciels baseacutes sur des lois physiques comme par exemple les logiciels de simulation thermique
Cette complexiteacute est drsquoautant plus vraie quand on srsquointeacuteresse agrave lrsquoorientation du choix des utilisateurs vers un logiciel qui reacutepond le mieux agrave leurs propres besoins Dans ce contexte on souhaite veacuterifier la capaciteacute du logiciel agrave simuler avec preacutecision les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere lieacutes au domaine drsquoutilisation mais aussi on veut comparer cette capaciteacute agrave drsquoautres logiciels existants
La multitude des aspects qui entrent en jeu dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere combineacutee agrave la diversiteacute des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage contribuent agrave cette complexiteacute
Ainsi un logiciel capable de simuler des luminaires agrave optique diffusante nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler un luminaire avec une optique asymeacutetrique De mecircme un logiciel capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour agrave travers un vitrage ordinaire nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave travers un vitrage ou un systegraveme de protection solaire agrave aspect bidirectionnel etc
Nous preacutesentons ci-dessous une eacutetude bibliographique sur lrsquoeacutetat de lrsquoart du domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I32 Diffeacuterents types de validation En ce qui concerne les types de travaux de validation reacutealiseacutes nous avons pu identifier les suivants
I321 La validation analytique La validation analytique comme son nom lrsquoindique porte sur des cas theacuteoriques pour lesquels il existe des lois analytiques Ces lois sont issues des notions de base de la science physique lieacutees au rayonnement eacutelectromagneacutetique
Les travaux de validation baseacutes sur des reacutefeacuterences analytiques sont assez rares parmi les travaux reacutealiseacutes que nous avons pu trouver lors de notre recherche bibliographique
Cependant la validation analytique preacutesente des avantages consideacuterables comme la possibiliteacute de limiter les paramegravetres lieacutes agrave la propagation de la lumiegravere qui entrent en jeu dans un sceacutenario test Nous notons aussi lrsquoavantage de donner des solutions de reacutefeacuterences avec des incertitudes nulles ou neacutegligeables
En contrepartie la validation analytique ne peut couvrir que des domaines limiteacutes de la propagation de la lumiegravere Ce sont en geacuteneacuteral des cas de figures simples pour lesquels existe une loi theacuteorique [Aizlewood 1997]
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Chapitre I
I322 La validation expeacuterimentale Dans ce type de validation les reacutesultats des logiciels sont compareacutes agrave des mesures expeacuterimentales Ces mesures peuvent ecirctre reacutealiseacutees dans
a des maquettes drsquoeacutetude agrave eacutechelle reacuteduite [Caroll 1999] b des cellules tests agrave eacutechelle 11 c ou des piegraveces reacuteelles [Galasiu 1998] [Jarvis 1997]
Quel que soit le type des mesures reacutealiseacute la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales agrave utiliser pour des travaux de validation est confronteacutee agrave des obstacles consideacuterables
Le premier est lieacute aux sources drsquoerreur introduites lors de la description du sceacutenario expeacuterimental afin de le reproduire dans une simulation numeacuterique
Lrsquoimportance de cet obstacle est aggraveacutee par la multitude des paramegravetres qui entrent en jeu dans un sceacutenario expeacuterimental et par lrsquointeraction entre les sources drsquoerreurs lieacutees agrave chacun de ces paramegravetres
A titre drsquoexemple les sources drsquoerreur peuvent survenir lors de la description de la source de lumiegravere (artificielle ou reacuteelle) lors de la description de la photomeacutetrie des mateacuteriaux (reacuteflexion bidirectionnelle caracteacuteristiques spectraleshellip) etc
Un autre obstacle est ducirc agrave lrsquoincertitude qui existe dans la valeur mesureacutee et cela quelle que soit la preacutecision du protocole expeacuterimental appliqueacute Cette incertitude est lieacutee en partie agrave la preacutecision de lrsquoappareil de mesure et agrave son positionnement
Ducirc agrave tous ces obstacles la comparaison entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique et les mesures expeacuterimentales permet difficilement de conclure sur la preacutecision du logiciel testeacute
Il est aussi important de noter qursquoun des plus grands obstacles agrave la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales fiables reste celui des moyens techniques financiers et humains neacutecessaires aux expeacuterimentations
I323 La validation comparative Elle porte sur une comparaison des reacutesultats de simulation de plusieurs logiciels entre eux Cela peut ecirctre fait avec lrsquoexistence ou non drsquoune reacutefeacuterence expeacuterimentale ou analytique
Lrsquoavantage des comparaisons est de donner la possibiliteacute aux utilisateurs de mieux choisir entre plusieurs logiciels selon leur performance dans un domaine donneacute de la simulation
Cependant lrsquoutilisation des reacutesultats drsquoune comparaison afin de juger des logiciels les uns par rapport aux autres neacutecessite un maximum de transparence en particulier sur la complexiteacute des proceacutedures et sur le temps de calcul neacutecessaire pour obtenir ces reacutesultats [Grynberg 1988] [Fontoynont 1999] [Maamari 2003]
I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes Les travaux de validation reacutealiseacutes sur des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage ne manquent pas en nombre cependant crsquoest la creacutedibiliteacute de ces travaux qui nrsquoest pas toujours veacuterifieacutee
En ce qui concerne les rares travaux de validation existants qui beacuteneacuteficient drsquoune creacutedibiliteacute scientifique ou celle drsquoun organisme agreacuteeacute nous citons les suivants
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Chapitre I
I331 Le travail de Khodulev et Kopylov Ce travail reacutealiseacute et publieacute par Andrei B Khodulev et Edward A Kopylov en 1996 [Khodulev 1996] est lrsquoun des rares travaux de validation qui ont utiliseacute une reacutefeacuterence analytique
Le travail porte sur une validation comparative entre les logiciels Lightscape Specter et Radiance Une description des trois logiciels est donneacutee portant sur plusieurs critegraveres y compris lrsquointerface utilisateur
Un des sceacutenarios utiliseacutes pour la comparaison est celui drsquoune piegravece cubique fermeacutee avec une source lumineuse isotrope au centre La comparaison porte sur lrsquoeacuteclairement au niveau des points de mesure situeacutes sur le sol La valeur de reacutefeacuterence de cet eacuteclairement est calculeacutee semi-analytiquement pour prendre en consideacuteration la composante reacutefleacutechie interne
I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE Ce rapport repreacutesente un exemple ideacuteal sur la creacuteation des donneacutees expeacuterimentales fiables pour la validation des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage [Slater 2002]
Le travail deacutecrit dans ce rapport porte sur un protocole expeacuterimental qui a eacuteteacute deacutefini et conduit drsquoune maniegravere remarquablement rigoureuse dans une cellule test agrave eacutechelle 11 Le but est de creacuteer une base de donneacutees expeacuterimentales pour la validation des logiciels de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel
Le rapport comprend une description preacutecise du sceacutenario expeacuterimental y compris les dimensions de la geacuteomeacutetrie (une piegravece carreacutee) la position des lampes ou des luminaires la position des points de mesure ainsi que le coefficient de reacuteflexion des surfaces La description du sceacutenario comprend aussi les fichiers photomeacutetriques des luminaires au format CIBSE TM 14 sachant que la photomeacutetrie reacuteelle de chaque luminaire a eacuteteacute mesureacutee seacutepareacutement dans un laboratoire agreacuteeacute
Le protocole expeacuterimental comprend un controcircle du flux lumineux agrave travers lrsquoobservation et le controcircle des fluctuations du courant eacutelectrique et de la tempeacuterature de la piegravece Les lampes et les ballasts ont eacuteteacute vieillis Les lampes ont eacuteteacute preacutechauffeacutees une heure avant les mesures
Les capteurs ont eacuteteacute calibreacutes et fixeacutes sur un trolley afin de garantir la reacutepeacutetitiviteacute de leur position Six diffeacuterentes mesures ont eacuteteacute prises pour chaque point agrave lrsquoaide de deux capteurs diffeacuterents la moyenne de ces mesures a eacuteteacute utiliseacutee comme reacutefeacuterence
Une estimation des erreurs de mesures a eacuteteacute calculeacutee ainsi que des erreurs de simulation dues agrave lrsquoincertitude dans la description du sceacutenario Les reacutesultats ont alors eacuteteacute preacutesenteacutes sous forme de deux bandes de valeurs la premiegravere bande est celle des mesures prises + ou ndash lrsquoestimation des erreurs de mesure et lrsquoautre est celle des mesures + ou ndash le total des erreurs estimeacutees y compris les erreurs de simulation
I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA Ce travail a eacuteteacute meneacute dans le cadre de la tache 21 de lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie intituleacutee lumiegravere naturelle dans les bacirctiments En effet un projet a eacuteteacute deacutedieacute au thegraveme de la validation des logiciels de calcul en eacuteclairage et a fait lrsquoobjet drsquoune collaboration entre les laboratoires de six nations diffeacuterentes parmi lesquels le Laboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Fontoynont 1999] [Maamari 2002]
Dans le cadre de ce projet des donneacutees expeacuterimentales ont eacuteteacute reacutecolteacutees agrave travers des mesures drsquoeacuteclairement agrave lrsquointeacuterieur drsquoune seacuterie de maquettes agrave eacutechelle reacuteduite placeacutees sous des ciels
44
Chapitre I
artificiels Trois bacirctiments types ont eacuteteacute testeacutes sous plusieurs configurations en changeant les types drsquoouverture etou les coefficients de reacuteflexion des surfaces
Les sceacutenarios expeacuterimentaux ont eacuteteacute simuleacutes agrave lrsquoaide des logiciels drsquoeacuteclairage naturel Adeline Genelux Leso-DIAL Radiance et Superlite Les reacutesultats des simulations ont eacuteteacute compareacutes entre les diffeacuterents logiciels et confronteacutes aux mesures expeacuterimentales
Cette comparaison a montreacute que le calcul des eacuteclairements agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment dus agrave lrsquoeacuteclairage naturel demande une description minutieuse des luminances des portions de la voucircte ceacuteleste vues par la fenecirctre Les eacuteclairements directs agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment sont alors calculeacutes avec une preacutecision de lrsquoordre de 5 La preacutecision des calculs des reacuteflexions multiples agrave lrsquointeacuterieur de la piegravece deacutepend quant agrave elle des proprieacuteteacutes des surfaces inteacuterieures et en particulier de la lrsquoaspect bidirectionnel de ces surfaces
Cette eacutetude a montreacute finalement que les programmes doivent ecirctre utiliseacutes avec beaucoup de preacutecautions car les reacutesultats de simulation sont tregraves sensibles agrave la qualiteacute des hypothegraveses et des paramegravetres drsquoentreacutee description de la source de lumiegravere geacuteomeacutetrie du bacirctiment paramegravetres de simulation
I34 Analyse de la probleacutematique Drsquoapregraves la recherche bibliographique preacutesenteacutee ci-dessus sur le domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage nous pouvons reacutesumer la probleacutematique de ce domaine dans les points suivants
1 Difficulteacute drsquoaccegraves agrave lrsquoinformation Elle est due en particulier agrave lrsquoabsence de sources publiques speacutecialiseacutees dans le domaine
2 Manque de transparence Ainsi nous trouvons souvent des reacutesultats de validation preacutesenteacutes sans suffisamment drsquoinformation sur les proceacutedures qui ont abouti agrave ces reacutesultats
3 Manque de creacutedibiliteacute une partie importante des travaux de validation existants est reacutealiseacutee par les deacuteveloppeurs des logiciels testeacutes les sources drsquoincertitudes dans les valeurs de reacutefeacuterence ne sont souvent pas prises en consideacuteration etc
4 Manque de travaux concluants sur la validiteacute du logiciel testeacute Ceci est ducirc en partie agrave la complexiteacute des sceacutenarios expeacuterimentaux et agrave la restriction des domaines testeacutes Ainsi il est rarement possible drsquoidentifier avec certitude les points de faiblesse et les domaines drsquoapplication drsquoun logiciel testeacute
5 Absence de reacutefeacuterences standardiseacutees Ce qui fait qursquoun certain aspect de la propagation de la lumiegravere est testeacute dans diffeacuterents logiciels avec des protocoles diffeacuterents Ce qui ne permet pas une comparaison transparente et objective entre ces diffeacuterents logiciels
6 Manque de validations analytiques malgreacute les avantages de ce type de validation
En reacuteponse aux problegravemes listeacutes ci-dessus nous identifions en particulier le besoin drsquoune standardisation et drsquoune mise agrave disposition des reacutefeacuterences de validation fiables de preacutefeacuterence sous la garantie et le controcircle drsquoun ou plusieurs organismes creacutedibles
I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
I351 Introduction Le premier objectif qursquoon pourrait attendre des travaux de validation crsquoest de pouvoir ameacuteliorer la confiance des utilisateurs dans les logiciels de simulation A savoir qursquoameacuteliorer la confiance ne veut pas forceacutement dire lrsquoaugmenter Mais plutocirct sensibiliser les utilisateurs aux capaciteacutes et aux limites des diffeacuterents logiciels dans les diffeacuterents domaines de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Ainsi agrave travers lrsquoidentification des points de faiblesse
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Chapitre I
drsquoun logiciel et de ces domaines drsquoapplication on pourra aboutir agrave une utilisation responsable de ces logiciels
Drsquoougrave le besoin drsquoune meacutethodologie de validation qui permet de tester la capaciteacute drsquoun logiciel agrave simuler les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Cette meacutethodologie doit eacutegalement palier les deacutefaillances rencontreacutees dans le domaine agrave noter creacutedibiliteacute fiabiliteacute et accessibiliteacute
I352 Concept et approche proposeacutes Pour atteindre les objectifs fixeacutes ci-dessus la meacutethodologie de validation proposeacutee repose un concept de base qui est celui de tester seacutepareacutement les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Ceux-ci peuvent ecirctre classeacutes sous 3 grands groupes
1 La description de la source de lumiegravere et le calcul de lrsquoeacuteclairement direct 2 Le transfert du flux lumineux agrave travers les composants de la fenecirctre et lrsquoinfluence des
masques 3 Les inter-reacuteflexions sur les diffeacuterents mateacuteriaux avec diffeacuterentes photomeacutetries
Pour appliquer ce concept cette meacutethodologie de validation est baseacutee sur une seacuterie de cas-tests chacun traitant un sceacutenario drsquoeacuteclairage simple (un nombre limiteacute de paramegravetres) ougrave un certain aspect de la propagation de lumiegravere est mis en eacutevidence La description des cas-tests comprend la geacuteomeacutetrie les sources de lumiegravere ainsi qursquoune seacuterie de valeurs de reacutefeacuterence agrave utiliser pour tester la capaciteacute du logiciel agrave simuler lrsquoaspect en question Ces valeurs de reacutefeacuterence sont obtenues soit agrave lrsquoaide drsquoun calcul analytique quand crsquoest possible (pour des sceacutenarios theacuteoriques) ou bien agrave partir de mesures expeacuterimentales
Ainsi chaque cas-test est applicable agrave tout logiciel proposant des fonctionnaliteacutes lieacutees agrave lrsquoaspect traiteacute (dans ce cas-test) indeacutependamment des algorithmes utiliseacutes des meacutethodes de calcul adopteacutees ou des paramegravetres utiliseacutes
Cependant il est possible drsquoassocier agrave chaque test une eacutetude parameacutetrique propre agrave chaque logiciel Une telle eacutetude permet de mieux comprendre lrsquoinfluence des diffeacuterents paramegravetres proposeacutes sur la preacutecision du logiciel dans un aspect donneacute de la propagation de la lumiegravere
Pour une utilisation optimale de cette meacutethodologie de validation les cas-tests doivent couvrir tous les aspects de la propagation de la lumiegravere Ils seront alors utiliseacutes en tant qursquooutil unique et complet pour tester un logiciel donneacute
Une comparaison geacuteneacuterale des reacutesultats des simulations drsquoun logiciel donneacute aux valeurs de reacutefeacuterences de la seacuterie de cas-tests donnera une ideacutee claire sur les domaines ougrave le logiciel testeacute respecte ou non les lois physiques Ceci permettra agrave un utilisateur de veacuterifier si ce logiciel est compatible avec son propre domaine drsquoactiviteacute et agrave un deacuteveloppeur de veacuterifier si son logiciel a atteint les perspectives souhaiteacutees
De la mecircme faccedilon une comparaison entre les reacutesultats de diffeacuterents logiciels et les valeurs de reacutefeacuterence permet drsquooffrir une vision objective sur le logiciel qui reacutepond le mieux agrave une exigence donneacutee
46
Chapitre I
Conclusions Suite agrave notre eacutetude bibliographique sur le domaine de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage nous avons orienteacute le travail de cette thegravese (agrave travers les chapitres suivants) de faccedilon agrave reacutepondre agrave certains des problegravemes identifieacutes dans ce domaine
Ainsi en ce qui concerne le manque de fiabiliteacute dans les travaux de validation des logiciels nous deacuteveloppons la meacutethode de validation que nous avons proposeacutee Dans ce cadre nous creacuteons une seacuterie de cas-tests en relation avec diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere traiteacutes ci-dessus Ces cas-tests sont reacutepartis en deux familles lrsquoune avec des sceacutenarios theacuteoriques et des reacutefeacuterences analytiques et lrsquoautre avec des reacutefeacuterences expeacuterimentales reacutepondant agrave des critegraveres de controcircle de qualiteacute que nous avons deacutefinis
En ce qui concerne la difficulteacute de simuler des sceacutenarios reacuteels de lumiegravere naturelle nous proposons et validons une meacutethode de simulation agrave partir des cartes de luminances reacuteelles agrave haute deacutefinition
Finalement nous proposons et nous validons une meacutethode de simulation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquoaide des luminaires eacutequivalents Cette meacutethode permet agrave la simulation de la lumiegravere de jour de beacuteneacuteficier de la preacutesence confirmeacutee des outils de simulation de la lumiegravere artificielle dans le domaine de la conception des bacirctiments Elle permet eacutegalement de surmonter un nombre de difficulteacutes rencontreacutees dans certains logiciels classiques de simulation la lumiegravere naturelle en particulier celles lieacutees agrave la preacutecision des reacutesultats par rapport au temps de calcul et agrave la simulation des masques exteacuterieurs
47
Chapitre I
Reacutefeacuterences Bibliographiques 3D-LUMIEgraveRE Enquecircte sur la connaissance et lrsquoutilisation des systegravemes informatiques de simulation drsquoeacuteclairage Paris Club 3D Lumiegravere 2000 11 p ACHARD G LAFORGUE P SOUYRI B FONTOYNONT M BASTIE A MITANCHEY R Etude dun systegraveme Metrologique de Confort Radiatif Integrant lAspect Thermique et lAspect Visuel Paris 1994 60 p AFE Les sources de lumiegravere Socieacuteteacute dEdition Lux 1987 199 p AIZLEWOOD M BUTT J ISAAK K LITTLEFAIR P Daylighting in atria a comparison of measurements theory and simulation Lux Europa 1997 Amsterdam-Netherlands 1997 ANDERSEN M RUBIN M POWLES R SCARTEZZINI J L Bi-directional light transmission properties assessment for venetian blinds Computer simulations compared to photogoniometer measurements ISES Solar World Congress 2003 - Solar Energy for a Sustainable Future Gothenburg - Sweden International Solar Energy Society 2003 ANDERSEN M RUBIN M SCARTEZZINI J-L Comparison between ray-tracing simulations and bi-directional transmission measurements on prismatic glazing Solar Energy 2003 vol 74 ndeg2 pp 157-217 ANSIIESNA ANSIIESNA LM-63-02 ANSI Approved Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data and Related Information ANSIIESNA LM-63-02 2002 26 p ASE Eclairage inteacuterieur par la lumiegravere du jour Norme Suisse SN 418911 Zuumlrich Association Suisse des Electriciens 1989 ASHDOWN I Near-Field Photometry A New Approach IES 1993 vol 22 ndeg1 pp 163-180 ASHDOWN I EULUMDAT File Format Specification [en ligne] Disponible sur lthttpwwwhelios32comEulumdathtmgt (09 Mars 2004) ASHDOWN I Thinking photometrically Part II 105 Las Vegas workshop-Lightfair International 2001 42 p ASHRAE-IESNA Energy efficient design of new buildings except new low-rise residential buildings ASHRAEIES 901-1989 American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditionaing Engginers 1989 AUTODESK Lightscape 32 Users Guide 32 Autodesk 1999 352 p BALOCCO C FORASTIERE M A GRAZZINI G RIGHINI G C Experimental results of transparent reflective and absorbing propoerties of some building materials Energy and Buildings 2001 vol 33 pp 563-568
48
Chapitre I
CAROLL W L HITCHCOCK R J Recent Comparisons of SUPERLITE to Scale Model Data LBNL-43107 Lawrence Berkeley National Laboratory 1999 CHAIN C DUMORTIER D FONTOYNONT M A comprehensive model of luminance correlated colour temperature and spectral distribution of skylight Comparison with experimental data Solar Energy 1999 vol 65 ndeg5 pp 285-295 CIBSE CIBSE standard file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIBSE TM 14 London CIBSE 1988 CIE Daylight CIE-16 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1970 79 p CIE Standardization of Luminance Distribution on Clear Skies CIE-22 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1973 CIE Calculations for Interior Lighting Basic Method CIE-40 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1978 CIE Absolute Methods for Reflection Measurements CIE-44 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 CIE A Review of Publications on Properties and Reflection Values of Material Reflection Standards CIE-46 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 99 p CIE Calculations for Interior Lighting Applied Method CIE-52 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1982 CIE The Spectroradiometric Measurement of Light Sources CIE-63 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1984 CIE Colorimetry 2nd Edition CIE-152 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1986 CIE The Measurement of Absolute Luminous Intensity Distributions CIE-70 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1987 CIE The Measurement of Luminous Flux CIE-84 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1989 CIE Standard overcast and clear sky 3rd Draft Vienne Commission Internationale de LrsquoEclairage 1990 CIE Electric Light Sources State of the Art-1991 CIE-96 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1992 CIE Recommended file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIE-102 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1993 CIE Guide to Recommended Practice of Daylight Measurement CIE-108 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1994
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Chapitre I
CIE Discomfort Glare in Interior Lighting CIE-117 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1995 CIE The Photometry and Goniophotometry of Luminaires CIE-121 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE The Relationship Between Digital and Colorimetric Data for Computer-Controlled CRT Displays CIE-122 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance CIE-130 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1998 CIE Spatial distribution of daylight - CIE standard general sky Vienne Commission Internationale de lEclairage 2002 7 p COHEN M F CHEN S E WALLACE J R GREENBERG DP A progressive refinement approach to fast radiosity image generation 15th annual conference on computer graphics and interactive techniques ACM Press New York 1988 pp 75-84 DE BOER J Encorporation of numerical goniophotometry into daylighting design CISBAT 2003 Lausanne EPFL 2003 pp 229-234 DE BOER J ERHORN H Survey Simple Design Tools IEA 1999 49 p DENIEL J M Modeacutelisation des luminaires et des BRDF Reacutealisation mesure et compression Thegravese en Informatique Rennes Universiteacute de Rennes 1 2002 277 p DUMORTIER D Mesure Analyse et Modeacutelisation du gisement lumineux Application agrave leacutevaluation des performances de leacuteclairage naturel des bacirctiments Thegravese en Geacutenie Civil et Sciences de lHabitat Vaulx en Velin ENTPE Universiteacutee de Savoie 1995 295 p DUMORTIER D Lumiegravere naturelle et rayonnement solaire - Mesures au sol et estimations agrave partir dimages satellites - Deacuteveloppement de services Web pour leacuteclairage naturel des bacirctiments HDR Thermique et Energeacutetique Vaulx en Velin ENTPE 2003 161 p DUMORTIER D VAN ROY F SODA daylighting resource SODA Deliverable 53C 2002 DUMORTIER D VETRO P Luminance calibration of the Nikon 950 digital cameras Lux Europa Reykjavik 2001 ERHORN H DE BOER J DIRKSMOLLER M ADELINE - An Integrated Approach to Lighting Simulation Daylighting 98 Ottawa 1998 FOLEY D J VAN-DAM A FEINER S K HUGHES J F Computer Graphics Principles and Practice Second Edition ADDISON-WESLEY 1990 (The systems programming series
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Chapitre I
FONTOYNONT M Le point sur les meacutethodes de simulation et sur lrsquoutilisation de lrsquoimage de synthegravese en eacuteclairage LUX 1991 FONTOYNONT M LAFORGUE P MITANCHEY R AIZLEWOOD M BUTT J CARROLL W HITCHOCK R ERHORN H DE BOER J DIRKSMOumlLLER M MICHEL L PAULE B SCARTEZZINI J-L BODART M AND ROY G Validation of daylighting simulation programs IEA SHC Task 21 ECBCS Annex 29 1999 28 p GALASIU A ATIF M Applicability of Daylighting Computer Modeling in Real Case Studies Comparison between Measured and Simulated Daylight Availability and Lighting Consumption IEA SHC Task 21 IEA ECBCS Annex 29 Daylight in Buildings International Energy Agency National Research Council Canada 1998 68 p GREENUP P J EDMONDS I R COMPAGNON R RADIANCE algorithm to simulate laser-cut panel light-redirecting elements Lighting Research amp Technology 2000 vol 32 ndeg2 pp 49-54 GRYNBERG A Comparison and Validation of Radiance and Superlite Rapport interne Lawrence Berkeley National Laboratory 1988 HOPKINSON R G PETHERBRIDGE P LONGMORE J Daylighting William Heinneman Ltd London 1966 IEA-SHC Daylighting simulation Methods Algorithms and Ressources Agence Internaitonale de lEnergie - SHC 1999 IEA-SHC Measurement of Luminous Characteristics of Daylighting Materials Agence Internationale de lEnergie - SHC - Tacircche 21 1999 IESNA Calculating Coefficients of Utilisation Wall and Ceiling Cavity Exitance IES LM-57 New York Illuminating engineering Society of North America 1982 IESNA The Determination of Illuminance at a Point in Interior Spaces IES LM-43-1991 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 34 p IESNA An Introduction to Light and Lighting IES ED-50 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 51 p IESNA Lighting Handbook 8th Edition New York Illuminating engineering Society of North America 1993 IESNA IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data IESNA LM-63-95 New York Illuminating engineering Society of North America 1995 5 p IESNA 1999 IESNA Software Survey Lighting Design + Application 1999 vol 29 ndeg12 pp 39-48 JARVIS D DONN M Comparison of Computer and Model Simulations of a Daylit Interior with Reality 5th International conference on Building Performance and Simulation Association Prague Czech Republic 1997 pp 9-16
51
Chapitre I
KAJIYA J T Anisotropic Reflection Models SIGGRAPH85 San Francisco 1985 pp 15-21 KARAYEL M NAVVAB M NEEMAN E SELKOWITZ S Zenith Luminance and sky luminance distributions for daylighting calculations Energy Build 1984 vol 6 ndeg3 pp 283-291 KHODULEV A B KOPYLOV E A Physically accurate lighting simulation in computer graphics software GraphiConrsquo96 The 6th International Conference on Computer graphics and Visualization St Petersburg Russia 1996 pp 111-119 KITTLER R Standardisation of outdoor conditions for the calculation of daylight factor with clear skies Sunlight in Buinldings CIE Intercessional conference Newcastle-Upon-Tyne 1965 KLEMS J H WARNER J L Measurement of bidirectional optical properties of complex shading devices ASHRAE Symposium Chicago 1995 LESLIE R P Capturing the daylight in buildings why and how Building and Environment 2003 vol 38 pp 381-385 MAAMARI F International survey on lighting simulation tools - Light and Building 2002 IEA-SHC-Task-31 2002 7 p MAAMARI F FONTOYNONT M Use of IEA-SHC Task 21 C benchmarks to assess performance of Lightscape 32 in daylighting calculations EPIC Lyon France 2002 pp 709-714 MAAMARI F FONTOYNONT M HIRATA M KOSTER J MARTY C TRANSGRASSOULIS A Reliable Datasets for Lighting Programs Validation Benchmark results CISBAT 2003 Conference 2003 pp 6 MAAMARI F JONGEWAARD M KOSTER J TRANSGRASSOULIS A FONTOYNONT M A Step Toward A Complete And Objective Validation Methodology For Lighting Simulation Tools CIE 25th Session San Diego 2003 pp 4 MARDALJEVIC J Daylight Simulation Validation Sky Models and Daylight Coefficients Leicester UK Montfort University 2000 MARDALJEVIC J The BRE-IDMP dataset a new benchmark for the validation of illuminance prediction techniques Lighting Research and Technology 2001 vol 33 ndegISSN 1365-7828 pp 117-136 MITANCHEY R Synthegravese dimages appliqueacutee agrave leacuteclairagisme inteacuterieur des bacirctiments Thegravese en Informatique speacutecialiteacute images Saint-Etienne Leacutecole Nationale Supeacuterieure des Mines de Saint-Etienne 1996 200 p
52
Chapitre I
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53
Chapitre I
TREGENZA P Daylighting algorithms ETSU S 1350 UK Department of Trade and Industry on behalf of the Energy Technology Support Unit 1993 43 p TREGENZA P R WATERS I M Daylight Coefficients Lighting Research amp Technology 1983 vol 15 ndeg2 pp 65-71 TROWBRIDGE T S REITZ K P Average Irregularity Representation of a Rough Surface for Ray Reflection Opt Soc Am 1975 vol 65 ndeg5 pp 531-536 UETANI Y MATSUURA K A Method of Luminance Calculation in an Anisotropic Diffuse Reflecting Interior IESNA Annual Conference Technical Papers San Diego 1992 WARD G J The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System SIGGRAPH Computer graphics 1994 pp 459-472 WHITTED T An improved illumination model for shaded display Computer graphics amp Image processing 1980
54
- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
Ainsi avec la position du soleil et les conditions climatiques (eg densiteacute des nuages densiteacute des aeacuterosolshellip) se dessine une distribution spatiale des luminances de la voucircte ceacuteleste vue par un site donneacute de la terre
Cette distribution des luminances deacutetermine lrsquoeacuteclairement horizontal sur un site donneacute et joue un rocircle principal dans la propagation de la lumiegravere de jour agrave lrsquointeacuterieur des bacirctiments
La prise en consideacuteration des champs de luminances des ciels dans une simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage se fait tregraves souvent agrave travers les modegraveles numeacuteriques de ciels
I123 les modegraveles de ciel Pour pouvoir preacutedire avec preacutecision les eacuteclairements obtenus agrave lrsquointeacuterieur drsquoune piegravece eacuteclaireacutee en lumiegravere de jour il est essentiel de pouvoir deacuteterminer la distribution des luminances du ciel
Pour cela des recherches et des observations ont eacuteteacute meneacutees agrave travers le monde et plusieurs modegraveles numeacuteriques ont eacuteteacute creacuteeacutes et standardiseacutes afin de deacutecrire des reacutepartitions types de luminances qui correspondent le mieux aux conditions de ciel les plus rencontreacutees dans la reacutealiteacute
Ces modegraveles sont geacuteneacuteralement deacutecrits par des formules exprimant la variation des luminances des diffeacuterentes zonesmailles du ciel souvent par rapport agrave la luminance au zeacutenith et selon la position du soleil et les caracteacuteristiques de lrsquoatmosphegravere
A noter que de maniegravere geacuteneacuterale ces modegraveles de ciel ne prennent pas en consideacuteration le rayonnement direct du soleil
Parmi les modegraveles de ciel existants nous citons les suivants
1 Ciel Uniforme utiliseacute auparavant pour le calcul du facteur de lumiegravere de jour 2 Ciel clair CIE baseacute sur le modegravele deacutefini par kittler en 1965 [Kittler 1965] [CIE 1973]
[CIE 1990] 3 Ciel couvert CIE baseacute sur le modegravele de Moon and Spencer et largement utiliseacute comme
reacutefeacuterence pour le calcul du facteur de lumiegravere de jour depuis sa recommandation par la CIE en 1970 [Moon 1942] [CIE 1970] [CIE 1990]
4 Ciel intermeacutediaire de Nakamura [Nakamura 1989] 5 Ciels IESNA Pour deacuteterminer la reacutepartition des luminances drsquoun ciel lrsquoIESNA utilise les
eacutequations utiliseacutees par la CIE pour les ciels clair et couvert et propose une autre eacutequation pour un ciel intermeacutediaire Cependant en plus de la reacutepartition des luminances lrsquoIESNA propose lrsquoutilisation drsquoune eacutequation pour obtenir une valeur absolue de lrsquoeacuteclairement horizontal et une autre eacutequation pour en deacuteduire directement la luminance au zeacutenith Les paramegravetres associeacutes aux deux eacutequations deacutependent de la condition du ciel (clair intermeacutediaire ou couvert) et de la position du soleil [Karayel 1984]
6 Modegravele tout temps de Perez Crsquoest un modegravele empirique baseacute sur un algorithme unique qui agrave partir de la variation de deux paramegravetres lieacutes aux conditions climatiques (clarteacute et luminositeacute) deacutecrit des reacutepartitions de luminances correspondantes agrave des conditions de ciel allant du ciel sans nuages au ciel complegravetement couvert [Perez 1993]
7 Modegravele du Ciel Geacuteneacuteral de la CIE qursquoon peut consideacuterer comme une deacuteriveacutee du ciel tout temps de Perez Il est deacutefini par une eacutequation unique et 15 seacuteries de paramegravetres pour deacutecrire 15 conditions types de ciel et la distribution des luminances propre agrave chacune de ces conditions [CIE 2002]
Mecircme si la majoriteacute de ces modegraveles tentent de repreacutesenter les champs de luminances des ciels le plus fidegravelement possible agrave la reacutealiteacute il est important de noter qursquoil sera difficile sinon
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Chapitre I
impossible de repreacutesenter tous les cas de figures qui peuvent exister dans un ciel reacuteel par des simples formules
Ceci est particuliegraverement vrai si nous voulons prendre en consideacuteration ce qui peut apparaicirctre dans un champ de luminances externe agrave une ouverture zeacutenithale ou verticale (masques sol exteacuterieurhellip)
Face agrave la complexiteacute des champs de luminances reacuteels plusieurs tentatives ont eacuteteacute meneacutees afin de transformer un champ de luminances reacuteel en un modegravele de ciel agrave travers des mesures de scanner de ciel ou bien agrave travers des photos numeacuteriques eacutetalonneacutees [Roy 1998] [Mardaljevic 2001] [Dumortier 2001]
Au-delagrave de la variation des luminances drsquoun ciel certaines eacutetudes se sont inteacuteresseacutees agrave la variation de la tempeacuterature de couleur proximale et de la reacutepartition spectrale [Chain 1999]
I123 Le sol exteacuterieur La lumiegravere naturelle reacutefleacutechie sur le sol exteacuterieur peut jouer un rocircle important dans la propagation de la lumiegravere du jour agrave lrsquointeacuterieur des bacirctiments En effet elle repreacutesente en moyenne 10 agrave 15 de lrsquoeacuteclairement vertical direct sur une faccedilade et peut deacutepasser cette valeur dans le cas drsquoun sol clair
En geacuteneacuteral cette lumiegravere est renvoyeacutee par les surfaces du plafond ou des murs vers les autres surfaces internes et participe ainsi agrave la composante reacutefleacutechie interne du facteur de lumiegravere de jour
La prise en consideacuteration du sol exteacuterieur dans une simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage se fait souvent en supposant une luminance uniforme de celui-ci variant avec lrsquoeacuteclairement Hz et le facteur de reacuteflexion moyen du sol Cependant dans certains logiciels il est neacutecessaire de modeler le sol exteacuterieur par une surface de grande dimension Dans ce cas le moteur de calcul doit proceacuteder au calcul de la reacutepartition de la luminance sur le sol avant de calculer sa contribution agrave lrsquoeacuteclairage inteacuterieur
I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain) Dans le calcul de la lumiegravere du jour agrave lrsquointeacuterieur drsquoun bacirctiment il est important de prendre en consideacuteration les eacuteleacutements de faccedilade et lrsquoenvironnement urbain Ceux ci peuvent repreacutesenter agrave la fois une obstruction agrave lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour directe dans le bacirctiment et une source secondaire de lumiegravere naturelle par reacuteflexion (composante reacutefleacutechie externe)
Ainsi par exemple une piegravece au premier eacutetage sera moins eacuteclaireacutee qursquoune autre au 5egraveme eacutetage dans le cas drsquoun bacirctiment en vis agrave vis Ou encore la mecircme piegravece sera mieux eacuteclaireacutee avec un facteur de reacuteflexion plus eacuteleveacute de la faccedilade en face
La prise en consideacuteration des masques dans certaines meacutethodes de calcul simplifieacutees se fait agrave travers la deacutetermination de lrsquoangle drsquoobstruction (entre le centre de la fenecirctre et la ligne limite entre le masque et le ciel) et du facteur de reacuteflexion moyen du masque
Un calcul plus preacutecis de lrsquoinfluence drsquoun sceacutenario urbain donneacute sur lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour dans une piegravece peut se faire agrave lrsquoaide des algorithmes de calcul physiques (radiositeacute ou lancer de rayon) Cependant cela neacutecessite la modeacutelisation geacuteomeacutetrique des masques exteacuterieurs ce qui entraicircne un temps de calcul relativement long
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Chapitre I
I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
Geacuteneacuteraliteacutes On entend par conception de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment le choix des composants et des caracteacuteristiques des parois vitreacutees leur position leurs dimensions les speacutecifications des vitrages et des protections solaires
Ces choix sont guideacutes par des consideacuterations thermiques (apport solaire et surchauffe deacuteperditions par lrsquoenveloppe) acoustiques eacutenergeacutetiques (eacuteclairage artificiel systegravemes de chauffage et de climatisation) ergonomiques (confort visuel) ainsi qursquoestheacutetiques et architecturales
Il est eacutegalement neacutecessaire de prendre en consideacuteration les interactions entre ces diffeacuterents paramegravetres afin drsquoarriver agrave un compromis qui reacutepond le mieux aux exigences du projet Par exemple laisser passer plus de lumiegravere naturelle en agrandissant les surfaces vitreacutees entraicircnerait une augmentation de lrsquoapport solaire et des surchauffes en eacuteteacute et de la deacuteperdition et de la consommation eacutenergeacutetique du chauffage en hiver
Avec les progregraves technologiques apporteacutes aux systegravemes de controcircle on arrive de nos jours agrave mieux geacuterer ces interactions en particulier le controcircle des protections solaires en relation avec le confort visuel et le controcircle de lrsquoeacuteclairage artificiel en relation avec la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour sur le plan de travail (systegravemes de dimming controcircles automatiseacutes zonagehellip) Cependant pour que la conception de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment aboutisse agrave une meilleure efficaciteacute eacutenergeacutetique il est important de srsquoy inteacuteresser degraves les premiegraveres phases de la conception du bacirctiment (orientation dimensionnementhellip) [ASHRAE-IESNA 1989] [CIE 1994] [Leslie 2003]
Eclairement inteacuterieur requis Un paramegravetre cleacute dans la conception de lrsquoeacuteclairage naturel est lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (en particulier sur le plan de travail) Cet eacuteclairement subit des variations importantes avec le temps dues au dynamisme de la distribution des luminances du ciel (en particulier la zone vue par un point de reacutefeacuterence)
Ducirc agrave cette dynamique et pour simplifier la prise en consideacuteration de ce paramegravetre dans la conception drsquoun bacirctiment la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute a eacuteteacute introduite Ainsi on srsquointeacuteresse agrave un seuil minimum drsquoeacuteclairement neacutecessaire pour assurer le bon fonctionnement des tacircches pour lesquelles est deacutedieacute un local Le deacutepassement de ce seuil est supposeacute comme geacuteneacuteralement compenseacute par lrsquoadaptation de lrsquoœil
Disponibiliteacute de la lumiegravere de jour Lrsquoeacuteclairement inteacuterieur est directement lieacute agrave la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour agrave lrsquoexteacuterieur du bacirctiment Cette derniegravere est exprimeacutee par lrsquoeacuteclairement sur une surface horizontale deacutegageacutee Sa variation avec le temps et la geacuteographie a eacuteteacute eacutetudieacutee agrave partir de plusieurs campagnes de mesure agrave travers le monde [Dumortier 2003]
Ainsi la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour a pu ecirctre deacutecrite par des diagrammes en fonction de la latitude et drsquoun pourcentage des heures drsquoune anneacutee pour une peacuteriode journaliegravere donneacutee (9h agrave 17h par ex) pour lesquelles lrsquoeacuteclairement horizontal exteacuterieur deacutepasse un certain seuil Ces diagrammes ne prennent souvent en consideacuteration que lrsquoeacuteclairement diffus
De nos jours on arrive agrave estimer la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour par lrsquoanalyse des images satellites Nous citons dans ce domaine le serveur Web Satel-Light deacuteveloppeacute au
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Chapitre I
LAboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Dumortier 1995] [Satel-Light 1995] [Dumortier 2002] [Dumortier 2003]
Facteur de lumiegravere de jour Afin de deacuteterminer une relation entre lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (en un point de la piegravece) et la disponibiliteacute de la lumiegravere du jour agrave lrsquoexteacuterieur drsquoun bacirctiment la notion du Facteur de Lumiegravere de Jour est utiliseacutee
FJ= (EintEext)
Ce ratio est subdiviseacute en plusieurs composantes
- La composante directe FJD (varie avec la distribution des luminances du ciel vues par le point de reacutefeacuterence)
- La composante reacutefleacutechie externe FRE (varie avec la contribution de la lumiegravere reacutefleacutechie sur le sol et les masques exteacuterieurs)
- La composante reacutefleacutechie interne FRI (varie avec les inter-reacuteflexions au niveau des surfaces inteacuterieures et deacutepend du facteur de reacuteflexion de ces surfaces)
Ainsi FJ = FJD + FRE + FRI
Pour le calcul drsquoun facteur de lumiegravere de jour en particulier sa composante directe il est important de caracteacuteriser la reacutepartition des luminances dans le ciel Alors que pour des raisons de simplification on supposait une reacutepartition uniforme (en azimut et en zeacutenith) de la luminance du ciel la CIE a proposeacute lrsquoadoption du ciel CIE couvert standard eacutetant donneacute qursquoil repreacutesente mieux de la distribution reacuteelle des luminances drsquoun ciel nuageux
Lrsquoutilisation drsquoun ciel nuageux pour la mesure ou le calcul du facteur de lumiegravere de jour est compatible avec la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute En effet les autres conditions possibles de ciel aboutissent geacuteneacuteralement agrave une meilleure peacuteneacutetration de la lumiegravere diffuse ou agrave une compensation par la lumiegravere directe du soleil Ainsi en adoptant le facteur de lumiegravere de jour sous un ciel nuageux comme reacutefeacuterence pour la conception on garantit une marge de seacutecuriteacute et un niveau minimum
Diagrammes drsquoautonomie A lrsquoaide des paramegravetres deacutecrits ci-dessus lrsquoeacuteclairement inteacuterieur requis les diagrammes de disponibiliteacute de la lumiegravere de jour et le facteur de lumiegravere de jour il est possible de deacutecrire des diagrammes drsquoautonomie en lumiegravere de jour Ces diagrammes permettent de deacutefinir un pourcentage de temps garanti ougrave lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (naturel) en un point donneacute deacutepassera un certain seuil Ou bien il permet de deacutefinir un facteur de lumiegravere de jour minimum requis afin de garantir un certain pourcentage de temps de deacutepassement drsquoun seuil drsquoeacuteclairement inteacuterieur [ASE 1989] [Satel-Light 1995]
Calcul dynamique de lrsquoeacuteclairage naturel (coefficient de FLJ) La nouvelle tendance dans la conception en eacuteclairage naturel nrsquoest plus baseacutee sur la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute mais sur un calcul dynamique de lrsquoentreacutee de la lumiegravere en utilisant les fichiers climatiques drsquoun site donneacute Cette meacutethode plus reacutealiste mais plus lourde en calcul est devenue utilisable gracircce agrave lrsquoeacutevolution des capaciteacutes du mateacuteriel informatique Sa mise en place utilise lrsquoapproche du facteur de lumiegravere de jour directionnel pour preacute-calculer la contribution relative des diffeacuterentes mailles du ciel agrave lrsquoeacuteclairement des diffeacuterents points drsquoun espace inteacuterieur [Tregenza 1983] [Mardaljevic 2000] [Reinhart 2000] [Dumortier 1995]
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Chapitre I
Outils de conception En ce qui concerne les meacutethodes existantes pour le calcul et lrsquoeacutevaluation de lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment elles sont classeacutees selon les cateacutegories suivantes [De Boer 1999]
- Les meacutethodes de calcul manuel (meacutethode de lumen ) - Les meacutethodes graphiques baseacutees sur des diagrammes selon des configurations types
du bacirctiment Ces diagrammes sont compleacuteteacutes par des facteurs de correction agrave prendre en consideacuteration en relation avec la transmission des vitrages la deacutegradation due agrave lrsquoaccumulation des saleteacutes le facteur de reacuteflexion moyen des surfaces inteacuterieureshellip
- Des mesures expeacuterimentales dans des maquettes agrave eacutechelle reacuteduite ou reacuteelle sous un ciel artificiel ou reacuteel
- Les logiciels de simulation baseacutes en particulier sur les meacutethodes de radiositeacute et de lancer de rayon
Un autre aspect de conception en eacuteclairage naturel (que celui de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour) consiste agrave prendre en consideacuteration les taches solaires agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment en particulier du point de vue de lrsquoapport thermique et du confort visuel Lrsquoeacutetude des taches est le plus souvent limiteacutee agrave certains jours repreacutesentatifs de lrsquoanneacutee (en particulier les solstices) et pour diffeacuterentes heures de la journeacutee
Les meacutethodes existantes pour lrsquoeacutetude des taches solaires sont
- Des meacutethodes manuelles utilisant des diagrammes solaires - Des eacutetudes sur maquette reacuteduite sous un heacuteliodon - Des meacutethodes numeacuteriques utilisant des algorithmes matheacutematiques pour deacutefinir la
position du soleil et des algorithmes de lancer de rayon pour simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere solaire directe agrave travers lrsquoenveloppe du bacirctiment Certains logiciels sont deacuteveloppeacutes speacutecialement pour lrsquoeacutetude des taches solaires on parle alors drsquoheacuteliodons numeacuteriques
En plus que les outils de simulation nous traitons dans notre travail les mesures expeacuterimentales dans des maquettes drsquoeacutetude
I13 La geacuteomeacutetrie
I131 Geacuteneacuteraliteacutes Comme la source lumineuse la geacuteomeacutetrie drsquoun espace est un eacuteleacutement cleacute pour calculer et preacutedire la propagation de la lumiegravere agrave lrsquointeacuterieur de cet espace Pour un calcul drsquoeacuteclairage (manuel ou numeacuterique) la description de cette geacuteomeacutetrie doit inclure une description tri-dimensionnelle de lrsquoespace ainsi qursquoune caracteacuterisation physique de ses mateacuteriaux Dans cette partie nous nous inteacuteressons agrave la description tri-dimensionnelle de lrsquoespace dans la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage
Les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie agrave prendre en consideacuteration dans une simulation sont geacuteneacuteralement les surfaces visibles des mateacuteriaux opaques du volume inteacuterieur Dans un sceacutenario drsquoeacuteclairage naturel nous consideacuterons eacutegalement les surfaces du sol et des masques exteacuterieurs ainsi que les composants des parois vitreacutees
On parle de surfaces visibles des mateacuteriaux opaques car contrairement au cas des eacutechanges de flux thermiques lrsquoinfluence des mateacuteriaux opaques sur la propagation des flux lumineux se limite agrave ces surfaces
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Chapitre I
La prise en consideacuteration des parois vitreacutees du sol et des masques exteacuterieurs peut varier entre les diffeacuterents logiciels Ainsi lrsquoinfluence de ces eacuteleacutements (vitrage store veacutenitien masque vertical ou horizontalhellip) peut ecirctre calculeacutee analytiquement dans un logiciel et agrave lrsquoaide drsquoun lancer de rayon ou un calcul de radiositeacute dans un autre Le premier cas ne neacutecessite qursquoune description parameacutetrique (type de vitrage couleur et orientation des lames angle drsquoobstructionhellip) et le deuxiegraveme neacutecessite une modeacutelisation preacutecise des eacuteleacutements
I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie Bien que certains logiciels offrent la possibiliteacute drsquoune automatisation de lrsquoentreacutee de la geacuteomeacutetrie 3D cellendashci est en fin de compte deacutecrite par un ensemble de polygones deacutefinis par les coordonneacutees carteacutesiennes de leurs sommets (x y z)
Pour les logiciels de simulation qui nrsquooffrent pas une interface de DAO pour lrsquoentreacutee de la geacuteomeacutetrie il est possible drsquoimporter cette derniegravere agrave partir drsquoun logiciel de DAO externe [IESNA 1999] La plupart des logiciels de simulation sont compatibles avec le format DXF creacuteeacute par Autodesk et standardiseacute par la suite pour le transfert de donneacutees geacuteomeacutetriques [Autodesk 1999]
Parmi les logiciels de DAO souvent utiliseacutes pour modeacuteliser la geacuteomeacutetrie 3D nous citons AutoCAD ArchiCAD et Microstation Cependant lorsqursquoune geacuteomeacutetrie est deacutecrite agrave lrsquoaide drsquoun logiciel externe il est important de prendre certaines preacutecautions dans le mode de dessin afin de garantir une meilleure compatibiliteacute avec la plupart des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
Les preacutecautions agrave prendre et leurs importances sont diffeacuterentes drsquoun logiciel agrave un autre mais souvent le but est drsquoeacuteviter les confusions lors du transfert qui peuvent mener agrave des erreurs de calcul Par exemple il peut srsquoagir de respecter la notion de lrsquoorientation des surfaces qui est importante dans certains logiciels ou bien de limiter la modeacutelisation des surfaces de la geacuteomeacutetrie aux parties apparentes pour eacuteviter les fausses ombres [Foley 1990]
I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade La propagation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquointeacuterieur drsquoun bacirctiment deacutebute par un transfert des flux agrave travers les parois vitreacutees Ainsi il est important de prendre ces derniegraveres en consideacuteration pour une preacutediction preacutecise de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment
La caracteacuterisation drsquoun composant drsquoune paroi vitreacutee en transmission lumineuse se fait geacuteneacuteralement agrave travers des mesures goniophotomeacutetriques Ainsi agrave partir drsquoune seacuterie de mesures de transmission en direct-direct seront deacuteduites les fonctions de transfert direct-heacutemispheacuterique et heacutemispheacuterique-heacutemispheacuterique qui caracteacuterisent un mateacuteriau donneacute [CIE 1998]
Cependant une paroi vitreacutee peut se preacutesenter sous diffeacuterentes formes agrave diffeacuterents niveaux de complexiteacute Nous listons ci-dessous les principaux cas de figures
I141 Ouverture simple Le cas le plus basique est celui drsquoune simple ouverture sans vitrage Lrsquoinfluence drsquoune telle ouverture sur la propagation de la lumiegravere naturelle se limite agrave sa dimension et son eacutepaisseur qui deacuteterminent la partie du champ de luminances externe rendue visible aux points inteacuterieurs Lrsquoaspect directionnel qualitatif et quantitatif du flux lumineux incident est conserveacute lors du passage agrave travers cette ouverture et ne subit aucune deacuteviation ni atteacutenuation (si ce nrsquoest la reacuteflexion sur les bords)
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Chapitre I
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel se fait souvent agrave lrsquoaide drsquoun maillage de sa surface La luminance apparente des mailles est ensuite calculeacutee (agrave partir de la luminance de la zone du ciel apparente agrave travers cette maille par un point donneacute) et finalement est calculeacutee la contribution de chaque maille agrave lrsquoeacuteclairement du point eacutetudieacute
Dans un certain nombre de logiciels le calcul commence par une deacutetection du champ de vision drsquoun point de mesure agrave travers lrsquoouverture Cette deacutetection se fait geacuteneacuteralement agrave lrsquoaide drsquoun lancer de rayons qui permet de deacutefinir les limites du masque constitueacute par les murs entourant lrsquoouverture
I142 Vitrage classique Dans le cas drsquoune ouverture vitreacutee (vitrage classique) le flux incident subit lrsquoinfluence de la transmission directionnelle du vitrage Cette transmission diminue avec lrsquoaugmentation de lrsquoangle drsquoincidence du rayonnement lumineux et varie selon le type de vitrage (simple double teinteacutehellip)
Il existe plusieurs reacutefeacuterences pour deacuteterminer la variation theacuteorique de la transmission lumineuse drsquoun vitrage avec lrsquoangle drsquoincidence Mais en geacuteneacuteral la majoriteacute drsquoun flux lumineux transmis agrave travers un vitrage classique est supposeacute garder sa directionnaliteacute (angle de transmission = angle drsquoincidence) et ne subit qursquoune simple atteacutenuation selon lrsquoangle drsquoincidence [Hopkinson 1966] [Hopkinson 1966 Tregenza 1993]
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture vitreacutee dans une simulation drsquoeacuteclairage naturel suit le mecircme principe que pour une ouverture non vitreacutee mais en plus une atteacutenuation de la contribution drsquoune maille agrave lrsquoeacuteclairement drsquoun point est calculeacutee selon lrsquoangle drsquoincidence entre cette maille et ce point de mesure Cependant certains logiciels ne prennent pas en consideacuteration la transmission directionnelle drsquoun vitrage et se contentent drsquoaffecter un facteur de transmission uniforme
I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel Il existe sur le marcheacute de la construction de plus en plus de vitrages agrave proprieacuteteacutes bi-directionnelles dont le but est souvent de favoriser le cheminement drsquoun flux lumineux incident dans une direction donneacutee (Laser Cut Panel Serraglaze etc) Par exemple dans le cas drsquoune ouverture verticale lrsquoobjectif est souvent de favoriser lrsquoorientation du flux transmis vers le plafond afin de permettre une entreacutee plus profonde de la lumiegravere et afin drsquoeacuteviter ou au moins drsquoatteacutenuer les taches solaires Dans le cas drsquoune ouverture zeacutenithale lrsquoobjectif est de favoriser lrsquoentreacutee verticale de la lumiegravere provenant de toutes les directions de lrsquoheacutemisphegravere exteacuterieur
Le flux lumineux incident sur ce type de mateacuteriaux est transmis avec changement drsquoorientation partielle ou totale dans le mecircme plan drsquoincidence ou bien dans tout lrsquoheacutemisphegravere de sortie
La prise en consideacuteration drsquoun mateacuteriau agrave transmission bidirectionnelle dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel est drsquoune complexiteacute importante Elle neacutecessite lrsquoutilisation des fonctions de transfert bidirectionnelles dite BTDF qui sont assez lourdes en calcul Les logiciels permettant ce type de simulations sont encore assez rares et limiteacutes au domaine de la recherche scientifique [Fontoynont 1999] [Greenup 2000] [Andersen 2003]
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Chapitre I
I144 Eleacutements de protection solaire Le rocircle des eacuteleacutements de protection solaire est de bloquer drsquoatteacutenuer ou de reacuteorienter la lumiegravere directe du soleil Parmi les types les plus utiliseacutes nous citons en particulier les stores veacutenitiens (agrave effet de reacuteorientation) les brises soleil (agrave effet de masque) et les stores en toile (agrave effet de diffusion)
La prise en consideacuteration des eacuteleacutements de protection solaires dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel deacutepend de leur type Par exemple les protections solaires agrave effet de masque neacutecessitent un simple calcul de lancer de rayons alors que la simulation des eacuteleacutements agrave effet de reacuteorientation suit le mecircme principe que pour les vitrages bidirectionnels [Klems 1995] [Shareef 2001]
I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux Pour caracteacuteriser le comportement des parois vitreacutees afin de mieux les prendre en consideacuteration dans le calcul ou la simulation de lrsquoeacuteclairage on a recours aux mesures goniophotomeacutetriques
Ces mesures peuvent srsquoaveacuterer drsquoune grande complexiteacute en particulier dans le cas des mateacuteriaux bidirectionnels puisqursquoils neacutecessitent des mesures heacutemispheacuteriques en entreacutee et en sortie
De nos jours plusieurs deacuteveloppements sont en cours afin de simplifier les proceacutedures de mesure ou de conduire ces mesures numeacuteriquement agrave lrsquoaide drsquoalgorithmes physiques [Mitanchey 1995] [Andersen 2003] [Andersen 2003] [De Boer 2003]
Drsquoautres efforts sont eacutegalement investis dans le but de simplifier la preacutesentation des donneacutees goniophotomeacutetriques [Roy 1995] [Mitanchey 1996] [IEA-SHC 1999]
I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux Si lrsquoeacuteclairage direct reccedilu des sources de lumiegravere (naturelles ou artificielles) est un eacuteleacutement de base dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere lrsquoeacuteclairage dit indirect nrsquoest pas de moindre importance
En effet lrsquoeacuteclairage indirect ducirc aux inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les diffeacuterentes surfaces drsquoune scegravene peut repreacutesenter une proportion importante de lrsquoeacuteclairement total par rapport agrave lrsquoeacuteclairement direct Crsquoest le cas notamment des luminaires indirects ou des systegravemes de reacute-acheminement de la lumiegravere directe du soleil
Les inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie deacutependent de la photomeacutetrie de ces surfaces (ou des mateacuteriaux qui les constituent) Cette photomeacutetrie est caracteacuteriseacutee en particulier par trois paramegravetres
- Le facteur de reacuteflexion global - La directionnaliteacute de la lumiegravere reacutefleacutechie - Lrsquoinfluence spectrale sur la lumiegravere reacutefleacutechie
Le premier repreacutesente le rapport entre le flux total reacutefleacutechi sur une surface et le flux initial incident Pour faciliter la mesure de ce paramegravetre un nombre de mateacuteriaux standards a eacuteteacute deacutefini comme reacutefeacuterence [CIE 1979] [CIE 1979] [CIE 1998]
Le deuxiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la ou les directions de reacuteflexion drsquoun flux incident avec une direction donneacutee Cette directionnaliteacute deacutepend de la geacuteomeacutetrie microscopique de la surface (apparente) drsquoun mateacuteriau opaque On distingue en particulier deux types de reacuteflexion theacuteoriques Les reacuteflexions parfaitement speacuteculaires et les reacuteflexions
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Chapitre I
parfaitement diffuses Bien que ces cas extrecircmes nrsquoexistent pas dans la reacutealiteacute les lois theacuteoriques relatives sont bien deacutefinies (La loi de Descartes pour le premier et loi de Lambert et les formules de facteur de forme pour le deuxiegraveme) Au-delagrave de ces deux cas theacuteoriques simplifieacutes un nombre de travaux a eacuteteacute meneacute pour deacutecrire des modegraveles analytiques plus complets qui srsquoapprochent mieux de la reacutealiteacute mais qui repreacutesentent un degreacute de complexiteacute plus eacuteleveacute [Trowbridge 1975] [Kajiya 1985] [Uetani 1992] [Balocco 2001] [Deniel 2002]
Dans la majoriteacute des logiciels existants la reacuteflexion de la lumiegravere sur une surface est simuleacutee par une combinaison de reacuteflexions diffuses et speacuteculaires Ainsi une partie du flux est reacutefleacutechie en obeacuteissant agrave la loi de Descartes et une autre partie est diffuseacutee uniformeacutement dans lrsquoespace Les algorithmes utiliseacutes sont eacutegalement en geacuteneacuteral une combinaison de radiositeacute et de lancer de rayons Certains logiciels nrsquoutilisant que les algorithmes de radiositeacute se contentent de supposer les surfaces comme 100 diffuses
Drsquoautres logiciels qui restent assez rares prennent en consideacuteration les fonctions de reacuteflexions bidirectionnelles (BRDF) theacuteoriques ou mesureacutees Cependant il faut noter que de nos jours la preacutecision des mesures de ces fonctions neacutecessite encore des moyens financiers et logistiques trop importants
Le troisiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la qualiteacute spectrale de la lumiegravere reacutefleacutechie par rapport agrave celle de la lumiegravere incidente Elle deacutepend en particulier de lrsquoabsorption spectrale seacutelective du mateacuteriau En effet le facteur drsquoabsorption drsquoun mateacuteriau peut ecirctre plus ou moins eacuteleveacute selon la longueur drsquoonde avec laquelle arrive une partie du flux incident Ainsi le spectre de la lumiegravere reacutefleacutechie peut ecirctre complegravetement diffeacuterent de celui de la lumiegravere incidente Les mateacuteriaux qui ont le mecircme facteur de reacuteflexion pour toutes les longueurs drsquoonde sont dits spectralement neutres [CIE 1986] [Smith 1992] [CIE 1996]
Plusieurs approches sont proposeacutees pour traiter lrsquoaspect spectral ou colorimeacutetrique de la propagation de la lumiegravere Les approches les plus utiliseacutees dans les logiciels de simulation de la lumiegravere sont baseacutees sur une caracteacuterisation agrave trois composantes de la couleur (de la source lumineuse ou des surfaces) Nous citons les systegravemes XYZ (de la CIE) RGB CMY et HSV Cependant si ce type de caracteacuterisation est convenable pour la repreacutesentation des couleurs il srsquoavegravere insuffisant pour simuler la variation du spectre du flux lumineux agrave travers les inter-reacuteflexions sur les surfaces inteacuterieures drsquoun espace [Mitanchey 1996] Pour plus de preacutecision il est alors recommandeacute drsquoutiliser les approches baseacutees sur une discreacutetisation plus ou moins fine du spectre Mais lrsquoimpleacutementation de telles approches dans les logiciels existants est loin drsquoecirctre courante [Smith 1992] [Mitanchey 1996]
I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage Il existe sur le marcheacute international un nombre important de logiciels deacutedieacutes agrave la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Dans une enquecircte meneacutee par le groupe 3D lumiegravere en 2000 aupregraves de 74 professionnels [3D-lumiegravere 2000] environ quarante logiciels ont eacuteteacute citeacutes par les enquecircteacutes comme outils de travail en eacuteclairage Dans une deuxiegraveme eacutetude plus speacutecialiseacutee dans le calcul drsquoeacuteclairage naturel et meneacutee par lrsquoagence international drsquoeacutenergie IEA SHC Task 21-C2 [Fontoynont 1999] vingt cinq logiciels ont eacuteteacute citeacutes Vingt deux de ces logiciels ne sont pas connus par les utilisateurs franccedilais enquecircteacutes par 3D lumiegravere Finalement nous citons lrsquoenquecircte de lrsquoIENSA [IESNA 1999] preacutesentant un nombre de logiciels existants au niveau international
Les logiciels existants diffegraverent entre eux par les algorithmes qursquoils utilisent par leurs approches DAO par la prise en consideacuteration des diffeacuterents types de sources lumineuses par
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Chapitre I
leur capaciteacute agrave simuler les pheacutenomegravenes de propagation de lumiegravere plus ou moins complexes par leur interface utilisateur et finalement par leurs vocations et leurs domaines drsquoapplication
I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage Le rocircle des algorithmes dans une simulation drsquoeacuteclairage est de geacuterer le calcul de la propagation de la lumiegravere entre les sources et les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie puis les inter-reacuteflexions entre ces surfaces
Les algorithmes utiliseacutes dans les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage sont des algorithmes dits drsquoeacuteclairement global (global illumination) puisqursquoils font un calcul tridimensionnel de la propagation de la lumiegravere Ils peuvent ecirctre classeacutes sous deux grandes familles la radiositeacute et le lancer de rayons Ces deux familles tendent agrave avoir des avantages et des inconveacutenients compleacutementaires ce qui fait que certains logiciels utilisent une logique hybride combinant les deux familles [IEA-SHC 1999] [Mitanchey 1996]
1211 Radiositeacute Les algorithmes de radiositeacute utiliseacutes pour le calcul de lrsquoeacuteclairage datent du deacutebut des anneacutees 80 Ils ont eacuteteacute adapteacutes agrave partir des algorithmes de radiositeacute utiliseacutes depuis les anneacutees 60 pour le calcul des eacutechanges radiatifs thermiques sur la base de lrsquoeacutequilibre eacutenergeacutetique
Les algorithmes de radiositeacute procegravedent en geacuteneacuteral agrave une discreacutetisation de lrsquoenvironnement simuleacute agrave travers un maillage (subdivision en petites mailles) des surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie eacuteclaireacutee par une source donneacutee (voir figure I3) Tout drsquoabord un calcul de la lumiegravere directe reccedilue par chaque maille est effectueacute Ensuite chaque maille est traiteacutee comme une source lumineuse eacutemettant une partie du flux lumineux qursquoelle a reccedilu (selon son facteur de reacuteflexion) vers les autres mailles de la geacuteomeacutetrie Cette lumiegravere indirecte subit plusieurs inter-reacuteflexions jusqursquoagrave ce que la quasi-totaliteacute du flux initial soit absorbeacutee
Suite agrave ce calcul on est capable de savoir la quantiteacute de flux lumineux direct et indirect reccedilue et eacutemise par une maille donneacutee et donc lrsquoeacuteclairement et la luminance de cette maille [Scartezzini 1993] [Ashdown 2001]
Figure I3 Exemple drsquoun calcul de Radiositeacute agrave lrsquointeacuterieur drsquoune geacuteomeacutetrie
Bien que le principe geacuteneacuteral de la radiositeacute deacutecrit ci-dessus soit le mecircme pour tous les algorithmes de radiositeacute existants ceux-ci diffegraverent dans la meacutethode adopteacutee pour le maillage de la geacuteomeacutetrie et pour le suivi du flux
La radiositeacute peut ecirctre en principe appliqueacutee agrave tout type de reacuteflexion cependant les algorithmes existants sont encore limiteacutes aux reacuteflexions 100 diffuses Ce qui entraicircne des erreurs plus ou moins importantes selon le comportement reacuteel du mateacuteriau simuleacute La
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Chapitre I
radiositeacute preacutesente aussi quelques autres inconveacutenients dont particuliegraverement un temps de calcul assez long une lourde consommation en meacutemoire et une faible performance en qualiteacute graphique
Cependant le calcul de radiositeacute a lrsquoavantage drsquoecirctre indeacutependant de la position de lrsquoobservateur Ainsi un seul calcul est suffisant pour connaicirctre lrsquoeacuteclairement de tous les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie et pour la visualiser agrave partir drsquoune infiniteacute de points de vue
Une nouvelle geacuteneacuteration drsquoalgorithmes de radiositeacute est apparue en 1988 elle permet drsquoobtenir un reacutesultat graphique immeacutediat qui srsquoameacuteliore progressivement en preacutecision et en qualiteacute visuelle drsquoougrave son nom progressive refinement radiosity [Cohen 1988] [Autodesk 1999]
Une autre eacutevolution des algorithmes de radiositeacute fut le concept de maillage adaptatif ougrave le logiciel commence agrave calculer agrave partir drsquoun maillage de faible preacutecision Ensuite il procegravede agrave des subdivisions suppleacutementaires lagrave ougrave il y a une grande diffeacuterence drsquoeacuteclairement entre les mailles Cette meacutethode conduit agrave une eacuteconomie dans le temps de calcul et dans lrsquoutilisation de meacutemoire
1212 Lancer de rayons La deuxiegraveme famille drsquoalgorithmes est la plus ancienne elle a connu plus de deacuteveloppements et preacutesente une plus grande varieacuteteacute de meacutethodes
Ces meacutethodes ont lrsquoavantage de calculer avec preacutecision lrsquoeacuteclairement direct de calculer les effets speacuteculaires des mateacuteriaux de mieux deacutefinir les ombres et de consideacuterer les reacutefractions agrave travers les surfaces transparentes Crsquoest donc les algorithmes qui donnent les meilleurs reacutesultats graphiques drsquoougrave ce qursquoon appelle le photo-reacutealisme des images de synthegravese
Il existe plusieurs cateacutegories drsquoalgorithmes baseacutees sur le lancer de rayon nous citons les suivantes
Figure I4 Exemple drsquoun calcul de Lancer de rayons (inverse)
1 Traceacute de rayons ou Lancer de rayons depuis lrsquoobservateur dite aussi Lancer inverse de rayons (backward ray tracing) les rayons sont geacuteneacutereacutes depuis lrsquoœil de lrsquoobservateur et cheminent agrave travers des reacuteflexions multiples sur les parois jusqursquoaux sources de lumiegravere (voir figure I4) Ainsi seuls les rayons utiles pour la construction de lrsquoimage seront geacuteneacutereacutes et suivis agrave travers les diffeacuterentes inter-reacuteflexions mais la solution est valide pour un seul point de vue [Whitted 1980]
2 Suivi de rayons ou Lancer direct de rayons (forward ray tracing) cette meacutethode geacutenegravere les rayons lumineux depuis la source vers les surfaces reacuteceptrices quand un rayon atteint une surface il est dirigeacute selon la photomeacutetrie rencontreacutee jusqursquoagrave lrsquoeacutepuisement de son eacutenergie [Fontoynont 1991]
3 Technique statistique de monte-carlo backward ou forward La meacutethode de Monte-Carlo associeacutee agrave des meacutethodes de lancer de rayons a recours agrave une technique statistique
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pour la distribution des rayons reacutefleacutechis Elle neacutecessite un temps de calcul eacuteleveacute [IEA-SHC 1999]
I22 Exemples types des logiciels existants Les logiciels existants sur le marcheacute international et utiliseacutes comme outils de conception en eacuteclairage peuvent ecirctre classeacutes en diffeacuterentes familles [De Boer 1999] [IESNA 1999]
1 Les logiciels baseacutes sur les formules de base de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel Ces logiciels sont souvent distribueacutes par les constructeurs de luminaires et munis de leur bibliothegraveque de luminaires
2 Des logiciels baseacutes sur des formules de base de calcul en eacuteclairage naturel ou sur des donneacutees empiriques (ou preacute-simuleacutees) Ces logiciels sont souvent deacutedieacutes agrave lrsquoutilisation dans les phases preacuteliminaires de la conception drsquoun projet (ex Dial Sodalight etc)
3 Les logiciels capables de calculer lrsquoeacuteclairage direct uniquement Ils sont tregraves souvent inteacutegreacutes dans des logiciels de DAO Leur objectif est limiteacute agrave lrsquoameacutelioration du rendu graphique drsquoun projet ou au mieux agrave une eacutetude de taches solaires (ex Archicad) Cependant ce type de logiciels devient de plus en plus rare En effet vu leurs potentiels un certain nombre de ces logiciels a eacuteteacute mis agrave niveau par les deacuteveloppeurs et a passeacute ainsi agrave la famille suivante (ex Microstation et 3D Studio)
4 Les logiciels dits drsquoeacuteclairement global Ils utilisent souvent des algorithmes de calcul physique (en particulier de radiositeacute et lancer de rayons) Nous distinguons cependant dans cette cateacutegorie les logiciels deacuteveloppeacutes dans un cadre scientifique (ex Radiance Geacuteneacutelux CSTB) de ceux deacuteveloppeacutes et diffuseacutes dans un cadre commercial (Lightscape Dialuxhellip) En geacuteneacuteral les logiciels commerciaux possegravedent des interfaces plus conviviales mais les logiciels scientifiques offrent des fonctionnaliteacutes plus complegravetes Par exemple certains logiciels scientifiques sont capables de prendre en consideacuteration lrsquoaspect spectral de la propagation de la lumiegravere etou de traiter les fonctions bidirectionnelles Finalement nous notons que les logiciels commerciaux manquent le plus de transparence sur leur fiabiliteacute dans les diffeacuterents domaines drsquoapplication (manque de travaux de validation)
Dans notre travail de thegravese nous nous inteacuteressons en particulier agrave la derniegravere famille Ne pouvant pas enquecircter sur tous les logiciels existants nous nous contentons de citer (par ordre alphabeacutetique) quelques logiciels sur lesquels il y a eu des publications scientifiques et des travaux de validation [Fontoynont 1999]
1221 Adeline Deacuteveloppeacute dans le cadre de lrsquoIEA Adeline a eacuteteacute fondeacute sur les logiciels Superlite et Radiance par le biais drsquoun modeleur graphique et drsquooutils de DAO Ainsi il permet de deacutefinir la geacuteomeacutetrie avec son propre systegraveme de DAO par lrsquoentreacutee manuelle des coordonneacutes carteacutesiennes ou agrave partir drsquoun fichier DXF
Le logiciel est muni drsquoune bibliothegraveque de base de donneacutees de mateacuteriaux de luminaires et de mobilier Il produit des reacutesultats numeacuteriques ou bien graphiques Au-delagrave des eacuteclairements et des luminances Adeline permet de calculer lrsquoeacutenergie consommeacutee par lrsquoeacuteclairage artificiel en fonction des apports de lumiegravere du jour [Erhorn 1998] [Scartezzini 1993]
1222 Genelux Le logiciel Genelux deacuteveloppeacute au laboratoire des sciences de lrsquohabitat utilise un algorithme de lancer direct et suivi de rayons lumineux (Forward Ray tracking) La distribution des rayons reacutefleacutechis est effectueacutee en ayant recours agrave une technique statistique de Monte Carlo
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Chapitre I
Dans le cas ougrave les surfaces seraient parfaitement diffusantes il est possible de faire appel agrave un algorithme baseacute sur la meacutethode de radiositeacute afin de reacuteduire les temps de simulation Genelux peut modeacuteliser les surfaces speacuteculaires diffuses ou mixtes en transmission etou reacuteflexion Il peut eacutegalement prendre en consideacuteration des quantiteacutes spectrales en deacutecomposant les rayons incidents par bandes spectrales [Mitanchey 1996] [Maamari 2003]
1223 Inspirer Destineacute surtout au domaine de lrsquoarchitecture avec comme fonctionnaliteacutes les calculs de lrsquoeacuteclairage les analyses de visibiliteacute et la visualisation des projets Pour le calcul de lrsquoeacuteclairage il utilise des approches hybrides surtout la meacutethode bi-directionnelle de Monte Carlo au Lancer de Rayons Ce qui diffeacuterencie le plus ce logiciel est lrsquoutilisation des formules de BRDF qui permet de respecter les variations de reacuteflexion et de transmission (diffuse et speacuteculaire) ainsi que des couleurs selon lrsquoangle drsquoincidence et de vision [Maamari 2003]
1224 DIAL Leso-Dial Le but du logiciel est de donner aux architectes des informations utiles concernant lrsquoutilisation de la lumiegravere de jour dans un bacirctiment degraves la phase de lrsquoavant projet Il calcule le facteur de lumiegravere du jour sur le plan utile gracircce agrave une utilisation hybride de formule analytique et empirique [Paule 1995]
1225 Lightscape 32 Crsquoest un logiciel qui est destineacute agrave des utilisations graphiques mais il offre eacutegalement des fonctionnaliteacutes inteacuteressantes pour la simulation physique de la lumiegravere Il utilise un algorithme de radiositeacute pour le calcul quantitatif et un algorithme de lancier de rayons pour lrsquoameacutelioration qualitative et visuelle des images de synthegraveses Ce logiciel est deacutecrit en deacutetail dans la partie IV11 de ce document [Khodulev 1996] [Maamari 2002]
1226 Radiance Le logiciel Radiance utilise un algorithme de lancer inverse de rayons Le lancer des rayons peut ecirctre stoppeacute si leur eacutenergie est jugeacutee insuffisante Les rayons reacutefleacutechis peuvent ecirctre geacuteneacutereacutes selon une fonction de distribution permettant la simulation de reacuteflexions speacuteculaires semi-speacuteculaires ou diffuses Ce lancer de rayons est compleacuteteacute drsquoun calcul statistique de reacuteflexion diffuse pour distribuer le flux reacutesiduel [Ward 1994] [Grynberg 1988]
1227 Superlite Le logiciel Superlite utilise une meacutethode point agrave point de radiositeacute Toutes les surfaces sont supposeacutees ecirctre parfaitement diffusantes Crsquoest la meacutethode la plus rapide mais elle est toutefois limiteacutee aux surfaces diffuses [Grynberg 1988]
I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels Lrsquoutilisation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage se geacuteneacuteralise de plus en plus dans le domaine de conception en eacuteclairage et au-delagrave Ainsi de nos jours ces logiciels sont utiliseacutes aussi bien par des bureaux drsquoeacutetude du bacirctiment et des architectes que par des deacuteveloppeurs de jeu videacuteo Les applications peuvent ecirctre entre autres [IESNA 1999] [3D-lumiegravere 2000] [Maamari 2002]
1 La conception en eacuteclairage artificiel Que ce soit pour lrsquoeacuteclairage inteacuterieur des bacirctiments lrsquoeacuteclairage des faccedilades des monuments des voiries des trottoirs ou lrsquoeacuteclairage des
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Chapitre I
tunnels etc Elle comprend entre autre le dimensionnement des systegravemes lrsquoanalyse du confort visuel et de la consommation etc
2 La conception en eacuteclairage naturel dimensionnement des ouvertures et des protections solaires orientation des projets analyse de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour et eacutetudes des FLJhellip
3 Le rendu et la preacutesentation des projets par les architectes et par les deacutecorateurs drsquointeacuterieur 4 La creacuteation de scegravenes de reacutealiteacute virtuelle pour le monde du cineacutema de la publiciteacute ou des
jeux videacuteohellip 5 La conception mecircme des optiques de luminaires ou de phares de voitures
Le domaine drsquoutilisation drsquoun logiciel donneacute deacutepend des fonctionnaliteacutes proposeacutees par ce logiciel de ses capaciteacutes agrave simuler avec un certain degreacute de fiabiliteacute et de faciliteacute les diffeacuterents domaines de la propagation de la lumiegravere en relation avec les besoins de lrsquoutilisateur
Bien que les algorithmes de calcul utiliseacutes dans les logiciels se ressemblent ces derniers ne sont pas tous adapteacutes pour les mecircme types drsquoapplications et ne reacutepondent pas aux mecircmes besoins
Ainsi certains utilisateurs cherchent en prioriteacute la faciliteacute drsquoutilisation des fonctionnaliteacutes en relation avec leur propre activiteacute en deacutepit des autres fonctionnaliteacutes et mecircme parfois en deacutepit de la validiteacute des reacutesultats Drsquoailleurs crsquoest agrave cause de ce contexte que des deacuteveloppeurs de logiciels commerciaux ont tendance agrave proposer des interfaces et des fonctionnaliteacutes optimiseacutees et orienteacutees vers un domaine drsquoapplication donneacute Ainsi nous commenccedilons agrave trouver par exemple des logiciels deacutedieacutes agrave la conception de lrsquoeacuteclairage public etou des tunnels (ex Tunnel-Lite) drsquoautres agrave la conception des protections solaires (ex ParaSol) etc
Cependant il est encore difficile de nos jours agrave un concepteur de bacirctiment de savoir quel est le ou les logiciels existants qui reacutepondent le mieux agrave ses propres besoins Crsquoest ce qui ressort dans les diffeacuterentes enquecirctes meneacutees sur lrsquoutilisation des logiciels en particulier celle meneacutee par le club 3D-Lumiegravere [3D-lumiegravere 2000] et celle que nous avons meneacutee au Light and Building 2002 [Maamari 2002] (voir annexe D) Nous notons par exemple dans ces deux enquecirctes lrsquoutilisation par des concepteurs lumiegravere de logiciels graphiques (Photoshop) en tant qursquooutils de conception
I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I31 Introduction Comme son nom lrsquoindique un logiciel de simulation de lrsquoeacuteclairage est supposeacute simuler la reacutealiteacute Mais la fideacuteliteacute de la simulation agrave la reacutealiteacute est loin drsquoecirctre veacuterifieacutee pour tous les logiciels existants sur le marcheacute international
Drsquoailleurs le niveau de preacutecision et de similitude (entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage et la reacutealiteacute) exigeacute ou souhaiteacute par les diffeacuterents utilisateurs nrsquoest pas neacutecessairement le mecircme et peut varier largement selon la speacutecificiteacute de leurs domaines drsquoactiviteacute [Maamari 2002]
Ainsi pour des utilisateurs qui srsquointeacuteressent uniquement au rendu graphique une image de synthegravese reacutealiste sans ecirctre neacutecessairement proche de la reacutealiteacute peut ecirctre suffisante Pour eux la question de la validation scientifique du logiciel utiliseacute ne se pose pas trop
Alors que pour des utilisateurs qui comptent extraire drsquoune simulation des cartes de luminances pour analyser le confort visuel de lrsquooccupant la validiteacute du logiciel devient drsquoune
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Chapitre I
importance de premier ordre Ceci est eacutegalement vrai pour les concepteurs en eacuteclairage qui ont besoin de veacuterifier que le niveau drsquoeacuteclairement est suffisant sur le plan de travail
Mais quel que soit le niveau de preacutecision souhaiteacute il est important pour un futur utilisateur de savoir la preacutecision qursquoil peut attendre de la part du logiciel qursquoil souhaite utiliser pour un type donneacute de tacircches Cette information est mecircme indispensable pour aboutir agrave une utilisation responsable des logiciels de simulation mais cela ne peut ecirctre possible qursquoagrave travers une validation rigoureuse et transparente de ce logiciel
Une validation rigoureuse et transparente des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage est une tacircche immense et drsquoune complexiteacute non neacutegligeable Ce qui est vrai pour tous les logiciels baseacutes sur des lois physiques comme par exemple les logiciels de simulation thermique
Cette complexiteacute est drsquoautant plus vraie quand on srsquointeacuteresse agrave lrsquoorientation du choix des utilisateurs vers un logiciel qui reacutepond le mieux agrave leurs propres besoins Dans ce contexte on souhaite veacuterifier la capaciteacute du logiciel agrave simuler avec preacutecision les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere lieacutes au domaine drsquoutilisation mais aussi on veut comparer cette capaciteacute agrave drsquoautres logiciels existants
La multitude des aspects qui entrent en jeu dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere combineacutee agrave la diversiteacute des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage contribuent agrave cette complexiteacute
Ainsi un logiciel capable de simuler des luminaires agrave optique diffusante nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler un luminaire avec une optique asymeacutetrique De mecircme un logiciel capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour agrave travers un vitrage ordinaire nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave travers un vitrage ou un systegraveme de protection solaire agrave aspect bidirectionnel etc
Nous preacutesentons ci-dessous une eacutetude bibliographique sur lrsquoeacutetat de lrsquoart du domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I32 Diffeacuterents types de validation En ce qui concerne les types de travaux de validation reacutealiseacutes nous avons pu identifier les suivants
I321 La validation analytique La validation analytique comme son nom lrsquoindique porte sur des cas theacuteoriques pour lesquels il existe des lois analytiques Ces lois sont issues des notions de base de la science physique lieacutees au rayonnement eacutelectromagneacutetique
Les travaux de validation baseacutes sur des reacutefeacuterences analytiques sont assez rares parmi les travaux reacutealiseacutes que nous avons pu trouver lors de notre recherche bibliographique
Cependant la validation analytique preacutesente des avantages consideacuterables comme la possibiliteacute de limiter les paramegravetres lieacutes agrave la propagation de la lumiegravere qui entrent en jeu dans un sceacutenario test Nous notons aussi lrsquoavantage de donner des solutions de reacutefeacuterences avec des incertitudes nulles ou neacutegligeables
En contrepartie la validation analytique ne peut couvrir que des domaines limiteacutes de la propagation de la lumiegravere Ce sont en geacuteneacuteral des cas de figures simples pour lesquels existe une loi theacuteorique [Aizlewood 1997]
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Chapitre I
I322 La validation expeacuterimentale Dans ce type de validation les reacutesultats des logiciels sont compareacutes agrave des mesures expeacuterimentales Ces mesures peuvent ecirctre reacutealiseacutees dans
a des maquettes drsquoeacutetude agrave eacutechelle reacuteduite [Caroll 1999] b des cellules tests agrave eacutechelle 11 c ou des piegraveces reacuteelles [Galasiu 1998] [Jarvis 1997]
Quel que soit le type des mesures reacutealiseacute la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales agrave utiliser pour des travaux de validation est confronteacutee agrave des obstacles consideacuterables
Le premier est lieacute aux sources drsquoerreur introduites lors de la description du sceacutenario expeacuterimental afin de le reproduire dans une simulation numeacuterique
Lrsquoimportance de cet obstacle est aggraveacutee par la multitude des paramegravetres qui entrent en jeu dans un sceacutenario expeacuterimental et par lrsquointeraction entre les sources drsquoerreurs lieacutees agrave chacun de ces paramegravetres
A titre drsquoexemple les sources drsquoerreur peuvent survenir lors de la description de la source de lumiegravere (artificielle ou reacuteelle) lors de la description de la photomeacutetrie des mateacuteriaux (reacuteflexion bidirectionnelle caracteacuteristiques spectraleshellip) etc
Un autre obstacle est ducirc agrave lrsquoincertitude qui existe dans la valeur mesureacutee et cela quelle que soit la preacutecision du protocole expeacuterimental appliqueacute Cette incertitude est lieacutee en partie agrave la preacutecision de lrsquoappareil de mesure et agrave son positionnement
Ducirc agrave tous ces obstacles la comparaison entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique et les mesures expeacuterimentales permet difficilement de conclure sur la preacutecision du logiciel testeacute
Il est aussi important de noter qursquoun des plus grands obstacles agrave la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales fiables reste celui des moyens techniques financiers et humains neacutecessaires aux expeacuterimentations
I323 La validation comparative Elle porte sur une comparaison des reacutesultats de simulation de plusieurs logiciels entre eux Cela peut ecirctre fait avec lrsquoexistence ou non drsquoune reacutefeacuterence expeacuterimentale ou analytique
Lrsquoavantage des comparaisons est de donner la possibiliteacute aux utilisateurs de mieux choisir entre plusieurs logiciels selon leur performance dans un domaine donneacute de la simulation
Cependant lrsquoutilisation des reacutesultats drsquoune comparaison afin de juger des logiciels les uns par rapport aux autres neacutecessite un maximum de transparence en particulier sur la complexiteacute des proceacutedures et sur le temps de calcul neacutecessaire pour obtenir ces reacutesultats [Grynberg 1988] [Fontoynont 1999] [Maamari 2003]
I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes Les travaux de validation reacutealiseacutes sur des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage ne manquent pas en nombre cependant crsquoest la creacutedibiliteacute de ces travaux qui nrsquoest pas toujours veacuterifieacutee
En ce qui concerne les rares travaux de validation existants qui beacuteneacuteficient drsquoune creacutedibiliteacute scientifique ou celle drsquoun organisme agreacuteeacute nous citons les suivants
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Chapitre I
I331 Le travail de Khodulev et Kopylov Ce travail reacutealiseacute et publieacute par Andrei B Khodulev et Edward A Kopylov en 1996 [Khodulev 1996] est lrsquoun des rares travaux de validation qui ont utiliseacute une reacutefeacuterence analytique
Le travail porte sur une validation comparative entre les logiciels Lightscape Specter et Radiance Une description des trois logiciels est donneacutee portant sur plusieurs critegraveres y compris lrsquointerface utilisateur
Un des sceacutenarios utiliseacutes pour la comparaison est celui drsquoune piegravece cubique fermeacutee avec une source lumineuse isotrope au centre La comparaison porte sur lrsquoeacuteclairement au niveau des points de mesure situeacutes sur le sol La valeur de reacutefeacuterence de cet eacuteclairement est calculeacutee semi-analytiquement pour prendre en consideacuteration la composante reacutefleacutechie interne
I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE Ce rapport repreacutesente un exemple ideacuteal sur la creacuteation des donneacutees expeacuterimentales fiables pour la validation des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage [Slater 2002]
Le travail deacutecrit dans ce rapport porte sur un protocole expeacuterimental qui a eacuteteacute deacutefini et conduit drsquoune maniegravere remarquablement rigoureuse dans une cellule test agrave eacutechelle 11 Le but est de creacuteer une base de donneacutees expeacuterimentales pour la validation des logiciels de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel
Le rapport comprend une description preacutecise du sceacutenario expeacuterimental y compris les dimensions de la geacuteomeacutetrie (une piegravece carreacutee) la position des lampes ou des luminaires la position des points de mesure ainsi que le coefficient de reacuteflexion des surfaces La description du sceacutenario comprend aussi les fichiers photomeacutetriques des luminaires au format CIBSE TM 14 sachant que la photomeacutetrie reacuteelle de chaque luminaire a eacuteteacute mesureacutee seacutepareacutement dans un laboratoire agreacuteeacute
Le protocole expeacuterimental comprend un controcircle du flux lumineux agrave travers lrsquoobservation et le controcircle des fluctuations du courant eacutelectrique et de la tempeacuterature de la piegravece Les lampes et les ballasts ont eacuteteacute vieillis Les lampes ont eacuteteacute preacutechauffeacutees une heure avant les mesures
Les capteurs ont eacuteteacute calibreacutes et fixeacutes sur un trolley afin de garantir la reacutepeacutetitiviteacute de leur position Six diffeacuterentes mesures ont eacuteteacute prises pour chaque point agrave lrsquoaide de deux capteurs diffeacuterents la moyenne de ces mesures a eacuteteacute utiliseacutee comme reacutefeacuterence
Une estimation des erreurs de mesures a eacuteteacute calculeacutee ainsi que des erreurs de simulation dues agrave lrsquoincertitude dans la description du sceacutenario Les reacutesultats ont alors eacuteteacute preacutesenteacutes sous forme de deux bandes de valeurs la premiegravere bande est celle des mesures prises + ou ndash lrsquoestimation des erreurs de mesure et lrsquoautre est celle des mesures + ou ndash le total des erreurs estimeacutees y compris les erreurs de simulation
I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA Ce travail a eacuteteacute meneacute dans le cadre de la tache 21 de lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie intituleacutee lumiegravere naturelle dans les bacirctiments En effet un projet a eacuteteacute deacutedieacute au thegraveme de la validation des logiciels de calcul en eacuteclairage et a fait lrsquoobjet drsquoune collaboration entre les laboratoires de six nations diffeacuterentes parmi lesquels le Laboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Fontoynont 1999] [Maamari 2002]
Dans le cadre de ce projet des donneacutees expeacuterimentales ont eacuteteacute reacutecolteacutees agrave travers des mesures drsquoeacuteclairement agrave lrsquointeacuterieur drsquoune seacuterie de maquettes agrave eacutechelle reacuteduite placeacutees sous des ciels
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Chapitre I
artificiels Trois bacirctiments types ont eacuteteacute testeacutes sous plusieurs configurations en changeant les types drsquoouverture etou les coefficients de reacuteflexion des surfaces
Les sceacutenarios expeacuterimentaux ont eacuteteacute simuleacutes agrave lrsquoaide des logiciels drsquoeacuteclairage naturel Adeline Genelux Leso-DIAL Radiance et Superlite Les reacutesultats des simulations ont eacuteteacute compareacutes entre les diffeacuterents logiciels et confronteacutes aux mesures expeacuterimentales
Cette comparaison a montreacute que le calcul des eacuteclairements agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment dus agrave lrsquoeacuteclairage naturel demande une description minutieuse des luminances des portions de la voucircte ceacuteleste vues par la fenecirctre Les eacuteclairements directs agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment sont alors calculeacutes avec une preacutecision de lrsquoordre de 5 La preacutecision des calculs des reacuteflexions multiples agrave lrsquointeacuterieur de la piegravece deacutepend quant agrave elle des proprieacuteteacutes des surfaces inteacuterieures et en particulier de la lrsquoaspect bidirectionnel de ces surfaces
Cette eacutetude a montreacute finalement que les programmes doivent ecirctre utiliseacutes avec beaucoup de preacutecautions car les reacutesultats de simulation sont tregraves sensibles agrave la qualiteacute des hypothegraveses et des paramegravetres drsquoentreacutee description de la source de lumiegravere geacuteomeacutetrie du bacirctiment paramegravetres de simulation
I34 Analyse de la probleacutematique Drsquoapregraves la recherche bibliographique preacutesenteacutee ci-dessus sur le domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage nous pouvons reacutesumer la probleacutematique de ce domaine dans les points suivants
1 Difficulteacute drsquoaccegraves agrave lrsquoinformation Elle est due en particulier agrave lrsquoabsence de sources publiques speacutecialiseacutees dans le domaine
2 Manque de transparence Ainsi nous trouvons souvent des reacutesultats de validation preacutesenteacutes sans suffisamment drsquoinformation sur les proceacutedures qui ont abouti agrave ces reacutesultats
3 Manque de creacutedibiliteacute une partie importante des travaux de validation existants est reacutealiseacutee par les deacuteveloppeurs des logiciels testeacutes les sources drsquoincertitudes dans les valeurs de reacutefeacuterence ne sont souvent pas prises en consideacuteration etc
4 Manque de travaux concluants sur la validiteacute du logiciel testeacute Ceci est ducirc en partie agrave la complexiteacute des sceacutenarios expeacuterimentaux et agrave la restriction des domaines testeacutes Ainsi il est rarement possible drsquoidentifier avec certitude les points de faiblesse et les domaines drsquoapplication drsquoun logiciel testeacute
5 Absence de reacutefeacuterences standardiseacutees Ce qui fait qursquoun certain aspect de la propagation de la lumiegravere est testeacute dans diffeacuterents logiciels avec des protocoles diffeacuterents Ce qui ne permet pas une comparaison transparente et objective entre ces diffeacuterents logiciels
6 Manque de validations analytiques malgreacute les avantages de ce type de validation
En reacuteponse aux problegravemes listeacutes ci-dessus nous identifions en particulier le besoin drsquoune standardisation et drsquoune mise agrave disposition des reacutefeacuterences de validation fiables de preacutefeacuterence sous la garantie et le controcircle drsquoun ou plusieurs organismes creacutedibles
I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
I351 Introduction Le premier objectif qursquoon pourrait attendre des travaux de validation crsquoest de pouvoir ameacuteliorer la confiance des utilisateurs dans les logiciels de simulation A savoir qursquoameacuteliorer la confiance ne veut pas forceacutement dire lrsquoaugmenter Mais plutocirct sensibiliser les utilisateurs aux capaciteacutes et aux limites des diffeacuterents logiciels dans les diffeacuterents domaines de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Ainsi agrave travers lrsquoidentification des points de faiblesse
45
Chapitre I
drsquoun logiciel et de ces domaines drsquoapplication on pourra aboutir agrave une utilisation responsable de ces logiciels
Drsquoougrave le besoin drsquoune meacutethodologie de validation qui permet de tester la capaciteacute drsquoun logiciel agrave simuler les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Cette meacutethodologie doit eacutegalement palier les deacutefaillances rencontreacutees dans le domaine agrave noter creacutedibiliteacute fiabiliteacute et accessibiliteacute
I352 Concept et approche proposeacutes Pour atteindre les objectifs fixeacutes ci-dessus la meacutethodologie de validation proposeacutee repose un concept de base qui est celui de tester seacutepareacutement les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Ceux-ci peuvent ecirctre classeacutes sous 3 grands groupes
1 La description de la source de lumiegravere et le calcul de lrsquoeacuteclairement direct 2 Le transfert du flux lumineux agrave travers les composants de la fenecirctre et lrsquoinfluence des
masques 3 Les inter-reacuteflexions sur les diffeacuterents mateacuteriaux avec diffeacuterentes photomeacutetries
Pour appliquer ce concept cette meacutethodologie de validation est baseacutee sur une seacuterie de cas-tests chacun traitant un sceacutenario drsquoeacuteclairage simple (un nombre limiteacute de paramegravetres) ougrave un certain aspect de la propagation de lumiegravere est mis en eacutevidence La description des cas-tests comprend la geacuteomeacutetrie les sources de lumiegravere ainsi qursquoune seacuterie de valeurs de reacutefeacuterence agrave utiliser pour tester la capaciteacute du logiciel agrave simuler lrsquoaspect en question Ces valeurs de reacutefeacuterence sont obtenues soit agrave lrsquoaide drsquoun calcul analytique quand crsquoest possible (pour des sceacutenarios theacuteoriques) ou bien agrave partir de mesures expeacuterimentales
Ainsi chaque cas-test est applicable agrave tout logiciel proposant des fonctionnaliteacutes lieacutees agrave lrsquoaspect traiteacute (dans ce cas-test) indeacutependamment des algorithmes utiliseacutes des meacutethodes de calcul adopteacutees ou des paramegravetres utiliseacutes
Cependant il est possible drsquoassocier agrave chaque test une eacutetude parameacutetrique propre agrave chaque logiciel Une telle eacutetude permet de mieux comprendre lrsquoinfluence des diffeacuterents paramegravetres proposeacutes sur la preacutecision du logiciel dans un aspect donneacute de la propagation de la lumiegravere
Pour une utilisation optimale de cette meacutethodologie de validation les cas-tests doivent couvrir tous les aspects de la propagation de la lumiegravere Ils seront alors utiliseacutes en tant qursquooutil unique et complet pour tester un logiciel donneacute
Une comparaison geacuteneacuterale des reacutesultats des simulations drsquoun logiciel donneacute aux valeurs de reacutefeacuterences de la seacuterie de cas-tests donnera une ideacutee claire sur les domaines ougrave le logiciel testeacute respecte ou non les lois physiques Ceci permettra agrave un utilisateur de veacuterifier si ce logiciel est compatible avec son propre domaine drsquoactiviteacute et agrave un deacuteveloppeur de veacuterifier si son logiciel a atteint les perspectives souhaiteacutees
De la mecircme faccedilon une comparaison entre les reacutesultats de diffeacuterents logiciels et les valeurs de reacutefeacuterence permet drsquooffrir une vision objective sur le logiciel qui reacutepond le mieux agrave une exigence donneacutee
46
Chapitre I
Conclusions Suite agrave notre eacutetude bibliographique sur le domaine de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage nous avons orienteacute le travail de cette thegravese (agrave travers les chapitres suivants) de faccedilon agrave reacutepondre agrave certains des problegravemes identifieacutes dans ce domaine
Ainsi en ce qui concerne le manque de fiabiliteacute dans les travaux de validation des logiciels nous deacuteveloppons la meacutethode de validation que nous avons proposeacutee Dans ce cadre nous creacuteons une seacuterie de cas-tests en relation avec diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere traiteacutes ci-dessus Ces cas-tests sont reacutepartis en deux familles lrsquoune avec des sceacutenarios theacuteoriques et des reacutefeacuterences analytiques et lrsquoautre avec des reacutefeacuterences expeacuterimentales reacutepondant agrave des critegraveres de controcircle de qualiteacute que nous avons deacutefinis
En ce qui concerne la difficulteacute de simuler des sceacutenarios reacuteels de lumiegravere naturelle nous proposons et validons une meacutethode de simulation agrave partir des cartes de luminances reacuteelles agrave haute deacutefinition
Finalement nous proposons et nous validons une meacutethode de simulation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquoaide des luminaires eacutequivalents Cette meacutethode permet agrave la simulation de la lumiegravere de jour de beacuteneacuteficier de la preacutesence confirmeacutee des outils de simulation de la lumiegravere artificielle dans le domaine de la conception des bacirctiments Elle permet eacutegalement de surmonter un nombre de difficulteacutes rencontreacutees dans certains logiciels classiques de simulation la lumiegravere naturelle en particulier celles lieacutees agrave la preacutecision des reacutesultats par rapport au temps de calcul et agrave la simulation des masques exteacuterieurs
47
Chapitre I
Reacutefeacuterences Bibliographiques 3D-LUMIEgraveRE Enquecircte sur la connaissance et lrsquoutilisation des systegravemes informatiques de simulation drsquoeacuteclairage Paris Club 3D Lumiegravere 2000 11 p ACHARD G LAFORGUE P SOUYRI B FONTOYNONT M BASTIE A MITANCHEY R Etude dun systegraveme Metrologique de Confort Radiatif Integrant lAspect Thermique et lAspect Visuel Paris 1994 60 p AFE Les sources de lumiegravere Socieacuteteacute dEdition Lux 1987 199 p AIZLEWOOD M BUTT J ISAAK K LITTLEFAIR P Daylighting in atria a comparison of measurements theory and simulation Lux Europa 1997 Amsterdam-Netherlands 1997 ANDERSEN M RUBIN M POWLES R SCARTEZZINI J L Bi-directional light transmission properties assessment for venetian blinds Computer simulations compared to photogoniometer measurements ISES Solar World Congress 2003 - Solar Energy for a Sustainable Future Gothenburg - Sweden International Solar Energy Society 2003 ANDERSEN M RUBIN M SCARTEZZINI J-L Comparison between ray-tracing simulations and bi-directional transmission measurements on prismatic glazing Solar Energy 2003 vol 74 ndeg2 pp 157-217 ANSIIESNA ANSIIESNA LM-63-02 ANSI Approved Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data and Related Information ANSIIESNA LM-63-02 2002 26 p ASE Eclairage inteacuterieur par la lumiegravere du jour Norme Suisse SN 418911 Zuumlrich Association Suisse des Electriciens 1989 ASHDOWN I Near-Field Photometry A New Approach IES 1993 vol 22 ndeg1 pp 163-180 ASHDOWN I EULUMDAT File Format Specification [en ligne] Disponible sur lthttpwwwhelios32comEulumdathtmgt (09 Mars 2004) ASHDOWN I Thinking photometrically Part II 105 Las Vegas workshop-Lightfair International 2001 42 p ASHRAE-IESNA Energy efficient design of new buildings except new low-rise residential buildings ASHRAEIES 901-1989 American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditionaing Engginers 1989 AUTODESK Lightscape 32 Users Guide 32 Autodesk 1999 352 p BALOCCO C FORASTIERE M A GRAZZINI G RIGHINI G C Experimental results of transparent reflective and absorbing propoerties of some building materials Energy and Buildings 2001 vol 33 pp 563-568
48
Chapitre I
CAROLL W L HITCHCOCK R J Recent Comparisons of SUPERLITE to Scale Model Data LBNL-43107 Lawrence Berkeley National Laboratory 1999 CHAIN C DUMORTIER D FONTOYNONT M A comprehensive model of luminance correlated colour temperature and spectral distribution of skylight Comparison with experimental data Solar Energy 1999 vol 65 ndeg5 pp 285-295 CIBSE CIBSE standard file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIBSE TM 14 London CIBSE 1988 CIE Daylight CIE-16 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1970 79 p CIE Standardization of Luminance Distribution on Clear Skies CIE-22 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1973 CIE Calculations for Interior Lighting Basic Method CIE-40 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1978 CIE Absolute Methods for Reflection Measurements CIE-44 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 CIE A Review of Publications on Properties and Reflection Values of Material Reflection Standards CIE-46 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 99 p CIE Calculations for Interior Lighting Applied Method CIE-52 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1982 CIE The Spectroradiometric Measurement of Light Sources CIE-63 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1984 CIE Colorimetry 2nd Edition CIE-152 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1986 CIE The Measurement of Absolute Luminous Intensity Distributions CIE-70 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1987 CIE The Measurement of Luminous Flux CIE-84 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1989 CIE Standard overcast and clear sky 3rd Draft Vienne Commission Internationale de LrsquoEclairage 1990 CIE Electric Light Sources State of the Art-1991 CIE-96 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1992 CIE Recommended file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIE-102 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1993 CIE Guide to Recommended Practice of Daylight Measurement CIE-108 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1994
49
Chapitre I
CIE Discomfort Glare in Interior Lighting CIE-117 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1995 CIE The Photometry and Goniophotometry of Luminaires CIE-121 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE The Relationship Between Digital and Colorimetric Data for Computer-Controlled CRT Displays CIE-122 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance CIE-130 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1998 CIE Spatial distribution of daylight - CIE standard general sky Vienne Commission Internationale de lEclairage 2002 7 p COHEN M F CHEN S E WALLACE J R GREENBERG DP A progressive refinement approach to fast radiosity image generation 15th annual conference on computer graphics and interactive techniques ACM Press New York 1988 pp 75-84 DE BOER J Encorporation of numerical goniophotometry into daylighting design CISBAT 2003 Lausanne EPFL 2003 pp 229-234 DE BOER J ERHORN H Survey Simple Design Tools IEA 1999 49 p DENIEL J M Modeacutelisation des luminaires et des BRDF Reacutealisation mesure et compression Thegravese en Informatique Rennes Universiteacute de Rennes 1 2002 277 p DUMORTIER D Mesure Analyse et Modeacutelisation du gisement lumineux Application agrave leacutevaluation des performances de leacuteclairage naturel des bacirctiments Thegravese en Geacutenie Civil et Sciences de lHabitat Vaulx en Velin ENTPE Universiteacutee de Savoie 1995 295 p DUMORTIER D Lumiegravere naturelle et rayonnement solaire - Mesures au sol et estimations agrave partir dimages satellites - Deacuteveloppement de services Web pour leacuteclairage naturel des bacirctiments HDR Thermique et Energeacutetique Vaulx en Velin ENTPE 2003 161 p DUMORTIER D VAN ROY F SODA daylighting resource SODA Deliverable 53C 2002 DUMORTIER D VETRO P Luminance calibration of the Nikon 950 digital cameras Lux Europa Reykjavik 2001 ERHORN H DE BOER J DIRKSMOLLER M ADELINE - An Integrated Approach to Lighting Simulation Daylighting 98 Ottawa 1998 FOLEY D J VAN-DAM A FEINER S K HUGHES J F Computer Graphics Principles and Practice Second Edition ADDISON-WESLEY 1990 (The systems programming series
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Chapitre I
FONTOYNONT M Le point sur les meacutethodes de simulation et sur lrsquoutilisation de lrsquoimage de synthegravese en eacuteclairage LUX 1991 FONTOYNONT M LAFORGUE P MITANCHEY R AIZLEWOOD M BUTT J CARROLL W HITCHOCK R ERHORN H DE BOER J DIRKSMOumlLLER M MICHEL L PAULE B SCARTEZZINI J-L BODART M AND ROY G Validation of daylighting simulation programs IEA SHC Task 21 ECBCS Annex 29 1999 28 p GALASIU A ATIF M Applicability of Daylighting Computer Modeling in Real Case Studies Comparison between Measured and Simulated Daylight Availability and Lighting Consumption IEA SHC Task 21 IEA ECBCS Annex 29 Daylight in Buildings International Energy Agency National Research Council Canada 1998 68 p GREENUP P J EDMONDS I R COMPAGNON R RADIANCE algorithm to simulate laser-cut panel light-redirecting elements Lighting Research amp Technology 2000 vol 32 ndeg2 pp 49-54 GRYNBERG A Comparison and Validation of Radiance and Superlite Rapport interne Lawrence Berkeley National Laboratory 1988 HOPKINSON R G PETHERBRIDGE P LONGMORE J Daylighting William Heinneman Ltd London 1966 IEA-SHC Daylighting simulation Methods Algorithms and Ressources Agence Internaitonale de lEnergie - SHC 1999 IEA-SHC Measurement of Luminous Characteristics of Daylighting Materials Agence Internationale de lEnergie - SHC - Tacircche 21 1999 IESNA Calculating Coefficients of Utilisation Wall and Ceiling Cavity Exitance IES LM-57 New York Illuminating engineering Society of North America 1982 IESNA The Determination of Illuminance at a Point in Interior Spaces IES LM-43-1991 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 34 p IESNA An Introduction to Light and Lighting IES ED-50 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 51 p IESNA Lighting Handbook 8th Edition New York Illuminating engineering Society of North America 1993 IESNA IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data IESNA LM-63-95 New York Illuminating engineering Society of North America 1995 5 p IESNA 1999 IESNA Software Survey Lighting Design + Application 1999 vol 29 ndeg12 pp 39-48 JARVIS D DONN M Comparison of Computer and Model Simulations of a Daylit Interior with Reality 5th International conference on Building Performance and Simulation Association Prague Czech Republic 1997 pp 9-16
51
Chapitre I
KAJIYA J T Anisotropic Reflection Models SIGGRAPH85 San Francisco 1985 pp 15-21 KARAYEL M NAVVAB M NEEMAN E SELKOWITZ S Zenith Luminance and sky luminance distributions for daylighting calculations Energy Build 1984 vol 6 ndeg3 pp 283-291 KHODULEV A B KOPYLOV E A Physically accurate lighting simulation in computer graphics software GraphiConrsquo96 The 6th International Conference on Computer graphics and Visualization St Petersburg Russia 1996 pp 111-119 KITTLER R Standardisation of outdoor conditions for the calculation of daylight factor with clear skies Sunlight in Buinldings CIE Intercessional conference Newcastle-Upon-Tyne 1965 KLEMS J H WARNER J L Measurement of bidirectional optical properties of complex shading devices ASHRAE Symposium Chicago 1995 LESLIE R P Capturing the daylight in buildings why and how Building and Environment 2003 vol 38 pp 381-385 MAAMARI F International survey on lighting simulation tools - Light and Building 2002 IEA-SHC-Task-31 2002 7 p MAAMARI F FONTOYNONT M Use of IEA-SHC Task 21 C benchmarks to assess performance of Lightscape 32 in daylighting calculations EPIC Lyon France 2002 pp 709-714 MAAMARI F FONTOYNONT M HIRATA M KOSTER J MARTY C TRANSGRASSOULIS A Reliable Datasets for Lighting Programs Validation Benchmark results CISBAT 2003 Conference 2003 pp 6 MAAMARI F JONGEWAARD M KOSTER J TRANSGRASSOULIS A FONTOYNONT M A Step Toward A Complete And Objective Validation Methodology For Lighting Simulation Tools CIE 25th Session San Diego 2003 pp 4 MARDALJEVIC J Daylight Simulation Validation Sky Models and Daylight Coefficients Leicester UK Montfort University 2000 MARDALJEVIC J The BRE-IDMP dataset a new benchmark for the validation of illuminance prediction techniques Lighting Research and Technology 2001 vol 33 ndegISSN 1365-7828 pp 117-136 MITANCHEY R Synthegravese dimages appliqueacutee agrave leacuteclairagisme inteacuterieur des bacirctiments Thegravese en Informatique speacutecialiteacute images Saint-Etienne Leacutecole Nationale Supeacuterieure des Mines de Saint-Etienne 1996 200 p
52
Chapitre I
MITANCHEY R PERIOLE G FONTOYNONT M Goniophotometric measurements Numerical simulation for research and development applications Lighting Research and Technology 1995 vol 27 ndeg4 pp 189-196 MOON P SPENCER D E Illumination from a nonuniform sky Illum Eng 1942 vol 37 ndeg12 pp 707-726 NAKAMURA H OKI M AYASHI Y Luminance distribution of intermediate sky Light Visual Environ 1989 vol 9 ndeg1 pp 6-13 PAULE B COMPAGNON R SCARTEZZINI J L Towards a new daylighting design computer tool Right Light Three conference Newcastle upon Tyne England 1995 PEREZ R SEALS R MICHALSKY J All-Weather model for sky luminance distribution Preliminary configuration and validation Solar Energy 1993 vol 50 ndeg3 pp 235-245 REINHART C F HERKEL S The simulation of annual daylight illuminance distributions ndash a state-of-the-art comparison of six RADIANCE-based methods Energy and Buildings 2000 vol 32 ndeg167-187 ROY G HAYMAN S JULIAN W Sky Modeling from Digital Imagery ARC Project No A89530177 Sidney The University of Sidney amp Murdoch university 1998 ROY G RUCK N REID G JULIAN W Sky luminanceStandard Digital Form for modelling Lighting Research amp Technology 1995 vol 27 ndeg3 pp 161-167 SATEL-LIGHT Satel-Light the European Database for Daylight and Solar Radiation [en ligne] Disponible sur lthttpwwwsatel-lightcomgt (27 janvier 2004) SCARTEZZINI J L COMPAGNON G WARD G PAULE B Outils Informatiques en Lumiegravere Naturelle NEFF-4352 Universiteacute de Genegraveve EPFL 1993 142 p SHAREEF F M OLDHAM D J CARTER D J A computer model for predicting the daylight performance of complex parallel shading systems Building and Environment 2001 vol 36 pp 605-618 SLATER A GRAVES H Benchmarking Lighting Design Software TM 2800 London CIBSE 2002 33 p SMITH B SPIEKERMANN C SEMBER R Numerical methods for colorimetric calculations A comparison of integration methods Color Research and Application 1992 vol 17 ndeg6 STOCKMAR A Eulumdat file format CIBSEILE National Lighting Conference York 2000 STOCKMAR A W EULUMDAT ein leuchtendatenformat fur den europaischen beleuchtungplaner Tagungsband Licht 1990 pp 641-644
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Chapitre I
TREGENZA P Daylighting algorithms ETSU S 1350 UK Department of Trade and Industry on behalf of the Energy Technology Support Unit 1993 43 p TREGENZA P R WATERS I M Daylight Coefficients Lighting Research amp Technology 1983 vol 15 ndeg2 pp 65-71 TROWBRIDGE T S REITZ K P Average Irregularity Representation of a Rough Surface for Ray Reflection Opt Soc Am 1975 vol 65 ndeg5 pp 531-536 UETANI Y MATSUURA K A Method of Luminance Calculation in an Anisotropic Diffuse Reflecting Interior IESNA Annual Conference Technical Papers San Diego 1992 WARD G J The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System SIGGRAPH Computer graphics 1994 pp 459-472 WHITTED T An improved illumination model for shaded display Computer graphics amp Image processing 1980
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- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
impossible de repreacutesenter tous les cas de figures qui peuvent exister dans un ciel reacuteel par des simples formules
Ceci est particuliegraverement vrai si nous voulons prendre en consideacuteration ce qui peut apparaicirctre dans un champ de luminances externe agrave une ouverture zeacutenithale ou verticale (masques sol exteacuterieurhellip)
Face agrave la complexiteacute des champs de luminances reacuteels plusieurs tentatives ont eacuteteacute meneacutees afin de transformer un champ de luminances reacuteel en un modegravele de ciel agrave travers des mesures de scanner de ciel ou bien agrave travers des photos numeacuteriques eacutetalonneacutees [Roy 1998] [Mardaljevic 2001] [Dumortier 2001]
Au-delagrave de la variation des luminances drsquoun ciel certaines eacutetudes se sont inteacuteresseacutees agrave la variation de la tempeacuterature de couleur proximale et de la reacutepartition spectrale [Chain 1999]
I123 Le sol exteacuterieur La lumiegravere naturelle reacutefleacutechie sur le sol exteacuterieur peut jouer un rocircle important dans la propagation de la lumiegravere du jour agrave lrsquointeacuterieur des bacirctiments En effet elle repreacutesente en moyenne 10 agrave 15 de lrsquoeacuteclairement vertical direct sur une faccedilade et peut deacutepasser cette valeur dans le cas drsquoun sol clair
En geacuteneacuteral cette lumiegravere est renvoyeacutee par les surfaces du plafond ou des murs vers les autres surfaces internes et participe ainsi agrave la composante reacutefleacutechie interne du facteur de lumiegravere de jour
La prise en consideacuteration du sol exteacuterieur dans une simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage se fait souvent en supposant une luminance uniforme de celui-ci variant avec lrsquoeacuteclairement Hz et le facteur de reacuteflexion moyen du sol Cependant dans certains logiciels il est neacutecessaire de modeler le sol exteacuterieur par une surface de grande dimension Dans ce cas le moteur de calcul doit proceacuteder au calcul de la reacutepartition de la luminance sur le sol avant de calculer sa contribution agrave lrsquoeacuteclairage inteacuterieur
I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain) Dans le calcul de la lumiegravere du jour agrave lrsquointeacuterieur drsquoun bacirctiment il est important de prendre en consideacuteration les eacuteleacutements de faccedilade et lrsquoenvironnement urbain Ceux ci peuvent repreacutesenter agrave la fois une obstruction agrave lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour directe dans le bacirctiment et une source secondaire de lumiegravere naturelle par reacuteflexion (composante reacutefleacutechie externe)
Ainsi par exemple une piegravece au premier eacutetage sera moins eacuteclaireacutee qursquoune autre au 5egraveme eacutetage dans le cas drsquoun bacirctiment en vis agrave vis Ou encore la mecircme piegravece sera mieux eacuteclaireacutee avec un facteur de reacuteflexion plus eacuteleveacute de la faccedilade en face
La prise en consideacuteration des masques dans certaines meacutethodes de calcul simplifieacutees se fait agrave travers la deacutetermination de lrsquoangle drsquoobstruction (entre le centre de la fenecirctre et la ligne limite entre le masque et le ciel) et du facteur de reacuteflexion moyen du masque
Un calcul plus preacutecis de lrsquoinfluence drsquoun sceacutenario urbain donneacute sur lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour dans une piegravece peut se faire agrave lrsquoaide des algorithmes de calcul physiques (radiositeacute ou lancer de rayon) Cependant cela neacutecessite la modeacutelisation geacuteomeacutetrique des masques exteacuterieurs ce qui entraicircne un temps de calcul relativement long
29
Chapitre I
I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
Geacuteneacuteraliteacutes On entend par conception de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment le choix des composants et des caracteacuteristiques des parois vitreacutees leur position leurs dimensions les speacutecifications des vitrages et des protections solaires
Ces choix sont guideacutes par des consideacuterations thermiques (apport solaire et surchauffe deacuteperditions par lrsquoenveloppe) acoustiques eacutenergeacutetiques (eacuteclairage artificiel systegravemes de chauffage et de climatisation) ergonomiques (confort visuel) ainsi qursquoestheacutetiques et architecturales
Il est eacutegalement neacutecessaire de prendre en consideacuteration les interactions entre ces diffeacuterents paramegravetres afin drsquoarriver agrave un compromis qui reacutepond le mieux aux exigences du projet Par exemple laisser passer plus de lumiegravere naturelle en agrandissant les surfaces vitreacutees entraicircnerait une augmentation de lrsquoapport solaire et des surchauffes en eacuteteacute et de la deacuteperdition et de la consommation eacutenergeacutetique du chauffage en hiver
Avec les progregraves technologiques apporteacutes aux systegravemes de controcircle on arrive de nos jours agrave mieux geacuterer ces interactions en particulier le controcircle des protections solaires en relation avec le confort visuel et le controcircle de lrsquoeacuteclairage artificiel en relation avec la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour sur le plan de travail (systegravemes de dimming controcircles automatiseacutes zonagehellip) Cependant pour que la conception de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment aboutisse agrave une meilleure efficaciteacute eacutenergeacutetique il est important de srsquoy inteacuteresser degraves les premiegraveres phases de la conception du bacirctiment (orientation dimensionnementhellip) [ASHRAE-IESNA 1989] [CIE 1994] [Leslie 2003]
Eclairement inteacuterieur requis Un paramegravetre cleacute dans la conception de lrsquoeacuteclairage naturel est lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (en particulier sur le plan de travail) Cet eacuteclairement subit des variations importantes avec le temps dues au dynamisme de la distribution des luminances du ciel (en particulier la zone vue par un point de reacutefeacuterence)
Ducirc agrave cette dynamique et pour simplifier la prise en consideacuteration de ce paramegravetre dans la conception drsquoun bacirctiment la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute a eacuteteacute introduite Ainsi on srsquointeacuteresse agrave un seuil minimum drsquoeacuteclairement neacutecessaire pour assurer le bon fonctionnement des tacircches pour lesquelles est deacutedieacute un local Le deacutepassement de ce seuil est supposeacute comme geacuteneacuteralement compenseacute par lrsquoadaptation de lrsquoœil
Disponibiliteacute de la lumiegravere de jour Lrsquoeacuteclairement inteacuterieur est directement lieacute agrave la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour agrave lrsquoexteacuterieur du bacirctiment Cette derniegravere est exprimeacutee par lrsquoeacuteclairement sur une surface horizontale deacutegageacutee Sa variation avec le temps et la geacuteographie a eacuteteacute eacutetudieacutee agrave partir de plusieurs campagnes de mesure agrave travers le monde [Dumortier 2003]
Ainsi la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour a pu ecirctre deacutecrite par des diagrammes en fonction de la latitude et drsquoun pourcentage des heures drsquoune anneacutee pour une peacuteriode journaliegravere donneacutee (9h agrave 17h par ex) pour lesquelles lrsquoeacuteclairement horizontal exteacuterieur deacutepasse un certain seuil Ces diagrammes ne prennent souvent en consideacuteration que lrsquoeacuteclairement diffus
De nos jours on arrive agrave estimer la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour par lrsquoanalyse des images satellites Nous citons dans ce domaine le serveur Web Satel-Light deacuteveloppeacute au
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Chapitre I
LAboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Dumortier 1995] [Satel-Light 1995] [Dumortier 2002] [Dumortier 2003]
Facteur de lumiegravere de jour Afin de deacuteterminer une relation entre lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (en un point de la piegravece) et la disponibiliteacute de la lumiegravere du jour agrave lrsquoexteacuterieur drsquoun bacirctiment la notion du Facteur de Lumiegravere de Jour est utiliseacutee
FJ= (EintEext)
Ce ratio est subdiviseacute en plusieurs composantes
- La composante directe FJD (varie avec la distribution des luminances du ciel vues par le point de reacutefeacuterence)
- La composante reacutefleacutechie externe FRE (varie avec la contribution de la lumiegravere reacutefleacutechie sur le sol et les masques exteacuterieurs)
- La composante reacutefleacutechie interne FRI (varie avec les inter-reacuteflexions au niveau des surfaces inteacuterieures et deacutepend du facteur de reacuteflexion de ces surfaces)
Ainsi FJ = FJD + FRE + FRI
Pour le calcul drsquoun facteur de lumiegravere de jour en particulier sa composante directe il est important de caracteacuteriser la reacutepartition des luminances dans le ciel Alors que pour des raisons de simplification on supposait une reacutepartition uniforme (en azimut et en zeacutenith) de la luminance du ciel la CIE a proposeacute lrsquoadoption du ciel CIE couvert standard eacutetant donneacute qursquoil repreacutesente mieux de la distribution reacuteelle des luminances drsquoun ciel nuageux
Lrsquoutilisation drsquoun ciel nuageux pour la mesure ou le calcul du facteur de lumiegravere de jour est compatible avec la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute En effet les autres conditions possibles de ciel aboutissent geacuteneacuteralement agrave une meilleure peacuteneacutetration de la lumiegravere diffuse ou agrave une compensation par la lumiegravere directe du soleil Ainsi en adoptant le facteur de lumiegravere de jour sous un ciel nuageux comme reacutefeacuterence pour la conception on garantit une marge de seacutecuriteacute et un niveau minimum
Diagrammes drsquoautonomie A lrsquoaide des paramegravetres deacutecrits ci-dessus lrsquoeacuteclairement inteacuterieur requis les diagrammes de disponibiliteacute de la lumiegravere de jour et le facteur de lumiegravere de jour il est possible de deacutecrire des diagrammes drsquoautonomie en lumiegravere de jour Ces diagrammes permettent de deacutefinir un pourcentage de temps garanti ougrave lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (naturel) en un point donneacute deacutepassera un certain seuil Ou bien il permet de deacutefinir un facteur de lumiegravere de jour minimum requis afin de garantir un certain pourcentage de temps de deacutepassement drsquoun seuil drsquoeacuteclairement inteacuterieur [ASE 1989] [Satel-Light 1995]
Calcul dynamique de lrsquoeacuteclairage naturel (coefficient de FLJ) La nouvelle tendance dans la conception en eacuteclairage naturel nrsquoest plus baseacutee sur la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute mais sur un calcul dynamique de lrsquoentreacutee de la lumiegravere en utilisant les fichiers climatiques drsquoun site donneacute Cette meacutethode plus reacutealiste mais plus lourde en calcul est devenue utilisable gracircce agrave lrsquoeacutevolution des capaciteacutes du mateacuteriel informatique Sa mise en place utilise lrsquoapproche du facteur de lumiegravere de jour directionnel pour preacute-calculer la contribution relative des diffeacuterentes mailles du ciel agrave lrsquoeacuteclairement des diffeacuterents points drsquoun espace inteacuterieur [Tregenza 1983] [Mardaljevic 2000] [Reinhart 2000] [Dumortier 1995]
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Chapitre I
Outils de conception En ce qui concerne les meacutethodes existantes pour le calcul et lrsquoeacutevaluation de lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment elles sont classeacutees selon les cateacutegories suivantes [De Boer 1999]
- Les meacutethodes de calcul manuel (meacutethode de lumen ) - Les meacutethodes graphiques baseacutees sur des diagrammes selon des configurations types
du bacirctiment Ces diagrammes sont compleacuteteacutes par des facteurs de correction agrave prendre en consideacuteration en relation avec la transmission des vitrages la deacutegradation due agrave lrsquoaccumulation des saleteacutes le facteur de reacuteflexion moyen des surfaces inteacuterieureshellip
- Des mesures expeacuterimentales dans des maquettes agrave eacutechelle reacuteduite ou reacuteelle sous un ciel artificiel ou reacuteel
- Les logiciels de simulation baseacutes en particulier sur les meacutethodes de radiositeacute et de lancer de rayon
Un autre aspect de conception en eacuteclairage naturel (que celui de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour) consiste agrave prendre en consideacuteration les taches solaires agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment en particulier du point de vue de lrsquoapport thermique et du confort visuel Lrsquoeacutetude des taches est le plus souvent limiteacutee agrave certains jours repreacutesentatifs de lrsquoanneacutee (en particulier les solstices) et pour diffeacuterentes heures de la journeacutee
Les meacutethodes existantes pour lrsquoeacutetude des taches solaires sont
- Des meacutethodes manuelles utilisant des diagrammes solaires - Des eacutetudes sur maquette reacuteduite sous un heacuteliodon - Des meacutethodes numeacuteriques utilisant des algorithmes matheacutematiques pour deacutefinir la
position du soleil et des algorithmes de lancer de rayon pour simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere solaire directe agrave travers lrsquoenveloppe du bacirctiment Certains logiciels sont deacuteveloppeacutes speacutecialement pour lrsquoeacutetude des taches solaires on parle alors drsquoheacuteliodons numeacuteriques
En plus que les outils de simulation nous traitons dans notre travail les mesures expeacuterimentales dans des maquettes drsquoeacutetude
I13 La geacuteomeacutetrie
I131 Geacuteneacuteraliteacutes Comme la source lumineuse la geacuteomeacutetrie drsquoun espace est un eacuteleacutement cleacute pour calculer et preacutedire la propagation de la lumiegravere agrave lrsquointeacuterieur de cet espace Pour un calcul drsquoeacuteclairage (manuel ou numeacuterique) la description de cette geacuteomeacutetrie doit inclure une description tri-dimensionnelle de lrsquoespace ainsi qursquoune caracteacuterisation physique de ses mateacuteriaux Dans cette partie nous nous inteacuteressons agrave la description tri-dimensionnelle de lrsquoespace dans la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage
Les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie agrave prendre en consideacuteration dans une simulation sont geacuteneacuteralement les surfaces visibles des mateacuteriaux opaques du volume inteacuterieur Dans un sceacutenario drsquoeacuteclairage naturel nous consideacuterons eacutegalement les surfaces du sol et des masques exteacuterieurs ainsi que les composants des parois vitreacutees
On parle de surfaces visibles des mateacuteriaux opaques car contrairement au cas des eacutechanges de flux thermiques lrsquoinfluence des mateacuteriaux opaques sur la propagation des flux lumineux se limite agrave ces surfaces
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Chapitre I
La prise en consideacuteration des parois vitreacutees du sol et des masques exteacuterieurs peut varier entre les diffeacuterents logiciels Ainsi lrsquoinfluence de ces eacuteleacutements (vitrage store veacutenitien masque vertical ou horizontalhellip) peut ecirctre calculeacutee analytiquement dans un logiciel et agrave lrsquoaide drsquoun lancer de rayon ou un calcul de radiositeacute dans un autre Le premier cas ne neacutecessite qursquoune description parameacutetrique (type de vitrage couleur et orientation des lames angle drsquoobstructionhellip) et le deuxiegraveme neacutecessite une modeacutelisation preacutecise des eacuteleacutements
I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie Bien que certains logiciels offrent la possibiliteacute drsquoune automatisation de lrsquoentreacutee de la geacuteomeacutetrie 3D cellendashci est en fin de compte deacutecrite par un ensemble de polygones deacutefinis par les coordonneacutees carteacutesiennes de leurs sommets (x y z)
Pour les logiciels de simulation qui nrsquooffrent pas une interface de DAO pour lrsquoentreacutee de la geacuteomeacutetrie il est possible drsquoimporter cette derniegravere agrave partir drsquoun logiciel de DAO externe [IESNA 1999] La plupart des logiciels de simulation sont compatibles avec le format DXF creacuteeacute par Autodesk et standardiseacute par la suite pour le transfert de donneacutees geacuteomeacutetriques [Autodesk 1999]
Parmi les logiciels de DAO souvent utiliseacutes pour modeacuteliser la geacuteomeacutetrie 3D nous citons AutoCAD ArchiCAD et Microstation Cependant lorsqursquoune geacuteomeacutetrie est deacutecrite agrave lrsquoaide drsquoun logiciel externe il est important de prendre certaines preacutecautions dans le mode de dessin afin de garantir une meilleure compatibiliteacute avec la plupart des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
Les preacutecautions agrave prendre et leurs importances sont diffeacuterentes drsquoun logiciel agrave un autre mais souvent le but est drsquoeacuteviter les confusions lors du transfert qui peuvent mener agrave des erreurs de calcul Par exemple il peut srsquoagir de respecter la notion de lrsquoorientation des surfaces qui est importante dans certains logiciels ou bien de limiter la modeacutelisation des surfaces de la geacuteomeacutetrie aux parties apparentes pour eacuteviter les fausses ombres [Foley 1990]
I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade La propagation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquointeacuterieur drsquoun bacirctiment deacutebute par un transfert des flux agrave travers les parois vitreacutees Ainsi il est important de prendre ces derniegraveres en consideacuteration pour une preacutediction preacutecise de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment
La caracteacuterisation drsquoun composant drsquoune paroi vitreacutee en transmission lumineuse se fait geacuteneacuteralement agrave travers des mesures goniophotomeacutetriques Ainsi agrave partir drsquoune seacuterie de mesures de transmission en direct-direct seront deacuteduites les fonctions de transfert direct-heacutemispheacuterique et heacutemispheacuterique-heacutemispheacuterique qui caracteacuterisent un mateacuteriau donneacute [CIE 1998]
Cependant une paroi vitreacutee peut se preacutesenter sous diffeacuterentes formes agrave diffeacuterents niveaux de complexiteacute Nous listons ci-dessous les principaux cas de figures
I141 Ouverture simple Le cas le plus basique est celui drsquoune simple ouverture sans vitrage Lrsquoinfluence drsquoune telle ouverture sur la propagation de la lumiegravere naturelle se limite agrave sa dimension et son eacutepaisseur qui deacuteterminent la partie du champ de luminances externe rendue visible aux points inteacuterieurs Lrsquoaspect directionnel qualitatif et quantitatif du flux lumineux incident est conserveacute lors du passage agrave travers cette ouverture et ne subit aucune deacuteviation ni atteacutenuation (si ce nrsquoest la reacuteflexion sur les bords)
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Chapitre I
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel se fait souvent agrave lrsquoaide drsquoun maillage de sa surface La luminance apparente des mailles est ensuite calculeacutee (agrave partir de la luminance de la zone du ciel apparente agrave travers cette maille par un point donneacute) et finalement est calculeacutee la contribution de chaque maille agrave lrsquoeacuteclairement du point eacutetudieacute
Dans un certain nombre de logiciels le calcul commence par une deacutetection du champ de vision drsquoun point de mesure agrave travers lrsquoouverture Cette deacutetection se fait geacuteneacuteralement agrave lrsquoaide drsquoun lancer de rayons qui permet de deacutefinir les limites du masque constitueacute par les murs entourant lrsquoouverture
I142 Vitrage classique Dans le cas drsquoune ouverture vitreacutee (vitrage classique) le flux incident subit lrsquoinfluence de la transmission directionnelle du vitrage Cette transmission diminue avec lrsquoaugmentation de lrsquoangle drsquoincidence du rayonnement lumineux et varie selon le type de vitrage (simple double teinteacutehellip)
Il existe plusieurs reacutefeacuterences pour deacuteterminer la variation theacuteorique de la transmission lumineuse drsquoun vitrage avec lrsquoangle drsquoincidence Mais en geacuteneacuteral la majoriteacute drsquoun flux lumineux transmis agrave travers un vitrage classique est supposeacute garder sa directionnaliteacute (angle de transmission = angle drsquoincidence) et ne subit qursquoune simple atteacutenuation selon lrsquoangle drsquoincidence [Hopkinson 1966] [Hopkinson 1966 Tregenza 1993]
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture vitreacutee dans une simulation drsquoeacuteclairage naturel suit le mecircme principe que pour une ouverture non vitreacutee mais en plus une atteacutenuation de la contribution drsquoune maille agrave lrsquoeacuteclairement drsquoun point est calculeacutee selon lrsquoangle drsquoincidence entre cette maille et ce point de mesure Cependant certains logiciels ne prennent pas en consideacuteration la transmission directionnelle drsquoun vitrage et se contentent drsquoaffecter un facteur de transmission uniforme
I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel Il existe sur le marcheacute de la construction de plus en plus de vitrages agrave proprieacuteteacutes bi-directionnelles dont le but est souvent de favoriser le cheminement drsquoun flux lumineux incident dans une direction donneacutee (Laser Cut Panel Serraglaze etc) Par exemple dans le cas drsquoune ouverture verticale lrsquoobjectif est souvent de favoriser lrsquoorientation du flux transmis vers le plafond afin de permettre une entreacutee plus profonde de la lumiegravere et afin drsquoeacuteviter ou au moins drsquoatteacutenuer les taches solaires Dans le cas drsquoune ouverture zeacutenithale lrsquoobjectif est de favoriser lrsquoentreacutee verticale de la lumiegravere provenant de toutes les directions de lrsquoheacutemisphegravere exteacuterieur
Le flux lumineux incident sur ce type de mateacuteriaux est transmis avec changement drsquoorientation partielle ou totale dans le mecircme plan drsquoincidence ou bien dans tout lrsquoheacutemisphegravere de sortie
La prise en consideacuteration drsquoun mateacuteriau agrave transmission bidirectionnelle dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel est drsquoune complexiteacute importante Elle neacutecessite lrsquoutilisation des fonctions de transfert bidirectionnelles dite BTDF qui sont assez lourdes en calcul Les logiciels permettant ce type de simulations sont encore assez rares et limiteacutes au domaine de la recherche scientifique [Fontoynont 1999] [Greenup 2000] [Andersen 2003]
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Chapitre I
I144 Eleacutements de protection solaire Le rocircle des eacuteleacutements de protection solaire est de bloquer drsquoatteacutenuer ou de reacuteorienter la lumiegravere directe du soleil Parmi les types les plus utiliseacutes nous citons en particulier les stores veacutenitiens (agrave effet de reacuteorientation) les brises soleil (agrave effet de masque) et les stores en toile (agrave effet de diffusion)
La prise en consideacuteration des eacuteleacutements de protection solaires dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel deacutepend de leur type Par exemple les protections solaires agrave effet de masque neacutecessitent un simple calcul de lancer de rayons alors que la simulation des eacuteleacutements agrave effet de reacuteorientation suit le mecircme principe que pour les vitrages bidirectionnels [Klems 1995] [Shareef 2001]
I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux Pour caracteacuteriser le comportement des parois vitreacutees afin de mieux les prendre en consideacuteration dans le calcul ou la simulation de lrsquoeacuteclairage on a recours aux mesures goniophotomeacutetriques
Ces mesures peuvent srsquoaveacuterer drsquoune grande complexiteacute en particulier dans le cas des mateacuteriaux bidirectionnels puisqursquoils neacutecessitent des mesures heacutemispheacuteriques en entreacutee et en sortie
De nos jours plusieurs deacuteveloppements sont en cours afin de simplifier les proceacutedures de mesure ou de conduire ces mesures numeacuteriquement agrave lrsquoaide drsquoalgorithmes physiques [Mitanchey 1995] [Andersen 2003] [Andersen 2003] [De Boer 2003]
Drsquoautres efforts sont eacutegalement investis dans le but de simplifier la preacutesentation des donneacutees goniophotomeacutetriques [Roy 1995] [Mitanchey 1996] [IEA-SHC 1999]
I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux Si lrsquoeacuteclairage direct reccedilu des sources de lumiegravere (naturelles ou artificielles) est un eacuteleacutement de base dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere lrsquoeacuteclairage dit indirect nrsquoest pas de moindre importance
En effet lrsquoeacuteclairage indirect ducirc aux inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les diffeacuterentes surfaces drsquoune scegravene peut repreacutesenter une proportion importante de lrsquoeacuteclairement total par rapport agrave lrsquoeacuteclairement direct Crsquoest le cas notamment des luminaires indirects ou des systegravemes de reacute-acheminement de la lumiegravere directe du soleil
Les inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie deacutependent de la photomeacutetrie de ces surfaces (ou des mateacuteriaux qui les constituent) Cette photomeacutetrie est caracteacuteriseacutee en particulier par trois paramegravetres
- Le facteur de reacuteflexion global - La directionnaliteacute de la lumiegravere reacutefleacutechie - Lrsquoinfluence spectrale sur la lumiegravere reacutefleacutechie
Le premier repreacutesente le rapport entre le flux total reacutefleacutechi sur une surface et le flux initial incident Pour faciliter la mesure de ce paramegravetre un nombre de mateacuteriaux standards a eacuteteacute deacutefini comme reacutefeacuterence [CIE 1979] [CIE 1979] [CIE 1998]
Le deuxiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la ou les directions de reacuteflexion drsquoun flux incident avec une direction donneacutee Cette directionnaliteacute deacutepend de la geacuteomeacutetrie microscopique de la surface (apparente) drsquoun mateacuteriau opaque On distingue en particulier deux types de reacuteflexion theacuteoriques Les reacuteflexions parfaitement speacuteculaires et les reacuteflexions
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Chapitre I
parfaitement diffuses Bien que ces cas extrecircmes nrsquoexistent pas dans la reacutealiteacute les lois theacuteoriques relatives sont bien deacutefinies (La loi de Descartes pour le premier et loi de Lambert et les formules de facteur de forme pour le deuxiegraveme) Au-delagrave de ces deux cas theacuteoriques simplifieacutes un nombre de travaux a eacuteteacute meneacute pour deacutecrire des modegraveles analytiques plus complets qui srsquoapprochent mieux de la reacutealiteacute mais qui repreacutesentent un degreacute de complexiteacute plus eacuteleveacute [Trowbridge 1975] [Kajiya 1985] [Uetani 1992] [Balocco 2001] [Deniel 2002]
Dans la majoriteacute des logiciels existants la reacuteflexion de la lumiegravere sur une surface est simuleacutee par une combinaison de reacuteflexions diffuses et speacuteculaires Ainsi une partie du flux est reacutefleacutechie en obeacuteissant agrave la loi de Descartes et une autre partie est diffuseacutee uniformeacutement dans lrsquoespace Les algorithmes utiliseacutes sont eacutegalement en geacuteneacuteral une combinaison de radiositeacute et de lancer de rayons Certains logiciels nrsquoutilisant que les algorithmes de radiositeacute se contentent de supposer les surfaces comme 100 diffuses
Drsquoautres logiciels qui restent assez rares prennent en consideacuteration les fonctions de reacuteflexions bidirectionnelles (BRDF) theacuteoriques ou mesureacutees Cependant il faut noter que de nos jours la preacutecision des mesures de ces fonctions neacutecessite encore des moyens financiers et logistiques trop importants
Le troisiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la qualiteacute spectrale de la lumiegravere reacutefleacutechie par rapport agrave celle de la lumiegravere incidente Elle deacutepend en particulier de lrsquoabsorption spectrale seacutelective du mateacuteriau En effet le facteur drsquoabsorption drsquoun mateacuteriau peut ecirctre plus ou moins eacuteleveacute selon la longueur drsquoonde avec laquelle arrive une partie du flux incident Ainsi le spectre de la lumiegravere reacutefleacutechie peut ecirctre complegravetement diffeacuterent de celui de la lumiegravere incidente Les mateacuteriaux qui ont le mecircme facteur de reacuteflexion pour toutes les longueurs drsquoonde sont dits spectralement neutres [CIE 1986] [Smith 1992] [CIE 1996]
Plusieurs approches sont proposeacutees pour traiter lrsquoaspect spectral ou colorimeacutetrique de la propagation de la lumiegravere Les approches les plus utiliseacutees dans les logiciels de simulation de la lumiegravere sont baseacutees sur une caracteacuterisation agrave trois composantes de la couleur (de la source lumineuse ou des surfaces) Nous citons les systegravemes XYZ (de la CIE) RGB CMY et HSV Cependant si ce type de caracteacuterisation est convenable pour la repreacutesentation des couleurs il srsquoavegravere insuffisant pour simuler la variation du spectre du flux lumineux agrave travers les inter-reacuteflexions sur les surfaces inteacuterieures drsquoun espace [Mitanchey 1996] Pour plus de preacutecision il est alors recommandeacute drsquoutiliser les approches baseacutees sur une discreacutetisation plus ou moins fine du spectre Mais lrsquoimpleacutementation de telles approches dans les logiciels existants est loin drsquoecirctre courante [Smith 1992] [Mitanchey 1996]
I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage Il existe sur le marcheacute international un nombre important de logiciels deacutedieacutes agrave la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Dans une enquecircte meneacutee par le groupe 3D lumiegravere en 2000 aupregraves de 74 professionnels [3D-lumiegravere 2000] environ quarante logiciels ont eacuteteacute citeacutes par les enquecircteacutes comme outils de travail en eacuteclairage Dans une deuxiegraveme eacutetude plus speacutecialiseacutee dans le calcul drsquoeacuteclairage naturel et meneacutee par lrsquoagence international drsquoeacutenergie IEA SHC Task 21-C2 [Fontoynont 1999] vingt cinq logiciels ont eacuteteacute citeacutes Vingt deux de ces logiciels ne sont pas connus par les utilisateurs franccedilais enquecircteacutes par 3D lumiegravere Finalement nous citons lrsquoenquecircte de lrsquoIENSA [IESNA 1999] preacutesentant un nombre de logiciels existants au niveau international
Les logiciels existants diffegraverent entre eux par les algorithmes qursquoils utilisent par leurs approches DAO par la prise en consideacuteration des diffeacuterents types de sources lumineuses par
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Chapitre I
leur capaciteacute agrave simuler les pheacutenomegravenes de propagation de lumiegravere plus ou moins complexes par leur interface utilisateur et finalement par leurs vocations et leurs domaines drsquoapplication
I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage Le rocircle des algorithmes dans une simulation drsquoeacuteclairage est de geacuterer le calcul de la propagation de la lumiegravere entre les sources et les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie puis les inter-reacuteflexions entre ces surfaces
Les algorithmes utiliseacutes dans les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage sont des algorithmes dits drsquoeacuteclairement global (global illumination) puisqursquoils font un calcul tridimensionnel de la propagation de la lumiegravere Ils peuvent ecirctre classeacutes sous deux grandes familles la radiositeacute et le lancer de rayons Ces deux familles tendent agrave avoir des avantages et des inconveacutenients compleacutementaires ce qui fait que certains logiciels utilisent une logique hybride combinant les deux familles [IEA-SHC 1999] [Mitanchey 1996]
1211 Radiositeacute Les algorithmes de radiositeacute utiliseacutes pour le calcul de lrsquoeacuteclairage datent du deacutebut des anneacutees 80 Ils ont eacuteteacute adapteacutes agrave partir des algorithmes de radiositeacute utiliseacutes depuis les anneacutees 60 pour le calcul des eacutechanges radiatifs thermiques sur la base de lrsquoeacutequilibre eacutenergeacutetique
Les algorithmes de radiositeacute procegravedent en geacuteneacuteral agrave une discreacutetisation de lrsquoenvironnement simuleacute agrave travers un maillage (subdivision en petites mailles) des surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie eacuteclaireacutee par une source donneacutee (voir figure I3) Tout drsquoabord un calcul de la lumiegravere directe reccedilue par chaque maille est effectueacute Ensuite chaque maille est traiteacutee comme une source lumineuse eacutemettant une partie du flux lumineux qursquoelle a reccedilu (selon son facteur de reacuteflexion) vers les autres mailles de la geacuteomeacutetrie Cette lumiegravere indirecte subit plusieurs inter-reacuteflexions jusqursquoagrave ce que la quasi-totaliteacute du flux initial soit absorbeacutee
Suite agrave ce calcul on est capable de savoir la quantiteacute de flux lumineux direct et indirect reccedilue et eacutemise par une maille donneacutee et donc lrsquoeacuteclairement et la luminance de cette maille [Scartezzini 1993] [Ashdown 2001]
Figure I3 Exemple drsquoun calcul de Radiositeacute agrave lrsquointeacuterieur drsquoune geacuteomeacutetrie
Bien que le principe geacuteneacuteral de la radiositeacute deacutecrit ci-dessus soit le mecircme pour tous les algorithmes de radiositeacute existants ceux-ci diffegraverent dans la meacutethode adopteacutee pour le maillage de la geacuteomeacutetrie et pour le suivi du flux
La radiositeacute peut ecirctre en principe appliqueacutee agrave tout type de reacuteflexion cependant les algorithmes existants sont encore limiteacutes aux reacuteflexions 100 diffuses Ce qui entraicircne des erreurs plus ou moins importantes selon le comportement reacuteel du mateacuteriau simuleacute La
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Chapitre I
radiositeacute preacutesente aussi quelques autres inconveacutenients dont particuliegraverement un temps de calcul assez long une lourde consommation en meacutemoire et une faible performance en qualiteacute graphique
Cependant le calcul de radiositeacute a lrsquoavantage drsquoecirctre indeacutependant de la position de lrsquoobservateur Ainsi un seul calcul est suffisant pour connaicirctre lrsquoeacuteclairement de tous les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie et pour la visualiser agrave partir drsquoune infiniteacute de points de vue
Une nouvelle geacuteneacuteration drsquoalgorithmes de radiositeacute est apparue en 1988 elle permet drsquoobtenir un reacutesultat graphique immeacutediat qui srsquoameacuteliore progressivement en preacutecision et en qualiteacute visuelle drsquoougrave son nom progressive refinement radiosity [Cohen 1988] [Autodesk 1999]
Une autre eacutevolution des algorithmes de radiositeacute fut le concept de maillage adaptatif ougrave le logiciel commence agrave calculer agrave partir drsquoun maillage de faible preacutecision Ensuite il procegravede agrave des subdivisions suppleacutementaires lagrave ougrave il y a une grande diffeacuterence drsquoeacuteclairement entre les mailles Cette meacutethode conduit agrave une eacuteconomie dans le temps de calcul et dans lrsquoutilisation de meacutemoire
1212 Lancer de rayons La deuxiegraveme famille drsquoalgorithmes est la plus ancienne elle a connu plus de deacuteveloppements et preacutesente une plus grande varieacuteteacute de meacutethodes
Ces meacutethodes ont lrsquoavantage de calculer avec preacutecision lrsquoeacuteclairement direct de calculer les effets speacuteculaires des mateacuteriaux de mieux deacutefinir les ombres et de consideacuterer les reacutefractions agrave travers les surfaces transparentes Crsquoest donc les algorithmes qui donnent les meilleurs reacutesultats graphiques drsquoougrave ce qursquoon appelle le photo-reacutealisme des images de synthegravese
Il existe plusieurs cateacutegories drsquoalgorithmes baseacutees sur le lancer de rayon nous citons les suivantes
Figure I4 Exemple drsquoun calcul de Lancer de rayons (inverse)
1 Traceacute de rayons ou Lancer de rayons depuis lrsquoobservateur dite aussi Lancer inverse de rayons (backward ray tracing) les rayons sont geacuteneacutereacutes depuis lrsquoœil de lrsquoobservateur et cheminent agrave travers des reacuteflexions multiples sur les parois jusqursquoaux sources de lumiegravere (voir figure I4) Ainsi seuls les rayons utiles pour la construction de lrsquoimage seront geacuteneacutereacutes et suivis agrave travers les diffeacuterentes inter-reacuteflexions mais la solution est valide pour un seul point de vue [Whitted 1980]
2 Suivi de rayons ou Lancer direct de rayons (forward ray tracing) cette meacutethode geacutenegravere les rayons lumineux depuis la source vers les surfaces reacuteceptrices quand un rayon atteint une surface il est dirigeacute selon la photomeacutetrie rencontreacutee jusqursquoagrave lrsquoeacutepuisement de son eacutenergie [Fontoynont 1991]
3 Technique statistique de monte-carlo backward ou forward La meacutethode de Monte-Carlo associeacutee agrave des meacutethodes de lancer de rayons a recours agrave une technique statistique
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Chapitre I
pour la distribution des rayons reacutefleacutechis Elle neacutecessite un temps de calcul eacuteleveacute [IEA-SHC 1999]
I22 Exemples types des logiciels existants Les logiciels existants sur le marcheacute international et utiliseacutes comme outils de conception en eacuteclairage peuvent ecirctre classeacutes en diffeacuterentes familles [De Boer 1999] [IESNA 1999]
1 Les logiciels baseacutes sur les formules de base de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel Ces logiciels sont souvent distribueacutes par les constructeurs de luminaires et munis de leur bibliothegraveque de luminaires
2 Des logiciels baseacutes sur des formules de base de calcul en eacuteclairage naturel ou sur des donneacutees empiriques (ou preacute-simuleacutees) Ces logiciels sont souvent deacutedieacutes agrave lrsquoutilisation dans les phases preacuteliminaires de la conception drsquoun projet (ex Dial Sodalight etc)
3 Les logiciels capables de calculer lrsquoeacuteclairage direct uniquement Ils sont tregraves souvent inteacutegreacutes dans des logiciels de DAO Leur objectif est limiteacute agrave lrsquoameacutelioration du rendu graphique drsquoun projet ou au mieux agrave une eacutetude de taches solaires (ex Archicad) Cependant ce type de logiciels devient de plus en plus rare En effet vu leurs potentiels un certain nombre de ces logiciels a eacuteteacute mis agrave niveau par les deacuteveloppeurs et a passeacute ainsi agrave la famille suivante (ex Microstation et 3D Studio)
4 Les logiciels dits drsquoeacuteclairement global Ils utilisent souvent des algorithmes de calcul physique (en particulier de radiositeacute et lancer de rayons) Nous distinguons cependant dans cette cateacutegorie les logiciels deacuteveloppeacutes dans un cadre scientifique (ex Radiance Geacuteneacutelux CSTB) de ceux deacuteveloppeacutes et diffuseacutes dans un cadre commercial (Lightscape Dialuxhellip) En geacuteneacuteral les logiciels commerciaux possegravedent des interfaces plus conviviales mais les logiciels scientifiques offrent des fonctionnaliteacutes plus complegravetes Par exemple certains logiciels scientifiques sont capables de prendre en consideacuteration lrsquoaspect spectral de la propagation de la lumiegravere etou de traiter les fonctions bidirectionnelles Finalement nous notons que les logiciels commerciaux manquent le plus de transparence sur leur fiabiliteacute dans les diffeacuterents domaines drsquoapplication (manque de travaux de validation)
Dans notre travail de thegravese nous nous inteacuteressons en particulier agrave la derniegravere famille Ne pouvant pas enquecircter sur tous les logiciels existants nous nous contentons de citer (par ordre alphabeacutetique) quelques logiciels sur lesquels il y a eu des publications scientifiques et des travaux de validation [Fontoynont 1999]
1221 Adeline Deacuteveloppeacute dans le cadre de lrsquoIEA Adeline a eacuteteacute fondeacute sur les logiciels Superlite et Radiance par le biais drsquoun modeleur graphique et drsquooutils de DAO Ainsi il permet de deacutefinir la geacuteomeacutetrie avec son propre systegraveme de DAO par lrsquoentreacutee manuelle des coordonneacutes carteacutesiennes ou agrave partir drsquoun fichier DXF
Le logiciel est muni drsquoune bibliothegraveque de base de donneacutees de mateacuteriaux de luminaires et de mobilier Il produit des reacutesultats numeacuteriques ou bien graphiques Au-delagrave des eacuteclairements et des luminances Adeline permet de calculer lrsquoeacutenergie consommeacutee par lrsquoeacuteclairage artificiel en fonction des apports de lumiegravere du jour [Erhorn 1998] [Scartezzini 1993]
1222 Genelux Le logiciel Genelux deacuteveloppeacute au laboratoire des sciences de lrsquohabitat utilise un algorithme de lancer direct et suivi de rayons lumineux (Forward Ray tracking) La distribution des rayons reacutefleacutechis est effectueacutee en ayant recours agrave une technique statistique de Monte Carlo
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Chapitre I
Dans le cas ougrave les surfaces seraient parfaitement diffusantes il est possible de faire appel agrave un algorithme baseacute sur la meacutethode de radiositeacute afin de reacuteduire les temps de simulation Genelux peut modeacuteliser les surfaces speacuteculaires diffuses ou mixtes en transmission etou reacuteflexion Il peut eacutegalement prendre en consideacuteration des quantiteacutes spectrales en deacutecomposant les rayons incidents par bandes spectrales [Mitanchey 1996] [Maamari 2003]
1223 Inspirer Destineacute surtout au domaine de lrsquoarchitecture avec comme fonctionnaliteacutes les calculs de lrsquoeacuteclairage les analyses de visibiliteacute et la visualisation des projets Pour le calcul de lrsquoeacuteclairage il utilise des approches hybrides surtout la meacutethode bi-directionnelle de Monte Carlo au Lancer de Rayons Ce qui diffeacuterencie le plus ce logiciel est lrsquoutilisation des formules de BRDF qui permet de respecter les variations de reacuteflexion et de transmission (diffuse et speacuteculaire) ainsi que des couleurs selon lrsquoangle drsquoincidence et de vision [Maamari 2003]
1224 DIAL Leso-Dial Le but du logiciel est de donner aux architectes des informations utiles concernant lrsquoutilisation de la lumiegravere de jour dans un bacirctiment degraves la phase de lrsquoavant projet Il calcule le facteur de lumiegravere du jour sur le plan utile gracircce agrave une utilisation hybride de formule analytique et empirique [Paule 1995]
1225 Lightscape 32 Crsquoest un logiciel qui est destineacute agrave des utilisations graphiques mais il offre eacutegalement des fonctionnaliteacutes inteacuteressantes pour la simulation physique de la lumiegravere Il utilise un algorithme de radiositeacute pour le calcul quantitatif et un algorithme de lancier de rayons pour lrsquoameacutelioration qualitative et visuelle des images de synthegraveses Ce logiciel est deacutecrit en deacutetail dans la partie IV11 de ce document [Khodulev 1996] [Maamari 2002]
1226 Radiance Le logiciel Radiance utilise un algorithme de lancer inverse de rayons Le lancer des rayons peut ecirctre stoppeacute si leur eacutenergie est jugeacutee insuffisante Les rayons reacutefleacutechis peuvent ecirctre geacuteneacutereacutes selon une fonction de distribution permettant la simulation de reacuteflexions speacuteculaires semi-speacuteculaires ou diffuses Ce lancer de rayons est compleacuteteacute drsquoun calcul statistique de reacuteflexion diffuse pour distribuer le flux reacutesiduel [Ward 1994] [Grynberg 1988]
1227 Superlite Le logiciel Superlite utilise une meacutethode point agrave point de radiositeacute Toutes les surfaces sont supposeacutees ecirctre parfaitement diffusantes Crsquoest la meacutethode la plus rapide mais elle est toutefois limiteacutee aux surfaces diffuses [Grynberg 1988]
I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels Lrsquoutilisation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage se geacuteneacuteralise de plus en plus dans le domaine de conception en eacuteclairage et au-delagrave Ainsi de nos jours ces logiciels sont utiliseacutes aussi bien par des bureaux drsquoeacutetude du bacirctiment et des architectes que par des deacuteveloppeurs de jeu videacuteo Les applications peuvent ecirctre entre autres [IESNA 1999] [3D-lumiegravere 2000] [Maamari 2002]
1 La conception en eacuteclairage artificiel Que ce soit pour lrsquoeacuteclairage inteacuterieur des bacirctiments lrsquoeacuteclairage des faccedilades des monuments des voiries des trottoirs ou lrsquoeacuteclairage des
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Chapitre I
tunnels etc Elle comprend entre autre le dimensionnement des systegravemes lrsquoanalyse du confort visuel et de la consommation etc
2 La conception en eacuteclairage naturel dimensionnement des ouvertures et des protections solaires orientation des projets analyse de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour et eacutetudes des FLJhellip
3 Le rendu et la preacutesentation des projets par les architectes et par les deacutecorateurs drsquointeacuterieur 4 La creacuteation de scegravenes de reacutealiteacute virtuelle pour le monde du cineacutema de la publiciteacute ou des
jeux videacuteohellip 5 La conception mecircme des optiques de luminaires ou de phares de voitures
Le domaine drsquoutilisation drsquoun logiciel donneacute deacutepend des fonctionnaliteacutes proposeacutees par ce logiciel de ses capaciteacutes agrave simuler avec un certain degreacute de fiabiliteacute et de faciliteacute les diffeacuterents domaines de la propagation de la lumiegravere en relation avec les besoins de lrsquoutilisateur
Bien que les algorithmes de calcul utiliseacutes dans les logiciels se ressemblent ces derniers ne sont pas tous adapteacutes pour les mecircme types drsquoapplications et ne reacutepondent pas aux mecircmes besoins
Ainsi certains utilisateurs cherchent en prioriteacute la faciliteacute drsquoutilisation des fonctionnaliteacutes en relation avec leur propre activiteacute en deacutepit des autres fonctionnaliteacutes et mecircme parfois en deacutepit de la validiteacute des reacutesultats Drsquoailleurs crsquoest agrave cause de ce contexte que des deacuteveloppeurs de logiciels commerciaux ont tendance agrave proposer des interfaces et des fonctionnaliteacutes optimiseacutees et orienteacutees vers un domaine drsquoapplication donneacute Ainsi nous commenccedilons agrave trouver par exemple des logiciels deacutedieacutes agrave la conception de lrsquoeacuteclairage public etou des tunnels (ex Tunnel-Lite) drsquoautres agrave la conception des protections solaires (ex ParaSol) etc
Cependant il est encore difficile de nos jours agrave un concepteur de bacirctiment de savoir quel est le ou les logiciels existants qui reacutepondent le mieux agrave ses propres besoins Crsquoest ce qui ressort dans les diffeacuterentes enquecirctes meneacutees sur lrsquoutilisation des logiciels en particulier celle meneacutee par le club 3D-Lumiegravere [3D-lumiegravere 2000] et celle que nous avons meneacutee au Light and Building 2002 [Maamari 2002] (voir annexe D) Nous notons par exemple dans ces deux enquecirctes lrsquoutilisation par des concepteurs lumiegravere de logiciels graphiques (Photoshop) en tant qursquooutils de conception
I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I31 Introduction Comme son nom lrsquoindique un logiciel de simulation de lrsquoeacuteclairage est supposeacute simuler la reacutealiteacute Mais la fideacuteliteacute de la simulation agrave la reacutealiteacute est loin drsquoecirctre veacuterifieacutee pour tous les logiciels existants sur le marcheacute international
Drsquoailleurs le niveau de preacutecision et de similitude (entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage et la reacutealiteacute) exigeacute ou souhaiteacute par les diffeacuterents utilisateurs nrsquoest pas neacutecessairement le mecircme et peut varier largement selon la speacutecificiteacute de leurs domaines drsquoactiviteacute [Maamari 2002]
Ainsi pour des utilisateurs qui srsquointeacuteressent uniquement au rendu graphique une image de synthegravese reacutealiste sans ecirctre neacutecessairement proche de la reacutealiteacute peut ecirctre suffisante Pour eux la question de la validation scientifique du logiciel utiliseacute ne se pose pas trop
Alors que pour des utilisateurs qui comptent extraire drsquoune simulation des cartes de luminances pour analyser le confort visuel de lrsquooccupant la validiteacute du logiciel devient drsquoune
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Chapitre I
importance de premier ordre Ceci est eacutegalement vrai pour les concepteurs en eacuteclairage qui ont besoin de veacuterifier que le niveau drsquoeacuteclairement est suffisant sur le plan de travail
Mais quel que soit le niveau de preacutecision souhaiteacute il est important pour un futur utilisateur de savoir la preacutecision qursquoil peut attendre de la part du logiciel qursquoil souhaite utiliser pour un type donneacute de tacircches Cette information est mecircme indispensable pour aboutir agrave une utilisation responsable des logiciels de simulation mais cela ne peut ecirctre possible qursquoagrave travers une validation rigoureuse et transparente de ce logiciel
Une validation rigoureuse et transparente des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage est une tacircche immense et drsquoune complexiteacute non neacutegligeable Ce qui est vrai pour tous les logiciels baseacutes sur des lois physiques comme par exemple les logiciels de simulation thermique
Cette complexiteacute est drsquoautant plus vraie quand on srsquointeacuteresse agrave lrsquoorientation du choix des utilisateurs vers un logiciel qui reacutepond le mieux agrave leurs propres besoins Dans ce contexte on souhaite veacuterifier la capaciteacute du logiciel agrave simuler avec preacutecision les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere lieacutes au domaine drsquoutilisation mais aussi on veut comparer cette capaciteacute agrave drsquoautres logiciels existants
La multitude des aspects qui entrent en jeu dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere combineacutee agrave la diversiteacute des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage contribuent agrave cette complexiteacute
Ainsi un logiciel capable de simuler des luminaires agrave optique diffusante nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler un luminaire avec une optique asymeacutetrique De mecircme un logiciel capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour agrave travers un vitrage ordinaire nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave travers un vitrage ou un systegraveme de protection solaire agrave aspect bidirectionnel etc
Nous preacutesentons ci-dessous une eacutetude bibliographique sur lrsquoeacutetat de lrsquoart du domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I32 Diffeacuterents types de validation En ce qui concerne les types de travaux de validation reacutealiseacutes nous avons pu identifier les suivants
I321 La validation analytique La validation analytique comme son nom lrsquoindique porte sur des cas theacuteoriques pour lesquels il existe des lois analytiques Ces lois sont issues des notions de base de la science physique lieacutees au rayonnement eacutelectromagneacutetique
Les travaux de validation baseacutes sur des reacutefeacuterences analytiques sont assez rares parmi les travaux reacutealiseacutes que nous avons pu trouver lors de notre recherche bibliographique
Cependant la validation analytique preacutesente des avantages consideacuterables comme la possibiliteacute de limiter les paramegravetres lieacutes agrave la propagation de la lumiegravere qui entrent en jeu dans un sceacutenario test Nous notons aussi lrsquoavantage de donner des solutions de reacutefeacuterences avec des incertitudes nulles ou neacutegligeables
En contrepartie la validation analytique ne peut couvrir que des domaines limiteacutes de la propagation de la lumiegravere Ce sont en geacuteneacuteral des cas de figures simples pour lesquels existe une loi theacuteorique [Aizlewood 1997]
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Chapitre I
I322 La validation expeacuterimentale Dans ce type de validation les reacutesultats des logiciels sont compareacutes agrave des mesures expeacuterimentales Ces mesures peuvent ecirctre reacutealiseacutees dans
a des maquettes drsquoeacutetude agrave eacutechelle reacuteduite [Caroll 1999] b des cellules tests agrave eacutechelle 11 c ou des piegraveces reacuteelles [Galasiu 1998] [Jarvis 1997]
Quel que soit le type des mesures reacutealiseacute la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales agrave utiliser pour des travaux de validation est confronteacutee agrave des obstacles consideacuterables
Le premier est lieacute aux sources drsquoerreur introduites lors de la description du sceacutenario expeacuterimental afin de le reproduire dans une simulation numeacuterique
Lrsquoimportance de cet obstacle est aggraveacutee par la multitude des paramegravetres qui entrent en jeu dans un sceacutenario expeacuterimental et par lrsquointeraction entre les sources drsquoerreurs lieacutees agrave chacun de ces paramegravetres
A titre drsquoexemple les sources drsquoerreur peuvent survenir lors de la description de la source de lumiegravere (artificielle ou reacuteelle) lors de la description de la photomeacutetrie des mateacuteriaux (reacuteflexion bidirectionnelle caracteacuteristiques spectraleshellip) etc
Un autre obstacle est ducirc agrave lrsquoincertitude qui existe dans la valeur mesureacutee et cela quelle que soit la preacutecision du protocole expeacuterimental appliqueacute Cette incertitude est lieacutee en partie agrave la preacutecision de lrsquoappareil de mesure et agrave son positionnement
Ducirc agrave tous ces obstacles la comparaison entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique et les mesures expeacuterimentales permet difficilement de conclure sur la preacutecision du logiciel testeacute
Il est aussi important de noter qursquoun des plus grands obstacles agrave la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales fiables reste celui des moyens techniques financiers et humains neacutecessaires aux expeacuterimentations
I323 La validation comparative Elle porte sur une comparaison des reacutesultats de simulation de plusieurs logiciels entre eux Cela peut ecirctre fait avec lrsquoexistence ou non drsquoune reacutefeacuterence expeacuterimentale ou analytique
Lrsquoavantage des comparaisons est de donner la possibiliteacute aux utilisateurs de mieux choisir entre plusieurs logiciels selon leur performance dans un domaine donneacute de la simulation
Cependant lrsquoutilisation des reacutesultats drsquoune comparaison afin de juger des logiciels les uns par rapport aux autres neacutecessite un maximum de transparence en particulier sur la complexiteacute des proceacutedures et sur le temps de calcul neacutecessaire pour obtenir ces reacutesultats [Grynberg 1988] [Fontoynont 1999] [Maamari 2003]
I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes Les travaux de validation reacutealiseacutes sur des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage ne manquent pas en nombre cependant crsquoest la creacutedibiliteacute de ces travaux qui nrsquoest pas toujours veacuterifieacutee
En ce qui concerne les rares travaux de validation existants qui beacuteneacuteficient drsquoune creacutedibiliteacute scientifique ou celle drsquoun organisme agreacuteeacute nous citons les suivants
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Chapitre I
I331 Le travail de Khodulev et Kopylov Ce travail reacutealiseacute et publieacute par Andrei B Khodulev et Edward A Kopylov en 1996 [Khodulev 1996] est lrsquoun des rares travaux de validation qui ont utiliseacute une reacutefeacuterence analytique
Le travail porte sur une validation comparative entre les logiciels Lightscape Specter et Radiance Une description des trois logiciels est donneacutee portant sur plusieurs critegraveres y compris lrsquointerface utilisateur
Un des sceacutenarios utiliseacutes pour la comparaison est celui drsquoune piegravece cubique fermeacutee avec une source lumineuse isotrope au centre La comparaison porte sur lrsquoeacuteclairement au niveau des points de mesure situeacutes sur le sol La valeur de reacutefeacuterence de cet eacuteclairement est calculeacutee semi-analytiquement pour prendre en consideacuteration la composante reacutefleacutechie interne
I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE Ce rapport repreacutesente un exemple ideacuteal sur la creacuteation des donneacutees expeacuterimentales fiables pour la validation des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage [Slater 2002]
Le travail deacutecrit dans ce rapport porte sur un protocole expeacuterimental qui a eacuteteacute deacutefini et conduit drsquoune maniegravere remarquablement rigoureuse dans une cellule test agrave eacutechelle 11 Le but est de creacuteer une base de donneacutees expeacuterimentales pour la validation des logiciels de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel
Le rapport comprend une description preacutecise du sceacutenario expeacuterimental y compris les dimensions de la geacuteomeacutetrie (une piegravece carreacutee) la position des lampes ou des luminaires la position des points de mesure ainsi que le coefficient de reacuteflexion des surfaces La description du sceacutenario comprend aussi les fichiers photomeacutetriques des luminaires au format CIBSE TM 14 sachant que la photomeacutetrie reacuteelle de chaque luminaire a eacuteteacute mesureacutee seacutepareacutement dans un laboratoire agreacuteeacute
Le protocole expeacuterimental comprend un controcircle du flux lumineux agrave travers lrsquoobservation et le controcircle des fluctuations du courant eacutelectrique et de la tempeacuterature de la piegravece Les lampes et les ballasts ont eacuteteacute vieillis Les lampes ont eacuteteacute preacutechauffeacutees une heure avant les mesures
Les capteurs ont eacuteteacute calibreacutes et fixeacutes sur un trolley afin de garantir la reacutepeacutetitiviteacute de leur position Six diffeacuterentes mesures ont eacuteteacute prises pour chaque point agrave lrsquoaide de deux capteurs diffeacuterents la moyenne de ces mesures a eacuteteacute utiliseacutee comme reacutefeacuterence
Une estimation des erreurs de mesures a eacuteteacute calculeacutee ainsi que des erreurs de simulation dues agrave lrsquoincertitude dans la description du sceacutenario Les reacutesultats ont alors eacuteteacute preacutesenteacutes sous forme de deux bandes de valeurs la premiegravere bande est celle des mesures prises + ou ndash lrsquoestimation des erreurs de mesure et lrsquoautre est celle des mesures + ou ndash le total des erreurs estimeacutees y compris les erreurs de simulation
I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA Ce travail a eacuteteacute meneacute dans le cadre de la tache 21 de lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie intituleacutee lumiegravere naturelle dans les bacirctiments En effet un projet a eacuteteacute deacutedieacute au thegraveme de la validation des logiciels de calcul en eacuteclairage et a fait lrsquoobjet drsquoune collaboration entre les laboratoires de six nations diffeacuterentes parmi lesquels le Laboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Fontoynont 1999] [Maamari 2002]
Dans le cadre de ce projet des donneacutees expeacuterimentales ont eacuteteacute reacutecolteacutees agrave travers des mesures drsquoeacuteclairement agrave lrsquointeacuterieur drsquoune seacuterie de maquettes agrave eacutechelle reacuteduite placeacutees sous des ciels
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Chapitre I
artificiels Trois bacirctiments types ont eacuteteacute testeacutes sous plusieurs configurations en changeant les types drsquoouverture etou les coefficients de reacuteflexion des surfaces
Les sceacutenarios expeacuterimentaux ont eacuteteacute simuleacutes agrave lrsquoaide des logiciels drsquoeacuteclairage naturel Adeline Genelux Leso-DIAL Radiance et Superlite Les reacutesultats des simulations ont eacuteteacute compareacutes entre les diffeacuterents logiciels et confronteacutes aux mesures expeacuterimentales
Cette comparaison a montreacute que le calcul des eacuteclairements agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment dus agrave lrsquoeacuteclairage naturel demande une description minutieuse des luminances des portions de la voucircte ceacuteleste vues par la fenecirctre Les eacuteclairements directs agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment sont alors calculeacutes avec une preacutecision de lrsquoordre de 5 La preacutecision des calculs des reacuteflexions multiples agrave lrsquointeacuterieur de la piegravece deacutepend quant agrave elle des proprieacuteteacutes des surfaces inteacuterieures et en particulier de la lrsquoaspect bidirectionnel de ces surfaces
Cette eacutetude a montreacute finalement que les programmes doivent ecirctre utiliseacutes avec beaucoup de preacutecautions car les reacutesultats de simulation sont tregraves sensibles agrave la qualiteacute des hypothegraveses et des paramegravetres drsquoentreacutee description de la source de lumiegravere geacuteomeacutetrie du bacirctiment paramegravetres de simulation
I34 Analyse de la probleacutematique Drsquoapregraves la recherche bibliographique preacutesenteacutee ci-dessus sur le domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage nous pouvons reacutesumer la probleacutematique de ce domaine dans les points suivants
1 Difficulteacute drsquoaccegraves agrave lrsquoinformation Elle est due en particulier agrave lrsquoabsence de sources publiques speacutecialiseacutees dans le domaine
2 Manque de transparence Ainsi nous trouvons souvent des reacutesultats de validation preacutesenteacutes sans suffisamment drsquoinformation sur les proceacutedures qui ont abouti agrave ces reacutesultats
3 Manque de creacutedibiliteacute une partie importante des travaux de validation existants est reacutealiseacutee par les deacuteveloppeurs des logiciels testeacutes les sources drsquoincertitudes dans les valeurs de reacutefeacuterence ne sont souvent pas prises en consideacuteration etc
4 Manque de travaux concluants sur la validiteacute du logiciel testeacute Ceci est ducirc en partie agrave la complexiteacute des sceacutenarios expeacuterimentaux et agrave la restriction des domaines testeacutes Ainsi il est rarement possible drsquoidentifier avec certitude les points de faiblesse et les domaines drsquoapplication drsquoun logiciel testeacute
5 Absence de reacutefeacuterences standardiseacutees Ce qui fait qursquoun certain aspect de la propagation de la lumiegravere est testeacute dans diffeacuterents logiciels avec des protocoles diffeacuterents Ce qui ne permet pas une comparaison transparente et objective entre ces diffeacuterents logiciels
6 Manque de validations analytiques malgreacute les avantages de ce type de validation
En reacuteponse aux problegravemes listeacutes ci-dessus nous identifions en particulier le besoin drsquoune standardisation et drsquoune mise agrave disposition des reacutefeacuterences de validation fiables de preacutefeacuterence sous la garantie et le controcircle drsquoun ou plusieurs organismes creacutedibles
I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
I351 Introduction Le premier objectif qursquoon pourrait attendre des travaux de validation crsquoest de pouvoir ameacuteliorer la confiance des utilisateurs dans les logiciels de simulation A savoir qursquoameacuteliorer la confiance ne veut pas forceacutement dire lrsquoaugmenter Mais plutocirct sensibiliser les utilisateurs aux capaciteacutes et aux limites des diffeacuterents logiciels dans les diffeacuterents domaines de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Ainsi agrave travers lrsquoidentification des points de faiblesse
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Chapitre I
drsquoun logiciel et de ces domaines drsquoapplication on pourra aboutir agrave une utilisation responsable de ces logiciels
Drsquoougrave le besoin drsquoune meacutethodologie de validation qui permet de tester la capaciteacute drsquoun logiciel agrave simuler les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Cette meacutethodologie doit eacutegalement palier les deacutefaillances rencontreacutees dans le domaine agrave noter creacutedibiliteacute fiabiliteacute et accessibiliteacute
I352 Concept et approche proposeacutes Pour atteindre les objectifs fixeacutes ci-dessus la meacutethodologie de validation proposeacutee repose un concept de base qui est celui de tester seacutepareacutement les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Ceux-ci peuvent ecirctre classeacutes sous 3 grands groupes
1 La description de la source de lumiegravere et le calcul de lrsquoeacuteclairement direct 2 Le transfert du flux lumineux agrave travers les composants de la fenecirctre et lrsquoinfluence des
masques 3 Les inter-reacuteflexions sur les diffeacuterents mateacuteriaux avec diffeacuterentes photomeacutetries
Pour appliquer ce concept cette meacutethodologie de validation est baseacutee sur une seacuterie de cas-tests chacun traitant un sceacutenario drsquoeacuteclairage simple (un nombre limiteacute de paramegravetres) ougrave un certain aspect de la propagation de lumiegravere est mis en eacutevidence La description des cas-tests comprend la geacuteomeacutetrie les sources de lumiegravere ainsi qursquoune seacuterie de valeurs de reacutefeacuterence agrave utiliser pour tester la capaciteacute du logiciel agrave simuler lrsquoaspect en question Ces valeurs de reacutefeacuterence sont obtenues soit agrave lrsquoaide drsquoun calcul analytique quand crsquoest possible (pour des sceacutenarios theacuteoriques) ou bien agrave partir de mesures expeacuterimentales
Ainsi chaque cas-test est applicable agrave tout logiciel proposant des fonctionnaliteacutes lieacutees agrave lrsquoaspect traiteacute (dans ce cas-test) indeacutependamment des algorithmes utiliseacutes des meacutethodes de calcul adopteacutees ou des paramegravetres utiliseacutes
Cependant il est possible drsquoassocier agrave chaque test une eacutetude parameacutetrique propre agrave chaque logiciel Une telle eacutetude permet de mieux comprendre lrsquoinfluence des diffeacuterents paramegravetres proposeacutes sur la preacutecision du logiciel dans un aspect donneacute de la propagation de la lumiegravere
Pour une utilisation optimale de cette meacutethodologie de validation les cas-tests doivent couvrir tous les aspects de la propagation de la lumiegravere Ils seront alors utiliseacutes en tant qursquooutil unique et complet pour tester un logiciel donneacute
Une comparaison geacuteneacuterale des reacutesultats des simulations drsquoun logiciel donneacute aux valeurs de reacutefeacuterences de la seacuterie de cas-tests donnera une ideacutee claire sur les domaines ougrave le logiciel testeacute respecte ou non les lois physiques Ceci permettra agrave un utilisateur de veacuterifier si ce logiciel est compatible avec son propre domaine drsquoactiviteacute et agrave un deacuteveloppeur de veacuterifier si son logiciel a atteint les perspectives souhaiteacutees
De la mecircme faccedilon une comparaison entre les reacutesultats de diffeacuterents logiciels et les valeurs de reacutefeacuterence permet drsquooffrir une vision objective sur le logiciel qui reacutepond le mieux agrave une exigence donneacutee
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Chapitre I
Conclusions Suite agrave notre eacutetude bibliographique sur le domaine de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage nous avons orienteacute le travail de cette thegravese (agrave travers les chapitres suivants) de faccedilon agrave reacutepondre agrave certains des problegravemes identifieacutes dans ce domaine
Ainsi en ce qui concerne le manque de fiabiliteacute dans les travaux de validation des logiciels nous deacuteveloppons la meacutethode de validation que nous avons proposeacutee Dans ce cadre nous creacuteons une seacuterie de cas-tests en relation avec diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere traiteacutes ci-dessus Ces cas-tests sont reacutepartis en deux familles lrsquoune avec des sceacutenarios theacuteoriques et des reacutefeacuterences analytiques et lrsquoautre avec des reacutefeacuterences expeacuterimentales reacutepondant agrave des critegraveres de controcircle de qualiteacute que nous avons deacutefinis
En ce qui concerne la difficulteacute de simuler des sceacutenarios reacuteels de lumiegravere naturelle nous proposons et validons une meacutethode de simulation agrave partir des cartes de luminances reacuteelles agrave haute deacutefinition
Finalement nous proposons et nous validons une meacutethode de simulation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquoaide des luminaires eacutequivalents Cette meacutethode permet agrave la simulation de la lumiegravere de jour de beacuteneacuteficier de la preacutesence confirmeacutee des outils de simulation de la lumiegravere artificielle dans le domaine de la conception des bacirctiments Elle permet eacutegalement de surmonter un nombre de difficulteacutes rencontreacutees dans certains logiciels classiques de simulation la lumiegravere naturelle en particulier celles lieacutees agrave la preacutecision des reacutesultats par rapport au temps de calcul et agrave la simulation des masques exteacuterieurs
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Chapitre I
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48
Chapitre I
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Chapitre I
CIE Discomfort Glare in Interior Lighting CIE-117 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1995 CIE The Photometry and Goniophotometry of Luminaires CIE-121 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE The Relationship Between Digital and Colorimetric Data for Computer-Controlled CRT Displays CIE-122 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance CIE-130 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1998 CIE Spatial distribution of daylight - CIE standard general sky Vienne Commission Internationale de lEclairage 2002 7 p COHEN M F CHEN S E WALLACE J R GREENBERG DP A progressive refinement approach to fast radiosity image generation 15th annual conference on computer graphics and interactive techniques ACM Press New York 1988 pp 75-84 DE BOER J Encorporation of numerical goniophotometry into daylighting design CISBAT 2003 Lausanne EPFL 2003 pp 229-234 DE BOER J ERHORN H Survey Simple Design Tools IEA 1999 49 p DENIEL J M Modeacutelisation des luminaires et des BRDF Reacutealisation mesure et compression Thegravese en Informatique Rennes Universiteacute de Rennes 1 2002 277 p DUMORTIER D Mesure Analyse et Modeacutelisation du gisement lumineux Application agrave leacutevaluation des performances de leacuteclairage naturel des bacirctiments Thegravese en Geacutenie Civil et Sciences de lHabitat Vaulx en Velin ENTPE Universiteacutee de Savoie 1995 295 p DUMORTIER D Lumiegravere naturelle et rayonnement solaire - Mesures au sol et estimations agrave partir dimages satellites - Deacuteveloppement de services Web pour leacuteclairage naturel des bacirctiments HDR Thermique et Energeacutetique Vaulx en Velin ENTPE 2003 161 p DUMORTIER D VAN ROY F SODA daylighting resource SODA Deliverable 53C 2002 DUMORTIER D VETRO P Luminance calibration of the Nikon 950 digital cameras Lux Europa Reykjavik 2001 ERHORN H DE BOER J DIRKSMOLLER M ADELINE - An Integrated Approach to Lighting Simulation Daylighting 98 Ottawa 1998 FOLEY D J VAN-DAM A FEINER S K HUGHES J F Computer Graphics Principles and Practice Second Edition ADDISON-WESLEY 1990 (The systems programming series
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Chapitre I
FONTOYNONT M Le point sur les meacutethodes de simulation et sur lrsquoutilisation de lrsquoimage de synthegravese en eacuteclairage LUX 1991 FONTOYNONT M LAFORGUE P MITANCHEY R AIZLEWOOD M BUTT J CARROLL W HITCHOCK R ERHORN H DE BOER J DIRKSMOumlLLER M MICHEL L PAULE B SCARTEZZINI J-L BODART M AND ROY G Validation of daylighting simulation programs IEA SHC Task 21 ECBCS Annex 29 1999 28 p GALASIU A ATIF M Applicability of Daylighting Computer Modeling in Real Case Studies Comparison between Measured and Simulated Daylight Availability and Lighting Consumption IEA SHC Task 21 IEA ECBCS Annex 29 Daylight in Buildings International Energy Agency National Research Council Canada 1998 68 p GREENUP P J EDMONDS I R COMPAGNON R RADIANCE algorithm to simulate laser-cut panel light-redirecting elements Lighting Research amp Technology 2000 vol 32 ndeg2 pp 49-54 GRYNBERG A Comparison and Validation of Radiance and Superlite Rapport interne Lawrence Berkeley National Laboratory 1988 HOPKINSON R G PETHERBRIDGE P LONGMORE J Daylighting William Heinneman Ltd London 1966 IEA-SHC Daylighting simulation Methods Algorithms and Ressources Agence Internaitonale de lEnergie - SHC 1999 IEA-SHC Measurement of Luminous Characteristics of Daylighting Materials Agence Internationale de lEnergie - SHC - Tacircche 21 1999 IESNA Calculating Coefficients of Utilisation Wall and Ceiling Cavity Exitance IES LM-57 New York Illuminating engineering Society of North America 1982 IESNA The Determination of Illuminance at a Point in Interior Spaces IES LM-43-1991 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 34 p IESNA An Introduction to Light and Lighting IES ED-50 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 51 p IESNA Lighting Handbook 8th Edition New York Illuminating engineering Society of North America 1993 IESNA IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data IESNA LM-63-95 New York Illuminating engineering Society of North America 1995 5 p IESNA 1999 IESNA Software Survey Lighting Design + Application 1999 vol 29 ndeg12 pp 39-48 JARVIS D DONN M Comparison of Computer and Model Simulations of a Daylit Interior with Reality 5th International conference on Building Performance and Simulation Association Prague Czech Republic 1997 pp 9-16
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Chapitre I
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Chapitre I
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Chapitre I
TREGENZA P Daylighting algorithms ETSU S 1350 UK Department of Trade and Industry on behalf of the Energy Technology Support Unit 1993 43 p TREGENZA P R WATERS I M Daylight Coefficients Lighting Research amp Technology 1983 vol 15 ndeg2 pp 65-71 TROWBRIDGE T S REITZ K P Average Irregularity Representation of a Rough Surface for Ray Reflection Opt Soc Am 1975 vol 65 ndeg5 pp 531-536 UETANI Y MATSUURA K A Method of Luminance Calculation in an Anisotropic Diffuse Reflecting Interior IESNA Annual Conference Technical Papers San Diego 1992 WARD G J The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System SIGGRAPH Computer graphics 1994 pp 459-472 WHITTED T An improved illumination model for shaded display Computer graphics amp Image processing 1980
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- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
Geacuteneacuteraliteacutes On entend par conception de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment le choix des composants et des caracteacuteristiques des parois vitreacutees leur position leurs dimensions les speacutecifications des vitrages et des protections solaires
Ces choix sont guideacutes par des consideacuterations thermiques (apport solaire et surchauffe deacuteperditions par lrsquoenveloppe) acoustiques eacutenergeacutetiques (eacuteclairage artificiel systegravemes de chauffage et de climatisation) ergonomiques (confort visuel) ainsi qursquoestheacutetiques et architecturales
Il est eacutegalement neacutecessaire de prendre en consideacuteration les interactions entre ces diffeacuterents paramegravetres afin drsquoarriver agrave un compromis qui reacutepond le mieux aux exigences du projet Par exemple laisser passer plus de lumiegravere naturelle en agrandissant les surfaces vitreacutees entraicircnerait une augmentation de lrsquoapport solaire et des surchauffes en eacuteteacute et de la deacuteperdition et de la consommation eacutenergeacutetique du chauffage en hiver
Avec les progregraves technologiques apporteacutes aux systegravemes de controcircle on arrive de nos jours agrave mieux geacuterer ces interactions en particulier le controcircle des protections solaires en relation avec le confort visuel et le controcircle de lrsquoeacuteclairage artificiel en relation avec la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour sur le plan de travail (systegravemes de dimming controcircles automatiseacutes zonagehellip) Cependant pour que la conception de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment aboutisse agrave une meilleure efficaciteacute eacutenergeacutetique il est important de srsquoy inteacuteresser degraves les premiegraveres phases de la conception du bacirctiment (orientation dimensionnementhellip) [ASHRAE-IESNA 1989] [CIE 1994] [Leslie 2003]
Eclairement inteacuterieur requis Un paramegravetre cleacute dans la conception de lrsquoeacuteclairage naturel est lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (en particulier sur le plan de travail) Cet eacuteclairement subit des variations importantes avec le temps dues au dynamisme de la distribution des luminances du ciel (en particulier la zone vue par un point de reacutefeacuterence)
Ducirc agrave cette dynamique et pour simplifier la prise en consideacuteration de ce paramegravetre dans la conception drsquoun bacirctiment la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute a eacuteteacute introduite Ainsi on srsquointeacuteresse agrave un seuil minimum drsquoeacuteclairement neacutecessaire pour assurer le bon fonctionnement des tacircches pour lesquelles est deacutedieacute un local Le deacutepassement de ce seuil est supposeacute comme geacuteneacuteralement compenseacute par lrsquoadaptation de lrsquoœil
Disponibiliteacute de la lumiegravere de jour Lrsquoeacuteclairement inteacuterieur est directement lieacute agrave la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour agrave lrsquoexteacuterieur du bacirctiment Cette derniegravere est exprimeacutee par lrsquoeacuteclairement sur une surface horizontale deacutegageacutee Sa variation avec le temps et la geacuteographie a eacuteteacute eacutetudieacutee agrave partir de plusieurs campagnes de mesure agrave travers le monde [Dumortier 2003]
Ainsi la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour a pu ecirctre deacutecrite par des diagrammes en fonction de la latitude et drsquoun pourcentage des heures drsquoune anneacutee pour une peacuteriode journaliegravere donneacutee (9h agrave 17h par ex) pour lesquelles lrsquoeacuteclairement horizontal exteacuterieur deacutepasse un certain seuil Ces diagrammes ne prennent souvent en consideacuteration que lrsquoeacuteclairement diffus
De nos jours on arrive agrave estimer la disponibiliteacute de la lumiegravere de jour par lrsquoanalyse des images satellites Nous citons dans ce domaine le serveur Web Satel-Light deacuteveloppeacute au
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Chapitre I
LAboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Dumortier 1995] [Satel-Light 1995] [Dumortier 2002] [Dumortier 2003]
Facteur de lumiegravere de jour Afin de deacuteterminer une relation entre lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (en un point de la piegravece) et la disponibiliteacute de la lumiegravere du jour agrave lrsquoexteacuterieur drsquoun bacirctiment la notion du Facteur de Lumiegravere de Jour est utiliseacutee
FJ= (EintEext)
Ce ratio est subdiviseacute en plusieurs composantes
- La composante directe FJD (varie avec la distribution des luminances du ciel vues par le point de reacutefeacuterence)
- La composante reacutefleacutechie externe FRE (varie avec la contribution de la lumiegravere reacutefleacutechie sur le sol et les masques exteacuterieurs)
- La composante reacutefleacutechie interne FRI (varie avec les inter-reacuteflexions au niveau des surfaces inteacuterieures et deacutepend du facteur de reacuteflexion de ces surfaces)
Ainsi FJ = FJD + FRE + FRI
Pour le calcul drsquoun facteur de lumiegravere de jour en particulier sa composante directe il est important de caracteacuteriser la reacutepartition des luminances dans le ciel Alors que pour des raisons de simplification on supposait une reacutepartition uniforme (en azimut et en zeacutenith) de la luminance du ciel la CIE a proposeacute lrsquoadoption du ciel CIE couvert standard eacutetant donneacute qursquoil repreacutesente mieux de la distribution reacuteelle des luminances drsquoun ciel nuageux
Lrsquoutilisation drsquoun ciel nuageux pour la mesure ou le calcul du facteur de lumiegravere de jour est compatible avec la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute En effet les autres conditions possibles de ciel aboutissent geacuteneacuteralement agrave une meilleure peacuteneacutetration de la lumiegravere diffuse ou agrave une compensation par la lumiegravere directe du soleil Ainsi en adoptant le facteur de lumiegravere de jour sous un ciel nuageux comme reacutefeacuterence pour la conception on garantit une marge de seacutecuriteacute et un niveau minimum
Diagrammes drsquoautonomie A lrsquoaide des paramegravetres deacutecrits ci-dessus lrsquoeacuteclairement inteacuterieur requis les diagrammes de disponibiliteacute de la lumiegravere de jour et le facteur de lumiegravere de jour il est possible de deacutecrire des diagrammes drsquoautonomie en lumiegravere de jour Ces diagrammes permettent de deacutefinir un pourcentage de temps garanti ougrave lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (naturel) en un point donneacute deacutepassera un certain seuil Ou bien il permet de deacutefinir un facteur de lumiegravere de jour minimum requis afin de garantir un certain pourcentage de temps de deacutepassement drsquoun seuil drsquoeacuteclairement inteacuterieur [ASE 1989] [Satel-Light 1995]
Calcul dynamique de lrsquoeacuteclairage naturel (coefficient de FLJ) La nouvelle tendance dans la conception en eacuteclairage naturel nrsquoest plus baseacutee sur la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute mais sur un calcul dynamique de lrsquoentreacutee de la lumiegravere en utilisant les fichiers climatiques drsquoun site donneacute Cette meacutethode plus reacutealiste mais plus lourde en calcul est devenue utilisable gracircce agrave lrsquoeacutevolution des capaciteacutes du mateacuteriel informatique Sa mise en place utilise lrsquoapproche du facteur de lumiegravere de jour directionnel pour preacute-calculer la contribution relative des diffeacuterentes mailles du ciel agrave lrsquoeacuteclairement des diffeacuterents points drsquoun espace inteacuterieur [Tregenza 1983] [Mardaljevic 2000] [Reinhart 2000] [Dumortier 1995]
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Chapitre I
Outils de conception En ce qui concerne les meacutethodes existantes pour le calcul et lrsquoeacutevaluation de lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment elles sont classeacutees selon les cateacutegories suivantes [De Boer 1999]
- Les meacutethodes de calcul manuel (meacutethode de lumen ) - Les meacutethodes graphiques baseacutees sur des diagrammes selon des configurations types
du bacirctiment Ces diagrammes sont compleacuteteacutes par des facteurs de correction agrave prendre en consideacuteration en relation avec la transmission des vitrages la deacutegradation due agrave lrsquoaccumulation des saleteacutes le facteur de reacuteflexion moyen des surfaces inteacuterieureshellip
- Des mesures expeacuterimentales dans des maquettes agrave eacutechelle reacuteduite ou reacuteelle sous un ciel artificiel ou reacuteel
- Les logiciels de simulation baseacutes en particulier sur les meacutethodes de radiositeacute et de lancer de rayon
Un autre aspect de conception en eacuteclairage naturel (que celui de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour) consiste agrave prendre en consideacuteration les taches solaires agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment en particulier du point de vue de lrsquoapport thermique et du confort visuel Lrsquoeacutetude des taches est le plus souvent limiteacutee agrave certains jours repreacutesentatifs de lrsquoanneacutee (en particulier les solstices) et pour diffeacuterentes heures de la journeacutee
Les meacutethodes existantes pour lrsquoeacutetude des taches solaires sont
- Des meacutethodes manuelles utilisant des diagrammes solaires - Des eacutetudes sur maquette reacuteduite sous un heacuteliodon - Des meacutethodes numeacuteriques utilisant des algorithmes matheacutematiques pour deacutefinir la
position du soleil et des algorithmes de lancer de rayon pour simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere solaire directe agrave travers lrsquoenveloppe du bacirctiment Certains logiciels sont deacuteveloppeacutes speacutecialement pour lrsquoeacutetude des taches solaires on parle alors drsquoheacuteliodons numeacuteriques
En plus que les outils de simulation nous traitons dans notre travail les mesures expeacuterimentales dans des maquettes drsquoeacutetude
I13 La geacuteomeacutetrie
I131 Geacuteneacuteraliteacutes Comme la source lumineuse la geacuteomeacutetrie drsquoun espace est un eacuteleacutement cleacute pour calculer et preacutedire la propagation de la lumiegravere agrave lrsquointeacuterieur de cet espace Pour un calcul drsquoeacuteclairage (manuel ou numeacuterique) la description de cette geacuteomeacutetrie doit inclure une description tri-dimensionnelle de lrsquoespace ainsi qursquoune caracteacuterisation physique de ses mateacuteriaux Dans cette partie nous nous inteacuteressons agrave la description tri-dimensionnelle de lrsquoespace dans la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage
Les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie agrave prendre en consideacuteration dans une simulation sont geacuteneacuteralement les surfaces visibles des mateacuteriaux opaques du volume inteacuterieur Dans un sceacutenario drsquoeacuteclairage naturel nous consideacuterons eacutegalement les surfaces du sol et des masques exteacuterieurs ainsi que les composants des parois vitreacutees
On parle de surfaces visibles des mateacuteriaux opaques car contrairement au cas des eacutechanges de flux thermiques lrsquoinfluence des mateacuteriaux opaques sur la propagation des flux lumineux se limite agrave ces surfaces
32
Chapitre I
La prise en consideacuteration des parois vitreacutees du sol et des masques exteacuterieurs peut varier entre les diffeacuterents logiciels Ainsi lrsquoinfluence de ces eacuteleacutements (vitrage store veacutenitien masque vertical ou horizontalhellip) peut ecirctre calculeacutee analytiquement dans un logiciel et agrave lrsquoaide drsquoun lancer de rayon ou un calcul de radiositeacute dans un autre Le premier cas ne neacutecessite qursquoune description parameacutetrique (type de vitrage couleur et orientation des lames angle drsquoobstructionhellip) et le deuxiegraveme neacutecessite une modeacutelisation preacutecise des eacuteleacutements
I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie Bien que certains logiciels offrent la possibiliteacute drsquoune automatisation de lrsquoentreacutee de la geacuteomeacutetrie 3D cellendashci est en fin de compte deacutecrite par un ensemble de polygones deacutefinis par les coordonneacutees carteacutesiennes de leurs sommets (x y z)
Pour les logiciels de simulation qui nrsquooffrent pas une interface de DAO pour lrsquoentreacutee de la geacuteomeacutetrie il est possible drsquoimporter cette derniegravere agrave partir drsquoun logiciel de DAO externe [IESNA 1999] La plupart des logiciels de simulation sont compatibles avec le format DXF creacuteeacute par Autodesk et standardiseacute par la suite pour le transfert de donneacutees geacuteomeacutetriques [Autodesk 1999]
Parmi les logiciels de DAO souvent utiliseacutes pour modeacuteliser la geacuteomeacutetrie 3D nous citons AutoCAD ArchiCAD et Microstation Cependant lorsqursquoune geacuteomeacutetrie est deacutecrite agrave lrsquoaide drsquoun logiciel externe il est important de prendre certaines preacutecautions dans le mode de dessin afin de garantir une meilleure compatibiliteacute avec la plupart des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
Les preacutecautions agrave prendre et leurs importances sont diffeacuterentes drsquoun logiciel agrave un autre mais souvent le but est drsquoeacuteviter les confusions lors du transfert qui peuvent mener agrave des erreurs de calcul Par exemple il peut srsquoagir de respecter la notion de lrsquoorientation des surfaces qui est importante dans certains logiciels ou bien de limiter la modeacutelisation des surfaces de la geacuteomeacutetrie aux parties apparentes pour eacuteviter les fausses ombres [Foley 1990]
I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade La propagation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquointeacuterieur drsquoun bacirctiment deacutebute par un transfert des flux agrave travers les parois vitreacutees Ainsi il est important de prendre ces derniegraveres en consideacuteration pour une preacutediction preacutecise de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment
La caracteacuterisation drsquoun composant drsquoune paroi vitreacutee en transmission lumineuse se fait geacuteneacuteralement agrave travers des mesures goniophotomeacutetriques Ainsi agrave partir drsquoune seacuterie de mesures de transmission en direct-direct seront deacuteduites les fonctions de transfert direct-heacutemispheacuterique et heacutemispheacuterique-heacutemispheacuterique qui caracteacuterisent un mateacuteriau donneacute [CIE 1998]
Cependant une paroi vitreacutee peut se preacutesenter sous diffeacuterentes formes agrave diffeacuterents niveaux de complexiteacute Nous listons ci-dessous les principaux cas de figures
I141 Ouverture simple Le cas le plus basique est celui drsquoune simple ouverture sans vitrage Lrsquoinfluence drsquoune telle ouverture sur la propagation de la lumiegravere naturelle se limite agrave sa dimension et son eacutepaisseur qui deacuteterminent la partie du champ de luminances externe rendue visible aux points inteacuterieurs Lrsquoaspect directionnel qualitatif et quantitatif du flux lumineux incident est conserveacute lors du passage agrave travers cette ouverture et ne subit aucune deacuteviation ni atteacutenuation (si ce nrsquoest la reacuteflexion sur les bords)
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Chapitre I
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel se fait souvent agrave lrsquoaide drsquoun maillage de sa surface La luminance apparente des mailles est ensuite calculeacutee (agrave partir de la luminance de la zone du ciel apparente agrave travers cette maille par un point donneacute) et finalement est calculeacutee la contribution de chaque maille agrave lrsquoeacuteclairement du point eacutetudieacute
Dans un certain nombre de logiciels le calcul commence par une deacutetection du champ de vision drsquoun point de mesure agrave travers lrsquoouverture Cette deacutetection se fait geacuteneacuteralement agrave lrsquoaide drsquoun lancer de rayons qui permet de deacutefinir les limites du masque constitueacute par les murs entourant lrsquoouverture
I142 Vitrage classique Dans le cas drsquoune ouverture vitreacutee (vitrage classique) le flux incident subit lrsquoinfluence de la transmission directionnelle du vitrage Cette transmission diminue avec lrsquoaugmentation de lrsquoangle drsquoincidence du rayonnement lumineux et varie selon le type de vitrage (simple double teinteacutehellip)
Il existe plusieurs reacutefeacuterences pour deacuteterminer la variation theacuteorique de la transmission lumineuse drsquoun vitrage avec lrsquoangle drsquoincidence Mais en geacuteneacuteral la majoriteacute drsquoun flux lumineux transmis agrave travers un vitrage classique est supposeacute garder sa directionnaliteacute (angle de transmission = angle drsquoincidence) et ne subit qursquoune simple atteacutenuation selon lrsquoangle drsquoincidence [Hopkinson 1966] [Hopkinson 1966 Tregenza 1993]
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture vitreacutee dans une simulation drsquoeacuteclairage naturel suit le mecircme principe que pour une ouverture non vitreacutee mais en plus une atteacutenuation de la contribution drsquoune maille agrave lrsquoeacuteclairement drsquoun point est calculeacutee selon lrsquoangle drsquoincidence entre cette maille et ce point de mesure Cependant certains logiciels ne prennent pas en consideacuteration la transmission directionnelle drsquoun vitrage et se contentent drsquoaffecter un facteur de transmission uniforme
I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel Il existe sur le marcheacute de la construction de plus en plus de vitrages agrave proprieacuteteacutes bi-directionnelles dont le but est souvent de favoriser le cheminement drsquoun flux lumineux incident dans une direction donneacutee (Laser Cut Panel Serraglaze etc) Par exemple dans le cas drsquoune ouverture verticale lrsquoobjectif est souvent de favoriser lrsquoorientation du flux transmis vers le plafond afin de permettre une entreacutee plus profonde de la lumiegravere et afin drsquoeacuteviter ou au moins drsquoatteacutenuer les taches solaires Dans le cas drsquoune ouverture zeacutenithale lrsquoobjectif est de favoriser lrsquoentreacutee verticale de la lumiegravere provenant de toutes les directions de lrsquoheacutemisphegravere exteacuterieur
Le flux lumineux incident sur ce type de mateacuteriaux est transmis avec changement drsquoorientation partielle ou totale dans le mecircme plan drsquoincidence ou bien dans tout lrsquoheacutemisphegravere de sortie
La prise en consideacuteration drsquoun mateacuteriau agrave transmission bidirectionnelle dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel est drsquoune complexiteacute importante Elle neacutecessite lrsquoutilisation des fonctions de transfert bidirectionnelles dite BTDF qui sont assez lourdes en calcul Les logiciels permettant ce type de simulations sont encore assez rares et limiteacutes au domaine de la recherche scientifique [Fontoynont 1999] [Greenup 2000] [Andersen 2003]
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Chapitre I
I144 Eleacutements de protection solaire Le rocircle des eacuteleacutements de protection solaire est de bloquer drsquoatteacutenuer ou de reacuteorienter la lumiegravere directe du soleil Parmi les types les plus utiliseacutes nous citons en particulier les stores veacutenitiens (agrave effet de reacuteorientation) les brises soleil (agrave effet de masque) et les stores en toile (agrave effet de diffusion)
La prise en consideacuteration des eacuteleacutements de protection solaires dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel deacutepend de leur type Par exemple les protections solaires agrave effet de masque neacutecessitent un simple calcul de lancer de rayons alors que la simulation des eacuteleacutements agrave effet de reacuteorientation suit le mecircme principe que pour les vitrages bidirectionnels [Klems 1995] [Shareef 2001]
I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux Pour caracteacuteriser le comportement des parois vitreacutees afin de mieux les prendre en consideacuteration dans le calcul ou la simulation de lrsquoeacuteclairage on a recours aux mesures goniophotomeacutetriques
Ces mesures peuvent srsquoaveacuterer drsquoune grande complexiteacute en particulier dans le cas des mateacuteriaux bidirectionnels puisqursquoils neacutecessitent des mesures heacutemispheacuteriques en entreacutee et en sortie
De nos jours plusieurs deacuteveloppements sont en cours afin de simplifier les proceacutedures de mesure ou de conduire ces mesures numeacuteriquement agrave lrsquoaide drsquoalgorithmes physiques [Mitanchey 1995] [Andersen 2003] [Andersen 2003] [De Boer 2003]
Drsquoautres efforts sont eacutegalement investis dans le but de simplifier la preacutesentation des donneacutees goniophotomeacutetriques [Roy 1995] [Mitanchey 1996] [IEA-SHC 1999]
I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux Si lrsquoeacuteclairage direct reccedilu des sources de lumiegravere (naturelles ou artificielles) est un eacuteleacutement de base dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere lrsquoeacuteclairage dit indirect nrsquoest pas de moindre importance
En effet lrsquoeacuteclairage indirect ducirc aux inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les diffeacuterentes surfaces drsquoune scegravene peut repreacutesenter une proportion importante de lrsquoeacuteclairement total par rapport agrave lrsquoeacuteclairement direct Crsquoest le cas notamment des luminaires indirects ou des systegravemes de reacute-acheminement de la lumiegravere directe du soleil
Les inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie deacutependent de la photomeacutetrie de ces surfaces (ou des mateacuteriaux qui les constituent) Cette photomeacutetrie est caracteacuteriseacutee en particulier par trois paramegravetres
- Le facteur de reacuteflexion global - La directionnaliteacute de la lumiegravere reacutefleacutechie - Lrsquoinfluence spectrale sur la lumiegravere reacutefleacutechie
Le premier repreacutesente le rapport entre le flux total reacutefleacutechi sur une surface et le flux initial incident Pour faciliter la mesure de ce paramegravetre un nombre de mateacuteriaux standards a eacuteteacute deacutefini comme reacutefeacuterence [CIE 1979] [CIE 1979] [CIE 1998]
Le deuxiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la ou les directions de reacuteflexion drsquoun flux incident avec une direction donneacutee Cette directionnaliteacute deacutepend de la geacuteomeacutetrie microscopique de la surface (apparente) drsquoun mateacuteriau opaque On distingue en particulier deux types de reacuteflexion theacuteoriques Les reacuteflexions parfaitement speacuteculaires et les reacuteflexions
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Chapitre I
parfaitement diffuses Bien que ces cas extrecircmes nrsquoexistent pas dans la reacutealiteacute les lois theacuteoriques relatives sont bien deacutefinies (La loi de Descartes pour le premier et loi de Lambert et les formules de facteur de forme pour le deuxiegraveme) Au-delagrave de ces deux cas theacuteoriques simplifieacutes un nombre de travaux a eacuteteacute meneacute pour deacutecrire des modegraveles analytiques plus complets qui srsquoapprochent mieux de la reacutealiteacute mais qui repreacutesentent un degreacute de complexiteacute plus eacuteleveacute [Trowbridge 1975] [Kajiya 1985] [Uetani 1992] [Balocco 2001] [Deniel 2002]
Dans la majoriteacute des logiciels existants la reacuteflexion de la lumiegravere sur une surface est simuleacutee par une combinaison de reacuteflexions diffuses et speacuteculaires Ainsi une partie du flux est reacutefleacutechie en obeacuteissant agrave la loi de Descartes et une autre partie est diffuseacutee uniformeacutement dans lrsquoespace Les algorithmes utiliseacutes sont eacutegalement en geacuteneacuteral une combinaison de radiositeacute et de lancer de rayons Certains logiciels nrsquoutilisant que les algorithmes de radiositeacute se contentent de supposer les surfaces comme 100 diffuses
Drsquoautres logiciels qui restent assez rares prennent en consideacuteration les fonctions de reacuteflexions bidirectionnelles (BRDF) theacuteoriques ou mesureacutees Cependant il faut noter que de nos jours la preacutecision des mesures de ces fonctions neacutecessite encore des moyens financiers et logistiques trop importants
Le troisiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la qualiteacute spectrale de la lumiegravere reacutefleacutechie par rapport agrave celle de la lumiegravere incidente Elle deacutepend en particulier de lrsquoabsorption spectrale seacutelective du mateacuteriau En effet le facteur drsquoabsorption drsquoun mateacuteriau peut ecirctre plus ou moins eacuteleveacute selon la longueur drsquoonde avec laquelle arrive une partie du flux incident Ainsi le spectre de la lumiegravere reacutefleacutechie peut ecirctre complegravetement diffeacuterent de celui de la lumiegravere incidente Les mateacuteriaux qui ont le mecircme facteur de reacuteflexion pour toutes les longueurs drsquoonde sont dits spectralement neutres [CIE 1986] [Smith 1992] [CIE 1996]
Plusieurs approches sont proposeacutees pour traiter lrsquoaspect spectral ou colorimeacutetrique de la propagation de la lumiegravere Les approches les plus utiliseacutees dans les logiciels de simulation de la lumiegravere sont baseacutees sur une caracteacuterisation agrave trois composantes de la couleur (de la source lumineuse ou des surfaces) Nous citons les systegravemes XYZ (de la CIE) RGB CMY et HSV Cependant si ce type de caracteacuterisation est convenable pour la repreacutesentation des couleurs il srsquoavegravere insuffisant pour simuler la variation du spectre du flux lumineux agrave travers les inter-reacuteflexions sur les surfaces inteacuterieures drsquoun espace [Mitanchey 1996] Pour plus de preacutecision il est alors recommandeacute drsquoutiliser les approches baseacutees sur une discreacutetisation plus ou moins fine du spectre Mais lrsquoimpleacutementation de telles approches dans les logiciels existants est loin drsquoecirctre courante [Smith 1992] [Mitanchey 1996]
I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage Il existe sur le marcheacute international un nombre important de logiciels deacutedieacutes agrave la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Dans une enquecircte meneacutee par le groupe 3D lumiegravere en 2000 aupregraves de 74 professionnels [3D-lumiegravere 2000] environ quarante logiciels ont eacuteteacute citeacutes par les enquecircteacutes comme outils de travail en eacuteclairage Dans une deuxiegraveme eacutetude plus speacutecialiseacutee dans le calcul drsquoeacuteclairage naturel et meneacutee par lrsquoagence international drsquoeacutenergie IEA SHC Task 21-C2 [Fontoynont 1999] vingt cinq logiciels ont eacuteteacute citeacutes Vingt deux de ces logiciels ne sont pas connus par les utilisateurs franccedilais enquecircteacutes par 3D lumiegravere Finalement nous citons lrsquoenquecircte de lrsquoIENSA [IESNA 1999] preacutesentant un nombre de logiciels existants au niveau international
Les logiciels existants diffegraverent entre eux par les algorithmes qursquoils utilisent par leurs approches DAO par la prise en consideacuteration des diffeacuterents types de sources lumineuses par
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Chapitre I
leur capaciteacute agrave simuler les pheacutenomegravenes de propagation de lumiegravere plus ou moins complexes par leur interface utilisateur et finalement par leurs vocations et leurs domaines drsquoapplication
I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage Le rocircle des algorithmes dans une simulation drsquoeacuteclairage est de geacuterer le calcul de la propagation de la lumiegravere entre les sources et les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie puis les inter-reacuteflexions entre ces surfaces
Les algorithmes utiliseacutes dans les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage sont des algorithmes dits drsquoeacuteclairement global (global illumination) puisqursquoils font un calcul tridimensionnel de la propagation de la lumiegravere Ils peuvent ecirctre classeacutes sous deux grandes familles la radiositeacute et le lancer de rayons Ces deux familles tendent agrave avoir des avantages et des inconveacutenients compleacutementaires ce qui fait que certains logiciels utilisent une logique hybride combinant les deux familles [IEA-SHC 1999] [Mitanchey 1996]
1211 Radiositeacute Les algorithmes de radiositeacute utiliseacutes pour le calcul de lrsquoeacuteclairage datent du deacutebut des anneacutees 80 Ils ont eacuteteacute adapteacutes agrave partir des algorithmes de radiositeacute utiliseacutes depuis les anneacutees 60 pour le calcul des eacutechanges radiatifs thermiques sur la base de lrsquoeacutequilibre eacutenergeacutetique
Les algorithmes de radiositeacute procegravedent en geacuteneacuteral agrave une discreacutetisation de lrsquoenvironnement simuleacute agrave travers un maillage (subdivision en petites mailles) des surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie eacuteclaireacutee par une source donneacutee (voir figure I3) Tout drsquoabord un calcul de la lumiegravere directe reccedilue par chaque maille est effectueacute Ensuite chaque maille est traiteacutee comme une source lumineuse eacutemettant une partie du flux lumineux qursquoelle a reccedilu (selon son facteur de reacuteflexion) vers les autres mailles de la geacuteomeacutetrie Cette lumiegravere indirecte subit plusieurs inter-reacuteflexions jusqursquoagrave ce que la quasi-totaliteacute du flux initial soit absorbeacutee
Suite agrave ce calcul on est capable de savoir la quantiteacute de flux lumineux direct et indirect reccedilue et eacutemise par une maille donneacutee et donc lrsquoeacuteclairement et la luminance de cette maille [Scartezzini 1993] [Ashdown 2001]
Figure I3 Exemple drsquoun calcul de Radiositeacute agrave lrsquointeacuterieur drsquoune geacuteomeacutetrie
Bien que le principe geacuteneacuteral de la radiositeacute deacutecrit ci-dessus soit le mecircme pour tous les algorithmes de radiositeacute existants ceux-ci diffegraverent dans la meacutethode adopteacutee pour le maillage de la geacuteomeacutetrie et pour le suivi du flux
La radiositeacute peut ecirctre en principe appliqueacutee agrave tout type de reacuteflexion cependant les algorithmes existants sont encore limiteacutes aux reacuteflexions 100 diffuses Ce qui entraicircne des erreurs plus ou moins importantes selon le comportement reacuteel du mateacuteriau simuleacute La
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Chapitre I
radiositeacute preacutesente aussi quelques autres inconveacutenients dont particuliegraverement un temps de calcul assez long une lourde consommation en meacutemoire et une faible performance en qualiteacute graphique
Cependant le calcul de radiositeacute a lrsquoavantage drsquoecirctre indeacutependant de la position de lrsquoobservateur Ainsi un seul calcul est suffisant pour connaicirctre lrsquoeacuteclairement de tous les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie et pour la visualiser agrave partir drsquoune infiniteacute de points de vue
Une nouvelle geacuteneacuteration drsquoalgorithmes de radiositeacute est apparue en 1988 elle permet drsquoobtenir un reacutesultat graphique immeacutediat qui srsquoameacuteliore progressivement en preacutecision et en qualiteacute visuelle drsquoougrave son nom progressive refinement radiosity [Cohen 1988] [Autodesk 1999]
Une autre eacutevolution des algorithmes de radiositeacute fut le concept de maillage adaptatif ougrave le logiciel commence agrave calculer agrave partir drsquoun maillage de faible preacutecision Ensuite il procegravede agrave des subdivisions suppleacutementaires lagrave ougrave il y a une grande diffeacuterence drsquoeacuteclairement entre les mailles Cette meacutethode conduit agrave une eacuteconomie dans le temps de calcul et dans lrsquoutilisation de meacutemoire
1212 Lancer de rayons La deuxiegraveme famille drsquoalgorithmes est la plus ancienne elle a connu plus de deacuteveloppements et preacutesente une plus grande varieacuteteacute de meacutethodes
Ces meacutethodes ont lrsquoavantage de calculer avec preacutecision lrsquoeacuteclairement direct de calculer les effets speacuteculaires des mateacuteriaux de mieux deacutefinir les ombres et de consideacuterer les reacutefractions agrave travers les surfaces transparentes Crsquoest donc les algorithmes qui donnent les meilleurs reacutesultats graphiques drsquoougrave ce qursquoon appelle le photo-reacutealisme des images de synthegravese
Il existe plusieurs cateacutegories drsquoalgorithmes baseacutees sur le lancer de rayon nous citons les suivantes
Figure I4 Exemple drsquoun calcul de Lancer de rayons (inverse)
1 Traceacute de rayons ou Lancer de rayons depuis lrsquoobservateur dite aussi Lancer inverse de rayons (backward ray tracing) les rayons sont geacuteneacutereacutes depuis lrsquoœil de lrsquoobservateur et cheminent agrave travers des reacuteflexions multiples sur les parois jusqursquoaux sources de lumiegravere (voir figure I4) Ainsi seuls les rayons utiles pour la construction de lrsquoimage seront geacuteneacutereacutes et suivis agrave travers les diffeacuterentes inter-reacuteflexions mais la solution est valide pour un seul point de vue [Whitted 1980]
2 Suivi de rayons ou Lancer direct de rayons (forward ray tracing) cette meacutethode geacutenegravere les rayons lumineux depuis la source vers les surfaces reacuteceptrices quand un rayon atteint une surface il est dirigeacute selon la photomeacutetrie rencontreacutee jusqursquoagrave lrsquoeacutepuisement de son eacutenergie [Fontoynont 1991]
3 Technique statistique de monte-carlo backward ou forward La meacutethode de Monte-Carlo associeacutee agrave des meacutethodes de lancer de rayons a recours agrave une technique statistique
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Chapitre I
pour la distribution des rayons reacutefleacutechis Elle neacutecessite un temps de calcul eacuteleveacute [IEA-SHC 1999]
I22 Exemples types des logiciels existants Les logiciels existants sur le marcheacute international et utiliseacutes comme outils de conception en eacuteclairage peuvent ecirctre classeacutes en diffeacuterentes familles [De Boer 1999] [IESNA 1999]
1 Les logiciels baseacutes sur les formules de base de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel Ces logiciels sont souvent distribueacutes par les constructeurs de luminaires et munis de leur bibliothegraveque de luminaires
2 Des logiciels baseacutes sur des formules de base de calcul en eacuteclairage naturel ou sur des donneacutees empiriques (ou preacute-simuleacutees) Ces logiciels sont souvent deacutedieacutes agrave lrsquoutilisation dans les phases preacuteliminaires de la conception drsquoun projet (ex Dial Sodalight etc)
3 Les logiciels capables de calculer lrsquoeacuteclairage direct uniquement Ils sont tregraves souvent inteacutegreacutes dans des logiciels de DAO Leur objectif est limiteacute agrave lrsquoameacutelioration du rendu graphique drsquoun projet ou au mieux agrave une eacutetude de taches solaires (ex Archicad) Cependant ce type de logiciels devient de plus en plus rare En effet vu leurs potentiels un certain nombre de ces logiciels a eacuteteacute mis agrave niveau par les deacuteveloppeurs et a passeacute ainsi agrave la famille suivante (ex Microstation et 3D Studio)
4 Les logiciels dits drsquoeacuteclairement global Ils utilisent souvent des algorithmes de calcul physique (en particulier de radiositeacute et lancer de rayons) Nous distinguons cependant dans cette cateacutegorie les logiciels deacuteveloppeacutes dans un cadre scientifique (ex Radiance Geacuteneacutelux CSTB) de ceux deacuteveloppeacutes et diffuseacutes dans un cadre commercial (Lightscape Dialuxhellip) En geacuteneacuteral les logiciels commerciaux possegravedent des interfaces plus conviviales mais les logiciels scientifiques offrent des fonctionnaliteacutes plus complegravetes Par exemple certains logiciels scientifiques sont capables de prendre en consideacuteration lrsquoaspect spectral de la propagation de la lumiegravere etou de traiter les fonctions bidirectionnelles Finalement nous notons que les logiciels commerciaux manquent le plus de transparence sur leur fiabiliteacute dans les diffeacuterents domaines drsquoapplication (manque de travaux de validation)
Dans notre travail de thegravese nous nous inteacuteressons en particulier agrave la derniegravere famille Ne pouvant pas enquecircter sur tous les logiciels existants nous nous contentons de citer (par ordre alphabeacutetique) quelques logiciels sur lesquels il y a eu des publications scientifiques et des travaux de validation [Fontoynont 1999]
1221 Adeline Deacuteveloppeacute dans le cadre de lrsquoIEA Adeline a eacuteteacute fondeacute sur les logiciels Superlite et Radiance par le biais drsquoun modeleur graphique et drsquooutils de DAO Ainsi il permet de deacutefinir la geacuteomeacutetrie avec son propre systegraveme de DAO par lrsquoentreacutee manuelle des coordonneacutes carteacutesiennes ou agrave partir drsquoun fichier DXF
Le logiciel est muni drsquoune bibliothegraveque de base de donneacutees de mateacuteriaux de luminaires et de mobilier Il produit des reacutesultats numeacuteriques ou bien graphiques Au-delagrave des eacuteclairements et des luminances Adeline permet de calculer lrsquoeacutenergie consommeacutee par lrsquoeacuteclairage artificiel en fonction des apports de lumiegravere du jour [Erhorn 1998] [Scartezzini 1993]
1222 Genelux Le logiciel Genelux deacuteveloppeacute au laboratoire des sciences de lrsquohabitat utilise un algorithme de lancer direct et suivi de rayons lumineux (Forward Ray tracking) La distribution des rayons reacutefleacutechis est effectueacutee en ayant recours agrave une technique statistique de Monte Carlo
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Chapitre I
Dans le cas ougrave les surfaces seraient parfaitement diffusantes il est possible de faire appel agrave un algorithme baseacute sur la meacutethode de radiositeacute afin de reacuteduire les temps de simulation Genelux peut modeacuteliser les surfaces speacuteculaires diffuses ou mixtes en transmission etou reacuteflexion Il peut eacutegalement prendre en consideacuteration des quantiteacutes spectrales en deacutecomposant les rayons incidents par bandes spectrales [Mitanchey 1996] [Maamari 2003]
1223 Inspirer Destineacute surtout au domaine de lrsquoarchitecture avec comme fonctionnaliteacutes les calculs de lrsquoeacuteclairage les analyses de visibiliteacute et la visualisation des projets Pour le calcul de lrsquoeacuteclairage il utilise des approches hybrides surtout la meacutethode bi-directionnelle de Monte Carlo au Lancer de Rayons Ce qui diffeacuterencie le plus ce logiciel est lrsquoutilisation des formules de BRDF qui permet de respecter les variations de reacuteflexion et de transmission (diffuse et speacuteculaire) ainsi que des couleurs selon lrsquoangle drsquoincidence et de vision [Maamari 2003]
1224 DIAL Leso-Dial Le but du logiciel est de donner aux architectes des informations utiles concernant lrsquoutilisation de la lumiegravere de jour dans un bacirctiment degraves la phase de lrsquoavant projet Il calcule le facteur de lumiegravere du jour sur le plan utile gracircce agrave une utilisation hybride de formule analytique et empirique [Paule 1995]
1225 Lightscape 32 Crsquoest un logiciel qui est destineacute agrave des utilisations graphiques mais il offre eacutegalement des fonctionnaliteacutes inteacuteressantes pour la simulation physique de la lumiegravere Il utilise un algorithme de radiositeacute pour le calcul quantitatif et un algorithme de lancier de rayons pour lrsquoameacutelioration qualitative et visuelle des images de synthegraveses Ce logiciel est deacutecrit en deacutetail dans la partie IV11 de ce document [Khodulev 1996] [Maamari 2002]
1226 Radiance Le logiciel Radiance utilise un algorithme de lancer inverse de rayons Le lancer des rayons peut ecirctre stoppeacute si leur eacutenergie est jugeacutee insuffisante Les rayons reacutefleacutechis peuvent ecirctre geacuteneacutereacutes selon une fonction de distribution permettant la simulation de reacuteflexions speacuteculaires semi-speacuteculaires ou diffuses Ce lancer de rayons est compleacuteteacute drsquoun calcul statistique de reacuteflexion diffuse pour distribuer le flux reacutesiduel [Ward 1994] [Grynberg 1988]
1227 Superlite Le logiciel Superlite utilise une meacutethode point agrave point de radiositeacute Toutes les surfaces sont supposeacutees ecirctre parfaitement diffusantes Crsquoest la meacutethode la plus rapide mais elle est toutefois limiteacutee aux surfaces diffuses [Grynberg 1988]
I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels Lrsquoutilisation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage se geacuteneacuteralise de plus en plus dans le domaine de conception en eacuteclairage et au-delagrave Ainsi de nos jours ces logiciels sont utiliseacutes aussi bien par des bureaux drsquoeacutetude du bacirctiment et des architectes que par des deacuteveloppeurs de jeu videacuteo Les applications peuvent ecirctre entre autres [IESNA 1999] [3D-lumiegravere 2000] [Maamari 2002]
1 La conception en eacuteclairage artificiel Que ce soit pour lrsquoeacuteclairage inteacuterieur des bacirctiments lrsquoeacuteclairage des faccedilades des monuments des voiries des trottoirs ou lrsquoeacuteclairage des
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Chapitre I
tunnels etc Elle comprend entre autre le dimensionnement des systegravemes lrsquoanalyse du confort visuel et de la consommation etc
2 La conception en eacuteclairage naturel dimensionnement des ouvertures et des protections solaires orientation des projets analyse de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour et eacutetudes des FLJhellip
3 Le rendu et la preacutesentation des projets par les architectes et par les deacutecorateurs drsquointeacuterieur 4 La creacuteation de scegravenes de reacutealiteacute virtuelle pour le monde du cineacutema de la publiciteacute ou des
jeux videacuteohellip 5 La conception mecircme des optiques de luminaires ou de phares de voitures
Le domaine drsquoutilisation drsquoun logiciel donneacute deacutepend des fonctionnaliteacutes proposeacutees par ce logiciel de ses capaciteacutes agrave simuler avec un certain degreacute de fiabiliteacute et de faciliteacute les diffeacuterents domaines de la propagation de la lumiegravere en relation avec les besoins de lrsquoutilisateur
Bien que les algorithmes de calcul utiliseacutes dans les logiciels se ressemblent ces derniers ne sont pas tous adapteacutes pour les mecircme types drsquoapplications et ne reacutepondent pas aux mecircmes besoins
Ainsi certains utilisateurs cherchent en prioriteacute la faciliteacute drsquoutilisation des fonctionnaliteacutes en relation avec leur propre activiteacute en deacutepit des autres fonctionnaliteacutes et mecircme parfois en deacutepit de la validiteacute des reacutesultats Drsquoailleurs crsquoest agrave cause de ce contexte que des deacuteveloppeurs de logiciels commerciaux ont tendance agrave proposer des interfaces et des fonctionnaliteacutes optimiseacutees et orienteacutees vers un domaine drsquoapplication donneacute Ainsi nous commenccedilons agrave trouver par exemple des logiciels deacutedieacutes agrave la conception de lrsquoeacuteclairage public etou des tunnels (ex Tunnel-Lite) drsquoautres agrave la conception des protections solaires (ex ParaSol) etc
Cependant il est encore difficile de nos jours agrave un concepteur de bacirctiment de savoir quel est le ou les logiciels existants qui reacutepondent le mieux agrave ses propres besoins Crsquoest ce qui ressort dans les diffeacuterentes enquecirctes meneacutees sur lrsquoutilisation des logiciels en particulier celle meneacutee par le club 3D-Lumiegravere [3D-lumiegravere 2000] et celle que nous avons meneacutee au Light and Building 2002 [Maamari 2002] (voir annexe D) Nous notons par exemple dans ces deux enquecirctes lrsquoutilisation par des concepteurs lumiegravere de logiciels graphiques (Photoshop) en tant qursquooutils de conception
I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I31 Introduction Comme son nom lrsquoindique un logiciel de simulation de lrsquoeacuteclairage est supposeacute simuler la reacutealiteacute Mais la fideacuteliteacute de la simulation agrave la reacutealiteacute est loin drsquoecirctre veacuterifieacutee pour tous les logiciels existants sur le marcheacute international
Drsquoailleurs le niveau de preacutecision et de similitude (entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage et la reacutealiteacute) exigeacute ou souhaiteacute par les diffeacuterents utilisateurs nrsquoest pas neacutecessairement le mecircme et peut varier largement selon la speacutecificiteacute de leurs domaines drsquoactiviteacute [Maamari 2002]
Ainsi pour des utilisateurs qui srsquointeacuteressent uniquement au rendu graphique une image de synthegravese reacutealiste sans ecirctre neacutecessairement proche de la reacutealiteacute peut ecirctre suffisante Pour eux la question de la validation scientifique du logiciel utiliseacute ne se pose pas trop
Alors que pour des utilisateurs qui comptent extraire drsquoune simulation des cartes de luminances pour analyser le confort visuel de lrsquooccupant la validiteacute du logiciel devient drsquoune
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Chapitre I
importance de premier ordre Ceci est eacutegalement vrai pour les concepteurs en eacuteclairage qui ont besoin de veacuterifier que le niveau drsquoeacuteclairement est suffisant sur le plan de travail
Mais quel que soit le niveau de preacutecision souhaiteacute il est important pour un futur utilisateur de savoir la preacutecision qursquoil peut attendre de la part du logiciel qursquoil souhaite utiliser pour un type donneacute de tacircches Cette information est mecircme indispensable pour aboutir agrave une utilisation responsable des logiciels de simulation mais cela ne peut ecirctre possible qursquoagrave travers une validation rigoureuse et transparente de ce logiciel
Une validation rigoureuse et transparente des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage est une tacircche immense et drsquoune complexiteacute non neacutegligeable Ce qui est vrai pour tous les logiciels baseacutes sur des lois physiques comme par exemple les logiciels de simulation thermique
Cette complexiteacute est drsquoautant plus vraie quand on srsquointeacuteresse agrave lrsquoorientation du choix des utilisateurs vers un logiciel qui reacutepond le mieux agrave leurs propres besoins Dans ce contexte on souhaite veacuterifier la capaciteacute du logiciel agrave simuler avec preacutecision les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere lieacutes au domaine drsquoutilisation mais aussi on veut comparer cette capaciteacute agrave drsquoautres logiciels existants
La multitude des aspects qui entrent en jeu dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere combineacutee agrave la diversiteacute des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage contribuent agrave cette complexiteacute
Ainsi un logiciel capable de simuler des luminaires agrave optique diffusante nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler un luminaire avec une optique asymeacutetrique De mecircme un logiciel capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour agrave travers un vitrage ordinaire nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave travers un vitrage ou un systegraveme de protection solaire agrave aspect bidirectionnel etc
Nous preacutesentons ci-dessous une eacutetude bibliographique sur lrsquoeacutetat de lrsquoart du domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I32 Diffeacuterents types de validation En ce qui concerne les types de travaux de validation reacutealiseacutes nous avons pu identifier les suivants
I321 La validation analytique La validation analytique comme son nom lrsquoindique porte sur des cas theacuteoriques pour lesquels il existe des lois analytiques Ces lois sont issues des notions de base de la science physique lieacutees au rayonnement eacutelectromagneacutetique
Les travaux de validation baseacutes sur des reacutefeacuterences analytiques sont assez rares parmi les travaux reacutealiseacutes que nous avons pu trouver lors de notre recherche bibliographique
Cependant la validation analytique preacutesente des avantages consideacuterables comme la possibiliteacute de limiter les paramegravetres lieacutes agrave la propagation de la lumiegravere qui entrent en jeu dans un sceacutenario test Nous notons aussi lrsquoavantage de donner des solutions de reacutefeacuterences avec des incertitudes nulles ou neacutegligeables
En contrepartie la validation analytique ne peut couvrir que des domaines limiteacutes de la propagation de la lumiegravere Ce sont en geacuteneacuteral des cas de figures simples pour lesquels existe une loi theacuteorique [Aizlewood 1997]
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Chapitre I
I322 La validation expeacuterimentale Dans ce type de validation les reacutesultats des logiciels sont compareacutes agrave des mesures expeacuterimentales Ces mesures peuvent ecirctre reacutealiseacutees dans
a des maquettes drsquoeacutetude agrave eacutechelle reacuteduite [Caroll 1999] b des cellules tests agrave eacutechelle 11 c ou des piegraveces reacuteelles [Galasiu 1998] [Jarvis 1997]
Quel que soit le type des mesures reacutealiseacute la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales agrave utiliser pour des travaux de validation est confronteacutee agrave des obstacles consideacuterables
Le premier est lieacute aux sources drsquoerreur introduites lors de la description du sceacutenario expeacuterimental afin de le reproduire dans une simulation numeacuterique
Lrsquoimportance de cet obstacle est aggraveacutee par la multitude des paramegravetres qui entrent en jeu dans un sceacutenario expeacuterimental et par lrsquointeraction entre les sources drsquoerreurs lieacutees agrave chacun de ces paramegravetres
A titre drsquoexemple les sources drsquoerreur peuvent survenir lors de la description de la source de lumiegravere (artificielle ou reacuteelle) lors de la description de la photomeacutetrie des mateacuteriaux (reacuteflexion bidirectionnelle caracteacuteristiques spectraleshellip) etc
Un autre obstacle est ducirc agrave lrsquoincertitude qui existe dans la valeur mesureacutee et cela quelle que soit la preacutecision du protocole expeacuterimental appliqueacute Cette incertitude est lieacutee en partie agrave la preacutecision de lrsquoappareil de mesure et agrave son positionnement
Ducirc agrave tous ces obstacles la comparaison entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique et les mesures expeacuterimentales permet difficilement de conclure sur la preacutecision du logiciel testeacute
Il est aussi important de noter qursquoun des plus grands obstacles agrave la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales fiables reste celui des moyens techniques financiers et humains neacutecessaires aux expeacuterimentations
I323 La validation comparative Elle porte sur une comparaison des reacutesultats de simulation de plusieurs logiciels entre eux Cela peut ecirctre fait avec lrsquoexistence ou non drsquoune reacutefeacuterence expeacuterimentale ou analytique
Lrsquoavantage des comparaisons est de donner la possibiliteacute aux utilisateurs de mieux choisir entre plusieurs logiciels selon leur performance dans un domaine donneacute de la simulation
Cependant lrsquoutilisation des reacutesultats drsquoune comparaison afin de juger des logiciels les uns par rapport aux autres neacutecessite un maximum de transparence en particulier sur la complexiteacute des proceacutedures et sur le temps de calcul neacutecessaire pour obtenir ces reacutesultats [Grynberg 1988] [Fontoynont 1999] [Maamari 2003]
I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes Les travaux de validation reacutealiseacutes sur des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage ne manquent pas en nombre cependant crsquoest la creacutedibiliteacute de ces travaux qui nrsquoest pas toujours veacuterifieacutee
En ce qui concerne les rares travaux de validation existants qui beacuteneacuteficient drsquoune creacutedibiliteacute scientifique ou celle drsquoun organisme agreacuteeacute nous citons les suivants
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Chapitre I
I331 Le travail de Khodulev et Kopylov Ce travail reacutealiseacute et publieacute par Andrei B Khodulev et Edward A Kopylov en 1996 [Khodulev 1996] est lrsquoun des rares travaux de validation qui ont utiliseacute une reacutefeacuterence analytique
Le travail porte sur une validation comparative entre les logiciels Lightscape Specter et Radiance Une description des trois logiciels est donneacutee portant sur plusieurs critegraveres y compris lrsquointerface utilisateur
Un des sceacutenarios utiliseacutes pour la comparaison est celui drsquoune piegravece cubique fermeacutee avec une source lumineuse isotrope au centre La comparaison porte sur lrsquoeacuteclairement au niveau des points de mesure situeacutes sur le sol La valeur de reacutefeacuterence de cet eacuteclairement est calculeacutee semi-analytiquement pour prendre en consideacuteration la composante reacutefleacutechie interne
I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE Ce rapport repreacutesente un exemple ideacuteal sur la creacuteation des donneacutees expeacuterimentales fiables pour la validation des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage [Slater 2002]
Le travail deacutecrit dans ce rapport porte sur un protocole expeacuterimental qui a eacuteteacute deacutefini et conduit drsquoune maniegravere remarquablement rigoureuse dans une cellule test agrave eacutechelle 11 Le but est de creacuteer une base de donneacutees expeacuterimentales pour la validation des logiciels de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel
Le rapport comprend une description preacutecise du sceacutenario expeacuterimental y compris les dimensions de la geacuteomeacutetrie (une piegravece carreacutee) la position des lampes ou des luminaires la position des points de mesure ainsi que le coefficient de reacuteflexion des surfaces La description du sceacutenario comprend aussi les fichiers photomeacutetriques des luminaires au format CIBSE TM 14 sachant que la photomeacutetrie reacuteelle de chaque luminaire a eacuteteacute mesureacutee seacutepareacutement dans un laboratoire agreacuteeacute
Le protocole expeacuterimental comprend un controcircle du flux lumineux agrave travers lrsquoobservation et le controcircle des fluctuations du courant eacutelectrique et de la tempeacuterature de la piegravece Les lampes et les ballasts ont eacuteteacute vieillis Les lampes ont eacuteteacute preacutechauffeacutees une heure avant les mesures
Les capteurs ont eacuteteacute calibreacutes et fixeacutes sur un trolley afin de garantir la reacutepeacutetitiviteacute de leur position Six diffeacuterentes mesures ont eacuteteacute prises pour chaque point agrave lrsquoaide de deux capteurs diffeacuterents la moyenne de ces mesures a eacuteteacute utiliseacutee comme reacutefeacuterence
Une estimation des erreurs de mesures a eacuteteacute calculeacutee ainsi que des erreurs de simulation dues agrave lrsquoincertitude dans la description du sceacutenario Les reacutesultats ont alors eacuteteacute preacutesenteacutes sous forme de deux bandes de valeurs la premiegravere bande est celle des mesures prises + ou ndash lrsquoestimation des erreurs de mesure et lrsquoautre est celle des mesures + ou ndash le total des erreurs estimeacutees y compris les erreurs de simulation
I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA Ce travail a eacuteteacute meneacute dans le cadre de la tache 21 de lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie intituleacutee lumiegravere naturelle dans les bacirctiments En effet un projet a eacuteteacute deacutedieacute au thegraveme de la validation des logiciels de calcul en eacuteclairage et a fait lrsquoobjet drsquoune collaboration entre les laboratoires de six nations diffeacuterentes parmi lesquels le Laboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Fontoynont 1999] [Maamari 2002]
Dans le cadre de ce projet des donneacutees expeacuterimentales ont eacuteteacute reacutecolteacutees agrave travers des mesures drsquoeacuteclairement agrave lrsquointeacuterieur drsquoune seacuterie de maquettes agrave eacutechelle reacuteduite placeacutees sous des ciels
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Chapitre I
artificiels Trois bacirctiments types ont eacuteteacute testeacutes sous plusieurs configurations en changeant les types drsquoouverture etou les coefficients de reacuteflexion des surfaces
Les sceacutenarios expeacuterimentaux ont eacuteteacute simuleacutes agrave lrsquoaide des logiciels drsquoeacuteclairage naturel Adeline Genelux Leso-DIAL Radiance et Superlite Les reacutesultats des simulations ont eacuteteacute compareacutes entre les diffeacuterents logiciels et confronteacutes aux mesures expeacuterimentales
Cette comparaison a montreacute que le calcul des eacuteclairements agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment dus agrave lrsquoeacuteclairage naturel demande une description minutieuse des luminances des portions de la voucircte ceacuteleste vues par la fenecirctre Les eacuteclairements directs agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment sont alors calculeacutes avec une preacutecision de lrsquoordre de 5 La preacutecision des calculs des reacuteflexions multiples agrave lrsquointeacuterieur de la piegravece deacutepend quant agrave elle des proprieacuteteacutes des surfaces inteacuterieures et en particulier de la lrsquoaspect bidirectionnel de ces surfaces
Cette eacutetude a montreacute finalement que les programmes doivent ecirctre utiliseacutes avec beaucoup de preacutecautions car les reacutesultats de simulation sont tregraves sensibles agrave la qualiteacute des hypothegraveses et des paramegravetres drsquoentreacutee description de la source de lumiegravere geacuteomeacutetrie du bacirctiment paramegravetres de simulation
I34 Analyse de la probleacutematique Drsquoapregraves la recherche bibliographique preacutesenteacutee ci-dessus sur le domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage nous pouvons reacutesumer la probleacutematique de ce domaine dans les points suivants
1 Difficulteacute drsquoaccegraves agrave lrsquoinformation Elle est due en particulier agrave lrsquoabsence de sources publiques speacutecialiseacutees dans le domaine
2 Manque de transparence Ainsi nous trouvons souvent des reacutesultats de validation preacutesenteacutes sans suffisamment drsquoinformation sur les proceacutedures qui ont abouti agrave ces reacutesultats
3 Manque de creacutedibiliteacute une partie importante des travaux de validation existants est reacutealiseacutee par les deacuteveloppeurs des logiciels testeacutes les sources drsquoincertitudes dans les valeurs de reacutefeacuterence ne sont souvent pas prises en consideacuteration etc
4 Manque de travaux concluants sur la validiteacute du logiciel testeacute Ceci est ducirc en partie agrave la complexiteacute des sceacutenarios expeacuterimentaux et agrave la restriction des domaines testeacutes Ainsi il est rarement possible drsquoidentifier avec certitude les points de faiblesse et les domaines drsquoapplication drsquoun logiciel testeacute
5 Absence de reacutefeacuterences standardiseacutees Ce qui fait qursquoun certain aspect de la propagation de la lumiegravere est testeacute dans diffeacuterents logiciels avec des protocoles diffeacuterents Ce qui ne permet pas une comparaison transparente et objective entre ces diffeacuterents logiciels
6 Manque de validations analytiques malgreacute les avantages de ce type de validation
En reacuteponse aux problegravemes listeacutes ci-dessus nous identifions en particulier le besoin drsquoune standardisation et drsquoune mise agrave disposition des reacutefeacuterences de validation fiables de preacutefeacuterence sous la garantie et le controcircle drsquoun ou plusieurs organismes creacutedibles
I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
I351 Introduction Le premier objectif qursquoon pourrait attendre des travaux de validation crsquoest de pouvoir ameacuteliorer la confiance des utilisateurs dans les logiciels de simulation A savoir qursquoameacuteliorer la confiance ne veut pas forceacutement dire lrsquoaugmenter Mais plutocirct sensibiliser les utilisateurs aux capaciteacutes et aux limites des diffeacuterents logiciels dans les diffeacuterents domaines de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Ainsi agrave travers lrsquoidentification des points de faiblesse
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Chapitre I
drsquoun logiciel et de ces domaines drsquoapplication on pourra aboutir agrave une utilisation responsable de ces logiciels
Drsquoougrave le besoin drsquoune meacutethodologie de validation qui permet de tester la capaciteacute drsquoun logiciel agrave simuler les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Cette meacutethodologie doit eacutegalement palier les deacutefaillances rencontreacutees dans le domaine agrave noter creacutedibiliteacute fiabiliteacute et accessibiliteacute
I352 Concept et approche proposeacutes Pour atteindre les objectifs fixeacutes ci-dessus la meacutethodologie de validation proposeacutee repose un concept de base qui est celui de tester seacutepareacutement les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Ceux-ci peuvent ecirctre classeacutes sous 3 grands groupes
1 La description de la source de lumiegravere et le calcul de lrsquoeacuteclairement direct 2 Le transfert du flux lumineux agrave travers les composants de la fenecirctre et lrsquoinfluence des
masques 3 Les inter-reacuteflexions sur les diffeacuterents mateacuteriaux avec diffeacuterentes photomeacutetries
Pour appliquer ce concept cette meacutethodologie de validation est baseacutee sur une seacuterie de cas-tests chacun traitant un sceacutenario drsquoeacuteclairage simple (un nombre limiteacute de paramegravetres) ougrave un certain aspect de la propagation de lumiegravere est mis en eacutevidence La description des cas-tests comprend la geacuteomeacutetrie les sources de lumiegravere ainsi qursquoune seacuterie de valeurs de reacutefeacuterence agrave utiliser pour tester la capaciteacute du logiciel agrave simuler lrsquoaspect en question Ces valeurs de reacutefeacuterence sont obtenues soit agrave lrsquoaide drsquoun calcul analytique quand crsquoest possible (pour des sceacutenarios theacuteoriques) ou bien agrave partir de mesures expeacuterimentales
Ainsi chaque cas-test est applicable agrave tout logiciel proposant des fonctionnaliteacutes lieacutees agrave lrsquoaspect traiteacute (dans ce cas-test) indeacutependamment des algorithmes utiliseacutes des meacutethodes de calcul adopteacutees ou des paramegravetres utiliseacutes
Cependant il est possible drsquoassocier agrave chaque test une eacutetude parameacutetrique propre agrave chaque logiciel Une telle eacutetude permet de mieux comprendre lrsquoinfluence des diffeacuterents paramegravetres proposeacutes sur la preacutecision du logiciel dans un aspect donneacute de la propagation de la lumiegravere
Pour une utilisation optimale de cette meacutethodologie de validation les cas-tests doivent couvrir tous les aspects de la propagation de la lumiegravere Ils seront alors utiliseacutes en tant qursquooutil unique et complet pour tester un logiciel donneacute
Une comparaison geacuteneacuterale des reacutesultats des simulations drsquoun logiciel donneacute aux valeurs de reacutefeacuterences de la seacuterie de cas-tests donnera une ideacutee claire sur les domaines ougrave le logiciel testeacute respecte ou non les lois physiques Ceci permettra agrave un utilisateur de veacuterifier si ce logiciel est compatible avec son propre domaine drsquoactiviteacute et agrave un deacuteveloppeur de veacuterifier si son logiciel a atteint les perspectives souhaiteacutees
De la mecircme faccedilon une comparaison entre les reacutesultats de diffeacuterents logiciels et les valeurs de reacutefeacuterence permet drsquooffrir une vision objective sur le logiciel qui reacutepond le mieux agrave une exigence donneacutee
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Chapitre I
Conclusions Suite agrave notre eacutetude bibliographique sur le domaine de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage nous avons orienteacute le travail de cette thegravese (agrave travers les chapitres suivants) de faccedilon agrave reacutepondre agrave certains des problegravemes identifieacutes dans ce domaine
Ainsi en ce qui concerne le manque de fiabiliteacute dans les travaux de validation des logiciels nous deacuteveloppons la meacutethode de validation que nous avons proposeacutee Dans ce cadre nous creacuteons une seacuterie de cas-tests en relation avec diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere traiteacutes ci-dessus Ces cas-tests sont reacutepartis en deux familles lrsquoune avec des sceacutenarios theacuteoriques et des reacutefeacuterences analytiques et lrsquoautre avec des reacutefeacuterences expeacuterimentales reacutepondant agrave des critegraveres de controcircle de qualiteacute que nous avons deacutefinis
En ce qui concerne la difficulteacute de simuler des sceacutenarios reacuteels de lumiegravere naturelle nous proposons et validons une meacutethode de simulation agrave partir des cartes de luminances reacuteelles agrave haute deacutefinition
Finalement nous proposons et nous validons une meacutethode de simulation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquoaide des luminaires eacutequivalents Cette meacutethode permet agrave la simulation de la lumiegravere de jour de beacuteneacuteficier de la preacutesence confirmeacutee des outils de simulation de la lumiegravere artificielle dans le domaine de la conception des bacirctiments Elle permet eacutegalement de surmonter un nombre de difficulteacutes rencontreacutees dans certains logiciels classiques de simulation la lumiegravere naturelle en particulier celles lieacutees agrave la preacutecision des reacutesultats par rapport au temps de calcul et agrave la simulation des masques exteacuterieurs
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Chapitre I
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Chapitre I
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Chapitre I
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Chapitre I
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Chapitre I
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- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
LAboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Dumortier 1995] [Satel-Light 1995] [Dumortier 2002] [Dumortier 2003]
Facteur de lumiegravere de jour Afin de deacuteterminer une relation entre lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (en un point de la piegravece) et la disponibiliteacute de la lumiegravere du jour agrave lrsquoexteacuterieur drsquoun bacirctiment la notion du Facteur de Lumiegravere de Jour est utiliseacutee
FJ= (EintEext)
Ce ratio est subdiviseacute en plusieurs composantes
- La composante directe FJD (varie avec la distribution des luminances du ciel vues par le point de reacutefeacuterence)
- La composante reacutefleacutechie externe FRE (varie avec la contribution de la lumiegravere reacutefleacutechie sur le sol et les masques exteacuterieurs)
- La composante reacutefleacutechie interne FRI (varie avec les inter-reacuteflexions au niveau des surfaces inteacuterieures et deacutepend du facteur de reacuteflexion de ces surfaces)
Ainsi FJ = FJD + FRE + FRI
Pour le calcul drsquoun facteur de lumiegravere de jour en particulier sa composante directe il est important de caracteacuteriser la reacutepartition des luminances dans le ciel Alors que pour des raisons de simplification on supposait une reacutepartition uniforme (en azimut et en zeacutenith) de la luminance du ciel la CIE a proposeacute lrsquoadoption du ciel CIE couvert standard eacutetant donneacute qursquoil repreacutesente mieux de la distribution reacuteelle des luminances drsquoun ciel nuageux
Lrsquoutilisation drsquoun ciel nuageux pour la mesure ou le calcul du facteur de lumiegravere de jour est compatible avec la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute En effet les autres conditions possibles de ciel aboutissent geacuteneacuteralement agrave une meilleure peacuteneacutetration de la lumiegravere diffuse ou agrave une compensation par la lumiegravere directe du soleil Ainsi en adoptant le facteur de lumiegravere de jour sous un ciel nuageux comme reacutefeacuterence pour la conception on garantit une marge de seacutecuriteacute et un niveau minimum
Diagrammes drsquoautonomie A lrsquoaide des paramegravetres deacutecrits ci-dessus lrsquoeacuteclairement inteacuterieur requis les diagrammes de disponibiliteacute de la lumiegravere de jour et le facteur de lumiegravere de jour il est possible de deacutecrire des diagrammes drsquoautonomie en lumiegravere de jour Ces diagrammes permettent de deacutefinir un pourcentage de temps garanti ougrave lrsquoeacuteclairement inteacuterieur (naturel) en un point donneacute deacutepassera un certain seuil Ou bien il permet de deacutefinir un facteur de lumiegravere de jour minimum requis afin de garantir un certain pourcentage de temps de deacutepassement drsquoun seuil drsquoeacuteclairement inteacuterieur [ASE 1989] [Satel-Light 1995]
Calcul dynamique de lrsquoeacuteclairage naturel (coefficient de FLJ) La nouvelle tendance dans la conception en eacuteclairage naturel nrsquoest plus baseacutee sur la notion de lrsquoeacuteclairement minimum toleacutereacute mais sur un calcul dynamique de lrsquoentreacutee de la lumiegravere en utilisant les fichiers climatiques drsquoun site donneacute Cette meacutethode plus reacutealiste mais plus lourde en calcul est devenue utilisable gracircce agrave lrsquoeacutevolution des capaciteacutes du mateacuteriel informatique Sa mise en place utilise lrsquoapproche du facteur de lumiegravere de jour directionnel pour preacute-calculer la contribution relative des diffeacuterentes mailles du ciel agrave lrsquoeacuteclairement des diffeacuterents points drsquoun espace inteacuterieur [Tregenza 1983] [Mardaljevic 2000] [Reinhart 2000] [Dumortier 1995]
31
Chapitre I
Outils de conception En ce qui concerne les meacutethodes existantes pour le calcul et lrsquoeacutevaluation de lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment elles sont classeacutees selon les cateacutegories suivantes [De Boer 1999]
- Les meacutethodes de calcul manuel (meacutethode de lumen ) - Les meacutethodes graphiques baseacutees sur des diagrammes selon des configurations types
du bacirctiment Ces diagrammes sont compleacuteteacutes par des facteurs de correction agrave prendre en consideacuteration en relation avec la transmission des vitrages la deacutegradation due agrave lrsquoaccumulation des saleteacutes le facteur de reacuteflexion moyen des surfaces inteacuterieureshellip
- Des mesures expeacuterimentales dans des maquettes agrave eacutechelle reacuteduite ou reacuteelle sous un ciel artificiel ou reacuteel
- Les logiciels de simulation baseacutes en particulier sur les meacutethodes de radiositeacute et de lancer de rayon
Un autre aspect de conception en eacuteclairage naturel (que celui de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour) consiste agrave prendre en consideacuteration les taches solaires agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment en particulier du point de vue de lrsquoapport thermique et du confort visuel Lrsquoeacutetude des taches est le plus souvent limiteacutee agrave certains jours repreacutesentatifs de lrsquoanneacutee (en particulier les solstices) et pour diffeacuterentes heures de la journeacutee
Les meacutethodes existantes pour lrsquoeacutetude des taches solaires sont
- Des meacutethodes manuelles utilisant des diagrammes solaires - Des eacutetudes sur maquette reacuteduite sous un heacuteliodon - Des meacutethodes numeacuteriques utilisant des algorithmes matheacutematiques pour deacutefinir la
position du soleil et des algorithmes de lancer de rayon pour simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere solaire directe agrave travers lrsquoenveloppe du bacirctiment Certains logiciels sont deacuteveloppeacutes speacutecialement pour lrsquoeacutetude des taches solaires on parle alors drsquoheacuteliodons numeacuteriques
En plus que les outils de simulation nous traitons dans notre travail les mesures expeacuterimentales dans des maquettes drsquoeacutetude
I13 La geacuteomeacutetrie
I131 Geacuteneacuteraliteacutes Comme la source lumineuse la geacuteomeacutetrie drsquoun espace est un eacuteleacutement cleacute pour calculer et preacutedire la propagation de la lumiegravere agrave lrsquointeacuterieur de cet espace Pour un calcul drsquoeacuteclairage (manuel ou numeacuterique) la description de cette geacuteomeacutetrie doit inclure une description tri-dimensionnelle de lrsquoespace ainsi qursquoune caracteacuterisation physique de ses mateacuteriaux Dans cette partie nous nous inteacuteressons agrave la description tri-dimensionnelle de lrsquoespace dans la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage
Les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie agrave prendre en consideacuteration dans une simulation sont geacuteneacuteralement les surfaces visibles des mateacuteriaux opaques du volume inteacuterieur Dans un sceacutenario drsquoeacuteclairage naturel nous consideacuterons eacutegalement les surfaces du sol et des masques exteacuterieurs ainsi que les composants des parois vitreacutees
On parle de surfaces visibles des mateacuteriaux opaques car contrairement au cas des eacutechanges de flux thermiques lrsquoinfluence des mateacuteriaux opaques sur la propagation des flux lumineux se limite agrave ces surfaces
32
Chapitre I
La prise en consideacuteration des parois vitreacutees du sol et des masques exteacuterieurs peut varier entre les diffeacuterents logiciels Ainsi lrsquoinfluence de ces eacuteleacutements (vitrage store veacutenitien masque vertical ou horizontalhellip) peut ecirctre calculeacutee analytiquement dans un logiciel et agrave lrsquoaide drsquoun lancer de rayon ou un calcul de radiositeacute dans un autre Le premier cas ne neacutecessite qursquoune description parameacutetrique (type de vitrage couleur et orientation des lames angle drsquoobstructionhellip) et le deuxiegraveme neacutecessite une modeacutelisation preacutecise des eacuteleacutements
I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie Bien que certains logiciels offrent la possibiliteacute drsquoune automatisation de lrsquoentreacutee de la geacuteomeacutetrie 3D cellendashci est en fin de compte deacutecrite par un ensemble de polygones deacutefinis par les coordonneacutees carteacutesiennes de leurs sommets (x y z)
Pour les logiciels de simulation qui nrsquooffrent pas une interface de DAO pour lrsquoentreacutee de la geacuteomeacutetrie il est possible drsquoimporter cette derniegravere agrave partir drsquoun logiciel de DAO externe [IESNA 1999] La plupart des logiciels de simulation sont compatibles avec le format DXF creacuteeacute par Autodesk et standardiseacute par la suite pour le transfert de donneacutees geacuteomeacutetriques [Autodesk 1999]
Parmi les logiciels de DAO souvent utiliseacutes pour modeacuteliser la geacuteomeacutetrie 3D nous citons AutoCAD ArchiCAD et Microstation Cependant lorsqursquoune geacuteomeacutetrie est deacutecrite agrave lrsquoaide drsquoun logiciel externe il est important de prendre certaines preacutecautions dans le mode de dessin afin de garantir une meilleure compatibiliteacute avec la plupart des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
Les preacutecautions agrave prendre et leurs importances sont diffeacuterentes drsquoun logiciel agrave un autre mais souvent le but est drsquoeacuteviter les confusions lors du transfert qui peuvent mener agrave des erreurs de calcul Par exemple il peut srsquoagir de respecter la notion de lrsquoorientation des surfaces qui est importante dans certains logiciels ou bien de limiter la modeacutelisation des surfaces de la geacuteomeacutetrie aux parties apparentes pour eacuteviter les fausses ombres [Foley 1990]
I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade La propagation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquointeacuterieur drsquoun bacirctiment deacutebute par un transfert des flux agrave travers les parois vitreacutees Ainsi il est important de prendre ces derniegraveres en consideacuteration pour une preacutediction preacutecise de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment
La caracteacuterisation drsquoun composant drsquoune paroi vitreacutee en transmission lumineuse se fait geacuteneacuteralement agrave travers des mesures goniophotomeacutetriques Ainsi agrave partir drsquoune seacuterie de mesures de transmission en direct-direct seront deacuteduites les fonctions de transfert direct-heacutemispheacuterique et heacutemispheacuterique-heacutemispheacuterique qui caracteacuterisent un mateacuteriau donneacute [CIE 1998]
Cependant une paroi vitreacutee peut se preacutesenter sous diffeacuterentes formes agrave diffeacuterents niveaux de complexiteacute Nous listons ci-dessous les principaux cas de figures
I141 Ouverture simple Le cas le plus basique est celui drsquoune simple ouverture sans vitrage Lrsquoinfluence drsquoune telle ouverture sur la propagation de la lumiegravere naturelle se limite agrave sa dimension et son eacutepaisseur qui deacuteterminent la partie du champ de luminances externe rendue visible aux points inteacuterieurs Lrsquoaspect directionnel qualitatif et quantitatif du flux lumineux incident est conserveacute lors du passage agrave travers cette ouverture et ne subit aucune deacuteviation ni atteacutenuation (si ce nrsquoest la reacuteflexion sur les bords)
33
Chapitre I
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel se fait souvent agrave lrsquoaide drsquoun maillage de sa surface La luminance apparente des mailles est ensuite calculeacutee (agrave partir de la luminance de la zone du ciel apparente agrave travers cette maille par un point donneacute) et finalement est calculeacutee la contribution de chaque maille agrave lrsquoeacuteclairement du point eacutetudieacute
Dans un certain nombre de logiciels le calcul commence par une deacutetection du champ de vision drsquoun point de mesure agrave travers lrsquoouverture Cette deacutetection se fait geacuteneacuteralement agrave lrsquoaide drsquoun lancer de rayons qui permet de deacutefinir les limites du masque constitueacute par les murs entourant lrsquoouverture
I142 Vitrage classique Dans le cas drsquoune ouverture vitreacutee (vitrage classique) le flux incident subit lrsquoinfluence de la transmission directionnelle du vitrage Cette transmission diminue avec lrsquoaugmentation de lrsquoangle drsquoincidence du rayonnement lumineux et varie selon le type de vitrage (simple double teinteacutehellip)
Il existe plusieurs reacutefeacuterences pour deacuteterminer la variation theacuteorique de la transmission lumineuse drsquoun vitrage avec lrsquoangle drsquoincidence Mais en geacuteneacuteral la majoriteacute drsquoun flux lumineux transmis agrave travers un vitrage classique est supposeacute garder sa directionnaliteacute (angle de transmission = angle drsquoincidence) et ne subit qursquoune simple atteacutenuation selon lrsquoangle drsquoincidence [Hopkinson 1966] [Hopkinson 1966 Tregenza 1993]
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture vitreacutee dans une simulation drsquoeacuteclairage naturel suit le mecircme principe que pour une ouverture non vitreacutee mais en plus une atteacutenuation de la contribution drsquoune maille agrave lrsquoeacuteclairement drsquoun point est calculeacutee selon lrsquoangle drsquoincidence entre cette maille et ce point de mesure Cependant certains logiciels ne prennent pas en consideacuteration la transmission directionnelle drsquoun vitrage et se contentent drsquoaffecter un facteur de transmission uniforme
I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel Il existe sur le marcheacute de la construction de plus en plus de vitrages agrave proprieacuteteacutes bi-directionnelles dont le but est souvent de favoriser le cheminement drsquoun flux lumineux incident dans une direction donneacutee (Laser Cut Panel Serraglaze etc) Par exemple dans le cas drsquoune ouverture verticale lrsquoobjectif est souvent de favoriser lrsquoorientation du flux transmis vers le plafond afin de permettre une entreacutee plus profonde de la lumiegravere et afin drsquoeacuteviter ou au moins drsquoatteacutenuer les taches solaires Dans le cas drsquoune ouverture zeacutenithale lrsquoobjectif est de favoriser lrsquoentreacutee verticale de la lumiegravere provenant de toutes les directions de lrsquoheacutemisphegravere exteacuterieur
Le flux lumineux incident sur ce type de mateacuteriaux est transmis avec changement drsquoorientation partielle ou totale dans le mecircme plan drsquoincidence ou bien dans tout lrsquoheacutemisphegravere de sortie
La prise en consideacuteration drsquoun mateacuteriau agrave transmission bidirectionnelle dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel est drsquoune complexiteacute importante Elle neacutecessite lrsquoutilisation des fonctions de transfert bidirectionnelles dite BTDF qui sont assez lourdes en calcul Les logiciels permettant ce type de simulations sont encore assez rares et limiteacutes au domaine de la recherche scientifique [Fontoynont 1999] [Greenup 2000] [Andersen 2003]
34
Chapitre I
I144 Eleacutements de protection solaire Le rocircle des eacuteleacutements de protection solaire est de bloquer drsquoatteacutenuer ou de reacuteorienter la lumiegravere directe du soleil Parmi les types les plus utiliseacutes nous citons en particulier les stores veacutenitiens (agrave effet de reacuteorientation) les brises soleil (agrave effet de masque) et les stores en toile (agrave effet de diffusion)
La prise en consideacuteration des eacuteleacutements de protection solaires dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel deacutepend de leur type Par exemple les protections solaires agrave effet de masque neacutecessitent un simple calcul de lancer de rayons alors que la simulation des eacuteleacutements agrave effet de reacuteorientation suit le mecircme principe que pour les vitrages bidirectionnels [Klems 1995] [Shareef 2001]
I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux Pour caracteacuteriser le comportement des parois vitreacutees afin de mieux les prendre en consideacuteration dans le calcul ou la simulation de lrsquoeacuteclairage on a recours aux mesures goniophotomeacutetriques
Ces mesures peuvent srsquoaveacuterer drsquoune grande complexiteacute en particulier dans le cas des mateacuteriaux bidirectionnels puisqursquoils neacutecessitent des mesures heacutemispheacuteriques en entreacutee et en sortie
De nos jours plusieurs deacuteveloppements sont en cours afin de simplifier les proceacutedures de mesure ou de conduire ces mesures numeacuteriquement agrave lrsquoaide drsquoalgorithmes physiques [Mitanchey 1995] [Andersen 2003] [Andersen 2003] [De Boer 2003]
Drsquoautres efforts sont eacutegalement investis dans le but de simplifier la preacutesentation des donneacutees goniophotomeacutetriques [Roy 1995] [Mitanchey 1996] [IEA-SHC 1999]
I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux Si lrsquoeacuteclairage direct reccedilu des sources de lumiegravere (naturelles ou artificielles) est un eacuteleacutement de base dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere lrsquoeacuteclairage dit indirect nrsquoest pas de moindre importance
En effet lrsquoeacuteclairage indirect ducirc aux inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les diffeacuterentes surfaces drsquoune scegravene peut repreacutesenter une proportion importante de lrsquoeacuteclairement total par rapport agrave lrsquoeacuteclairement direct Crsquoest le cas notamment des luminaires indirects ou des systegravemes de reacute-acheminement de la lumiegravere directe du soleil
Les inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie deacutependent de la photomeacutetrie de ces surfaces (ou des mateacuteriaux qui les constituent) Cette photomeacutetrie est caracteacuteriseacutee en particulier par trois paramegravetres
- Le facteur de reacuteflexion global - La directionnaliteacute de la lumiegravere reacutefleacutechie - Lrsquoinfluence spectrale sur la lumiegravere reacutefleacutechie
Le premier repreacutesente le rapport entre le flux total reacutefleacutechi sur une surface et le flux initial incident Pour faciliter la mesure de ce paramegravetre un nombre de mateacuteriaux standards a eacuteteacute deacutefini comme reacutefeacuterence [CIE 1979] [CIE 1979] [CIE 1998]
Le deuxiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la ou les directions de reacuteflexion drsquoun flux incident avec une direction donneacutee Cette directionnaliteacute deacutepend de la geacuteomeacutetrie microscopique de la surface (apparente) drsquoun mateacuteriau opaque On distingue en particulier deux types de reacuteflexion theacuteoriques Les reacuteflexions parfaitement speacuteculaires et les reacuteflexions
35
Chapitre I
parfaitement diffuses Bien que ces cas extrecircmes nrsquoexistent pas dans la reacutealiteacute les lois theacuteoriques relatives sont bien deacutefinies (La loi de Descartes pour le premier et loi de Lambert et les formules de facteur de forme pour le deuxiegraveme) Au-delagrave de ces deux cas theacuteoriques simplifieacutes un nombre de travaux a eacuteteacute meneacute pour deacutecrire des modegraveles analytiques plus complets qui srsquoapprochent mieux de la reacutealiteacute mais qui repreacutesentent un degreacute de complexiteacute plus eacuteleveacute [Trowbridge 1975] [Kajiya 1985] [Uetani 1992] [Balocco 2001] [Deniel 2002]
Dans la majoriteacute des logiciels existants la reacuteflexion de la lumiegravere sur une surface est simuleacutee par une combinaison de reacuteflexions diffuses et speacuteculaires Ainsi une partie du flux est reacutefleacutechie en obeacuteissant agrave la loi de Descartes et une autre partie est diffuseacutee uniformeacutement dans lrsquoespace Les algorithmes utiliseacutes sont eacutegalement en geacuteneacuteral une combinaison de radiositeacute et de lancer de rayons Certains logiciels nrsquoutilisant que les algorithmes de radiositeacute se contentent de supposer les surfaces comme 100 diffuses
Drsquoautres logiciels qui restent assez rares prennent en consideacuteration les fonctions de reacuteflexions bidirectionnelles (BRDF) theacuteoriques ou mesureacutees Cependant il faut noter que de nos jours la preacutecision des mesures de ces fonctions neacutecessite encore des moyens financiers et logistiques trop importants
Le troisiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la qualiteacute spectrale de la lumiegravere reacutefleacutechie par rapport agrave celle de la lumiegravere incidente Elle deacutepend en particulier de lrsquoabsorption spectrale seacutelective du mateacuteriau En effet le facteur drsquoabsorption drsquoun mateacuteriau peut ecirctre plus ou moins eacuteleveacute selon la longueur drsquoonde avec laquelle arrive une partie du flux incident Ainsi le spectre de la lumiegravere reacutefleacutechie peut ecirctre complegravetement diffeacuterent de celui de la lumiegravere incidente Les mateacuteriaux qui ont le mecircme facteur de reacuteflexion pour toutes les longueurs drsquoonde sont dits spectralement neutres [CIE 1986] [Smith 1992] [CIE 1996]
Plusieurs approches sont proposeacutees pour traiter lrsquoaspect spectral ou colorimeacutetrique de la propagation de la lumiegravere Les approches les plus utiliseacutees dans les logiciels de simulation de la lumiegravere sont baseacutees sur une caracteacuterisation agrave trois composantes de la couleur (de la source lumineuse ou des surfaces) Nous citons les systegravemes XYZ (de la CIE) RGB CMY et HSV Cependant si ce type de caracteacuterisation est convenable pour la repreacutesentation des couleurs il srsquoavegravere insuffisant pour simuler la variation du spectre du flux lumineux agrave travers les inter-reacuteflexions sur les surfaces inteacuterieures drsquoun espace [Mitanchey 1996] Pour plus de preacutecision il est alors recommandeacute drsquoutiliser les approches baseacutees sur une discreacutetisation plus ou moins fine du spectre Mais lrsquoimpleacutementation de telles approches dans les logiciels existants est loin drsquoecirctre courante [Smith 1992] [Mitanchey 1996]
I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage Il existe sur le marcheacute international un nombre important de logiciels deacutedieacutes agrave la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Dans une enquecircte meneacutee par le groupe 3D lumiegravere en 2000 aupregraves de 74 professionnels [3D-lumiegravere 2000] environ quarante logiciels ont eacuteteacute citeacutes par les enquecircteacutes comme outils de travail en eacuteclairage Dans une deuxiegraveme eacutetude plus speacutecialiseacutee dans le calcul drsquoeacuteclairage naturel et meneacutee par lrsquoagence international drsquoeacutenergie IEA SHC Task 21-C2 [Fontoynont 1999] vingt cinq logiciels ont eacuteteacute citeacutes Vingt deux de ces logiciels ne sont pas connus par les utilisateurs franccedilais enquecircteacutes par 3D lumiegravere Finalement nous citons lrsquoenquecircte de lrsquoIENSA [IESNA 1999] preacutesentant un nombre de logiciels existants au niveau international
Les logiciels existants diffegraverent entre eux par les algorithmes qursquoils utilisent par leurs approches DAO par la prise en consideacuteration des diffeacuterents types de sources lumineuses par
36
Chapitre I
leur capaciteacute agrave simuler les pheacutenomegravenes de propagation de lumiegravere plus ou moins complexes par leur interface utilisateur et finalement par leurs vocations et leurs domaines drsquoapplication
I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage Le rocircle des algorithmes dans une simulation drsquoeacuteclairage est de geacuterer le calcul de la propagation de la lumiegravere entre les sources et les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie puis les inter-reacuteflexions entre ces surfaces
Les algorithmes utiliseacutes dans les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage sont des algorithmes dits drsquoeacuteclairement global (global illumination) puisqursquoils font un calcul tridimensionnel de la propagation de la lumiegravere Ils peuvent ecirctre classeacutes sous deux grandes familles la radiositeacute et le lancer de rayons Ces deux familles tendent agrave avoir des avantages et des inconveacutenients compleacutementaires ce qui fait que certains logiciels utilisent une logique hybride combinant les deux familles [IEA-SHC 1999] [Mitanchey 1996]
1211 Radiositeacute Les algorithmes de radiositeacute utiliseacutes pour le calcul de lrsquoeacuteclairage datent du deacutebut des anneacutees 80 Ils ont eacuteteacute adapteacutes agrave partir des algorithmes de radiositeacute utiliseacutes depuis les anneacutees 60 pour le calcul des eacutechanges radiatifs thermiques sur la base de lrsquoeacutequilibre eacutenergeacutetique
Les algorithmes de radiositeacute procegravedent en geacuteneacuteral agrave une discreacutetisation de lrsquoenvironnement simuleacute agrave travers un maillage (subdivision en petites mailles) des surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie eacuteclaireacutee par une source donneacutee (voir figure I3) Tout drsquoabord un calcul de la lumiegravere directe reccedilue par chaque maille est effectueacute Ensuite chaque maille est traiteacutee comme une source lumineuse eacutemettant une partie du flux lumineux qursquoelle a reccedilu (selon son facteur de reacuteflexion) vers les autres mailles de la geacuteomeacutetrie Cette lumiegravere indirecte subit plusieurs inter-reacuteflexions jusqursquoagrave ce que la quasi-totaliteacute du flux initial soit absorbeacutee
Suite agrave ce calcul on est capable de savoir la quantiteacute de flux lumineux direct et indirect reccedilue et eacutemise par une maille donneacutee et donc lrsquoeacuteclairement et la luminance de cette maille [Scartezzini 1993] [Ashdown 2001]
Figure I3 Exemple drsquoun calcul de Radiositeacute agrave lrsquointeacuterieur drsquoune geacuteomeacutetrie
Bien que le principe geacuteneacuteral de la radiositeacute deacutecrit ci-dessus soit le mecircme pour tous les algorithmes de radiositeacute existants ceux-ci diffegraverent dans la meacutethode adopteacutee pour le maillage de la geacuteomeacutetrie et pour le suivi du flux
La radiositeacute peut ecirctre en principe appliqueacutee agrave tout type de reacuteflexion cependant les algorithmes existants sont encore limiteacutes aux reacuteflexions 100 diffuses Ce qui entraicircne des erreurs plus ou moins importantes selon le comportement reacuteel du mateacuteriau simuleacute La
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radiositeacute preacutesente aussi quelques autres inconveacutenients dont particuliegraverement un temps de calcul assez long une lourde consommation en meacutemoire et une faible performance en qualiteacute graphique
Cependant le calcul de radiositeacute a lrsquoavantage drsquoecirctre indeacutependant de la position de lrsquoobservateur Ainsi un seul calcul est suffisant pour connaicirctre lrsquoeacuteclairement de tous les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie et pour la visualiser agrave partir drsquoune infiniteacute de points de vue
Une nouvelle geacuteneacuteration drsquoalgorithmes de radiositeacute est apparue en 1988 elle permet drsquoobtenir un reacutesultat graphique immeacutediat qui srsquoameacuteliore progressivement en preacutecision et en qualiteacute visuelle drsquoougrave son nom progressive refinement radiosity [Cohen 1988] [Autodesk 1999]
Une autre eacutevolution des algorithmes de radiositeacute fut le concept de maillage adaptatif ougrave le logiciel commence agrave calculer agrave partir drsquoun maillage de faible preacutecision Ensuite il procegravede agrave des subdivisions suppleacutementaires lagrave ougrave il y a une grande diffeacuterence drsquoeacuteclairement entre les mailles Cette meacutethode conduit agrave une eacuteconomie dans le temps de calcul et dans lrsquoutilisation de meacutemoire
1212 Lancer de rayons La deuxiegraveme famille drsquoalgorithmes est la plus ancienne elle a connu plus de deacuteveloppements et preacutesente une plus grande varieacuteteacute de meacutethodes
Ces meacutethodes ont lrsquoavantage de calculer avec preacutecision lrsquoeacuteclairement direct de calculer les effets speacuteculaires des mateacuteriaux de mieux deacutefinir les ombres et de consideacuterer les reacutefractions agrave travers les surfaces transparentes Crsquoest donc les algorithmes qui donnent les meilleurs reacutesultats graphiques drsquoougrave ce qursquoon appelle le photo-reacutealisme des images de synthegravese
Il existe plusieurs cateacutegories drsquoalgorithmes baseacutees sur le lancer de rayon nous citons les suivantes
Figure I4 Exemple drsquoun calcul de Lancer de rayons (inverse)
1 Traceacute de rayons ou Lancer de rayons depuis lrsquoobservateur dite aussi Lancer inverse de rayons (backward ray tracing) les rayons sont geacuteneacutereacutes depuis lrsquoœil de lrsquoobservateur et cheminent agrave travers des reacuteflexions multiples sur les parois jusqursquoaux sources de lumiegravere (voir figure I4) Ainsi seuls les rayons utiles pour la construction de lrsquoimage seront geacuteneacutereacutes et suivis agrave travers les diffeacuterentes inter-reacuteflexions mais la solution est valide pour un seul point de vue [Whitted 1980]
2 Suivi de rayons ou Lancer direct de rayons (forward ray tracing) cette meacutethode geacutenegravere les rayons lumineux depuis la source vers les surfaces reacuteceptrices quand un rayon atteint une surface il est dirigeacute selon la photomeacutetrie rencontreacutee jusqursquoagrave lrsquoeacutepuisement de son eacutenergie [Fontoynont 1991]
3 Technique statistique de monte-carlo backward ou forward La meacutethode de Monte-Carlo associeacutee agrave des meacutethodes de lancer de rayons a recours agrave une technique statistique
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pour la distribution des rayons reacutefleacutechis Elle neacutecessite un temps de calcul eacuteleveacute [IEA-SHC 1999]
I22 Exemples types des logiciels existants Les logiciels existants sur le marcheacute international et utiliseacutes comme outils de conception en eacuteclairage peuvent ecirctre classeacutes en diffeacuterentes familles [De Boer 1999] [IESNA 1999]
1 Les logiciels baseacutes sur les formules de base de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel Ces logiciels sont souvent distribueacutes par les constructeurs de luminaires et munis de leur bibliothegraveque de luminaires
2 Des logiciels baseacutes sur des formules de base de calcul en eacuteclairage naturel ou sur des donneacutees empiriques (ou preacute-simuleacutees) Ces logiciels sont souvent deacutedieacutes agrave lrsquoutilisation dans les phases preacuteliminaires de la conception drsquoun projet (ex Dial Sodalight etc)
3 Les logiciels capables de calculer lrsquoeacuteclairage direct uniquement Ils sont tregraves souvent inteacutegreacutes dans des logiciels de DAO Leur objectif est limiteacute agrave lrsquoameacutelioration du rendu graphique drsquoun projet ou au mieux agrave une eacutetude de taches solaires (ex Archicad) Cependant ce type de logiciels devient de plus en plus rare En effet vu leurs potentiels un certain nombre de ces logiciels a eacuteteacute mis agrave niveau par les deacuteveloppeurs et a passeacute ainsi agrave la famille suivante (ex Microstation et 3D Studio)
4 Les logiciels dits drsquoeacuteclairement global Ils utilisent souvent des algorithmes de calcul physique (en particulier de radiositeacute et lancer de rayons) Nous distinguons cependant dans cette cateacutegorie les logiciels deacuteveloppeacutes dans un cadre scientifique (ex Radiance Geacuteneacutelux CSTB) de ceux deacuteveloppeacutes et diffuseacutes dans un cadre commercial (Lightscape Dialuxhellip) En geacuteneacuteral les logiciels commerciaux possegravedent des interfaces plus conviviales mais les logiciels scientifiques offrent des fonctionnaliteacutes plus complegravetes Par exemple certains logiciels scientifiques sont capables de prendre en consideacuteration lrsquoaspect spectral de la propagation de la lumiegravere etou de traiter les fonctions bidirectionnelles Finalement nous notons que les logiciels commerciaux manquent le plus de transparence sur leur fiabiliteacute dans les diffeacuterents domaines drsquoapplication (manque de travaux de validation)
Dans notre travail de thegravese nous nous inteacuteressons en particulier agrave la derniegravere famille Ne pouvant pas enquecircter sur tous les logiciels existants nous nous contentons de citer (par ordre alphabeacutetique) quelques logiciels sur lesquels il y a eu des publications scientifiques et des travaux de validation [Fontoynont 1999]
1221 Adeline Deacuteveloppeacute dans le cadre de lrsquoIEA Adeline a eacuteteacute fondeacute sur les logiciels Superlite et Radiance par le biais drsquoun modeleur graphique et drsquooutils de DAO Ainsi il permet de deacutefinir la geacuteomeacutetrie avec son propre systegraveme de DAO par lrsquoentreacutee manuelle des coordonneacutes carteacutesiennes ou agrave partir drsquoun fichier DXF
Le logiciel est muni drsquoune bibliothegraveque de base de donneacutees de mateacuteriaux de luminaires et de mobilier Il produit des reacutesultats numeacuteriques ou bien graphiques Au-delagrave des eacuteclairements et des luminances Adeline permet de calculer lrsquoeacutenergie consommeacutee par lrsquoeacuteclairage artificiel en fonction des apports de lumiegravere du jour [Erhorn 1998] [Scartezzini 1993]
1222 Genelux Le logiciel Genelux deacuteveloppeacute au laboratoire des sciences de lrsquohabitat utilise un algorithme de lancer direct et suivi de rayons lumineux (Forward Ray tracking) La distribution des rayons reacutefleacutechis est effectueacutee en ayant recours agrave une technique statistique de Monte Carlo
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Chapitre I
Dans le cas ougrave les surfaces seraient parfaitement diffusantes il est possible de faire appel agrave un algorithme baseacute sur la meacutethode de radiositeacute afin de reacuteduire les temps de simulation Genelux peut modeacuteliser les surfaces speacuteculaires diffuses ou mixtes en transmission etou reacuteflexion Il peut eacutegalement prendre en consideacuteration des quantiteacutes spectrales en deacutecomposant les rayons incidents par bandes spectrales [Mitanchey 1996] [Maamari 2003]
1223 Inspirer Destineacute surtout au domaine de lrsquoarchitecture avec comme fonctionnaliteacutes les calculs de lrsquoeacuteclairage les analyses de visibiliteacute et la visualisation des projets Pour le calcul de lrsquoeacuteclairage il utilise des approches hybrides surtout la meacutethode bi-directionnelle de Monte Carlo au Lancer de Rayons Ce qui diffeacuterencie le plus ce logiciel est lrsquoutilisation des formules de BRDF qui permet de respecter les variations de reacuteflexion et de transmission (diffuse et speacuteculaire) ainsi que des couleurs selon lrsquoangle drsquoincidence et de vision [Maamari 2003]
1224 DIAL Leso-Dial Le but du logiciel est de donner aux architectes des informations utiles concernant lrsquoutilisation de la lumiegravere de jour dans un bacirctiment degraves la phase de lrsquoavant projet Il calcule le facteur de lumiegravere du jour sur le plan utile gracircce agrave une utilisation hybride de formule analytique et empirique [Paule 1995]
1225 Lightscape 32 Crsquoest un logiciel qui est destineacute agrave des utilisations graphiques mais il offre eacutegalement des fonctionnaliteacutes inteacuteressantes pour la simulation physique de la lumiegravere Il utilise un algorithme de radiositeacute pour le calcul quantitatif et un algorithme de lancier de rayons pour lrsquoameacutelioration qualitative et visuelle des images de synthegraveses Ce logiciel est deacutecrit en deacutetail dans la partie IV11 de ce document [Khodulev 1996] [Maamari 2002]
1226 Radiance Le logiciel Radiance utilise un algorithme de lancer inverse de rayons Le lancer des rayons peut ecirctre stoppeacute si leur eacutenergie est jugeacutee insuffisante Les rayons reacutefleacutechis peuvent ecirctre geacuteneacutereacutes selon une fonction de distribution permettant la simulation de reacuteflexions speacuteculaires semi-speacuteculaires ou diffuses Ce lancer de rayons est compleacuteteacute drsquoun calcul statistique de reacuteflexion diffuse pour distribuer le flux reacutesiduel [Ward 1994] [Grynberg 1988]
1227 Superlite Le logiciel Superlite utilise une meacutethode point agrave point de radiositeacute Toutes les surfaces sont supposeacutees ecirctre parfaitement diffusantes Crsquoest la meacutethode la plus rapide mais elle est toutefois limiteacutee aux surfaces diffuses [Grynberg 1988]
I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels Lrsquoutilisation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage se geacuteneacuteralise de plus en plus dans le domaine de conception en eacuteclairage et au-delagrave Ainsi de nos jours ces logiciels sont utiliseacutes aussi bien par des bureaux drsquoeacutetude du bacirctiment et des architectes que par des deacuteveloppeurs de jeu videacuteo Les applications peuvent ecirctre entre autres [IESNA 1999] [3D-lumiegravere 2000] [Maamari 2002]
1 La conception en eacuteclairage artificiel Que ce soit pour lrsquoeacuteclairage inteacuterieur des bacirctiments lrsquoeacuteclairage des faccedilades des monuments des voiries des trottoirs ou lrsquoeacuteclairage des
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Chapitre I
tunnels etc Elle comprend entre autre le dimensionnement des systegravemes lrsquoanalyse du confort visuel et de la consommation etc
2 La conception en eacuteclairage naturel dimensionnement des ouvertures et des protections solaires orientation des projets analyse de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour et eacutetudes des FLJhellip
3 Le rendu et la preacutesentation des projets par les architectes et par les deacutecorateurs drsquointeacuterieur 4 La creacuteation de scegravenes de reacutealiteacute virtuelle pour le monde du cineacutema de la publiciteacute ou des
jeux videacuteohellip 5 La conception mecircme des optiques de luminaires ou de phares de voitures
Le domaine drsquoutilisation drsquoun logiciel donneacute deacutepend des fonctionnaliteacutes proposeacutees par ce logiciel de ses capaciteacutes agrave simuler avec un certain degreacute de fiabiliteacute et de faciliteacute les diffeacuterents domaines de la propagation de la lumiegravere en relation avec les besoins de lrsquoutilisateur
Bien que les algorithmes de calcul utiliseacutes dans les logiciels se ressemblent ces derniers ne sont pas tous adapteacutes pour les mecircme types drsquoapplications et ne reacutepondent pas aux mecircmes besoins
Ainsi certains utilisateurs cherchent en prioriteacute la faciliteacute drsquoutilisation des fonctionnaliteacutes en relation avec leur propre activiteacute en deacutepit des autres fonctionnaliteacutes et mecircme parfois en deacutepit de la validiteacute des reacutesultats Drsquoailleurs crsquoest agrave cause de ce contexte que des deacuteveloppeurs de logiciels commerciaux ont tendance agrave proposer des interfaces et des fonctionnaliteacutes optimiseacutees et orienteacutees vers un domaine drsquoapplication donneacute Ainsi nous commenccedilons agrave trouver par exemple des logiciels deacutedieacutes agrave la conception de lrsquoeacuteclairage public etou des tunnels (ex Tunnel-Lite) drsquoautres agrave la conception des protections solaires (ex ParaSol) etc
Cependant il est encore difficile de nos jours agrave un concepteur de bacirctiment de savoir quel est le ou les logiciels existants qui reacutepondent le mieux agrave ses propres besoins Crsquoest ce qui ressort dans les diffeacuterentes enquecirctes meneacutees sur lrsquoutilisation des logiciels en particulier celle meneacutee par le club 3D-Lumiegravere [3D-lumiegravere 2000] et celle que nous avons meneacutee au Light and Building 2002 [Maamari 2002] (voir annexe D) Nous notons par exemple dans ces deux enquecirctes lrsquoutilisation par des concepteurs lumiegravere de logiciels graphiques (Photoshop) en tant qursquooutils de conception
I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I31 Introduction Comme son nom lrsquoindique un logiciel de simulation de lrsquoeacuteclairage est supposeacute simuler la reacutealiteacute Mais la fideacuteliteacute de la simulation agrave la reacutealiteacute est loin drsquoecirctre veacuterifieacutee pour tous les logiciels existants sur le marcheacute international
Drsquoailleurs le niveau de preacutecision et de similitude (entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage et la reacutealiteacute) exigeacute ou souhaiteacute par les diffeacuterents utilisateurs nrsquoest pas neacutecessairement le mecircme et peut varier largement selon la speacutecificiteacute de leurs domaines drsquoactiviteacute [Maamari 2002]
Ainsi pour des utilisateurs qui srsquointeacuteressent uniquement au rendu graphique une image de synthegravese reacutealiste sans ecirctre neacutecessairement proche de la reacutealiteacute peut ecirctre suffisante Pour eux la question de la validation scientifique du logiciel utiliseacute ne se pose pas trop
Alors que pour des utilisateurs qui comptent extraire drsquoune simulation des cartes de luminances pour analyser le confort visuel de lrsquooccupant la validiteacute du logiciel devient drsquoune
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Chapitre I
importance de premier ordre Ceci est eacutegalement vrai pour les concepteurs en eacuteclairage qui ont besoin de veacuterifier que le niveau drsquoeacuteclairement est suffisant sur le plan de travail
Mais quel que soit le niveau de preacutecision souhaiteacute il est important pour un futur utilisateur de savoir la preacutecision qursquoil peut attendre de la part du logiciel qursquoil souhaite utiliser pour un type donneacute de tacircches Cette information est mecircme indispensable pour aboutir agrave une utilisation responsable des logiciels de simulation mais cela ne peut ecirctre possible qursquoagrave travers une validation rigoureuse et transparente de ce logiciel
Une validation rigoureuse et transparente des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage est une tacircche immense et drsquoune complexiteacute non neacutegligeable Ce qui est vrai pour tous les logiciels baseacutes sur des lois physiques comme par exemple les logiciels de simulation thermique
Cette complexiteacute est drsquoautant plus vraie quand on srsquointeacuteresse agrave lrsquoorientation du choix des utilisateurs vers un logiciel qui reacutepond le mieux agrave leurs propres besoins Dans ce contexte on souhaite veacuterifier la capaciteacute du logiciel agrave simuler avec preacutecision les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere lieacutes au domaine drsquoutilisation mais aussi on veut comparer cette capaciteacute agrave drsquoautres logiciels existants
La multitude des aspects qui entrent en jeu dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere combineacutee agrave la diversiteacute des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage contribuent agrave cette complexiteacute
Ainsi un logiciel capable de simuler des luminaires agrave optique diffusante nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler un luminaire avec une optique asymeacutetrique De mecircme un logiciel capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour agrave travers un vitrage ordinaire nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave travers un vitrage ou un systegraveme de protection solaire agrave aspect bidirectionnel etc
Nous preacutesentons ci-dessous une eacutetude bibliographique sur lrsquoeacutetat de lrsquoart du domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I32 Diffeacuterents types de validation En ce qui concerne les types de travaux de validation reacutealiseacutes nous avons pu identifier les suivants
I321 La validation analytique La validation analytique comme son nom lrsquoindique porte sur des cas theacuteoriques pour lesquels il existe des lois analytiques Ces lois sont issues des notions de base de la science physique lieacutees au rayonnement eacutelectromagneacutetique
Les travaux de validation baseacutes sur des reacutefeacuterences analytiques sont assez rares parmi les travaux reacutealiseacutes que nous avons pu trouver lors de notre recherche bibliographique
Cependant la validation analytique preacutesente des avantages consideacuterables comme la possibiliteacute de limiter les paramegravetres lieacutes agrave la propagation de la lumiegravere qui entrent en jeu dans un sceacutenario test Nous notons aussi lrsquoavantage de donner des solutions de reacutefeacuterences avec des incertitudes nulles ou neacutegligeables
En contrepartie la validation analytique ne peut couvrir que des domaines limiteacutes de la propagation de la lumiegravere Ce sont en geacuteneacuteral des cas de figures simples pour lesquels existe une loi theacuteorique [Aizlewood 1997]
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Chapitre I
I322 La validation expeacuterimentale Dans ce type de validation les reacutesultats des logiciels sont compareacutes agrave des mesures expeacuterimentales Ces mesures peuvent ecirctre reacutealiseacutees dans
a des maquettes drsquoeacutetude agrave eacutechelle reacuteduite [Caroll 1999] b des cellules tests agrave eacutechelle 11 c ou des piegraveces reacuteelles [Galasiu 1998] [Jarvis 1997]
Quel que soit le type des mesures reacutealiseacute la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales agrave utiliser pour des travaux de validation est confronteacutee agrave des obstacles consideacuterables
Le premier est lieacute aux sources drsquoerreur introduites lors de la description du sceacutenario expeacuterimental afin de le reproduire dans une simulation numeacuterique
Lrsquoimportance de cet obstacle est aggraveacutee par la multitude des paramegravetres qui entrent en jeu dans un sceacutenario expeacuterimental et par lrsquointeraction entre les sources drsquoerreurs lieacutees agrave chacun de ces paramegravetres
A titre drsquoexemple les sources drsquoerreur peuvent survenir lors de la description de la source de lumiegravere (artificielle ou reacuteelle) lors de la description de la photomeacutetrie des mateacuteriaux (reacuteflexion bidirectionnelle caracteacuteristiques spectraleshellip) etc
Un autre obstacle est ducirc agrave lrsquoincertitude qui existe dans la valeur mesureacutee et cela quelle que soit la preacutecision du protocole expeacuterimental appliqueacute Cette incertitude est lieacutee en partie agrave la preacutecision de lrsquoappareil de mesure et agrave son positionnement
Ducirc agrave tous ces obstacles la comparaison entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique et les mesures expeacuterimentales permet difficilement de conclure sur la preacutecision du logiciel testeacute
Il est aussi important de noter qursquoun des plus grands obstacles agrave la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales fiables reste celui des moyens techniques financiers et humains neacutecessaires aux expeacuterimentations
I323 La validation comparative Elle porte sur une comparaison des reacutesultats de simulation de plusieurs logiciels entre eux Cela peut ecirctre fait avec lrsquoexistence ou non drsquoune reacutefeacuterence expeacuterimentale ou analytique
Lrsquoavantage des comparaisons est de donner la possibiliteacute aux utilisateurs de mieux choisir entre plusieurs logiciels selon leur performance dans un domaine donneacute de la simulation
Cependant lrsquoutilisation des reacutesultats drsquoune comparaison afin de juger des logiciels les uns par rapport aux autres neacutecessite un maximum de transparence en particulier sur la complexiteacute des proceacutedures et sur le temps de calcul neacutecessaire pour obtenir ces reacutesultats [Grynberg 1988] [Fontoynont 1999] [Maamari 2003]
I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes Les travaux de validation reacutealiseacutes sur des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage ne manquent pas en nombre cependant crsquoest la creacutedibiliteacute de ces travaux qui nrsquoest pas toujours veacuterifieacutee
En ce qui concerne les rares travaux de validation existants qui beacuteneacuteficient drsquoune creacutedibiliteacute scientifique ou celle drsquoun organisme agreacuteeacute nous citons les suivants
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Chapitre I
I331 Le travail de Khodulev et Kopylov Ce travail reacutealiseacute et publieacute par Andrei B Khodulev et Edward A Kopylov en 1996 [Khodulev 1996] est lrsquoun des rares travaux de validation qui ont utiliseacute une reacutefeacuterence analytique
Le travail porte sur une validation comparative entre les logiciels Lightscape Specter et Radiance Une description des trois logiciels est donneacutee portant sur plusieurs critegraveres y compris lrsquointerface utilisateur
Un des sceacutenarios utiliseacutes pour la comparaison est celui drsquoune piegravece cubique fermeacutee avec une source lumineuse isotrope au centre La comparaison porte sur lrsquoeacuteclairement au niveau des points de mesure situeacutes sur le sol La valeur de reacutefeacuterence de cet eacuteclairement est calculeacutee semi-analytiquement pour prendre en consideacuteration la composante reacutefleacutechie interne
I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE Ce rapport repreacutesente un exemple ideacuteal sur la creacuteation des donneacutees expeacuterimentales fiables pour la validation des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage [Slater 2002]
Le travail deacutecrit dans ce rapport porte sur un protocole expeacuterimental qui a eacuteteacute deacutefini et conduit drsquoune maniegravere remarquablement rigoureuse dans une cellule test agrave eacutechelle 11 Le but est de creacuteer une base de donneacutees expeacuterimentales pour la validation des logiciels de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel
Le rapport comprend une description preacutecise du sceacutenario expeacuterimental y compris les dimensions de la geacuteomeacutetrie (une piegravece carreacutee) la position des lampes ou des luminaires la position des points de mesure ainsi que le coefficient de reacuteflexion des surfaces La description du sceacutenario comprend aussi les fichiers photomeacutetriques des luminaires au format CIBSE TM 14 sachant que la photomeacutetrie reacuteelle de chaque luminaire a eacuteteacute mesureacutee seacutepareacutement dans un laboratoire agreacuteeacute
Le protocole expeacuterimental comprend un controcircle du flux lumineux agrave travers lrsquoobservation et le controcircle des fluctuations du courant eacutelectrique et de la tempeacuterature de la piegravece Les lampes et les ballasts ont eacuteteacute vieillis Les lampes ont eacuteteacute preacutechauffeacutees une heure avant les mesures
Les capteurs ont eacuteteacute calibreacutes et fixeacutes sur un trolley afin de garantir la reacutepeacutetitiviteacute de leur position Six diffeacuterentes mesures ont eacuteteacute prises pour chaque point agrave lrsquoaide de deux capteurs diffeacuterents la moyenne de ces mesures a eacuteteacute utiliseacutee comme reacutefeacuterence
Une estimation des erreurs de mesures a eacuteteacute calculeacutee ainsi que des erreurs de simulation dues agrave lrsquoincertitude dans la description du sceacutenario Les reacutesultats ont alors eacuteteacute preacutesenteacutes sous forme de deux bandes de valeurs la premiegravere bande est celle des mesures prises + ou ndash lrsquoestimation des erreurs de mesure et lrsquoautre est celle des mesures + ou ndash le total des erreurs estimeacutees y compris les erreurs de simulation
I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA Ce travail a eacuteteacute meneacute dans le cadre de la tache 21 de lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie intituleacutee lumiegravere naturelle dans les bacirctiments En effet un projet a eacuteteacute deacutedieacute au thegraveme de la validation des logiciels de calcul en eacuteclairage et a fait lrsquoobjet drsquoune collaboration entre les laboratoires de six nations diffeacuterentes parmi lesquels le Laboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Fontoynont 1999] [Maamari 2002]
Dans le cadre de ce projet des donneacutees expeacuterimentales ont eacuteteacute reacutecolteacutees agrave travers des mesures drsquoeacuteclairement agrave lrsquointeacuterieur drsquoune seacuterie de maquettes agrave eacutechelle reacuteduite placeacutees sous des ciels
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Chapitre I
artificiels Trois bacirctiments types ont eacuteteacute testeacutes sous plusieurs configurations en changeant les types drsquoouverture etou les coefficients de reacuteflexion des surfaces
Les sceacutenarios expeacuterimentaux ont eacuteteacute simuleacutes agrave lrsquoaide des logiciels drsquoeacuteclairage naturel Adeline Genelux Leso-DIAL Radiance et Superlite Les reacutesultats des simulations ont eacuteteacute compareacutes entre les diffeacuterents logiciels et confronteacutes aux mesures expeacuterimentales
Cette comparaison a montreacute que le calcul des eacuteclairements agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment dus agrave lrsquoeacuteclairage naturel demande une description minutieuse des luminances des portions de la voucircte ceacuteleste vues par la fenecirctre Les eacuteclairements directs agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment sont alors calculeacutes avec une preacutecision de lrsquoordre de 5 La preacutecision des calculs des reacuteflexions multiples agrave lrsquointeacuterieur de la piegravece deacutepend quant agrave elle des proprieacuteteacutes des surfaces inteacuterieures et en particulier de la lrsquoaspect bidirectionnel de ces surfaces
Cette eacutetude a montreacute finalement que les programmes doivent ecirctre utiliseacutes avec beaucoup de preacutecautions car les reacutesultats de simulation sont tregraves sensibles agrave la qualiteacute des hypothegraveses et des paramegravetres drsquoentreacutee description de la source de lumiegravere geacuteomeacutetrie du bacirctiment paramegravetres de simulation
I34 Analyse de la probleacutematique Drsquoapregraves la recherche bibliographique preacutesenteacutee ci-dessus sur le domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage nous pouvons reacutesumer la probleacutematique de ce domaine dans les points suivants
1 Difficulteacute drsquoaccegraves agrave lrsquoinformation Elle est due en particulier agrave lrsquoabsence de sources publiques speacutecialiseacutees dans le domaine
2 Manque de transparence Ainsi nous trouvons souvent des reacutesultats de validation preacutesenteacutes sans suffisamment drsquoinformation sur les proceacutedures qui ont abouti agrave ces reacutesultats
3 Manque de creacutedibiliteacute une partie importante des travaux de validation existants est reacutealiseacutee par les deacuteveloppeurs des logiciels testeacutes les sources drsquoincertitudes dans les valeurs de reacutefeacuterence ne sont souvent pas prises en consideacuteration etc
4 Manque de travaux concluants sur la validiteacute du logiciel testeacute Ceci est ducirc en partie agrave la complexiteacute des sceacutenarios expeacuterimentaux et agrave la restriction des domaines testeacutes Ainsi il est rarement possible drsquoidentifier avec certitude les points de faiblesse et les domaines drsquoapplication drsquoun logiciel testeacute
5 Absence de reacutefeacuterences standardiseacutees Ce qui fait qursquoun certain aspect de la propagation de la lumiegravere est testeacute dans diffeacuterents logiciels avec des protocoles diffeacuterents Ce qui ne permet pas une comparaison transparente et objective entre ces diffeacuterents logiciels
6 Manque de validations analytiques malgreacute les avantages de ce type de validation
En reacuteponse aux problegravemes listeacutes ci-dessus nous identifions en particulier le besoin drsquoune standardisation et drsquoune mise agrave disposition des reacutefeacuterences de validation fiables de preacutefeacuterence sous la garantie et le controcircle drsquoun ou plusieurs organismes creacutedibles
I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
I351 Introduction Le premier objectif qursquoon pourrait attendre des travaux de validation crsquoest de pouvoir ameacuteliorer la confiance des utilisateurs dans les logiciels de simulation A savoir qursquoameacuteliorer la confiance ne veut pas forceacutement dire lrsquoaugmenter Mais plutocirct sensibiliser les utilisateurs aux capaciteacutes et aux limites des diffeacuterents logiciels dans les diffeacuterents domaines de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Ainsi agrave travers lrsquoidentification des points de faiblesse
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Chapitre I
drsquoun logiciel et de ces domaines drsquoapplication on pourra aboutir agrave une utilisation responsable de ces logiciels
Drsquoougrave le besoin drsquoune meacutethodologie de validation qui permet de tester la capaciteacute drsquoun logiciel agrave simuler les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Cette meacutethodologie doit eacutegalement palier les deacutefaillances rencontreacutees dans le domaine agrave noter creacutedibiliteacute fiabiliteacute et accessibiliteacute
I352 Concept et approche proposeacutes Pour atteindre les objectifs fixeacutes ci-dessus la meacutethodologie de validation proposeacutee repose un concept de base qui est celui de tester seacutepareacutement les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Ceux-ci peuvent ecirctre classeacutes sous 3 grands groupes
1 La description de la source de lumiegravere et le calcul de lrsquoeacuteclairement direct 2 Le transfert du flux lumineux agrave travers les composants de la fenecirctre et lrsquoinfluence des
masques 3 Les inter-reacuteflexions sur les diffeacuterents mateacuteriaux avec diffeacuterentes photomeacutetries
Pour appliquer ce concept cette meacutethodologie de validation est baseacutee sur une seacuterie de cas-tests chacun traitant un sceacutenario drsquoeacuteclairage simple (un nombre limiteacute de paramegravetres) ougrave un certain aspect de la propagation de lumiegravere est mis en eacutevidence La description des cas-tests comprend la geacuteomeacutetrie les sources de lumiegravere ainsi qursquoune seacuterie de valeurs de reacutefeacuterence agrave utiliser pour tester la capaciteacute du logiciel agrave simuler lrsquoaspect en question Ces valeurs de reacutefeacuterence sont obtenues soit agrave lrsquoaide drsquoun calcul analytique quand crsquoest possible (pour des sceacutenarios theacuteoriques) ou bien agrave partir de mesures expeacuterimentales
Ainsi chaque cas-test est applicable agrave tout logiciel proposant des fonctionnaliteacutes lieacutees agrave lrsquoaspect traiteacute (dans ce cas-test) indeacutependamment des algorithmes utiliseacutes des meacutethodes de calcul adopteacutees ou des paramegravetres utiliseacutes
Cependant il est possible drsquoassocier agrave chaque test une eacutetude parameacutetrique propre agrave chaque logiciel Une telle eacutetude permet de mieux comprendre lrsquoinfluence des diffeacuterents paramegravetres proposeacutes sur la preacutecision du logiciel dans un aspect donneacute de la propagation de la lumiegravere
Pour une utilisation optimale de cette meacutethodologie de validation les cas-tests doivent couvrir tous les aspects de la propagation de la lumiegravere Ils seront alors utiliseacutes en tant qursquooutil unique et complet pour tester un logiciel donneacute
Une comparaison geacuteneacuterale des reacutesultats des simulations drsquoun logiciel donneacute aux valeurs de reacutefeacuterences de la seacuterie de cas-tests donnera une ideacutee claire sur les domaines ougrave le logiciel testeacute respecte ou non les lois physiques Ceci permettra agrave un utilisateur de veacuterifier si ce logiciel est compatible avec son propre domaine drsquoactiviteacute et agrave un deacuteveloppeur de veacuterifier si son logiciel a atteint les perspectives souhaiteacutees
De la mecircme faccedilon une comparaison entre les reacutesultats de diffeacuterents logiciels et les valeurs de reacutefeacuterence permet drsquooffrir une vision objective sur le logiciel qui reacutepond le mieux agrave une exigence donneacutee
46
Chapitre I
Conclusions Suite agrave notre eacutetude bibliographique sur le domaine de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage nous avons orienteacute le travail de cette thegravese (agrave travers les chapitres suivants) de faccedilon agrave reacutepondre agrave certains des problegravemes identifieacutes dans ce domaine
Ainsi en ce qui concerne le manque de fiabiliteacute dans les travaux de validation des logiciels nous deacuteveloppons la meacutethode de validation que nous avons proposeacutee Dans ce cadre nous creacuteons une seacuterie de cas-tests en relation avec diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere traiteacutes ci-dessus Ces cas-tests sont reacutepartis en deux familles lrsquoune avec des sceacutenarios theacuteoriques et des reacutefeacuterences analytiques et lrsquoautre avec des reacutefeacuterences expeacuterimentales reacutepondant agrave des critegraveres de controcircle de qualiteacute que nous avons deacutefinis
En ce qui concerne la difficulteacute de simuler des sceacutenarios reacuteels de lumiegravere naturelle nous proposons et validons une meacutethode de simulation agrave partir des cartes de luminances reacuteelles agrave haute deacutefinition
Finalement nous proposons et nous validons une meacutethode de simulation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquoaide des luminaires eacutequivalents Cette meacutethode permet agrave la simulation de la lumiegravere de jour de beacuteneacuteficier de la preacutesence confirmeacutee des outils de simulation de la lumiegravere artificielle dans le domaine de la conception des bacirctiments Elle permet eacutegalement de surmonter un nombre de difficulteacutes rencontreacutees dans certains logiciels classiques de simulation la lumiegravere naturelle en particulier celles lieacutees agrave la preacutecision des reacutesultats par rapport au temps de calcul et agrave la simulation des masques exteacuterieurs
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Chapitre I
Reacutefeacuterences Bibliographiques 3D-LUMIEgraveRE Enquecircte sur la connaissance et lrsquoutilisation des systegravemes informatiques de simulation drsquoeacuteclairage Paris Club 3D Lumiegravere 2000 11 p ACHARD G LAFORGUE P SOUYRI B FONTOYNONT M BASTIE A MITANCHEY R Etude dun systegraveme Metrologique de Confort Radiatif Integrant lAspect Thermique et lAspect Visuel Paris 1994 60 p AFE Les sources de lumiegravere Socieacuteteacute dEdition Lux 1987 199 p AIZLEWOOD M BUTT J ISAAK K LITTLEFAIR P Daylighting in atria a comparison of measurements theory and simulation Lux Europa 1997 Amsterdam-Netherlands 1997 ANDERSEN M RUBIN M POWLES R SCARTEZZINI J L Bi-directional light transmission properties assessment for venetian blinds Computer simulations compared to photogoniometer measurements ISES Solar World Congress 2003 - Solar Energy for a Sustainable Future Gothenburg - Sweden International Solar Energy Society 2003 ANDERSEN M RUBIN M SCARTEZZINI J-L Comparison between ray-tracing simulations and bi-directional transmission measurements on prismatic glazing Solar Energy 2003 vol 74 ndeg2 pp 157-217 ANSIIESNA ANSIIESNA LM-63-02 ANSI Approved Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data and Related Information ANSIIESNA LM-63-02 2002 26 p ASE Eclairage inteacuterieur par la lumiegravere du jour Norme Suisse SN 418911 Zuumlrich Association Suisse des Electriciens 1989 ASHDOWN I Near-Field Photometry A New Approach IES 1993 vol 22 ndeg1 pp 163-180 ASHDOWN I EULUMDAT File Format Specification [en ligne] Disponible sur lthttpwwwhelios32comEulumdathtmgt (09 Mars 2004) ASHDOWN I Thinking photometrically Part II 105 Las Vegas workshop-Lightfair International 2001 42 p ASHRAE-IESNA Energy efficient design of new buildings except new low-rise residential buildings ASHRAEIES 901-1989 American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditionaing Engginers 1989 AUTODESK Lightscape 32 Users Guide 32 Autodesk 1999 352 p BALOCCO C FORASTIERE M A GRAZZINI G RIGHINI G C Experimental results of transparent reflective and absorbing propoerties of some building materials Energy and Buildings 2001 vol 33 pp 563-568
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Chapitre I
CAROLL W L HITCHCOCK R J Recent Comparisons of SUPERLITE to Scale Model Data LBNL-43107 Lawrence Berkeley National Laboratory 1999 CHAIN C DUMORTIER D FONTOYNONT M A comprehensive model of luminance correlated colour temperature and spectral distribution of skylight Comparison with experimental data Solar Energy 1999 vol 65 ndeg5 pp 285-295 CIBSE CIBSE standard file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIBSE TM 14 London CIBSE 1988 CIE Daylight CIE-16 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1970 79 p CIE Standardization of Luminance Distribution on Clear Skies CIE-22 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1973 CIE Calculations for Interior Lighting Basic Method CIE-40 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1978 CIE Absolute Methods for Reflection Measurements CIE-44 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 CIE A Review of Publications on Properties and Reflection Values of Material Reflection Standards CIE-46 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 99 p CIE Calculations for Interior Lighting Applied Method CIE-52 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1982 CIE The Spectroradiometric Measurement of Light Sources CIE-63 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1984 CIE Colorimetry 2nd Edition CIE-152 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1986 CIE The Measurement of Absolute Luminous Intensity Distributions CIE-70 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1987 CIE The Measurement of Luminous Flux CIE-84 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1989 CIE Standard overcast and clear sky 3rd Draft Vienne Commission Internationale de LrsquoEclairage 1990 CIE Electric Light Sources State of the Art-1991 CIE-96 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1992 CIE Recommended file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIE-102 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1993 CIE Guide to Recommended Practice of Daylight Measurement CIE-108 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1994
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Chapitre I
CIE Discomfort Glare in Interior Lighting CIE-117 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1995 CIE The Photometry and Goniophotometry of Luminaires CIE-121 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE The Relationship Between Digital and Colorimetric Data for Computer-Controlled CRT Displays CIE-122 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance CIE-130 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1998 CIE Spatial distribution of daylight - CIE standard general sky Vienne Commission Internationale de lEclairage 2002 7 p COHEN M F CHEN S E WALLACE J R GREENBERG DP A progressive refinement approach to fast radiosity image generation 15th annual conference on computer graphics and interactive techniques ACM Press New York 1988 pp 75-84 DE BOER J Encorporation of numerical goniophotometry into daylighting design CISBAT 2003 Lausanne EPFL 2003 pp 229-234 DE BOER J ERHORN H Survey Simple Design Tools IEA 1999 49 p DENIEL J M Modeacutelisation des luminaires et des BRDF Reacutealisation mesure et compression Thegravese en Informatique Rennes Universiteacute de Rennes 1 2002 277 p DUMORTIER D Mesure Analyse et Modeacutelisation du gisement lumineux Application agrave leacutevaluation des performances de leacuteclairage naturel des bacirctiments Thegravese en Geacutenie Civil et Sciences de lHabitat Vaulx en Velin ENTPE Universiteacutee de Savoie 1995 295 p DUMORTIER D Lumiegravere naturelle et rayonnement solaire - Mesures au sol et estimations agrave partir dimages satellites - Deacuteveloppement de services Web pour leacuteclairage naturel des bacirctiments HDR Thermique et Energeacutetique Vaulx en Velin ENTPE 2003 161 p DUMORTIER D VAN ROY F SODA daylighting resource SODA Deliverable 53C 2002 DUMORTIER D VETRO P Luminance calibration of the Nikon 950 digital cameras Lux Europa Reykjavik 2001 ERHORN H DE BOER J DIRKSMOLLER M ADELINE - An Integrated Approach to Lighting Simulation Daylighting 98 Ottawa 1998 FOLEY D J VAN-DAM A FEINER S K HUGHES J F Computer Graphics Principles and Practice Second Edition ADDISON-WESLEY 1990 (The systems programming series
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Chapitre I
FONTOYNONT M Le point sur les meacutethodes de simulation et sur lrsquoutilisation de lrsquoimage de synthegravese en eacuteclairage LUX 1991 FONTOYNONT M LAFORGUE P MITANCHEY R AIZLEWOOD M BUTT J CARROLL W HITCHOCK R ERHORN H DE BOER J DIRKSMOumlLLER M MICHEL L PAULE B SCARTEZZINI J-L BODART M AND ROY G Validation of daylighting simulation programs IEA SHC Task 21 ECBCS Annex 29 1999 28 p GALASIU A ATIF M Applicability of Daylighting Computer Modeling in Real Case Studies Comparison between Measured and Simulated Daylight Availability and Lighting Consumption IEA SHC Task 21 IEA ECBCS Annex 29 Daylight in Buildings International Energy Agency National Research Council Canada 1998 68 p GREENUP P J EDMONDS I R COMPAGNON R RADIANCE algorithm to simulate laser-cut panel light-redirecting elements Lighting Research amp Technology 2000 vol 32 ndeg2 pp 49-54 GRYNBERG A Comparison and Validation of Radiance and Superlite Rapport interne Lawrence Berkeley National Laboratory 1988 HOPKINSON R G PETHERBRIDGE P LONGMORE J Daylighting William Heinneman Ltd London 1966 IEA-SHC Daylighting simulation Methods Algorithms and Ressources Agence Internaitonale de lEnergie - SHC 1999 IEA-SHC Measurement of Luminous Characteristics of Daylighting Materials Agence Internationale de lEnergie - SHC - Tacircche 21 1999 IESNA Calculating Coefficients of Utilisation Wall and Ceiling Cavity Exitance IES LM-57 New York Illuminating engineering Society of North America 1982 IESNA The Determination of Illuminance at a Point in Interior Spaces IES LM-43-1991 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 34 p IESNA An Introduction to Light and Lighting IES ED-50 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 51 p IESNA Lighting Handbook 8th Edition New York Illuminating engineering Society of North America 1993 IESNA IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data IESNA LM-63-95 New York Illuminating engineering Society of North America 1995 5 p IESNA 1999 IESNA Software Survey Lighting Design + Application 1999 vol 29 ndeg12 pp 39-48 JARVIS D DONN M Comparison of Computer and Model Simulations of a Daylit Interior with Reality 5th International conference on Building Performance and Simulation Association Prague Czech Republic 1997 pp 9-16
51
Chapitre I
KAJIYA J T Anisotropic Reflection Models SIGGRAPH85 San Francisco 1985 pp 15-21 KARAYEL M NAVVAB M NEEMAN E SELKOWITZ S Zenith Luminance and sky luminance distributions for daylighting calculations Energy Build 1984 vol 6 ndeg3 pp 283-291 KHODULEV A B KOPYLOV E A Physically accurate lighting simulation in computer graphics software GraphiConrsquo96 The 6th International Conference on Computer graphics and Visualization St Petersburg Russia 1996 pp 111-119 KITTLER R Standardisation of outdoor conditions for the calculation of daylight factor with clear skies Sunlight in Buinldings CIE Intercessional conference Newcastle-Upon-Tyne 1965 KLEMS J H WARNER J L Measurement of bidirectional optical properties of complex shading devices ASHRAE Symposium Chicago 1995 LESLIE R P Capturing the daylight in buildings why and how Building and Environment 2003 vol 38 pp 381-385 MAAMARI F International survey on lighting simulation tools - Light and Building 2002 IEA-SHC-Task-31 2002 7 p MAAMARI F FONTOYNONT M Use of IEA-SHC Task 21 C benchmarks to assess performance of Lightscape 32 in daylighting calculations EPIC Lyon France 2002 pp 709-714 MAAMARI F FONTOYNONT M HIRATA M KOSTER J MARTY C TRANSGRASSOULIS A Reliable Datasets for Lighting Programs Validation Benchmark results CISBAT 2003 Conference 2003 pp 6 MAAMARI F JONGEWAARD M KOSTER J TRANSGRASSOULIS A FONTOYNONT M A Step Toward A Complete And Objective Validation Methodology For Lighting Simulation Tools CIE 25th Session San Diego 2003 pp 4 MARDALJEVIC J Daylight Simulation Validation Sky Models and Daylight Coefficients Leicester UK Montfort University 2000 MARDALJEVIC J The BRE-IDMP dataset a new benchmark for the validation of illuminance prediction techniques Lighting Research and Technology 2001 vol 33 ndegISSN 1365-7828 pp 117-136 MITANCHEY R Synthegravese dimages appliqueacutee agrave leacuteclairagisme inteacuterieur des bacirctiments Thegravese en Informatique speacutecialiteacute images Saint-Etienne Leacutecole Nationale Supeacuterieure des Mines de Saint-Etienne 1996 200 p
52
Chapitre I
MITANCHEY R PERIOLE G FONTOYNONT M Goniophotometric measurements Numerical simulation for research and development applications Lighting Research and Technology 1995 vol 27 ndeg4 pp 189-196 MOON P SPENCER D E Illumination from a nonuniform sky Illum Eng 1942 vol 37 ndeg12 pp 707-726 NAKAMURA H OKI M AYASHI Y Luminance distribution of intermediate sky Light Visual Environ 1989 vol 9 ndeg1 pp 6-13 PAULE B COMPAGNON R SCARTEZZINI J L Towards a new daylighting design computer tool Right Light Three conference Newcastle upon Tyne England 1995 PEREZ R SEALS R MICHALSKY J All-Weather model for sky luminance distribution Preliminary configuration and validation Solar Energy 1993 vol 50 ndeg3 pp 235-245 REINHART C F HERKEL S The simulation of annual daylight illuminance distributions ndash a state-of-the-art comparison of six RADIANCE-based methods Energy and Buildings 2000 vol 32 ndeg167-187 ROY G HAYMAN S JULIAN W Sky Modeling from Digital Imagery ARC Project No A89530177 Sidney The University of Sidney amp Murdoch university 1998 ROY G RUCK N REID G JULIAN W Sky luminanceStandard Digital Form for modelling Lighting Research amp Technology 1995 vol 27 ndeg3 pp 161-167 SATEL-LIGHT Satel-Light the European Database for Daylight and Solar Radiation [en ligne] Disponible sur lthttpwwwsatel-lightcomgt (27 janvier 2004) SCARTEZZINI J L COMPAGNON G WARD G PAULE B Outils Informatiques en Lumiegravere Naturelle NEFF-4352 Universiteacute de Genegraveve EPFL 1993 142 p SHAREEF F M OLDHAM D J CARTER D J A computer model for predicting the daylight performance of complex parallel shading systems Building and Environment 2001 vol 36 pp 605-618 SLATER A GRAVES H Benchmarking Lighting Design Software TM 2800 London CIBSE 2002 33 p SMITH B SPIEKERMANN C SEMBER R Numerical methods for colorimetric calculations A comparison of integration methods Color Research and Application 1992 vol 17 ndeg6 STOCKMAR A Eulumdat file format CIBSEILE National Lighting Conference York 2000 STOCKMAR A W EULUMDAT ein leuchtendatenformat fur den europaischen beleuchtungplaner Tagungsband Licht 1990 pp 641-644
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Chapitre I
TREGENZA P Daylighting algorithms ETSU S 1350 UK Department of Trade and Industry on behalf of the Energy Technology Support Unit 1993 43 p TREGENZA P R WATERS I M Daylight Coefficients Lighting Research amp Technology 1983 vol 15 ndeg2 pp 65-71 TROWBRIDGE T S REITZ K P Average Irregularity Representation of a Rough Surface for Ray Reflection Opt Soc Am 1975 vol 65 ndeg5 pp 531-536 UETANI Y MATSUURA K A Method of Luminance Calculation in an Anisotropic Diffuse Reflecting Interior IESNA Annual Conference Technical Papers San Diego 1992 WARD G J The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System SIGGRAPH Computer graphics 1994 pp 459-472 WHITTED T An improved illumination model for shaded display Computer graphics amp Image processing 1980
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- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
Outils de conception En ce qui concerne les meacutethodes existantes pour le calcul et lrsquoeacutevaluation de lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment elles sont classeacutees selon les cateacutegories suivantes [De Boer 1999]
- Les meacutethodes de calcul manuel (meacutethode de lumen ) - Les meacutethodes graphiques baseacutees sur des diagrammes selon des configurations types
du bacirctiment Ces diagrammes sont compleacuteteacutes par des facteurs de correction agrave prendre en consideacuteration en relation avec la transmission des vitrages la deacutegradation due agrave lrsquoaccumulation des saleteacutes le facteur de reacuteflexion moyen des surfaces inteacuterieureshellip
- Des mesures expeacuterimentales dans des maquettes agrave eacutechelle reacuteduite ou reacuteelle sous un ciel artificiel ou reacuteel
- Les logiciels de simulation baseacutes en particulier sur les meacutethodes de radiositeacute et de lancer de rayon
Un autre aspect de conception en eacuteclairage naturel (que celui de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour) consiste agrave prendre en consideacuteration les taches solaires agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment en particulier du point de vue de lrsquoapport thermique et du confort visuel Lrsquoeacutetude des taches est le plus souvent limiteacutee agrave certains jours repreacutesentatifs de lrsquoanneacutee (en particulier les solstices) et pour diffeacuterentes heures de la journeacutee
Les meacutethodes existantes pour lrsquoeacutetude des taches solaires sont
- Des meacutethodes manuelles utilisant des diagrammes solaires - Des eacutetudes sur maquette reacuteduite sous un heacuteliodon - Des meacutethodes numeacuteriques utilisant des algorithmes matheacutematiques pour deacutefinir la
position du soleil et des algorithmes de lancer de rayon pour simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere solaire directe agrave travers lrsquoenveloppe du bacirctiment Certains logiciels sont deacuteveloppeacutes speacutecialement pour lrsquoeacutetude des taches solaires on parle alors drsquoheacuteliodons numeacuteriques
En plus que les outils de simulation nous traitons dans notre travail les mesures expeacuterimentales dans des maquettes drsquoeacutetude
I13 La geacuteomeacutetrie
I131 Geacuteneacuteraliteacutes Comme la source lumineuse la geacuteomeacutetrie drsquoun espace est un eacuteleacutement cleacute pour calculer et preacutedire la propagation de la lumiegravere agrave lrsquointeacuterieur de cet espace Pour un calcul drsquoeacuteclairage (manuel ou numeacuterique) la description de cette geacuteomeacutetrie doit inclure une description tri-dimensionnelle de lrsquoespace ainsi qursquoune caracteacuterisation physique de ses mateacuteriaux Dans cette partie nous nous inteacuteressons agrave la description tri-dimensionnelle de lrsquoespace dans la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage
Les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie agrave prendre en consideacuteration dans une simulation sont geacuteneacuteralement les surfaces visibles des mateacuteriaux opaques du volume inteacuterieur Dans un sceacutenario drsquoeacuteclairage naturel nous consideacuterons eacutegalement les surfaces du sol et des masques exteacuterieurs ainsi que les composants des parois vitreacutees
On parle de surfaces visibles des mateacuteriaux opaques car contrairement au cas des eacutechanges de flux thermiques lrsquoinfluence des mateacuteriaux opaques sur la propagation des flux lumineux se limite agrave ces surfaces
32
Chapitre I
La prise en consideacuteration des parois vitreacutees du sol et des masques exteacuterieurs peut varier entre les diffeacuterents logiciels Ainsi lrsquoinfluence de ces eacuteleacutements (vitrage store veacutenitien masque vertical ou horizontalhellip) peut ecirctre calculeacutee analytiquement dans un logiciel et agrave lrsquoaide drsquoun lancer de rayon ou un calcul de radiositeacute dans un autre Le premier cas ne neacutecessite qursquoune description parameacutetrique (type de vitrage couleur et orientation des lames angle drsquoobstructionhellip) et le deuxiegraveme neacutecessite une modeacutelisation preacutecise des eacuteleacutements
I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie Bien que certains logiciels offrent la possibiliteacute drsquoune automatisation de lrsquoentreacutee de la geacuteomeacutetrie 3D cellendashci est en fin de compte deacutecrite par un ensemble de polygones deacutefinis par les coordonneacutees carteacutesiennes de leurs sommets (x y z)
Pour les logiciels de simulation qui nrsquooffrent pas une interface de DAO pour lrsquoentreacutee de la geacuteomeacutetrie il est possible drsquoimporter cette derniegravere agrave partir drsquoun logiciel de DAO externe [IESNA 1999] La plupart des logiciels de simulation sont compatibles avec le format DXF creacuteeacute par Autodesk et standardiseacute par la suite pour le transfert de donneacutees geacuteomeacutetriques [Autodesk 1999]
Parmi les logiciels de DAO souvent utiliseacutes pour modeacuteliser la geacuteomeacutetrie 3D nous citons AutoCAD ArchiCAD et Microstation Cependant lorsqursquoune geacuteomeacutetrie est deacutecrite agrave lrsquoaide drsquoun logiciel externe il est important de prendre certaines preacutecautions dans le mode de dessin afin de garantir une meilleure compatibiliteacute avec la plupart des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
Les preacutecautions agrave prendre et leurs importances sont diffeacuterentes drsquoun logiciel agrave un autre mais souvent le but est drsquoeacuteviter les confusions lors du transfert qui peuvent mener agrave des erreurs de calcul Par exemple il peut srsquoagir de respecter la notion de lrsquoorientation des surfaces qui est importante dans certains logiciels ou bien de limiter la modeacutelisation des surfaces de la geacuteomeacutetrie aux parties apparentes pour eacuteviter les fausses ombres [Foley 1990]
I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade La propagation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquointeacuterieur drsquoun bacirctiment deacutebute par un transfert des flux agrave travers les parois vitreacutees Ainsi il est important de prendre ces derniegraveres en consideacuteration pour une preacutediction preacutecise de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment
La caracteacuterisation drsquoun composant drsquoune paroi vitreacutee en transmission lumineuse se fait geacuteneacuteralement agrave travers des mesures goniophotomeacutetriques Ainsi agrave partir drsquoune seacuterie de mesures de transmission en direct-direct seront deacuteduites les fonctions de transfert direct-heacutemispheacuterique et heacutemispheacuterique-heacutemispheacuterique qui caracteacuterisent un mateacuteriau donneacute [CIE 1998]
Cependant une paroi vitreacutee peut se preacutesenter sous diffeacuterentes formes agrave diffeacuterents niveaux de complexiteacute Nous listons ci-dessous les principaux cas de figures
I141 Ouverture simple Le cas le plus basique est celui drsquoune simple ouverture sans vitrage Lrsquoinfluence drsquoune telle ouverture sur la propagation de la lumiegravere naturelle se limite agrave sa dimension et son eacutepaisseur qui deacuteterminent la partie du champ de luminances externe rendue visible aux points inteacuterieurs Lrsquoaspect directionnel qualitatif et quantitatif du flux lumineux incident est conserveacute lors du passage agrave travers cette ouverture et ne subit aucune deacuteviation ni atteacutenuation (si ce nrsquoest la reacuteflexion sur les bords)
33
Chapitre I
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel se fait souvent agrave lrsquoaide drsquoun maillage de sa surface La luminance apparente des mailles est ensuite calculeacutee (agrave partir de la luminance de la zone du ciel apparente agrave travers cette maille par un point donneacute) et finalement est calculeacutee la contribution de chaque maille agrave lrsquoeacuteclairement du point eacutetudieacute
Dans un certain nombre de logiciels le calcul commence par une deacutetection du champ de vision drsquoun point de mesure agrave travers lrsquoouverture Cette deacutetection se fait geacuteneacuteralement agrave lrsquoaide drsquoun lancer de rayons qui permet de deacutefinir les limites du masque constitueacute par les murs entourant lrsquoouverture
I142 Vitrage classique Dans le cas drsquoune ouverture vitreacutee (vitrage classique) le flux incident subit lrsquoinfluence de la transmission directionnelle du vitrage Cette transmission diminue avec lrsquoaugmentation de lrsquoangle drsquoincidence du rayonnement lumineux et varie selon le type de vitrage (simple double teinteacutehellip)
Il existe plusieurs reacutefeacuterences pour deacuteterminer la variation theacuteorique de la transmission lumineuse drsquoun vitrage avec lrsquoangle drsquoincidence Mais en geacuteneacuteral la majoriteacute drsquoun flux lumineux transmis agrave travers un vitrage classique est supposeacute garder sa directionnaliteacute (angle de transmission = angle drsquoincidence) et ne subit qursquoune simple atteacutenuation selon lrsquoangle drsquoincidence [Hopkinson 1966] [Hopkinson 1966 Tregenza 1993]
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture vitreacutee dans une simulation drsquoeacuteclairage naturel suit le mecircme principe que pour une ouverture non vitreacutee mais en plus une atteacutenuation de la contribution drsquoune maille agrave lrsquoeacuteclairement drsquoun point est calculeacutee selon lrsquoangle drsquoincidence entre cette maille et ce point de mesure Cependant certains logiciels ne prennent pas en consideacuteration la transmission directionnelle drsquoun vitrage et se contentent drsquoaffecter un facteur de transmission uniforme
I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel Il existe sur le marcheacute de la construction de plus en plus de vitrages agrave proprieacuteteacutes bi-directionnelles dont le but est souvent de favoriser le cheminement drsquoun flux lumineux incident dans une direction donneacutee (Laser Cut Panel Serraglaze etc) Par exemple dans le cas drsquoune ouverture verticale lrsquoobjectif est souvent de favoriser lrsquoorientation du flux transmis vers le plafond afin de permettre une entreacutee plus profonde de la lumiegravere et afin drsquoeacuteviter ou au moins drsquoatteacutenuer les taches solaires Dans le cas drsquoune ouverture zeacutenithale lrsquoobjectif est de favoriser lrsquoentreacutee verticale de la lumiegravere provenant de toutes les directions de lrsquoheacutemisphegravere exteacuterieur
Le flux lumineux incident sur ce type de mateacuteriaux est transmis avec changement drsquoorientation partielle ou totale dans le mecircme plan drsquoincidence ou bien dans tout lrsquoheacutemisphegravere de sortie
La prise en consideacuteration drsquoun mateacuteriau agrave transmission bidirectionnelle dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel est drsquoune complexiteacute importante Elle neacutecessite lrsquoutilisation des fonctions de transfert bidirectionnelles dite BTDF qui sont assez lourdes en calcul Les logiciels permettant ce type de simulations sont encore assez rares et limiteacutes au domaine de la recherche scientifique [Fontoynont 1999] [Greenup 2000] [Andersen 2003]
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Chapitre I
I144 Eleacutements de protection solaire Le rocircle des eacuteleacutements de protection solaire est de bloquer drsquoatteacutenuer ou de reacuteorienter la lumiegravere directe du soleil Parmi les types les plus utiliseacutes nous citons en particulier les stores veacutenitiens (agrave effet de reacuteorientation) les brises soleil (agrave effet de masque) et les stores en toile (agrave effet de diffusion)
La prise en consideacuteration des eacuteleacutements de protection solaires dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel deacutepend de leur type Par exemple les protections solaires agrave effet de masque neacutecessitent un simple calcul de lancer de rayons alors que la simulation des eacuteleacutements agrave effet de reacuteorientation suit le mecircme principe que pour les vitrages bidirectionnels [Klems 1995] [Shareef 2001]
I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux Pour caracteacuteriser le comportement des parois vitreacutees afin de mieux les prendre en consideacuteration dans le calcul ou la simulation de lrsquoeacuteclairage on a recours aux mesures goniophotomeacutetriques
Ces mesures peuvent srsquoaveacuterer drsquoune grande complexiteacute en particulier dans le cas des mateacuteriaux bidirectionnels puisqursquoils neacutecessitent des mesures heacutemispheacuteriques en entreacutee et en sortie
De nos jours plusieurs deacuteveloppements sont en cours afin de simplifier les proceacutedures de mesure ou de conduire ces mesures numeacuteriquement agrave lrsquoaide drsquoalgorithmes physiques [Mitanchey 1995] [Andersen 2003] [Andersen 2003] [De Boer 2003]
Drsquoautres efforts sont eacutegalement investis dans le but de simplifier la preacutesentation des donneacutees goniophotomeacutetriques [Roy 1995] [Mitanchey 1996] [IEA-SHC 1999]
I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux Si lrsquoeacuteclairage direct reccedilu des sources de lumiegravere (naturelles ou artificielles) est un eacuteleacutement de base dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere lrsquoeacuteclairage dit indirect nrsquoest pas de moindre importance
En effet lrsquoeacuteclairage indirect ducirc aux inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les diffeacuterentes surfaces drsquoune scegravene peut repreacutesenter une proportion importante de lrsquoeacuteclairement total par rapport agrave lrsquoeacuteclairement direct Crsquoest le cas notamment des luminaires indirects ou des systegravemes de reacute-acheminement de la lumiegravere directe du soleil
Les inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie deacutependent de la photomeacutetrie de ces surfaces (ou des mateacuteriaux qui les constituent) Cette photomeacutetrie est caracteacuteriseacutee en particulier par trois paramegravetres
- Le facteur de reacuteflexion global - La directionnaliteacute de la lumiegravere reacutefleacutechie - Lrsquoinfluence spectrale sur la lumiegravere reacutefleacutechie
Le premier repreacutesente le rapport entre le flux total reacutefleacutechi sur une surface et le flux initial incident Pour faciliter la mesure de ce paramegravetre un nombre de mateacuteriaux standards a eacuteteacute deacutefini comme reacutefeacuterence [CIE 1979] [CIE 1979] [CIE 1998]
Le deuxiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la ou les directions de reacuteflexion drsquoun flux incident avec une direction donneacutee Cette directionnaliteacute deacutepend de la geacuteomeacutetrie microscopique de la surface (apparente) drsquoun mateacuteriau opaque On distingue en particulier deux types de reacuteflexion theacuteoriques Les reacuteflexions parfaitement speacuteculaires et les reacuteflexions
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Chapitre I
parfaitement diffuses Bien que ces cas extrecircmes nrsquoexistent pas dans la reacutealiteacute les lois theacuteoriques relatives sont bien deacutefinies (La loi de Descartes pour le premier et loi de Lambert et les formules de facteur de forme pour le deuxiegraveme) Au-delagrave de ces deux cas theacuteoriques simplifieacutes un nombre de travaux a eacuteteacute meneacute pour deacutecrire des modegraveles analytiques plus complets qui srsquoapprochent mieux de la reacutealiteacute mais qui repreacutesentent un degreacute de complexiteacute plus eacuteleveacute [Trowbridge 1975] [Kajiya 1985] [Uetani 1992] [Balocco 2001] [Deniel 2002]
Dans la majoriteacute des logiciels existants la reacuteflexion de la lumiegravere sur une surface est simuleacutee par une combinaison de reacuteflexions diffuses et speacuteculaires Ainsi une partie du flux est reacutefleacutechie en obeacuteissant agrave la loi de Descartes et une autre partie est diffuseacutee uniformeacutement dans lrsquoespace Les algorithmes utiliseacutes sont eacutegalement en geacuteneacuteral une combinaison de radiositeacute et de lancer de rayons Certains logiciels nrsquoutilisant que les algorithmes de radiositeacute se contentent de supposer les surfaces comme 100 diffuses
Drsquoautres logiciels qui restent assez rares prennent en consideacuteration les fonctions de reacuteflexions bidirectionnelles (BRDF) theacuteoriques ou mesureacutees Cependant il faut noter que de nos jours la preacutecision des mesures de ces fonctions neacutecessite encore des moyens financiers et logistiques trop importants
Le troisiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la qualiteacute spectrale de la lumiegravere reacutefleacutechie par rapport agrave celle de la lumiegravere incidente Elle deacutepend en particulier de lrsquoabsorption spectrale seacutelective du mateacuteriau En effet le facteur drsquoabsorption drsquoun mateacuteriau peut ecirctre plus ou moins eacuteleveacute selon la longueur drsquoonde avec laquelle arrive une partie du flux incident Ainsi le spectre de la lumiegravere reacutefleacutechie peut ecirctre complegravetement diffeacuterent de celui de la lumiegravere incidente Les mateacuteriaux qui ont le mecircme facteur de reacuteflexion pour toutes les longueurs drsquoonde sont dits spectralement neutres [CIE 1986] [Smith 1992] [CIE 1996]
Plusieurs approches sont proposeacutees pour traiter lrsquoaspect spectral ou colorimeacutetrique de la propagation de la lumiegravere Les approches les plus utiliseacutees dans les logiciels de simulation de la lumiegravere sont baseacutees sur une caracteacuterisation agrave trois composantes de la couleur (de la source lumineuse ou des surfaces) Nous citons les systegravemes XYZ (de la CIE) RGB CMY et HSV Cependant si ce type de caracteacuterisation est convenable pour la repreacutesentation des couleurs il srsquoavegravere insuffisant pour simuler la variation du spectre du flux lumineux agrave travers les inter-reacuteflexions sur les surfaces inteacuterieures drsquoun espace [Mitanchey 1996] Pour plus de preacutecision il est alors recommandeacute drsquoutiliser les approches baseacutees sur une discreacutetisation plus ou moins fine du spectre Mais lrsquoimpleacutementation de telles approches dans les logiciels existants est loin drsquoecirctre courante [Smith 1992] [Mitanchey 1996]
I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage Il existe sur le marcheacute international un nombre important de logiciels deacutedieacutes agrave la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Dans une enquecircte meneacutee par le groupe 3D lumiegravere en 2000 aupregraves de 74 professionnels [3D-lumiegravere 2000] environ quarante logiciels ont eacuteteacute citeacutes par les enquecircteacutes comme outils de travail en eacuteclairage Dans une deuxiegraveme eacutetude plus speacutecialiseacutee dans le calcul drsquoeacuteclairage naturel et meneacutee par lrsquoagence international drsquoeacutenergie IEA SHC Task 21-C2 [Fontoynont 1999] vingt cinq logiciels ont eacuteteacute citeacutes Vingt deux de ces logiciels ne sont pas connus par les utilisateurs franccedilais enquecircteacutes par 3D lumiegravere Finalement nous citons lrsquoenquecircte de lrsquoIENSA [IESNA 1999] preacutesentant un nombre de logiciels existants au niveau international
Les logiciels existants diffegraverent entre eux par les algorithmes qursquoils utilisent par leurs approches DAO par la prise en consideacuteration des diffeacuterents types de sources lumineuses par
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Chapitre I
leur capaciteacute agrave simuler les pheacutenomegravenes de propagation de lumiegravere plus ou moins complexes par leur interface utilisateur et finalement par leurs vocations et leurs domaines drsquoapplication
I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage Le rocircle des algorithmes dans une simulation drsquoeacuteclairage est de geacuterer le calcul de la propagation de la lumiegravere entre les sources et les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie puis les inter-reacuteflexions entre ces surfaces
Les algorithmes utiliseacutes dans les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage sont des algorithmes dits drsquoeacuteclairement global (global illumination) puisqursquoils font un calcul tridimensionnel de la propagation de la lumiegravere Ils peuvent ecirctre classeacutes sous deux grandes familles la radiositeacute et le lancer de rayons Ces deux familles tendent agrave avoir des avantages et des inconveacutenients compleacutementaires ce qui fait que certains logiciels utilisent une logique hybride combinant les deux familles [IEA-SHC 1999] [Mitanchey 1996]
1211 Radiositeacute Les algorithmes de radiositeacute utiliseacutes pour le calcul de lrsquoeacuteclairage datent du deacutebut des anneacutees 80 Ils ont eacuteteacute adapteacutes agrave partir des algorithmes de radiositeacute utiliseacutes depuis les anneacutees 60 pour le calcul des eacutechanges radiatifs thermiques sur la base de lrsquoeacutequilibre eacutenergeacutetique
Les algorithmes de radiositeacute procegravedent en geacuteneacuteral agrave une discreacutetisation de lrsquoenvironnement simuleacute agrave travers un maillage (subdivision en petites mailles) des surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie eacuteclaireacutee par une source donneacutee (voir figure I3) Tout drsquoabord un calcul de la lumiegravere directe reccedilue par chaque maille est effectueacute Ensuite chaque maille est traiteacutee comme une source lumineuse eacutemettant une partie du flux lumineux qursquoelle a reccedilu (selon son facteur de reacuteflexion) vers les autres mailles de la geacuteomeacutetrie Cette lumiegravere indirecte subit plusieurs inter-reacuteflexions jusqursquoagrave ce que la quasi-totaliteacute du flux initial soit absorbeacutee
Suite agrave ce calcul on est capable de savoir la quantiteacute de flux lumineux direct et indirect reccedilue et eacutemise par une maille donneacutee et donc lrsquoeacuteclairement et la luminance de cette maille [Scartezzini 1993] [Ashdown 2001]
Figure I3 Exemple drsquoun calcul de Radiositeacute agrave lrsquointeacuterieur drsquoune geacuteomeacutetrie
Bien que le principe geacuteneacuteral de la radiositeacute deacutecrit ci-dessus soit le mecircme pour tous les algorithmes de radiositeacute existants ceux-ci diffegraverent dans la meacutethode adopteacutee pour le maillage de la geacuteomeacutetrie et pour le suivi du flux
La radiositeacute peut ecirctre en principe appliqueacutee agrave tout type de reacuteflexion cependant les algorithmes existants sont encore limiteacutes aux reacuteflexions 100 diffuses Ce qui entraicircne des erreurs plus ou moins importantes selon le comportement reacuteel du mateacuteriau simuleacute La
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radiositeacute preacutesente aussi quelques autres inconveacutenients dont particuliegraverement un temps de calcul assez long une lourde consommation en meacutemoire et une faible performance en qualiteacute graphique
Cependant le calcul de radiositeacute a lrsquoavantage drsquoecirctre indeacutependant de la position de lrsquoobservateur Ainsi un seul calcul est suffisant pour connaicirctre lrsquoeacuteclairement de tous les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie et pour la visualiser agrave partir drsquoune infiniteacute de points de vue
Une nouvelle geacuteneacuteration drsquoalgorithmes de radiositeacute est apparue en 1988 elle permet drsquoobtenir un reacutesultat graphique immeacutediat qui srsquoameacuteliore progressivement en preacutecision et en qualiteacute visuelle drsquoougrave son nom progressive refinement radiosity [Cohen 1988] [Autodesk 1999]
Une autre eacutevolution des algorithmes de radiositeacute fut le concept de maillage adaptatif ougrave le logiciel commence agrave calculer agrave partir drsquoun maillage de faible preacutecision Ensuite il procegravede agrave des subdivisions suppleacutementaires lagrave ougrave il y a une grande diffeacuterence drsquoeacuteclairement entre les mailles Cette meacutethode conduit agrave une eacuteconomie dans le temps de calcul et dans lrsquoutilisation de meacutemoire
1212 Lancer de rayons La deuxiegraveme famille drsquoalgorithmes est la plus ancienne elle a connu plus de deacuteveloppements et preacutesente une plus grande varieacuteteacute de meacutethodes
Ces meacutethodes ont lrsquoavantage de calculer avec preacutecision lrsquoeacuteclairement direct de calculer les effets speacuteculaires des mateacuteriaux de mieux deacutefinir les ombres et de consideacuterer les reacutefractions agrave travers les surfaces transparentes Crsquoest donc les algorithmes qui donnent les meilleurs reacutesultats graphiques drsquoougrave ce qursquoon appelle le photo-reacutealisme des images de synthegravese
Il existe plusieurs cateacutegories drsquoalgorithmes baseacutees sur le lancer de rayon nous citons les suivantes
Figure I4 Exemple drsquoun calcul de Lancer de rayons (inverse)
1 Traceacute de rayons ou Lancer de rayons depuis lrsquoobservateur dite aussi Lancer inverse de rayons (backward ray tracing) les rayons sont geacuteneacutereacutes depuis lrsquoœil de lrsquoobservateur et cheminent agrave travers des reacuteflexions multiples sur les parois jusqursquoaux sources de lumiegravere (voir figure I4) Ainsi seuls les rayons utiles pour la construction de lrsquoimage seront geacuteneacutereacutes et suivis agrave travers les diffeacuterentes inter-reacuteflexions mais la solution est valide pour un seul point de vue [Whitted 1980]
2 Suivi de rayons ou Lancer direct de rayons (forward ray tracing) cette meacutethode geacutenegravere les rayons lumineux depuis la source vers les surfaces reacuteceptrices quand un rayon atteint une surface il est dirigeacute selon la photomeacutetrie rencontreacutee jusqursquoagrave lrsquoeacutepuisement de son eacutenergie [Fontoynont 1991]
3 Technique statistique de monte-carlo backward ou forward La meacutethode de Monte-Carlo associeacutee agrave des meacutethodes de lancer de rayons a recours agrave une technique statistique
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pour la distribution des rayons reacutefleacutechis Elle neacutecessite un temps de calcul eacuteleveacute [IEA-SHC 1999]
I22 Exemples types des logiciels existants Les logiciels existants sur le marcheacute international et utiliseacutes comme outils de conception en eacuteclairage peuvent ecirctre classeacutes en diffeacuterentes familles [De Boer 1999] [IESNA 1999]
1 Les logiciels baseacutes sur les formules de base de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel Ces logiciels sont souvent distribueacutes par les constructeurs de luminaires et munis de leur bibliothegraveque de luminaires
2 Des logiciels baseacutes sur des formules de base de calcul en eacuteclairage naturel ou sur des donneacutees empiriques (ou preacute-simuleacutees) Ces logiciels sont souvent deacutedieacutes agrave lrsquoutilisation dans les phases preacuteliminaires de la conception drsquoun projet (ex Dial Sodalight etc)
3 Les logiciels capables de calculer lrsquoeacuteclairage direct uniquement Ils sont tregraves souvent inteacutegreacutes dans des logiciels de DAO Leur objectif est limiteacute agrave lrsquoameacutelioration du rendu graphique drsquoun projet ou au mieux agrave une eacutetude de taches solaires (ex Archicad) Cependant ce type de logiciels devient de plus en plus rare En effet vu leurs potentiels un certain nombre de ces logiciels a eacuteteacute mis agrave niveau par les deacuteveloppeurs et a passeacute ainsi agrave la famille suivante (ex Microstation et 3D Studio)
4 Les logiciels dits drsquoeacuteclairement global Ils utilisent souvent des algorithmes de calcul physique (en particulier de radiositeacute et lancer de rayons) Nous distinguons cependant dans cette cateacutegorie les logiciels deacuteveloppeacutes dans un cadre scientifique (ex Radiance Geacuteneacutelux CSTB) de ceux deacuteveloppeacutes et diffuseacutes dans un cadre commercial (Lightscape Dialuxhellip) En geacuteneacuteral les logiciels commerciaux possegravedent des interfaces plus conviviales mais les logiciels scientifiques offrent des fonctionnaliteacutes plus complegravetes Par exemple certains logiciels scientifiques sont capables de prendre en consideacuteration lrsquoaspect spectral de la propagation de la lumiegravere etou de traiter les fonctions bidirectionnelles Finalement nous notons que les logiciels commerciaux manquent le plus de transparence sur leur fiabiliteacute dans les diffeacuterents domaines drsquoapplication (manque de travaux de validation)
Dans notre travail de thegravese nous nous inteacuteressons en particulier agrave la derniegravere famille Ne pouvant pas enquecircter sur tous les logiciels existants nous nous contentons de citer (par ordre alphabeacutetique) quelques logiciels sur lesquels il y a eu des publications scientifiques et des travaux de validation [Fontoynont 1999]
1221 Adeline Deacuteveloppeacute dans le cadre de lrsquoIEA Adeline a eacuteteacute fondeacute sur les logiciels Superlite et Radiance par le biais drsquoun modeleur graphique et drsquooutils de DAO Ainsi il permet de deacutefinir la geacuteomeacutetrie avec son propre systegraveme de DAO par lrsquoentreacutee manuelle des coordonneacutes carteacutesiennes ou agrave partir drsquoun fichier DXF
Le logiciel est muni drsquoune bibliothegraveque de base de donneacutees de mateacuteriaux de luminaires et de mobilier Il produit des reacutesultats numeacuteriques ou bien graphiques Au-delagrave des eacuteclairements et des luminances Adeline permet de calculer lrsquoeacutenergie consommeacutee par lrsquoeacuteclairage artificiel en fonction des apports de lumiegravere du jour [Erhorn 1998] [Scartezzini 1993]
1222 Genelux Le logiciel Genelux deacuteveloppeacute au laboratoire des sciences de lrsquohabitat utilise un algorithme de lancer direct et suivi de rayons lumineux (Forward Ray tracking) La distribution des rayons reacutefleacutechis est effectueacutee en ayant recours agrave une technique statistique de Monte Carlo
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Chapitre I
Dans le cas ougrave les surfaces seraient parfaitement diffusantes il est possible de faire appel agrave un algorithme baseacute sur la meacutethode de radiositeacute afin de reacuteduire les temps de simulation Genelux peut modeacuteliser les surfaces speacuteculaires diffuses ou mixtes en transmission etou reacuteflexion Il peut eacutegalement prendre en consideacuteration des quantiteacutes spectrales en deacutecomposant les rayons incidents par bandes spectrales [Mitanchey 1996] [Maamari 2003]
1223 Inspirer Destineacute surtout au domaine de lrsquoarchitecture avec comme fonctionnaliteacutes les calculs de lrsquoeacuteclairage les analyses de visibiliteacute et la visualisation des projets Pour le calcul de lrsquoeacuteclairage il utilise des approches hybrides surtout la meacutethode bi-directionnelle de Monte Carlo au Lancer de Rayons Ce qui diffeacuterencie le plus ce logiciel est lrsquoutilisation des formules de BRDF qui permet de respecter les variations de reacuteflexion et de transmission (diffuse et speacuteculaire) ainsi que des couleurs selon lrsquoangle drsquoincidence et de vision [Maamari 2003]
1224 DIAL Leso-Dial Le but du logiciel est de donner aux architectes des informations utiles concernant lrsquoutilisation de la lumiegravere de jour dans un bacirctiment degraves la phase de lrsquoavant projet Il calcule le facteur de lumiegravere du jour sur le plan utile gracircce agrave une utilisation hybride de formule analytique et empirique [Paule 1995]
1225 Lightscape 32 Crsquoest un logiciel qui est destineacute agrave des utilisations graphiques mais il offre eacutegalement des fonctionnaliteacutes inteacuteressantes pour la simulation physique de la lumiegravere Il utilise un algorithme de radiositeacute pour le calcul quantitatif et un algorithme de lancier de rayons pour lrsquoameacutelioration qualitative et visuelle des images de synthegraveses Ce logiciel est deacutecrit en deacutetail dans la partie IV11 de ce document [Khodulev 1996] [Maamari 2002]
1226 Radiance Le logiciel Radiance utilise un algorithme de lancer inverse de rayons Le lancer des rayons peut ecirctre stoppeacute si leur eacutenergie est jugeacutee insuffisante Les rayons reacutefleacutechis peuvent ecirctre geacuteneacutereacutes selon une fonction de distribution permettant la simulation de reacuteflexions speacuteculaires semi-speacuteculaires ou diffuses Ce lancer de rayons est compleacuteteacute drsquoun calcul statistique de reacuteflexion diffuse pour distribuer le flux reacutesiduel [Ward 1994] [Grynberg 1988]
1227 Superlite Le logiciel Superlite utilise une meacutethode point agrave point de radiositeacute Toutes les surfaces sont supposeacutees ecirctre parfaitement diffusantes Crsquoest la meacutethode la plus rapide mais elle est toutefois limiteacutee aux surfaces diffuses [Grynberg 1988]
I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels Lrsquoutilisation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage se geacuteneacuteralise de plus en plus dans le domaine de conception en eacuteclairage et au-delagrave Ainsi de nos jours ces logiciels sont utiliseacutes aussi bien par des bureaux drsquoeacutetude du bacirctiment et des architectes que par des deacuteveloppeurs de jeu videacuteo Les applications peuvent ecirctre entre autres [IESNA 1999] [3D-lumiegravere 2000] [Maamari 2002]
1 La conception en eacuteclairage artificiel Que ce soit pour lrsquoeacuteclairage inteacuterieur des bacirctiments lrsquoeacuteclairage des faccedilades des monuments des voiries des trottoirs ou lrsquoeacuteclairage des
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Chapitre I
tunnels etc Elle comprend entre autre le dimensionnement des systegravemes lrsquoanalyse du confort visuel et de la consommation etc
2 La conception en eacuteclairage naturel dimensionnement des ouvertures et des protections solaires orientation des projets analyse de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour et eacutetudes des FLJhellip
3 Le rendu et la preacutesentation des projets par les architectes et par les deacutecorateurs drsquointeacuterieur 4 La creacuteation de scegravenes de reacutealiteacute virtuelle pour le monde du cineacutema de la publiciteacute ou des
jeux videacuteohellip 5 La conception mecircme des optiques de luminaires ou de phares de voitures
Le domaine drsquoutilisation drsquoun logiciel donneacute deacutepend des fonctionnaliteacutes proposeacutees par ce logiciel de ses capaciteacutes agrave simuler avec un certain degreacute de fiabiliteacute et de faciliteacute les diffeacuterents domaines de la propagation de la lumiegravere en relation avec les besoins de lrsquoutilisateur
Bien que les algorithmes de calcul utiliseacutes dans les logiciels se ressemblent ces derniers ne sont pas tous adapteacutes pour les mecircme types drsquoapplications et ne reacutepondent pas aux mecircmes besoins
Ainsi certains utilisateurs cherchent en prioriteacute la faciliteacute drsquoutilisation des fonctionnaliteacutes en relation avec leur propre activiteacute en deacutepit des autres fonctionnaliteacutes et mecircme parfois en deacutepit de la validiteacute des reacutesultats Drsquoailleurs crsquoest agrave cause de ce contexte que des deacuteveloppeurs de logiciels commerciaux ont tendance agrave proposer des interfaces et des fonctionnaliteacutes optimiseacutees et orienteacutees vers un domaine drsquoapplication donneacute Ainsi nous commenccedilons agrave trouver par exemple des logiciels deacutedieacutes agrave la conception de lrsquoeacuteclairage public etou des tunnels (ex Tunnel-Lite) drsquoautres agrave la conception des protections solaires (ex ParaSol) etc
Cependant il est encore difficile de nos jours agrave un concepteur de bacirctiment de savoir quel est le ou les logiciels existants qui reacutepondent le mieux agrave ses propres besoins Crsquoest ce qui ressort dans les diffeacuterentes enquecirctes meneacutees sur lrsquoutilisation des logiciels en particulier celle meneacutee par le club 3D-Lumiegravere [3D-lumiegravere 2000] et celle que nous avons meneacutee au Light and Building 2002 [Maamari 2002] (voir annexe D) Nous notons par exemple dans ces deux enquecirctes lrsquoutilisation par des concepteurs lumiegravere de logiciels graphiques (Photoshop) en tant qursquooutils de conception
I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I31 Introduction Comme son nom lrsquoindique un logiciel de simulation de lrsquoeacuteclairage est supposeacute simuler la reacutealiteacute Mais la fideacuteliteacute de la simulation agrave la reacutealiteacute est loin drsquoecirctre veacuterifieacutee pour tous les logiciels existants sur le marcheacute international
Drsquoailleurs le niveau de preacutecision et de similitude (entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage et la reacutealiteacute) exigeacute ou souhaiteacute par les diffeacuterents utilisateurs nrsquoest pas neacutecessairement le mecircme et peut varier largement selon la speacutecificiteacute de leurs domaines drsquoactiviteacute [Maamari 2002]
Ainsi pour des utilisateurs qui srsquointeacuteressent uniquement au rendu graphique une image de synthegravese reacutealiste sans ecirctre neacutecessairement proche de la reacutealiteacute peut ecirctre suffisante Pour eux la question de la validation scientifique du logiciel utiliseacute ne se pose pas trop
Alors que pour des utilisateurs qui comptent extraire drsquoune simulation des cartes de luminances pour analyser le confort visuel de lrsquooccupant la validiteacute du logiciel devient drsquoune
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Chapitre I
importance de premier ordre Ceci est eacutegalement vrai pour les concepteurs en eacuteclairage qui ont besoin de veacuterifier que le niveau drsquoeacuteclairement est suffisant sur le plan de travail
Mais quel que soit le niveau de preacutecision souhaiteacute il est important pour un futur utilisateur de savoir la preacutecision qursquoil peut attendre de la part du logiciel qursquoil souhaite utiliser pour un type donneacute de tacircches Cette information est mecircme indispensable pour aboutir agrave une utilisation responsable des logiciels de simulation mais cela ne peut ecirctre possible qursquoagrave travers une validation rigoureuse et transparente de ce logiciel
Une validation rigoureuse et transparente des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage est une tacircche immense et drsquoune complexiteacute non neacutegligeable Ce qui est vrai pour tous les logiciels baseacutes sur des lois physiques comme par exemple les logiciels de simulation thermique
Cette complexiteacute est drsquoautant plus vraie quand on srsquointeacuteresse agrave lrsquoorientation du choix des utilisateurs vers un logiciel qui reacutepond le mieux agrave leurs propres besoins Dans ce contexte on souhaite veacuterifier la capaciteacute du logiciel agrave simuler avec preacutecision les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere lieacutes au domaine drsquoutilisation mais aussi on veut comparer cette capaciteacute agrave drsquoautres logiciels existants
La multitude des aspects qui entrent en jeu dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere combineacutee agrave la diversiteacute des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage contribuent agrave cette complexiteacute
Ainsi un logiciel capable de simuler des luminaires agrave optique diffusante nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler un luminaire avec une optique asymeacutetrique De mecircme un logiciel capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour agrave travers un vitrage ordinaire nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave travers un vitrage ou un systegraveme de protection solaire agrave aspect bidirectionnel etc
Nous preacutesentons ci-dessous une eacutetude bibliographique sur lrsquoeacutetat de lrsquoart du domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I32 Diffeacuterents types de validation En ce qui concerne les types de travaux de validation reacutealiseacutes nous avons pu identifier les suivants
I321 La validation analytique La validation analytique comme son nom lrsquoindique porte sur des cas theacuteoriques pour lesquels il existe des lois analytiques Ces lois sont issues des notions de base de la science physique lieacutees au rayonnement eacutelectromagneacutetique
Les travaux de validation baseacutes sur des reacutefeacuterences analytiques sont assez rares parmi les travaux reacutealiseacutes que nous avons pu trouver lors de notre recherche bibliographique
Cependant la validation analytique preacutesente des avantages consideacuterables comme la possibiliteacute de limiter les paramegravetres lieacutes agrave la propagation de la lumiegravere qui entrent en jeu dans un sceacutenario test Nous notons aussi lrsquoavantage de donner des solutions de reacutefeacuterences avec des incertitudes nulles ou neacutegligeables
En contrepartie la validation analytique ne peut couvrir que des domaines limiteacutes de la propagation de la lumiegravere Ce sont en geacuteneacuteral des cas de figures simples pour lesquels existe une loi theacuteorique [Aizlewood 1997]
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I322 La validation expeacuterimentale Dans ce type de validation les reacutesultats des logiciels sont compareacutes agrave des mesures expeacuterimentales Ces mesures peuvent ecirctre reacutealiseacutees dans
a des maquettes drsquoeacutetude agrave eacutechelle reacuteduite [Caroll 1999] b des cellules tests agrave eacutechelle 11 c ou des piegraveces reacuteelles [Galasiu 1998] [Jarvis 1997]
Quel que soit le type des mesures reacutealiseacute la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales agrave utiliser pour des travaux de validation est confronteacutee agrave des obstacles consideacuterables
Le premier est lieacute aux sources drsquoerreur introduites lors de la description du sceacutenario expeacuterimental afin de le reproduire dans une simulation numeacuterique
Lrsquoimportance de cet obstacle est aggraveacutee par la multitude des paramegravetres qui entrent en jeu dans un sceacutenario expeacuterimental et par lrsquointeraction entre les sources drsquoerreurs lieacutees agrave chacun de ces paramegravetres
A titre drsquoexemple les sources drsquoerreur peuvent survenir lors de la description de la source de lumiegravere (artificielle ou reacuteelle) lors de la description de la photomeacutetrie des mateacuteriaux (reacuteflexion bidirectionnelle caracteacuteristiques spectraleshellip) etc
Un autre obstacle est ducirc agrave lrsquoincertitude qui existe dans la valeur mesureacutee et cela quelle que soit la preacutecision du protocole expeacuterimental appliqueacute Cette incertitude est lieacutee en partie agrave la preacutecision de lrsquoappareil de mesure et agrave son positionnement
Ducirc agrave tous ces obstacles la comparaison entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique et les mesures expeacuterimentales permet difficilement de conclure sur la preacutecision du logiciel testeacute
Il est aussi important de noter qursquoun des plus grands obstacles agrave la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales fiables reste celui des moyens techniques financiers et humains neacutecessaires aux expeacuterimentations
I323 La validation comparative Elle porte sur une comparaison des reacutesultats de simulation de plusieurs logiciels entre eux Cela peut ecirctre fait avec lrsquoexistence ou non drsquoune reacutefeacuterence expeacuterimentale ou analytique
Lrsquoavantage des comparaisons est de donner la possibiliteacute aux utilisateurs de mieux choisir entre plusieurs logiciels selon leur performance dans un domaine donneacute de la simulation
Cependant lrsquoutilisation des reacutesultats drsquoune comparaison afin de juger des logiciels les uns par rapport aux autres neacutecessite un maximum de transparence en particulier sur la complexiteacute des proceacutedures et sur le temps de calcul neacutecessaire pour obtenir ces reacutesultats [Grynberg 1988] [Fontoynont 1999] [Maamari 2003]
I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes Les travaux de validation reacutealiseacutes sur des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage ne manquent pas en nombre cependant crsquoest la creacutedibiliteacute de ces travaux qui nrsquoest pas toujours veacuterifieacutee
En ce qui concerne les rares travaux de validation existants qui beacuteneacuteficient drsquoune creacutedibiliteacute scientifique ou celle drsquoun organisme agreacuteeacute nous citons les suivants
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Chapitre I
I331 Le travail de Khodulev et Kopylov Ce travail reacutealiseacute et publieacute par Andrei B Khodulev et Edward A Kopylov en 1996 [Khodulev 1996] est lrsquoun des rares travaux de validation qui ont utiliseacute une reacutefeacuterence analytique
Le travail porte sur une validation comparative entre les logiciels Lightscape Specter et Radiance Une description des trois logiciels est donneacutee portant sur plusieurs critegraveres y compris lrsquointerface utilisateur
Un des sceacutenarios utiliseacutes pour la comparaison est celui drsquoune piegravece cubique fermeacutee avec une source lumineuse isotrope au centre La comparaison porte sur lrsquoeacuteclairement au niveau des points de mesure situeacutes sur le sol La valeur de reacutefeacuterence de cet eacuteclairement est calculeacutee semi-analytiquement pour prendre en consideacuteration la composante reacutefleacutechie interne
I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE Ce rapport repreacutesente un exemple ideacuteal sur la creacuteation des donneacutees expeacuterimentales fiables pour la validation des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage [Slater 2002]
Le travail deacutecrit dans ce rapport porte sur un protocole expeacuterimental qui a eacuteteacute deacutefini et conduit drsquoune maniegravere remarquablement rigoureuse dans une cellule test agrave eacutechelle 11 Le but est de creacuteer une base de donneacutees expeacuterimentales pour la validation des logiciels de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel
Le rapport comprend une description preacutecise du sceacutenario expeacuterimental y compris les dimensions de la geacuteomeacutetrie (une piegravece carreacutee) la position des lampes ou des luminaires la position des points de mesure ainsi que le coefficient de reacuteflexion des surfaces La description du sceacutenario comprend aussi les fichiers photomeacutetriques des luminaires au format CIBSE TM 14 sachant que la photomeacutetrie reacuteelle de chaque luminaire a eacuteteacute mesureacutee seacutepareacutement dans un laboratoire agreacuteeacute
Le protocole expeacuterimental comprend un controcircle du flux lumineux agrave travers lrsquoobservation et le controcircle des fluctuations du courant eacutelectrique et de la tempeacuterature de la piegravece Les lampes et les ballasts ont eacuteteacute vieillis Les lampes ont eacuteteacute preacutechauffeacutees une heure avant les mesures
Les capteurs ont eacuteteacute calibreacutes et fixeacutes sur un trolley afin de garantir la reacutepeacutetitiviteacute de leur position Six diffeacuterentes mesures ont eacuteteacute prises pour chaque point agrave lrsquoaide de deux capteurs diffeacuterents la moyenne de ces mesures a eacuteteacute utiliseacutee comme reacutefeacuterence
Une estimation des erreurs de mesures a eacuteteacute calculeacutee ainsi que des erreurs de simulation dues agrave lrsquoincertitude dans la description du sceacutenario Les reacutesultats ont alors eacuteteacute preacutesenteacutes sous forme de deux bandes de valeurs la premiegravere bande est celle des mesures prises + ou ndash lrsquoestimation des erreurs de mesure et lrsquoautre est celle des mesures + ou ndash le total des erreurs estimeacutees y compris les erreurs de simulation
I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA Ce travail a eacuteteacute meneacute dans le cadre de la tache 21 de lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie intituleacutee lumiegravere naturelle dans les bacirctiments En effet un projet a eacuteteacute deacutedieacute au thegraveme de la validation des logiciels de calcul en eacuteclairage et a fait lrsquoobjet drsquoune collaboration entre les laboratoires de six nations diffeacuterentes parmi lesquels le Laboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Fontoynont 1999] [Maamari 2002]
Dans le cadre de ce projet des donneacutees expeacuterimentales ont eacuteteacute reacutecolteacutees agrave travers des mesures drsquoeacuteclairement agrave lrsquointeacuterieur drsquoune seacuterie de maquettes agrave eacutechelle reacuteduite placeacutees sous des ciels
44
Chapitre I
artificiels Trois bacirctiments types ont eacuteteacute testeacutes sous plusieurs configurations en changeant les types drsquoouverture etou les coefficients de reacuteflexion des surfaces
Les sceacutenarios expeacuterimentaux ont eacuteteacute simuleacutes agrave lrsquoaide des logiciels drsquoeacuteclairage naturel Adeline Genelux Leso-DIAL Radiance et Superlite Les reacutesultats des simulations ont eacuteteacute compareacutes entre les diffeacuterents logiciels et confronteacutes aux mesures expeacuterimentales
Cette comparaison a montreacute que le calcul des eacuteclairements agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment dus agrave lrsquoeacuteclairage naturel demande une description minutieuse des luminances des portions de la voucircte ceacuteleste vues par la fenecirctre Les eacuteclairements directs agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment sont alors calculeacutes avec une preacutecision de lrsquoordre de 5 La preacutecision des calculs des reacuteflexions multiples agrave lrsquointeacuterieur de la piegravece deacutepend quant agrave elle des proprieacuteteacutes des surfaces inteacuterieures et en particulier de la lrsquoaspect bidirectionnel de ces surfaces
Cette eacutetude a montreacute finalement que les programmes doivent ecirctre utiliseacutes avec beaucoup de preacutecautions car les reacutesultats de simulation sont tregraves sensibles agrave la qualiteacute des hypothegraveses et des paramegravetres drsquoentreacutee description de la source de lumiegravere geacuteomeacutetrie du bacirctiment paramegravetres de simulation
I34 Analyse de la probleacutematique Drsquoapregraves la recherche bibliographique preacutesenteacutee ci-dessus sur le domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage nous pouvons reacutesumer la probleacutematique de ce domaine dans les points suivants
1 Difficulteacute drsquoaccegraves agrave lrsquoinformation Elle est due en particulier agrave lrsquoabsence de sources publiques speacutecialiseacutees dans le domaine
2 Manque de transparence Ainsi nous trouvons souvent des reacutesultats de validation preacutesenteacutes sans suffisamment drsquoinformation sur les proceacutedures qui ont abouti agrave ces reacutesultats
3 Manque de creacutedibiliteacute une partie importante des travaux de validation existants est reacutealiseacutee par les deacuteveloppeurs des logiciels testeacutes les sources drsquoincertitudes dans les valeurs de reacutefeacuterence ne sont souvent pas prises en consideacuteration etc
4 Manque de travaux concluants sur la validiteacute du logiciel testeacute Ceci est ducirc en partie agrave la complexiteacute des sceacutenarios expeacuterimentaux et agrave la restriction des domaines testeacutes Ainsi il est rarement possible drsquoidentifier avec certitude les points de faiblesse et les domaines drsquoapplication drsquoun logiciel testeacute
5 Absence de reacutefeacuterences standardiseacutees Ce qui fait qursquoun certain aspect de la propagation de la lumiegravere est testeacute dans diffeacuterents logiciels avec des protocoles diffeacuterents Ce qui ne permet pas une comparaison transparente et objective entre ces diffeacuterents logiciels
6 Manque de validations analytiques malgreacute les avantages de ce type de validation
En reacuteponse aux problegravemes listeacutes ci-dessus nous identifions en particulier le besoin drsquoune standardisation et drsquoune mise agrave disposition des reacutefeacuterences de validation fiables de preacutefeacuterence sous la garantie et le controcircle drsquoun ou plusieurs organismes creacutedibles
I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
I351 Introduction Le premier objectif qursquoon pourrait attendre des travaux de validation crsquoest de pouvoir ameacuteliorer la confiance des utilisateurs dans les logiciels de simulation A savoir qursquoameacuteliorer la confiance ne veut pas forceacutement dire lrsquoaugmenter Mais plutocirct sensibiliser les utilisateurs aux capaciteacutes et aux limites des diffeacuterents logiciels dans les diffeacuterents domaines de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Ainsi agrave travers lrsquoidentification des points de faiblesse
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Chapitre I
drsquoun logiciel et de ces domaines drsquoapplication on pourra aboutir agrave une utilisation responsable de ces logiciels
Drsquoougrave le besoin drsquoune meacutethodologie de validation qui permet de tester la capaciteacute drsquoun logiciel agrave simuler les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Cette meacutethodologie doit eacutegalement palier les deacutefaillances rencontreacutees dans le domaine agrave noter creacutedibiliteacute fiabiliteacute et accessibiliteacute
I352 Concept et approche proposeacutes Pour atteindre les objectifs fixeacutes ci-dessus la meacutethodologie de validation proposeacutee repose un concept de base qui est celui de tester seacutepareacutement les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Ceux-ci peuvent ecirctre classeacutes sous 3 grands groupes
1 La description de la source de lumiegravere et le calcul de lrsquoeacuteclairement direct 2 Le transfert du flux lumineux agrave travers les composants de la fenecirctre et lrsquoinfluence des
masques 3 Les inter-reacuteflexions sur les diffeacuterents mateacuteriaux avec diffeacuterentes photomeacutetries
Pour appliquer ce concept cette meacutethodologie de validation est baseacutee sur une seacuterie de cas-tests chacun traitant un sceacutenario drsquoeacuteclairage simple (un nombre limiteacute de paramegravetres) ougrave un certain aspect de la propagation de lumiegravere est mis en eacutevidence La description des cas-tests comprend la geacuteomeacutetrie les sources de lumiegravere ainsi qursquoune seacuterie de valeurs de reacutefeacuterence agrave utiliser pour tester la capaciteacute du logiciel agrave simuler lrsquoaspect en question Ces valeurs de reacutefeacuterence sont obtenues soit agrave lrsquoaide drsquoun calcul analytique quand crsquoest possible (pour des sceacutenarios theacuteoriques) ou bien agrave partir de mesures expeacuterimentales
Ainsi chaque cas-test est applicable agrave tout logiciel proposant des fonctionnaliteacutes lieacutees agrave lrsquoaspect traiteacute (dans ce cas-test) indeacutependamment des algorithmes utiliseacutes des meacutethodes de calcul adopteacutees ou des paramegravetres utiliseacutes
Cependant il est possible drsquoassocier agrave chaque test une eacutetude parameacutetrique propre agrave chaque logiciel Une telle eacutetude permet de mieux comprendre lrsquoinfluence des diffeacuterents paramegravetres proposeacutes sur la preacutecision du logiciel dans un aspect donneacute de la propagation de la lumiegravere
Pour une utilisation optimale de cette meacutethodologie de validation les cas-tests doivent couvrir tous les aspects de la propagation de la lumiegravere Ils seront alors utiliseacutes en tant qursquooutil unique et complet pour tester un logiciel donneacute
Une comparaison geacuteneacuterale des reacutesultats des simulations drsquoun logiciel donneacute aux valeurs de reacutefeacuterences de la seacuterie de cas-tests donnera une ideacutee claire sur les domaines ougrave le logiciel testeacute respecte ou non les lois physiques Ceci permettra agrave un utilisateur de veacuterifier si ce logiciel est compatible avec son propre domaine drsquoactiviteacute et agrave un deacuteveloppeur de veacuterifier si son logiciel a atteint les perspectives souhaiteacutees
De la mecircme faccedilon une comparaison entre les reacutesultats de diffeacuterents logiciels et les valeurs de reacutefeacuterence permet drsquooffrir une vision objective sur le logiciel qui reacutepond le mieux agrave une exigence donneacutee
46
Chapitre I
Conclusions Suite agrave notre eacutetude bibliographique sur le domaine de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage nous avons orienteacute le travail de cette thegravese (agrave travers les chapitres suivants) de faccedilon agrave reacutepondre agrave certains des problegravemes identifieacutes dans ce domaine
Ainsi en ce qui concerne le manque de fiabiliteacute dans les travaux de validation des logiciels nous deacuteveloppons la meacutethode de validation que nous avons proposeacutee Dans ce cadre nous creacuteons une seacuterie de cas-tests en relation avec diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere traiteacutes ci-dessus Ces cas-tests sont reacutepartis en deux familles lrsquoune avec des sceacutenarios theacuteoriques et des reacutefeacuterences analytiques et lrsquoautre avec des reacutefeacuterences expeacuterimentales reacutepondant agrave des critegraveres de controcircle de qualiteacute que nous avons deacutefinis
En ce qui concerne la difficulteacute de simuler des sceacutenarios reacuteels de lumiegravere naturelle nous proposons et validons une meacutethode de simulation agrave partir des cartes de luminances reacuteelles agrave haute deacutefinition
Finalement nous proposons et nous validons une meacutethode de simulation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquoaide des luminaires eacutequivalents Cette meacutethode permet agrave la simulation de la lumiegravere de jour de beacuteneacuteficier de la preacutesence confirmeacutee des outils de simulation de la lumiegravere artificielle dans le domaine de la conception des bacirctiments Elle permet eacutegalement de surmonter un nombre de difficulteacutes rencontreacutees dans certains logiciels classiques de simulation la lumiegravere naturelle en particulier celles lieacutees agrave la preacutecision des reacutesultats par rapport au temps de calcul et agrave la simulation des masques exteacuterieurs
47
Chapitre I
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48
Chapitre I
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Chapitre I
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Chapitre I
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Chapitre I
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Chapitre I
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Chapitre I
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- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
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- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
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- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
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- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
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- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
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- I22 Exemples types des logiciels existants
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- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
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- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
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- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
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- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
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- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
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- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
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- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
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- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
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- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
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- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
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- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
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Chapitre I
La prise en consideacuteration des parois vitreacutees du sol et des masques exteacuterieurs peut varier entre les diffeacuterents logiciels Ainsi lrsquoinfluence de ces eacuteleacutements (vitrage store veacutenitien masque vertical ou horizontalhellip) peut ecirctre calculeacutee analytiquement dans un logiciel et agrave lrsquoaide drsquoun lancer de rayon ou un calcul de radiositeacute dans un autre Le premier cas ne neacutecessite qursquoune description parameacutetrique (type de vitrage couleur et orientation des lames angle drsquoobstructionhellip) et le deuxiegraveme neacutecessite une modeacutelisation preacutecise des eacuteleacutements
I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie Bien que certains logiciels offrent la possibiliteacute drsquoune automatisation de lrsquoentreacutee de la geacuteomeacutetrie 3D cellendashci est en fin de compte deacutecrite par un ensemble de polygones deacutefinis par les coordonneacutees carteacutesiennes de leurs sommets (x y z)
Pour les logiciels de simulation qui nrsquooffrent pas une interface de DAO pour lrsquoentreacutee de la geacuteomeacutetrie il est possible drsquoimporter cette derniegravere agrave partir drsquoun logiciel de DAO externe [IESNA 1999] La plupart des logiciels de simulation sont compatibles avec le format DXF creacuteeacute par Autodesk et standardiseacute par la suite pour le transfert de donneacutees geacuteomeacutetriques [Autodesk 1999]
Parmi les logiciels de DAO souvent utiliseacutes pour modeacuteliser la geacuteomeacutetrie 3D nous citons AutoCAD ArchiCAD et Microstation Cependant lorsqursquoune geacuteomeacutetrie est deacutecrite agrave lrsquoaide drsquoun logiciel externe il est important de prendre certaines preacutecautions dans le mode de dessin afin de garantir une meilleure compatibiliteacute avec la plupart des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
Les preacutecautions agrave prendre et leurs importances sont diffeacuterentes drsquoun logiciel agrave un autre mais souvent le but est drsquoeacuteviter les confusions lors du transfert qui peuvent mener agrave des erreurs de calcul Par exemple il peut srsquoagir de respecter la notion de lrsquoorientation des surfaces qui est importante dans certains logiciels ou bien de limiter la modeacutelisation des surfaces de la geacuteomeacutetrie aux parties apparentes pour eacuteviter les fausses ombres [Foley 1990]
I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade La propagation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquointeacuterieur drsquoun bacirctiment deacutebute par un transfert des flux agrave travers les parois vitreacutees Ainsi il est important de prendre ces derniegraveres en consideacuteration pour une preacutediction preacutecise de lrsquoeacuteclairage naturel dans un bacirctiment
La caracteacuterisation drsquoun composant drsquoune paroi vitreacutee en transmission lumineuse se fait geacuteneacuteralement agrave travers des mesures goniophotomeacutetriques Ainsi agrave partir drsquoune seacuterie de mesures de transmission en direct-direct seront deacuteduites les fonctions de transfert direct-heacutemispheacuterique et heacutemispheacuterique-heacutemispheacuterique qui caracteacuterisent un mateacuteriau donneacute [CIE 1998]
Cependant une paroi vitreacutee peut se preacutesenter sous diffeacuterentes formes agrave diffeacuterents niveaux de complexiteacute Nous listons ci-dessous les principaux cas de figures
I141 Ouverture simple Le cas le plus basique est celui drsquoune simple ouverture sans vitrage Lrsquoinfluence drsquoune telle ouverture sur la propagation de la lumiegravere naturelle se limite agrave sa dimension et son eacutepaisseur qui deacuteterminent la partie du champ de luminances externe rendue visible aux points inteacuterieurs Lrsquoaspect directionnel qualitatif et quantitatif du flux lumineux incident est conserveacute lors du passage agrave travers cette ouverture et ne subit aucune deacuteviation ni atteacutenuation (si ce nrsquoest la reacuteflexion sur les bords)
33
Chapitre I
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel se fait souvent agrave lrsquoaide drsquoun maillage de sa surface La luminance apparente des mailles est ensuite calculeacutee (agrave partir de la luminance de la zone du ciel apparente agrave travers cette maille par un point donneacute) et finalement est calculeacutee la contribution de chaque maille agrave lrsquoeacuteclairement du point eacutetudieacute
Dans un certain nombre de logiciels le calcul commence par une deacutetection du champ de vision drsquoun point de mesure agrave travers lrsquoouverture Cette deacutetection se fait geacuteneacuteralement agrave lrsquoaide drsquoun lancer de rayons qui permet de deacutefinir les limites du masque constitueacute par les murs entourant lrsquoouverture
I142 Vitrage classique Dans le cas drsquoune ouverture vitreacutee (vitrage classique) le flux incident subit lrsquoinfluence de la transmission directionnelle du vitrage Cette transmission diminue avec lrsquoaugmentation de lrsquoangle drsquoincidence du rayonnement lumineux et varie selon le type de vitrage (simple double teinteacutehellip)
Il existe plusieurs reacutefeacuterences pour deacuteterminer la variation theacuteorique de la transmission lumineuse drsquoun vitrage avec lrsquoangle drsquoincidence Mais en geacuteneacuteral la majoriteacute drsquoun flux lumineux transmis agrave travers un vitrage classique est supposeacute garder sa directionnaliteacute (angle de transmission = angle drsquoincidence) et ne subit qursquoune simple atteacutenuation selon lrsquoangle drsquoincidence [Hopkinson 1966] [Hopkinson 1966 Tregenza 1993]
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture vitreacutee dans une simulation drsquoeacuteclairage naturel suit le mecircme principe que pour une ouverture non vitreacutee mais en plus une atteacutenuation de la contribution drsquoune maille agrave lrsquoeacuteclairement drsquoun point est calculeacutee selon lrsquoangle drsquoincidence entre cette maille et ce point de mesure Cependant certains logiciels ne prennent pas en consideacuteration la transmission directionnelle drsquoun vitrage et se contentent drsquoaffecter un facteur de transmission uniforme
I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel Il existe sur le marcheacute de la construction de plus en plus de vitrages agrave proprieacuteteacutes bi-directionnelles dont le but est souvent de favoriser le cheminement drsquoun flux lumineux incident dans une direction donneacutee (Laser Cut Panel Serraglaze etc) Par exemple dans le cas drsquoune ouverture verticale lrsquoobjectif est souvent de favoriser lrsquoorientation du flux transmis vers le plafond afin de permettre une entreacutee plus profonde de la lumiegravere et afin drsquoeacuteviter ou au moins drsquoatteacutenuer les taches solaires Dans le cas drsquoune ouverture zeacutenithale lrsquoobjectif est de favoriser lrsquoentreacutee verticale de la lumiegravere provenant de toutes les directions de lrsquoheacutemisphegravere exteacuterieur
Le flux lumineux incident sur ce type de mateacuteriaux est transmis avec changement drsquoorientation partielle ou totale dans le mecircme plan drsquoincidence ou bien dans tout lrsquoheacutemisphegravere de sortie
La prise en consideacuteration drsquoun mateacuteriau agrave transmission bidirectionnelle dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel est drsquoune complexiteacute importante Elle neacutecessite lrsquoutilisation des fonctions de transfert bidirectionnelles dite BTDF qui sont assez lourdes en calcul Les logiciels permettant ce type de simulations sont encore assez rares et limiteacutes au domaine de la recherche scientifique [Fontoynont 1999] [Greenup 2000] [Andersen 2003]
34
Chapitre I
I144 Eleacutements de protection solaire Le rocircle des eacuteleacutements de protection solaire est de bloquer drsquoatteacutenuer ou de reacuteorienter la lumiegravere directe du soleil Parmi les types les plus utiliseacutes nous citons en particulier les stores veacutenitiens (agrave effet de reacuteorientation) les brises soleil (agrave effet de masque) et les stores en toile (agrave effet de diffusion)
La prise en consideacuteration des eacuteleacutements de protection solaires dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel deacutepend de leur type Par exemple les protections solaires agrave effet de masque neacutecessitent un simple calcul de lancer de rayons alors que la simulation des eacuteleacutements agrave effet de reacuteorientation suit le mecircme principe que pour les vitrages bidirectionnels [Klems 1995] [Shareef 2001]
I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux Pour caracteacuteriser le comportement des parois vitreacutees afin de mieux les prendre en consideacuteration dans le calcul ou la simulation de lrsquoeacuteclairage on a recours aux mesures goniophotomeacutetriques
Ces mesures peuvent srsquoaveacuterer drsquoune grande complexiteacute en particulier dans le cas des mateacuteriaux bidirectionnels puisqursquoils neacutecessitent des mesures heacutemispheacuteriques en entreacutee et en sortie
De nos jours plusieurs deacuteveloppements sont en cours afin de simplifier les proceacutedures de mesure ou de conduire ces mesures numeacuteriquement agrave lrsquoaide drsquoalgorithmes physiques [Mitanchey 1995] [Andersen 2003] [Andersen 2003] [De Boer 2003]
Drsquoautres efforts sont eacutegalement investis dans le but de simplifier la preacutesentation des donneacutees goniophotomeacutetriques [Roy 1995] [Mitanchey 1996] [IEA-SHC 1999]
I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux Si lrsquoeacuteclairage direct reccedilu des sources de lumiegravere (naturelles ou artificielles) est un eacuteleacutement de base dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere lrsquoeacuteclairage dit indirect nrsquoest pas de moindre importance
En effet lrsquoeacuteclairage indirect ducirc aux inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les diffeacuterentes surfaces drsquoune scegravene peut repreacutesenter une proportion importante de lrsquoeacuteclairement total par rapport agrave lrsquoeacuteclairement direct Crsquoest le cas notamment des luminaires indirects ou des systegravemes de reacute-acheminement de la lumiegravere directe du soleil
Les inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie deacutependent de la photomeacutetrie de ces surfaces (ou des mateacuteriaux qui les constituent) Cette photomeacutetrie est caracteacuteriseacutee en particulier par trois paramegravetres
- Le facteur de reacuteflexion global - La directionnaliteacute de la lumiegravere reacutefleacutechie - Lrsquoinfluence spectrale sur la lumiegravere reacutefleacutechie
Le premier repreacutesente le rapport entre le flux total reacutefleacutechi sur une surface et le flux initial incident Pour faciliter la mesure de ce paramegravetre un nombre de mateacuteriaux standards a eacuteteacute deacutefini comme reacutefeacuterence [CIE 1979] [CIE 1979] [CIE 1998]
Le deuxiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la ou les directions de reacuteflexion drsquoun flux incident avec une direction donneacutee Cette directionnaliteacute deacutepend de la geacuteomeacutetrie microscopique de la surface (apparente) drsquoun mateacuteriau opaque On distingue en particulier deux types de reacuteflexion theacuteoriques Les reacuteflexions parfaitement speacuteculaires et les reacuteflexions
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Chapitre I
parfaitement diffuses Bien que ces cas extrecircmes nrsquoexistent pas dans la reacutealiteacute les lois theacuteoriques relatives sont bien deacutefinies (La loi de Descartes pour le premier et loi de Lambert et les formules de facteur de forme pour le deuxiegraveme) Au-delagrave de ces deux cas theacuteoriques simplifieacutes un nombre de travaux a eacuteteacute meneacute pour deacutecrire des modegraveles analytiques plus complets qui srsquoapprochent mieux de la reacutealiteacute mais qui repreacutesentent un degreacute de complexiteacute plus eacuteleveacute [Trowbridge 1975] [Kajiya 1985] [Uetani 1992] [Balocco 2001] [Deniel 2002]
Dans la majoriteacute des logiciels existants la reacuteflexion de la lumiegravere sur une surface est simuleacutee par une combinaison de reacuteflexions diffuses et speacuteculaires Ainsi une partie du flux est reacutefleacutechie en obeacuteissant agrave la loi de Descartes et une autre partie est diffuseacutee uniformeacutement dans lrsquoespace Les algorithmes utiliseacutes sont eacutegalement en geacuteneacuteral une combinaison de radiositeacute et de lancer de rayons Certains logiciels nrsquoutilisant que les algorithmes de radiositeacute se contentent de supposer les surfaces comme 100 diffuses
Drsquoautres logiciels qui restent assez rares prennent en consideacuteration les fonctions de reacuteflexions bidirectionnelles (BRDF) theacuteoriques ou mesureacutees Cependant il faut noter que de nos jours la preacutecision des mesures de ces fonctions neacutecessite encore des moyens financiers et logistiques trop importants
Le troisiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la qualiteacute spectrale de la lumiegravere reacutefleacutechie par rapport agrave celle de la lumiegravere incidente Elle deacutepend en particulier de lrsquoabsorption spectrale seacutelective du mateacuteriau En effet le facteur drsquoabsorption drsquoun mateacuteriau peut ecirctre plus ou moins eacuteleveacute selon la longueur drsquoonde avec laquelle arrive une partie du flux incident Ainsi le spectre de la lumiegravere reacutefleacutechie peut ecirctre complegravetement diffeacuterent de celui de la lumiegravere incidente Les mateacuteriaux qui ont le mecircme facteur de reacuteflexion pour toutes les longueurs drsquoonde sont dits spectralement neutres [CIE 1986] [Smith 1992] [CIE 1996]
Plusieurs approches sont proposeacutees pour traiter lrsquoaspect spectral ou colorimeacutetrique de la propagation de la lumiegravere Les approches les plus utiliseacutees dans les logiciels de simulation de la lumiegravere sont baseacutees sur une caracteacuterisation agrave trois composantes de la couleur (de la source lumineuse ou des surfaces) Nous citons les systegravemes XYZ (de la CIE) RGB CMY et HSV Cependant si ce type de caracteacuterisation est convenable pour la repreacutesentation des couleurs il srsquoavegravere insuffisant pour simuler la variation du spectre du flux lumineux agrave travers les inter-reacuteflexions sur les surfaces inteacuterieures drsquoun espace [Mitanchey 1996] Pour plus de preacutecision il est alors recommandeacute drsquoutiliser les approches baseacutees sur une discreacutetisation plus ou moins fine du spectre Mais lrsquoimpleacutementation de telles approches dans les logiciels existants est loin drsquoecirctre courante [Smith 1992] [Mitanchey 1996]
I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage Il existe sur le marcheacute international un nombre important de logiciels deacutedieacutes agrave la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Dans une enquecircte meneacutee par le groupe 3D lumiegravere en 2000 aupregraves de 74 professionnels [3D-lumiegravere 2000] environ quarante logiciels ont eacuteteacute citeacutes par les enquecircteacutes comme outils de travail en eacuteclairage Dans une deuxiegraveme eacutetude plus speacutecialiseacutee dans le calcul drsquoeacuteclairage naturel et meneacutee par lrsquoagence international drsquoeacutenergie IEA SHC Task 21-C2 [Fontoynont 1999] vingt cinq logiciels ont eacuteteacute citeacutes Vingt deux de ces logiciels ne sont pas connus par les utilisateurs franccedilais enquecircteacutes par 3D lumiegravere Finalement nous citons lrsquoenquecircte de lrsquoIENSA [IESNA 1999] preacutesentant un nombre de logiciels existants au niveau international
Les logiciels existants diffegraverent entre eux par les algorithmes qursquoils utilisent par leurs approches DAO par la prise en consideacuteration des diffeacuterents types de sources lumineuses par
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Chapitre I
leur capaciteacute agrave simuler les pheacutenomegravenes de propagation de lumiegravere plus ou moins complexes par leur interface utilisateur et finalement par leurs vocations et leurs domaines drsquoapplication
I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage Le rocircle des algorithmes dans une simulation drsquoeacuteclairage est de geacuterer le calcul de la propagation de la lumiegravere entre les sources et les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie puis les inter-reacuteflexions entre ces surfaces
Les algorithmes utiliseacutes dans les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage sont des algorithmes dits drsquoeacuteclairement global (global illumination) puisqursquoils font un calcul tridimensionnel de la propagation de la lumiegravere Ils peuvent ecirctre classeacutes sous deux grandes familles la radiositeacute et le lancer de rayons Ces deux familles tendent agrave avoir des avantages et des inconveacutenients compleacutementaires ce qui fait que certains logiciels utilisent une logique hybride combinant les deux familles [IEA-SHC 1999] [Mitanchey 1996]
1211 Radiositeacute Les algorithmes de radiositeacute utiliseacutes pour le calcul de lrsquoeacuteclairage datent du deacutebut des anneacutees 80 Ils ont eacuteteacute adapteacutes agrave partir des algorithmes de radiositeacute utiliseacutes depuis les anneacutees 60 pour le calcul des eacutechanges radiatifs thermiques sur la base de lrsquoeacutequilibre eacutenergeacutetique
Les algorithmes de radiositeacute procegravedent en geacuteneacuteral agrave une discreacutetisation de lrsquoenvironnement simuleacute agrave travers un maillage (subdivision en petites mailles) des surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie eacuteclaireacutee par une source donneacutee (voir figure I3) Tout drsquoabord un calcul de la lumiegravere directe reccedilue par chaque maille est effectueacute Ensuite chaque maille est traiteacutee comme une source lumineuse eacutemettant une partie du flux lumineux qursquoelle a reccedilu (selon son facteur de reacuteflexion) vers les autres mailles de la geacuteomeacutetrie Cette lumiegravere indirecte subit plusieurs inter-reacuteflexions jusqursquoagrave ce que la quasi-totaliteacute du flux initial soit absorbeacutee
Suite agrave ce calcul on est capable de savoir la quantiteacute de flux lumineux direct et indirect reccedilue et eacutemise par une maille donneacutee et donc lrsquoeacuteclairement et la luminance de cette maille [Scartezzini 1993] [Ashdown 2001]
Figure I3 Exemple drsquoun calcul de Radiositeacute agrave lrsquointeacuterieur drsquoune geacuteomeacutetrie
Bien que le principe geacuteneacuteral de la radiositeacute deacutecrit ci-dessus soit le mecircme pour tous les algorithmes de radiositeacute existants ceux-ci diffegraverent dans la meacutethode adopteacutee pour le maillage de la geacuteomeacutetrie et pour le suivi du flux
La radiositeacute peut ecirctre en principe appliqueacutee agrave tout type de reacuteflexion cependant les algorithmes existants sont encore limiteacutes aux reacuteflexions 100 diffuses Ce qui entraicircne des erreurs plus ou moins importantes selon le comportement reacuteel du mateacuteriau simuleacute La
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Chapitre I
radiositeacute preacutesente aussi quelques autres inconveacutenients dont particuliegraverement un temps de calcul assez long une lourde consommation en meacutemoire et une faible performance en qualiteacute graphique
Cependant le calcul de radiositeacute a lrsquoavantage drsquoecirctre indeacutependant de la position de lrsquoobservateur Ainsi un seul calcul est suffisant pour connaicirctre lrsquoeacuteclairement de tous les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie et pour la visualiser agrave partir drsquoune infiniteacute de points de vue
Une nouvelle geacuteneacuteration drsquoalgorithmes de radiositeacute est apparue en 1988 elle permet drsquoobtenir un reacutesultat graphique immeacutediat qui srsquoameacuteliore progressivement en preacutecision et en qualiteacute visuelle drsquoougrave son nom progressive refinement radiosity [Cohen 1988] [Autodesk 1999]
Une autre eacutevolution des algorithmes de radiositeacute fut le concept de maillage adaptatif ougrave le logiciel commence agrave calculer agrave partir drsquoun maillage de faible preacutecision Ensuite il procegravede agrave des subdivisions suppleacutementaires lagrave ougrave il y a une grande diffeacuterence drsquoeacuteclairement entre les mailles Cette meacutethode conduit agrave une eacuteconomie dans le temps de calcul et dans lrsquoutilisation de meacutemoire
1212 Lancer de rayons La deuxiegraveme famille drsquoalgorithmes est la plus ancienne elle a connu plus de deacuteveloppements et preacutesente une plus grande varieacuteteacute de meacutethodes
Ces meacutethodes ont lrsquoavantage de calculer avec preacutecision lrsquoeacuteclairement direct de calculer les effets speacuteculaires des mateacuteriaux de mieux deacutefinir les ombres et de consideacuterer les reacutefractions agrave travers les surfaces transparentes Crsquoest donc les algorithmes qui donnent les meilleurs reacutesultats graphiques drsquoougrave ce qursquoon appelle le photo-reacutealisme des images de synthegravese
Il existe plusieurs cateacutegories drsquoalgorithmes baseacutees sur le lancer de rayon nous citons les suivantes
Figure I4 Exemple drsquoun calcul de Lancer de rayons (inverse)
1 Traceacute de rayons ou Lancer de rayons depuis lrsquoobservateur dite aussi Lancer inverse de rayons (backward ray tracing) les rayons sont geacuteneacutereacutes depuis lrsquoœil de lrsquoobservateur et cheminent agrave travers des reacuteflexions multiples sur les parois jusqursquoaux sources de lumiegravere (voir figure I4) Ainsi seuls les rayons utiles pour la construction de lrsquoimage seront geacuteneacutereacutes et suivis agrave travers les diffeacuterentes inter-reacuteflexions mais la solution est valide pour un seul point de vue [Whitted 1980]
2 Suivi de rayons ou Lancer direct de rayons (forward ray tracing) cette meacutethode geacutenegravere les rayons lumineux depuis la source vers les surfaces reacuteceptrices quand un rayon atteint une surface il est dirigeacute selon la photomeacutetrie rencontreacutee jusqursquoagrave lrsquoeacutepuisement de son eacutenergie [Fontoynont 1991]
3 Technique statistique de monte-carlo backward ou forward La meacutethode de Monte-Carlo associeacutee agrave des meacutethodes de lancer de rayons a recours agrave une technique statistique
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Chapitre I
pour la distribution des rayons reacutefleacutechis Elle neacutecessite un temps de calcul eacuteleveacute [IEA-SHC 1999]
I22 Exemples types des logiciels existants Les logiciels existants sur le marcheacute international et utiliseacutes comme outils de conception en eacuteclairage peuvent ecirctre classeacutes en diffeacuterentes familles [De Boer 1999] [IESNA 1999]
1 Les logiciels baseacutes sur les formules de base de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel Ces logiciels sont souvent distribueacutes par les constructeurs de luminaires et munis de leur bibliothegraveque de luminaires
2 Des logiciels baseacutes sur des formules de base de calcul en eacuteclairage naturel ou sur des donneacutees empiriques (ou preacute-simuleacutees) Ces logiciels sont souvent deacutedieacutes agrave lrsquoutilisation dans les phases preacuteliminaires de la conception drsquoun projet (ex Dial Sodalight etc)
3 Les logiciels capables de calculer lrsquoeacuteclairage direct uniquement Ils sont tregraves souvent inteacutegreacutes dans des logiciels de DAO Leur objectif est limiteacute agrave lrsquoameacutelioration du rendu graphique drsquoun projet ou au mieux agrave une eacutetude de taches solaires (ex Archicad) Cependant ce type de logiciels devient de plus en plus rare En effet vu leurs potentiels un certain nombre de ces logiciels a eacuteteacute mis agrave niveau par les deacuteveloppeurs et a passeacute ainsi agrave la famille suivante (ex Microstation et 3D Studio)
4 Les logiciels dits drsquoeacuteclairement global Ils utilisent souvent des algorithmes de calcul physique (en particulier de radiositeacute et lancer de rayons) Nous distinguons cependant dans cette cateacutegorie les logiciels deacuteveloppeacutes dans un cadre scientifique (ex Radiance Geacuteneacutelux CSTB) de ceux deacuteveloppeacutes et diffuseacutes dans un cadre commercial (Lightscape Dialuxhellip) En geacuteneacuteral les logiciels commerciaux possegravedent des interfaces plus conviviales mais les logiciels scientifiques offrent des fonctionnaliteacutes plus complegravetes Par exemple certains logiciels scientifiques sont capables de prendre en consideacuteration lrsquoaspect spectral de la propagation de la lumiegravere etou de traiter les fonctions bidirectionnelles Finalement nous notons que les logiciels commerciaux manquent le plus de transparence sur leur fiabiliteacute dans les diffeacuterents domaines drsquoapplication (manque de travaux de validation)
Dans notre travail de thegravese nous nous inteacuteressons en particulier agrave la derniegravere famille Ne pouvant pas enquecircter sur tous les logiciels existants nous nous contentons de citer (par ordre alphabeacutetique) quelques logiciels sur lesquels il y a eu des publications scientifiques et des travaux de validation [Fontoynont 1999]
1221 Adeline Deacuteveloppeacute dans le cadre de lrsquoIEA Adeline a eacuteteacute fondeacute sur les logiciels Superlite et Radiance par le biais drsquoun modeleur graphique et drsquooutils de DAO Ainsi il permet de deacutefinir la geacuteomeacutetrie avec son propre systegraveme de DAO par lrsquoentreacutee manuelle des coordonneacutes carteacutesiennes ou agrave partir drsquoun fichier DXF
Le logiciel est muni drsquoune bibliothegraveque de base de donneacutees de mateacuteriaux de luminaires et de mobilier Il produit des reacutesultats numeacuteriques ou bien graphiques Au-delagrave des eacuteclairements et des luminances Adeline permet de calculer lrsquoeacutenergie consommeacutee par lrsquoeacuteclairage artificiel en fonction des apports de lumiegravere du jour [Erhorn 1998] [Scartezzini 1993]
1222 Genelux Le logiciel Genelux deacuteveloppeacute au laboratoire des sciences de lrsquohabitat utilise un algorithme de lancer direct et suivi de rayons lumineux (Forward Ray tracking) La distribution des rayons reacutefleacutechis est effectueacutee en ayant recours agrave une technique statistique de Monte Carlo
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Chapitre I
Dans le cas ougrave les surfaces seraient parfaitement diffusantes il est possible de faire appel agrave un algorithme baseacute sur la meacutethode de radiositeacute afin de reacuteduire les temps de simulation Genelux peut modeacuteliser les surfaces speacuteculaires diffuses ou mixtes en transmission etou reacuteflexion Il peut eacutegalement prendre en consideacuteration des quantiteacutes spectrales en deacutecomposant les rayons incidents par bandes spectrales [Mitanchey 1996] [Maamari 2003]
1223 Inspirer Destineacute surtout au domaine de lrsquoarchitecture avec comme fonctionnaliteacutes les calculs de lrsquoeacuteclairage les analyses de visibiliteacute et la visualisation des projets Pour le calcul de lrsquoeacuteclairage il utilise des approches hybrides surtout la meacutethode bi-directionnelle de Monte Carlo au Lancer de Rayons Ce qui diffeacuterencie le plus ce logiciel est lrsquoutilisation des formules de BRDF qui permet de respecter les variations de reacuteflexion et de transmission (diffuse et speacuteculaire) ainsi que des couleurs selon lrsquoangle drsquoincidence et de vision [Maamari 2003]
1224 DIAL Leso-Dial Le but du logiciel est de donner aux architectes des informations utiles concernant lrsquoutilisation de la lumiegravere de jour dans un bacirctiment degraves la phase de lrsquoavant projet Il calcule le facteur de lumiegravere du jour sur le plan utile gracircce agrave une utilisation hybride de formule analytique et empirique [Paule 1995]
1225 Lightscape 32 Crsquoest un logiciel qui est destineacute agrave des utilisations graphiques mais il offre eacutegalement des fonctionnaliteacutes inteacuteressantes pour la simulation physique de la lumiegravere Il utilise un algorithme de radiositeacute pour le calcul quantitatif et un algorithme de lancier de rayons pour lrsquoameacutelioration qualitative et visuelle des images de synthegraveses Ce logiciel est deacutecrit en deacutetail dans la partie IV11 de ce document [Khodulev 1996] [Maamari 2002]
1226 Radiance Le logiciel Radiance utilise un algorithme de lancer inverse de rayons Le lancer des rayons peut ecirctre stoppeacute si leur eacutenergie est jugeacutee insuffisante Les rayons reacutefleacutechis peuvent ecirctre geacuteneacutereacutes selon une fonction de distribution permettant la simulation de reacuteflexions speacuteculaires semi-speacuteculaires ou diffuses Ce lancer de rayons est compleacuteteacute drsquoun calcul statistique de reacuteflexion diffuse pour distribuer le flux reacutesiduel [Ward 1994] [Grynberg 1988]
1227 Superlite Le logiciel Superlite utilise une meacutethode point agrave point de radiositeacute Toutes les surfaces sont supposeacutees ecirctre parfaitement diffusantes Crsquoest la meacutethode la plus rapide mais elle est toutefois limiteacutee aux surfaces diffuses [Grynberg 1988]
I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels Lrsquoutilisation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage se geacuteneacuteralise de plus en plus dans le domaine de conception en eacuteclairage et au-delagrave Ainsi de nos jours ces logiciels sont utiliseacutes aussi bien par des bureaux drsquoeacutetude du bacirctiment et des architectes que par des deacuteveloppeurs de jeu videacuteo Les applications peuvent ecirctre entre autres [IESNA 1999] [3D-lumiegravere 2000] [Maamari 2002]
1 La conception en eacuteclairage artificiel Que ce soit pour lrsquoeacuteclairage inteacuterieur des bacirctiments lrsquoeacuteclairage des faccedilades des monuments des voiries des trottoirs ou lrsquoeacuteclairage des
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Chapitre I
tunnels etc Elle comprend entre autre le dimensionnement des systegravemes lrsquoanalyse du confort visuel et de la consommation etc
2 La conception en eacuteclairage naturel dimensionnement des ouvertures et des protections solaires orientation des projets analyse de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour et eacutetudes des FLJhellip
3 Le rendu et la preacutesentation des projets par les architectes et par les deacutecorateurs drsquointeacuterieur 4 La creacuteation de scegravenes de reacutealiteacute virtuelle pour le monde du cineacutema de la publiciteacute ou des
jeux videacuteohellip 5 La conception mecircme des optiques de luminaires ou de phares de voitures
Le domaine drsquoutilisation drsquoun logiciel donneacute deacutepend des fonctionnaliteacutes proposeacutees par ce logiciel de ses capaciteacutes agrave simuler avec un certain degreacute de fiabiliteacute et de faciliteacute les diffeacuterents domaines de la propagation de la lumiegravere en relation avec les besoins de lrsquoutilisateur
Bien que les algorithmes de calcul utiliseacutes dans les logiciels se ressemblent ces derniers ne sont pas tous adapteacutes pour les mecircme types drsquoapplications et ne reacutepondent pas aux mecircmes besoins
Ainsi certains utilisateurs cherchent en prioriteacute la faciliteacute drsquoutilisation des fonctionnaliteacutes en relation avec leur propre activiteacute en deacutepit des autres fonctionnaliteacutes et mecircme parfois en deacutepit de la validiteacute des reacutesultats Drsquoailleurs crsquoest agrave cause de ce contexte que des deacuteveloppeurs de logiciels commerciaux ont tendance agrave proposer des interfaces et des fonctionnaliteacutes optimiseacutees et orienteacutees vers un domaine drsquoapplication donneacute Ainsi nous commenccedilons agrave trouver par exemple des logiciels deacutedieacutes agrave la conception de lrsquoeacuteclairage public etou des tunnels (ex Tunnel-Lite) drsquoautres agrave la conception des protections solaires (ex ParaSol) etc
Cependant il est encore difficile de nos jours agrave un concepteur de bacirctiment de savoir quel est le ou les logiciels existants qui reacutepondent le mieux agrave ses propres besoins Crsquoest ce qui ressort dans les diffeacuterentes enquecirctes meneacutees sur lrsquoutilisation des logiciels en particulier celle meneacutee par le club 3D-Lumiegravere [3D-lumiegravere 2000] et celle que nous avons meneacutee au Light and Building 2002 [Maamari 2002] (voir annexe D) Nous notons par exemple dans ces deux enquecirctes lrsquoutilisation par des concepteurs lumiegravere de logiciels graphiques (Photoshop) en tant qursquooutils de conception
I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I31 Introduction Comme son nom lrsquoindique un logiciel de simulation de lrsquoeacuteclairage est supposeacute simuler la reacutealiteacute Mais la fideacuteliteacute de la simulation agrave la reacutealiteacute est loin drsquoecirctre veacuterifieacutee pour tous les logiciels existants sur le marcheacute international
Drsquoailleurs le niveau de preacutecision et de similitude (entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage et la reacutealiteacute) exigeacute ou souhaiteacute par les diffeacuterents utilisateurs nrsquoest pas neacutecessairement le mecircme et peut varier largement selon la speacutecificiteacute de leurs domaines drsquoactiviteacute [Maamari 2002]
Ainsi pour des utilisateurs qui srsquointeacuteressent uniquement au rendu graphique une image de synthegravese reacutealiste sans ecirctre neacutecessairement proche de la reacutealiteacute peut ecirctre suffisante Pour eux la question de la validation scientifique du logiciel utiliseacute ne se pose pas trop
Alors que pour des utilisateurs qui comptent extraire drsquoune simulation des cartes de luminances pour analyser le confort visuel de lrsquooccupant la validiteacute du logiciel devient drsquoune
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Chapitre I
importance de premier ordre Ceci est eacutegalement vrai pour les concepteurs en eacuteclairage qui ont besoin de veacuterifier que le niveau drsquoeacuteclairement est suffisant sur le plan de travail
Mais quel que soit le niveau de preacutecision souhaiteacute il est important pour un futur utilisateur de savoir la preacutecision qursquoil peut attendre de la part du logiciel qursquoil souhaite utiliser pour un type donneacute de tacircches Cette information est mecircme indispensable pour aboutir agrave une utilisation responsable des logiciels de simulation mais cela ne peut ecirctre possible qursquoagrave travers une validation rigoureuse et transparente de ce logiciel
Une validation rigoureuse et transparente des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage est une tacircche immense et drsquoune complexiteacute non neacutegligeable Ce qui est vrai pour tous les logiciels baseacutes sur des lois physiques comme par exemple les logiciels de simulation thermique
Cette complexiteacute est drsquoautant plus vraie quand on srsquointeacuteresse agrave lrsquoorientation du choix des utilisateurs vers un logiciel qui reacutepond le mieux agrave leurs propres besoins Dans ce contexte on souhaite veacuterifier la capaciteacute du logiciel agrave simuler avec preacutecision les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere lieacutes au domaine drsquoutilisation mais aussi on veut comparer cette capaciteacute agrave drsquoautres logiciels existants
La multitude des aspects qui entrent en jeu dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere combineacutee agrave la diversiteacute des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage contribuent agrave cette complexiteacute
Ainsi un logiciel capable de simuler des luminaires agrave optique diffusante nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler un luminaire avec une optique asymeacutetrique De mecircme un logiciel capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour agrave travers un vitrage ordinaire nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave travers un vitrage ou un systegraveme de protection solaire agrave aspect bidirectionnel etc
Nous preacutesentons ci-dessous une eacutetude bibliographique sur lrsquoeacutetat de lrsquoart du domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I32 Diffeacuterents types de validation En ce qui concerne les types de travaux de validation reacutealiseacutes nous avons pu identifier les suivants
I321 La validation analytique La validation analytique comme son nom lrsquoindique porte sur des cas theacuteoriques pour lesquels il existe des lois analytiques Ces lois sont issues des notions de base de la science physique lieacutees au rayonnement eacutelectromagneacutetique
Les travaux de validation baseacutes sur des reacutefeacuterences analytiques sont assez rares parmi les travaux reacutealiseacutes que nous avons pu trouver lors de notre recherche bibliographique
Cependant la validation analytique preacutesente des avantages consideacuterables comme la possibiliteacute de limiter les paramegravetres lieacutes agrave la propagation de la lumiegravere qui entrent en jeu dans un sceacutenario test Nous notons aussi lrsquoavantage de donner des solutions de reacutefeacuterences avec des incertitudes nulles ou neacutegligeables
En contrepartie la validation analytique ne peut couvrir que des domaines limiteacutes de la propagation de la lumiegravere Ce sont en geacuteneacuteral des cas de figures simples pour lesquels existe une loi theacuteorique [Aizlewood 1997]
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Chapitre I
I322 La validation expeacuterimentale Dans ce type de validation les reacutesultats des logiciels sont compareacutes agrave des mesures expeacuterimentales Ces mesures peuvent ecirctre reacutealiseacutees dans
a des maquettes drsquoeacutetude agrave eacutechelle reacuteduite [Caroll 1999] b des cellules tests agrave eacutechelle 11 c ou des piegraveces reacuteelles [Galasiu 1998] [Jarvis 1997]
Quel que soit le type des mesures reacutealiseacute la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales agrave utiliser pour des travaux de validation est confronteacutee agrave des obstacles consideacuterables
Le premier est lieacute aux sources drsquoerreur introduites lors de la description du sceacutenario expeacuterimental afin de le reproduire dans une simulation numeacuterique
Lrsquoimportance de cet obstacle est aggraveacutee par la multitude des paramegravetres qui entrent en jeu dans un sceacutenario expeacuterimental et par lrsquointeraction entre les sources drsquoerreurs lieacutees agrave chacun de ces paramegravetres
A titre drsquoexemple les sources drsquoerreur peuvent survenir lors de la description de la source de lumiegravere (artificielle ou reacuteelle) lors de la description de la photomeacutetrie des mateacuteriaux (reacuteflexion bidirectionnelle caracteacuteristiques spectraleshellip) etc
Un autre obstacle est ducirc agrave lrsquoincertitude qui existe dans la valeur mesureacutee et cela quelle que soit la preacutecision du protocole expeacuterimental appliqueacute Cette incertitude est lieacutee en partie agrave la preacutecision de lrsquoappareil de mesure et agrave son positionnement
Ducirc agrave tous ces obstacles la comparaison entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique et les mesures expeacuterimentales permet difficilement de conclure sur la preacutecision du logiciel testeacute
Il est aussi important de noter qursquoun des plus grands obstacles agrave la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales fiables reste celui des moyens techniques financiers et humains neacutecessaires aux expeacuterimentations
I323 La validation comparative Elle porte sur une comparaison des reacutesultats de simulation de plusieurs logiciels entre eux Cela peut ecirctre fait avec lrsquoexistence ou non drsquoune reacutefeacuterence expeacuterimentale ou analytique
Lrsquoavantage des comparaisons est de donner la possibiliteacute aux utilisateurs de mieux choisir entre plusieurs logiciels selon leur performance dans un domaine donneacute de la simulation
Cependant lrsquoutilisation des reacutesultats drsquoune comparaison afin de juger des logiciels les uns par rapport aux autres neacutecessite un maximum de transparence en particulier sur la complexiteacute des proceacutedures et sur le temps de calcul neacutecessaire pour obtenir ces reacutesultats [Grynberg 1988] [Fontoynont 1999] [Maamari 2003]
I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes Les travaux de validation reacutealiseacutes sur des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage ne manquent pas en nombre cependant crsquoest la creacutedibiliteacute de ces travaux qui nrsquoest pas toujours veacuterifieacutee
En ce qui concerne les rares travaux de validation existants qui beacuteneacuteficient drsquoune creacutedibiliteacute scientifique ou celle drsquoun organisme agreacuteeacute nous citons les suivants
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Chapitre I
I331 Le travail de Khodulev et Kopylov Ce travail reacutealiseacute et publieacute par Andrei B Khodulev et Edward A Kopylov en 1996 [Khodulev 1996] est lrsquoun des rares travaux de validation qui ont utiliseacute une reacutefeacuterence analytique
Le travail porte sur une validation comparative entre les logiciels Lightscape Specter et Radiance Une description des trois logiciels est donneacutee portant sur plusieurs critegraveres y compris lrsquointerface utilisateur
Un des sceacutenarios utiliseacutes pour la comparaison est celui drsquoune piegravece cubique fermeacutee avec une source lumineuse isotrope au centre La comparaison porte sur lrsquoeacuteclairement au niveau des points de mesure situeacutes sur le sol La valeur de reacutefeacuterence de cet eacuteclairement est calculeacutee semi-analytiquement pour prendre en consideacuteration la composante reacutefleacutechie interne
I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE Ce rapport repreacutesente un exemple ideacuteal sur la creacuteation des donneacutees expeacuterimentales fiables pour la validation des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage [Slater 2002]
Le travail deacutecrit dans ce rapport porte sur un protocole expeacuterimental qui a eacuteteacute deacutefini et conduit drsquoune maniegravere remarquablement rigoureuse dans une cellule test agrave eacutechelle 11 Le but est de creacuteer une base de donneacutees expeacuterimentales pour la validation des logiciels de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel
Le rapport comprend une description preacutecise du sceacutenario expeacuterimental y compris les dimensions de la geacuteomeacutetrie (une piegravece carreacutee) la position des lampes ou des luminaires la position des points de mesure ainsi que le coefficient de reacuteflexion des surfaces La description du sceacutenario comprend aussi les fichiers photomeacutetriques des luminaires au format CIBSE TM 14 sachant que la photomeacutetrie reacuteelle de chaque luminaire a eacuteteacute mesureacutee seacutepareacutement dans un laboratoire agreacuteeacute
Le protocole expeacuterimental comprend un controcircle du flux lumineux agrave travers lrsquoobservation et le controcircle des fluctuations du courant eacutelectrique et de la tempeacuterature de la piegravece Les lampes et les ballasts ont eacuteteacute vieillis Les lampes ont eacuteteacute preacutechauffeacutees une heure avant les mesures
Les capteurs ont eacuteteacute calibreacutes et fixeacutes sur un trolley afin de garantir la reacutepeacutetitiviteacute de leur position Six diffeacuterentes mesures ont eacuteteacute prises pour chaque point agrave lrsquoaide de deux capteurs diffeacuterents la moyenne de ces mesures a eacuteteacute utiliseacutee comme reacutefeacuterence
Une estimation des erreurs de mesures a eacuteteacute calculeacutee ainsi que des erreurs de simulation dues agrave lrsquoincertitude dans la description du sceacutenario Les reacutesultats ont alors eacuteteacute preacutesenteacutes sous forme de deux bandes de valeurs la premiegravere bande est celle des mesures prises + ou ndash lrsquoestimation des erreurs de mesure et lrsquoautre est celle des mesures + ou ndash le total des erreurs estimeacutees y compris les erreurs de simulation
I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA Ce travail a eacuteteacute meneacute dans le cadre de la tache 21 de lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie intituleacutee lumiegravere naturelle dans les bacirctiments En effet un projet a eacuteteacute deacutedieacute au thegraveme de la validation des logiciels de calcul en eacuteclairage et a fait lrsquoobjet drsquoune collaboration entre les laboratoires de six nations diffeacuterentes parmi lesquels le Laboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Fontoynont 1999] [Maamari 2002]
Dans le cadre de ce projet des donneacutees expeacuterimentales ont eacuteteacute reacutecolteacutees agrave travers des mesures drsquoeacuteclairement agrave lrsquointeacuterieur drsquoune seacuterie de maquettes agrave eacutechelle reacuteduite placeacutees sous des ciels
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Chapitre I
artificiels Trois bacirctiments types ont eacuteteacute testeacutes sous plusieurs configurations en changeant les types drsquoouverture etou les coefficients de reacuteflexion des surfaces
Les sceacutenarios expeacuterimentaux ont eacuteteacute simuleacutes agrave lrsquoaide des logiciels drsquoeacuteclairage naturel Adeline Genelux Leso-DIAL Radiance et Superlite Les reacutesultats des simulations ont eacuteteacute compareacutes entre les diffeacuterents logiciels et confronteacutes aux mesures expeacuterimentales
Cette comparaison a montreacute que le calcul des eacuteclairements agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment dus agrave lrsquoeacuteclairage naturel demande une description minutieuse des luminances des portions de la voucircte ceacuteleste vues par la fenecirctre Les eacuteclairements directs agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment sont alors calculeacutes avec une preacutecision de lrsquoordre de 5 La preacutecision des calculs des reacuteflexions multiples agrave lrsquointeacuterieur de la piegravece deacutepend quant agrave elle des proprieacuteteacutes des surfaces inteacuterieures et en particulier de la lrsquoaspect bidirectionnel de ces surfaces
Cette eacutetude a montreacute finalement que les programmes doivent ecirctre utiliseacutes avec beaucoup de preacutecautions car les reacutesultats de simulation sont tregraves sensibles agrave la qualiteacute des hypothegraveses et des paramegravetres drsquoentreacutee description de la source de lumiegravere geacuteomeacutetrie du bacirctiment paramegravetres de simulation
I34 Analyse de la probleacutematique Drsquoapregraves la recherche bibliographique preacutesenteacutee ci-dessus sur le domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage nous pouvons reacutesumer la probleacutematique de ce domaine dans les points suivants
1 Difficulteacute drsquoaccegraves agrave lrsquoinformation Elle est due en particulier agrave lrsquoabsence de sources publiques speacutecialiseacutees dans le domaine
2 Manque de transparence Ainsi nous trouvons souvent des reacutesultats de validation preacutesenteacutes sans suffisamment drsquoinformation sur les proceacutedures qui ont abouti agrave ces reacutesultats
3 Manque de creacutedibiliteacute une partie importante des travaux de validation existants est reacutealiseacutee par les deacuteveloppeurs des logiciels testeacutes les sources drsquoincertitudes dans les valeurs de reacutefeacuterence ne sont souvent pas prises en consideacuteration etc
4 Manque de travaux concluants sur la validiteacute du logiciel testeacute Ceci est ducirc en partie agrave la complexiteacute des sceacutenarios expeacuterimentaux et agrave la restriction des domaines testeacutes Ainsi il est rarement possible drsquoidentifier avec certitude les points de faiblesse et les domaines drsquoapplication drsquoun logiciel testeacute
5 Absence de reacutefeacuterences standardiseacutees Ce qui fait qursquoun certain aspect de la propagation de la lumiegravere est testeacute dans diffeacuterents logiciels avec des protocoles diffeacuterents Ce qui ne permet pas une comparaison transparente et objective entre ces diffeacuterents logiciels
6 Manque de validations analytiques malgreacute les avantages de ce type de validation
En reacuteponse aux problegravemes listeacutes ci-dessus nous identifions en particulier le besoin drsquoune standardisation et drsquoune mise agrave disposition des reacutefeacuterences de validation fiables de preacutefeacuterence sous la garantie et le controcircle drsquoun ou plusieurs organismes creacutedibles
I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
I351 Introduction Le premier objectif qursquoon pourrait attendre des travaux de validation crsquoest de pouvoir ameacuteliorer la confiance des utilisateurs dans les logiciels de simulation A savoir qursquoameacuteliorer la confiance ne veut pas forceacutement dire lrsquoaugmenter Mais plutocirct sensibiliser les utilisateurs aux capaciteacutes et aux limites des diffeacuterents logiciels dans les diffeacuterents domaines de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Ainsi agrave travers lrsquoidentification des points de faiblesse
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Chapitre I
drsquoun logiciel et de ces domaines drsquoapplication on pourra aboutir agrave une utilisation responsable de ces logiciels
Drsquoougrave le besoin drsquoune meacutethodologie de validation qui permet de tester la capaciteacute drsquoun logiciel agrave simuler les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Cette meacutethodologie doit eacutegalement palier les deacutefaillances rencontreacutees dans le domaine agrave noter creacutedibiliteacute fiabiliteacute et accessibiliteacute
I352 Concept et approche proposeacutes Pour atteindre les objectifs fixeacutes ci-dessus la meacutethodologie de validation proposeacutee repose un concept de base qui est celui de tester seacutepareacutement les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Ceux-ci peuvent ecirctre classeacutes sous 3 grands groupes
1 La description de la source de lumiegravere et le calcul de lrsquoeacuteclairement direct 2 Le transfert du flux lumineux agrave travers les composants de la fenecirctre et lrsquoinfluence des
masques 3 Les inter-reacuteflexions sur les diffeacuterents mateacuteriaux avec diffeacuterentes photomeacutetries
Pour appliquer ce concept cette meacutethodologie de validation est baseacutee sur une seacuterie de cas-tests chacun traitant un sceacutenario drsquoeacuteclairage simple (un nombre limiteacute de paramegravetres) ougrave un certain aspect de la propagation de lumiegravere est mis en eacutevidence La description des cas-tests comprend la geacuteomeacutetrie les sources de lumiegravere ainsi qursquoune seacuterie de valeurs de reacutefeacuterence agrave utiliser pour tester la capaciteacute du logiciel agrave simuler lrsquoaspect en question Ces valeurs de reacutefeacuterence sont obtenues soit agrave lrsquoaide drsquoun calcul analytique quand crsquoest possible (pour des sceacutenarios theacuteoriques) ou bien agrave partir de mesures expeacuterimentales
Ainsi chaque cas-test est applicable agrave tout logiciel proposant des fonctionnaliteacutes lieacutees agrave lrsquoaspect traiteacute (dans ce cas-test) indeacutependamment des algorithmes utiliseacutes des meacutethodes de calcul adopteacutees ou des paramegravetres utiliseacutes
Cependant il est possible drsquoassocier agrave chaque test une eacutetude parameacutetrique propre agrave chaque logiciel Une telle eacutetude permet de mieux comprendre lrsquoinfluence des diffeacuterents paramegravetres proposeacutes sur la preacutecision du logiciel dans un aspect donneacute de la propagation de la lumiegravere
Pour une utilisation optimale de cette meacutethodologie de validation les cas-tests doivent couvrir tous les aspects de la propagation de la lumiegravere Ils seront alors utiliseacutes en tant qursquooutil unique et complet pour tester un logiciel donneacute
Une comparaison geacuteneacuterale des reacutesultats des simulations drsquoun logiciel donneacute aux valeurs de reacutefeacuterences de la seacuterie de cas-tests donnera une ideacutee claire sur les domaines ougrave le logiciel testeacute respecte ou non les lois physiques Ceci permettra agrave un utilisateur de veacuterifier si ce logiciel est compatible avec son propre domaine drsquoactiviteacute et agrave un deacuteveloppeur de veacuterifier si son logiciel a atteint les perspectives souhaiteacutees
De la mecircme faccedilon une comparaison entre les reacutesultats de diffeacuterents logiciels et les valeurs de reacutefeacuterence permet drsquooffrir une vision objective sur le logiciel qui reacutepond le mieux agrave une exigence donneacutee
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Chapitre I
Conclusions Suite agrave notre eacutetude bibliographique sur le domaine de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage nous avons orienteacute le travail de cette thegravese (agrave travers les chapitres suivants) de faccedilon agrave reacutepondre agrave certains des problegravemes identifieacutes dans ce domaine
Ainsi en ce qui concerne le manque de fiabiliteacute dans les travaux de validation des logiciels nous deacuteveloppons la meacutethode de validation que nous avons proposeacutee Dans ce cadre nous creacuteons une seacuterie de cas-tests en relation avec diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere traiteacutes ci-dessus Ces cas-tests sont reacutepartis en deux familles lrsquoune avec des sceacutenarios theacuteoriques et des reacutefeacuterences analytiques et lrsquoautre avec des reacutefeacuterences expeacuterimentales reacutepondant agrave des critegraveres de controcircle de qualiteacute que nous avons deacutefinis
En ce qui concerne la difficulteacute de simuler des sceacutenarios reacuteels de lumiegravere naturelle nous proposons et validons une meacutethode de simulation agrave partir des cartes de luminances reacuteelles agrave haute deacutefinition
Finalement nous proposons et nous validons une meacutethode de simulation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquoaide des luminaires eacutequivalents Cette meacutethode permet agrave la simulation de la lumiegravere de jour de beacuteneacuteficier de la preacutesence confirmeacutee des outils de simulation de la lumiegravere artificielle dans le domaine de la conception des bacirctiments Elle permet eacutegalement de surmonter un nombre de difficulteacutes rencontreacutees dans certains logiciels classiques de simulation la lumiegravere naturelle en particulier celles lieacutees agrave la preacutecision des reacutesultats par rapport au temps de calcul et agrave la simulation des masques exteacuterieurs
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Chapitre I
Reacutefeacuterences Bibliographiques 3D-LUMIEgraveRE Enquecircte sur la connaissance et lrsquoutilisation des systegravemes informatiques de simulation drsquoeacuteclairage Paris Club 3D Lumiegravere 2000 11 p ACHARD G LAFORGUE P SOUYRI B FONTOYNONT M BASTIE A MITANCHEY R Etude dun systegraveme Metrologique de Confort Radiatif Integrant lAspect Thermique et lAspect Visuel Paris 1994 60 p AFE Les sources de lumiegravere Socieacuteteacute dEdition Lux 1987 199 p AIZLEWOOD M BUTT J ISAAK K LITTLEFAIR P Daylighting in atria a comparison of measurements theory and simulation Lux Europa 1997 Amsterdam-Netherlands 1997 ANDERSEN M RUBIN M POWLES R SCARTEZZINI J L Bi-directional light transmission properties assessment for venetian blinds Computer simulations compared to photogoniometer measurements ISES Solar World Congress 2003 - Solar Energy for a Sustainable Future Gothenburg - Sweden International Solar Energy Society 2003 ANDERSEN M RUBIN M SCARTEZZINI J-L Comparison between ray-tracing simulations and bi-directional transmission measurements on prismatic glazing Solar Energy 2003 vol 74 ndeg2 pp 157-217 ANSIIESNA ANSIIESNA LM-63-02 ANSI Approved Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data and Related Information ANSIIESNA LM-63-02 2002 26 p ASE Eclairage inteacuterieur par la lumiegravere du jour Norme Suisse SN 418911 Zuumlrich Association Suisse des Electriciens 1989 ASHDOWN I Near-Field Photometry A New Approach IES 1993 vol 22 ndeg1 pp 163-180 ASHDOWN I EULUMDAT File Format Specification [en ligne] Disponible sur lthttpwwwhelios32comEulumdathtmgt (09 Mars 2004) ASHDOWN I Thinking photometrically Part II 105 Las Vegas workshop-Lightfair International 2001 42 p ASHRAE-IESNA Energy efficient design of new buildings except new low-rise residential buildings ASHRAEIES 901-1989 American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditionaing Engginers 1989 AUTODESK Lightscape 32 Users Guide 32 Autodesk 1999 352 p BALOCCO C FORASTIERE M A GRAZZINI G RIGHINI G C Experimental results of transparent reflective and absorbing propoerties of some building materials Energy and Buildings 2001 vol 33 pp 563-568
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Chapitre I
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Chapitre I
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Chapitre I
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Chapitre I
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Chapitre I
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Chapitre I
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- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel se fait souvent agrave lrsquoaide drsquoun maillage de sa surface La luminance apparente des mailles est ensuite calculeacutee (agrave partir de la luminance de la zone du ciel apparente agrave travers cette maille par un point donneacute) et finalement est calculeacutee la contribution de chaque maille agrave lrsquoeacuteclairement du point eacutetudieacute
Dans un certain nombre de logiciels le calcul commence par une deacutetection du champ de vision drsquoun point de mesure agrave travers lrsquoouverture Cette deacutetection se fait geacuteneacuteralement agrave lrsquoaide drsquoun lancer de rayons qui permet de deacutefinir les limites du masque constitueacute par les murs entourant lrsquoouverture
I142 Vitrage classique Dans le cas drsquoune ouverture vitreacutee (vitrage classique) le flux incident subit lrsquoinfluence de la transmission directionnelle du vitrage Cette transmission diminue avec lrsquoaugmentation de lrsquoangle drsquoincidence du rayonnement lumineux et varie selon le type de vitrage (simple double teinteacutehellip)
Il existe plusieurs reacutefeacuterences pour deacuteterminer la variation theacuteorique de la transmission lumineuse drsquoun vitrage avec lrsquoangle drsquoincidence Mais en geacuteneacuteral la majoriteacute drsquoun flux lumineux transmis agrave travers un vitrage classique est supposeacute garder sa directionnaliteacute (angle de transmission = angle drsquoincidence) et ne subit qursquoune simple atteacutenuation selon lrsquoangle drsquoincidence [Hopkinson 1966] [Hopkinson 1966 Tregenza 1993]
La prise en consideacuteration drsquoune ouverture vitreacutee dans une simulation drsquoeacuteclairage naturel suit le mecircme principe que pour une ouverture non vitreacutee mais en plus une atteacutenuation de la contribution drsquoune maille agrave lrsquoeacuteclairement drsquoun point est calculeacutee selon lrsquoangle drsquoincidence entre cette maille et ce point de mesure Cependant certains logiciels ne prennent pas en consideacuteration la transmission directionnelle drsquoun vitrage et se contentent drsquoaffecter un facteur de transmission uniforme
I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel Il existe sur le marcheacute de la construction de plus en plus de vitrages agrave proprieacuteteacutes bi-directionnelles dont le but est souvent de favoriser le cheminement drsquoun flux lumineux incident dans une direction donneacutee (Laser Cut Panel Serraglaze etc) Par exemple dans le cas drsquoune ouverture verticale lrsquoobjectif est souvent de favoriser lrsquoorientation du flux transmis vers le plafond afin de permettre une entreacutee plus profonde de la lumiegravere et afin drsquoeacuteviter ou au moins drsquoatteacutenuer les taches solaires Dans le cas drsquoune ouverture zeacutenithale lrsquoobjectif est de favoriser lrsquoentreacutee verticale de la lumiegravere provenant de toutes les directions de lrsquoheacutemisphegravere exteacuterieur
Le flux lumineux incident sur ce type de mateacuteriaux est transmis avec changement drsquoorientation partielle ou totale dans le mecircme plan drsquoincidence ou bien dans tout lrsquoheacutemisphegravere de sortie
La prise en consideacuteration drsquoun mateacuteriau agrave transmission bidirectionnelle dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel est drsquoune complexiteacute importante Elle neacutecessite lrsquoutilisation des fonctions de transfert bidirectionnelles dite BTDF qui sont assez lourdes en calcul Les logiciels permettant ce type de simulations sont encore assez rares et limiteacutes au domaine de la recherche scientifique [Fontoynont 1999] [Greenup 2000] [Andersen 2003]
34
Chapitre I
I144 Eleacutements de protection solaire Le rocircle des eacuteleacutements de protection solaire est de bloquer drsquoatteacutenuer ou de reacuteorienter la lumiegravere directe du soleil Parmi les types les plus utiliseacutes nous citons en particulier les stores veacutenitiens (agrave effet de reacuteorientation) les brises soleil (agrave effet de masque) et les stores en toile (agrave effet de diffusion)
La prise en consideacuteration des eacuteleacutements de protection solaires dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel deacutepend de leur type Par exemple les protections solaires agrave effet de masque neacutecessitent un simple calcul de lancer de rayons alors que la simulation des eacuteleacutements agrave effet de reacuteorientation suit le mecircme principe que pour les vitrages bidirectionnels [Klems 1995] [Shareef 2001]
I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux Pour caracteacuteriser le comportement des parois vitreacutees afin de mieux les prendre en consideacuteration dans le calcul ou la simulation de lrsquoeacuteclairage on a recours aux mesures goniophotomeacutetriques
Ces mesures peuvent srsquoaveacuterer drsquoune grande complexiteacute en particulier dans le cas des mateacuteriaux bidirectionnels puisqursquoils neacutecessitent des mesures heacutemispheacuteriques en entreacutee et en sortie
De nos jours plusieurs deacuteveloppements sont en cours afin de simplifier les proceacutedures de mesure ou de conduire ces mesures numeacuteriquement agrave lrsquoaide drsquoalgorithmes physiques [Mitanchey 1995] [Andersen 2003] [Andersen 2003] [De Boer 2003]
Drsquoautres efforts sont eacutegalement investis dans le but de simplifier la preacutesentation des donneacutees goniophotomeacutetriques [Roy 1995] [Mitanchey 1996] [IEA-SHC 1999]
I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux Si lrsquoeacuteclairage direct reccedilu des sources de lumiegravere (naturelles ou artificielles) est un eacuteleacutement de base dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere lrsquoeacuteclairage dit indirect nrsquoest pas de moindre importance
En effet lrsquoeacuteclairage indirect ducirc aux inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les diffeacuterentes surfaces drsquoune scegravene peut repreacutesenter une proportion importante de lrsquoeacuteclairement total par rapport agrave lrsquoeacuteclairement direct Crsquoest le cas notamment des luminaires indirects ou des systegravemes de reacute-acheminement de la lumiegravere directe du soleil
Les inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie deacutependent de la photomeacutetrie de ces surfaces (ou des mateacuteriaux qui les constituent) Cette photomeacutetrie est caracteacuteriseacutee en particulier par trois paramegravetres
- Le facteur de reacuteflexion global - La directionnaliteacute de la lumiegravere reacutefleacutechie - Lrsquoinfluence spectrale sur la lumiegravere reacutefleacutechie
Le premier repreacutesente le rapport entre le flux total reacutefleacutechi sur une surface et le flux initial incident Pour faciliter la mesure de ce paramegravetre un nombre de mateacuteriaux standards a eacuteteacute deacutefini comme reacutefeacuterence [CIE 1979] [CIE 1979] [CIE 1998]
Le deuxiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la ou les directions de reacuteflexion drsquoun flux incident avec une direction donneacutee Cette directionnaliteacute deacutepend de la geacuteomeacutetrie microscopique de la surface (apparente) drsquoun mateacuteriau opaque On distingue en particulier deux types de reacuteflexion theacuteoriques Les reacuteflexions parfaitement speacuteculaires et les reacuteflexions
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Chapitre I
parfaitement diffuses Bien que ces cas extrecircmes nrsquoexistent pas dans la reacutealiteacute les lois theacuteoriques relatives sont bien deacutefinies (La loi de Descartes pour le premier et loi de Lambert et les formules de facteur de forme pour le deuxiegraveme) Au-delagrave de ces deux cas theacuteoriques simplifieacutes un nombre de travaux a eacuteteacute meneacute pour deacutecrire des modegraveles analytiques plus complets qui srsquoapprochent mieux de la reacutealiteacute mais qui repreacutesentent un degreacute de complexiteacute plus eacuteleveacute [Trowbridge 1975] [Kajiya 1985] [Uetani 1992] [Balocco 2001] [Deniel 2002]
Dans la majoriteacute des logiciels existants la reacuteflexion de la lumiegravere sur une surface est simuleacutee par une combinaison de reacuteflexions diffuses et speacuteculaires Ainsi une partie du flux est reacutefleacutechie en obeacuteissant agrave la loi de Descartes et une autre partie est diffuseacutee uniformeacutement dans lrsquoespace Les algorithmes utiliseacutes sont eacutegalement en geacuteneacuteral une combinaison de radiositeacute et de lancer de rayons Certains logiciels nrsquoutilisant que les algorithmes de radiositeacute se contentent de supposer les surfaces comme 100 diffuses
Drsquoautres logiciels qui restent assez rares prennent en consideacuteration les fonctions de reacuteflexions bidirectionnelles (BRDF) theacuteoriques ou mesureacutees Cependant il faut noter que de nos jours la preacutecision des mesures de ces fonctions neacutecessite encore des moyens financiers et logistiques trop importants
Le troisiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la qualiteacute spectrale de la lumiegravere reacutefleacutechie par rapport agrave celle de la lumiegravere incidente Elle deacutepend en particulier de lrsquoabsorption spectrale seacutelective du mateacuteriau En effet le facteur drsquoabsorption drsquoun mateacuteriau peut ecirctre plus ou moins eacuteleveacute selon la longueur drsquoonde avec laquelle arrive une partie du flux incident Ainsi le spectre de la lumiegravere reacutefleacutechie peut ecirctre complegravetement diffeacuterent de celui de la lumiegravere incidente Les mateacuteriaux qui ont le mecircme facteur de reacuteflexion pour toutes les longueurs drsquoonde sont dits spectralement neutres [CIE 1986] [Smith 1992] [CIE 1996]
Plusieurs approches sont proposeacutees pour traiter lrsquoaspect spectral ou colorimeacutetrique de la propagation de la lumiegravere Les approches les plus utiliseacutees dans les logiciels de simulation de la lumiegravere sont baseacutees sur une caracteacuterisation agrave trois composantes de la couleur (de la source lumineuse ou des surfaces) Nous citons les systegravemes XYZ (de la CIE) RGB CMY et HSV Cependant si ce type de caracteacuterisation est convenable pour la repreacutesentation des couleurs il srsquoavegravere insuffisant pour simuler la variation du spectre du flux lumineux agrave travers les inter-reacuteflexions sur les surfaces inteacuterieures drsquoun espace [Mitanchey 1996] Pour plus de preacutecision il est alors recommandeacute drsquoutiliser les approches baseacutees sur une discreacutetisation plus ou moins fine du spectre Mais lrsquoimpleacutementation de telles approches dans les logiciels existants est loin drsquoecirctre courante [Smith 1992] [Mitanchey 1996]
I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage Il existe sur le marcheacute international un nombre important de logiciels deacutedieacutes agrave la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Dans une enquecircte meneacutee par le groupe 3D lumiegravere en 2000 aupregraves de 74 professionnels [3D-lumiegravere 2000] environ quarante logiciels ont eacuteteacute citeacutes par les enquecircteacutes comme outils de travail en eacuteclairage Dans une deuxiegraveme eacutetude plus speacutecialiseacutee dans le calcul drsquoeacuteclairage naturel et meneacutee par lrsquoagence international drsquoeacutenergie IEA SHC Task 21-C2 [Fontoynont 1999] vingt cinq logiciels ont eacuteteacute citeacutes Vingt deux de ces logiciels ne sont pas connus par les utilisateurs franccedilais enquecircteacutes par 3D lumiegravere Finalement nous citons lrsquoenquecircte de lrsquoIENSA [IESNA 1999] preacutesentant un nombre de logiciels existants au niveau international
Les logiciels existants diffegraverent entre eux par les algorithmes qursquoils utilisent par leurs approches DAO par la prise en consideacuteration des diffeacuterents types de sources lumineuses par
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Chapitre I
leur capaciteacute agrave simuler les pheacutenomegravenes de propagation de lumiegravere plus ou moins complexes par leur interface utilisateur et finalement par leurs vocations et leurs domaines drsquoapplication
I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage Le rocircle des algorithmes dans une simulation drsquoeacuteclairage est de geacuterer le calcul de la propagation de la lumiegravere entre les sources et les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie puis les inter-reacuteflexions entre ces surfaces
Les algorithmes utiliseacutes dans les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage sont des algorithmes dits drsquoeacuteclairement global (global illumination) puisqursquoils font un calcul tridimensionnel de la propagation de la lumiegravere Ils peuvent ecirctre classeacutes sous deux grandes familles la radiositeacute et le lancer de rayons Ces deux familles tendent agrave avoir des avantages et des inconveacutenients compleacutementaires ce qui fait que certains logiciels utilisent une logique hybride combinant les deux familles [IEA-SHC 1999] [Mitanchey 1996]
1211 Radiositeacute Les algorithmes de radiositeacute utiliseacutes pour le calcul de lrsquoeacuteclairage datent du deacutebut des anneacutees 80 Ils ont eacuteteacute adapteacutes agrave partir des algorithmes de radiositeacute utiliseacutes depuis les anneacutees 60 pour le calcul des eacutechanges radiatifs thermiques sur la base de lrsquoeacutequilibre eacutenergeacutetique
Les algorithmes de radiositeacute procegravedent en geacuteneacuteral agrave une discreacutetisation de lrsquoenvironnement simuleacute agrave travers un maillage (subdivision en petites mailles) des surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie eacuteclaireacutee par une source donneacutee (voir figure I3) Tout drsquoabord un calcul de la lumiegravere directe reccedilue par chaque maille est effectueacute Ensuite chaque maille est traiteacutee comme une source lumineuse eacutemettant une partie du flux lumineux qursquoelle a reccedilu (selon son facteur de reacuteflexion) vers les autres mailles de la geacuteomeacutetrie Cette lumiegravere indirecte subit plusieurs inter-reacuteflexions jusqursquoagrave ce que la quasi-totaliteacute du flux initial soit absorbeacutee
Suite agrave ce calcul on est capable de savoir la quantiteacute de flux lumineux direct et indirect reccedilue et eacutemise par une maille donneacutee et donc lrsquoeacuteclairement et la luminance de cette maille [Scartezzini 1993] [Ashdown 2001]
Figure I3 Exemple drsquoun calcul de Radiositeacute agrave lrsquointeacuterieur drsquoune geacuteomeacutetrie
Bien que le principe geacuteneacuteral de la radiositeacute deacutecrit ci-dessus soit le mecircme pour tous les algorithmes de radiositeacute existants ceux-ci diffegraverent dans la meacutethode adopteacutee pour le maillage de la geacuteomeacutetrie et pour le suivi du flux
La radiositeacute peut ecirctre en principe appliqueacutee agrave tout type de reacuteflexion cependant les algorithmes existants sont encore limiteacutes aux reacuteflexions 100 diffuses Ce qui entraicircne des erreurs plus ou moins importantes selon le comportement reacuteel du mateacuteriau simuleacute La
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Chapitre I
radiositeacute preacutesente aussi quelques autres inconveacutenients dont particuliegraverement un temps de calcul assez long une lourde consommation en meacutemoire et une faible performance en qualiteacute graphique
Cependant le calcul de radiositeacute a lrsquoavantage drsquoecirctre indeacutependant de la position de lrsquoobservateur Ainsi un seul calcul est suffisant pour connaicirctre lrsquoeacuteclairement de tous les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie et pour la visualiser agrave partir drsquoune infiniteacute de points de vue
Une nouvelle geacuteneacuteration drsquoalgorithmes de radiositeacute est apparue en 1988 elle permet drsquoobtenir un reacutesultat graphique immeacutediat qui srsquoameacuteliore progressivement en preacutecision et en qualiteacute visuelle drsquoougrave son nom progressive refinement radiosity [Cohen 1988] [Autodesk 1999]
Une autre eacutevolution des algorithmes de radiositeacute fut le concept de maillage adaptatif ougrave le logiciel commence agrave calculer agrave partir drsquoun maillage de faible preacutecision Ensuite il procegravede agrave des subdivisions suppleacutementaires lagrave ougrave il y a une grande diffeacuterence drsquoeacuteclairement entre les mailles Cette meacutethode conduit agrave une eacuteconomie dans le temps de calcul et dans lrsquoutilisation de meacutemoire
1212 Lancer de rayons La deuxiegraveme famille drsquoalgorithmes est la plus ancienne elle a connu plus de deacuteveloppements et preacutesente une plus grande varieacuteteacute de meacutethodes
Ces meacutethodes ont lrsquoavantage de calculer avec preacutecision lrsquoeacuteclairement direct de calculer les effets speacuteculaires des mateacuteriaux de mieux deacutefinir les ombres et de consideacuterer les reacutefractions agrave travers les surfaces transparentes Crsquoest donc les algorithmes qui donnent les meilleurs reacutesultats graphiques drsquoougrave ce qursquoon appelle le photo-reacutealisme des images de synthegravese
Il existe plusieurs cateacutegories drsquoalgorithmes baseacutees sur le lancer de rayon nous citons les suivantes
Figure I4 Exemple drsquoun calcul de Lancer de rayons (inverse)
1 Traceacute de rayons ou Lancer de rayons depuis lrsquoobservateur dite aussi Lancer inverse de rayons (backward ray tracing) les rayons sont geacuteneacutereacutes depuis lrsquoœil de lrsquoobservateur et cheminent agrave travers des reacuteflexions multiples sur les parois jusqursquoaux sources de lumiegravere (voir figure I4) Ainsi seuls les rayons utiles pour la construction de lrsquoimage seront geacuteneacutereacutes et suivis agrave travers les diffeacuterentes inter-reacuteflexions mais la solution est valide pour un seul point de vue [Whitted 1980]
2 Suivi de rayons ou Lancer direct de rayons (forward ray tracing) cette meacutethode geacutenegravere les rayons lumineux depuis la source vers les surfaces reacuteceptrices quand un rayon atteint une surface il est dirigeacute selon la photomeacutetrie rencontreacutee jusqursquoagrave lrsquoeacutepuisement de son eacutenergie [Fontoynont 1991]
3 Technique statistique de monte-carlo backward ou forward La meacutethode de Monte-Carlo associeacutee agrave des meacutethodes de lancer de rayons a recours agrave une technique statistique
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Chapitre I
pour la distribution des rayons reacutefleacutechis Elle neacutecessite un temps de calcul eacuteleveacute [IEA-SHC 1999]
I22 Exemples types des logiciels existants Les logiciels existants sur le marcheacute international et utiliseacutes comme outils de conception en eacuteclairage peuvent ecirctre classeacutes en diffeacuterentes familles [De Boer 1999] [IESNA 1999]
1 Les logiciels baseacutes sur les formules de base de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel Ces logiciels sont souvent distribueacutes par les constructeurs de luminaires et munis de leur bibliothegraveque de luminaires
2 Des logiciels baseacutes sur des formules de base de calcul en eacuteclairage naturel ou sur des donneacutees empiriques (ou preacute-simuleacutees) Ces logiciels sont souvent deacutedieacutes agrave lrsquoutilisation dans les phases preacuteliminaires de la conception drsquoun projet (ex Dial Sodalight etc)
3 Les logiciels capables de calculer lrsquoeacuteclairage direct uniquement Ils sont tregraves souvent inteacutegreacutes dans des logiciels de DAO Leur objectif est limiteacute agrave lrsquoameacutelioration du rendu graphique drsquoun projet ou au mieux agrave une eacutetude de taches solaires (ex Archicad) Cependant ce type de logiciels devient de plus en plus rare En effet vu leurs potentiels un certain nombre de ces logiciels a eacuteteacute mis agrave niveau par les deacuteveloppeurs et a passeacute ainsi agrave la famille suivante (ex Microstation et 3D Studio)
4 Les logiciels dits drsquoeacuteclairement global Ils utilisent souvent des algorithmes de calcul physique (en particulier de radiositeacute et lancer de rayons) Nous distinguons cependant dans cette cateacutegorie les logiciels deacuteveloppeacutes dans un cadre scientifique (ex Radiance Geacuteneacutelux CSTB) de ceux deacuteveloppeacutes et diffuseacutes dans un cadre commercial (Lightscape Dialuxhellip) En geacuteneacuteral les logiciels commerciaux possegravedent des interfaces plus conviviales mais les logiciels scientifiques offrent des fonctionnaliteacutes plus complegravetes Par exemple certains logiciels scientifiques sont capables de prendre en consideacuteration lrsquoaspect spectral de la propagation de la lumiegravere etou de traiter les fonctions bidirectionnelles Finalement nous notons que les logiciels commerciaux manquent le plus de transparence sur leur fiabiliteacute dans les diffeacuterents domaines drsquoapplication (manque de travaux de validation)
Dans notre travail de thegravese nous nous inteacuteressons en particulier agrave la derniegravere famille Ne pouvant pas enquecircter sur tous les logiciels existants nous nous contentons de citer (par ordre alphabeacutetique) quelques logiciels sur lesquels il y a eu des publications scientifiques et des travaux de validation [Fontoynont 1999]
1221 Adeline Deacuteveloppeacute dans le cadre de lrsquoIEA Adeline a eacuteteacute fondeacute sur les logiciels Superlite et Radiance par le biais drsquoun modeleur graphique et drsquooutils de DAO Ainsi il permet de deacutefinir la geacuteomeacutetrie avec son propre systegraveme de DAO par lrsquoentreacutee manuelle des coordonneacutes carteacutesiennes ou agrave partir drsquoun fichier DXF
Le logiciel est muni drsquoune bibliothegraveque de base de donneacutees de mateacuteriaux de luminaires et de mobilier Il produit des reacutesultats numeacuteriques ou bien graphiques Au-delagrave des eacuteclairements et des luminances Adeline permet de calculer lrsquoeacutenergie consommeacutee par lrsquoeacuteclairage artificiel en fonction des apports de lumiegravere du jour [Erhorn 1998] [Scartezzini 1993]
1222 Genelux Le logiciel Genelux deacuteveloppeacute au laboratoire des sciences de lrsquohabitat utilise un algorithme de lancer direct et suivi de rayons lumineux (Forward Ray tracking) La distribution des rayons reacutefleacutechis est effectueacutee en ayant recours agrave une technique statistique de Monte Carlo
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Chapitre I
Dans le cas ougrave les surfaces seraient parfaitement diffusantes il est possible de faire appel agrave un algorithme baseacute sur la meacutethode de radiositeacute afin de reacuteduire les temps de simulation Genelux peut modeacuteliser les surfaces speacuteculaires diffuses ou mixtes en transmission etou reacuteflexion Il peut eacutegalement prendre en consideacuteration des quantiteacutes spectrales en deacutecomposant les rayons incidents par bandes spectrales [Mitanchey 1996] [Maamari 2003]
1223 Inspirer Destineacute surtout au domaine de lrsquoarchitecture avec comme fonctionnaliteacutes les calculs de lrsquoeacuteclairage les analyses de visibiliteacute et la visualisation des projets Pour le calcul de lrsquoeacuteclairage il utilise des approches hybrides surtout la meacutethode bi-directionnelle de Monte Carlo au Lancer de Rayons Ce qui diffeacuterencie le plus ce logiciel est lrsquoutilisation des formules de BRDF qui permet de respecter les variations de reacuteflexion et de transmission (diffuse et speacuteculaire) ainsi que des couleurs selon lrsquoangle drsquoincidence et de vision [Maamari 2003]
1224 DIAL Leso-Dial Le but du logiciel est de donner aux architectes des informations utiles concernant lrsquoutilisation de la lumiegravere de jour dans un bacirctiment degraves la phase de lrsquoavant projet Il calcule le facteur de lumiegravere du jour sur le plan utile gracircce agrave une utilisation hybride de formule analytique et empirique [Paule 1995]
1225 Lightscape 32 Crsquoest un logiciel qui est destineacute agrave des utilisations graphiques mais il offre eacutegalement des fonctionnaliteacutes inteacuteressantes pour la simulation physique de la lumiegravere Il utilise un algorithme de radiositeacute pour le calcul quantitatif et un algorithme de lancier de rayons pour lrsquoameacutelioration qualitative et visuelle des images de synthegraveses Ce logiciel est deacutecrit en deacutetail dans la partie IV11 de ce document [Khodulev 1996] [Maamari 2002]
1226 Radiance Le logiciel Radiance utilise un algorithme de lancer inverse de rayons Le lancer des rayons peut ecirctre stoppeacute si leur eacutenergie est jugeacutee insuffisante Les rayons reacutefleacutechis peuvent ecirctre geacuteneacutereacutes selon une fonction de distribution permettant la simulation de reacuteflexions speacuteculaires semi-speacuteculaires ou diffuses Ce lancer de rayons est compleacuteteacute drsquoun calcul statistique de reacuteflexion diffuse pour distribuer le flux reacutesiduel [Ward 1994] [Grynberg 1988]
1227 Superlite Le logiciel Superlite utilise une meacutethode point agrave point de radiositeacute Toutes les surfaces sont supposeacutees ecirctre parfaitement diffusantes Crsquoest la meacutethode la plus rapide mais elle est toutefois limiteacutee aux surfaces diffuses [Grynberg 1988]
I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels Lrsquoutilisation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage se geacuteneacuteralise de plus en plus dans le domaine de conception en eacuteclairage et au-delagrave Ainsi de nos jours ces logiciels sont utiliseacutes aussi bien par des bureaux drsquoeacutetude du bacirctiment et des architectes que par des deacuteveloppeurs de jeu videacuteo Les applications peuvent ecirctre entre autres [IESNA 1999] [3D-lumiegravere 2000] [Maamari 2002]
1 La conception en eacuteclairage artificiel Que ce soit pour lrsquoeacuteclairage inteacuterieur des bacirctiments lrsquoeacuteclairage des faccedilades des monuments des voiries des trottoirs ou lrsquoeacuteclairage des
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Chapitre I
tunnels etc Elle comprend entre autre le dimensionnement des systegravemes lrsquoanalyse du confort visuel et de la consommation etc
2 La conception en eacuteclairage naturel dimensionnement des ouvertures et des protections solaires orientation des projets analyse de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour et eacutetudes des FLJhellip
3 Le rendu et la preacutesentation des projets par les architectes et par les deacutecorateurs drsquointeacuterieur 4 La creacuteation de scegravenes de reacutealiteacute virtuelle pour le monde du cineacutema de la publiciteacute ou des
jeux videacuteohellip 5 La conception mecircme des optiques de luminaires ou de phares de voitures
Le domaine drsquoutilisation drsquoun logiciel donneacute deacutepend des fonctionnaliteacutes proposeacutees par ce logiciel de ses capaciteacutes agrave simuler avec un certain degreacute de fiabiliteacute et de faciliteacute les diffeacuterents domaines de la propagation de la lumiegravere en relation avec les besoins de lrsquoutilisateur
Bien que les algorithmes de calcul utiliseacutes dans les logiciels se ressemblent ces derniers ne sont pas tous adapteacutes pour les mecircme types drsquoapplications et ne reacutepondent pas aux mecircmes besoins
Ainsi certains utilisateurs cherchent en prioriteacute la faciliteacute drsquoutilisation des fonctionnaliteacutes en relation avec leur propre activiteacute en deacutepit des autres fonctionnaliteacutes et mecircme parfois en deacutepit de la validiteacute des reacutesultats Drsquoailleurs crsquoest agrave cause de ce contexte que des deacuteveloppeurs de logiciels commerciaux ont tendance agrave proposer des interfaces et des fonctionnaliteacutes optimiseacutees et orienteacutees vers un domaine drsquoapplication donneacute Ainsi nous commenccedilons agrave trouver par exemple des logiciels deacutedieacutes agrave la conception de lrsquoeacuteclairage public etou des tunnels (ex Tunnel-Lite) drsquoautres agrave la conception des protections solaires (ex ParaSol) etc
Cependant il est encore difficile de nos jours agrave un concepteur de bacirctiment de savoir quel est le ou les logiciels existants qui reacutepondent le mieux agrave ses propres besoins Crsquoest ce qui ressort dans les diffeacuterentes enquecirctes meneacutees sur lrsquoutilisation des logiciels en particulier celle meneacutee par le club 3D-Lumiegravere [3D-lumiegravere 2000] et celle que nous avons meneacutee au Light and Building 2002 [Maamari 2002] (voir annexe D) Nous notons par exemple dans ces deux enquecirctes lrsquoutilisation par des concepteurs lumiegravere de logiciels graphiques (Photoshop) en tant qursquooutils de conception
I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I31 Introduction Comme son nom lrsquoindique un logiciel de simulation de lrsquoeacuteclairage est supposeacute simuler la reacutealiteacute Mais la fideacuteliteacute de la simulation agrave la reacutealiteacute est loin drsquoecirctre veacuterifieacutee pour tous les logiciels existants sur le marcheacute international
Drsquoailleurs le niveau de preacutecision et de similitude (entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage et la reacutealiteacute) exigeacute ou souhaiteacute par les diffeacuterents utilisateurs nrsquoest pas neacutecessairement le mecircme et peut varier largement selon la speacutecificiteacute de leurs domaines drsquoactiviteacute [Maamari 2002]
Ainsi pour des utilisateurs qui srsquointeacuteressent uniquement au rendu graphique une image de synthegravese reacutealiste sans ecirctre neacutecessairement proche de la reacutealiteacute peut ecirctre suffisante Pour eux la question de la validation scientifique du logiciel utiliseacute ne se pose pas trop
Alors que pour des utilisateurs qui comptent extraire drsquoune simulation des cartes de luminances pour analyser le confort visuel de lrsquooccupant la validiteacute du logiciel devient drsquoune
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Chapitre I
importance de premier ordre Ceci est eacutegalement vrai pour les concepteurs en eacuteclairage qui ont besoin de veacuterifier que le niveau drsquoeacuteclairement est suffisant sur le plan de travail
Mais quel que soit le niveau de preacutecision souhaiteacute il est important pour un futur utilisateur de savoir la preacutecision qursquoil peut attendre de la part du logiciel qursquoil souhaite utiliser pour un type donneacute de tacircches Cette information est mecircme indispensable pour aboutir agrave une utilisation responsable des logiciels de simulation mais cela ne peut ecirctre possible qursquoagrave travers une validation rigoureuse et transparente de ce logiciel
Une validation rigoureuse et transparente des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage est une tacircche immense et drsquoune complexiteacute non neacutegligeable Ce qui est vrai pour tous les logiciels baseacutes sur des lois physiques comme par exemple les logiciels de simulation thermique
Cette complexiteacute est drsquoautant plus vraie quand on srsquointeacuteresse agrave lrsquoorientation du choix des utilisateurs vers un logiciel qui reacutepond le mieux agrave leurs propres besoins Dans ce contexte on souhaite veacuterifier la capaciteacute du logiciel agrave simuler avec preacutecision les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere lieacutes au domaine drsquoutilisation mais aussi on veut comparer cette capaciteacute agrave drsquoautres logiciels existants
La multitude des aspects qui entrent en jeu dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere combineacutee agrave la diversiteacute des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage contribuent agrave cette complexiteacute
Ainsi un logiciel capable de simuler des luminaires agrave optique diffusante nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler un luminaire avec une optique asymeacutetrique De mecircme un logiciel capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour agrave travers un vitrage ordinaire nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave travers un vitrage ou un systegraveme de protection solaire agrave aspect bidirectionnel etc
Nous preacutesentons ci-dessous une eacutetude bibliographique sur lrsquoeacutetat de lrsquoart du domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I32 Diffeacuterents types de validation En ce qui concerne les types de travaux de validation reacutealiseacutes nous avons pu identifier les suivants
I321 La validation analytique La validation analytique comme son nom lrsquoindique porte sur des cas theacuteoriques pour lesquels il existe des lois analytiques Ces lois sont issues des notions de base de la science physique lieacutees au rayonnement eacutelectromagneacutetique
Les travaux de validation baseacutes sur des reacutefeacuterences analytiques sont assez rares parmi les travaux reacutealiseacutes que nous avons pu trouver lors de notre recherche bibliographique
Cependant la validation analytique preacutesente des avantages consideacuterables comme la possibiliteacute de limiter les paramegravetres lieacutes agrave la propagation de la lumiegravere qui entrent en jeu dans un sceacutenario test Nous notons aussi lrsquoavantage de donner des solutions de reacutefeacuterences avec des incertitudes nulles ou neacutegligeables
En contrepartie la validation analytique ne peut couvrir que des domaines limiteacutes de la propagation de la lumiegravere Ce sont en geacuteneacuteral des cas de figures simples pour lesquels existe une loi theacuteorique [Aizlewood 1997]
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Chapitre I
I322 La validation expeacuterimentale Dans ce type de validation les reacutesultats des logiciels sont compareacutes agrave des mesures expeacuterimentales Ces mesures peuvent ecirctre reacutealiseacutees dans
a des maquettes drsquoeacutetude agrave eacutechelle reacuteduite [Caroll 1999] b des cellules tests agrave eacutechelle 11 c ou des piegraveces reacuteelles [Galasiu 1998] [Jarvis 1997]
Quel que soit le type des mesures reacutealiseacute la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales agrave utiliser pour des travaux de validation est confronteacutee agrave des obstacles consideacuterables
Le premier est lieacute aux sources drsquoerreur introduites lors de la description du sceacutenario expeacuterimental afin de le reproduire dans une simulation numeacuterique
Lrsquoimportance de cet obstacle est aggraveacutee par la multitude des paramegravetres qui entrent en jeu dans un sceacutenario expeacuterimental et par lrsquointeraction entre les sources drsquoerreurs lieacutees agrave chacun de ces paramegravetres
A titre drsquoexemple les sources drsquoerreur peuvent survenir lors de la description de la source de lumiegravere (artificielle ou reacuteelle) lors de la description de la photomeacutetrie des mateacuteriaux (reacuteflexion bidirectionnelle caracteacuteristiques spectraleshellip) etc
Un autre obstacle est ducirc agrave lrsquoincertitude qui existe dans la valeur mesureacutee et cela quelle que soit la preacutecision du protocole expeacuterimental appliqueacute Cette incertitude est lieacutee en partie agrave la preacutecision de lrsquoappareil de mesure et agrave son positionnement
Ducirc agrave tous ces obstacles la comparaison entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique et les mesures expeacuterimentales permet difficilement de conclure sur la preacutecision du logiciel testeacute
Il est aussi important de noter qursquoun des plus grands obstacles agrave la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales fiables reste celui des moyens techniques financiers et humains neacutecessaires aux expeacuterimentations
I323 La validation comparative Elle porte sur une comparaison des reacutesultats de simulation de plusieurs logiciels entre eux Cela peut ecirctre fait avec lrsquoexistence ou non drsquoune reacutefeacuterence expeacuterimentale ou analytique
Lrsquoavantage des comparaisons est de donner la possibiliteacute aux utilisateurs de mieux choisir entre plusieurs logiciels selon leur performance dans un domaine donneacute de la simulation
Cependant lrsquoutilisation des reacutesultats drsquoune comparaison afin de juger des logiciels les uns par rapport aux autres neacutecessite un maximum de transparence en particulier sur la complexiteacute des proceacutedures et sur le temps de calcul neacutecessaire pour obtenir ces reacutesultats [Grynberg 1988] [Fontoynont 1999] [Maamari 2003]
I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes Les travaux de validation reacutealiseacutes sur des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage ne manquent pas en nombre cependant crsquoest la creacutedibiliteacute de ces travaux qui nrsquoest pas toujours veacuterifieacutee
En ce qui concerne les rares travaux de validation existants qui beacuteneacuteficient drsquoune creacutedibiliteacute scientifique ou celle drsquoun organisme agreacuteeacute nous citons les suivants
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Chapitre I
I331 Le travail de Khodulev et Kopylov Ce travail reacutealiseacute et publieacute par Andrei B Khodulev et Edward A Kopylov en 1996 [Khodulev 1996] est lrsquoun des rares travaux de validation qui ont utiliseacute une reacutefeacuterence analytique
Le travail porte sur une validation comparative entre les logiciels Lightscape Specter et Radiance Une description des trois logiciels est donneacutee portant sur plusieurs critegraveres y compris lrsquointerface utilisateur
Un des sceacutenarios utiliseacutes pour la comparaison est celui drsquoune piegravece cubique fermeacutee avec une source lumineuse isotrope au centre La comparaison porte sur lrsquoeacuteclairement au niveau des points de mesure situeacutes sur le sol La valeur de reacutefeacuterence de cet eacuteclairement est calculeacutee semi-analytiquement pour prendre en consideacuteration la composante reacutefleacutechie interne
I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE Ce rapport repreacutesente un exemple ideacuteal sur la creacuteation des donneacutees expeacuterimentales fiables pour la validation des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage [Slater 2002]
Le travail deacutecrit dans ce rapport porte sur un protocole expeacuterimental qui a eacuteteacute deacutefini et conduit drsquoune maniegravere remarquablement rigoureuse dans une cellule test agrave eacutechelle 11 Le but est de creacuteer une base de donneacutees expeacuterimentales pour la validation des logiciels de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel
Le rapport comprend une description preacutecise du sceacutenario expeacuterimental y compris les dimensions de la geacuteomeacutetrie (une piegravece carreacutee) la position des lampes ou des luminaires la position des points de mesure ainsi que le coefficient de reacuteflexion des surfaces La description du sceacutenario comprend aussi les fichiers photomeacutetriques des luminaires au format CIBSE TM 14 sachant que la photomeacutetrie reacuteelle de chaque luminaire a eacuteteacute mesureacutee seacutepareacutement dans un laboratoire agreacuteeacute
Le protocole expeacuterimental comprend un controcircle du flux lumineux agrave travers lrsquoobservation et le controcircle des fluctuations du courant eacutelectrique et de la tempeacuterature de la piegravece Les lampes et les ballasts ont eacuteteacute vieillis Les lampes ont eacuteteacute preacutechauffeacutees une heure avant les mesures
Les capteurs ont eacuteteacute calibreacutes et fixeacutes sur un trolley afin de garantir la reacutepeacutetitiviteacute de leur position Six diffeacuterentes mesures ont eacuteteacute prises pour chaque point agrave lrsquoaide de deux capteurs diffeacuterents la moyenne de ces mesures a eacuteteacute utiliseacutee comme reacutefeacuterence
Une estimation des erreurs de mesures a eacuteteacute calculeacutee ainsi que des erreurs de simulation dues agrave lrsquoincertitude dans la description du sceacutenario Les reacutesultats ont alors eacuteteacute preacutesenteacutes sous forme de deux bandes de valeurs la premiegravere bande est celle des mesures prises + ou ndash lrsquoestimation des erreurs de mesure et lrsquoautre est celle des mesures + ou ndash le total des erreurs estimeacutees y compris les erreurs de simulation
I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA Ce travail a eacuteteacute meneacute dans le cadre de la tache 21 de lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie intituleacutee lumiegravere naturelle dans les bacirctiments En effet un projet a eacuteteacute deacutedieacute au thegraveme de la validation des logiciels de calcul en eacuteclairage et a fait lrsquoobjet drsquoune collaboration entre les laboratoires de six nations diffeacuterentes parmi lesquels le Laboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Fontoynont 1999] [Maamari 2002]
Dans le cadre de ce projet des donneacutees expeacuterimentales ont eacuteteacute reacutecolteacutees agrave travers des mesures drsquoeacuteclairement agrave lrsquointeacuterieur drsquoune seacuterie de maquettes agrave eacutechelle reacuteduite placeacutees sous des ciels
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Chapitre I
artificiels Trois bacirctiments types ont eacuteteacute testeacutes sous plusieurs configurations en changeant les types drsquoouverture etou les coefficients de reacuteflexion des surfaces
Les sceacutenarios expeacuterimentaux ont eacuteteacute simuleacutes agrave lrsquoaide des logiciels drsquoeacuteclairage naturel Adeline Genelux Leso-DIAL Radiance et Superlite Les reacutesultats des simulations ont eacuteteacute compareacutes entre les diffeacuterents logiciels et confronteacutes aux mesures expeacuterimentales
Cette comparaison a montreacute que le calcul des eacuteclairements agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment dus agrave lrsquoeacuteclairage naturel demande une description minutieuse des luminances des portions de la voucircte ceacuteleste vues par la fenecirctre Les eacuteclairements directs agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment sont alors calculeacutes avec une preacutecision de lrsquoordre de 5 La preacutecision des calculs des reacuteflexions multiples agrave lrsquointeacuterieur de la piegravece deacutepend quant agrave elle des proprieacuteteacutes des surfaces inteacuterieures et en particulier de la lrsquoaspect bidirectionnel de ces surfaces
Cette eacutetude a montreacute finalement que les programmes doivent ecirctre utiliseacutes avec beaucoup de preacutecautions car les reacutesultats de simulation sont tregraves sensibles agrave la qualiteacute des hypothegraveses et des paramegravetres drsquoentreacutee description de la source de lumiegravere geacuteomeacutetrie du bacirctiment paramegravetres de simulation
I34 Analyse de la probleacutematique Drsquoapregraves la recherche bibliographique preacutesenteacutee ci-dessus sur le domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage nous pouvons reacutesumer la probleacutematique de ce domaine dans les points suivants
1 Difficulteacute drsquoaccegraves agrave lrsquoinformation Elle est due en particulier agrave lrsquoabsence de sources publiques speacutecialiseacutees dans le domaine
2 Manque de transparence Ainsi nous trouvons souvent des reacutesultats de validation preacutesenteacutes sans suffisamment drsquoinformation sur les proceacutedures qui ont abouti agrave ces reacutesultats
3 Manque de creacutedibiliteacute une partie importante des travaux de validation existants est reacutealiseacutee par les deacuteveloppeurs des logiciels testeacutes les sources drsquoincertitudes dans les valeurs de reacutefeacuterence ne sont souvent pas prises en consideacuteration etc
4 Manque de travaux concluants sur la validiteacute du logiciel testeacute Ceci est ducirc en partie agrave la complexiteacute des sceacutenarios expeacuterimentaux et agrave la restriction des domaines testeacutes Ainsi il est rarement possible drsquoidentifier avec certitude les points de faiblesse et les domaines drsquoapplication drsquoun logiciel testeacute
5 Absence de reacutefeacuterences standardiseacutees Ce qui fait qursquoun certain aspect de la propagation de la lumiegravere est testeacute dans diffeacuterents logiciels avec des protocoles diffeacuterents Ce qui ne permet pas une comparaison transparente et objective entre ces diffeacuterents logiciels
6 Manque de validations analytiques malgreacute les avantages de ce type de validation
En reacuteponse aux problegravemes listeacutes ci-dessus nous identifions en particulier le besoin drsquoune standardisation et drsquoune mise agrave disposition des reacutefeacuterences de validation fiables de preacutefeacuterence sous la garantie et le controcircle drsquoun ou plusieurs organismes creacutedibles
I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
I351 Introduction Le premier objectif qursquoon pourrait attendre des travaux de validation crsquoest de pouvoir ameacuteliorer la confiance des utilisateurs dans les logiciels de simulation A savoir qursquoameacuteliorer la confiance ne veut pas forceacutement dire lrsquoaugmenter Mais plutocirct sensibiliser les utilisateurs aux capaciteacutes et aux limites des diffeacuterents logiciels dans les diffeacuterents domaines de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Ainsi agrave travers lrsquoidentification des points de faiblesse
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Chapitre I
drsquoun logiciel et de ces domaines drsquoapplication on pourra aboutir agrave une utilisation responsable de ces logiciels
Drsquoougrave le besoin drsquoune meacutethodologie de validation qui permet de tester la capaciteacute drsquoun logiciel agrave simuler les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Cette meacutethodologie doit eacutegalement palier les deacutefaillances rencontreacutees dans le domaine agrave noter creacutedibiliteacute fiabiliteacute et accessibiliteacute
I352 Concept et approche proposeacutes Pour atteindre les objectifs fixeacutes ci-dessus la meacutethodologie de validation proposeacutee repose un concept de base qui est celui de tester seacutepareacutement les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Ceux-ci peuvent ecirctre classeacutes sous 3 grands groupes
1 La description de la source de lumiegravere et le calcul de lrsquoeacuteclairement direct 2 Le transfert du flux lumineux agrave travers les composants de la fenecirctre et lrsquoinfluence des
masques 3 Les inter-reacuteflexions sur les diffeacuterents mateacuteriaux avec diffeacuterentes photomeacutetries
Pour appliquer ce concept cette meacutethodologie de validation est baseacutee sur une seacuterie de cas-tests chacun traitant un sceacutenario drsquoeacuteclairage simple (un nombre limiteacute de paramegravetres) ougrave un certain aspect de la propagation de lumiegravere est mis en eacutevidence La description des cas-tests comprend la geacuteomeacutetrie les sources de lumiegravere ainsi qursquoune seacuterie de valeurs de reacutefeacuterence agrave utiliser pour tester la capaciteacute du logiciel agrave simuler lrsquoaspect en question Ces valeurs de reacutefeacuterence sont obtenues soit agrave lrsquoaide drsquoun calcul analytique quand crsquoest possible (pour des sceacutenarios theacuteoriques) ou bien agrave partir de mesures expeacuterimentales
Ainsi chaque cas-test est applicable agrave tout logiciel proposant des fonctionnaliteacutes lieacutees agrave lrsquoaspect traiteacute (dans ce cas-test) indeacutependamment des algorithmes utiliseacutes des meacutethodes de calcul adopteacutees ou des paramegravetres utiliseacutes
Cependant il est possible drsquoassocier agrave chaque test une eacutetude parameacutetrique propre agrave chaque logiciel Une telle eacutetude permet de mieux comprendre lrsquoinfluence des diffeacuterents paramegravetres proposeacutes sur la preacutecision du logiciel dans un aspect donneacute de la propagation de la lumiegravere
Pour une utilisation optimale de cette meacutethodologie de validation les cas-tests doivent couvrir tous les aspects de la propagation de la lumiegravere Ils seront alors utiliseacutes en tant qursquooutil unique et complet pour tester un logiciel donneacute
Une comparaison geacuteneacuterale des reacutesultats des simulations drsquoun logiciel donneacute aux valeurs de reacutefeacuterences de la seacuterie de cas-tests donnera une ideacutee claire sur les domaines ougrave le logiciel testeacute respecte ou non les lois physiques Ceci permettra agrave un utilisateur de veacuterifier si ce logiciel est compatible avec son propre domaine drsquoactiviteacute et agrave un deacuteveloppeur de veacuterifier si son logiciel a atteint les perspectives souhaiteacutees
De la mecircme faccedilon une comparaison entre les reacutesultats de diffeacuterents logiciels et les valeurs de reacutefeacuterence permet drsquooffrir une vision objective sur le logiciel qui reacutepond le mieux agrave une exigence donneacutee
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Chapitre I
Conclusions Suite agrave notre eacutetude bibliographique sur le domaine de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage nous avons orienteacute le travail de cette thegravese (agrave travers les chapitres suivants) de faccedilon agrave reacutepondre agrave certains des problegravemes identifieacutes dans ce domaine
Ainsi en ce qui concerne le manque de fiabiliteacute dans les travaux de validation des logiciels nous deacuteveloppons la meacutethode de validation que nous avons proposeacutee Dans ce cadre nous creacuteons une seacuterie de cas-tests en relation avec diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere traiteacutes ci-dessus Ces cas-tests sont reacutepartis en deux familles lrsquoune avec des sceacutenarios theacuteoriques et des reacutefeacuterences analytiques et lrsquoautre avec des reacutefeacuterences expeacuterimentales reacutepondant agrave des critegraveres de controcircle de qualiteacute que nous avons deacutefinis
En ce qui concerne la difficulteacute de simuler des sceacutenarios reacuteels de lumiegravere naturelle nous proposons et validons une meacutethode de simulation agrave partir des cartes de luminances reacuteelles agrave haute deacutefinition
Finalement nous proposons et nous validons une meacutethode de simulation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquoaide des luminaires eacutequivalents Cette meacutethode permet agrave la simulation de la lumiegravere de jour de beacuteneacuteficier de la preacutesence confirmeacutee des outils de simulation de la lumiegravere artificielle dans le domaine de la conception des bacirctiments Elle permet eacutegalement de surmonter un nombre de difficulteacutes rencontreacutees dans certains logiciels classiques de simulation la lumiegravere naturelle en particulier celles lieacutees agrave la preacutecision des reacutesultats par rapport au temps de calcul et agrave la simulation des masques exteacuterieurs
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Chapitre I
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Chapitre I
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Chapitre I
CIE Discomfort Glare in Interior Lighting CIE-117 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1995 CIE The Photometry and Goniophotometry of Luminaires CIE-121 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE The Relationship Between Digital and Colorimetric Data for Computer-Controlled CRT Displays CIE-122 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance CIE-130 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1998 CIE Spatial distribution of daylight - CIE standard general sky Vienne Commission Internationale de lEclairage 2002 7 p COHEN M F CHEN S E WALLACE J R GREENBERG DP A progressive refinement approach to fast radiosity image generation 15th annual conference on computer graphics and interactive techniques ACM Press New York 1988 pp 75-84 DE BOER J Encorporation of numerical goniophotometry into daylighting design CISBAT 2003 Lausanne EPFL 2003 pp 229-234 DE BOER J ERHORN H Survey Simple Design Tools IEA 1999 49 p DENIEL J M Modeacutelisation des luminaires et des BRDF Reacutealisation mesure et compression Thegravese en Informatique Rennes Universiteacute de Rennes 1 2002 277 p DUMORTIER D Mesure Analyse et Modeacutelisation du gisement lumineux Application agrave leacutevaluation des performances de leacuteclairage naturel des bacirctiments Thegravese en Geacutenie Civil et Sciences de lHabitat Vaulx en Velin ENTPE Universiteacutee de Savoie 1995 295 p DUMORTIER D Lumiegravere naturelle et rayonnement solaire - Mesures au sol et estimations agrave partir dimages satellites - Deacuteveloppement de services Web pour leacuteclairage naturel des bacirctiments HDR Thermique et Energeacutetique Vaulx en Velin ENTPE 2003 161 p DUMORTIER D VAN ROY F SODA daylighting resource SODA Deliverable 53C 2002 DUMORTIER D VETRO P Luminance calibration of the Nikon 950 digital cameras Lux Europa Reykjavik 2001 ERHORN H DE BOER J DIRKSMOLLER M ADELINE - An Integrated Approach to Lighting Simulation Daylighting 98 Ottawa 1998 FOLEY D J VAN-DAM A FEINER S K HUGHES J F Computer Graphics Principles and Practice Second Edition ADDISON-WESLEY 1990 (The systems programming series
50
Chapitre I
FONTOYNONT M Le point sur les meacutethodes de simulation et sur lrsquoutilisation de lrsquoimage de synthegravese en eacuteclairage LUX 1991 FONTOYNONT M LAFORGUE P MITANCHEY R AIZLEWOOD M BUTT J CARROLL W HITCHOCK R ERHORN H DE BOER J DIRKSMOumlLLER M MICHEL L PAULE B SCARTEZZINI J-L BODART M AND ROY G Validation of daylighting simulation programs IEA SHC Task 21 ECBCS Annex 29 1999 28 p GALASIU A ATIF M Applicability of Daylighting Computer Modeling in Real Case Studies Comparison between Measured and Simulated Daylight Availability and Lighting Consumption IEA SHC Task 21 IEA ECBCS Annex 29 Daylight in Buildings International Energy Agency National Research Council Canada 1998 68 p GREENUP P J EDMONDS I R COMPAGNON R RADIANCE algorithm to simulate laser-cut panel light-redirecting elements Lighting Research amp Technology 2000 vol 32 ndeg2 pp 49-54 GRYNBERG A Comparison and Validation of Radiance and Superlite Rapport interne Lawrence Berkeley National Laboratory 1988 HOPKINSON R G PETHERBRIDGE P LONGMORE J Daylighting William Heinneman Ltd London 1966 IEA-SHC Daylighting simulation Methods Algorithms and Ressources Agence Internaitonale de lEnergie - SHC 1999 IEA-SHC Measurement of Luminous Characteristics of Daylighting Materials Agence Internationale de lEnergie - SHC - Tacircche 21 1999 IESNA Calculating Coefficients of Utilisation Wall and Ceiling Cavity Exitance IES LM-57 New York Illuminating engineering Society of North America 1982 IESNA The Determination of Illuminance at a Point in Interior Spaces IES LM-43-1991 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 34 p IESNA An Introduction to Light and Lighting IES ED-50 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 51 p IESNA Lighting Handbook 8th Edition New York Illuminating engineering Society of North America 1993 IESNA IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data IESNA LM-63-95 New York Illuminating engineering Society of North America 1995 5 p IESNA 1999 IESNA Software Survey Lighting Design + Application 1999 vol 29 ndeg12 pp 39-48 JARVIS D DONN M Comparison of Computer and Model Simulations of a Daylit Interior with Reality 5th International conference on Building Performance and Simulation Association Prague Czech Republic 1997 pp 9-16
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Chapitre I
KAJIYA J T Anisotropic Reflection Models SIGGRAPH85 San Francisco 1985 pp 15-21 KARAYEL M NAVVAB M NEEMAN E SELKOWITZ S Zenith Luminance and sky luminance distributions for daylighting calculations Energy Build 1984 vol 6 ndeg3 pp 283-291 KHODULEV A B KOPYLOV E A Physically accurate lighting simulation in computer graphics software GraphiConrsquo96 The 6th International Conference on Computer graphics and Visualization St Petersburg Russia 1996 pp 111-119 KITTLER R Standardisation of outdoor conditions for the calculation of daylight factor with clear skies Sunlight in Buinldings CIE Intercessional conference Newcastle-Upon-Tyne 1965 KLEMS J H WARNER J L Measurement of bidirectional optical properties of complex shading devices ASHRAE Symposium Chicago 1995 LESLIE R P Capturing the daylight in buildings why and how Building and Environment 2003 vol 38 pp 381-385 MAAMARI F International survey on lighting simulation tools - Light and Building 2002 IEA-SHC-Task-31 2002 7 p MAAMARI F FONTOYNONT M Use of IEA-SHC Task 21 C benchmarks to assess performance of Lightscape 32 in daylighting calculations EPIC Lyon France 2002 pp 709-714 MAAMARI F FONTOYNONT M HIRATA M KOSTER J MARTY C TRANSGRASSOULIS A Reliable Datasets for Lighting Programs Validation Benchmark results CISBAT 2003 Conference 2003 pp 6 MAAMARI F JONGEWAARD M KOSTER J TRANSGRASSOULIS A FONTOYNONT M A Step Toward A Complete And Objective Validation Methodology For Lighting Simulation Tools CIE 25th Session San Diego 2003 pp 4 MARDALJEVIC J Daylight Simulation Validation Sky Models and Daylight Coefficients Leicester UK Montfort University 2000 MARDALJEVIC J The BRE-IDMP dataset a new benchmark for the validation of illuminance prediction techniques Lighting Research and Technology 2001 vol 33 ndegISSN 1365-7828 pp 117-136 MITANCHEY R Synthegravese dimages appliqueacutee agrave leacuteclairagisme inteacuterieur des bacirctiments Thegravese en Informatique speacutecialiteacute images Saint-Etienne Leacutecole Nationale Supeacuterieure des Mines de Saint-Etienne 1996 200 p
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Chapitre I
MITANCHEY R PERIOLE G FONTOYNONT M Goniophotometric measurements Numerical simulation for research and development applications Lighting Research and Technology 1995 vol 27 ndeg4 pp 189-196 MOON P SPENCER D E Illumination from a nonuniform sky Illum Eng 1942 vol 37 ndeg12 pp 707-726 NAKAMURA H OKI M AYASHI Y Luminance distribution of intermediate sky Light Visual Environ 1989 vol 9 ndeg1 pp 6-13 PAULE B COMPAGNON R SCARTEZZINI J L Towards a new daylighting design computer tool Right Light Three conference Newcastle upon Tyne England 1995 PEREZ R SEALS R MICHALSKY J All-Weather model for sky luminance distribution Preliminary configuration and validation Solar Energy 1993 vol 50 ndeg3 pp 235-245 REINHART C F HERKEL S The simulation of annual daylight illuminance distributions ndash a state-of-the-art comparison of six RADIANCE-based methods Energy and Buildings 2000 vol 32 ndeg167-187 ROY G HAYMAN S JULIAN W Sky Modeling from Digital Imagery ARC Project No A89530177 Sidney The University of Sidney amp Murdoch university 1998 ROY G RUCK N REID G JULIAN W Sky luminanceStandard Digital Form for modelling Lighting Research amp Technology 1995 vol 27 ndeg3 pp 161-167 SATEL-LIGHT Satel-Light the European Database for Daylight and Solar Radiation [en ligne] Disponible sur lthttpwwwsatel-lightcomgt (27 janvier 2004) SCARTEZZINI J L COMPAGNON G WARD G PAULE B Outils Informatiques en Lumiegravere Naturelle NEFF-4352 Universiteacute de Genegraveve EPFL 1993 142 p SHAREEF F M OLDHAM D J CARTER D J A computer model for predicting the daylight performance of complex parallel shading systems Building and Environment 2001 vol 36 pp 605-618 SLATER A GRAVES H Benchmarking Lighting Design Software TM 2800 London CIBSE 2002 33 p SMITH B SPIEKERMANN C SEMBER R Numerical methods for colorimetric calculations A comparison of integration methods Color Research and Application 1992 vol 17 ndeg6 STOCKMAR A Eulumdat file format CIBSEILE National Lighting Conference York 2000 STOCKMAR A W EULUMDAT ein leuchtendatenformat fur den europaischen beleuchtungplaner Tagungsband Licht 1990 pp 641-644
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Chapitre I
TREGENZA P Daylighting algorithms ETSU S 1350 UK Department of Trade and Industry on behalf of the Energy Technology Support Unit 1993 43 p TREGENZA P R WATERS I M Daylight Coefficients Lighting Research amp Technology 1983 vol 15 ndeg2 pp 65-71 TROWBRIDGE T S REITZ K P Average Irregularity Representation of a Rough Surface for Ray Reflection Opt Soc Am 1975 vol 65 ndeg5 pp 531-536 UETANI Y MATSUURA K A Method of Luminance Calculation in an Anisotropic Diffuse Reflecting Interior IESNA Annual Conference Technical Papers San Diego 1992 WARD G J The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System SIGGRAPH Computer graphics 1994 pp 459-472 WHITTED T An improved illumination model for shaded display Computer graphics amp Image processing 1980
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- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
I144 Eleacutements de protection solaire Le rocircle des eacuteleacutements de protection solaire est de bloquer drsquoatteacutenuer ou de reacuteorienter la lumiegravere directe du soleil Parmi les types les plus utiliseacutes nous citons en particulier les stores veacutenitiens (agrave effet de reacuteorientation) les brises soleil (agrave effet de masque) et les stores en toile (agrave effet de diffusion)
La prise en consideacuteration des eacuteleacutements de protection solaires dans une simulation de lrsquoeacuteclairage naturel deacutepend de leur type Par exemple les protections solaires agrave effet de masque neacutecessitent un simple calcul de lancer de rayons alors que la simulation des eacuteleacutements agrave effet de reacuteorientation suit le mecircme principe que pour les vitrages bidirectionnels [Klems 1995] [Shareef 2001]
I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux Pour caracteacuteriser le comportement des parois vitreacutees afin de mieux les prendre en consideacuteration dans le calcul ou la simulation de lrsquoeacuteclairage on a recours aux mesures goniophotomeacutetriques
Ces mesures peuvent srsquoaveacuterer drsquoune grande complexiteacute en particulier dans le cas des mateacuteriaux bidirectionnels puisqursquoils neacutecessitent des mesures heacutemispheacuteriques en entreacutee et en sortie
De nos jours plusieurs deacuteveloppements sont en cours afin de simplifier les proceacutedures de mesure ou de conduire ces mesures numeacuteriquement agrave lrsquoaide drsquoalgorithmes physiques [Mitanchey 1995] [Andersen 2003] [Andersen 2003] [De Boer 2003]
Drsquoautres efforts sont eacutegalement investis dans le but de simplifier la preacutesentation des donneacutees goniophotomeacutetriques [Roy 1995] [Mitanchey 1996] [IEA-SHC 1999]
I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux Si lrsquoeacuteclairage direct reccedilu des sources de lumiegravere (naturelles ou artificielles) est un eacuteleacutement de base dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere lrsquoeacuteclairage dit indirect nrsquoest pas de moindre importance
En effet lrsquoeacuteclairage indirect ducirc aux inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les diffeacuterentes surfaces drsquoune scegravene peut repreacutesenter une proportion importante de lrsquoeacuteclairement total par rapport agrave lrsquoeacuteclairement direct Crsquoest le cas notamment des luminaires indirects ou des systegravemes de reacute-acheminement de la lumiegravere directe du soleil
Les inter-reacuteflexions du flux lumineux sur les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie deacutependent de la photomeacutetrie de ces surfaces (ou des mateacuteriaux qui les constituent) Cette photomeacutetrie est caracteacuteriseacutee en particulier par trois paramegravetres
- Le facteur de reacuteflexion global - La directionnaliteacute de la lumiegravere reacutefleacutechie - Lrsquoinfluence spectrale sur la lumiegravere reacutefleacutechie
Le premier repreacutesente le rapport entre le flux total reacutefleacutechi sur une surface et le flux initial incident Pour faciliter la mesure de ce paramegravetre un nombre de mateacuteriaux standards a eacuteteacute deacutefini comme reacutefeacuterence [CIE 1979] [CIE 1979] [CIE 1998]
Le deuxiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la ou les directions de reacuteflexion drsquoun flux incident avec une direction donneacutee Cette directionnaliteacute deacutepend de la geacuteomeacutetrie microscopique de la surface (apparente) drsquoun mateacuteriau opaque On distingue en particulier deux types de reacuteflexion theacuteoriques Les reacuteflexions parfaitement speacuteculaires et les reacuteflexions
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Chapitre I
parfaitement diffuses Bien que ces cas extrecircmes nrsquoexistent pas dans la reacutealiteacute les lois theacuteoriques relatives sont bien deacutefinies (La loi de Descartes pour le premier et loi de Lambert et les formules de facteur de forme pour le deuxiegraveme) Au-delagrave de ces deux cas theacuteoriques simplifieacutes un nombre de travaux a eacuteteacute meneacute pour deacutecrire des modegraveles analytiques plus complets qui srsquoapprochent mieux de la reacutealiteacute mais qui repreacutesentent un degreacute de complexiteacute plus eacuteleveacute [Trowbridge 1975] [Kajiya 1985] [Uetani 1992] [Balocco 2001] [Deniel 2002]
Dans la majoriteacute des logiciels existants la reacuteflexion de la lumiegravere sur une surface est simuleacutee par une combinaison de reacuteflexions diffuses et speacuteculaires Ainsi une partie du flux est reacutefleacutechie en obeacuteissant agrave la loi de Descartes et une autre partie est diffuseacutee uniformeacutement dans lrsquoespace Les algorithmes utiliseacutes sont eacutegalement en geacuteneacuteral une combinaison de radiositeacute et de lancer de rayons Certains logiciels nrsquoutilisant que les algorithmes de radiositeacute se contentent de supposer les surfaces comme 100 diffuses
Drsquoautres logiciels qui restent assez rares prennent en consideacuteration les fonctions de reacuteflexions bidirectionnelles (BRDF) theacuteoriques ou mesureacutees Cependant il faut noter que de nos jours la preacutecision des mesures de ces fonctions neacutecessite encore des moyens financiers et logistiques trop importants
Le troisiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la qualiteacute spectrale de la lumiegravere reacutefleacutechie par rapport agrave celle de la lumiegravere incidente Elle deacutepend en particulier de lrsquoabsorption spectrale seacutelective du mateacuteriau En effet le facteur drsquoabsorption drsquoun mateacuteriau peut ecirctre plus ou moins eacuteleveacute selon la longueur drsquoonde avec laquelle arrive une partie du flux incident Ainsi le spectre de la lumiegravere reacutefleacutechie peut ecirctre complegravetement diffeacuterent de celui de la lumiegravere incidente Les mateacuteriaux qui ont le mecircme facteur de reacuteflexion pour toutes les longueurs drsquoonde sont dits spectralement neutres [CIE 1986] [Smith 1992] [CIE 1996]
Plusieurs approches sont proposeacutees pour traiter lrsquoaspect spectral ou colorimeacutetrique de la propagation de la lumiegravere Les approches les plus utiliseacutees dans les logiciels de simulation de la lumiegravere sont baseacutees sur une caracteacuterisation agrave trois composantes de la couleur (de la source lumineuse ou des surfaces) Nous citons les systegravemes XYZ (de la CIE) RGB CMY et HSV Cependant si ce type de caracteacuterisation est convenable pour la repreacutesentation des couleurs il srsquoavegravere insuffisant pour simuler la variation du spectre du flux lumineux agrave travers les inter-reacuteflexions sur les surfaces inteacuterieures drsquoun espace [Mitanchey 1996] Pour plus de preacutecision il est alors recommandeacute drsquoutiliser les approches baseacutees sur une discreacutetisation plus ou moins fine du spectre Mais lrsquoimpleacutementation de telles approches dans les logiciels existants est loin drsquoecirctre courante [Smith 1992] [Mitanchey 1996]
I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage Il existe sur le marcheacute international un nombre important de logiciels deacutedieacutes agrave la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Dans une enquecircte meneacutee par le groupe 3D lumiegravere en 2000 aupregraves de 74 professionnels [3D-lumiegravere 2000] environ quarante logiciels ont eacuteteacute citeacutes par les enquecircteacutes comme outils de travail en eacuteclairage Dans une deuxiegraveme eacutetude plus speacutecialiseacutee dans le calcul drsquoeacuteclairage naturel et meneacutee par lrsquoagence international drsquoeacutenergie IEA SHC Task 21-C2 [Fontoynont 1999] vingt cinq logiciels ont eacuteteacute citeacutes Vingt deux de ces logiciels ne sont pas connus par les utilisateurs franccedilais enquecircteacutes par 3D lumiegravere Finalement nous citons lrsquoenquecircte de lrsquoIENSA [IESNA 1999] preacutesentant un nombre de logiciels existants au niveau international
Les logiciels existants diffegraverent entre eux par les algorithmes qursquoils utilisent par leurs approches DAO par la prise en consideacuteration des diffeacuterents types de sources lumineuses par
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Chapitre I
leur capaciteacute agrave simuler les pheacutenomegravenes de propagation de lumiegravere plus ou moins complexes par leur interface utilisateur et finalement par leurs vocations et leurs domaines drsquoapplication
I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage Le rocircle des algorithmes dans une simulation drsquoeacuteclairage est de geacuterer le calcul de la propagation de la lumiegravere entre les sources et les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie puis les inter-reacuteflexions entre ces surfaces
Les algorithmes utiliseacutes dans les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage sont des algorithmes dits drsquoeacuteclairement global (global illumination) puisqursquoils font un calcul tridimensionnel de la propagation de la lumiegravere Ils peuvent ecirctre classeacutes sous deux grandes familles la radiositeacute et le lancer de rayons Ces deux familles tendent agrave avoir des avantages et des inconveacutenients compleacutementaires ce qui fait que certains logiciels utilisent une logique hybride combinant les deux familles [IEA-SHC 1999] [Mitanchey 1996]
1211 Radiositeacute Les algorithmes de radiositeacute utiliseacutes pour le calcul de lrsquoeacuteclairage datent du deacutebut des anneacutees 80 Ils ont eacuteteacute adapteacutes agrave partir des algorithmes de radiositeacute utiliseacutes depuis les anneacutees 60 pour le calcul des eacutechanges radiatifs thermiques sur la base de lrsquoeacutequilibre eacutenergeacutetique
Les algorithmes de radiositeacute procegravedent en geacuteneacuteral agrave une discreacutetisation de lrsquoenvironnement simuleacute agrave travers un maillage (subdivision en petites mailles) des surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie eacuteclaireacutee par une source donneacutee (voir figure I3) Tout drsquoabord un calcul de la lumiegravere directe reccedilue par chaque maille est effectueacute Ensuite chaque maille est traiteacutee comme une source lumineuse eacutemettant une partie du flux lumineux qursquoelle a reccedilu (selon son facteur de reacuteflexion) vers les autres mailles de la geacuteomeacutetrie Cette lumiegravere indirecte subit plusieurs inter-reacuteflexions jusqursquoagrave ce que la quasi-totaliteacute du flux initial soit absorbeacutee
Suite agrave ce calcul on est capable de savoir la quantiteacute de flux lumineux direct et indirect reccedilue et eacutemise par une maille donneacutee et donc lrsquoeacuteclairement et la luminance de cette maille [Scartezzini 1993] [Ashdown 2001]
Figure I3 Exemple drsquoun calcul de Radiositeacute agrave lrsquointeacuterieur drsquoune geacuteomeacutetrie
Bien que le principe geacuteneacuteral de la radiositeacute deacutecrit ci-dessus soit le mecircme pour tous les algorithmes de radiositeacute existants ceux-ci diffegraverent dans la meacutethode adopteacutee pour le maillage de la geacuteomeacutetrie et pour le suivi du flux
La radiositeacute peut ecirctre en principe appliqueacutee agrave tout type de reacuteflexion cependant les algorithmes existants sont encore limiteacutes aux reacuteflexions 100 diffuses Ce qui entraicircne des erreurs plus ou moins importantes selon le comportement reacuteel du mateacuteriau simuleacute La
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Chapitre I
radiositeacute preacutesente aussi quelques autres inconveacutenients dont particuliegraverement un temps de calcul assez long une lourde consommation en meacutemoire et une faible performance en qualiteacute graphique
Cependant le calcul de radiositeacute a lrsquoavantage drsquoecirctre indeacutependant de la position de lrsquoobservateur Ainsi un seul calcul est suffisant pour connaicirctre lrsquoeacuteclairement de tous les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie et pour la visualiser agrave partir drsquoune infiniteacute de points de vue
Une nouvelle geacuteneacuteration drsquoalgorithmes de radiositeacute est apparue en 1988 elle permet drsquoobtenir un reacutesultat graphique immeacutediat qui srsquoameacuteliore progressivement en preacutecision et en qualiteacute visuelle drsquoougrave son nom progressive refinement radiosity [Cohen 1988] [Autodesk 1999]
Une autre eacutevolution des algorithmes de radiositeacute fut le concept de maillage adaptatif ougrave le logiciel commence agrave calculer agrave partir drsquoun maillage de faible preacutecision Ensuite il procegravede agrave des subdivisions suppleacutementaires lagrave ougrave il y a une grande diffeacuterence drsquoeacuteclairement entre les mailles Cette meacutethode conduit agrave une eacuteconomie dans le temps de calcul et dans lrsquoutilisation de meacutemoire
1212 Lancer de rayons La deuxiegraveme famille drsquoalgorithmes est la plus ancienne elle a connu plus de deacuteveloppements et preacutesente une plus grande varieacuteteacute de meacutethodes
Ces meacutethodes ont lrsquoavantage de calculer avec preacutecision lrsquoeacuteclairement direct de calculer les effets speacuteculaires des mateacuteriaux de mieux deacutefinir les ombres et de consideacuterer les reacutefractions agrave travers les surfaces transparentes Crsquoest donc les algorithmes qui donnent les meilleurs reacutesultats graphiques drsquoougrave ce qursquoon appelle le photo-reacutealisme des images de synthegravese
Il existe plusieurs cateacutegories drsquoalgorithmes baseacutees sur le lancer de rayon nous citons les suivantes
Figure I4 Exemple drsquoun calcul de Lancer de rayons (inverse)
1 Traceacute de rayons ou Lancer de rayons depuis lrsquoobservateur dite aussi Lancer inverse de rayons (backward ray tracing) les rayons sont geacuteneacutereacutes depuis lrsquoœil de lrsquoobservateur et cheminent agrave travers des reacuteflexions multiples sur les parois jusqursquoaux sources de lumiegravere (voir figure I4) Ainsi seuls les rayons utiles pour la construction de lrsquoimage seront geacuteneacutereacutes et suivis agrave travers les diffeacuterentes inter-reacuteflexions mais la solution est valide pour un seul point de vue [Whitted 1980]
2 Suivi de rayons ou Lancer direct de rayons (forward ray tracing) cette meacutethode geacutenegravere les rayons lumineux depuis la source vers les surfaces reacuteceptrices quand un rayon atteint une surface il est dirigeacute selon la photomeacutetrie rencontreacutee jusqursquoagrave lrsquoeacutepuisement de son eacutenergie [Fontoynont 1991]
3 Technique statistique de monte-carlo backward ou forward La meacutethode de Monte-Carlo associeacutee agrave des meacutethodes de lancer de rayons a recours agrave une technique statistique
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Chapitre I
pour la distribution des rayons reacutefleacutechis Elle neacutecessite un temps de calcul eacuteleveacute [IEA-SHC 1999]
I22 Exemples types des logiciels existants Les logiciels existants sur le marcheacute international et utiliseacutes comme outils de conception en eacuteclairage peuvent ecirctre classeacutes en diffeacuterentes familles [De Boer 1999] [IESNA 1999]
1 Les logiciels baseacutes sur les formules de base de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel Ces logiciels sont souvent distribueacutes par les constructeurs de luminaires et munis de leur bibliothegraveque de luminaires
2 Des logiciels baseacutes sur des formules de base de calcul en eacuteclairage naturel ou sur des donneacutees empiriques (ou preacute-simuleacutees) Ces logiciels sont souvent deacutedieacutes agrave lrsquoutilisation dans les phases preacuteliminaires de la conception drsquoun projet (ex Dial Sodalight etc)
3 Les logiciels capables de calculer lrsquoeacuteclairage direct uniquement Ils sont tregraves souvent inteacutegreacutes dans des logiciels de DAO Leur objectif est limiteacute agrave lrsquoameacutelioration du rendu graphique drsquoun projet ou au mieux agrave une eacutetude de taches solaires (ex Archicad) Cependant ce type de logiciels devient de plus en plus rare En effet vu leurs potentiels un certain nombre de ces logiciels a eacuteteacute mis agrave niveau par les deacuteveloppeurs et a passeacute ainsi agrave la famille suivante (ex Microstation et 3D Studio)
4 Les logiciels dits drsquoeacuteclairement global Ils utilisent souvent des algorithmes de calcul physique (en particulier de radiositeacute et lancer de rayons) Nous distinguons cependant dans cette cateacutegorie les logiciels deacuteveloppeacutes dans un cadre scientifique (ex Radiance Geacuteneacutelux CSTB) de ceux deacuteveloppeacutes et diffuseacutes dans un cadre commercial (Lightscape Dialuxhellip) En geacuteneacuteral les logiciels commerciaux possegravedent des interfaces plus conviviales mais les logiciels scientifiques offrent des fonctionnaliteacutes plus complegravetes Par exemple certains logiciels scientifiques sont capables de prendre en consideacuteration lrsquoaspect spectral de la propagation de la lumiegravere etou de traiter les fonctions bidirectionnelles Finalement nous notons que les logiciels commerciaux manquent le plus de transparence sur leur fiabiliteacute dans les diffeacuterents domaines drsquoapplication (manque de travaux de validation)
Dans notre travail de thegravese nous nous inteacuteressons en particulier agrave la derniegravere famille Ne pouvant pas enquecircter sur tous les logiciels existants nous nous contentons de citer (par ordre alphabeacutetique) quelques logiciels sur lesquels il y a eu des publications scientifiques et des travaux de validation [Fontoynont 1999]
1221 Adeline Deacuteveloppeacute dans le cadre de lrsquoIEA Adeline a eacuteteacute fondeacute sur les logiciels Superlite et Radiance par le biais drsquoun modeleur graphique et drsquooutils de DAO Ainsi il permet de deacutefinir la geacuteomeacutetrie avec son propre systegraveme de DAO par lrsquoentreacutee manuelle des coordonneacutes carteacutesiennes ou agrave partir drsquoun fichier DXF
Le logiciel est muni drsquoune bibliothegraveque de base de donneacutees de mateacuteriaux de luminaires et de mobilier Il produit des reacutesultats numeacuteriques ou bien graphiques Au-delagrave des eacuteclairements et des luminances Adeline permet de calculer lrsquoeacutenergie consommeacutee par lrsquoeacuteclairage artificiel en fonction des apports de lumiegravere du jour [Erhorn 1998] [Scartezzini 1993]
1222 Genelux Le logiciel Genelux deacuteveloppeacute au laboratoire des sciences de lrsquohabitat utilise un algorithme de lancer direct et suivi de rayons lumineux (Forward Ray tracking) La distribution des rayons reacutefleacutechis est effectueacutee en ayant recours agrave une technique statistique de Monte Carlo
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Chapitre I
Dans le cas ougrave les surfaces seraient parfaitement diffusantes il est possible de faire appel agrave un algorithme baseacute sur la meacutethode de radiositeacute afin de reacuteduire les temps de simulation Genelux peut modeacuteliser les surfaces speacuteculaires diffuses ou mixtes en transmission etou reacuteflexion Il peut eacutegalement prendre en consideacuteration des quantiteacutes spectrales en deacutecomposant les rayons incidents par bandes spectrales [Mitanchey 1996] [Maamari 2003]
1223 Inspirer Destineacute surtout au domaine de lrsquoarchitecture avec comme fonctionnaliteacutes les calculs de lrsquoeacuteclairage les analyses de visibiliteacute et la visualisation des projets Pour le calcul de lrsquoeacuteclairage il utilise des approches hybrides surtout la meacutethode bi-directionnelle de Monte Carlo au Lancer de Rayons Ce qui diffeacuterencie le plus ce logiciel est lrsquoutilisation des formules de BRDF qui permet de respecter les variations de reacuteflexion et de transmission (diffuse et speacuteculaire) ainsi que des couleurs selon lrsquoangle drsquoincidence et de vision [Maamari 2003]
1224 DIAL Leso-Dial Le but du logiciel est de donner aux architectes des informations utiles concernant lrsquoutilisation de la lumiegravere de jour dans un bacirctiment degraves la phase de lrsquoavant projet Il calcule le facteur de lumiegravere du jour sur le plan utile gracircce agrave une utilisation hybride de formule analytique et empirique [Paule 1995]
1225 Lightscape 32 Crsquoest un logiciel qui est destineacute agrave des utilisations graphiques mais il offre eacutegalement des fonctionnaliteacutes inteacuteressantes pour la simulation physique de la lumiegravere Il utilise un algorithme de radiositeacute pour le calcul quantitatif et un algorithme de lancier de rayons pour lrsquoameacutelioration qualitative et visuelle des images de synthegraveses Ce logiciel est deacutecrit en deacutetail dans la partie IV11 de ce document [Khodulev 1996] [Maamari 2002]
1226 Radiance Le logiciel Radiance utilise un algorithme de lancer inverse de rayons Le lancer des rayons peut ecirctre stoppeacute si leur eacutenergie est jugeacutee insuffisante Les rayons reacutefleacutechis peuvent ecirctre geacuteneacutereacutes selon une fonction de distribution permettant la simulation de reacuteflexions speacuteculaires semi-speacuteculaires ou diffuses Ce lancer de rayons est compleacuteteacute drsquoun calcul statistique de reacuteflexion diffuse pour distribuer le flux reacutesiduel [Ward 1994] [Grynberg 1988]
1227 Superlite Le logiciel Superlite utilise une meacutethode point agrave point de radiositeacute Toutes les surfaces sont supposeacutees ecirctre parfaitement diffusantes Crsquoest la meacutethode la plus rapide mais elle est toutefois limiteacutee aux surfaces diffuses [Grynberg 1988]
I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels Lrsquoutilisation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage se geacuteneacuteralise de plus en plus dans le domaine de conception en eacuteclairage et au-delagrave Ainsi de nos jours ces logiciels sont utiliseacutes aussi bien par des bureaux drsquoeacutetude du bacirctiment et des architectes que par des deacuteveloppeurs de jeu videacuteo Les applications peuvent ecirctre entre autres [IESNA 1999] [3D-lumiegravere 2000] [Maamari 2002]
1 La conception en eacuteclairage artificiel Que ce soit pour lrsquoeacuteclairage inteacuterieur des bacirctiments lrsquoeacuteclairage des faccedilades des monuments des voiries des trottoirs ou lrsquoeacuteclairage des
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Chapitre I
tunnels etc Elle comprend entre autre le dimensionnement des systegravemes lrsquoanalyse du confort visuel et de la consommation etc
2 La conception en eacuteclairage naturel dimensionnement des ouvertures et des protections solaires orientation des projets analyse de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour et eacutetudes des FLJhellip
3 Le rendu et la preacutesentation des projets par les architectes et par les deacutecorateurs drsquointeacuterieur 4 La creacuteation de scegravenes de reacutealiteacute virtuelle pour le monde du cineacutema de la publiciteacute ou des
jeux videacuteohellip 5 La conception mecircme des optiques de luminaires ou de phares de voitures
Le domaine drsquoutilisation drsquoun logiciel donneacute deacutepend des fonctionnaliteacutes proposeacutees par ce logiciel de ses capaciteacutes agrave simuler avec un certain degreacute de fiabiliteacute et de faciliteacute les diffeacuterents domaines de la propagation de la lumiegravere en relation avec les besoins de lrsquoutilisateur
Bien que les algorithmes de calcul utiliseacutes dans les logiciels se ressemblent ces derniers ne sont pas tous adapteacutes pour les mecircme types drsquoapplications et ne reacutepondent pas aux mecircmes besoins
Ainsi certains utilisateurs cherchent en prioriteacute la faciliteacute drsquoutilisation des fonctionnaliteacutes en relation avec leur propre activiteacute en deacutepit des autres fonctionnaliteacutes et mecircme parfois en deacutepit de la validiteacute des reacutesultats Drsquoailleurs crsquoest agrave cause de ce contexte que des deacuteveloppeurs de logiciels commerciaux ont tendance agrave proposer des interfaces et des fonctionnaliteacutes optimiseacutees et orienteacutees vers un domaine drsquoapplication donneacute Ainsi nous commenccedilons agrave trouver par exemple des logiciels deacutedieacutes agrave la conception de lrsquoeacuteclairage public etou des tunnels (ex Tunnel-Lite) drsquoautres agrave la conception des protections solaires (ex ParaSol) etc
Cependant il est encore difficile de nos jours agrave un concepteur de bacirctiment de savoir quel est le ou les logiciels existants qui reacutepondent le mieux agrave ses propres besoins Crsquoest ce qui ressort dans les diffeacuterentes enquecirctes meneacutees sur lrsquoutilisation des logiciels en particulier celle meneacutee par le club 3D-Lumiegravere [3D-lumiegravere 2000] et celle que nous avons meneacutee au Light and Building 2002 [Maamari 2002] (voir annexe D) Nous notons par exemple dans ces deux enquecirctes lrsquoutilisation par des concepteurs lumiegravere de logiciels graphiques (Photoshop) en tant qursquooutils de conception
I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I31 Introduction Comme son nom lrsquoindique un logiciel de simulation de lrsquoeacuteclairage est supposeacute simuler la reacutealiteacute Mais la fideacuteliteacute de la simulation agrave la reacutealiteacute est loin drsquoecirctre veacuterifieacutee pour tous les logiciels existants sur le marcheacute international
Drsquoailleurs le niveau de preacutecision et de similitude (entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage et la reacutealiteacute) exigeacute ou souhaiteacute par les diffeacuterents utilisateurs nrsquoest pas neacutecessairement le mecircme et peut varier largement selon la speacutecificiteacute de leurs domaines drsquoactiviteacute [Maamari 2002]
Ainsi pour des utilisateurs qui srsquointeacuteressent uniquement au rendu graphique une image de synthegravese reacutealiste sans ecirctre neacutecessairement proche de la reacutealiteacute peut ecirctre suffisante Pour eux la question de la validation scientifique du logiciel utiliseacute ne se pose pas trop
Alors que pour des utilisateurs qui comptent extraire drsquoune simulation des cartes de luminances pour analyser le confort visuel de lrsquooccupant la validiteacute du logiciel devient drsquoune
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Chapitre I
importance de premier ordre Ceci est eacutegalement vrai pour les concepteurs en eacuteclairage qui ont besoin de veacuterifier que le niveau drsquoeacuteclairement est suffisant sur le plan de travail
Mais quel que soit le niveau de preacutecision souhaiteacute il est important pour un futur utilisateur de savoir la preacutecision qursquoil peut attendre de la part du logiciel qursquoil souhaite utiliser pour un type donneacute de tacircches Cette information est mecircme indispensable pour aboutir agrave une utilisation responsable des logiciels de simulation mais cela ne peut ecirctre possible qursquoagrave travers une validation rigoureuse et transparente de ce logiciel
Une validation rigoureuse et transparente des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage est une tacircche immense et drsquoune complexiteacute non neacutegligeable Ce qui est vrai pour tous les logiciels baseacutes sur des lois physiques comme par exemple les logiciels de simulation thermique
Cette complexiteacute est drsquoautant plus vraie quand on srsquointeacuteresse agrave lrsquoorientation du choix des utilisateurs vers un logiciel qui reacutepond le mieux agrave leurs propres besoins Dans ce contexte on souhaite veacuterifier la capaciteacute du logiciel agrave simuler avec preacutecision les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere lieacutes au domaine drsquoutilisation mais aussi on veut comparer cette capaciteacute agrave drsquoautres logiciels existants
La multitude des aspects qui entrent en jeu dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere combineacutee agrave la diversiteacute des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage contribuent agrave cette complexiteacute
Ainsi un logiciel capable de simuler des luminaires agrave optique diffusante nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler un luminaire avec une optique asymeacutetrique De mecircme un logiciel capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour agrave travers un vitrage ordinaire nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave travers un vitrage ou un systegraveme de protection solaire agrave aspect bidirectionnel etc
Nous preacutesentons ci-dessous une eacutetude bibliographique sur lrsquoeacutetat de lrsquoart du domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I32 Diffeacuterents types de validation En ce qui concerne les types de travaux de validation reacutealiseacutes nous avons pu identifier les suivants
I321 La validation analytique La validation analytique comme son nom lrsquoindique porte sur des cas theacuteoriques pour lesquels il existe des lois analytiques Ces lois sont issues des notions de base de la science physique lieacutees au rayonnement eacutelectromagneacutetique
Les travaux de validation baseacutes sur des reacutefeacuterences analytiques sont assez rares parmi les travaux reacutealiseacutes que nous avons pu trouver lors de notre recherche bibliographique
Cependant la validation analytique preacutesente des avantages consideacuterables comme la possibiliteacute de limiter les paramegravetres lieacutes agrave la propagation de la lumiegravere qui entrent en jeu dans un sceacutenario test Nous notons aussi lrsquoavantage de donner des solutions de reacutefeacuterences avec des incertitudes nulles ou neacutegligeables
En contrepartie la validation analytique ne peut couvrir que des domaines limiteacutes de la propagation de la lumiegravere Ce sont en geacuteneacuteral des cas de figures simples pour lesquels existe une loi theacuteorique [Aizlewood 1997]
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Chapitre I
I322 La validation expeacuterimentale Dans ce type de validation les reacutesultats des logiciels sont compareacutes agrave des mesures expeacuterimentales Ces mesures peuvent ecirctre reacutealiseacutees dans
a des maquettes drsquoeacutetude agrave eacutechelle reacuteduite [Caroll 1999] b des cellules tests agrave eacutechelle 11 c ou des piegraveces reacuteelles [Galasiu 1998] [Jarvis 1997]
Quel que soit le type des mesures reacutealiseacute la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales agrave utiliser pour des travaux de validation est confronteacutee agrave des obstacles consideacuterables
Le premier est lieacute aux sources drsquoerreur introduites lors de la description du sceacutenario expeacuterimental afin de le reproduire dans une simulation numeacuterique
Lrsquoimportance de cet obstacle est aggraveacutee par la multitude des paramegravetres qui entrent en jeu dans un sceacutenario expeacuterimental et par lrsquointeraction entre les sources drsquoerreurs lieacutees agrave chacun de ces paramegravetres
A titre drsquoexemple les sources drsquoerreur peuvent survenir lors de la description de la source de lumiegravere (artificielle ou reacuteelle) lors de la description de la photomeacutetrie des mateacuteriaux (reacuteflexion bidirectionnelle caracteacuteristiques spectraleshellip) etc
Un autre obstacle est ducirc agrave lrsquoincertitude qui existe dans la valeur mesureacutee et cela quelle que soit la preacutecision du protocole expeacuterimental appliqueacute Cette incertitude est lieacutee en partie agrave la preacutecision de lrsquoappareil de mesure et agrave son positionnement
Ducirc agrave tous ces obstacles la comparaison entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique et les mesures expeacuterimentales permet difficilement de conclure sur la preacutecision du logiciel testeacute
Il est aussi important de noter qursquoun des plus grands obstacles agrave la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales fiables reste celui des moyens techniques financiers et humains neacutecessaires aux expeacuterimentations
I323 La validation comparative Elle porte sur une comparaison des reacutesultats de simulation de plusieurs logiciels entre eux Cela peut ecirctre fait avec lrsquoexistence ou non drsquoune reacutefeacuterence expeacuterimentale ou analytique
Lrsquoavantage des comparaisons est de donner la possibiliteacute aux utilisateurs de mieux choisir entre plusieurs logiciels selon leur performance dans un domaine donneacute de la simulation
Cependant lrsquoutilisation des reacutesultats drsquoune comparaison afin de juger des logiciels les uns par rapport aux autres neacutecessite un maximum de transparence en particulier sur la complexiteacute des proceacutedures et sur le temps de calcul neacutecessaire pour obtenir ces reacutesultats [Grynberg 1988] [Fontoynont 1999] [Maamari 2003]
I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes Les travaux de validation reacutealiseacutes sur des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage ne manquent pas en nombre cependant crsquoest la creacutedibiliteacute de ces travaux qui nrsquoest pas toujours veacuterifieacutee
En ce qui concerne les rares travaux de validation existants qui beacuteneacuteficient drsquoune creacutedibiliteacute scientifique ou celle drsquoun organisme agreacuteeacute nous citons les suivants
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Chapitre I
I331 Le travail de Khodulev et Kopylov Ce travail reacutealiseacute et publieacute par Andrei B Khodulev et Edward A Kopylov en 1996 [Khodulev 1996] est lrsquoun des rares travaux de validation qui ont utiliseacute une reacutefeacuterence analytique
Le travail porte sur une validation comparative entre les logiciels Lightscape Specter et Radiance Une description des trois logiciels est donneacutee portant sur plusieurs critegraveres y compris lrsquointerface utilisateur
Un des sceacutenarios utiliseacutes pour la comparaison est celui drsquoune piegravece cubique fermeacutee avec une source lumineuse isotrope au centre La comparaison porte sur lrsquoeacuteclairement au niveau des points de mesure situeacutes sur le sol La valeur de reacutefeacuterence de cet eacuteclairement est calculeacutee semi-analytiquement pour prendre en consideacuteration la composante reacutefleacutechie interne
I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE Ce rapport repreacutesente un exemple ideacuteal sur la creacuteation des donneacutees expeacuterimentales fiables pour la validation des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage [Slater 2002]
Le travail deacutecrit dans ce rapport porte sur un protocole expeacuterimental qui a eacuteteacute deacutefini et conduit drsquoune maniegravere remarquablement rigoureuse dans une cellule test agrave eacutechelle 11 Le but est de creacuteer une base de donneacutees expeacuterimentales pour la validation des logiciels de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel
Le rapport comprend une description preacutecise du sceacutenario expeacuterimental y compris les dimensions de la geacuteomeacutetrie (une piegravece carreacutee) la position des lampes ou des luminaires la position des points de mesure ainsi que le coefficient de reacuteflexion des surfaces La description du sceacutenario comprend aussi les fichiers photomeacutetriques des luminaires au format CIBSE TM 14 sachant que la photomeacutetrie reacuteelle de chaque luminaire a eacuteteacute mesureacutee seacutepareacutement dans un laboratoire agreacuteeacute
Le protocole expeacuterimental comprend un controcircle du flux lumineux agrave travers lrsquoobservation et le controcircle des fluctuations du courant eacutelectrique et de la tempeacuterature de la piegravece Les lampes et les ballasts ont eacuteteacute vieillis Les lampes ont eacuteteacute preacutechauffeacutees une heure avant les mesures
Les capteurs ont eacuteteacute calibreacutes et fixeacutes sur un trolley afin de garantir la reacutepeacutetitiviteacute de leur position Six diffeacuterentes mesures ont eacuteteacute prises pour chaque point agrave lrsquoaide de deux capteurs diffeacuterents la moyenne de ces mesures a eacuteteacute utiliseacutee comme reacutefeacuterence
Une estimation des erreurs de mesures a eacuteteacute calculeacutee ainsi que des erreurs de simulation dues agrave lrsquoincertitude dans la description du sceacutenario Les reacutesultats ont alors eacuteteacute preacutesenteacutes sous forme de deux bandes de valeurs la premiegravere bande est celle des mesures prises + ou ndash lrsquoestimation des erreurs de mesure et lrsquoautre est celle des mesures + ou ndash le total des erreurs estimeacutees y compris les erreurs de simulation
I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA Ce travail a eacuteteacute meneacute dans le cadre de la tache 21 de lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie intituleacutee lumiegravere naturelle dans les bacirctiments En effet un projet a eacuteteacute deacutedieacute au thegraveme de la validation des logiciels de calcul en eacuteclairage et a fait lrsquoobjet drsquoune collaboration entre les laboratoires de six nations diffeacuterentes parmi lesquels le Laboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Fontoynont 1999] [Maamari 2002]
Dans le cadre de ce projet des donneacutees expeacuterimentales ont eacuteteacute reacutecolteacutees agrave travers des mesures drsquoeacuteclairement agrave lrsquointeacuterieur drsquoune seacuterie de maquettes agrave eacutechelle reacuteduite placeacutees sous des ciels
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Chapitre I
artificiels Trois bacirctiments types ont eacuteteacute testeacutes sous plusieurs configurations en changeant les types drsquoouverture etou les coefficients de reacuteflexion des surfaces
Les sceacutenarios expeacuterimentaux ont eacuteteacute simuleacutes agrave lrsquoaide des logiciels drsquoeacuteclairage naturel Adeline Genelux Leso-DIAL Radiance et Superlite Les reacutesultats des simulations ont eacuteteacute compareacutes entre les diffeacuterents logiciels et confronteacutes aux mesures expeacuterimentales
Cette comparaison a montreacute que le calcul des eacuteclairements agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment dus agrave lrsquoeacuteclairage naturel demande une description minutieuse des luminances des portions de la voucircte ceacuteleste vues par la fenecirctre Les eacuteclairements directs agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment sont alors calculeacutes avec une preacutecision de lrsquoordre de 5 La preacutecision des calculs des reacuteflexions multiples agrave lrsquointeacuterieur de la piegravece deacutepend quant agrave elle des proprieacuteteacutes des surfaces inteacuterieures et en particulier de la lrsquoaspect bidirectionnel de ces surfaces
Cette eacutetude a montreacute finalement que les programmes doivent ecirctre utiliseacutes avec beaucoup de preacutecautions car les reacutesultats de simulation sont tregraves sensibles agrave la qualiteacute des hypothegraveses et des paramegravetres drsquoentreacutee description de la source de lumiegravere geacuteomeacutetrie du bacirctiment paramegravetres de simulation
I34 Analyse de la probleacutematique Drsquoapregraves la recherche bibliographique preacutesenteacutee ci-dessus sur le domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage nous pouvons reacutesumer la probleacutematique de ce domaine dans les points suivants
1 Difficulteacute drsquoaccegraves agrave lrsquoinformation Elle est due en particulier agrave lrsquoabsence de sources publiques speacutecialiseacutees dans le domaine
2 Manque de transparence Ainsi nous trouvons souvent des reacutesultats de validation preacutesenteacutes sans suffisamment drsquoinformation sur les proceacutedures qui ont abouti agrave ces reacutesultats
3 Manque de creacutedibiliteacute une partie importante des travaux de validation existants est reacutealiseacutee par les deacuteveloppeurs des logiciels testeacutes les sources drsquoincertitudes dans les valeurs de reacutefeacuterence ne sont souvent pas prises en consideacuteration etc
4 Manque de travaux concluants sur la validiteacute du logiciel testeacute Ceci est ducirc en partie agrave la complexiteacute des sceacutenarios expeacuterimentaux et agrave la restriction des domaines testeacutes Ainsi il est rarement possible drsquoidentifier avec certitude les points de faiblesse et les domaines drsquoapplication drsquoun logiciel testeacute
5 Absence de reacutefeacuterences standardiseacutees Ce qui fait qursquoun certain aspect de la propagation de la lumiegravere est testeacute dans diffeacuterents logiciels avec des protocoles diffeacuterents Ce qui ne permet pas une comparaison transparente et objective entre ces diffeacuterents logiciels
6 Manque de validations analytiques malgreacute les avantages de ce type de validation
En reacuteponse aux problegravemes listeacutes ci-dessus nous identifions en particulier le besoin drsquoune standardisation et drsquoune mise agrave disposition des reacutefeacuterences de validation fiables de preacutefeacuterence sous la garantie et le controcircle drsquoun ou plusieurs organismes creacutedibles
I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
I351 Introduction Le premier objectif qursquoon pourrait attendre des travaux de validation crsquoest de pouvoir ameacuteliorer la confiance des utilisateurs dans les logiciels de simulation A savoir qursquoameacuteliorer la confiance ne veut pas forceacutement dire lrsquoaugmenter Mais plutocirct sensibiliser les utilisateurs aux capaciteacutes et aux limites des diffeacuterents logiciels dans les diffeacuterents domaines de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Ainsi agrave travers lrsquoidentification des points de faiblesse
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Chapitre I
drsquoun logiciel et de ces domaines drsquoapplication on pourra aboutir agrave une utilisation responsable de ces logiciels
Drsquoougrave le besoin drsquoune meacutethodologie de validation qui permet de tester la capaciteacute drsquoun logiciel agrave simuler les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Cette meacutethodologie doit eacutegalement palier les deacutefaillances rencontreacutees dans le domaine agrave noter creacutedibiliteacute fiabiliteacute et accessibiliteacute
I352 Concept et approche proposeacutes Pour atteindre les objectifs fixeacutes ci-dessus la meacutethodologie de validation proposeacutee repose un concept de base qui est celui de tester seacutepareacutement les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Ceux-ci peuvent ecirctre classeacutes sous 3 grands groupes
1 La description de la source de lumiegravere et le calcul de lrsquoeacuteclairement direct 2 Le transfert du flux lumineux agrave travers les composants de la fenecirctre et lrsquoinfluence des
masques 3 Les inter-reacuteflexions sur les diffeacuterents mateacuteriaux avec diffeacuterentes photomeacutetries
Pour appliquer ce concept cette meacutethodologie de validation est baseacutee sur une seacuterie de cas-tests chacun traitant un sceacutenario drsquoeacuteclairage simple (un nombre limiteacute de paramegravetres) ougrave un certain aspect de la propagation de lumiegravere est mis en eacutevidence La description des cas-tests comprend la geacuteomeacutetrie les sources de lumiegravere ainsi qursquoune seacuterie de valeurs de reacutefeacuterence agrave utiliser pour tester la capaciteacute du logiciel agrave simuler lrsquoaspect en question Ces valeurs de reacutefeacuterence sont obtenues soit agrave lrsquoaide drsquoun calcul analytique quand crsquoest possible (pour des sceacutenarios theacuteoriques) ou bien agrave partir de mesures expeacuterimentales
Ainsi chaque cas-test est applicable agrave tout logiciel proposant des fonctionnaliteacutes lieacutees agrave lrsquoaspect traiteacute (dans ce cas-test) indeacutependamment des algorithmes utiliseacutes des meacutethodes de calcul adopteacutees ou des paramegravetres utiliseacutes
Cependant il est possible drsquoassocier agrave chaque test une eacutetude parameacutetrique propre agrave chaque logiciel Une telle eacutetude permet de mieux comprendre lrsquoinfluence des diffeacuterents paramegravetres proposeacutes sur la preacutecision du logiciel dans un aspect donneacute de la propagation de la lumiegravere
Pour une utilisation optimale de cette meacutethodologie de validation les cas-tests doivent couvrir tous les aspects de la propagation de la lumiegravere Ils seront alors utiliseacutes en tant qursquooutil unique et complet pour tester un logiciel donneacute
Une comparaison geacuteneacuterale des reacutesultats des simulations drsquoun logiciel donneacute aux valeurs de reacutefeacuterences de la seacuterie de cas-tests donnera une ideacutee claire sur les domaines ougrave le logiciel testeacute respecte ou non les lois physiques Ceci permettra agrave un utilisateur de veacuterifier si ce logiciel est compatible avec son propre domaine drsquoactiviteacute et agrave un deacuteveloppeur de veacuterifier si son logiciel a atteint les perspectives souhaiteacutees
De la mecircme faccedilon une comparaison entre les reacutesultats de diffeacuterents logiciels et les valeurs de reacutefeacuterence permet drsquooffrir une vision objective sur le logiciel qui reacutepond le mieux agrave une exigence donneacutee
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Chapitre I
Conclusions Suite agrave notre eacutetude bibliographique sur le domaine de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage nous avons orienteacute le travail de cette thegravese (agrave travers les chapitres suivants) de faccedilon agrave reacutepondre agrave certains des problegravemes identifieacutes dans ce domaine
Ainsi en ce qui concerne le manque de fiabiliteacute dans les travaux de validation des logiciels nous deacuteveloppons la meacutethode de validation que nous avons proposeacutee Dans ce cadre nous creacuteons une seacuterie de cas-tests en relation avec diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere traiteacutes ci-dessus Ces cas-tests sont reacutepartis en deux familles lrsquoune avec des sceacutenarios theacuteoriques et des reacutefeacuterences analytiques et lrsquoautre avec des reacutefeacuterences expeacuterimentales reacutepondant agrave des critegraveres de controcircle de qualiteacute que nous avons deacutefinis
En ce qui concerne la difficulteacute de simuler des sceacutenarios reacuteels de lumiegravere naturelle nous proposons et validons une meacutethode de simulation agrave partir des cartes de luminances reacuteelles agrave haute deacutefinition
Finalement nous proposons et nous validons une meacutethode de simulation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquoaide des luminaires eacutequivalents Cette meacutethode permet agrave la simulation de la lumiegravere de jour de beacuteneacuteficier de la preacutesence confirmeacutee des outils de simulation de la lumiegravere artificielle dans le domaine de la conception des bacirctiments Elle permet eacutegalement de surmonter un nombre de difficulteacutes rencontreacutees dans certains logiciels classiques de simulation la lumiegravere naturelle en particulier celles lieacutees agrave la preacutecision des reacutesultats par rapport au temps de calcul et agrave la simulation des masques exteacuterieurs
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Chapitre I
Reacutefeacuterences Bibliographiques 3D-LUMIEgraveRE Enquecircte sur la connaissance et lrsquoutilisation des systegravemes informatiques de simulation drsquoeacuteclairage Paris Club 3D Lumiegravere 2000 11 p ACHARD G LAFORGUE P SOUYRI B FONTOYNONT M BASTIE A MITANCHEY R Etude dun systegraveme Metrologique de Confort Radiatif Integrant lAspect Thermique et lAspect Visuel Paris 1994 60 p AFE Les sources de lumiegravere Socieacuteteacute dEdition Lux 1987 199 p AIZLEWOOD M BUTT J ISAAK K LITTLEFAIR P Daylighting in atria a comparison of measurements theory and simulation Lux Europa 1997 Amsterdam-Netherlands 1997 ANDERSEN M RUBIN M POWLES R SCARTEZZINI J L Bi-directional light transmission properties assessment for venetian blinds Computer simulations compared to photogoniometer measurements ISES Solar World Congress 2003 - Solar Energy for a Sustainable Future Gothenburg - Sweden International Solar Energy Society 2003 ANDERSEN M RUBIN M SCARTEZZINI J-L Comparison between ray-tracing simulations and bi-directional transmission measurements on prismatic glazing Solar Energy 2003 vol 74 ndeg2 pp 157-217 ANSIIESNA ANSIIESNA LM-63-02 ANSI Approved Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data and Related Information ANSIIESNA LM-63-02 2002 26 p ASE Eclairage inteacuterieur par la lumiegravere du jour Norme Suisse SN 418911 Zuumlrich Association Suisse des Electriciens 1989 ASHDOWN I Near-Field Photometry A New Approach IES 1993 vol 22 ndeg1 pp 163-180 ASHDOWN I EULUMDAT File Format Specification [en ligne] Disponible sur lthttpwwwhelios32comEulumdathtmgt (09 Mars 2004) ASHDOWN I Thinking photometrically Part II 105 Las Vegas workshop-Lightfair International 2001 42 p ASHRAE-IESNA Energy efficient design of new buildings except new low-rise residential buildings ASHRAEIES 901-1989 American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditionaing Engginers 1989 AUTODESK Lightscape 32 Users Guide 32 Autodesk 1999 352 p BALOCCO C FORASTIERE M A GRAZZINI G RIGHINI G C Experimental results of transparent reflective and absorbing propoerties of some building materials Energy and Buildings 2001 vol 33 pp 563-568
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Chapitre I
CAROLL W L HITCHCOCK R J Recent Comparisons of SUPERLITE to Scale Model Data LBNL-43107 Lawrence Berkeley National Laboratory 1999 CHAIN C DUMORTIER D FONTOYNONT M A comprehensive model of luminance correlated colour temperature and spectral distribution of skylight Comparison with experimental data Solar Energy 1999 vol 65 ndeg5 pp 285-295 CIBSE CIBSE standard file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIBSE TM 14 London CIBSE 1988 CIE Daylight CIE-16 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1970 79 p CIE Standardization of Luminance Distribution on Clear Skies CIE-22 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1973 CIE Calculations for Interior Lighting Basic Method CIE-40 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1978 CIE Absolute Methods for Reflection Measurements CIE-44 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 CIE A Review of Publications on Properties and Reflection Values of Material Reflection Standards CIE-46 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 99 p CIE Calculations for Interior Lighting Applied Method CIE-52 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1982 CIE The Spectroradiometric Measurement of Light Sources CIE-63 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1984 CIE Colorimetry 2nd Edition CIE-152 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1986 CIE The Measurement of Absolute Luminous Intensity Distributions CIE-70 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1987 CIE The Measurement of Luminous Flux CIE-84 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1989 CIE Standard overcast and clear sky 3rd Draft Vienne Commission Internationale de LrsquoEclairage 1990 CIE Electric Light Sources State of the Art-1991 CIE-96 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1992 CIE Recommended file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIE-102 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1993 CIE Guide to Recommended Practice of Daylight Measurement CIE-108 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1994
49
Chapitre I
CIE Discomfort Glare in Interior Lighting CIE-117 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1995 CIE The Photometry and Goniophotometry of Luminaires CIE-121 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE The Relationship Between Digital and Colorimetric Data for Computer-Controlled CRT Displays CIE-122 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance CIE-130 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1998 CIE Spatial distribution of daylight - CIE standard general sky Vienne Commission Internationale de lEclairage 2002 7 p COHEN M F CHEN S E WALLACE J R GREENBERG DP A progressive refinement approach to fast radiosity image generation 15th annual conference on computer graphics and interactive techniques ACM Press New York 1988 pp 75-84 DE BOER J Encorporation of numerical goniophotometry into daylighting design CISBAT 2003 Lausanne EPFL 2003 pp 229-234 DE BOER J ERHORN H Survey Simple Design Tools IEA 1999 49 p DENIEL J M Modeacutelisation des luminaires et des BRDF Reacutealisation mesure et compression Thegravese en Informatique Rennes Universiteacute de Rennes 1 2002 277 p DUMORTIER D Mesure Analyse et Modeacutelisation du gisement lumineux Application agrave leacutevaluation des performances de leacuteclairage naturel des bacirctiments Thegravese en Geacutenie Civil et Sciences de lHabitat Vaulx en Velin ENTPE Universiteacutee de Savoie 1995 295 p DUMORTIER D Lumiegravere naturelle et rayonnement solaire - Mesures au sol et estimations agrave partir dimages satellites - Deacuteveloppement de services Web pour leacuteclairage naturel des bacirctiments HDR Thermique et Energeacutetique Vaulx en Velin ENTPE 2003 161 p DUMORTIER D VAN ROY F SODA daylighting resource SODA Deliverable 53C 2002 DUMORTIER D VETRO P Luminance calibration of the Nikon 950 digital cameras Lux Europa Reykjavik 2001 ERHORN H DE BOER J DIRKSMOLLER M ADELINE - An Integrated Approach to Lighting Simulation Daylighting 98 Ottawa 1998 FOLEY D J VAN-DAM A FEINER S K HUGHES J F Computer Graphics Principles and Practice Second Edition ADDISON-WESLEY 1990 (The systems programming series
50
Chapitre I
FONTOYNONT M Le point sur les meacutethodes de simulation et sur lrsquoutilisation de lrsquoimage de synthegravese en eacuteclairage LUX 1991 FONTOYNONT M LAFORGUE P MITANCHEY R AIZLEWOOD M BUTT J CARROLL W HITCHOCK R ERHORN H DE BOER J DIRKSMOumlLLER M MICHEL L PAULE B SCARTEZZINI J-L BODART M AND ROY G Validation of daylighting simulation programs IEA SHC Task 21 ECBCS Annex 29 1999 28 p GALASIU A ATIF M Applicability of Daylighting Computer Modeling in Real Case Studies Comparison between Measured and Simulated Daylight Availability and Lighting Consumption IEA SHC Task 21 IEA ECBCS Annex 29 Daylight in Buildings International Energy Agency National Research Council Canada 1998 68 p GREENUP P J EDMONDS I R COMPAGNON R RADIANCE algorithm to simulate laser-cut panel light-redirecting elements Lighting Research amp Technology 2000 vol 32 ndeg2 pp 49-54 GRYNBERG A Comparison and Validation of Radiance and Superlite Rapport interne Lawrence Berkeley National Laboratory 1988 HOPKINSON R G PETHERBRIDGE P LONGMORE J Daylighting William Heinneman Ltd London 1966 IEA-SHC Daylighting simulation Methods Algorithms and Ressources Agence Internaitonale de lEnergie - SHC 1999 IEA-SHC Measurement of Luminous Characteristics of Daylighting Materials Agence Internationale de lEnergie - SHC - Tacircche 21 1999 IESNA Calculating Coefficients of Utilisation Wall and Ceiling Cavity Exitance IES LM-57 New York Illuminating engineering Society of North America 1982 IESNA The Determination of Illuminance at a Point in Interior Spaces IES LM-43-1991 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 34 p IESNA An Introduction to Light and Lighting IES ED-50 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 51 p IESNA Lighting Handbook 8th Edition New York Illuminating engineering Society of North America 1993 IESNA IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data IESNA LM-63-95 New York Illuminating engineering Society of North America 1995 5 p IESNA 1999 IESNA Software Survey Lighting Design + Application 1999 vol 29 ndeg12 pp 39-48 JARVIS D DONN M Comparison of Computer and Model Simulations of a Daylit Interior with Reality 5th International conference on Building Performance and Simulation Association Prague Czech Republic 1997 pp 9-16
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Chapitre I
KAJIYA J T Anisotropic Reflection Models SIGGRAPH85 San Francisco 1985 pp 15-21 KARAYEL M NAVVAB M NEEMAN E SELKOWITZ S Zenith Luminance and sky luminance distributions for daylighting calculations Energy Build 1984 vol 6 ndeg3 pp 283-291 KHODULEV A B KOPYLOV E A Physically accurate lighting simulation in computer graphics software GraphiConrsquo96 The 6th International Conference on Computer graphics and Visualization St Petersburg Russia 1996 pp 111-119 KITTLER R Standardisation of outdoor conditions for the calculation of daylight factor with clear skies Sunlight in Buinldings CIE Intercessional conference Newcastle-Upon-Tyne 1965 KLEMS J H WARNER J L Measurement of bidirectional optical properties of complex shading devices ASHRAE Symposium Chicago 1995 LESLIE R P Capturing the daylight in buildings why and how Building and Environment 2003 vol 38 pp 381-385 MAAMARI F International survey on lighting simulation tools - Light and Building 2002 IEA-SHC-Task-31 2002 7 p MAAMARI F FONTOYNONT M Use of IEA-SHC Task 21 C benchmarks to assess performance of Lightscape 32 in daylighting calculations EPIC Lyon France 2002 pp 709-714 MAAMARI F FONTOYNONT M HIRATA M KOSTER J MARTY C TRANSGRASSOULIS A Reliable Datasets for Lighting Programs Validation Benchmark results CISBAT 2003 Conference 2003 pp 6 MAAMARI F JONGEWAARD M KOSTER J TRANSGRASSOULIS A FONTOYNONT M A Step Toward A Complete And Objective Validation Methodology For Lighting Simulation Tools CIE 25th Session San Diego 2003 pp 4 MARDALJEVIC J Daylight Simulation Validation Sky Models and Daylight Coefficients Leicester UK Montfort University 2000 MARDALJEVIC J The BRE-IDMP dataset a new benchmark for the validation of illuminance prediction techniques Lighting Research and Technology 2001 vol 33 ndegISSN 1365-7828 pp 117-136 MITANCHEY R Synthegravese dimages appliqueacutee agrave leacuteclairagisme inteacuterieur des bacirctiments Thegravese en Informatique speacutecialiteacute images Saint-Etienne Leacutecole Nationale Supeacuterieure des Mines de Saint-Etienne 1996 200 p
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Chapitre I
MITANCHEY R PERIOLE G FONTOYNONT M Goniophotometric measurements Numerical simulation for research and development applications Lighting Research and Technology 1995 vol 27 ndeg4 pp 189-196 MOON P SPENCER D E Illumination from a nonuniform sky Illum Eng 1942 vol 37 ndeg12 pp 707-726 NAKAMURA H OKI M AYASHI Y Luminance distribution of intermediate sky Light Visual Environ 1989 vol 9 ndeg1 pp 6-13 PAULE B COMPAGNON R SCARTEZZINI J L Towards a new daylighting design computer tool Right Light Three conference Newcastle upon Tyne England 1995 PEREZ R SEALS R MICHALSKY J All-Weather model for sky luminance distribution Preliminary configuration and validation Solar Energy 1993 vol 50 ndeg3 pp 235-245 REINHART C F HERKEL S The simulation of annual daylight illuminance distributions ndash a state-of-the-art comparison of six RADIANCE-based methods Energy and Buildings 2000 vol 32 ndeg167-187 ROY G HAYMAN S JULIAN W Sky Modeling from Digital Imagery ARC Project No A89530177 Sidney The University of Sidney amp Murdoch university 1998 ROY G RUCK N REID G JULIAN W Sky luminanceStandard Digital Form for modelling Lighting Research amp Technology 1995 vol 27 ndeg3 pp 161-167 SATEL-LIGHT Satel-Light the European Database for Daylight and Solar Radiation [en ligne] Disponible sur lthttpwwwsatel-lightcomgt (27 janvier 2004) SCARTEZZINI J L COMPAGNON G WARD G PAULE B Outils Informatiques en Lumiegravere Naturelle NEFF-4352 Universiteacute de Genegraveve EPFL 1993 142 p SHAREEF F M OLDHAM D J CARTER D J A computer model for predicting the daylight performance of complex parallel shading systems Building and Environment 2001 vol 36 pp 605-618 SLATER A GRAVES H Benchmarking Lighting Design Software TM 2800 London CIBSE 2002 33 p SMITH B SPIEKERMANN C SEMBER R Numerical methods for colorimetric calculations A comparison of integration methods Color Research and Application 1992 vol 17 ndeg6 STOCKMAR A Eulumdat file format CIBSEILE National Lighting Conference York 2000 STOCKMAR A W EULUMDAT ein leuchtendatenformat fur den europaischen beleuchtungplaner Tagungsband Licht 1990 pp 641-644
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Chapitre I
TREGENZA P Daylighting algorithms ETSU S 1350 UK Department of Trade and Industry on behalf of the Energy Technology Support Unit 1993 43 p TREGENZA P R WATERS I M Daylight Coefficients Lighting Research amp Technology 1983 vol 15 ndeg2 pp 65-71 TROWBRIDGE T S REITZ K P Average Irregularity Representation of a Rough Surface for Ray Reflection Opt Soc Am 1975 vol 65 ndeg5 pp 531-536 UETANI Y MATSUURA K A Method of Luminance Calculation in an Anisotropic Diffuse Reflecting Interior IESNA Annual Conference Technical Papers San Diego 1992 WARD G J The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System SIGGRAPH Computer graphics 1994 pp 459-472 WHITTED T An improved illumination model for shaded display Computer graphics amp Image processing 1980
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- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
parfaitement diffuses Bien que ces cas extrecircmes nrsquoexistent pas dans la reacutealiteacute les lois theacuteoriques relatives sont bien deacutefinies (La loi de Descartes pour le premier et loi de Lambert et les formules de facteur de forme pour le deuxiegraveme) Au-delagrave de ces deux cas theacuteoriques simplifieacutes un nombre de travaux a eacuteteacute meneacute pour deacutecrire des modegraveles analytiques plus complets qui srsquoapprochent mieux de la reacutealiteacute mais qui repreacutesentent un degreacute de complexiteacute plus eacuteleveacute [Trowbridge 1975] [Kajiya 1985] [Uetani 1992] [Balocco 2001] [Deniel 2002]
Dans la majoriteacute des logiciels existants la reacuteflexion de la lumiegravere sur une surface est simuleacutee par une combinaison de reacuteflexions diffuses et speacuteculaires Ainsi une partie du flux est reacutefleacutechie en obeacuteissant agrave la loi de Descartes et une autre partie est diffuseacutee uniformeacutement dans lrsquoespace Les algorithmes utiliseacutes sont eacutegalement en geacuteneacuteral une combinaison de radiositeacute et de lancer de rayons Certains logiciels nrsquoutilisant que les algorithmes de radiositeacute se contentent de supposer les surfaces comme 100 diffuses
Drsquoautres logiciels qui restent assez rares prennent en consideacuteration les fonctions de reacuteflexions bidirectionnelles (BRDF) theacuteoriques ou mesureacutees Cependant il faut noter que de nos jours la preacutecision des mesures de ces fonctions neacutecessite encore des moyens financiers et logistiques trop importants
Le troisiegraveme paramegravetre prend en consideacuteration la qualiteacute spectrale de la lumiegravere reacutefleacutechie par rapport agrave celle de la lumiegravere incidente Elle deacutepend en particulier de lrsquoabsorption spectrale seacutelective du mateacuteriau En effet le facteur drsquoabsorption drsquoun mateacuteriau peut ecirctre plus ou moins eacuteleveacute selon la longueur drsquoonde avec laquelle arrive une partie du flux incident Ainsi le spectre de la lumiegravere reacutefleacutechie peut ecirctre complegravetement diffeacuterent de celui de la lumiegravere incidente Les mateacuteriaux qui ont le mecircme facteur de reacuteflexion pour toutes les longueurs drsquoonde sont dits spectralement neutres [CIE 1986] [Smith 1992] [CIE 1996]
Plusieurs approches sont proposeacutees pour traiter lrsquoaspect spectral ou colorimeacutetrique de la propagation de la lumiegravere Les approches les plus utiliseacutees dans les logiciels de simulation de la lumiegravere sont baseacutees sur une caracteacuterisation agrave trois composantes de la couleur (de la source lumineuse ou des surfaces) Nous citons les systegravemes XYZ (de la CIE) RGB CMY et HSV Cependant si ce type de caracteacuterisation est convenable pour la repreacutesentation des couleurs il srsquoavegravere insuffisant pour simuler la variation du spectre du flux lumineux agrave travers les inter-reacuteflexions sur les surfaces inteacuterieures drsquoun espace [Mitanchey 1996] Pour plus de preacutecision il est alors recommandeacute drsquoutiliser les approches baseacutees sur une discreacutetisation plus ou moins fine du spectre Mais lrsquoimpleacutementation de telles approches dans les logiciels existants est loin drsquoecirctre courante [Smith 1992] [Mitanchey 1996]
I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage Il existe sur le marcheacute international un nombre important de logiciels deacutedieacutes agrave la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Dans une enquecircte meneacutee par le groupe 3D lumiegravere en 2000 aupregraves de 74 professionnels [3D-lumiegravere 2000] environ quarante logiciels ont eacuteteacute citeacutes par les enquecircteacutes comme outils de travail en eacuteclairage Dans une deuxiegraveme eacutetude plus speacutecialiseacutee dans le calcul drsquoeacuteclairage naturel et meneacutee par lrsquoagence international drsquoeacutenergie IEA SHC Task 21-C2 [Fontoynont 1999] vingt cinq logiciels ont eacuteteacute citeacutes Vingt deux de ces logiciels ne sont pas connus par les utilisateurs franccedilais enquecircteacutes par 3D lumiegravere Finalement nous citons lrsquoenquecircte de lrsquoIENSA [IESNA 1999] preacutesentant un nombre de logiciels existants au niveau international
Les logiciels existants diffegraverent entre eux par les algorithmes qursquoils utilisent par leurs approches DAO par la prise en consideacuteration des diffeacuterents types de sources lumineuses par
36
Chapitre I
leur capaciteacute agrave simuler les pheacutenomegravenes de propagation de lumiegravere plus ou moins complexes par leur interface utilisateur et finalement par leurs vocations et leurs domaines drsquoapplication
I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage Le rocircle des algorithmes dans une simulation drsquoeacuteclairage est de geacuterer le calcul de la propagation de la lumiegravere entre les sources et les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie puis les inter-reacuteflexions entre ces surfaces
Les algorithmes utiliseacutes dans les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage sont des algorithmes dits drsquoeacuteclairement global (global illumination) puisqursquoils font un calcul tridimensionnel de la propagation de la lumiegravere Ils peuvent ecirctre classeacutes sous deux grandes familles la radiositeacute et le lancer de rayons Ces deux familles tendent agrave avoir des avantages et des inconveacutenients compleacutementaires ce qui fait que certains logiciels utilisent une logique hybride combinant les deux familles [IEA-SHC 1999] [Mitanchey 1996]
1211 Radiositeacute Les algorithmes de radiositeacute utiliseacutes pour le calcul de lrsquoeacuteclairage datent du deacutebut des anneacutees 80 Ils ont eacuteteacute adapteacutes agrave partir des algorithmes de radiositeacute utiliseacutes depuis les anneacutees 60 pour le calcul des eacutechanges radiatifs thermiques sur la base de lrsquoeacutequilibre eacutenergeacutetique
Les algorithmes de radiositeacute procegravedent en geacuteneacuteral agrave une discreacutetisation de lrsquoenvironnement simuleacute agrave travers un maillage (subdivision en petites mailles) des surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie eacuteclaireacutee par une source donneacutee (voir figure I3) Tout drsquoabord un calcul de la lumiegravere directe reccedilue par chaque maille est effectueacute Ensuite chaque maille est traiteacutee comme une source lumineuse eacutemettant une partie du flux lumineux qursquoelle a reccedilu (selon son facteur de reacuteflexion) vers les autres mailles de la geacuteomeacutetrie Cette lumiegravere indirecte subit plusieurs inter-reacuteflexions jusqursquoagrave ce que la quasi-totaliteacute du flux initial soit absorbeacutee
Suite agrave ce calcul on est capable de savoir la quantiteacute de flux lumineux direct et indirect reccedilue et eacutemise par une maille donneacutee et donc lrsquoeacuteclairement et la luminance de cette maille [Scartezzini 1993] [Ashdown 2001]
Figure I3 Exemple drsquoun calcul de Radiositeacute agrave lrsquointeacuterieur drsquoune geacuteomeacutetrie
Bien que le principe geacuteneacuteral de la radiositeacute deacutecrit ci-dessus soit le mecircme pour tous les algorithmes de radiositeacute existants ceux-ci diffegraverent dans la meacutethode adopteacutee pour le maillage de la geacuteomeacutetrie et pour le suivi du flux
La radiositeacute peut ecirctre en principe appliqueacutee agrave tout type de reacuteflexion cependant les algorithmes existants sont encore limiteacutes aux reacuteflexions 100 diffuses Ce qui entraicircne des erreurs plus ou moins importantes selon le comportement reacuteel du mateacuteriau simuleacute La
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Chapitre I
radiositeacute preacutesente aussi quelques autres inconveacutenients dont particuliegraverement un temps de calcul assez long une lourde consommation en meacutemoire et une faible performance en qualiteacute graphique
Cependant le calcul de radiositeacute a lrsquoavantage drsquoecirctre indeacutependant de la position de lrsquoobservateur Ainsi un seul calcul est suffisant pour connaicirctre lrsquoeacuteclairement de tous les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie et pour la visualiser agrave partir drsquoune infiniteacute de points de vue
Une nouvelle geacuteneacuteration drsquoalgorithmes de radiositeacute est apparue en 1988 elle permet drsquoobtenir un reacutesultat graphique immeacutediat qui srsquoameacuteliore progressivement en preacutecision et en qualiteacute visuelle drsquoougrave son nom progressive refinement radiosity [Cohen 1988] [Autodesk 1999]
Une autre eacutevolution des algorithmes de radiositeacute fut le concept de maillage adaptatif ougrave le logiciel commence agrave calculer agrave partir drsquoun maillage de faible preacutecision Ensuite il procegravede agrave des subdivisions suppleacutementaires lagrave ougrave il y a une grande diffeacuterence drsquoeacuteclairement entre les mailles Cette meacutethode conduit agrave une eacuteconomie dans le temps de calcul et dans lrsquoutilisation de meacutemoire
1212 Lancer de rayons La deuxiegraveme famille drsquoalgorithmes est la plus ancienne elle a connu plus de deacuteveloppements et preacutesente une plus grande varieacuteteacute de meacutethodes
Ces meacutethodes ont lrsquoavantage de calculer avec preacutecision lrsquoeacuteclairement direct de calculer les effets speacuteculaires des mateacuteriaux de mieux deacutefinir les ombres et de consideacuterer les reacutefractions agrave travers les surfaces transparentes Crsquoest donc les algorithmes qui donnent les meilleurs reacutesultats graphiques drsquoougrave ce qursquoon appelle le photo-reacutealisme des images de synthegravese
Il existe plusieurs cateacutegories drsquoalgorithmes baseacutees sur le lancer de rayon nous citons les suivantes
Figure I4 Exemple drsquoun calcul de Lancer de rayons (inverse)
1 Traceacute de rayons ou Lancer de rayons depuis lrsquoobservateur dite aussi Lancer inverse de rayons (backward ray tracing) les rayons sont geacuteneacutereacutes depuis lrsquoœil de lrsquoobservateur et cheminent agrave travers des reacuteflexions multiples sur les parois jusqursquoaux sources de lumiegravere (voir figure I4) Ainsi seuls les rayons utiles pour la construction de lrsquoimage seront geacuteneacutereacutes et suivis agrave travers les diffeacuterentes inter-reacuteflexions mais la solution est valide pour un seul point de vue [Whitted 1980]
2 Suivi de rayons ou Lancer direct de rayons (forward ray tracing) cette meacutethode geacutenegravere les rayons lumineux depuis la source vers les surfaces reacuteceptrices quand un rayon atteint une surface il est dirigeacute selon la photomeacutetrie rencontreacutee jusqursquoagrave lrsquoeacutepuisement de son eacutenergie [Fontoynont 1991]
3 Technique statistique de monte-carlo backward ou forward La meacutethode de Monte-Carlo associeacutee agrave des meacutethodes de lancer de rayons a recours agrave une technique statistique
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Chapitre I
pour la distribution des rayons reacutefleacutechis Elle neacutecessite un temps de calcul eacuteleveacute [IEA-SHC 1999]
I22 Exemples types des logiciels existants Les logiciels existants sur le marcheacute international et utiliseacutes comme outils de conception en eacuteclairage peuvent ecirctre classeacutes en diffeacuterentes familles [De Boer 1999] [IESNA 1999]
1 Les logiciels baseacutes sur les formules de base de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel Ces logiciels sont souvent distribueacutes par les constructeurs de luminaires et munis de leur bibliothegraveque de luminaires
2 Des logiciels baseacutes sur des formules de base de calcul en eacuteclairage naturel ou sur des donneacutees empiriques (ou preacute-simuleacutees) Ces logiciels sont souvent deacutedieacutes agrave lrsquoutilisation dans les phases preacuteliminaires de la conception drsquoun projet (ex Dial Sodalight etc)
3 Les logiciels capables de calculer lrsquoeacuteclairage direct uniquement Ils sont tregraves souvent inteacutegreacutes dans des logiciels de DAO Leur objectif est limiteacute agrave lrsquoameacutelioration du rendu graphique drsquoun projet ou au mieux agrave une eacutetude de taches solaires (ex Archicad) Cependant ce type de logiciels devient de plus en plus rare En effet vu leurs potentiels un certain nombre de ces logiciels a eacuteteacute mis agrave niveau par les deacuteveloppeurs et a passeacute ainsi agrave la famille suivante (ex Microstation et 3D Studio)
4 Les logiciels dits drsquoeacuteclairement global Ils utilisent souvent des algorithmes de calcul physique (en particulier de radiositeacute et lancer de rayons) Nous distinguons cependant dans cette cateacutegorie les logiciels deacuteveloppeacutes dans un cadre scientifique (ex Radiance Geacuteneacutelux CSTB) de ceux deacuteveloppeacutes et diffuseacutes dans un cadre commercial (Lightscape Dialuxhellip) En geacuteneacuteral les logiciels commerciaux possegravedent des interfaces plus conviviales mais les logiciels scientifiques offrent des fonctionnaliteacutes plus complegravetes Par exemple certains logiciels scientifiques sont capables de prendre en consideacuteration lrsquoaspect spectral de la propagation de la lumiegravere etou de traiter les fonctions bidirectionnelles Finalement nous notons que les logiciels commerciaux manquent le plus de transparence sur leur fiabiliteacute dans les diffeacuterents domaines drsquoapplication (manque de travaux de validation)
Dans notre travail de thegravese nous nous inteacuteressons en particulier agrave la derniegravere famille Ne pouvant pas enquecircter sur tous les logiciels existants nous nous contentons de citer (par ordre alphabeacutetique) quelques logiciels sur lesquels il y a eu des publications scientifiques et des travaux de validation [Fontoynont 1999]
1221 Adeline Deacuteveloppeacute dans le cadre de lrsquoIEA Adeline a eacuteteacute fondeacute sur les logiciels Superlite et Radiance par le biais drsquoun modeleur graphique et drsquooutils de DAO Ainsi il permet de deacutefinir la geacuteomeacutetrie avec son propre systegraveme de DAO par lrsquoentreacutee manuelle des coordonneacutes carteacutesiennes ou agrave partir drsquoun fichier DXF
Le logiciel est muni drsquoune bibliothegraveque de base de donneacutees de mateacuteriaux de luminaires et de mobilier Il produit des reacutesultats numeacuteriques ou bien graphiques Au-delagrave des eacuteclairements et des luminances Adeline permet de calculer lrsquoeacutenergie consommeacutee par lrsquoeacuteclairage artificiel en fonction des apports de lumiegravere du jour [Erhorn 1998] [Scartezzini 1993]
1222 Genelux Le logiciel Genelux deacuteveloppeacute au laboratoire des sciences de lrsquohabitat utilise un algorithme de lancer direct et suivi de rayons lumineux (Forward Ray tracking) La distribution des rayons reacutefleacutechis est effectueacutee en ayant recours agrave une technique statistique de Monte Carlo
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Chapitre I
Dans le cas ougrave les surfaces seraient parfaitement diffusantes il est possible de faire appel agrave un algorithme baseacute sur la meacutethode de radiositeacute afin de reacuteduire les temps de simulation Genelux peut modeacuteliser les surfaces speacuteculaires diffuses ou mixtes en transmission etou reacuteflexion Il peut eacutegalement prendre en consideacuteration des quantiteacutes spectrales en deacutecomposant les rayons incidents par bandes spectrales [Mitanchey 1996] [Maamari 2003]
1223 Inspirer Destineacute surtout au domaine de lrsquoarchitecture avec comme fonctionnaliteacutes les calculs de lrsquoeacuteclairage les analyses de visibiliteacute et la visualisation des projets Pour le calcul de lrsquoeacuteclairage il utilise des approches hybrides surtout la meacutethode bi-directionnelle de Monte Carlo au Lancer de Rayons Ce qui diffeacuterencie le plus ce logiciel est lrsquoutilisation des formules de BRDF qui permet de respecter les variations de reacuteflexion et de transmission (diffuse et speacuteculaire) ainsi que des couleurs selon lrsquoangle drsquoincidence et de vision [Maamari 2003]
1224 DIAL Leso-Dial Le but du logiciel est de donner aux architectes des informations utiles concernant lrsquoutilisation de la lumiegravere de jour dans un bacirctiment degraves la phase de lrsquoavant projet Il calcule le facteur de lumiegravere du jour sur le plan utile gracircce agrave une utilisation hybride de formule analytique et empirique [Paule 1995]
1225 Lightscape 32 Crsquoest un logiciel qui est destineacute agrave des utilisations graphiques mais il offre eacutegalement des fonctionnaliteacutes inteacuteressantes pour la simulation physique de la lumiegravere Il utilise un algorithme de radiositeacute pour le calcul quantitatif et un algorithme de lancier de rayons pour lrsquoameacutelioration qualitative et visuelle des images de synthegraveses Ce logiciel est deacutecrit en deacutetail dans la partie IV11 de ce document [Khodulev 1996] [Maamari 2002]
1226 Radiance Le logiciel Radiance utilise un algorithme de lancer inverse de rayons Le lancer des rayons peut ecirctre stoppeacute si leur eacutenergie est jugeacutee insuffisante Les rayons reacutefleacutechis peuvent ecirctre geacuteneacutereacutes selon une fonction de distribution permettant la simulation de reacuteflexions speacuteculaires semi-speacuteculaires ou diffuses Ce lancer de rayons est compleacuteteacute drsquoun calcul statistique de reacuteflexion diffuse pour distribuer le flux reacutesiduel [Ward 1994] [Grynberg 1988]
1227 Superlite Le logiciel Superlite utilise une meacutethode point agrave point de radiositeacute Toutes les surfaces sont supposeacutees ecirctre parfaitement diffusantes Crsquoest la meacutethode la plus rapide mais elle est toutefois limiteacutee aux surfaces diffuses [Grynberg 1988]
I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels Lrsquoutilisation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage se geacuteneacuteralise de plus en plus dans le domaine de conception en eacuteclairage et au-delagrave Ainsi de nos jours ces logiciels sont utiliseacutes aussi bien par des bureaux drsquoeacutetude du bacirctiment et des architectes que par des deacuteveloppeurs de jeu videacuteo Les applications peuvent ecirctre entre autres [IESNA 1999] [3D-lumiegravere 2000] [Maamari 2002]
1 La conception en eacuteclairage artificiel Que ce soit pour lrsquoeacuteclairage inteacuterieur des bacirctiments lrsquoeacuteclairage des faccedilades des monuments des voiries des trottoirs ou lrsquoeacuteclairage des
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Chapitre I
tunnels etc Elle comprend entre autre le dimensionnement des systegravemes lrsquoanalyse du confort visuel et de la consommation etc
2 La conception en eacuteclairage naturel dimensionnement des ouvertures et des protections solaires orientation des projets analyse de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour et eacutetudes des FLJhellip
3 Le rendu et la preacutesentation des projets par les architectes et par les deacutecorateurs drsquointeacuterieur 4 La creacuteation de scegravenes de reacutealiteacute virtuelle pour le monde du cineacutema de la publiciteacute ou des
jeux videacuteohellip 5 La conception mecircme des optiques de luminaires ou de phares de voitures
Le domaine drsquoutilisation drsquoun logiciel donneacute deacutepend des fonctionnaliteacutes proposeacutees par ce logiciel de ses capaciteacutes agrave simuler avec un certain degreacute de fiabiliteacute et de faciliteacute les diffeacuterents domaines de la propagation de la lumiegravere en relation avec les besoins de lrsquoutilisateur
Bien que les algorithmes de calcul utiliseacutes dans les logiciels se ressemblent ces derniers ne sont pas tous adapteacutes pour les mecircme types drsquoapplications et ne reacutepondent pas aux mecircmes besoins
Ainsi certains utilisateurs cherchent en prioriteacute la faciliteacute drsquoutilisation des fonctionnaliteacutes en relation avec leur propre activiteacute en deacutepit des autres fonctionnaliteacutes et mecircme parfois en deacutepit de la validiteacute des reacutesultats Drsquoailleurs crsquoest agrave cause de ce contexte que des deacuteveloppeurs de logiciels commerciaux ont tendance agrave proposer des interfaces et des fonctionnaliteacutes optimiseacutees et orienteacutees vers un domaine drsquoapplication donneacute Ainsi nous commenccedilons agrave trouver par exemple des logiciels deacutedieacutes agrave la conception de lrsquoeacuteclairage public etou des tunnels (ex Tunnel-Lite) drsquoautres agrave la conception des protections solaires (ex ParaSol) etc
Cependant il est encore difficile de nos jours agrave un concepteur de bacirctiment de savoir quel est le ou les logiciels existants qui reacutepondent le mieux agrave ses propres besoins Crsquoest ce qui ressort dans les diffeacuterentes enquecirctes meneacutees sur lrsquoutilisation des logiciels en particulier celle meneacutee par le club 3D-Lumiegravere [3D-lumiegravere 2000] et celle que nous avons meneacutee au Light and Building 2002 [Maamari 2002] (voir annexe D) Nous notons par exemple dans ces deux enquecirctes lrsquoutilisation par des concepteurs lumiegravere de logiciels graphiques (Photoshop) en tant qursquooutils de conception
I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I31 Introduction Comme son nom lrsquoindique un logiciel de simulation de lrsquoeacuteclairage est supposeacute simuler la reacutealiteacute Mais la fideacuteliteacute de la simulation agrave la reacutealiteacute est loin drsquoecirctre veacuterifieacutee pour tous les logiciels existants sur le marcheacute international
Drsquoailleurs le niveau de preacutecision et de similitude (entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage et la reacutealiteacute) exigeacute ou souhaiteacute par les diffeacuterents utilisateurs nrsquoest pas neacutecessairement le mecircme et peut varier largement selon la speacutecificiteacute de leurs domaines drsquoactiviteacute [Maamari 2002]
Ainsi pour des utilisateurs qui srsquointeacuteressent uniquement au rendu graphique une image de synthegravese reacutealiste sans ecirctre neacutecessairement proche de la reacutealiteacute peut ecirctre suffisante Pour eux la question de la validation scientifique du logiciel utiliseacute ne se pose pas trop
Alors que pour des utilisateurs qui comptent extraire drsquoune simulation des cartes de luminances pour analyser le confort visuel de lrsquooccupant la validiteacute du logiciel devient drsquoune
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Chapitre I
importance de premier ordre Ceci est eacutegalement vrai pour les concepteurs en eacuteclairage qui ont besoin de veacuterifier que le niveau drsquoeacuteclairement est suffisant sur le plan de travail
Mais quel que soit le niveau de preacutecision souhaiteacute il est important pour un futur utilisateur de savoir la preacutecision qursquoil peut attendre de la part du logiciel qursquoil souhaite utiliser pour un type donneacute de tacircches Cette information est mecircme indispensable pour aboutir agrave une utilisation responsable des logiciels de simulation mais cela ne peut ecirctre possible qursquoagrave travers une validation rigoureuse et transparente de ce logiciel
Une validation rigoureuse et transparente des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage est une tacircche immense et drsquoune complexiteacute non neacutegligeable Ce qui est vrai pour tous les logiciels baseacutes sur des lois physiques comme par exemple les logiciels de simulation thermique
Cette complexiteacute est drsquoautant plus vraie quand on srsquointeacuteresse agrave lrsquoorientation du choix des utilisateurs vers un logiciel qui reacutepond le mieux agrave leurs propres besoins Dans ce contexte on souhaite veacuterifier la capaciteacute du logiciel agrave simuler avec preacutecision les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere lieacutes au domaine drsquoutilisation mais aussi on veut comparer cette capaciteacute agrave drsquoautres logiciels existants
La multitude des aspects qui entrent en jeu dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere combineacutee agrave la diversiteacute des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage contribuent agrave cette complexiteacute
Ainsi un logiciel capable de simuler des luminaires agrave optique diffusante nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler un luminaire avec une optique asymeacutetrique De mecircme un logiciel capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour agrave travers un vitrage ordinaire nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave travers un vitrage ou un systegraveme de protection solaire agrave aspect bidirectionnel etc
Nous preacutesentons ci-dessous une eacutetude bibliographique sur lrsquoeacutetat de lrsquoart du domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I32 Diffeacuterents types de validation En ce qui concerne les types de travaux de validation reacutealiseacutes nous avons pu identifier les suivants
I321 La validation analytique La validation analytique comme son nom lrsquoindique porte sur des cas theacuteoriques pour lesquels il existe des lois analytiques Ces lois sont issues des notions de base de la science physique lieacutees au rayonnement eacutelectromagneacutetique
Les travaux de validation baseacutes sur des reacutefeacuterences analytiques sont assez rares parmi les travaux reacutealiseacutes que nous avons pu trouver lors de notre recherche bibliographique
Cependant la validation analytique preacutesente des avantages consideacuterables comme la possibiliteacute de limiter les paramegravetres lieacutes agrave la propagation de la lumiegravere qui entrent en jeu dans un sceacutenario test Nous notons aussi lrsquoavantage de donner des solutions de reacutefeacuterences avec des incertitudes nulles ou neacutegligeables
En contrepartie la validation analytique ne peut couvrir que des domaines limiteacutes de la propagation de la lumiegravere Ce sont en geacuteneacuteral des cas de figures simples pour lesquels existe une loi theacuteorique [Aizlewood 1997]
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Chapitre I
I322 La validation expeacuterimentale Dans ce type de validation les reacutesultats des logiciels sont compareacutes agrave des mesures expeacuterimentales Ces mesures peuvent ecirctre reacutealiseacutees dans
a des maquettes drsquoeacutetude agrave eacutechelle reacuteduite [Caroll 1999] b des cellules tests agrave eacutechelle 11 c ou des piegraveces reacuteelles [Galasiu 1998] [Jarvis 1997]
Quel que soit le type des mesures reacutealiseacute la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales agrave utiliser pour des travaux de validation est confronteacutee agrave des obstacles consideacuterables
Le premier est lieacute aux sources drsquoerreur introduites lors de la description du sceacutenario expeacuterimental afin de le reproduire dans une simulation numeacuterique
Lrsquoimportance de cet obstacle est aggraveacutee par la multitude des paramegravetres qui entrent en jeu dans un sceacutenario expeacuterimental et par lrsquointeraction entre les sources drsquoerreurs lieacutees agrave chacun de ces paramegravetres
A titre drsquoexemple les sources drsquoerreur peuvent survenir lors de la description de la source de lumiegravere (artificielle ou reacuteelle) lors de la description de la photomeacutetrie des mateacuteriaux (reacuteflexion bidirectionnelle caracteacuteristiques spectraleshellip) etc
Un autre obstacle est ducirc agrave lrsquoincertitude qui existe dans la valeur mesureacutee et cela quelle que soit la preacutecision du protocole expeacuterimental appliqueacute Cette incertitude est lieacutee en partie agrave la preacutecision de lrsquoappareil de mesure et agrave son positionnement
Ducirc agrave tous ces obstacles la comparaison entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique et les mesures expeacuterimentales permet difficilement de conclure sur la preacutecision du logiciel testeacute
Il est aussi important de noter qursquoun des plus grands obstacles agrave la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales fiables reste celui des moyens techniques financiers et humains neacutecessaires aux expeacuterimentations
I323 La validation comparative Elle porte sur une comparaison des reacutesultats de simulation de plusieurs logiciels entre eux Cela peut ecirctre fait avec lrsquoexistence ou non drsquoune reacutefeacuterence expeacuterimentale ou analytique
Lrsquoavantage des comparaisons est de donner la possibiliteacute aux utilisateurs de mieux choisir entre plusieurs logiciels selon leur performance dans un domaine donneacute de la simulation
Cependant lrsquoutilisation des reacutesultats drsquoune comparaison afin de juger des logiciels les uns par rapport aux autres neacutecessite un maximum de transparence en particulier sur la complexiteacute des proceacutedures et sur le temps de calcul neacutecessaire pour obtenir ces reacutesultats [Grynberg 1988] [Fontoynont 1999] [Maamari 2003]
I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes Les travaux de validation reacutealiseacutes sur des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage ne manquent pas en nombre cependant crsquoest la creacutedibiliteacute de ces travaux qui nrsquoest pas toujours veacuterifieacutee
En ce qui concerne les rares travaux de validation existants qui beacuteneacuteficient drsquoune creacutedibiliteacute scientifique ou celle drsquoun organisme agreacuteeacute nous citons les suivants
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Chapitre I
I331 Le travail de Khodulev et Kopylov Ce travail reacutealiseacute et publieacute par Andrei B Khodulev et Edward A Kopylov en 1996 [Khodulev 1996] est lrsquoun des rares travaux de validation qui ont utiliseacute une reacutefeacuterence analytique
Le travail porte sur une validation comparative entre les logiciels Lightscape Specter et Radiance Une description des trois logiciels est donneacutee portant sur plusieurs critegraveres y compris lrsquointerface utilisateur
Un des sceacutenarios utiliseacutes pour la comparaison est celui drsquoune piegravece cubique fermeacutee avec une source lumineuse isotrope au centre La comparaison porte sur lrsquoeacuteclairement au niveau des points de mesure situeacutes sur le sol La valeur de reacutefeacuterence de cet eacuteclairement est calculeacutee semi-analytiquement pour prendre en consideacuteration la composante reacutefleacutechie interne
I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE Ce rapport repreacutesente un exemple ideacuteal sur la creacuteation des donneacutees expeacuterimentales fiables pour la validation des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage [Slater 2002]
Le travail deacutecrit dans ce rapport porte sur un protocole expeacuterimental qui a eacuteteacute deacutefini et conduit drsquoune maniegravere remarquablement rigoureuse dans une cellule test agrave eacutechelle 11 Le but est de creacuteer une base de donneacutees expeacuterimentales pour la validation des logiciels de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel
Le rapport comprend une description preacutecise du sceacutenario expeacuterimental y compris les dimensions de la geacuteomeacutetrie (une piegravece carreacutee) la position des lampes ou des luminaires la position des points de mesure ainsi que le coefficient de reacuteflexion des surfaces La description du sceacutenario comprend aussi les fichiers photomeacutetriques des luminaires au format CIBSE TM 14 sachant que la photomeacutetrie reacuteelle de chaque luminaire a eacuteteacute mesureacutee seacutepareacutement dans un laboratoire agreacuteeacute
Le protocole expeacuterimental comprend un controcircle du flux lumineux agrave travers lrsquoobservation et le controcircle des fluctuations du courant eacutelectrique et de la tempeacuterature de la piegravece Les lampes et les ballasts ont eacuteteacute vieillis Les lampes ont eacuteteacute preacutechauffeacutees une heure avant les mesures
Les capteurs ont eacuteteacute calibreacutes et fixeacutes sur un trolley afin de garantir la reacutepeacutetitiviteacute de leur position Six diffeacuterentes mesures ont eacuteteacute prises pour chaque point agrave lrsquoaide de deux capteurs diffeacuterents la moyenne de ces mesures a eacuteteacute utiliseacutee comme reacutefeacuterence
Une estimation des erreurs de mesures a eacuteteacute calculeacutee ainsi que des erreurs de simulation dues agrave lrsquoincertitude dans la description du sceacutenario Les reacutesultats ont alors eacuteteacute preacutesenteacutes sous forme de deux bandes de valeurs la premiegravere bande est celle des mesures prises + ou ndash lrsquoestimation des erreurs de mesure et lrsquoautre est celle des mesures + ou ndash le total des erreurs estimeacutees y compris les erreurs de simulation
I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA Ce travail a eacuteteacute meneacute dans le cadre de la tache 21 de lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie intituleacutee lumiegravere naturelle dans les bacirctiments En effet un projet a eacuteteacute deacutedieacute au thegraveme de la validation des logiciels de calcul en eacuteclairage et a fait lrsquoobjet drsquoune collaboration entre les laboratoires de six nations diffeacuterentes parmi lesquels le Laboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Fontoynont 1999] [Maamari 2002]
Dans le cadre de ce projet des donneacutees expeacuterimentales ont eacuteteacute reacutecolteacutees agrave travers des mesures drsquoeacuteclairement agrave lrsquointeacuterieur drsquoune seacuterie de maquettes agrave eacutechelle reacuteduite placeacutees sous des ciels
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Chapitre I
artificiels Trois bacirctiments types ont eacuteteacute testeacutes sous plusieurs configurations en changeant les types drsquoouverture etou les coefficients de reacuteflexion des surfaces
Les sceacutenarios expeacuterimentaux ont eacuteteacute simuleacutes agrave lrsquoaide des logiciels drsquoeacuteclairage naturel Adeline Genelux Leso-DIAL Radiance et Superlite Les reacutesultats des simulations ont eacuteteacute compareacutes entre les diffeacuterents logiciels et confronteacutes aux mesures expeacuterimentales
Cette comparaison a montreacute que le calcul des eacuteclairements agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment dus agrave lrsquoeacuteclairage naturel demande une description minutieuse des luminances des portions de la voucircte ceacuteleste vues par la fenecirctre Les eacuteclairements directs agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment sont alors calculeacutes avec une preacutecision de lrsquoordre de 5 La preacutecision des calculs des reacuteflexions multiples agrave lrsquointeacuterieur de la piegravece deacutepend quant agrave elle des proprieacuteteacutes des surfaces inteacuterieures et en particulier de la lrsquoaspect bidirectionnel de ces surfaces
Cette eacutetude a montreacute finalement que les programmes doivent ecirctre utiliseacutes avec beaucoup de preacutecautions car les reacutesultats de simulation sont tregraves sensibles agrave la qualiteacute des hypothegraveses et des paramegravetres drsquoentreacutee description de la source de lumiegravere geacuteomeacutetrie du bacirctiment paramegravetres de simulation
I34 Analyse de la probleacutematique Drsquoapregraves la recherche bibliographique preacutesenteacutee ci-dessus sur le domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage nous pouvons reacutesumer la probleacutematique de ce domaine dans les points suivants
1 Difficulteacute drsquoaccegraves agrave lrsquoinformation Elle est due en particulier agrave lrsquoabsence de sources publiques speacutecialiseacutees dans le domaine
2 Manque de transparence Ainsi nous trouvons souvent des reacutesultats de validation preacutesenteacutes sans suffisamment drsquoinformation sur les proceacutedures qui ont abouti agrave ces reacutesultats
3 Manque de creacutedibiliteacute une partie importante des travaux de validation existants est reacutealiseacutee par les deacuteveloppeurs des logiciels testeacutes les sources drsquoincertitudes dans les valeurs de reacutefeacuterence ne sont souvent pas prises en consideacuteration etc
4 Manque de travaux concluants sur la validiteacute du logiciel testeacute Ceci est ducirc en partie agrave la complexiteacute des sceacutenarios expeacuterimentaux et agrave la restriction des domaines testeacutes Ainsi il est rarement possible drsquoidentifier avec certitude les points de faiblesse et les domaines drsquoapplication drsquoun logiciel testeacute
5 Absence de reacutefeacuterences standardiseacutees Ce qui fait qursquoun certain aspect de la propagation de la lumiegravere est testeacute dans diffeacuterents logiciels avec des protocoles diffeacuterents Ce qui ne permet pas une comparaison transparente et objective entre ces diffeacuterents logiciels
6 Manque de validations analytiques malgreacute les avantages de ce type de validation
En reacuteponse aux problegravemes listeacutes ci-dessus nous identifions en particulier le besoin drsquoune standardisation et drsquoune mise agrave disposition des reacutefeacuterences de validation fiables de preacutefeacuterence sous la garantie et le controcircle drsquoun ou plusieurs organismes creacutedibles
I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
I351 Introduction Le premier objectif qursquoon pourrait attendre des travaux de validation crsquoest de pouvoir ameacuteliorer la confiance des utilisateurs dans les logiciels de simulation A savoir qursquoameacuteliorer la confiance ne veut pas forceacutement dire lrsquoaugmenter Mais plutocirct sensibiliser les utilisateurs aux capaciteacutes et aux limites des diffeacuterents logiciels dans les diffeacuterents domaines de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Ainsi agrave travers lrsquoidentification des points de faiblesse
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Chapitre I
drsquoun logiciel et de ces domaines drsquoapplication on pourra aboutir agrave une utilisation responsable de ces logiciels
Drsquoougrave le besoin drsquoune meacutethodologie de validation qui permet de tester la capaciteacute drsquoun logiciel agrave simuler les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Cette meacutethodologie doit eacutegalement palier les deacutefaillances rencontreacutees dans le domaine agrave noter creacutedibiliteacute fiabiliteacute et accessibiliteacute
I352 Concept et approche proposeacutes Pour atteindre les objectifs fixeacutes ci-dessus la meacutethodologie de validation proposeacutee repose un concept de base qui est celui de tester seacutepareacutement les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Ceux-ci peuvent ecirctre classeacutes sous 3 grands groupes
1 La description de la source de lumiegravere et le calcul de lrsquoeacuteclairement direct 2 Le transfert du flux lumineux agrave travers les composants de la fenecirctre et lrsquoinfluence des
masques 3 Les inter-reacuteflexions sur les diffeacuterents mateacuteriaux avec diffeacuterentes photomeacutetries
Pour appliquer ce concept cette meacutethodologie de validation est baseacutee sur une seacuterie de cas-tests chacun traitant un sceacutenario drsquoeacuteclairage simple (un nombre limiteacute de paramegravetres) ougrave un certain aspect de la propagation de lumiegravere est mis en eacutevidence La description des cas-tests comprend la geacuteomeacutetrie les sources de lumiegravere ainsi qursquoune seacuterie de valeurs de reacutefeacuterence agrave utiliser pour tester la capaciteacute du logiciel agrave simuler lrsquoaspect en question Ces valeurs de reacutefeacuterence sont obtenues soit agrave lrsquoaide drsquoun calcul analytique quand crsquoest possible (pour des sceacutenarios theacuteoriques) ou bien agrave partir de mesures expeacuterimentales
Ainsi chaque cas-test est applicable agrave tout logiciel proposant des fonctionnaliteacutes lieacutees agrave lrsquoaspect traiteacute (dans ce cas-test) indeacutependamment des algorithmes utiliseacutes des meacutethodes de calcul adopteacutees ou des paramegravetres utiliseacutes
Cependant il est possible drsquoassocier agrave chaque test une eacutetude parameacutetrique propre agrave chaque logiciel Une telle eacutetude permet de mieux comprendre lrsquoinfluence des diffeacuterents paramegravetres proposeacutes sur la preacutecision du logiciel dans un aspect donneacute de la propagation de la lumiegravere
Pour une utilisation optimale de cette meacutethodologie de validation les cas-tests doivent couvrir tous les aspects de la propagation de la lumiegravere Ils seront alors utiliseacutes en tant qursquooutil unique et complet pour tester un logiciel donneacute
Une comparaison geacuteneacuterale des reacutesultats des simulations drsquoun logiciel donneacute aux valeurs de reacutefeacuterences de la seacuterie de cas-tests donnera une ideacutee claire sur les domaines ougrave le logiciel testeacute respecte ou non les lois physiques Ceci permettra agrave un utilisateur de veacuterifier si ce logiciel est compatible avec son propre domaine drsquoactiviteacute et agrave un deacuteveloppeur de veacuterifier si son logiciel a atteint les perspectives souhaiteacutees
De la mecircme faccedilon une comparaison entre les reacutesultats de diffeacuterents logiciels et les valeurs de reacutefeacuterence permet drsquooffrir une vision objective sur le logiciel qui reacutepond le mieux agrave une exigence donneacutee
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Chapitre I
Conclusions Suite agrave notre eacutetude bibliographique sur le domaine de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage nous avons orienteacute le travail de cette thegravese (agrave travers les chapitres suivants) de faccedilon agrave reacutepondre agrave certains des problegravemes identifieacutes dans ce domaine
Ainsi en ce qui concerne le manque de fiabiliteacute dans les travaux de validation des logiciels nous deacuteveloppons la meacutethode de validation que nous avons proposeacutee Dans ce cadre nous creacuteons une seacuterie de cas-tests en relation avec diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere traiteacutes ci-dessus Ces cas-tests sont reacutepartis en deux familles lrsquoune avec des sceacutenarios theacuteoriques et des reacutefeacuterences analytiques et lrsquoautre avec des reacutefeacuterences expeacuterimentales reacutepondant agrave des critegraveres de controcircle de qualiteacute que nous avons deacutefinis
En ce qui concerne la difficulteacute de simuler des sceacutenarios reacuteels de lumiegravere naturelle nous proposons et validons une meacutethode de simulation agrave partir des cartes de luminances reacuteelles agrave haute deacutefinition
Finalement nous proposons et nous validons une meacutethode de simulation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquoaide des luminaires eacutequivalents Cette meacutethode permet agrave la simulation de la lumiegravere de jour de beacuteneacuteficier de la preacutesence confirmeacutee des outils de simulation de la lumiegravere artificielle dans le domaine de la conception des bacirctiments Elle permet eacutegalement de surmonter un nombre de difficulteacutes rencontreacutees dans certains logiciels classiques de simulation la lumiegravere naturelle en particulier celles lieacutees agrave la preacutecision des reacutesultats par rapport au temps de calcul et agrave la simulation des masques exteacuterieurs
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Chapitre I
Reacutefeacuterences Bibliographiques 3D-LUMIEgraveRE Enquecircte sur la connaissance et lrsquoutilisation des systegravemes informatiques de simulation drsquoeacuteclairage Paris Club 3D Lumiegravere 2000 11 p ACHARD G LAFORGUE P SOUYRI B FONTOYNONT M BASTIE A MITANCHEY R Etude dun systegraveme Metrologique de Confort Radiatif Integrant lAspect Thermique et lAspect Visuel Paris 1994 60 p AFE Les sources de lumiegravere Socieacuteteacute dEdition Lux 1987 199 p AIZLEWOOD M BUTT J ISAAK K LITTLEFAIR P Daylighting in atria a comparison of measurements theory and simulation Lux Europa 1997 Amsterdam-Netherlands 1997 ANDERSEN M RUBIN M POWLES R SCARTEZZINI J L Bi-directional light transmission properties assessment for venetian blinds Computer simulations compared to photogoniometer measurements ISES Solar World Congress 2003 - Solar Energy for a Sustainable Future Gothenburg - Sweden International Solar Energy Society 2003 ANDERSEN M RUBIN M SCARTEZZINI J-L Comparison between ray-tracing simulations and bi-directional transmission measurements on prismatic glazing Solar Energy 2003 vol 74 ndeg2 pp 157-217 ANSIIESNA ANSIIESNA LM-63-02 ANSI Approved Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data and Related Information ANSIIESNA LM-63-02 2002 26 p ASE Eclairage inteacuterieur par la lumiegravere du jour Norme Suisse SN 418911 Zuumlrich Association Suisse des Electriciens 1989 ASHDOWN I Near-Field Photometry A New Approach IES 1993 vol 22 ndeg1 pp 163-180 ASHDOWN I EULUMDAT File Format Specification [en ligne] Disponible sur lthttpwwwhelios32comEulumdathtmgt (09 Mars 2004) ASHDOWN I Thinking photometrically Part II 105 Las Vegas workshop-Lightfair International 2001 42 p ASHRAE-IESNA Energy efficient design of new buildings except new low-rise residential buildings ASHRAEIES 901-1989 American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditionaing Engginers 1989 AUTODESK Lightscape 32 Users Guide 32 Autodesk 1999 352 p BALOCCO C FORASTIERE M A GRAZZINI G RIGHINI G C Experimental results of transparent reflective and absorbing propoerties of some building materials Energy and Buildings 2001 vol 33 pp 563-568
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Chapitre I
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Chapitre I
CIE Discomfort Glare in Interior Lighting CIE-117 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1995 CIE The Photometry and Goniophotometry of Luminaires CIE-121 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE The Relationship Between Digital and Colorimetric Data for Computer-Controlled CRT Displays CIE-122 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance CIE-130 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1998 CIE Spatial distribution of daylight - CIE standard general sky Vienne Commission Internationale de lEclairage 2002 7 p COHEN M F CHEN S E WALLACE J R GREENBERG DP A progressive refinement approach to fast radiosity image generation 15th annual conference on computer graphics and interactive techniques ACM Press New York 1988 pp 75-84 DE BOER J Encorporation of numerical goniophotometry into daylighting design CISBAT 2003 Lausanne EPFL 2003 pp 229-234 DE BOER J ERHORN H Survey Simple Design Tools IEA 1999 49 p DENIEL J M Modeacutelisation des luminaires et des BRDF Reacutealisation mesure et compression Thegravese en Informatique Rennes Universiteacute de Rennes 1 2002 277 p DUMORTIER D Mesure Analyse et Modeacutelisation du gisement lumineux Application agrave leacutevaluation des performances de leacuteclairage naturel des bacirctiments Thegravese en Geacutenie Civil et Sciences de lHabitat Vaulx en Velin ENTPE Universiteacutee de Savoie 1995 295 p DUMORTIER D Lumiegravere naturelle et rayonnement solaire - Mesures au sol et estimations agrave partir dimages satellites - Deacuteveloppement de services Web pour leacuteclairage naturel des bacirctiments HDR Thermique et Energeacutetique Vaulx en Velin ENTPE 2003 161 p DUMORTIER D VAN ROY F SODA daylighting resource SODA Deliverable 53C 2002 DUMORTIER D VETRO P Luminance calibration of the Nikon 950 digital cameras Lux Europa Reykjavik 2001 ERHORN H DE BOER J DIRKSMOLLER M ADELINE - An Integrated Approach to Lighting Simulation Daylighting 98 Ottawa 1998 FOLEY D J VAN-DAM A FEINER S K HUGHES J F Computer Graphics Principles and Practice Second Edition ADDISON-WESLEY 1990 (The systems programming series
50
Chapitre I
FONTOYNONT M Le point sur les meacutethodes de simulation et sur lrsquoutilisation de lrsquoimage de synthegravese en eacuteclairage LUX 1991 FONTOYNONT M LAFORGUE P MITANCHEY R AIZLEWOOD M BUTT J CARROLL W HITCHOCK R ERHORN H DE BOER J DIRKSMOumlLLER M MICHEL L PAULE B SCARTEZZINI J-L BODART M AND ROY G Validation of daylighting simulation programs IEA SHC Task 21 ECBCS Annex 29 1999 28 p GALASIU A ATIF M Applicability of Daylighting Computer Modeling in Real Case Studies Comparison between Measured and Simulated Daylight Availability and Lighting Consumption IEA SHC Task 21 IEA ECBCS Annex 29 Daylight in Buildings International Energy Agency National Research Council Canada 1998 68 p GREENUP P J EDMONDS I R COMPAGNON R RADIANCE algorithm to simulate laser-cut panel light-redirecting elements Lighting Research amp Technology 2000 vol 32 ndeg2 pp 49-54 GRYNBERG A Comparison and Validation of Radiance and Superlite Rapport interne Lawrence Berkeley National Laboratory 1988 HOPKINSON R G PETHERBRIDGE P LONGMORE J Daylighting William Heinneman Ltd London 1966 IEA-SHC Daylighting simulation Methods Algorithms and Ressources Agence Internaitonale de lEnergie - SHC 1999 IEA-SHC Measurement of Luminous Characteristics of Daylighting Materials Agence Internationale de lEnergie - SHC - Tacircche 21 1999 IESNA Calculating Coefficients of Utilisation Wall and Ceiling Cavity Exitance IES LM-57 New York Illuminating engineering Society of North America 1982 IESNA The Determination of Illuminance at a Point in Interior Spaces IES LM-43-1991 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 34 p IESNA An Introduction to Light and Lighting IES ED-50 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 51 p IESNA Lighting Handbook 8th Edition New York Illuminating engineering Society of North America 1993 IESNA IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data IESNA LM-63-95 New York Illuminating engineering Society of North America 1995 5 p IESNA 1999 IESNA Software Survey Lighting Design + Application 1999 vol 29 ndeg12 pp 39-48 JARVIS D DONN M Comparison of Computer and Model Simulations of a Daylit Interior with Reality 5th International conference on Building Performance and Simulation Association Prague Czech Republic 1997 pp 9-16
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Chapitre I
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Chapitre I
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Chapitre I
TREGENZA P Daylighting algorithms ETSU S 1350 UK Department of Trade and Industry on behalf of the Energy Technology Support Unit 1993 43 p TREGENZA P R WATERS I M Daylight Coefficients Lighting Research amp Technology 1983 vol 15 ndeg2 pp 65-71 TROWBRIDGE T S REITZ K P Average Irregularity Representation of a Rough Surface for Ray Reflection Opt Soc Am 1975 vol 65 ndeg5 pp 531-536 UETANI Y MATSUURA K A Method of Luminance Calculation in an Anisotropic Diffuse Reflecting Interior IESNA Annual Conference Technical Papers San Diego 1992 WARD G J The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System SIGGRAPH Computer graphics 1994 pp 459-472 WHITTED T An improved illumination model for shaded display Computer graphics amp Image processing 1980
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- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
leur capaciteacute agrave simuler les pheacutenomegravenes de propagation de lumiegravere plus ou moins complexes par leur interface utilisateur et finalement par leurs vocations et leurs domaines drsquoapplication
I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage Le rocircle des algorithmes dans une simulation drsquoeacuteclairage est de geacuterer le calcul de la propagation de la lumiegravere entre les sources et les surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie puis les inter-reacuteflexions entre ces surfaces
Les algorithmes utiliseacutes dans les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage sont des algorithmes dits drsquoeacuteclairement global (global illumination) puisqursquoils font un calcul tridimensionnel de la propagation de la lumiegravere Ils peuvent ecirctre classeacutes sous deux grandes familles la radiositeacute et le lancer de rayons Ces deux familles tendent agrave avoir des avantages et des inconveacutenients compleacutementaires ce qui fait que certains logiciels utilisent une logique hybride combinant les deux familles [IEA-SHC 1999] [Mitanchey 1996]
1211 Radiositeacute Les algorithmes de radiositeacute utiliseacutes pour le calcul de lrsquoeacuteclairage datent du deacutebut des anneacutees 80 Ils ont eacuteteacute adapteacutes agrave partir des algorithmes de radiositeacute utiliseacutes depuis les anneacutees 60 pour le calcul des eacutechanges radiatifs thermiques sur la base de lrsquoeacutequilibre eacutenergeacutetique
Les algorithmes de radiositeacute procegravedent en geacuteneacuteral agrave une discreacutetisation de lrsquoenvironnement simuleacute agrave travers un maillage (subdivision en petites mailles) des surfaces drsquoune geacuteomeacutetrie eacuteclaireacutee par une source donneacutee (voir figure I3) Tout drsquoabord un calcul de la lumiegravere directe reccedilue par chaque maille est effectueacute Ensuite chaque maille est traiteacutee comme une source lumineuse eacutemettant une partie du flux lumineux qursquoelle a reccedilu (selon son facteur de reacuteflexion) vers les autres mailles de la geacuteomeacutetrie Cette lumiegravere indirecte subit plusieurs inter-reacuteflexions jusqursquoagrave ce que la quasi-totaliteacute du flux initial soit absorbeacutee
Suite agrave ce calcul on est capable de savoir la quantiteacute de flux lumineux direct et indirect reccedilue et eacutemise par une maille donneacutee et donc lrsquoeacuteclairement et la luminance de cette maille [Scartezzini 1993] [Ashdown 2001]
Figure I3 Exemple drsquoun calcul de Radiositeacute agrave lrsquointeacuterieur drsquoune geacuteomeacutetrie
Bien que le principe geacuteneacuteral de la radiositeacute deacutecrit ci-dessus soit le mecircme pour tous les algorithmes de radiositeacute existants ceux-ci diffegraverent dans la meacutethode adopteacutee pour le maillage de la geacuteomeacutetrie et pour le suivi du flux
La radiositeacute peut ecirctre en principe appliqueacutee agrave tout type de reacuteflexion cependant les algorithmes existants sont encore limiteacutes aux reacuteflexions 100 diffuses Ce qui entraicircne des erreurs plus ou moins importantes selon le comportement reacuteel du mateacuteriau simuleacute La
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Chapitre I
radiositeacute preacutesente aussi quelques autres inconveacutenients dont particuliegraverement un temps de calcul assez long une lourde consommation en meacutemoire et une faible performance en qualiteacute graphique
Cependant le calcul de radiositeacute a lrsquoavantage drsquoecirctre indeacutependant de la position de lrsquoobservateur Ainsi un seul calcul est suffisant pour connaicirctre lrsquoeacuteclairement de tous les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie et pour la visualiser agrave partir drsquoune infiniteacute de points de vue
Une nouvelle geacuteneacuteration drsquoalgorithmes de radiositeacute est apparue en 1988 elle permet drsquoobtenir un reacutesultat graphique immeacutediat qui srsquoameacuteliore progressivement en preacutecision et en qualiteacute visuelle drsquoougrave son nom progressive refinement radiosity [Cohen 1988] [Autodesk 1999]
Une autre eacutevolution des algorithmes de radiositeacute fut le concept de maillage adaptatif ougrave le logiciel commence agrave calculer agrave partir drsquoun maillage de faible preacutecision Ensuite il procegravede agrave des subdivisions suppleacutementaires lagrave ougrave il y a une grande diffeacuterence drsquoeacuteclairement entre les mailles Cette meacutethode conduit agrave une eacuteconomie dans le temps de calcul et dans lrsquoutilisation de meacutemoire
1212 Lancer de rayons La deuxiegraveme famille drsquoalgorithmes est la plus ancienne elle a connu plus de deacuteveloppements et preacutesente une plus grande varieacuteteacute de meacutethodes
Ces meacutethodes ont lrsquoavantage de calculer avec preacutecision lrsquoeacuteclairement direct de calculer les effets speacuteculaires des mateacuteriaux de mieux deacutefinir les ombres et de consideacuterer les reacutefractions agrave travers les surfaces transparentes Crsquoest donc les algorithmes qui donnent les meilleurs reacutesultats graphiques drsquoougrave ce qursquoon appelle le photo-reacutealisme des images de synthegravese
Il existe plusieurs cateacutegories drsquoalgorithmes baseacutees sur le lancer de rayon nous citons les suivantes
Figure I4 Exemple drsquoun calcul de Lancer de rayons (inverse)
1 Traceacute de rayons ou Lancer de rayons depuis lrsquoobservateur dite aussi Lancer inverse de rayons (backward ray tracing) les rayons sont geacuteneacutereacutes depuis lrsquoœil de lrsquoobservateur et cheminent agrave travers des reacuteflexions multiples sur les parois jusqursquoaux sources de lumiegravere (voir figure I4) Ainsi seuls les rayons utiles pour la construction de lrsquoimage seront geacuteneacutereacutes et suivis agrave travers les diffeacuterentes inter-reacuteflexions mais la solution est valide pour un seul point de vue [Whitted 1980]
2 Suivi de rayons ou Lancer direct de rayons (forward ray tracing) cette meacutethode geacutenegravere les rayons lumineux depuis la source vers les surfaces reacuteceptrices quand un rayon atteint une surface il est dirigeacute selon la photomeacutetrie rencontreacutee jusqursquoagrave lrsquoeacutepuisement de son eacutenergie [Fontoynont 1991]
3 Technique statistique de monte-carlo backward ou forward La meacutethode de Monte-Carlo associeacutee agrave des meacutethodes de lancer de rayons a recours agrave une technique statistique
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Chapitre I
pour la distribution des rayons reacutefleacutechis Elle neacutecessite un temps de calcul eacuteleveacute [IEA-SHC 1999]
I22 Exemples types des logiciels existants Les logiciels existants sur le marcheacute international et utiliseacutes comme outils de conception en eacuteclairage peuvent ecirctre classeacutes en diffeacuterentes familles [De Boer 1999] [IESNA 1999]
1 Les logiciels baseacutes sur les formules de base de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel Ces logiciels sont souvent distribueacutes par les constructeurs de luminaires et munis de leur bibliothegraveque de luminaires
2 Des logiciels baseacutes sur des formules de base de calcul en eacuteclairage naturel ou sur des donneacutees empiriques (ou preacute-simuleacutees) Ces logiciels sont souvent deacutedieacutes agrave lrsquoutilisation dans les phases preacuteliminaires de la conception drsquoun projet (ex Dial Sodalight etc)
3 Les logiciels capables de calculer lrsquoeacuteclairage direct uniquement Ils sont tregraves souvent inteacutegreacutes dans des logiciels de DAO Leur objectif est limiteacute agrave lrsquoameacutelioration du rendu graphique drsquoun projet ou au mieux agrave une eacutetude de taches solaires (ex Archicad) Cependant ce type de logiciels devient de plus en plus rare En effet vu leurs potentiels un certain nombre de ces logiciels a eacuteteacute mis agrave niveau par les deacuteveloppeurs et a passeacute ainsi agrave la famille suivante (ex Microstation et 3D Studio)
4 Les logiciels dits drsquoeacuteclairement global Ils utilisent souvent des algorithmes de calcul physique (en particulier de radiositeacute et lancer de rayons) Nous distinguons cependant dans cette cateacutegorie les logiciels deacuteveloppeacutes dans un cadre scientifique (ex Radiance Geacuteneacutelux CSTB) de ceux deacuteveloppeacutes et diffuseacutes dans un cadre commercial (Lightscape Dialuxhellip) En geacuteneacuteral les logiciels commerciaux possegravedent des interfaces plus conviviales mais les logiciels scientifiques offrent des fonctionnaliteacutes plus complegravetes Par exemple certains logiciels scientifiques sont capables de prendre en consideacuteration lrsquoaspect spectral de la propagation de la lumiegravere etou de traiter les fonctions bidirectionnelles Finalement nous notons que les logiciels commerciaux manquent le plus de transparence sur leur fiabiliteacute dans les diffeacuterents domaines drsquoapplication (manque de travaux de validation)
Dans notre travail de thegravese nous nous inteacuteressons en particulier agrave la derniegravere famille Ne pouvant pas enquecircter sur tous les logiciels existants nous nous contentons de citer (par ordre alphabeacutetique) quelques logiciels sur lesquels il y a eu des publications scientifiques et des travaux de validation [Fontoynont 1999]
1221 Adeline Deacuteveloppeacute dans le cadre de lrsquoIEA Adeline a eacuteteacute fondeacute sur les logiciels Superlite et Radiance par le biais drsquoun modeleur graphique et drsquooutils de DAO Ainsi il permet de deacutefinir la geacuteomeacutetrie avec son propre systegraveme de DAO par lrsquoentreacutee manuelle des coordonneacutes carteacutesiennes ou agrave partir drsquoun fichier DXF
Le logiciel est muni drsquoune bibliothegraveque de base de donneacutees de mateacuteriaux de luminaires et de mobilier Il produit des reacutesultats numeacuteriques ou bien graphiques Au-delagrave des eacuteclairements et des luminances Adeline permet de calculer lrsquoeacutenergie consommeacutee par lrsquoeacuteclairage artificiel en fonction des apports de lumiegravere du jour [Erhorn 1998] [Scartezzini 1993]
1222 Genelux Le logiciel Genelux deacuteveloppeacute au laboratoire des sciences de lrsquohabitat utilise un algorithme de lancer direct et suivi de rayons lumineux (Forward Ray tracking) La distribution des rayons reacutefleacutechis est effectueacutee en ayant recours agrave une technique statistique de Monte Carlo
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Chapitre I
Dans le cas ougrave les surfaces seraient parfaitement diffusantes il est possible de faire appel agrave un algorithme baseacute sur la meacutethode de radiositeacute afin de reacuteduire les temps de simulation Genelux peut modeacuteliser les surfaces speacuteculaires diffuses ou mixtes en transmission etou reacuteflexion Il peut eacutegalement prendre en consideacuteration des quantiteacutes spectrales en deacutecomposant les rayons incidents par bandes spectrales [Mitanchey 1996] [Maamari 2003]
1223 Inspirer Destineacute surtout au domaine de lrsquoarchitecture avec comme fonctionnaliteacutes les calculs de lrsquoeacuteclairage les analyses de visibiliteacute et la visualisation des projets Pour le calcul de lrsquoeacuteclairage il utilise des approches hybrides surtout la meacutethode bi-directionnelle de Monte Carlo au Lancer de Rayons Ce qui diffeacuterencie le plus ce logiciel est lrsquoutilisation des formules de BRDF qui permet de respecter les variations de reacuteflexion et de transmission (diffuse et speacuteculaire) ainsi que des couleurs selon lrsquoangle drsquoincidence et de vision [Maamari 2003]
1224 DIAL Leso-Dial Le but du logiciel est de donner aux architectes des informations utiles concernant lrsquoutilisation de la lumiegravere de jour dans un bacirctiment degraves la phase de lrsquoavant projet Il calcule le facteur de lumiegravere du jour sur le plan utile gracircce agrave une utilisation hybride de formule analytique et empirique [Paule 1995]
1225 Lightscape 32 Crsquoest un logiciel qui est destineacute agrave des utilisations graphiques mais il offre eacutegalement des fonctionnaliteacutes inteacuteressantes pour la simulation physique de la lumiegravere Il utilise un algorithme de radiositeacute pour le calcul quantitatif et un algorithme de lancier de rayons pour lrsquoameacutelioration qualitative et visuelle des images de synthegraveses Ce logiciel est deacutecrit en deacutetail dans la partie IV11 de ce document [Khodulev 1996] [Maamari 2002]
1226 Radiance Le logiciel Radiance utilise un algorithme de lancer inverse de rayons Le lancer des rayons peut ecirctre stoppeacute si leur eacutenergie est jugeacutee insuffisante Les rayons reacutefleacutechis peuvent ecirctre geacuteneacutereacutes selon une fonction de distribution permettant la simulation de reacuteflexions speacuteculaires semi-speacuteculaires ou diffuses Ce lancer de rayons est compleacuteteacute drsquoun calcul statistique de reacuteflexion diffuse pour distribuer le flux reacutesiduel [Ward 1994] [Grynberg 1988]
1227 Superlite Le logiciel Superlite utilise une meacutethode point agrave point de radiositeacute Toutes les surfaces sont supposeacutees ecirctre parfaitement diffusantes Crsquoest la meacutethode la plus rapide mais elle est toutefois limiteacutee aux surfaces diffuses [Grynberg 1988]
I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels Lrsquoutilisation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage se geacuteneacuteralise de plus en plus dans le domaine de conception en eacuteclairage et au-delagrave Ainsi de nos jours ces logiciels sont utiliseacutes aussi bien par des bureaux drsquoeacutetude du bacirctiment et des architectes que par des deacuteveloppeurs de jeu videacuteo Les applications peuvent ecirctre entre autres [IESNA 1999] [3D-lumiegravere 2000] [Maamari 2002]
1 La conception en eacuteclairage artificiel Que ce soit pour lrsquoeacuteclairage inteacuterieur des bacirctiments lrsquoeacuteclairage des faccedilades des monuments des voiries des trottoirs ou lrsquoeacuteclairage des
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Chapitre I
tunnels etc Elle comprend entre autre le dimensionnement des systegravemes lrsquoanalyse du confort visuel et de la consommation etc
2 La conception en eacuteclairage naturel dimensionnement des ouvertures et des protections solaires orientation des projets analyse de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour et eacutetudes des FLJhellip
3 Le rendu et la preacutesentation des projets par les architectes et par les deacutecorateurs drsquointeacuterieur 4 La creacuteation de scegravenes de reacutealiteacute virtuelle pour le monde du cineacutema de la publiciteacute ou des
jeux videacuteohellip 5 La conception mecircme des optiques de luminaires ou de phares de voitures
Le domaine drsquoutilisation drsquoun logiciel donneacute deacutepend des fonctionnaliteacutes proposeacutees par ce logiciel de ses capaciteacutes agrave simuler avec un certain degreacute de fiabiliteacute et de faciliteacute les diffeacuterents domaines de la propagation de la lumiegravere en relation avec les besoins de lrsquoutilisateur
Bien que les algorithmes de calcul utiliseacutes dans les logiciels se ressemblent ces derniers ne sont pas tous adapteacutes pour les mecircme types drsquoapplications et ne reacutepondent pas aux mecircmes besoins
Ainsi certains utilisateurs cherchent en prioriteacute la faciliteacute drsquoutilisation des fonctionnaliteacutes en relation avec leur propre activiteacute en deacutepit des autres fonctionnaliteacutes et mecircme parfois en deacutepit de la validiteacute des reacutesultats Drsquoailleurs crsquoest agrave cause de ce contexte que des deacuteveloppeurs de logiciels commerciaux ont tendance agrave proposer des interfaces et des fonctionnaliteacutes optimiseacutees et orienteacutees vers un domaine drsquoapplication donneacute Ainsi nous commenccedilons agrave trouver par exemple des logiciels deacutedieacutes agrave la conception de lrsquoeacuteclairage public etou des tunnels (ex Tunnel-Lite) drsquoautres agrave la conception des protections solaires (ex ParaSol) etc
Cependant il est encore difficile de nos jours agrave un concepteur de bacirctiment de savoir quel est le ou les logiciels existants qui reacutepondent le mieux agrave ses propres besoins Crsquoest ce qui ressort dans les diffeacuterentes enquecirctes meneacutees sur lrsquoutilisation des logiciels en particulier celle meneacutee par le club 3D-Lumiegravere [3D-lumiegravere 2000] et celle que nous avons meneacutee au Light and Building 2002 [Maamari 2002] (voir annexe D) Nous notons par exemple dans ces deux enquecirctes lrsquoutilisation par des concepteurs lumiegravere de logiciels graphiques (Photoshop) en tant qursquooutils de conception
I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I31 Introduction Comme son nom lrsquoindique un logiciel de simulation de lrsquoeacuteclairage est supposeacute simuler la reacutealiteacute Mais la fideacuteliteacute de la simulation agrave la reacutealiteacute est loin drsquoecirctre veacuterifieacutee pour tous les logiciels existants sur le marcheacute international
Drsquoailleurs le niveau de preacutecision et de similitude (entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage et la reacutealiteacute) exigeacute ou souhaiteacute par les diffeacuterents utilisateurs nrsquoest pas neacutecessairement le mecircme et peut varier largement selon la speacutecificiteacute de leurs domaines drsquoactiviteacute [Maamari 2002]
Ainsi pour des utilisateurs qui srsquointeacuteressent uniquement au rendu graphique une image de synthegravese reacutealiste sans ecirctre neacutecessairement proche de la reacutealiteacute peut ecirctre suffisante Pour eux la question de la validation scientifique du logiciel utiliseacute ne se pose pas trop
Alors que pour des utilisateurs qui comptent extraire drsquoune simulation des cartes de luminances pour analyser le confort visuel de lrsquooccupant la validiteacute du logiciel devient drsquoune
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Chapitre I
importance de premier ordre Ceci est eacutegalement vrai pour les concepteurs en eacuteclairage qui ont besoin de veacuterifier que le niveau drsquoeacuteclairement est suffisant sur le plan de travail
Mais quel que soit le niveau de preacutecision souhaiteacute il est important pour un futur utilisateur de savoir la preacutecision qursquoil peut attendre de la part du logiciel qursquoil souhaite utiliser pour un type donneacute de tacircches Cette information est mecircme indispensable pour aboutir agrave une utilisation responsable des logiciels de simulation mais cela ne peut ecirctre possible qursquoagrave travers une validation rigoureuse et transparente de ce logiciel
Une validation rigoureuse et transparente des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage est une tacircche immense et drsquoune complexiteacute non neacutegligeable Ce qui est vrai pour tous les logiciels baseacutes sur des lois physiques comme par exemple les logiciels de simulation thermique
Cette complexiteacute est drsquoautant plus vraie quand on srsquointeacuteresse agrave lrsquoorientation du choix des utilisateurs vers un logiciel qui reacutepond le mieux agrave leurs propres besoins Dans ce contexte on souhaite veacuterifier la capaciteacute du logiciel agrave simuler avec preacutecision les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere lieacutes au domaine drsquoutilisation mais aussi on veut comparer cette capaciteacute agrave drsquoautres logiciels existants
La multitude des aspects qui entrent en jeu dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere combineacutee agrave la diversiteacute des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage contribuent agrave cette complexiteacute
Ainsi un logiciel capable de simuler des luminaires agrave optique diffusante nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler un luminaire avec une optique asymeacutetrique De mecircme un logiciel capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour agrave travers un vitrage ordinaire nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave travers un vitrage ou un systegraveme de protection solaire agrave aspect bidirectionnel etc
Nous preacutesentons ci-dessous une eacutetude bibliographique sur lrsquoeacutetat de lrsquoart du domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I32 Diffeacuterents types de validation En ce qui concerne les types de travaux de validation reacutealiseacutes nous avons pu identifier les suivants
I321 La validation analytique La validation analytique comme son nom lrsquoindique porte sur des cas theacuteoriques pour lesquels il existe des lois analytiques Ces lois sont issues des notions de base de la science physique lieacutees au rayonnement eacutelectromagneacutetique
Les travaux de validation baseacutes sur des reacutefeacuterences analytiques sont assez rares parmi les travaux reacutealiseacutes que nous avons pu trouver lors de notre recherche bibliographique
Cependant la validation analytique preacutesente des avantages consideacuterables comme la possibiliteacute de limiter les paramegravetres lieacutes agrave la propagation de la lumiegravere qui entrent en jeu dans un sceacutenario test Nous notons aussi lrsquoavantage de donner des solutions de reacutefeacuterences avec des incertitudes nulles ou neacutegligeables
En contrepartie la validation analytique ne peut couvrir que des domaines limiteacutes de la propagation de la lumiegravere Ce sont en geacuteneacuteral des cas de figures simples pour lesquels existe une loi theacuteorique [Aizlewood 1997]
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Chapitre I
I322 La validation expeacuterimentale Dans ce type de validation les reacutesultats des logiciels sont compareacutes agrave des mesures expeacuterimentales Ces mesures peuvent ecirctre reacutealiseacutees dans
a des maquettes drsquoeacutetude agrave eacutechelle reacuteduite [Caroll 1999] b des cellules tests agrave eacutechelle 11 c ou des piegraveces reacuteelles [Galasiu 1998] [Jarvis 1997]
Quel que soit le type des mesures reacutealiseacute la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales agrave utiliser pour des travaux de validation est confronteacutee agrave des obstacles consideacuterables
Le premier est lieacute aux sources drsquoerreur introduites lors de la description du sceacutenario expeacuterimental afin de le reproduire dans une simulation numeacuterique
Lrsquoimportance de cet obstacle est aggraveacutee par la multitude des paramegravetres qui entrent en jeu dans un sceacutenario expeacuterimental et par lrsquointeraction entre les sources drsquoerreurs lieacutees agrave chacun de ces paramegravetres
A titre drsquoexemple les sources drsquoerreur peuvent survenir lors de la description de la source de lumiegravere (artificielle ou reacuteelle) lors de la description de la photomeacutetrie des mateacuteriaux (reacuteflexion bidirectionnelle caracteacuteristiques spectraleshellip) etc
Un autre obstacle est ducirc agrave lrsquoincertitude qui existe dans la valeur mesureacutee et cela quelle que soit la preacutecision du protocole expeacuterimental appliqueacute Cette incertitude est lieacutee en partie agrave la preacutecision de lrsquoappareil de mesure et agrave son positionnement
Ducirc agrave tous ces obstacles la comparaison entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique et les mesures expeacuterimentales permet difficilement de conclure sur la preacutecision du logiciel testeacute
Il est aussi important de noter qursquoun des plus grands obstacles agrave la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales fiables reste celui des moyens techniques financiers et humains neacutecessaires aux expeacuterimentations
I323 La validation comparative Elle porte sur une comparaison des reacutesultats de simulation de plusieurs logiciels entre eux Cela peut ecirctre fait avec lrsquoexistence ou non drsquoune reacutefeacuterence expeacuterimentale ou analytique
Lrsquoavantage des comparaisons est de donner la possibiliteacute aux utilisateurs de mieux choisir entre plusieurs logiciels selon leur performance dans un domaine donneacute de la simulation
Cependant lrsquoutilisation des reacutesultats drsquoune comparaison afin de juger des logiciels les uns par rapport aux autres neacutecessite un maximum de transparence en particulier sur la complexiteacute des proceacutedures et sur le temps de calcul neacutecessaire pour obtenir ces reacutesultats [Grynberg 1988] [Fontoynont 1999] [Maamari 2003]
I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes Les travaux de validation reacutealiseacutes sur des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage ne manquent pas en nombre cependant crsquoest la creacutedibiliteacute de ces travaux qui nrsquoest pas toujours veacuterifieacutee
En ce qui concerne les rares travaux de validation existants qui beacuteneacuteficient drsquoune creacutedibiliteacute scientifique ou celle drsquoun organisme agreacuteeacute nous citons les suivants
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Chapitre I
I331 Le travail de Khodulev et Kopylov Ce travail reacutealiseacute et publieacute par Andrei B Khodulev et Edward A Kopylov en 1996 [Khodulev 1996] est lrsquoun des rares travaux de validation qui ont utiliseacute une reacutefeacuterence analytique
Le travail porte sur une validation comparative entre les logiciels Lightscape Specter et Radiance Une description des trois logiciels est donneacutee portant sur plusieurs critegraveres y compris lrsquointerface utilisateur
Un des sceacutenarios utiliseacutes pour la comparaison est celui drsquoune piegravece cubique fermeacutee avec une source lumineuse isotrope au centre La comparaison porte sur lrsquoeacuteclairement au niveau des points de mesure situeacutes sur le sol La valeur de reacutefeacuterence de cet eacuteclairement est calculeacutee semi-analytiquement pour prendre en consideacuteration la composante reacutefleacutechie interne
I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE Ce rapport repreacutesente un exemple ideacuteal sur la creacuteation des donneacutees expeacuterimentales fiables pour la validation des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage [Slater 2002]
Le travail deacutecrit dans ce rapport porte sur un protocole expeacuterimental qui a eacuteteacute deacutefini et conduit drsquoune maniegravere remarquablement rigoureuse dans une cellule test agrave eacutechelle 11 Le but est de creacuteer une base de donneacutees expeacuterimentales pour la validation des logiciels de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel
Le rapport comprend une description preacutecise du sceacutenario expeacuterimental y compris les dimensions de la geacuteomeacutetrie (une piegravece carreacutee) la position des lampes ou des luminaires la position des points de mesure ainsi que le coefficient de reacuteflexion des surfaces La description du sceacutenario comprend aussi les fichiers photomeacutetriques des luminaires au format CIBSE TM 14 sachant que la photomeacutetrie reacuteelle de chaque luminaire a eacuteteacute mesureacutee seacutepareacutement dans un laboratoire agreacuteeacute
Le protocole expeacuterimental comprend un controcircle du flux lumineux agrave travers lrsquoobservation et le controcircle des fluctuations du courant eacutelectrique et de la tempeacuterature de la piegravece Les lampes et les ballasts ont eacuteteacute vieillis Les lampes ont eacuteteacute preacutechauffeacutees une heure avant les mesures
Les capteurs ont eacuteteacute calibreacutes et fixeacutes sur un trolley afin de garantir la reacutepeacutetitiviteacute de leur position Six diffeacuterentes mesures ont eacuteteacute prises pour chaque point agrave lrsquoaide de deux capteurs diffeacuterents la moyenne de ces mesures a eacuteteacute utiliseacutee comme reacutefeacuterence
Une estimation des erreurs de mesures a eacuteteacute calculeacutee ainsi que des erreurs de simulation dues agrave lrsquoincertitude dans la description du sceacutenario Les reacutesultats ont alors eacuteteacute preacutesenteacutes sous forme de deux bandes de valeurs la premiegravere bande est celle des mesures prises + ou ndash lrsquoestimation des erreurs de mesure et lrsquoautre est celle des mesures + ou ndash le total des erreurs estimeacutees y compris les erreurs de simulation
I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA Ce travail a eacuteteacute meneacute dans le cadre de la tache 21 de lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie intituleacutee lumiegravere naturelle dans les bacirctiments En effet un projet a eacuteteacute deacutedieacute au thegraveme de la validation des logiciels de calcul en eacuteclairage et a fait lrsquoobjet drsquoune collaboration entre les laboratoires de six nations diffeacuterentes parmi lesquels le Laboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Fontoynont 1999] [Maamari 2002]
Dans le cadre de ce projet des donneacutees expeacuterimentales ont eacuteteacute reacutecolteacutees agrave travers des mesures drsquoeacuteclairement agrave lrsquointeacuterieur drsquoune seacuterie de maquettes agrave eacutechelle reacuteduite placeacutees sous des ciels
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Chapitre I
artificiels Trois bacirctiments types ont eacuteteacute testeacutes sous plusieurs configurations en changeant les types drsquoouverture etou les coefficients de reacuteflexion des surfaces
Les sceacutenarios expeacuterimentaux ont eacuteteacute simuleacutes agrave lrsquoaide des logiciels drsquoeacuteclairage naturel Adeline Genelux Leso-DIAL Radiance et Superlite Les reacutesultats des simulations ont eacuteteacute compareacutes entre les diffeacuterents logiciels et confronteacutes aux mesures expeacuterimentales
Cette comparaison a montreacute que le calcul des eacuteclairements agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment dus agrave lrsquoeacuteclairage naturel demande une description minutieuse des luminances des portions de la voucircte ceacuteleste vues par la fenecirctre Les eacuteclairements directs agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment sont alors calculeacutes avec une preacutecision de lrsquoordre de 5 La preacutecision des calculs des reacuteflexions multiples agrave lrsquointeacuterieur de la piegravece deacutepend quant agrave elle des proprieacuteteacutes des surfaces inteacuterieures et en particulier de la lrsquoaspect bidirectionnel de ces surfaces
Cette eacutetude a montreacute finalement que les programmes doivent ecirctre utiliseacutes avec beaucoup de preacutecautions car les reacutesultats de simulation sont tregraves sensibles agrave la qualiteacute des hypothegraveses et des paramegravetres drsquoentreacutee description de la source de lumiegravere geacuteomeacutetrie du bacirctiment paramegravetres de simulation
I34 Analyse de la probleacutematique Drsquoapregraves la recherche bibliographique preacutesenteacutee ci-dessus sur le domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage nous pouvons reacutesumer la probleacutematique de ce domaine dans les points suivants
1 Difficulteacute drsquoaccegraves agrave lrsquoinformation Elle est due en particulier agrave lrsquoabsence de sources publiques speacutecialiseacutees dans le domaine
2 Manque de transparence Ainsi nous trouvons souvent des reacutesultats de validation preacutesenteacutes sans suffisamment drsquoinformation sur les proceacutedures qui ont abouti agrave ces reacutesultats
3 Manque de creacutedibiliteacute une partie importante des travaux de validation existants est reacutealiseacutee par les deacuteveloppeurs des logiciels testeacutes les sources drsquoincertitudes dans les valeurs de reacutefeacuterence ne sont souvent pas prises en consideacuteration etc
4 Manque de travaux concluants sur la validiteacute du logiciel testeacute Ceci est ducirc en partie agrave la complexiteacute des sceacutenarios expeacuterimentaux et agrave la restriction des domaines testeacutes Ainsi il est rarement possible drsquoidentifier avec certitude les points de faiblesse et les domaines drsquoapplication drsquoun logiciel testeacute
5 Absence de reacutefeacuterences standardiseacutees Ce qui fait qursquoun certain aspect de la propagation de la lumiegravere est testeacute dans diffeacuterents logiciels avec des protocoles diffeacuterents Ce qui ne permet pas une comparaison transparente et objective entre ces diffeacuterents logiciels
6 Manque de validations analytiques malgreacute les avantages de ce type de validation
En reacuteponse aux problegravemes listeacutes ci-dessus nous identifions en particulier le besoin drsquoune standardisation et drsquoune mise agrave disposition des reacutefeacuterences de validation fiables de preacutefeacuterence sous la garantie et le controcircle drsquoun ou plusieurs organismes creacutedibles
I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
I351 Introduction Le premier objectif qursquoon pourrait attendre des travaux de validation crsquoest de pouvoir ameacuteliorer la confiance des utilisateurs dans les logiciels de simulation A savoir qursquoameacuteliorer la confiance ne veut pas forceacutement dire lrsquoaugmenter Mais plutocirct sensibiliser les utilisateurs aux capaciteacutes et aux limites des diffeacuterents logiciels dans les diffeacuterents domaines de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Ainsi agrave travers lrsquoidentification des points de faiblesse
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Chapitre I
drsquoun logiciel et de ces domaines drsquoapplication on pourra aboutir agrave une utilisation responsable de ces logiciels
Drsquoougrave le besoin drsquoune meacutethodologie de validation qui permet de tester la capaciteacute drsquoun logiciel agrave simuler les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Cette meacutethodologie doit eacutegalement palier les deacutefaillances rencontreacutees dans le domaine agrave noter creacutedibiliteacute fiabiliteacute et accessibiliteacute
I352 Concept et approche proposeacutes Pour atteindre les objectifs fixeacutes ci-dessus la meacutethodologie de validation proposeacutee repose un concept de base qui est celui de tester seacutepareacutement les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Ceux-ci peuvent ecirctre classeacutes sous 3 grands groupes
1 La description de la source de lumiegravere et le calcul de lrsquoeacuteclairement direct 2 Le transfert du flux lumineux agrave travers les composants de la fenecirctre et lrsquoinfluence des
masques 3 Les inter-reacuteflexions sur les diffeacuterents mateacuteriaux avec diffeacuterentes photomeacutetries
Pour appliquer ce concept cette meacutethodologie de validation est baseacutee sur une seacuterie de cas-tests chacun traitant un sceacutenario drsquoeacuteclairage simple (un nombre limiteacute de paramegravetres) ougrave un certain aspect de la propagation de lumiegravere est mis en eacutevidence La description des cas-tests comprend la geacuteomeacutetrie les sources de lumiegravere ainsi qursquoune seacuterie de valeurs de reacutefeacuterence agrave utiliser pour tester la capaciteacute du logiciel agrave simuler lrsquoaspect en question Ces valeurs de reacutefeacuterence sont obtenues soit agrave lrsquoaide drsquoun calcul analytique quand crsquoest possible (pour des sceacutenarios theacuteoriques) ou bien agrave partir de mesures expeacuterimentales
Ainsi chaque cas-test est applicable agrave tout logiciel proposant des fonctionnaliteacutes lieacutees agrave lrsquoaspect traiteacute (dans ce cas-test) indeacutependamment des algorithmes utiliseacutes des meacutethodes de calcul adopteacutees ou des paramegravetres utiliseacutes
Cependant il est possible drsquoassocier agrave chaque test une eacutetude parameacutetrique propre agrave chaque logiciel Une telle eacutetude permet de mieux comprendre lrsquoinfluence des diffeacuterents paramegravetres proposeacutes sur la preacutecision du logiciel dans un aspect donneacute de la propagation de la lumiegravere
Pour une utilisation optimale de cette meacutethodologie de validation les cas-tests doivent couvrir tous les aspects de la propagation de la lumiegravere Ils seront alors utiliseacutes en tant qursquooutil unique et complet pour tester un logiciel donneacute
Une comparaison geacuteneacuterale des reacutesultats des simulations drsquoun logiciel donneacute aux valeurs de reacutefeacuterences de la seacuterie de cas-tests donnera une ideacutee claire sur les domaines ougrave le logiciel testeacute respecte ou non les lois physiques Ceci permettra agrave un utilisateur de veacuterifier si ce logiciel est compatible avec son propre domaine drsquoactiviteacute et agrave un deacuteveloppeur de veacuterifier si son logiciel a atteint les perspectives souhaiteacutees
De la mecircme faccedilon une comparaison entre les reacutesultats de diffeacuterents logiciels et les valeurs de reacutefeacuterence permet drsquooffrir une vision objective sur le logiciel qui reacutepond le mieux agrave une exigence donneacutee
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Chapitre I
Conclusions Suite agrave notre eacutetude bibliographique sur le domaine de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage nous avons orienteacute le travail de cette thegravese (agrave travers les chapitres suivants) de faccedilon agrave reacutepondre agrave certains des problegravemes identifieacutes dans ce domaine
Ainsi en ce qui concerne le manque de fiabiliteacute dans les travaux de validation des logiciels nous deacuteveloppons la meacutethode de validation que nous avons proposeacutee Dans ce cadre nous creacuteons une seacuterie de cas-tests en relation avec diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere traiteacutes ci-dessus Ces cas-tests sont reacutepartis en deux familles lrsquoune avec des sceacutenarios theacuteoriques et des reacutefeacuterences analytiques et lrsquoautre avec des reacutefeacuterences expeacuterimentales reacutepondant agrave des critegraveres de controcircle de qualiteacute que nous avons deacutefinis
En ce qui concerne la difficulteacute de simuler des sceacutenarios reacuteels de lumiegravere naturelle nous proposons et validons une meacutethode de simulation agrave partir des cartes de luminances reacuteelles agrave haute deacutefinition
Finalement nous proposons et nous validons une meacutethode de simulation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquoaide des luminaires eacutequivalents Cette meacutethode permet agrave la simulation de la lumiegravere de jour de beacuteneacuteficier de la preacutesence confirmeacutee des outils de simulation de la lumiegravere artificielle dans le domaine de la conception des bacirctiments Elle permet eacutegalement de surmonter un nombre de difficulteacutes rencontreacutees dans certains logiciels classiques de simulation la lumiegravere naturelle en particulier celles lieacutees agrave la preacutecision des reacutesultats par rapport au temps de calcul et agrave la simulation des masques exteacuterieurs
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Chapitre I
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Chapitre I
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Chapitre I
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Chapitre I
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Chapitre I
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- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
radiositeacute preacutesente aussi quelques autres inconveacutenients dont particuliegraverement un temps de calcul assez long une lourde consommation en meacutemoire et une faible performance en qualiteacute graphique
Cependant le calcul de radiositeacute a lrsquoavantage drsquoecirctre indeacutependant de la position de lrsquoobservateur Ainsi un seul calcul est suffisant pour connaicirctre lrsquoeacuteclairement de tous les eacuteleacutements de la geacuteomeacutetrie et pour la visualiser agrave partir drsquoune infiniteacute de points de vue
Une nouvelle geacuteneacuteration drsquoalgorithmes de radiositeacute est apparue en 1988 elle permet drsquoobtenir un reacutesultat graphique immeacutediat qui srsquoameacuteliore progressivement en preacutecision et en qualiteacute visuelle drsquoougrave son nom progressive refinement radiosity [Cohen 1988] [Autodesk 1999]
Une autre eacutevolution des algorithmes de radiositeacute fut le concept de maillage adaptatif ougrave le logiciel commence agrave calculer agrave partir drsquoun maillage de faible preacutecision Ensuite il procegravede agrave des subdivisions suppleacutementaires lagrave ougrave il y a une grande diffeacuterence drsquoeacuteclairement entre les mailles Cette meacutethode conduit agrave une eacuteconomie dans le temps de calcul et dans lrsquoutilisation de meacutemoire
1212 Lancer de rayons La deuxiegraveme famille drsquoalgorithmes est la plus ancienne elle a connu plus de deacuteveloppements et preacutesente une plus grande varieacuteteacute de meacutethodes
Ces meacutethodes ont lrsquoavantage de calculer avec preacutecision lrsquoeacuteclairement direct de calculer les effets speacuteculaires des mateacuteriaux de mieux deacutefinir les ombres et de consideacuterer les reacutefractions agrave travers les surfaces transparentes Crsquoest donc les algorithmes qui donnent les meilleurs reacutesultats graphiques drsquoougrave ce qursquoon appelle le photo-reacutealisme des images de synthegravese
Il existe plusieurs cateacutegories drsquoalgorithmes baseacutees sur le lancer de rayon nous citons les suivantes
Figure I4 Exemple drsquoun calcul de Lancer de rayons (inverse)
1 Traceacute de rayons ou Lancer de rayons depuis lrsquoobservateur dite aussi Lancer inverse de rayons (backward ray tracing) les rayons sont geacuteneacutereacutes depuis lrsquoœil de lrsquoobservateur et cheminent agrave travers des reacuteflexions multiples sur les parois jusqursquoaux sources de lumiegravere (voir figure I4) Ainsi seuls les rayons utiles pour la construction de lrsquoimage seront geacuteneacutereacutes et suivis agrave travers les diffeacuterentes inter-reacuteflexions mais la solution est valide pour un seul point de vue [Whitted 1980]
2 Suivi de rayons ou Lancer direct de rayons (forward ray tracing) cette meacutethode geacutenegravere les rayons lumineux depuis la source vers les surfaces reacuteceptrices quand un rayon atteint une surface il est dirigeacute selon la photomeacutetrie rencontreacutee jusqursquoagrave lrsquoeacutepuisement de son eacutenergie [Fontoynont 1991]
3 Technique statistique de monte-carlo backward ou forward La meacutethode de Monte-Carlo associeacutee agrave des meacutethodes de lancer de rayons a recours agrave une technique statistique
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Chapitre I
pour la distribution des rayons reacutefleacutechis Elle neacutecessite un temps de calcul eacuteleveacute [IEA-SHC 1999]
I22 Exemples types des logiciels existants Les logiciels existants sur le marcheacute international et utiliseacutes comme outils de conception en eacuteclairage peuvent ecirctre classeacutes en diffeacuterentes familles [De Boer 1999] [IESNA 1999]
1 Les logiciels baseacutes sur les formules de base de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel Ces logiciels sont souvent distribueacutes par les constructeurs de luminaires et munis de leur bibliothegraveque de luminaires
2 Des logiciels baseacutes sur des formules de base de calcul en eacuteclairage naturel ou sur des donneacutees empiriques (ou preacute-simuleacutees) Ces logiciels sont souvent deacutedieacutes agrave lrsquoutilisation dans les phases preacuteliminaires de la conception drsquoun projet (ex Dial Sodalight etc)
3 Les logiciels capables de calculer lrsquoeacuteclairage direct uniquement Ils sont tregraves souvent inteacutegreacutes dans des logiciels de DAO Leur objectif est limiteacute agrave lrsquoameacutelioration du rendu graphique drsquoun projet ou au mieux agrave une eacutetude de taches solaires (ex Archicad) Cependant ce type de logiciels devient de plus en plus rare En effet vu leurs potentiels un certain nombre de ces logiciels a eacuteteacute mis agrave niveau par les deacuteveloppeurs et a passeacute ainsi agrave la famille suivante (ex Microstation et 3D Studio)
4 Les logiciels dits drsquoeacuteclairement global Ils utilisent souvent des algorithmes de calcul physique (en particulier de radiositeacute et lancer de rayons) Nous distinguons cependant dans cette cateacutegorie les logiciels deacuteveloppeacutes dans un cadre scientifique (ex Radiance Geacuteneacutelux CSTB) de ceux deacuteveloppeacutes et diffuseacutes dans un cadre commercial (Lightscape Dialuxhellip) En geacuteneacuteral les logiciels commerciaux possegravedent des interfaces plus conviviales mais les logiciels scientifiques offrent des fonctionnaliteacutes plus complegravetes Par exemple certains logiciels scientifiques sont capables de prendre en consideacuteration lrsquoaspect spectral de la propagation de la lumiegravere etou de traiter les fonctions bidirectionnelles Finalement nous notons que les logiciels commerciaux manquent le plus de transparence sur leur fiabiliteacute dans les diffeacuterents domaines drsquoapplication (manque de travaux de validation)
Dans notre travail de thegravese nous nous inteacuteressons en particulier agrave la derniegravere famille Ne pouvant pas enquecircter sur tous les logiciels existants nous nous contentons de citer (par ordre alphabeacutetique) quelques logiciels sur lesquels il y a eu des publications scientifiques et des travaux de validation [Fontoynont 1999]
1221 Adeline Deacuteveloppeacute dans le cadre de lrsquoIEA Adeline a eacuteteacute fondeacute sur les logiciels Superlite et Radiance par le biais drsquoun modeleur graphique et drsquooutils de DAO Ainsi il permet de deacutefinir la geacuteomeacutetrie avec son propre systegraveme de DAO par lrsquoentreacutee manuelle des coordonneacutes carteacutesiennes ou agrave partir drsquoun fichier DXF
Le logiciel est muni drsquoune bibliothegraveque de base de donneacutees de mateacuteriaux de luminaires et de mobilier Il produit des reacutesultats numeacuteriques ou bien graphiques Au-delagrave des eacuteclairements et des luminances Adeline permet de calculer lrsquoeacutenergie consommeacutee par lrsquoeacuteclairage artificiel en fonction des apports de lumiegravere du jour [Erhorn 1998] [Scartezzini 1993]
1222 Genelux Le logiciel Genelux deacuteveloppeacute au laboratoire des sciences de lrsquohabitat utilise un algorithme de lancer direct et suivi de rayons lumineux (Forward Ray tracking) La distribution des rayons reacutefleacutechis est effectueacutee en ayant recours agrave une technique statistique de Monte Carlo
39
Chapitre I
Dans le cas ougrave les surfaces seraient parfaitement diffusantes il est possible de faire appel agrave un algorithme baseacute sur la meacutethode de radiositeacute afin de reacuteduire les temps de simulation Genelux peut modeacuteliser les surfaces speacuteculaires diffuses ou mixtes en transmission etou reacuteflexion Il peut eacutegalement prendre en consideacuteration des quantiteacutes spectrales en deacutecomposant les rayons incidents par bandes spectrales [Mitanchey 1996] [Maamari 2003]
1223 Inspirer Destineacute surtout au domaine de lrsquoarchitecture avec comme fonctionnaliteacutes les calculs de lrsquoeacuteclairage les analyses de visibiliteacute et la visualisation des projets Pour le calcul de lrsquoeacuteclairage il utilise des approches hybrides surtout la meacutethode bi-directionnelle de Monte Carlo au Lancer de Rayons Ce qui diffeacuterencie le plus ce logiciel est lrsquoutilisation des formules de BRDF qui permet de respecter les variations de reacuteflexion et de transmission (diffuse et speacuteculaire) ainsi que des couleurs selon lrsquoangle drsquoincidence et de vision [Maamari 2003]
1224 DIAL Leso-Dial Le but du logiciel est de donner aux architectes des informations utiles concernant lrsquoutilisation de la lumiegravere de jour dans un bacirctiment degraves la phase de lrsquoavant projet Il calcule le facteur de lumiegravere du jour sur le plan utile gracircce agrave une utilisation hybride de formule analytique et empirique [Paule 1995]
1225 Lightscape 32 Crsquoest un logiciel qui est destineacute agrave des utilisations graphiques mais il offre eacutegalement des fonctionnaliteacutes inteacuteressantes pour la simulation physique de la lumiegravere Il utilise un algorithme de radiositeacute pour le calcul quantitatif et un algorithme de lancier de rayons pour lrsquoameacutelioration qualitative et visuelle des images de synthegraveses Ce logiciel est deacutecrit en deacutetail dans la partie IV11 de ce document [Khodulev 1996] [Maamari 2002]
1226 Radiance Le logiciel Radiance utilise un algorithme de lancer inverse de rayons Le lancer des rayons peut ecirctre stoppeacute si leur eacutenergie est jugeacutee insuffisante Les rayons reacutefleacutechis peuvent ecirctre geacuteneacutereacutes selon une fonction de distribution permettant la simulation de reacuteflexions speacuteculaires semi-speacuteculaires ou diffuses Ce lancer de rayons est compleacuteteacute drsquoun calcul statistique de reacuteflexion diffuse pour distribuer le flux reacutesiduel [Ward 1994] [Grynberg 1988]
1227 Superlite Le logiciel Superlite utilise une meacutethode point agrave point de radiositeacute Toutes les surfaces sont supposeacutees ecirctre parfaitement diffusantes Crsquoest la meacutethode la plus rapide mais elle est toutefois limiteacutee aux surfaces diffuses [Grynberg 1988]
I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels Lrsquoutilisation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage se geacuteneacuteralise de plus en plus dans le domaine de conception en eacuteclairage et au-delagrave Ainsi de nos jours ces logiciels sont utiliseacutes aussi bien par des bureaux drsquoeacutetude du bacirctiment et des architectes que par des deacuteveloppeurs de jeu videacuteo Les applications peuvent ecirctre entre autres [IESNA 1999] [3D-lumiegravere 2000] [Maamari 2002]
1 La conception en eacuteclairage artificiel Que ce soit pour lrsquoeacuteclairage inteacuterieur des bacirctiments lrsquoeacuteclairage des faccedilades des monuments des voiries des trottoirs ou lrsquoeacuteclairage des
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Chapitre I
tunnels etc Elle comprend entre autre le dimensionnement des systegravemes lrsquoanalyse du confort visuel et de la consommation etc
2 La conception en eacuteclairage naturel dimensionnement des ouvertures et des protections solaires orientation des projets analyse de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour et eacutetudes des FLJhellip
3 Le rendu et la preacutesentation des projets par les architectes et par les deacutecorateurs drsquointeacuterieur 4 La creacuteation de scegravenes de reacutealiteacute virtuelle pour le monde du cineacutema de la publiciteacute ou des
jeux videacuteohellip 5 La conception mecircme des optiques de luminaires ou de phares de voitures
Le domaine drsquoutilisation drsquoun logiciel donneacute deacutepend des fonctionnaliteacutes proposeacutees par ce logiciel de ses capaciteacutes agrave simuler avec un certain degreacute de fiabiliteacute et de faciliteacute les diffeacuterents domaines de la propagation de la lumiegravere en relation avec les besoins de lrsquoutilisateur
Bien que les algorithmes de calcul utiliseacutes dans les logiciels se ressemblent ces derniers ne sont pas tous adapteacutes pour les mecircme types drsquoapplications et ne reacutepondent pas aux mecircmes besoins
Ainsi certains utilisateurs cherchent en prioriteacute la faciliteacute drsquoutilisation des fonctionnaliteacutes en relation avec leur propre activiteacute en deacutepit des autres fonctionnaliteacutes et mecircme parfois en deacutepit de la validiteacute des reacutesultats Drsquoailleurs crsquoest agrave cause de ce contexte que des deacuteveloppeurs de logiciels commerciaux ont tendance agrave proposer des interfaces et des fonctionnaliteacutes optimiseacutees et orienteacutees vers un domaine drsquoapplication donneacute Ainsi nous commenccedilons agrave trouver par exemple des logiciels deacutedieacutes agrave la conception de lrsquoeacuteclairage public etou des tunnels (ex Tunnel-Lite) drsquoautres agrave la conception des protections solaires (ex ParaSol) etc
Cependant il est encore difficile de nos jours agrave un concepteur de bacirctiment de savoir quel est le ou les logiciels existants qui reacutepondent le mieux agrave ses propres besoins Crsquoest ce qui ressort dans les diffeacuterentes enquecirctes meneacutees sur lrsquoutilisation des logiciels en particulier celle meneacutee par le club 3D-Lumiegravere [3D-lumiegravere 2000] et celle que nous avons meneacutee au Light and Building 2002 [Maamari 2002] (voir annexe D) Nous notons par exemple dans ces deux enquecirctes lrsquoutilisation par des concepteurs lumiegravere de logiciels graphiques (Photoshop) en tant qursquooutils de conception
I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I31 Introduction Comme son nom lrsquoindique un logiciel de simulation de lrsquoeacuteclairage est supposeacute simuler la reacutealiteacute Mais la fideacuteliteacute de la simulation agrave la reacutealiteacute est loin drsquoecirctre veacuterifieacutee pour tous les logiciels existants sur le marcheacute international
Drsquoailleurs le niveau de preacutecision et de similitude (entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage et la reacutealiteacute) exigeacute ou souhaiteacute par les diffeacuterents utilisateurs nrsquoest pas neacutecessairement le mecircme et peut varier largement selon la speacutecificiteacute de leurs domaines drsquoactiviteacute [Maamari 2002]
Ainsi pour des utilisateurs qui srsquointeacuteressent uniquement au rendu graphique une image de synthegravese reacutealiste sans ecirctre neacutecessairement proche de la reacutealiteacute peut ecirctre suffisante Pour eux la question de la validation scientifique du logiciel utiliseacute ne se pose pas trop
Alors que pour des utilisateurs qui comptent extraire drsquoune simulation des cartes de luminances pour analyser le confort visuel de lrsquooccupant la validiteacute du logiciel devient drsquoune
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Chapitre I
importance de premier ordre Ceci est eacutegalement vrai pour les concepteurs en eacuteclairage qui ont besoin de veacuterifier que le niveau drsquoeacuteclairement est suffisant sur le plan de travail
Mais quel que soit le niveau de preacutecision souhaiteacute il est important pour un futur utilisateur de savoir la preacutecision qursquoil peut attendre de la part du logiciel qursquoil souhaite utiliser pour un type donneacute de tacircches Cette information est mecircme indispensable pour aboutir agrave une utilisation responsable des logiciels de simulation mais cela ne peut ecirctre possible qursquoagrave travers une validation rigoureuse et transparente de ce logiciel
Une validation rigoureuse et transparente des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage est une tacircche immense et drsquoune complexiteacute non neacutegligeable Ce qui est vrai pour tous les logiciels baseacutes sur des lois physiques comme par exemple les logiciels de simulation thermique
Cette complexiteacute est drsquoautant plus vraie quand on srsquointeacuteresse agrave lrsquoorientation du choix des utilisateurs vers un logiciel qui reacutepond le mieux agrave leurs propres besoins Dans ce contexte on souhaite veacuterifier la capaciteacute du logiciel agrave simuler avec preacutecision les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere lieacutes au domaine drsquoutilisation mais aussi on veut comparer cette capaciteacute agrave drsquoautres logiciels existants
La multitude des aspects qui entrent en jeu dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere combineacutee agrave la diversiteacute des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage contribuent agrave cette complexiteacute
Ainsi un logiciel capable de simuler des luminaires agrave optique diffusante nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler un luminaire avec une optique asymeacutetrique De mecircme un logiciel capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour agrave travers un vitrage ordinaire nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave travers un vitrage ou un systegraveme de protection solaire agrave aspect bidirectionnel etc
Nous preacutesentons ci-dessous une eacutetude bibliographique sur lrsquoeacutetat de lrsquoart du domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I32 Diffeacuterents types de validation En ce qui concerne les types de travaux de validation reacutealiseacutes nous avons pu identifier les suivants
I321 La validation analytique La validation analytique comme son nom lrsquoindique porte sur des cas theacuteoriques pour lesquels il existe des lois analytiques Ces lois sont issues des notions de base de la science physique lieacutees au rayonnement eacutelectromagneacutetique
Les travaux de validation baseacutes sur des reacutefeacuterences analytiques sont assez rares parmi les travaux reacutealiseacutes que nous avons pu trouver lors de notre recherche bibliographique
Cependant la validation analytique preacutesente des avantages consideacuterables comme la possibiliteacute de limiter les paramegravetres lieacutes agrave la propagation de la lumiegravere qui entrent en jeu dans un sceacutenario test Nous notons aussi lrsquoavantage de donner des solutions de reacutefeacuterences avec des incertitudes nulles ou neacutegligeables
En contrepartie la validation analytique ne peut couvrir que des domaines limiteacutes de la propagation de la lumiegravere Ce sont en geacuteneacuteral des cas de figures simples pour lesquels existe une loi theacuteorique [Aizlewood 1997]
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Chapitre I
I322 La validation expeacuterimentale Dans ce type de validation les reacutesultats des logiciels sont compareacutes agrave des mesures expeacuterimentales Ces mesures peuvent ecirctre reacutealiseacutees dans
a des maquettes drsquoeacutetude agrave eacutechelle reacuteduite [Caroll 1999] b des cellules tests agrave eacutechelle 11 c ou des piegraveces reacuteelles [Galasiu 1998] [Jarvis 1997]
Quel que soit le type des mesures reacutealiseacute la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales agrave utiliser pour des travaux de validation est confronteacutee agrave des obstacles consideacuterables
Le premier est lieacute aux sources drsquoerreur introduites lors de la description du sceacutenario expeacuterimental afin de le reproduire dans une simulation numeacuterique
Lrsquoimportance de cet obstacle est aggraveacutee par la multitude des paramegravetres qui entrent en jeu dans un sceacutenario expeacuterimental et par lrsquointeraction entre les sources drsquoerreurs lieacutees agrave chacun de ces paramegravetres
A titre drsquoexemple les sources drsquoerreur peuvent survenir lors de la description de la source de lumiegravere (artificielle ou reacuteelle) lors de la description de la photomeacutetrie des mateacuteriaux (reacuteflexion bidirectionnelle caracteacuteristiques spectraleshellip) etc
Un autre obstacle est ducirc agrave lrsquoincertitude qui existe dans la valeur mesureacutee et cela quelle que soit la preacutecision du protocole expeacuterimental appliqueacute Cette incertitude est lieacutee en partie agrave la preacutecision de lrsquoappareil de mesure et agrave son positionnement
Ducirc agrave tous ces obstacles la comparaison entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique et les mesures expeacuterimentales permet difficilement de conclure sur la preacutecision du logiciel testeacute
Il est aussi important de noter qursquoun des plus grands obstacles agrave la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales fiables reste celui des moyens techniques financiers et humains neacutecessaires aux expeacuterimentations
I323 La validation comparative Elle porte sur une comparaison des reacutesultats de simulation de plusieurs logiciels entre eux Cela peut ecirctre fait avec lrsquoexistence ou non drsquoune reacutefeacuterence expeacuterimentale ou analytique
Lrsquoavantage des comparaisons est de donner la possibiliteacute aux utilisateurs de mieux choisir entre plusieurs logiciels selon leur performance dans un domaine donneacute de la simulation
Cependant lrsquoutilisation des reacutesultats drsquoune comparaison afin de juger des logiciels les uns par rapport aux autres neacutecessite un maximum de transparence en particulier sur la complexiteacute des proceacutedures et sur le temps de calcul neacutecessaire pour obtenir ces reacutesultats [Grynberg 1988] [Fontoynont 1999] [Maamari 2003]
I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes Les travaux de validation reacutealiseacutes sur des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage ne manquent pas en nombre cependant crsquoest la creacutedibiliteacute de ces travaux qui nrsquoest pas toujours veacuterifieacutee
En ce qui concerne les rares travaux de validation existants qui beacuteneacuteficient drsquoune creacutedibiliteacute scientifique ou celle drsquoun organisme agreacuteeacute nous citons les suivants
43
Chapitre I
I331 Le travail de Khodulev et Kopylov Ce travail reacutealiseacute et publieacute par Andrei B Khodulev et Edward A Kopylov en 1996 [Khodulev 1996] est lrsquoun des rares travaux de validation qui ont utiliseacute une reacutefeacuterence analytique
Le travail porte sur une validation comparative entre les logiciels Lightscape Specter et Radiance Une description des trois logiciels est donneacutee portant sur plusieurs critegraveres y compris lrsquointerface utilisateur
Un des sceacutenarios utiliseacutes pour la comparaison est celui drsquoune piegravece cubique fermeacutee avec une source lumineuse isotrope au centre La comparaison porte sur lrsquoeacuteclairement au niveau des points de mesure situeacutes sur le sol La valeur de reacutefeacuterence de cet eacuteclairement est calculeacutee semi-analytiquement pour prendre en consideacuteration la composante reacutefleacutechie interne
I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE Ce rapport repreacutesente un exemple ideacuteal sur la creacuteation des donneacutees expeacuterimentales fiables pour la validation des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage [Slater 2002]
Le travail deacutecrit dans ce rapport porte sur un protocole expeacuterimental qui a eacuteteacute deacutefini et conduit drsquoune maniegravere remarquablement rigoureuse dans une cellule test agrave eacutechelle 11 Le but est de creacuteer une base de donneacutees expeacuterimentales pour la validation des logiciels de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel
Le rapport comprend une description preacutecise du sceacutenario expeacuterimental y compris les dimensions de la geacuteomeacutetrie (une piegravece carreacutee) la position des lampes ou des luminaires la position des points de mesure ainsi que le coefficient de reacuteflexion des surfaces La description du sceacutenario comprend aussi les fichiers photomeacutetriques des luminaires au format CIBSE TM 14 sachant que la photomeacutetrie reacuteelle de chaque luminaire a eacuteteacute mesureacutee seacutepareacutement dans un laboratoire agreacuteeacute
Le protocole expeacuterimental comprend un controcircle du flux lumineux agrave travers lrsquoobservation et le controcircle des fluctuations du courant eacutelectrique et de la tempeacuterature de la piegravece Les lampes et les ballasts ont eacuteteacute vieillis Les lampes ont eacuteteacute preacutechauffeacutees une heure avant les mesures
Les capteurs ont eacuteteacute calibreacutes et fixeacutes sur un trolley afin de garantir la reacutepeacutetitiviteacute de leur position Six diffeacuterentes mesures ont eacuteteacute prises pour chaque point agrave lrsquoaide de deux capteurs diffeacuterents la moyenne de ces mesures a eacuteteacute utiliseacutee comme reacutefeacuterence
Une estimation des erreurs de mesures a eacuteteacute calculeacutee ainsi que des erreurs de simulation dues agrave lrsquoincertitude dans la description du sceacutenario Les reacutesultats ont alors eacuteteacute preacutesenteacutes sous forme de deux bandes de valeurs la premiegravere bande est celle des mesures prises + ou ndash lrsquoestimation des erreurs de mesure et lrsquoautre est celle des mesures + ou ndash le total des erreurs estimeacutees y compris les erreurs de simulation
I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA Ce travail a eacuteteacute meneacute dans le cadre de la tache 21 de lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie intituleacutee lumiegravere naturelle dans les bacirctiments En effet un projet a eacuteteacute deacutedieacute au thegraveme de la validation des logiciels de calcul en eacuteclairage et a fait lrsquoobjet drsquoune collaboration entre les laboratoires de six nations diffeacuterentes parmi lesquels le Laboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Fontoynont 1999] [Maamari 2002]
Dans le cadre de ce projet des donneacutees expeacuterimentales ont eacuteteacute reacutecolteacutees agrave travers des mesures drsquoeacuteclairement agrave lrsquointeacuterieur drsquoune seacuterie de maquettes agrave eacutechelle reacuteduite placeacutees sous des ciels
44
Chapitre I
artificiels Trois bacirctiments types ont eacuteteacute testeacutes sous plusieurs configurations en changeant les types drsquoouverture etou les coefficients de reacuteflexion des surfaces
Les sceacutenarios expeacuterimentaux ont eacuteteacute simuleacutes agrave lrsquoaide des logiciels drsquoeacuteclairage naturel Adeline Genelux Leso-DIAL Radiance et Superlite Les reacutesultats des simulations ont eacuteteacute compareacutes entre les diffeacuterents logiciels et confronteacutes aux mesures expeacuterimentales
Cette comparaison a montreacute que le calcul des eacuteclairements agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment dus agrave lrsquoeacuteclairage naturel demande une description minutieuse des luminances des portions de la voucircte ceacuteleste vues par la fenecirctre Les eacuteclairements directs agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment sont alors calculeacutes avec une preacutecision de lrsquoordre de 5 La preacutecision des calculs des reacuteflexions multiples agrave lrsquointeacuterieur de la piegravece deacutepend quant agrave elle des proprieacuteteacutes des surfaces inteacuterieures et en particulier de la lrsquoaspect bidirectionnel de ces surfaces
Cette eacutetude a montreacute finalement que les programmes doivent ecirctre utiliseacutes avec beaucoup de preacutecautions car les reacutesultats de simulation sont tregraves sensibles agrave la qualiteacute des hypothegraveses et des paramegravetres drsquoentreacutee description de la source de lumiegravere geacuteomeacutetrie du bacirctiment paramegravetres de simulation
I34 Analyse de la probleacutematique Drsquoapregraves la recherche bibliographique preacutesenteacutee ci-dessus sur le domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage nous pouvons reacutesumer la probleacutematique de ce domaine dans les points suivants
1 Difficulteacute drsquoaccegraves agrave lrsquoinformation Elle est due en particulier agrave lrsquoabsence de sources publiques speacutecialiseacutees dans le domaine
2 Manque de transparence Ainsi nous trouvons souvent des reacutesultats de validation preacutesenteacutes sans suffisamment drsquoinformation sur les proceacutedures qui ont abouti agrave ces reacutesultats
3 Manque de creacutedibiliteacute une partie importante des travaux de validation existants est reacutealiseacutee par les deacuteveloppeurs des logiciels testeacutes les sources drsquoincertitudes dans les valeurs de reacutefeacuterence ne sont souvent pas prises en consideacuteration etc
4 Manque de travaux concluants sur la validiteacute du logiciel testeacute Ceci est ducirc en partie agrave la complexiteacute des sceacutenarios expeacuterimentaux et agrave la restriction des domaines testeacutes Ainsi il est rarement possible drsquoidentifier avec certitude les points de faiblesse et les domaines drsquoapplication drsquoun logiciel testeacute
5 Absence de reacutefeacuterences standardiseacutees Ce qui fait qursquoun certain aspect de la propagation de la lumiegravere est testeacute dans diffeacuterents logiciels avec des protocoles diffeacuterents Ce qui ne permet pas une comparaison transparente et objective entre ces diffeacuterents logiciels
6 Manque de validations analytiques malgreacute les avantages de ce type de validation
En reacuteponse aux problegravemes listeacutes ci-dessus nous identifions en particulier le besoin drsquoune standardisation et drsquoune mise agrave disposition des reacutefeacuterences de validation fiables de preacutefeacuterence sous la garantie et le controcircle drsquoun ou plusieurs organismes creacutedibles
I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
I351 Introduction Le premier objectif qursquoon pourrait attendre des travaux de validation crsquoest de pouvoir ameacuteliorer la confiance des utilisateurs dans les logiciels de simulation A savoir qursquoameacuteliorer la confiance ne veut pas forceacutement dire lrsquoaugmenter Mais plutocirct sensibiliser les utilisateurs aux capaciteacutes et aux limites des diffeacuterents logiciels dans les diffeacuterents domaines de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Ainsi agrave travers lrsquoidentification des points de faiblesse
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Chapitre I
drsquoun logiciel et de ces domaines drsquoapplication on pourra aboutir agrave une utilisation responsable de ces logiciels
Drsquoougrave le besoin drsquoune meacutethodologie de validation qui permet de tester la capaciteacute drsquoun logiciel agrave simuler les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Cette meacutethodologie doit eacutegalement palier les deacutefaillances rencontreacutees dans le domaine agrave noter creacutedibiliteacute fiabiliteacute et accessibiliteacute
I352 Concept et approche proposeacutes Pour atteindre les objectifs fixeacutes ci-dessus la meacutethodologie de validation proposeacutee repose un concept de base qui est celui de tester seacutepareacutement les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Ceux-ci peuvent ecirctre classeacutes sous 3 grands groupes
1 La description de la source de lumiegravere et le calcul de lrsquoeacuteclairement direct 2 Le transfert du flux lumineux agrave travers les composants de la fenecirctre et lrsquoinfluence des
masques 3 Les inter-reacuteflexions sur les diffeacuterents mateacuteriaux avec diffeacuterentes photomeacutetries
Pour appliquer ce concept cette meacutethodologie de validation est baseacutee sur une seacuterie de cas-tests chacun traitant un sceacutenario drsquoeacuteclairage simple (un nombre limiteacute de paramegravetres) ougrave un certain aspect de la propagation de lumiegravere est mis en eacutevidence La description des cas-tests comprend la geacuteomeacutetrie les sources de lumiegravere ainsi qursquoune seacuterie de valeurs de reacutefeacuterence agrave utiliser pour tester la capaciteacute du logiciel agrave simuler lrsquoaspect en question Ces valeurs de reacutefeacuterence sont obtenues soit agrave lrsquoaide drsquoun calcul analytique quand crsquoest possible (pour des sceacutenarios theacuteoriques) ou bien agrave partir de mesures expeacuterimentales
Ainsi chaque cas-test est applicable agrave tout logiciel proposant des fonctionnaliteacutes lieacutees agrave lrsquoaspect traiteacute (dans ce cas-test) indeacutependamment des algorithmes utiliseacutes des meacutethodes de calcul adopteacutees ou des paramegravetres utiliseacutes
Cependant il est possible drsquoassocier agrave chaque test une eacutetude parameacutetrique propre agrave chaque logiciel Une telle eacutetude permet de mieux comprendre lrsquoinfluence des diffeacuterents paramegravetres proposeacutes sur la preacutecision du logiciel dans un aspect donneacute de la propagation de la lumiegravere
Pour une utilisation optimale de cette meacutethodologie de validation les cas-tests doivent couvrir tous les aspects de la propagation de la lumiegravere Ils seront alors utiliseacutes en tant qursquooutil unique et complet pour tester un logiciel donneacute
Une comparaison geacuteneacuterale des reacutesultats des simulations drsquoun logiciel donneacute aux valeurs de reacutefeacuterences de la seacuterie de cas-tests donnera une ideacutee claire sur les domaines ougrave le logiciel testeacute respecte ou non les lois physiques Ceci permettra agrave un utilisateur de veacuterifier si ce logiciel est compatible avec son propre domaine drsquoactiviteacute et agrave un deacuteveloppeur de veacuterifier si son logiciel a atteint les perspectives souhaiteacutees
De la mecircme faccedilon une comparaison entre les reacutesultats de diffeacuterents logiciels et les valeurs de reacutefeacuterence permet drsquooffrir une vision objective sur le logiciel qui reacutepond le mieux agrave une exigence donneacutee
46
Chapitre I
Conclusions Suite agrave notre eacutetude bibliographique sur le domaine de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage nous avons orienteacute le travail de cette thegravese (agrave travers les chapitres suivants) de faccedilon agrave reacutepondre agrave certains des problegravemes identifieacutes dans ce domaine
Ainsi en ce qui concerne le manque de fiabiliteacute dans les travaux de validation des logiciels nous deacuteveloppons la meacutethode de validation que nous avons proposeacutee Dans ce cadre nous creacuteons une seacuterie de cas-tests en relation avec diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere traiteacutes ci-dessus Ces cas-tests sont reacutepartis en deux familles lrsquoune avec des sceacutenarios theacuteoriques et des reacutefeacuterences analytiques et lrsquoautre avec des reacutefeacuterences expeacuterimentales reacutepondant agrave des critegraveres de controcircle de qualiteacute que nous avons deacutefinis
En ce qui concerne la difficulteacute de simuler des sceacutenarios reacuteels de lumiegravere naturelle nous proposons et validons une meacutethode de simulation agrave partir des cartes de luminances reacuteelles agrave haute deacutefinition
Finalement nous proposons et nous validons une meacutethode de simulation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquoaide des luminaires eacutequivalents Cette meacutethode permet agrave la simulation de la lumiegravere de jour de beacuteneacuteficier de la preacutesence confirmeacutee des outils de simulation de la lumiegravere artificielle dans le domaine de la conception des bacirctiments Elle permet eacutegalement de surmonter un nombre de difficulteacutes rencontreacutees dans certains logiciels classiques de simulation la lumiegravere naturelle en particulier celles lieacutees agrave la preacutecision des reacutesultats par rapport au temps de calcul et agrave la simulation des masques exteacuterieurs
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Chapitre I
Reacutefeacuterences Bibliographiques 3D-LUMIEgraveRE Enquecircte sur la connaissance et lrsquoutilisation des systegravemes informatiques de simulation drsquoeacuteclairage Paris Club 3D Lumiegravere 2000 11 p ACHARD G LAFORGUE P SOUYRI B FONTOYNONT M BASTIE A MITANCHEY R Etude dun systegraveme Metrologique de Confort Radiatif Integrant lAspect Thermique et lAspect Visuel Paris 1994 60 p AFE Les sources de lumiegravere Socieacuteteacute dEdition Lux 1987 199 p AIZLEWOOD M BUTT J ISAAK K LITTLEFAIR P Daylighting in atria a comparison of measurements theory and simulation Lux Europa 1997 Amsterdam-Netherlands 1997 ANDERSEN M RUBIN M POWLES R SCARTEZZINI J L Bi-directional light transmission properties assessment for venetian blinds Computer simulations compared to photogoniometer measurements ISES Solar World Congress 2003 - Solar Energy for a Sustainable Future Gothenburg - Sweden International Solar Energy Society 2003 ANDERSEN M RUBIN M SCARTEZZINI J-L Comparison between ray-tracing simulations and bi-directional transmission measurements on prismatic glazing Solar Energy 2003 vol 74 ndeg2 pp 157-217 ANSIIESNA ANSIIESNA LM-63-02 ANSI Approved Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data and Related Information ANSIIESNA LM-63-02 2002 26 p ASE Eclairage inteacuterieur par la lumiegravere du jour Norme Suisse SN 418911 Zuumlrich Association Suisse des Electriciens 1989 ASHDOWN I Near-Field Photometry A New Approach IES 1993 vol 22 ndeg1 pp 163-180 ASHDOWN I EULUMDAT File Format Specification [en ligne] Disponible sur lthttpwwwhelios32comEulumdathtmgt (09 Mars 2004) ASHDOWN I Thinking photometrically Part II 105 Las Vegas workshop-Lightfair International 2001 42 p ASHRAE-IESNA Energy efficient design of new buildings except new low-rise residential buildings ASHRAEIES 901-1989 American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditionaing Engginers 1989 AUTODESK Lightscape 32 Users Guide 32 Autodesk 1999 352 p BALOCCO C FORASTIERE M A GRAZZINI G RIGHINI G C Experimental results of transparent reflective and absorbing propoerties of some building materials Energy and Buildings 2001 vol 33 pp 563-568
48
Chapitre I
CAROLL W L HITCHCOCK R J Recent Comparisons of SUPERLITE to Scale Model Data LBNL-43107 Lawrence Berkeley National Laboratory 1999 CHAIN C DUMORTIER D FONTOYNONT M A comprehensive model of luminance correlated colour temperature and spectral distribution of skylight Comparison with experimental data Solar Energy 1999 vol 65 ndeg5 pp 285-295 CIBSE CIBSE standard file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIBSE TM 14 London CIBSE 1988 CIE Daylight CIE-16 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1970 79 p CIE Standardization of Luminance Distribution on Clear Skies CIE-22 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1973 CIE Calculations for Interior Lighting Basic Method CIE-40 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1978 CIE Absolute Methods for Reflection Measurements CIE-44 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 CIE A Review of Publications on Properties and Reflection Values of Material Reflection Standards CIE-46 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 99 p CIE Calculations for Interior Lighting Applied Method CIE-52 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1982 CIE The Spectroradiometric Measurement of Light Sources CIE-63 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1984 CIE Colorimetry 2nd Edition CIE-152 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1986 CIE The Measurement of Absolute Luminous Intensity Distributions CIE-70 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1987 CIE The Measurement of Luminous Flux CIE-84 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1989 CIE Standard overcast and clear sky 3rd Draft Vienne Commission Internationale de LrsquoEclairage 1990 CIE Electric Light Sources State of the Art-1991 CIE-96 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1992 CIE Recommended file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIE-102 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1993 CIE Guide to Recommended Practice of Daylight Measurement CIE-108 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1994
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Chapitre I
CIE Discomfort Glare in Interior Lighting CIE-117 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1995 CIE The Photometry and Goniophotometry of Luminaires CIE-121 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE The Relationship Between Digital and Colorimetric Data for Computer-Controlled CRT Displays CIE-122 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance CIE-130 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1998 CIE Spatial distribution of daylight - CIE standard general sky Vienne Commission Internationale de lEclairage 2002 7 p COHEN M F CHEN S E WALLACE J R GREENBERG DP A progressive refinement approach to fast radiosity image generation 15th annual conference on computer graphics and interactive techniques ACM Press New York 1988 pp 75-84 DE BOER J Encorporation of numerical goniophotometry into daylighting design CISBAT 2003 Lausanne EPFL 2003 pp 229-234 DE BOER J ERHORN H Survey Simple Design Tools IEA 1999 49 p DENIEL J M Modeacutelisation des luminaires et des BRDF Reacutealisation mesure et compression Thegravese en Informatique Rennes Universiteacute de Rennes 1 2002 277 p DUMORTIER D Mesure Analyse et Modeacutelisation du gisement lumineux Application agrave leacutevaluation des performances de leacuteclairage naturel des bacirctiments Thegravese en Geacutenie Civil et Sciences de lHabitat Vaulx en Velin ENTPE Universiteacutee de Savoie 1995 295 p DUMORTIER D Lumiegravere naturelle et rayonnement solaire - Mesures au sol et estimations agrave partir dimages satellites - Deacuteveloppement de services Web pour leacuteclairage naturel des bacirctiments HDR Thermique et Energeacutetique Vaulx en Velin ENTPE 2003 161 p DUMORTIER D VAN ROY F SODA daylighting resource SODA Deliverable 53C 2002 DUMORTIER D VETRO P Luminance calibration of the Nikon 950 digital cameras Lux Europa Reykjavik 2001 ERHORN H DE BOER J DIRKSMOLLER M ADELINE - An Integrated Approach to Lighting Simulation Daylighting 98 Ottawa 1998 FOLEY D J VAN-DAM A FEINER S K HUGHES J F Computer Graphics Principles and Practice Second Edition ADDISON-WESLEY 1990 (The systems programming series
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Chapitre I
FONTOYNONT M Le point sur les meacutethodes de simulation et sur lrsquoutilisation de lrsquoimage de synthegravese en eacuteclairage LUX 1991 FONTOYNONT M LAFORGUE P MITANCHEY R AIZLEWOOD M BUTT J CARROLL W HITCHOCK R ERHORN H DE BOER J DIRKSMOumlLLER M MICHEL L PAULE B SCARTEZZINI J-L BODART M AND ROY G Validation of daylighting simulation programs IEA SHC Task 21 ECBCS Annex 29 1999 28 p GALASIU A ATIF M Applicability of Daylighting Computer Modeling in Real Case Studies Comparison between Measured and Simulated Daylight Availability and Lighting Consumption IEA SHC Task 21 IEA ECBCS Annex 29 Daylight in Buildings International Energy Agency National Research Council Canada 1998 68 p GREENUP P J EDMONDS I R COMPAGNON R RADIANCE algorithm to simulate laser-cut panel light-redirecting elements Lighting Research amp Technology 2000 vol 32 ndeg2 pp 49-54 GRYNBERG A Comparison and Validation of Radiance and Superlite Rapport interne Lawrence Berkeley National Laboratory 1988 HOPKINSON R G PETHERBRIDGE P LONGMORE J Daylighting William Heinneman Ltd London 1966 IEA-SHC Daylighting simulation Methods Algorithms and Ressources Agence Internaitonale de lEnergie - SHC 1999 IEA-SHC Measurement of Luminous Characteristics of Daylighting Materials Agence Internationale de lEnergie - SHC - Tacircche 21 1999 IESNA Calculating Coefficients of Utilisation Wall and Ceiling Cavity Exitance IES LM-57 New York Illuminating engineering Society of North America 1982 IESNA The Determination of Illuminance at a Point in Interior Spaces IES LM-43-1991 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 34 p IESNA An Introduction to Light and Lighting IES ED-50 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 51 p IESNA Lighting Handbook 8th Edition New York Illuminating engineering Society of North America 1993 IESNA IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data IESNA LM-63-95 New York Illuminating engineering Society of North America 1995 5 p IESNA 1999 IESNA Software Survey Lighting Design + Application 1999 vol 29 ndeg12 pp 39-48 JARVIS D DONN M Comparison of Computer and Model Simulations of a Daylit Interior with Reality 5th International conference on Building Performance and Simulation Association Prague Czech Republic 1997 pp 9-16
51
Chapitre I
KAJIYA J T Anisotropic Reflection Models SIGGRAPH85 San Francisco 1985 pp 15-21 KARAYEL M NAVVAB M NEEMAN E SELKOWITZ S Zenith Luminance and sky luminance distributions for daylighting calculations Energy Build 1984 vol 6 ndeg3 pp 283-291 KHODULEV A B KOPYLOV E A Physically accurate lighting simulation in computer graphics software GraphiConrsquo96 The 6th International Conference on Computer graphics and Visualization St Petersburg Russia 1996 pp 111-119 KITTLER R Standardisation of outdoor conditions for the calculation of daylight factor with clear skies Sunlight in Buinldings CIE Intercessional conference Newcastle-Upon-Tyne 1965 KLEMS J H WARNER J L Measurement of bidirectional optical properties of complex shading devices ASHRAE Symposium Chicago 1995 LESLIE R P Capturing the daylight in buildings why and how Building and Environment 2003 vol 38 pp 381-385 MAAMARI F International survey on lighting simulation tools - Light and Building 2002 IEA-SHC-Task-31 2002 7 p MAAMARI F FONTOYNONT M Use of IEA-SHC Task 21 C benchmarks to assess performance of Lightscape 32 in daylighting calculations EPIC Lyon France 2002 pp 709-714 MAAMARI F FONTOYNONT M HIRATA M KOSTER J MARTY C TRANSGRASSOULIS A Reliable Datasets for Lighting Programs Validation Benchmark results CISBAT 2003 Conference 2003 pp 6 MAAMARI F JONGEWAARD M KOSTER J TRANSGRASSOULIS A FONTOYNONT M A Step Toward A Complete And Objective Validation Methodology For Lighting Simulation Tools CIE 25th Session San Diego 2003 pp 4 MARDALJEVIC J Daylight Simulation Validation Sky Models and Daylight Coefficients Leicester UK Montfort University 2000 MARDALJEVIC J The BRE-IDMP dataset a new benchmark for the validation of illuminance prediction techniques Lighting Research and Technology 2001 vol 33 ndegISSN 1365-7828 pp 117-136 MITANCHEY R Synthegravese dimages appliqueacutee agrave leacuteclairagisme inteacuterieur des bacirctiments Thegravese en Informatique speacutecialiteacute images Saint-Etienne Leacutecole Nationale Supeacuterieure des Mines de Saint-Etienne 1996 200 p
52
Chapitre I
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Chapitre I
TREGENZA P Daylighting algorithms ETSU S 1350 UK Department of Trade and Industry on behalf of the Energy Technology Support Unit 1993 43 p TREGENZA P R WATERS I M Daylight Coefficients Lighting Research amp Technology 1983 vol 15 ndeg2 pp 65-71 TROWBRIDGE T S REITZ K P Average Irregularity Representation of a Rough Surface for Ray Reflection Opt Soc Am 1975 vol 65 ndeg5 pp 531-536 UETANI Y MATSUURA K A Method of Luminance Calculation in an Anisotropic Diffuse Reflecting Interior IESNA Annual Conference Technical Papers San Diego 1992 WARD G J The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System SIGGRAPH Computer graphics 1994 pp 459-472 WHITTED T An improved illumination model for shaded display Computer graphics amp Image processing 1980
54
- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
pour la distribution des rayons reacutefleacutechis Elle neacutecessite un temps de calcul eacuteleveacute [IEA-SHC 1999]
I22 Exemples types des logiciels existants Les logiciels existants sur le marcheacute international et utiliseacutes comme outils de conception en eacuteclairage peuvent ecirctre classeacutes en diffeacuterentes familles [De Boer 1999] [IESNA 1999]
1 Les logiciels baseacutes sur les formules de base de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel Ces logiciels sont souvent distribueacutes par les constructeurs de luminaires et munis de leur bibliothegraveque de luminaires
2 Des logiciels baseacutes sur des formules de base de calcul en eacuteclairage naturel ou sur des donneacutees empiriques (ou preacute-simuleacutees) Ces logiciels sont souvent deacutedieacutes agrave lrsquoutilisation dans les phases preacuteliminaires de la conception drsquoun projet (ex Dial Sodalight etc)
3 Les logiciels capables de calculer lrsquoeacuteclairage direct uniquement Ils sont tregraves souvent inteacutegreacutes dans des logiciels de DAO Leur objectif est limiteacute agrave lrsquoameacutelioration du rendu graphique drsquoun projet ou au mieux agrave une eacutetude de taches solaires (ex Archicad) Cependant ce type de logiciels devient de plus en plus rare En effet vu leurs potentiels un certain nombre de ces logiciels a eacuteteacute mis agrave niveau par les deacuteveloppeurs et a passeacute ainsi agrave la famille suivante (ex Microstation et 3D Studio)
4 Les logiciels dits drsquoeacuteclairement global Ils utilisent souvent des algorithmes de calcul physique (en particulier de radiositeacute et lancer de rayons) Nous distinguons cependant dans cette cateacutegorie les logiciels deacuteveloppeacutes dans un cadre scientifique (ex Radiance Geacuteneacutelux CSTB) de ceux deacuteveloppeacutes et diffuseacutes dans un cadre commercial (Lightscape Dialuxhellip) En geacuteneacuteral les logiciels commerciaux possegravedent des interfaces plus conviviales mais les logiciels scientifiques offrent des fonctionnaliteacutes plus complegravetes Par exemple certains logiciels scientifiques sont capables de prendre en consideacuteration lrsquoaspect spectral de la propagation de la lumiegravere etou de traiter les fonctions bidirectionnelles Finalement nous notons que les logiciels commerciaux manquent le plus de transparence sur leur fiabiliteacute dans les diffeacuterents domaines drsquoapplication (manque de travaux de validation)
Dans notre travail de thegravese nous nous inteacuteressons en particulier agrave la derniegravere famille Ne pouvant pas enquecircter sur tous les logiciels existants nous nous contentons de citer (par ordre alphabeacutetique) quelques logiciels sur lesquels il y a eu des publications scientifiques et des travaux de validation [Fontoynont 1999]
1221 Adeline Deacuteveloppeacute dans le cadre de lrsquoIEA Adeline a eacuteteacute fondeacute sur les logiciels Superlite et Radiance par le biais drsquoun modeleur graphique et drsquooutils de DAO Ainsi il permet de deacutefinir la geacuteomeacutetrie avec son propre systegraveme de DAO par lrsquoentreacutee manuelle des coordonneacutes carteacutesiennes ou agrave partir drsquoun fichier DXF
Le logiciel est muni drsquoune bibliothegraveque de base de donneacutees de mateacuteriaux de luminaires et de mobilier Il produit des reacutesultats numeacuteriques ou bien graphiques Au-delagrave des eacuteclairements et des luminances Adeline permet de calculer lrsquoeacutenergie consommeacutee par lrsquoeacuteclairage artificiel en fonction des apports de lumiegravere du jour [Erhorn 1998] [Scartezzini 1993]
1222 Genelux Le logiciel Genelux deacuteveloppeacute au laboratoire des sciences de lrsquohabitat utilise un algorithme de lancer direct et suivi de rayons lumineux (Forward Ray tracking) La distribution des rayons reacutefleacutechis est effectueacutee en ayant recours agrave une technique statistique de Monte Carlo
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Chapitre I
Dans le cas ougrave les surfaces seraient parfaitement diffusantes il est possible de faire appel agrave un algorithme baseacute sur la meacutethode de radiositeacute afin de reacuteduire les temps de simulation Genelux peut modeacuteliser les surfaces speacuteculaires diffuses ou mixtes en transmission etou reacuteflexion Il peut eacutegalement prendre en consideacuteration des quantiteacutes spectrales en deacutecomposant les rayons incidents par bandes spectrales [Mitanchey 1996] [Maamari 2003]
1223 Inspirer Destineacute surtout au domaine de lrsquoarchitecture avec comme fonctionnaliteacutes les calculs de lrsquoeacuteclairage les analyses de visibiliteacute et la visualisation des projets Pour le calcul de lrsquoeacuteclairage il utilise des approches hybrides surtout la meacutethode bi-directionnelle de Monte Carlo au Lancer de Rayons Ce qui diffeacuterencie le plus ce logiciel est lrsquoutilisation des formules de BRDF qui permet de respecter les variations de reacuteflexion et de transmission (diffuse et speacuteculaire) ainsi que des couleurs selon lrsquoangle drsquoincidence et de vision [Maamari 2003]
1224 DIAL Leso-Dial Le but du logiciel est de donner aux architectes des informations utiles concernant lrsquoutilisation de la lumiegravere de jour dans un bacirctiment degraves la phase de lrsquoavant projet Il calcule le facteur de lumiegravere du jour sur le plan utile gracircce agrave une utilisation hybride de formule analytique et empirique [Paule 1995]
1225 Lightscape 32 Crsquoest un logiciel qui est destineacute agrave des utilisations graphiques mais il offre eacutegalement des fonctionnaliteacutes inteacuteressantes pour la simulation physique de la lumiegravere Il utilise un algorithme de radiositeacute pour le calcul quantitatif et un algorithme de lancier de rayons pour lrsquoameacutelioration qualitative et visuelle des images de synthegraveses Ce logiciel est deacutecrit en deacutetail dans la partie IV11 de ce document [Khodulev 1996] [Maamari 2002]
1226 Radiance Le logiciel Radiance utilise un algorithme de lancer inverse de rayons Le lancer des rayons peut ecirctre stoppeacute si leur eacutenergie est jugeacutee insuffisante Les rayons reacutefleacutechis peuvent ecirctre geacuteneacutereacutes selon une fonction de distribution permettant la simulation de reacuteflexions speacuteculaires semi-speacuteculaires ou diffuses Ce lancer de rayons est compleacuteteacute drsquoun calcul statistique de reacuteflexion diffuse pour distribuer le flux reacutesiduel [Ward 1994] [Grynberg 1988]
1227 Superlite Le logiciel Superlite utilise une meacutethode point agrave point de radiositeacute Toutes les surfaces sont supposeacutees ecirctre parfaitement diffusantes Crsquoest la meacutethode la plus rapide mais elle est toutefois limiteacutee aux surfaces diffuses [Grynberg 1988]
I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels Lrsquoutilisation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage se geacuteneacuteralise de plus en plus dans le domaine de conception en eacuteclairage et au-delagrave Ainsi de nos jours ces logiciels sont utiliseacutes aussi bien par des bureaux drsquoeacutetude du bacirctiment et des architectes que par des deacuteveloppeurs de jeu videacuteo Les applications peuvent ecirctre entre autres [IESNA 1999] [3D-lumiegravere 2000] [Maamari 2002]
1 La conception en eacuteclairage artificiel Que ce soit pour lrsquoeacuteclairage inteacuterieur des bacirctiments lrsquoeacuteclairage des faccedilades des monuments des voiries des trottoirs ou lrsquoeacuteclairage des
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Chapitre I
tunnels etc Elle comprend entre autre le dimensionnement des systegravemes lrsquoanalyse du confort visuel et de la consommation etc
2 La conception en eacuteclairage naturel dimensionnement des ouvertures et des protections solaires orientation des projets analyse de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour et eacutetudes des FLJhellip
3 Le rendu et la preacutesentation des projets par les architectes et par les deacutecorateurs drsquointeacuterieur 4 La creacuteation de scegravenes de reacutealiteacute virtuelle pour le monde du cineacutema de la publiciteacute ou des
jeux videacuteohellip 5 La conception mecircme des optiques de luminaires ou de phares de voitures
Le domaine drsquoutilisation drsquoun logiciel donneacute deacutepend des fonctionnaliteacutes proposeacutees par ce logiciel de ses capaciteacutes agrave simuler avec un certain degreacute de fiabiliteacute et de faciliteacute les diffeacuterents domaines de la propagation de la lumiegravere en relation avec les besoins de lrsquoutilisateur
Bien que les algorithmes de calcul utiliseacutes dans les logiciels se ressemblent ces derniers ne sont pas tous adapteacutes pour les mecircme types drsquoapplications et ne reacutepondent pas aux mecircmes besoins
Ainsi certains utilisateurs cherchent en prioriteacute la faciliteacute drsquoutilisation des fonctionnaliteacutes en relation avec leur propre activiteacute en deacutepit des autres fonctionnaliteacutes et mecircme parfois en deacutepit de la validiteacute des reacutesultats Drsquoailleurs crsquoest agrave cause de ce contexte que des deacuteveloppeurs de logiciels commerciaux ont tendance agrave proposer des interfaces et des fonctionnaliteacutes optimiseacutees et orienteacutees vers un domaine drsquoapplication donneacute Ainsi nous commenccedilons agrave trouver par exemple des logiciels deacutedieacutes agrave la conception de lrsquoeacuteclairage public etou des tunnels (ex Tunnel-Lite) drsquoautres agrave la conception des protections solaires (ex ParaSol) etc
Cependant il est encore difficile de nos jours agrave un concepteur de bacirctiment de savoir quel est le ou les logiciels existants qui reacutepondent le mieux agrave ses propres besoins Crsquoest ce qui ressort dans les diffeacuterentes enquecirctes meneacutees sur lrsquoutilisation des logiciels en particulier celle meneacutee par le club 3D-Lumiegravere [3D-lumiegravere 2000] et celle que nous avons meneacutee au Light and Building 2002 [Maamari 2002] (voir annexe D) Nous notons par exemple dans ces deux enquecirctes lrsquoutilisation par des concepteurs lumiegravere de logiciels graphiques (Photoshop) en tant qursquooutils de conception
I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I31 Introduction Comme son nom lrsquoindique un logiciel de simulation de lrsquoeacuteclairage est supposeacute simuler la reacutealiteacute Mais la fideacuteliteacute de la simulation agrave la reacutealiteacute est loin drsquoecirctre veacuterifieacutee pour tous les logiciels existants sur le marcheacute international
Drsquoailleurs le niveau de preacutecision et de similitude (entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage et la reacutealiteacute) exigeacute ou souhaiteacute par les diffeacuterents utilisateurs nrsquoest pas neacutecessairement le mecircme et peut varier largement selon la speacutecificiteacute de leurs domaines drsquoactiviteacute [Maamari 2002]
Ainsi pour des utilisateurs qui srsquointeacuteressent uniquement au rendu graphique une image de synthegravese reacutealiste sans ecirctre neacutecessairement proche de la reacutealiteacute peut ecirctre suffisante Pour eux la question de la validation scientifique du logiciel utiliseacute ne se pose pas trop
Alors que pour des utilisateurs qui comptent extraire drsquoune simulation des cartes de luminances pour analyser le confort visuel de lrsquooccupant la validiteacute du logiciel devient drsquoune
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Chapitre I
importance de premier ordre Ceci est eacutegalement vrai pour les concepteurs en eacuteclairage qui ont besoin de veacuterifier que le niveau drsquoeacuteclairement est suffisant sur le plan de travail
Mais quel que soit le niveau de preacutecision souhaiteacute il est important pour un futur utilisateur de savoir la preacutecision qursquoil peut attendre de la part du logiciel qursquoil souhaite utiliser pour un type donneacute de tacircches Cette information est mecircme indispensable pour aboutir agrave une utilisation responsable des logiciels de simulation mais cela ne peut ecirctre possible qursquoagrave travers une validation rigoureuse et transparente de ce logiciel
Une validation rigoureuse et transparente des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage est une tacircche immense et drsquoune complexiteacute non neacutegligeable Ce qui est vrai pour tous les logiciels baseacutes sur des lois physiques comme par exemple les logiciels de simulation thermique
Cette complexiteacute est drsquoautant plus vraie quand on srsquointeacuteresse agrave lrsquoorientation du choix des utilisateurs vers un logiciel qui reacutepond le mieux agrave leurs propres besoins Dans ce contexte on souhaite veacuterifier la capaciteacute du logiciel agrave simuler avec preacutecision les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere lieacutes au domaine drsquoutilisation mais aussi on veut comparer cette capaciteacute agrave drsquoautres logiciels existants
La multitude des aspects qui entrent en jeu dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere combineacutee agrave la diversiteacute des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage contribuent agrave cette complexiteacute
Ainsi un logiciel capable de simuler des luminaires agrave optique diffusante nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler un luminaire avec une optique asymeacutetrique De mecircme un logiciel capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour agrave travers un vitrage ordinaire nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave travers un vitrage ou un systegraveme de protection solaire agrave aspect bidirectionnel etc
Nous preacutesentons ci-dessous une eacutetude bibliographique sur lrsquoeacutetat de lrsquoart du domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I32 Diffeacuterents types de validation En ce qui concerne les types de travaux de validation reacutealiseacutes nous avons pu identifier les suivants
I321 La validation analytique La validation analytique comme son nom lrsquoindique porte sur des cas theacuteoriques pour lesquels il existe des lois analytiques Ces lois sont issues des notions de base de la science physique lieacutees au rayonnement eacutelectromagneacutetique
Les travaux de validation baseacutes sur des reacutefeacuterences analytiques sont assez rares parmi les travaux reacutealiseacutes que nous avons pu trouver lors de notre recherche bibliographique
Cependant la validation analytique preacutesente des avantages consideacuterables comme la possibiliteacute de limiter les paramegravetres lieacutes agrave la propagation de la lumiegravere qui entrent en jeu dans un sceacutenario test Nous notons aussi lrsquoavantage de donner des solutions de reacutefeacuterences avec des incertitudes nulles ou neacutegligeables
En contrepartie la validation analytique ne peut couvrir que des domaines limiteacutes de la propagation de la lumiegravere Ce sont en geacuteneacuteral des cas de figures simples pour lesquels existe une loi theacuteorique [Aizlewood 1997]
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Chapitre I
I322 La validation expeacuterimentale Dans ce type de validation les reacutesultats des logiciels sont compareacutes agrave des mesures expeacuterimentales Ces mesures peuvent ecirctre reacutealiseacutees dans
a des maquettes drsquoeacutetude agrave eacutechelle reacuteduite [Caroll 1999] b des cellules tests agrave eacutechelle 11 c ou des piegraveces reacuteelles [Galasiu 1998] [Jarvis 1997]
Quel que soit le type des mesures reacutealiseacute la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales agrave utiliser pour des travaux de validation est confronteacutee agrave des obstacles consideacuterables
Le premier est lieacute aux sources drsquoerreur introduites lors de la description du sceacutenario expeacuterimental afin de le reproduire dans une simulation numeacuterique
Lrsquoimportance de cet obstacle est aggraveacutee par la multitude des paramegravetres qui entrent en jeu dans un sceacutenario expeacuterimental et par lrsquointeraction entre les sources drsquoerreurs lieacutees agrave chacun de ces paramegravetres
A titre drsquoexemple les sources drsquoerreur peuvent survenir lors de la description de la source de lumiegravere (artificielle ou reacuteelle) lors de la description de la photomeacutetrie des mateacuteriaux (reacuteflexion bidirectionnelle caracteacuteristiques spectraleshellip) etc
Un autre obstacle est ducirc agrave lrsquoincertitude qui existe dans la valeur mesureacutee et cela quelle que soit la preacutecision du protocole expeacuterimental appliqueacute Cette incertitude est lieacutee en partie agrave la preacutecision de lrsquoappareil de mesure et agrave son positionnement
Ducirc agrave tous ces obstacles la comparaison entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique et les mesures expeacuterimentales permet difficilement de conclure sur la preacutecision du logiciel testeacute
Il est aussi important de noter qursquoun des plus grands obstacles agrave la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales fiables reste celui des moyens techniques financiers et humains neacutecessaires aux expeacuterimentations
I323 La validation comparative Elle porte sur une comparaison des reacutesultats de simulation de plusieurs logiciels entre eux Cela peut ecirctre fait avec lrsquoexistence ou non drsquoune reacutefeacuterence expeacuterimentale ou analytique
Lrsquoavantage des comparaisons est de donner la possibiliteacute aux utilisateurs de mieux choisir entre plusieurs logiciels selon leur performance dans un domaine donneacute de la simulation
Cependant lrsquoutilisation des reacutesultats drsquoune comparaison afin de juger des logiciels les uns par rapport aux autres neacutecessite un maximum de transparence en particulier sur la complexiteacute des proceacutedures et sur le temps de calcul neacutecessaire pour obtenir ces reacutesultats [Grynberg 1988] [Fontoynont 1999] [Maamari 2003]
I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes Les travaux de validation reacutealiseacutes sur des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage ne manquent pas en nombre cependant crsquoest la creacutedibiliteacute de ces travaux qui nrsquoest pas toujours veacuterifieacutee
En ce qui concerne les rares travaux de validation existants qui beacuteneacuteficient drsquoune creacutedibiliteacute scientifique ou celle drsquoun organisme agreacuteeacute nous citons les suivants
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Chapitre I
I331 Le travail de Khodulev et Kopylov Ce travail reacutealiseacute et publieacute par Andrei B Khodulev et Edward A Kopylov en 1996 [Khodulev 1996] est lrsquoun des rares travaux de validation qui ont utiliseacute une reacutefeacuterence analytique
Le travail porte sur une validation comparative entre les logiciels Lightscape Specter et Radiance Une description des trois logiciels est donneacutee portant sur plusieurs critegraveres y compris lrsquointerface utilisateur
Un des sceacutenarios utiliseacutes pour la comparaison est celui drsquoune piegravece cubique fermeacutee avec une source lumineuse isotrope au centre La comparaison porte sur lrsquoeacuteclairement au niveau des points de mesure situeacutes sur le sol La valeur de reacutefeacuterence de cet eacuteclairement est calculeacutee semi-analytiquement pour prendre en consideacuteration la composante reacutefleacutechie interne
I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE Ce rapport repreacutesente un exemple ideacuteal sur la creacuteation des donneacutees expeacuterimentales fiables pour la validation des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage [Slater 2002]
Le travail deacutecrit dans ce rapport porte sur un protocole expeacuterimental qui a eacuteteacute deacutefini et conduit drsquoune maniegravere remarquablement rigoureuse dans une cellule test agrave eacutechelle 11 Le but est de creacuteer une base de donneacutees expeacuterimentales pour la validation des logiciels de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel
Le rapport comprend une description preacutecise du sceacutenario expeacuterimental y compris les dimensions de la geacuteomeacutetrie (une piegravece carreacutee) la position des lampes ou des luminaires la position des points de mesure ainsi que le coefficient de reacuteflexion des surfaces La description du sceacutenario comprend aussi les fichiers photomeacutetriques des luminaires au format CIBSE TM 14 sachant que la photomeacutetrie reacuteelle de chaque luminaire a eacuteteacute mesureacutee seacutepareacutement dans un laboratoire agreacuteeacute
Le protocole expeacuterimental comprend un controcircle du flux lumineux agrave travers lrsquoobservation et le controcircle des fluctuations du courant eacutelectrique et de la tempeacuterature de la piegravece Les lampes et les ballasts ont eacuteteacute vieillis Les lampes ont eacuteteacute preacutechauffeacutees une heure avant les mesures
Les capteurs ont eacuteteacute calibreacutes et fixeacutes sur un trolley afin de garantir la reacutepeacutetitiviteacute de leur position Six diffeacuterentes mesures ont eacuteteacute prises pour chaque point agrave lrsquoaide de deux capteurs diffeacuterents la moyenne de ces mesures a eacuteteacute utiliseacutee comme reacutefeacuterence
Une estimation des erreurs de mesures a eacuteteacute calculeacutee ainsi que des erreurs de simulation dues agrave lrsquoincertitude dans la description du sceacutenario Les reacutesultats ont alors eacuteteacute preacutesenteacutes sous forme de deux bandes de valeurs la premiegravere bande est celle des mesures prises + ou ndash lrsquoestimation des erreurs de mesure et lrsquoautre est celle des mesures + ou ndash le total des erreurs estimeacutees y compris les erreurs de simulation
I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA Ce travail a eacuteteacute meneacute dans le cadre de la tache 21 de lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie intituleacutee lumiegravere naturelle dans les bacirctiments En effet un projet a eacuteteacute deacutedieacute au thegraveme de la validation des logiciels de calcul en eacuteclairage et a fait lrsquoobjet drsquoune collaboration entre les laboratoires de six nations diffeacuterentes parmi lesquels le Laboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Fontoynont 1999] [Maamari 2002]
Dans le cadre de ce projet des donneacutees expeacuterimentales ont eacuteteacute reacutecolteacutees agrave travers des mesures drsquoeacuteclairement agrave lrsquointeacuterieur drsquoune seacuterie de maquettes agrave eacutechelle reacuteduite placeacutees sous des ciels
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Chapitre I
artificiels Trois bacirctiments types ont eacuteteacute testeacutes sous plusieurs configurations en changeant les types drsquoouverture etou les coefficients de reacuteflexion des surfaces
Les sceacutenarios expeacuterimentaux ont eacuteteacute simuleacutes agrave lrsquoaide des logiciels drsquoeacuteclairage naturel Adeline Genelux Leso-DIAL Radiance et Superlite Les reacutesultats des simulations ont eacuteteacute compareacutes entre les diffeacuterents logiciels et confronteacutes aux mesures expeacuterimentales
Cette comparaison a montreacute que le calcul des eacuteclairements agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment dus agrave lrsquoeacuteclairage naturel demande une description minutieuse des luminances des portions de la voucircte ceacuteleste vues par la fenecirctre Les eacuteclairements directs agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment sont alors calculeacutes avec une preacutecision de lrsquoordre de 5 La preacutecision des calculs des reacuteflexions multiples agrave lrsquointeacuterieur de la piegravece deacutepend quant agrave elle des proprieacuteteacutes des surfaces inteacuterieures et en particulier de la lrsquoaspect bidirectionnel de ces surfaces
Cette eacutetude a montreacute finalement que les programmes doivent ecirctre utiliseacutes avec beaucoup de preacutecautions car les reacutesultats de simulation sont tregraves sensibles agrave la qualiteacute des hypothegraveses et des paramegravetres drsquoentreacutee description de la source de lumiegravere geacuteomeacutetrie du bacirctiment paramegravetres de simulation
I34 Analyse de la probleacutematique Drsquoapregraves la recherche bibliographique preacutesenteacutee ci-dessus sur le domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage nous pouvons reacutesumer la probleacutematique de ce domaine dans les points suivants
1 Difficulteacute drsquoaccegraves agrave lrsquoinformation Elle est due en particulier agrave lrsquoabsence de sources publiques speacutecialiseacutees dans le domaine
2 Manque de transparence Ainsi nous trouvons souvent des reacutesultats de validation preacutesenteacutes sans suffisamment drsquoinformation sur les proceacutedures qui ont abouti agrave ces reacutesultats
3 Manque de creacutedibiliteacute une partie importante des travaux de validation existants est reacutealiseacutee par les deacuteveloppeurs des logiciels testeacutes les sources drsquoincertitudes dans les valeurs de reacutefeacuterence ne sont souvent pas prises en consideacuteration etc
4 Manque de travaux concluants sur la validiteacute du logiciel testeacute Ceci est ducirc en partie agrave la complexiteacute des sceacutenarios expeacuterimentaux et agrave la restriction des domaines testeacutes Ainsi il est rarement possible drsquoidentifier avec certitude les points de faiblesse et les domaines drsquoapplication drsquoun logiciel testeacute
5 Absence de reacutefeacuterences standardiseacutees Ce qui fait qursquoun certain aspect de la propagation de la lumiegravere est testeacute dans diffeacuterents logiciels avec des protocoles diffeacuterents Ce qui ne permet pas une comparaison transparente et objective entre ces diffeacuterents logiciels
6 Manque de validations analytiques malgreacute les avantages de ce type de validation
En reacuteponse aux problegravemes listeacutes ci-dessus nous identifions en particulier le besoin drsquoune standardisation et drsquoune mise agrave disposition des reacutefeacuterences de validation fiables de preacutefeacuterence sous la garantie et le controcircle drsquoun ou plusieurs organismes creacutedibles
I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
I351 Introduction Le premier objectif qursquoon pourrait attendre des travaux de validation crsquoest de pouvoir ameacuteliorer la confiance des utilisateurs dans les logiciels de simulation A savoir qursquoameacuteliorer la confiance ne veut pas forceacutement dire lrsquoaugmenter Mais plutocirct sensibiliser les utilisateurs aux capaciteacutes et aux limites des diffeacuterents logiciels dans les diffeacuterents domaines de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Ainsi agrave travers lrsquoidentification des points de faiblesse
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Chapitre I
drsquoun logiciel et de ces domaines drsquoapplication on pourra aboutir agrave une utilisation responsable de ces logiciels
Drsquoougrave le besoin drsquoune meacutethodologie de validation qui permet de tester la capaciteacute drsquoun logiciel agrave simuler les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Cette meacutethodologie doit eacutegalement palier les deacutefaillances rencontreacutees dans le domaine agrave noter creacutedibiliteacute fiabiliteacute et accessibiliteacute
I352 Concept et approche proposeacutes Pour atteindre les objectifs fixeacutes ci-dessus la meacutethodologie de validation proposeacutee repose un concept de base qui est celui de tester seacutepareacutement les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Ceux-ci peuvent ecirctre classeacutes sous 3 grands groupes
1 La description de la source de lumiegravere et le calcul de lrsquoeacuteclairement direct 2 Le transfert du flux lumineux agrave travers les composants de la fenecirctre et lrsquoinfluence des
masques 3 Les inter-reacuteflexions sur les diffeacuterents mateacuteriaux avec diffeacuterentes photomeacutetries
Pour appliquer ce concept cette meacutethodologie de validation est baseacutee sur une seacuterie de cas-tests chacun traitant un sceacutenario drsquoeacuteclairage simple (un nombre limiteacute de paramegravetres) ougrave un certain aspect de la propagation de lumiegravere est mis en eacutevidence La description des cas-tests comprend la geacuteomeacutetrie les sources de lumiegravere ainsi qursquoune seacuterie de valeurs de reacutefeacuterence agrave utiliser pour tester la capaciteacute du logiciel agrave simuler lrsquoaspect en question Ces valeurs de reacutefeacuterence sont obtenues soit agrave lrsquoaide drsquoun calcul analytique quand crsquoest possible (pour des sceacutenarios theacuteoriques) ou bien agrave partir de mesures expeacuterimentales
Ainsi chaque cas-test est applicable agrave tout logiciel proposant des fonctionnaliteacutes lieacutees agrave lrsquoaspect traiteacute (dans ce cas-test) indeacutependamment des algorithmes utiliseacutes des meacutethodes de calcul adopteacutees ou des paramegravetres utiliseacutes
Cependant il est possible drsquoassocier agrave chaque test une eacutetude parameacutetrique propre agrave chaque logiciel Une telle eacutetude permet de mieux comprendre lrsquoinfluence des diffeacuterents paramegravetres proposeacutes sur la preacutecision du logiciel dans un aspect donneacute de la propagation de la lumiegravere
Pour une utilisation optimale de cette meacutethodologie de validation les cas-tests doivent couvrir tous les aspects de la propagation de la lumiegravere Ils seront alors utiliseacutes en tant qursquooutil unique et complet pour tester un logiciel donneacute
Une comparaison geacuteneacuterale des reacutesultats des simulations drsquoun logiciel donneacute aux valeurs de reacutefeacuterences de la seacuterie de cas-tests donnera une ideacutee claire sur les domaines ougrave le logiciel testeacute respecte ou non les lois physiques Ceci permettra agrave un utilisateur de veacuterifier si ce logiciel est compatible avec son propre domaine drsquoactiviteacute et agrave un deacuteveloppeur de veacuterifier si son logiciel a atteint les perspectives souhaiteacutees
De la mecircme faccedilon une comparaison entre les reacutesultats de diffeacuterents logiciels et les valeurs de reacutefeacuterence permet drsquooffrir une vision objective sur le logiciel qui reacutepond le mieux agrave une exigence donneacutee
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Chapitre I
Conclusions Suite agrave notre eacutetude bibliographique sur le domaine de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage nous avons orienteacute le travail de cette thegravese (agrave travers les chapitres suivants) de faccedilon agrave reacutepondre agrave certains des problegravemes identifieacutes dans ce domaine
Ainsi en ce qui concerne le manque de fiabiliteacute dans les travaux de validation des logiciels nous deacuteveloppons la meacutethode de validation que nous avons proposeacutee Dans ce cadre nous creacuteons une seacuterie de cas-tests en relation avec diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere traiteacutes ci-dessus Ces cas-tests sont reacutepartis en deux familles lrsquoune avec des sceacutenarios theacuteoriques et des reacutefeacuterences analytiques et lrsquoautre avec des reacutefeacuterences expeacuterimentales reacutepondant agrave des critegraveres de controcircle de qualiteacute que nous avons deacutefinis
En ce qui concerne la difficulteacute de simuler des sceacutenarios reacuteels de lumiegravere naturelle nous proposons et validons une meacutethode de simulation agrave partir des cartes de luminances reacuteelles agrave haute deacutefinition
Finalement nous proposons et nous validons une meacutethode de simulation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquoaide des luminaires eacutequivalents Cette meacutethode permet agrave la simulation de la lumiegravere de jour de beacuteneacuteficier de la preacutesence confirmeacutee des outils de simulation de la lumiegravere artificielle dans le domaine de la conception des bacirctiments Elle permet eacutegalement de surmonter un nombre de difficulteacutes rencontreacutees dans certains logiciels classiques de simulation la lumiegravere naturelle en particulier celles lieacutees agrave la preacutecision des reacutesultats par rapport au temps de calcul et agrave la simulation des masques exteacuterieurs
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Chapitre I
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48
Chapitre I
CAROLL W L HITCHCOCK R J Recent Comparisons of SUPERLITE to Scale Model Data LBNL-43107 Lawrence Berkeley National Laboratory 1999 CHAIN C DUMORTIER D FONTOYNONT M A comprehensive model of luminance correlated colour temperature and spectral distribution of skylight Comparison with experimental data Solar Energy 1999 vol 65 ndeg5 pp 285-295 CIBSE CIBSE standard file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIBSE TM 14 London CIBSE 1988 CIE Daylight CIE-16 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1970 79 p CIE Standardization of Luminance Distribution on Clear Skies CIE-22 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1973 CIE Calculations for Interior Lighting Basic Method CIE-40 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1978 CIE Absolute Methods for Reflection Measurements CIE-44 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 CIE A Review of Publications on Properties and Reflection Values of Material Reflection Standards CIE-46 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 99 p CIE Calculations for Interior Lighting Applied Method CIE-52 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1982 CIE The Spectroradiometric Measurement of Light Sources CIE-63 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1984 CIE Colorimetry 2nd Edition CIE-152 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1986 CIE The Measurement of Absolute Luminous Intensity Distributions CIE-70 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1987 CIE The Measurement of Luminous Flux CIE-84 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1989 CIE Standard overcast and clear sky 3rd Draft Vienne Commission Internationale de LrsquoEclairage 1990 CIE Electric Light Sources State of the Art-1991 CIE-96 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1992 CIE Recommended file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIE-102 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1993 CIE Guide to Recommended Practice of Daylight Measurement CIE-108 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1994
49
Chapitre I
CIE Discomfort Glare in Interior Lighting CIE-117 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1995 CIE The Photometry and Goniophotometry of Luminaires CIE-121 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE The Relationship Between Digital and Colorimetric Data for Computer-Controlled CRT Displays CIE-122 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance CIE-130 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1998 CIE Spatial distribution of daylight - CIE standard general sky Vienne Commission Internationale de lEclairage 2002 7 p COHEN M F CHEN S E WALLACE J R GREENBERG DP A progressive refinement approach to fast radiosity image generation 15th annual conference on computer graphics and interactive techniques ACM Press New York 1988 pp 75-84 DE BOER J Encorporation of numerical goniophotometry into daylighting design CISBAT 2003 Lausanne EPFL 2003 pp 229-234 DE BOER J ERHORN H Survey Simple Design Tools IEA 1999 49 p DENIEL J M Modeacutelisation des luminaires et des BRDF Reacutealisation mesure et compression Thegravese en Informatique Rennes Universiteacute de Rennes 1 2002 277 p DUMORTIER D Mesure Analyse et Modeacutelisation du gisement lumineux Application agrave leacutevaluation des performances de leacuteclairage naturel des bacirctiments Thegravese en Geacutenie Civil et Sciences de lHabitat Vaulx en Velin ENTPE Universiteacutee de Savoie 1995 295 p DUMORTIER D Lumiegravere naturelle et rayonnement solaire - Mesures au sol et estimations agrave partir dimages satellites - Deacuteveloppement de services Web pour leacuteclairage naturel des bacirctiments HDR Thermique et Energeacutetique Vaulx en Velin ENTPE 2003 161 p DUMORTIER D VAN ROY F SODA daylighting resource SODA Deliverable 53C 2002 DUMORTIER D VETRO P Luminance calibration of the Nikon 950 digital cameras Lux Europa Reykjavik 2001 ERHORN H DE BOER J DIRKSMOLLER M ADELINE - An Integrated Approach to Lighting Simulation Daylighting 98 Ottawa 1998 FOLEY D J VAN-DAM A FEINER S K HUGHES J F Computer Graphics Principles and Practice Second Edition ADDISON-WESLEY 1990 (The systems programming series
50
Chapitre I
FONTOYNONT M Le point sur les meacutethodes de simulation et sur lrsquoutilisation de lrsquoimage de synthegravese en eacuteclairage LUX 1991 FONTOYNONT M LAFORGUE P MITANCHEY R AIZLEWOOD M BUTT J CARROLL W HITCHOCK R ERHORN H DE BOER J DIRKSMOumlLLER M MICHEL L PAULE B SCARTEZZINI J-L BODART M AND ROY G Validation of daylighting simulation programs IEA SHC Task 21 ECBCS Annex 29 1999 28 p GALASIU A ATIF M Applicability of Daylighting Computer Modeling in Real Case Studies Comparison between Measured and Simulated Daylight Availability and Lighting Consumption IEA SHC Task 21 IEA ECBCS Annex 29 Daylight in Buildings International Energy Agency National Research Council Canada 1998 68 p GREENUP P J EDMONDS I R COMPAGNON R RADIANCE algorithm to simulate laser-cut panel light-redirecting elements Lighting Research amp Technology 2000 vol 32 ndeg2 pp 49-54 GRYNBERG A Comparison and Validation of Radiance and Superlite Rapport interne Lawrence Berkeley National Laboratory 1988 HOPKINSON R G PETHERBRIDGE P LONGMORE J Daylighting William Heinneman Ltd London 1966 IEA-SHC Daylighting simulation Methods Algorithms and Ressources Agence Internaitonale de lEnergie - SHC 1999 IEA-SHC Measurement of Luminous Characteristics of Daylighting Materials Agence Internationale de lEnergie - SHC - Tacircche 21 1999 IESNA Calculating Coefficients of Utilisation Wall and Ceiling Cavity Exitance IES LM-57 New York Illuminating engineering Society of North America 1982 IESNA The Determination of Illuminance at a Point in Interior Spaces IES LM-43-1991 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 34 p IESNA An Introduction to Light and Lighting IES ED-50 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 51 p IESNA Lighting Handbook 8th Edition New York Illuminating engineering Society of North America 1993 IESNA IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data IESNA LM-63-95 New York Illuminating engineering Society of North America 1995 5 p IESNA 1999 IESNA Software Survey Lighting Design + Application 1999 vol 29 ndeg12 pp 39-48 JARVIS D DONN M Comparison of Computer and Model Simulations of a Daylit Interior with Reality 5th International conference on Building Performance and Simulation Association Prague Czech Republic 1997 pp 9-16
51
Chapitre I
KAJIYA J T Anisotropic Reflection Models SIGGRAPH85 San Francisco 1985 pp 15-21 KARAYEL M NAVVAB M NEEMAN E SELKOWITZ S Zenith Luminance and sky luminance distributions for daylighting calculations Energy Build 1984 vol 6 ndeg3 pp 283-291 KHODULEV A B KOPYLOV E A Physically accurate lighting simulation in computer graphics software GraphiConrsquo96 The 6th International Conference on Computer graphics and Visualization St Petersburg Russia 1996 pp 111-119 KITTLER R Standardisation of outdoor conditions for the calculation of daylight factor with clear skies Sunlight in Buinldings CIE Intercessional conference Newcastle-Upon-Tyne 1965 KLEMS J H WARNER J L Measurement of bidirectional optical properties of complex shading devices ASHRAE Symposium Chicago 1995 LESLIE R P Capturing the daylight in buildings why and how Building and Environment 2003 vol 38 pp 381-385 MAAMARI F International survey on lighting simulation tools - Light and Building 2002 IEA-SHC-Task-31 2002 7 p MAAMARI F FONTOYNONT M Use of IEA-SHC Task 21 C benchmarks to assess performance of Lightscape 32 in daylighting calculations EPIC Lyon France 2002 pp 709-714 MAAMARI F FONTOYNONT M HIRATA M KOSTER J MARTY C TRANSGRASSOULIS A Reliable Datasets for Lighting Programs Validation Benchmark results CISBAT 2003 Conference 2003 pp 6 MAAMARI F JONGEWAARD M KOSTER J TRANSGRASSOULIS A FONTOYNONT M A Step Toward A Complete And Objective Validation Methodology For Lighting Simulation Tools CIE 25th Session San Diego 2003 pp 4 MARDALJEVIC J Daylight Simulation Validation Sky Models and Daylight Coefficients Leicester UK Montfort University 2000 MARDALJEVIC J The BRE-IDMP dataset a new benchmark for the validation of illuminance prediction techniques Lighting Research and Technology 2001 vol 33 ndegISSN 1365-7828 pp 117-136 MITANCHEY R Synthegravese dimages appliqueacutee agrave leacuteclairagisme inteacuterieur des bacirctiments Thegravese en Informatique speacutecialiteacute images Saint-Etienne Leacutecole Nationale Supeacuterieure des Mines de Saint-Etienne 1996 200 p
52
Chapitre I
MITANCHEY R PERIOLE G FONTOYNONT M Goniophotometric measurements Numerical simulation for research and development applications Lighting Research and Technology 1995 vol 27 ndeg4 pp 189-196 MOON P SPENCER D E Illumination from a nonuniform sky Illum Eng 1942 vol 37 ndeg12 pp 707-726 NAKAMURA H OKI M AYASHI Y Luminance distribution of intermediate sky Light Visual Environ 1989 vol 9 ndeg1 pp 6-13 PAULE B COMPAGNON R SCARTEZZINI J L Towards a new daylighting design computer tool Right Light Three conference Newcastle upon Tyne England 1995 PEREZ R SEALS R MICHALSKY J All-Weather model for sky luminance distribution Preliminary configuration and validation Solar Energy 1993 vol 50 ndeg3 pp 235-245 REINHART C F HERKEL S The simulation of annual daylight illuminance distributions ndash a state-of-the-art comparison of six RADIANCE-based methods Energy and Buildings 2000 vol 32 ndeg167-187 ROY G HAYMAN S JULIAN W Sky Modeling from Digital Imagery ARC Project No A89530177 Sidney The University of Sidney amp Murdoch university 1998 ROY G RUCK N REID G JULIAN W Sky luminanceStandard Digital Form for modelling Lighting Research amp Technology 1995 vol 27 ndeg3 pp 161-167 SATEL-LIGHT Satel-Light the European Database for Daylight and Solar Radiation [en ligne] Disponible sur lthttpwwwsatel-lightcomgt (27 janvier 2004) SCARTEZZINI J L COMPAGNON G WARD G PAULE B Outils Informatiques en Lumiegravere Naturelle NEFF-4352 Universiteacute de Genegraveve EPFL 1993 142 p SHAREEF F M OLDHAM D J CARTER D J A computer model for predicting the daylight performance of complex parallel shading systems Building and Environment 2001 vol 36 pp 605-618 SLATER A GRAVES H Benchmarking Lighting Design Software TM 2800 London CIBSE 2002 33 p SMITH B SPIEKERMANN C SEMBER R Numerical methods for colorimetric calculations A comparison of integration methods Color Research and Application 1992 vol 17 ndeg6 STOCKMAR A Eulumdat file format CIBSEILE National Lighting Conference York 2000 STOCKMAR A W EULUMDAT ein leuchtendatenformat fur den europaischen beleuchtungplaner Tagungsband Licht 1990 pp 641-644
53
Chapitre I
TREGENZA P Daylighting algorithms ETSU S 1350 UK Department of Trade and Industry on behalf of the Energy Technology Support Unit 1993 43 p TREGENZA P R WATERS I M Daylight Coefficients Lighting Research amp Technology 1983 vol 15 ndeg2 pp 65-71 TROWBRIDGE T S REITZ K P Average Irregularity Representation of a Rough Surface for Ray Reflection Opt Soc Am 1975 vol 65 ndeg5 pp 531-536 UETANI Y MATSUURA K A Method of Luminance Calculation in an Anisotropic Diffuse Reflecting Interior IESNA Annual Conference Technical Papers San Diego 1992 WARD G J The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System SIGGRAPH Computer graphics 1994 pp 459-472 WHITTED T An improved illumination model for shaded display Computer graphics amp Image processing 1980
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- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
Dans le cas ougrave les surfaces seraient parfaitement diffusantes il est possible de faire appel agrave un algorithme baseacute sur la meacutethode de radiositeacute afin de reacuteduire les temps de simulation Genelux peut modeacuteliser les surfaces speacuteculaires diffuses ou mixtes en transmission etou reacuteflexion Il peut eacutegalement prendre en consideacuteration des quantiteacutes spectrales en deacutecomposant les rayons incidents par bandes spectrales [Mitanchey 1996] [Maamari 2003]
1223 Inspirer Destineacute surtout au domaine de lrsquoarchitecture avec comme fonctionnaliteacutes les calculs de lrsquoeacuteclairage les analyses de visibiliteacute et la visualisation des projets Pour le calcul de lrsquoeacuteclairage il utilise des approches hybrides surtout la meacutethode bi-directionnelle de Monte Carlo au Lancer de Rayons Ce qui diffeacuterencie le plus ce logiciel est lrsquoutilisation des formules de BRDF qui permet de respecter les variations de reacuteflexion et de transmission (diffuse et speacuteculaire) ainsi que des couleurs selon lrsquoangle drsquoincidence et de vision [Maamari 2003]
1224 DIAL Leso-Dial Le but du logiciel est de donner aux architectes des informations utiles concernant lrsquoutilisation de la lumiegravere de jour dans un bacirctiment degraves la phase de lrsquoavant projet Il calcule le facteur de lumiegravere du jour sur le plan utile gracircce agrave une utilisation hybride de formule analytique et empirique [Paule 1995]
1225 Lightscape 32 Crsquoest un logiciel qui est destineacute agrave des utilisations graphiques mais il offre eacutegalement des fonctionnaliteacutes inteacuteressantes pour la simulation physique de la lumiegravere Il utilise un algorithme de radiositeacute pour le calcul quantitatif et un algorithme de lancier de rayons pour lrsquoameacutelioration qualitative et visuelle des images de synthegraveses Ce logiciel est deacutecrit en deacutetail dans la partie IV11 de ce document [Khodulev 1996] [Maamari 2002]
1226 Radiance Le logiciel Radiance utilise un algorithme de lancer inverse de rayons Le lancer des rayons peut ecirctre stoppeacute si leur eacutenergie est jugeacutee insuffisante Les rayons reacutefleacutechis peuvent ecirctre geacuteneacutereacutes selon une fonction de distribution permettant la simulation de reacuteflexions speacuteculaires semi-speacuteculaires ou diffuses Ce lancer de rayons est compleacuteteacute drsquoun calcul statistique de reacuteflexion diffuse pour distribuer le flux reacutesiduel [Ward 1994] [Grynberg 1988]
1227 Superlite Le logiciel Superlite utilise une meacutethode point agrave point de radiositeacute Toutes les surfaces sont supposeacutees ecirctre parfaitement diffusantes Crsquoest la meacutethode la plus rapide mais elle est toutefois limiteacutee aux surfaces diffuses [Grynberg 1988]
I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels Lrsquoutilisation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage se geacuteneacuteralise de plus en plus dans le domaine de conception en eacuteclairage et au-delagrave Ainsi de nos jours ces logiciels sont utiliseacutes aussi bien par des bureaux drsquoeacutetude du bacirctiment et des architectes que par des deacuteveloppeurs de jeu videacuteo Les applications peuvent ecirctre entre autres [IESNA 1999] [3D-lumiegravere 2000] [Maamari 2002]
1 La conception en eacuteclairage artificiel Que ce soit pour lrsquoeacuteclairage inteacuterieur des bacirctiments lrsquoeacuteclairage des faccedilades des monuments des voiries des trottoirs ou lrsquoeacuteclairage des
40
Chapitre I
tunnels etc Elle comprend entre autre le dimensionnement des systegravemes lrsquoanalyse du confort visuel et de la consommation etc
2 La conception en eacuteclairage naturel dimensionnement des ouvertures et des protections solaires orientation des projets analyse de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour et eacutetudes des FLJhellip
3 Le rendu et la preacutesentation des projets par les architectes et par les deacutecorateurs drsquointeacuterieur 4 La creacuteation de scegravenes de reacutealiteacute virtuelle pour le monde du cineacutema de la publiciteacute ou des
jeux videacuteohellip 5 La conception mecircme des optiques de luminaires ou de phares de voitures
Le domaine drsquoutilisation drsquoun logiciel donneacute deacutepend des fonctionnaliteacutes proposeacutees par ce logiciel de ses capaciteacutes agrave simuler avec un certain degreacute de fiabiliteacute et de faciliteacute les diffeacuterents domaines de la propagation de la lumiegravere en relation avec les besoins de lrsquoutilisateur
Bien que les algorithmes de calcul utiliseacutes dans les logiciels se ressemblent ces derniers ne sont pas tous adapteacutes pour les mecircme types drsquoapplications et ne reacutepondent pas aux mecircmes besoins
Ainsi certains utilisateurs cherchent en prioriteacute la faciliteacute drsquoutilisation des fonctionnaliteacutes en relation avec leur propre activiteacute en deacutepit des autres fonctionnaliteacutes et mecircme parfois en deacutepit de la validiteacute des reacutesultats Drsquoailleurs crsquoest agrave cause de ce contexte que des deacuteveloppeurs de logiciels commerciaux ont tendance agrave proposer des interfaces et des fonctionnaliteacutes optimiseacutees et orienteacutees vers un domaine drsquoapplication donneacute Ainsi nous commenccedilons agrave trouver par exemple des logiciels deacutedieacutes agrave la conception de lrsquoeacuteclairage public etou des tunnels (ex Tunnel-Lite) drsquoautres agrave la conception des protections solaires (ex ParaSol) etc
Cependant il est encore difficile de nos jours agrave un concepteur de bacirctiment de savoir quel est le ou les logiciels existants qui reacutepondent le mieux agrave ses propres besoins Crsquoest ce qui ressort dans les diffeacuterentes enquecirctes meneacutees sur lrsquoutilisation des logiciels en particulier celle meneacutee par le club 3D-Lumiegravere [3D-lumiegravere 2000] et celle que nous avons meneacutee au Light and Building 2002 [Maamari 2002] (voir annexe D) Nous notons par exemple dans ces deux enquecirctes lrsquoutilisation par des concepteurs lumiegravere de logiciels graphiques (Photoshop) en tant qursquooutils de conception
I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I31 Introduction Comme son nom lrsquoindique un logiciel de simulation de lrsquoeacuteclairage est supposeacute simuler la reacutealiteacute Mais la fideacuteliteacute de la simulation agrave la reacutealiteacute est loin drsquoecirctre veacuterifieacutee pour tous les logiciels existants sur le marcheacute international
Drsquoailleurs le niveau de preacutecision et de similitude (entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage et la reacutealiteacute) exigeacute ou souhaiteacute par les diffeacuterents utilisateurs nrsquoest pas neacutecessairement le mecircme et peut varier largement selon la speacutecificiteacute de leurs domaines drsquoactiviteacute [Maamari 2002]
Ainsi pour des utilisateurs qui srsquointeacuteressent uniquement au rendu graphique une image de synthegravese reacutealiste sans ecirctre neacutecessairement proche de la reacutealiteacute peut ecirctre suffisante Pour eux la question de la validation scientifique du logiciel utiliseacute ne se pose pas trop
Alors que pour des utilisateurs qui comptent extraire drsquoune simulation des cartes de luminances pour analyser le confort visuel de lrsquooccupant la validiteacute du logiciel devient drsquoune
41
Chapitre I
importance de premier ordre Ceci est eacutegalement vrai pour les concepteurs en eacuteclairage qui ont besoin de veacuterifier que le niveau drsquoeacuteclairement est suffisant sur le plan de travail
Mais quel que soit le niveau de preacutecision souhaiteacute il est important pour un futur utilisateur de savoir la preacutecision qursquoil peut attendre de la part du logiciel qursquoil souhaite utiliser pour un type donneacute de tacircches Cette information est mecircme indispensable pour aboutir agrave une utilisation responsable des logiciels de simulation mais cela ne peut ecirctre possible qursquoagrave travers une validation rigoureuse et transparente de ce logiciel
Une validation rigoureuse et transparente des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage est une tacircche immense et drsquoune complexiteacute non neacutegligeable Ce qui est vrai pour tous les logiciels baseacutes sur des lois physiques comme par exemple les logiciels de simulation thermique
Cette complexiteacute est drsquoautant plus vraie quand on srsquointeacuteresse agrave lrsquoorientation du choix des utilisateurs vers un logiciel qui reacutepond le mieux agrave leurs propres besoins Dans ce contexte on souhaite veacuterifier la capaciteacute du logiciel agrave simuler avec preacutecision les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere lieacutes au domaine drsquoutilisation mais aussi on veut comparer cette capaciteacute agrave drsquoautres logiciels existants
La multitude des aspects qui entrent en jeu dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere combineacutee agrave la diversiteacute des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage contribuent agrave cette complexiteacute
Ainsi un logiciel capable de simuler des luminaires agrave optique diffusante nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler un luminaire avec une optique asymeacutetrique De mecircme un logiciel capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour agrave travers un vitrage ordinaire nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave travers un vitrage ou un systegraveme de protection solaire agrave aspect bidirectionnel etc
Nous preacutesentons ci-dessous une eacutetude bibliographique sur lrsquoeacutetat de lrsquoart du domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I32 Diffeacuterents types de validation En ce qui concerne les types de travaux de validation reacutealiseacutes nous avons pu identifier les suivants
I321 La validation analytique La validation analytique comme son nom lrsquoindique porte sur des cas theacuteoriques pour lesquels il existe des lois analytiques Ces lois sont issues des notions de base de la science physique lieacutees au rayonnement eacutelectromagneacutetique
Les travaux de validation baseacutes sur des reacutefeacuterences analytiques sont assez rares parmi les travaux reacutealiseacutes que nous avons pu trouver lors de notre recherche bibliographique
Cependant la validation analytique preacutesente des avantages consideacuterables comme la possibiliteacute de limiter les paramegravetres lieacutes agrave la propagation de la lumiegravere qui entrent en jeu dans un sceacutenario test Nous notons aussi lrsquoavantage de donner des solutions de reacutefeacuterences avec des incertitudes nulles ou neacutegligeables
En contrepartie la validation analytique ne peut couvrir que des domaines limiteacutes de la propagation de la lumiegravere Ce sont en geacuteneacuteral des cas de figures simples pour lesquels existe une loi theacuteorique [Aizlewood 1997]
42
Chapitre I
I322 La validation expeacuterimentale Dans ce type de validation les reacutesultats des logiciels sont compareacutes agrave des mesures expeacuterimentales Ces mesures peuvent ecirctre reacutealiseacutees dans
a des maquettes drsquoeacutetude agrave eacutechelle reacuteduite [Caroll 1999] b des cellules tests agrave eacutechelle 11 c ou des piegraveces reacuteelles [Galasiu 1998] [Jarvis 1997]
Quel que soit le type des mesures reacutealiseacute la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales agrave utiliser pour des travaux de validation est confronteacutee agrave des obstacles consideacuterables
Le premier est lieacute aux sources drsquoerreur introduites lors de la description du sceacutenario expeacuterimental afin de le reproduire dans une simulation numeacuterique
Lrsquoimportance de cet obstacle est aggraveacutee par la multitude des paramegravetres qui entrent en jeu dans un sceacutenario expeacuterimental et par lrsquointeraction entre les sources drsquoerreurs lieacutees agrave chacun de ces paramegravetres
A titre drsquoexemple les sources drsquoerreur peuvent survenir lors de la description de la source de lumiegravere (artificielle ou reacuteelle) lors de la description de la photomeacutetrie des mateacuteriaux (reacuteflexion bidirectionnelle caracteacuteristiques spectraleshellip) etc
Un autre obstacle est ducirc agrave lrsquoincertitude qui existe dans la valeur mesureacutee et cela quelle que soit la preacutecision du protocole expeacuterimental appliqueacute Cette incertitude est lieacutee en partie agrave la preacutecision de lrsquoappareil de mesure et agrave son positionnement
Ducirc agrave tous ces obstacles la comparaison entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique et les mesures expeacuterimentales permet difficilement de conclure sur la preacutecision du logiciel testeacute
Il est aussi important de noter qursquoun des plus grands obstacles agrave la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales fiables reste celui des moyens techniques financiers et humains neacutecessaires aux expeacuterimentations
I323 La validation comparative Elle porte sur une comparaison des reacutesultats de simulation de plusieurs logiciels entre eux Cela peut ecirctre fait avec lrsquoexistence ou non drsquoune reacutefeacuterence expeacuterimentale ou analytique
Lrsquoavantage des comparaisons est de donner la possibiliteacute aux utilisateurs de mieux choisir entre plusieurs logiciels selon leur performance dans un domaine donneacute de la simulation
Cependant lrsquoutilisation des reacutesultats drsquoune comparaison afin de juger des logiciels les uns par rapport aux autres neacutecessite un maximum de transparence en particulier sur la complexiteacute des proceacutedures et sur le temps de calcul neacutecessaire pour obtenir ces reacutesultats [Grynberg 1988] [Fontoynont 1999] [Maamari 2003]
I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes Les travaux de validation reacutealiseacutes sur des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage ne manquent pas en nombre cependant crsquoest la creacutedibiliteacute de ces travaux qui nrsquoest pas toujours veacuterifieacutee
En ce qui concerne les rares travaux de validation existants qui beacuteneacuteficient drsquoune creacutedibiliteacute scientifique ou celle drsquoun organisme agreacuteeacute nous citons les suivants
43
Chapitre I
I331 Le travail de Khodulev et Kopylov Ce travail reacutealiseacute et publieacute par Andrei B Khodulev et Edward A Kopylov en 1996 [Khodulev 1996] est lrsquoun des rares travaux de validation qui ont utiliseacute une reacutefeacuterence analytique
Le travail porte sur une validation comparative entre les logiciels Lightscape Specter et Radiance Une description des trois logiciels est donneacutee portant sur plusieurs critegraveres y compris lrsquointerface utilisateur
Un des sceacutenarios utiliseacutes pour la comparaison est celui drsquoune piegravece cubique fermeacutee avec une source lumineuse isotrope au centre La comparaison porte sur lrsquoeacuteclairement au niveau des points de mesure situeacutes sur le sol La valeur de reacutefeacuterence de cet eacuteclairement est calculeacutee semi-analytiquement pour prendre en consideacuteration la composante reacutefleacutechie interne
I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE Ce rapport repreacutesente un exemple ideacuteal sur la creacuteation des donneacutees expeacuterimentales fiables pour la validation des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage [Slater 2002]
Le travail deacutecrit dans ce rapport porte sur un protocole expeacuterimental qui a eacuteteacute deacutefini et conduit drsquoune maniegravere remarquablement rigoureuse dans une cellule test agrave eacutechelle 11 Le but est de creacuteer une base de donneacutees expeacuterimentales pour la validation des logiciels de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel
Le rapport comprend une description preacutecise du sceacutenario expeacuterimental y compris les dimensions de la geacuteomeacutetrie (une piegravece carreacutee) la position des lampes ou des luminaires la position des points de mesure ainsi que le coefficient de reacuteflexion des surfaces La description du sceacutenario comprend aussi les fichiers photomeacutetriques des luminaires au format CIBSE TM 14 sachant que la photomeacutetrie reacuteelle de chaque luminaire a eacuteteacute mesureacutee seacutepareacutement dans un laboratoire agreacuteeacute
Le protocole expeacuterimental comprend un controcircle du flux lumineux agrave travers lrsquoobservation et le controcircle des fluctuations du courant eacutelectrique et de la tempeacuterature de la piegravece Les lampes et les ballasts ont eacuteteacute vieillis Les lampes ont eacuteteacute preacutechauffeacutees une heure avant les mesures
Les capteurs ont eacuteteacute calibreacutes et fixeacutes sur un trolley afin de garantir la reacutepeacutetitiviteacute de leur position Six diffeacuterentes mesures ont eacuteteacute prises pour chaque point agrave lrsquoaide de deux capteurs diffeacuterents la moyenne de ces mesures a eacuteteacute utiliseacutee comme reacutefeacuterence
Une estimation des erreurs de mesures a eacuteteacute calculeacutee ainsi que des erreurs de simulation dues agrave lrsquoincertitude dans la description du sceacutenario Les reacutesultats ont alors eacuteteacute preacutesenteacutes sous forme de deux bandes de valeurs la premiegravere bande est celle des mesures prises + ou ndash lrsquoestimation des erreurs de mesure et lrsquoautre est celle des mesures + ou ndash le total des erreurs estimeacutees y compris les erreurs de simulation
I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA Ce travail a eacuteteacute meneacute dans le cadre de la tache 21 de lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie intituleacutee lumiegravere naturelle dans les bacirctiments En effet un projet a eacuteteacute deacutedieacute au thegraveme de la validation des logiciels de calcul en eacuteclairage et a fait lrsquoobjet drsquoune collaboration entre les laboratoires de six nations diffeacuterentes parmi lesquels le Laboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Fontoynont 1999] [Maamari 2002]
Dans le cadre de ce projet des donneacutees expeacuterimentales ont eacuteteacute reacutecolteacutees agrave travers des mesures drsquoeacuteclairement agrave lrsquointeacuterieur drsquoune seacuterie de maquettes agrave eacutechelle reacuteduite placeacutees sous des ciels
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Chapitre I
artificiels Trois bacirctiments types ont eacuteteacute testeacutes sous plusieurs configurations en changeant les types drsquoouverture etou les coefficients de reacuteflexion des surfaces
Les sceacutenarios expeacuterimentaux ont eacuteteacute simuleacutes agrave lrsquoaide des logiciels drsquoeacuteclairage naturel Adeline Genelux Leso-DIAL Radiance et Superlite Les reacutesultats des simulations ont eacuteteacute compareacutes entre les diffeacuterents logiciels et confronteacutes aux mesures expeacuterimentales
Cette comparaison a montreacute que le calcul des eacuteclairements agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment dus agrave lrsquoeacuteclairage naturel demande une description minutieuse des luminances des portions de la voucircte ceacuteleste vues par la fenecirctre Les eacuteclairements directs agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment sont alors calculeacutes avec une preacutecision de lrsquoordre de 5 La preacutecision des calculs des reacuteflexions multiples agrave lrsquointeacuterieur de la piegravece deacutepend quant agrave elle des proprieacuteteacutes des surfaces inteacuterieures et en particulier de la lrsquoaspect bidirectionnel de ces surfaces
Cette eacutetude a montreacute finalement que les programmes doivent ecirctre utiliseacutes avec beaucoup de preacutecautions car les reacutesultats de simulation sont tregraves sensibles agrave la qualiteacute des hypothegraveses et des paramegravetres drsquoentreacutee description de la source de lumiegravere geacuteomeacutetrie du bacirctiment paramegravetres de simulation
I34 Analyse de la probleacutematique Drsquoapregraves la recherche bibliographique preacutesenteacutee ci-dessus sur le domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage nous pouvons reacutesumer la probleacutematique de ce domaine dans les points suivants
1 Difficulteacute drsquoaccegraves agrave lrsquoinformation Elle est due en particulier agrave lrsquoabsence de sources publiques speacutecialiseacutees dans le domaine
2 Manque de transparence Ainsi nous trouvons souvent des reacutesultats de validation preacutesenteacutes sans suffisamment drsquoinformation sur les proceacutedures qui ont abouti agrave ces reacutesultats
3 Manque de creacutedibiliteacute une partie importante des travaux de validation existants est reacutealiseacutee par les deacuteveloppeurs des logiciels testeacutes les sources drsquoincertitudes dans les valeurs de reacutefeacuterence ne sont souvent pas prises en consideacuteration etc
4 Manque de travaux concluants sur la validiteacute du logiciel testeacute Ceci est ducirc en partie agrave la complexiteacute des sceacutenarios expeacuterimentaux et agrave la restriction des domaines testeacutes Ainsi il est rarement possible drsquoidentifier avec certitude les points de faiblesse et les domaines drsquoapplication drsquoun logiciel testeacute
5 Absence de reacutefeacuterences standardiseacutees Ce qui fait qursquoun certain aspect de la propagation de la lumiegravere est testeacute dans diffeacuterents logiciels avec des protocoles diffeacuterents Ce qui ne permet pas une comparaison transparente et objective entre ces diffeacuterents logiciels
6 Manque de validations analytiques malgreacute les avantages de ce type de validation
En reacuteponse aux problegravemes listeacutes ci-dessus nous identifions en particulier le besoin drsquoune standardisation et drsquoune mise agrave disposition des reacutefeacuterences de validation fiables de preacutefeacuterence sous la garantie et le controcircle drsquoun ou plusieurs organismes creacutedibles
I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
I351 Introduction Le premier objectif qursquoon pourrait attendre des travaux de validation crsquoest de pouvoir ameacuteliorer la confiance des utilisateurs dans les logiciels de simulation A savoir qursquoameacuteliorer la confiance ne veut pas forceacutement dire lrsquoaugmenter Mais plutocirct sensibiliser les utilisateurs aux capaciteacutes et aux limites des diffeacuterents logiciels dans les diffeacuterents domaines de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Ainsi agrave travers lrsquoidentification des points de faiblesse
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Chapitre I
drsquoun logiciel et de ces domaines drsquoapplication on pourra aboutir agrave une utilisation responsable de ces logiciels
Drsquoougrave le besoin drsquoune meacutethodologie de validation qui permet de tester la capaciteacute drsquoun logiciel agrave simuler les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Cette meacutethodologie doit eacutegalement palier les deacutefaillances rencontreacutees dans le domaine agrave noter creacutedibiliteacute fiabiliteacute et accessibiliteacute
I352 Concept et approche proposeacutes Pour atteindre les objectifs fixeacutes ci-dessus la meacutethodologie de validation proposeacutee repose un concept de base qui est celui de tester seacutepareacutement les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Ceux-ci peuvent ecirctre classeacutes sous 3 grands groupes
1 La description de la source de lumiegravere et le calcul de lrsquoeacuteclairement direct 2 Le transfert du flux lumineux agrave travers les composants de la fenecirctre et lrsquoinfluence des
masques 3 Les inter-reacuteflexions sur les diffeacuterents mateacuteriaux avec diffeacuterentes photomeacutetries
Pour appliquer ce concept cette meacutethodologie de validation est baseacutee sur une seacuterie de cas-tests chacun traitant un sceacutenario drsquoeacuteclairage simple (un nombre limiteacute de paramegravetres) ougrave un certain aspect de la propagation de lumiegravere est mis en eacutevidence La description des cas-tests comprend la geacuteomeacutetrie les sources de lumiegravere ainsi qursquoune seacuterie de valeurs de reacutefeacuterence agrave utiliser pour tester la capaciteacute du logiciel agrave simuler lrsquoaspect en question Ces valeurs de reacutefeacuterence sont obtenues soit agrave lrsquoaide drsquoun calcul analytique quand crsquoest possible (pour des sceacutenarios theacuteoriques) ou bien agrave partir de mesures expeacuterimentales
Ainsi chaque cas-test est applicable agrave tout logiciel proposant des fonctionnaliteacutes lieacutees agrave lrsquoaspect traiteacute (dans ce cas-test) indeacutependamment des algorithmes utiliseacutes des meacutethodes de calcul adopteacutees ou des paramegravetres utiliseacutes
Cependant il est possible drsquoassocier agrave chaque test une eacutetude parameacutetrique propre agrave chaque logiciel Une telle eacutetude permet de mieux comprendre lrsquoinfluence des diffeacuterents paramegravetres proposeacutes sur la preacutecision du logiciel dans un aspect donneacute de la propagation de la lumiegravere
Pour une utilisation optimale de cette meacutethodologie de validation les cas-tests doivent couvrir tous les aspects de la propagation de la lumiegravere Ils seront alors utiliseacutes en tant qursquooutil unique et complet pour tester un logiciel donneacute
Une comparaison geacuteneacuterale des reacutesultats des simulations drsquoun logiciel donneacute aux valeurs de reacutefeacuterences de la seacuterie de cas-tests donnera une ideacutee claire sur les domaines ougrave le logiciel testeacute respecte ou non les lois physiques Ceci permettra agrave un utilisateur de veacuterifier si ce logiciel est compatible avec son propre domaine drsquoactiviteacute et agrave un deacuteveloppeur de veacuterifier si son logiciel a atteint les perspectives souhaiteacutees
De la mecircme faccedilon une comparaison entre les reacutesultats de diffeacuterents logiciels et les valeurs de reacutefeacuterence permet drsquooffrir une vision objective sur le logiciel qui reacutepond le mieux agrave une exigence donneacutee
46
Chapitre I
Conclusions Suite agrave notre eacutetude bibliographique sur le domaine de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage nous avons orienteacute le travail de cette thegravese (agrave travers les chapitres suivants) de faccedilon agrave reacutepondre agrave certains des problegravemes identifieacutes dans ce domaine
Ainsi en ce qui concerne le manque de fiabiliteacute dans les travaux de validation des logiciels nous deacuteveloppons la meacutethode de validation que nous avons proposeacutee Dans ce cadre nous creacuteons une seacuterie de cas-tests en relation avec diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere traiteacutes ci-dessus Ces cas-tests sont reacutepartis en deux familles lrsquoune avec des sceacutenarios theacuteoriques et des reacutefeacuterences analytiques et lrsquoautre avec des reacutefeacuterences expeacuterimentales reacutepondant agrave des critegraveres de controcircle de qualiteacute que nous avons deacutefinis
En ce qui concerne la difficulteacute de simuler des sceacutenarios reacuteels de lumiegravere naturelle nous proposons et validons une meacutethode de simulation agrave partir des cartes de luminances reacuteelles agrave haute deacutefinition
Finalement nous proposons et nous validons une meacutethode de simulation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquoaide des luminaires eacutequivalents Cette meacutethode permet agrave la simulation de la lumiegravere de jour de beacuteneacuteficier de la preacutesence confirmeacutee des outils de simulation de la lumiegravere artificielle dans le domaine de la conception des bacirctiments Elle permet eacutegalement de surmonter un nombre de difficulteacutes rencontreacutees dans certains logiciels classiques de simulation la lumiegravere naturelle en particulier celles lieacutees agrave la preacutecision des reacutesultats par rapport au temps de calcul et agrave la simulation des masques exteacuterieurs
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Chapitre I
Reacutefeacuterences Bibliographiques 3D-LUMIEgraveRE Enquecircte sur la connaissance et lrsquoutilisation des systegravemes informatiques de simulation drsquoeacuteclairage Paris Club 3D Lumiegravere 2000 11 p ACHARD G LAFORGUE P SOUYRI B FONTOYNONT M BASTIE A MITANCHEY R Etude dun systegraveme Metrologique de Confort Radiatif Integrant lAspect Thermique et lAspect Visuel Paris 1994 60 p AFE Les sources de lumiegravere Socieacuteteacute dEdition Lux 1987 199 p AIZLEWOOD M BUTT J ISAAK K LITTLEFAIR P Daylighting in atria a comparison of measurements theory and simulation Lux Europa 1997 Amsterdam-Netherlands 1997 ANDERSEN M RUBIN M POWLES R SCARTEZZINI J L Bi-directional light transmission properties assessment for venetian blinds Computer simulations compared to photogoniometer measurements ISES Solar World Congress 2003 - Solar Energy for a Sustainable Future Gothenburg - Sweden International Solar Energy Society 2003 ANDERSEN M RUBIN M SCARTEZZINI J-L Comparison between ray-tracing simulations and bi-directional transmission measurements on prismatic glazing Solar Energy 2003 vol 74 ndeg2 pp 157-217 ANSIIESNA ANSIIESNA LM-63-02 ANSI Approved Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data and Related Information ANSIIESNA LM-63-02 2002 26 p ASE Eclairage inteacuterieur par la lumiegravere du jour Norme Suisse SN 418911 Zuumlrich Association Suisse des Electriciens 1989 ASHDOWN I Near-Field Photometry A New Approach IES 1993 vol 22 ndeg1 pp 163-180 ASHDOWN I EULUMDAT File Format Specification [en ligne] Disponible sur lthttpwwwhelios32comEulumdathtmgt (09 Mars 2004) ASHDOWN I Thinking photometrically Part II 105 Las Vegas workshop-Lightfair International 2001 42 p ASHRAE-IESNA Energy efficient design of new buildings except new low-rise residential buildings ASHRAEIES 901-1989 American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditionaing Engginers 1989 AUTODESK Lightscape 32 Users Guide 32 Autodesk 1999 352 p BALOCCO C FORASTIERE M A GRAZZINI G RIGHINI G C Experimental results of transparent reflective and absorbing propoerties of some building materials Energy and Buildings 2001 vol 33 pp 563-568
48
Chapitre I
CAROLL W L HITCHCOCK R J Recent Comparisons of SUPERLITE to Scale Model Data LBNL-43107 Lawrence Berkeley National Laboratory 1999 CHAIN C DUMORTIER D FONTOYNONT M A comprehensive model of luminance correlated colour temperature and spectral distribution of skylight Comparison with experimental data Solar Energy 1999 vol 65 ndeg5 pp 285-295 CIBSE CIBSE standard file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIBSE TM 14 London CIBSE 1988 CIE Daylight CIE-16 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1970 79 p CIE Standardization of Luminance Distribution on Clear Skies CIE-22 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1973 CIE Calculations for Interior Lighting Basic Method CIE-40 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1978 CIE Absolute Methods for Reflection Measurements CIE-44 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 CIE A Review of Publications on Properties and Reflection Values of Material Reflection Standards CIE-46 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 99 p CIE Calculations for Interior Lighting Applied Method CIE-52 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1982 CIE The Spectroradiometric Measurement of Light Sources CIE-63 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1984 CIE Colorimetry 2nd Edition CIE-152 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1986 CIE The Measurement of Absolute Luminous Intensity Distributions CIE-70 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1987 CIE The Measurement of Luminous Flux CIE-84 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1989 CIE Standard overcast and clear sky 3rd Draft Vienne Commission Internationale de LrsquoEclairage 1990 CIE Electric Light Sources State of the Art-1991 CIE-96 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1992 CIE Recommended file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIE-102 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1993 CIE Guide to Recommended Practice of Daylight Measurement CIE-108 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1994
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Chapitre I
CIE Discomfort Glare in Interior Lighting CIE-117 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1995 CIE The Photometry and Goniophotometry of Luminaires CIE-121 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE The Relationship Between Digital and Colorimetric Data for Computer-Controlled CRT Displays CIE-122 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance CIE-130 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1998 CIE Spatial distribution of daylight - CIE standard general sky Vienne Commission Internationale de lEclairage 2002 7 p COHEN M F CHEN S E WALLACE J R GREENBERG DP A progressive refinement approach to fast radiosity image generation 15th annual conference on computer graphics and interactive techniques ACM Press New York 1988 pp 75-84 DE BOER J Encorporation of numerical goniophotometry into daylighting design CISBAT 2003 Lausanne EPFL 2003 pp 229-234 DE BOER J ERHORN H Survey Simple Design Tools IEA 1999 49 p DENIEL J M Modeacutelisation des luminaires et des BRDF Reacutealisation mesure et compression Thegravese en Informatique Rennes Universiteacute de Rennes 1 2002 277 p DUMORTIER D Mesure Analyse et Modeacutelisation du gisement lumineux Application agrave leacutevaluation des performances de leacuteclairage naturel des bacirctiments Thegravese en Geacutenie Civil et Sciences de lHabitat Vaulx en Velin ENTPE Universiteacutee de Savoie 1995 295 p DUMORTIER D Lumiegravere naturelle et rayonnement solaire - Mesures au sol et estimations agrave partir dimages satellites - Deacuteveloppement de services Web pour leacuteclairage naturel des bacirctiments HDR Thermique et Energeacutetique Vaulx en Velin ENTPE 2003 161 p DUMORTIER D VAN ROY F SODA daylighting resource SODA Deliverable 53C 2002 DUMORTIER D VETRO P Luminance calibration of the Nikon 950 digital cameras Lux Europa Reykjavik 2001 ERHORN H DE BOER J DIRKSMOLLER M ADELINE - An Integrated Approach to Lighting Simulation Daylighting 98 Ottawa 1998 FOLEY D J VAN-DAM A FEINER S K HUGHES J F Computer Graphics Principles and Practice Second Edition ADDISON-WESLEY 1990 (The systems programming series
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Chapitre I
FONTOYNONT M Le point sur les meacutethodes de simulation et sur lrsquoutilisation de lrsquoimage de synthegravese en eacuteclairage LUX 1991 FONTOYNONT M LAFORGUE P MITANCHEY R AIZLEWOOD M BUTT J CARROLL W HITCHOCK R ERHORN H DE BOER J DIRKSMOumlLLER M MICHEL L PAULE B SCARTEZZINI J-L BODART M AND ROY G Validation of daylighting simulation programs IEA SHC Task 21 ECBCS Annex 29 1999 28 p GALASIU A ATIF M Applicability of Daylighting Computer Modeling in Real Case Studies Comparison between Measured and Simulated Daylight Availability and Lighting Consumption IEA SHC Task 21 IEA ECBCS Annex 29 Daylight in Buildings International Energy Agency National Research Council Canada 1998 68 p GREENUP P J EDMONDS I R COMPAGNON R RADIANCE algorithm to simulate laser-cut panel light-redirecting elements Lighting Research amp Technology 2000 vol 32 ndeg2 pp 49-54 GRYNBERG A Comparison and Validation of Radiance and Superlite Rapport interne Lawrence Berkeley National Laboratory 1988 HOPKINSON R G PETHERBRIDGE P LONGMORE J Daylighting William Heinneman Ltd London 1966 IEA-SHC Daylighting simulation Methods Algorithms and Ressources Agence Internaitonale de lEnergie - SHC 1999 IEA-SHC Measurement of Luminous Characteristics of Daylighting Materials Agence Internationale de lEnergie - SHC - Tacircche 21 1999 IESNA Calculating Coefficients of Utilisation Wall and Ceiling Cavity Exitance IES LM-57 New York Illuminating engineering Society of North America 1982 IESNA The Determination of Illuminance at a Point in Interior Spaces IES LM-43-1991 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 34 p IESNA An Introduction to Light and Lighting IES ED-50 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 51 p IESNA Lighting Handbook 8th Edition New York Illuminating engineering Society of North America 1993 IESNA IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data IESNA LM-63-95 New York Illuminating engineering Society of North America 1995 5 p IESNA 1999 IESNA Software Survey Lighting Design + Application 1999 vol 29 ndeg12 pp 39-48 JARVIS D DONN M Comparison of Computer and Model Simulations of a Daylit Interior with Reality 5th International conference on Building Performance and Simulation Association Prague Czech Republic 1997 pp 9-16
51
Chapitre I
KAJIYA J T Anisotropic Reflection Models SIGGRAPH85 San Francisco 1985 pp 15-21 KARAYEL M NAVVAB M NEEMAN E SELKOWITZ S Zenith Luminance and sky luminance distributions for daylighting calculations Energy Build 1984 vol 6 ndeg3 pp 283-291 KHODULEV A B KOPYLOV E A Physically accurate lighting simulation in computer graphics software GraphiConrsquo96 The 6th International Conference on Computer graphics and Visualization St Petersburg Russia 1996 pp 111-119 KITTLER R Standardisation of outdoor conditions for the calculation of daylight factor with clear skies Sunlight in Buinldings CIE Intercessional conference Newcastle-Upon-Tyne 1965 KLEMS J H WARNER J L Measurement of bidirectional optical properties of complex shading devices ASHRAE Symposium Chicago 1995 LESLIE R P Capturing the daylight in buildings why and how Building and Environment 2003 vol 38 pp 381-385 MAAMARI F International survey on lighting simulation tools - Light and Building 2002 IEA-SHC-Task-31 2002 7 p MAAMARI F FONTOYNONT M Use of IEA-SHC Task 21 C benchmarks to assess performance of Lightscape 32 in daylighting calculations EPIC Lyon France 2002 pp 709-714 MAAMARI F FONTOYNONT M HIRATA M KOSTER J MARTY C TRANSGRASSOULIS A Reliable Datasets for Lighting Programs Validation Benchmark results CISBAT 2003 Conference 2003 pp 6 MAAMARI F JONGEWAARD M KOSTER J TRANSGRASSOULIS A FONTOYNONT M A Step Toward A Complete And Objective Validation Methodology For Lighting Simulation Tools CIE 25th Session San Diego 2003 pp 4 MARDALJEVIC J Daylight Simulation Validation Sky Models and Daylight Coefficients Leicester UK Montfort University 2000 MARDALJEVIC J The BRE-IDMP dataset a new benchmark for the validation of illuminance prediction techniques Lighting Research and Technology 2001 vol 33 ndegISSN 1365-7828 pp 117-136 MITANCHEY R Synthegravese dimages appliqueacutee agrave leacuteclairagisme inteacuterieur des bacirctiments Thegravese en Informatique speacutecialiteacute images Saint-Etienne Leacutecole Nationale Supeacuterieure des Mines de Saint-Etienne 1996 200 p
52
Chapitre I
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Chapitre I
TREGENZA P Daylighting algorithms ETSU S 1350 UK Department of Trade and Industry on behalf of the Energy Technology Support Unit 1993 43 p TREGENZA P R WATERS I M Daylight Coefficients Lighting Research amp Technology 1983 vol 15 ndeg2 pp 65-71 TROWBRIDGE T S REITZ K P Average Irregularity Representation of a Rough Surface for Ray Reflection Opt Soc Am 1975 vol 65 ndeg5 pp 531-536 UETANI Y MATSUURA K A Method of Luminance Calculation in an Anisotropic Diffuse Reflecting Interior IESNA Annual Conference Technical Papers San Diego 1992 WARD G J The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System SIGGRAPH Computer graphics 1994 pp 459-472 WHITTED T An improved illumination model for shaded display Computer graphics amp Image processing 1980
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- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
tunnels etc Elle comprend entre autre le dimensionnement des systegravemes lrsquoanalyse du confort visuel et de la consommation etc
2 La conception en eacuteclairage naturel dimensionnement des ouvertures et des protections solaires orientation des projets analyse de lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour et eacutetudes des FLJhellip
3 Le rendu et la preacutesentation des projets par les architectes et par les deacutecorateurs drsquointeacuterieur 4 La creacuteation de scegravenes de reacutealiteacute virtuelle pour le monde du cineacutema de la publiciteacute ou des
jeux videacuteohellip 5 La conception mecircme des optiques de luminaires ou de phares de voitures
Le domaine drsquoutilisation drsquoun logiciel donneacute deacutepend des fonctionnaliteacutes proposeacutees par ce logiciel de ses capaciteacutes agrave simuler avec un certain degreacute de fiabiliteacute et de faciliteacute les diffeacuterents domaines de la propagation de la lumiegravere en relation avec les besoins de lrsquoutilisateur
Bien que les algorithmes de calcul utiliseacutes dans les logiciels se ressemblent ces derniers ne sont pas tous adapteacutes pour les mecircme types drsquoapplications et ne reacutepondent pas aux mecircmes besoins
Ainsi certains utilisateurs cherchent en prioriteacute la faciliteacute drsquoutilisation des fonctionnaliteacutes en relation avec leur propre activiteacute en deacutepit des autres fonctionnaliteacutes et mecircme parfois en deacutepit de la validiteacute des reacutesultats Drsquoailleurs crsquoest agrave cause de ce contexte que des deacuteveloppeurs de logiciels commerciaux ont tendance agrave proposer des interfaces et des fonctionnaliteacutes optimiseacutees et orienteacutees vers un domaine drsquoapplication donneacute Ainsi nous commenccedilons agrave trouver par exemple des logiciels deacutedieacutes agrave la conception de lrsquoeacuteclairage public etou des tunnels (ex Tunnel-Lite) drsquoautres agrave la conception des protections solaires (ex ParaSol) etc
Cependant il est encore difficile de nos jours agrave un concepteur de bacirctiment de savoir quel est le ou les logiciels existants qui reacutepondent le mieux agrave ses propres besoins Crsquoest ce qui ressort dans les diffeacuterentes enquecirctes meneacutees sur lrsquoutilisation des logiciels en particulier celle meneacutee par le club 3D-Lumiegravere [3D-lumiegravere 2000] et celle que nous avons meneacutee au Light and Building 2002 [Maamari 2002] (voir annexe D) Nous notons par exemple dans ces deux enquecirctes lrsquoutilisation par des concepteurs lumiegravere de logiciels graphiques (Photoshop) en tant qursquooutils de conception
I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I31 Introduction Comme son nom lrsquoindique un logiciel de simulation de lrsquoeacuteclairage est supposeacute simuler la reacutealiteacute Mais la fideacuteliteacute de la simulation agrave la reacutealiteacute est loin drsquoecirctre veacuterifieacutee pour tous les logiciels existants sur le marcheacute international
Drsquoailleurs le niveau de preacutecision et de similitude (entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage et la reacutealiteacute) exigeacute ou souhaiteacute par les diffeacuterents utilisateurs nrsquoest pas neacutecessairement le mecircme et peut varier largement selon la speacutecificiteacute de leurs domaines drsquoactiviteacute [Maamari 2002]
Ainsi pour des utilisateurs qui srsquointeacuteressent uniquement au rendu graphique une image de synthegravese reacutealiste sans ecirctre neacutecessairement proche de la reacutealiteacute peut ecirctre suffisante Pour eux la question de la validation scientifique du logiciel utiliseacute ne se pose pas trop
Alors que pour des utilisateurs qui comptent extraire drsquoune simulation des cartes de luminances pour analyser le confort visuel de lrsquooccupant la validiteacute du logiciel devient drsquoune
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Chapitre I
importance de premier ordre Ceci est eacutegalement vrai pour les concepteurs en eacuteclairage qui ont besoin de veacuterifier que le niveau drsquoeacuteclairement est suffisant sur le plan de travail
Mais quel que soit le niveau de preacutecision souhaiteacute il est important pour un futur utilisateur de savoir la preacutecision qursquoil peut attendre de la part du logiciel qursquoil souhaite utiliser pour un type donneacute de tacircches Cette information est mecircme indispensable pour aboutir agrave une utilisation responsable des logiciels de simulation mais cela ne peut ecirctre possible qursquoagrave travers une validation rigoureuse et transparente de ce logiciel
Une validation rigoureuse et transparente des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage est une tacircche immense et drsquoune complexiteacute non neacutegligeable Ce qui est vrai pour tous les logiciels baseacutes sur des lois physiques comme par exemple les logiciels de simulation thermique
Cette complexiteacute est drsquoautant plus vraie quand on srsquointeacuteresse agrave lrsquoorientation du choix des utilisateurs vers un logiciel qui reacutepond le mieux agrave leurs propres besoins Dans ce contexte on souhaite veacuterifier la capaciteacute du logiciel agrave simuler avec preacutecision les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere lieacutes au domaine drsquoutilisation mais aussi on veut comparer cette capaciteacute agrave drsquoautres logiciels existants
La multitude des aspects qui entrent en jeu dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere combineacutee agrave la diversiteacute des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage contribuent agrave cette complexiteacute
Ainsi un logiciel capable de simuler des luminaires agrave optique diffusante nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler un luminaire avec une optique asymeacutetrique De mecircme un logiciel capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour agrave travers un vitrage ordinaire nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave travers un vitrage ou un systegraveme de protection solaire agrave aspect bidirectionnel etc
Nous preacutesentons ci-dessous une eacutetude bibliographique sur lrsquoeacutetat de lrsquoart du domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I32 Diffeacuterents types de validation En ce qui concerne les types de travaux de validation reacutealiseacutes nous avons pu identifier les suivants
I321 La validation analytique La validation analytique comme son nom lrsquoindique porte sur des cas theacuteoriques pour lesquels il existe des lois analytiques Ces lois sont issues des notions de base de la science physique lieacutees au rayonnement eacutelectromagneacutetique
Les travaux de validation baseacutes sur des reacutefeacuterences analytiques sont assez rares parmi les travaux reacutealiseacutes que nous avons pu trouver lors de notre recherche bibliographique
Cependant la validation analytique preacutesente des avantages consideacuterables comme la possibiliteacute de limiter les paramegravetres lieacutes agrave la propagation de la lumiegravere qui entrent en jeu dans un sceacutenario test Nous notons aussi lrsquoavantage de donner des solutions de reacutefeacuterences avec des incertitudes nulles ou neacutegligeables
En contrepartie la validation analytique ne peut couvrir que des domaines limiteacutes de la propagation de la lumiegravere Ce sont en geacuteneacuteral des cas de figures simples pour lesquels existe une loi theacuteorique [Aizlewood 1997]
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Chapitre I
I322 La validation expeacuterimentale Dans ce type de validation les reacutesultats des logiciels sont compareacutes agrave des mesures expeacuterimentales Ces mesures peuvent ecirctre reacutealiseacutees dans
a des maquettes drsquoeacutetude agrave eacutechelle reacuteduite [Caroll 1999] b des cellules tests agrave eacutechelle 11 c ou des piegraveces reacuteelles [Galasiu 1998] [Jarvis 1997]
Quel que soit le type des mesures reacutealiseacute la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales agrave utiliser pour des travaux de validation est confronteacutee agrave des obstacles consideacuterables
Le premier est lieacute aux sources drsquoerreur introduites lors de la description du sceacutenario expeacuterimental afin de le reproduire dans une simulation numeacuterique
Lrsquoimportance de cet obstacle est aggraveacutee par la multitude des paramegravetres qui entrent en jeu dans un sceacutenario expeacuterimental et par lrsquointeraction entre les sources drsquoerreurs lieacutees agrave chacun de ces paramegravetres
A titre drsquoexemple les sources drsquoerreur peuvent survenir lors de la description de la source de lumiegravere (artificielle ou reacuteelle) lors de la description de la photomeacutetrie des mateacuteriaux (reacuteflexion bidirectionnelle caracteacuteristiques spectraleshellip) etc
Un autre obstacle est ducirc agrave lrsquoincertitude qui existe dans la valeur mesureacutee et cela quelle que soit la preacutecision du protocole expeacuterimental appliqueacute Cette incertitude est lieacutee en partie agrave la preacutecision de lrsquoappareil de mesure et agrave son positionnement
Ducirc agrave tous ces obstacles la comparaison entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique et les mesures expeacuterimentales permet difficilement de conclure sur la preacutecision du logiciel testeacute
Il est aussi important de noter qursquoun des plus grands obstacles agrave la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales fiables reste celui des moyens techniques financiers et humains neacutecessaires aux expeacuterimentations
I323 La validation comparative Elle porte sur une comparaison des reacutesultats de simulation de plusieurs logiciels entre eux Cela peut ecirctre fait avec lrsquoexistence ou non drsquoune reacutefeacuterence expeacuterimentale ou analytique
Lrsquoavantage des comparaisons est de donner la possibiliteacute aux utilisateurs de mieux choisir entre plusieurs logiciels selon leur performance dans un domaine donneacute de la simulation
Cependant lrsquoutilisation des reacutesultats drsquoune comparaison afin de juger des logiciels les uns par rapport aux autres neacutecessite un maximum de transparence en particulier sur la complexiteacute des proceacutedures et sur le temps de calcul neacutecessaire pour obtenir ces reacutesultats [Grynberg 1988] [Fontoynont 1999] [Maamari 2003]
I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes Les travaux de validation reacutealiseacutes sur des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage ne manquent pas en nombre cependant crsquoest la creacutedibiliteacute de ces travaux qui nrsquoest pas toujours veacuterifieacutee
En ce qui concerne les rares travaux de validation existants qui beacuteneacuteficient drsquoune creacutedibiliteacute scientifique ou celle drsquoun organisme agreacuteeacute nous citons les suivants
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Chapitre I
I331 Le travail de Khodulev et Kopylov Ce travail reacutealiseacute et publieacute par Andrei B Khodulev et Edward A Kopylov en 1996 [Khodulev 1996] est lrsquoun des rares travaux de validation qui ont utiliseacute une reacutefeacuterence analytique
Le travail porte sur une validation comparative entre les logiciels Lightscape Specter et Radiance Une description des trois logiciels est donneacutee portant sur plusieurs critegraveres y compris lrsquointerface utilisateur
Un des sceacutenarios utiliseacutes pour la comparaison est celui drsquoune piegravece cubique fermeacutee avec une source lumineuse isotrope au centre La comparaison porte sur lrsquoeacuteclairement au niveau des points de mesure situeacutes sur le sol La valeur de reacutefeacuterence de cet eacuteclairement est calculeacutee semi-analytiquement pour prendre en consideacuteration la composante reacutefleacutechie interne
I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE Ce rapport repreacutesente un exemple ideacuteal sur la creacuteation des donneacutees expeacuterimentales fiables pour la validation des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage [Slater 2002]
Le travail deacutecrit dans ce rapport porte sur un protocole expeacuterimental qui a eacuteteacute deacutefini et conduit drsquoune maniegravere remarquablement rigoureuse dans une cellule test agrave eacutechelle 11 Le but est de creacuteer une base de donneacutees expeacuterimentales pour la validation des logiciels de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel
Le rapport comprend une description preacutecise du sceacutenario expeacuterimental y compris les dimensions de la geacuteomeacutetrie (une piegravece carreacutee) la position des lampes ou des luminaires la position des points de mesure ainsi que le coefficient de reacuteflexion des surfaces La description du sceacutenario comprend aussi les fichiers photomeacutetriques des luminaires au format CIBSE TM 14 sachant que la photomeacutetrie reacuteelle de chaque luminaire a eacuteteacute mesureacutee seacutepareacutement dans un laboratoire agreacuteeacute
Le protocole expeacuterimental comprend un controcircle du flux lumineux agrave travers lrsquoobservation et le controcircle des fluctuations du courant eacutelectrique et de la tempeacuterature de la piegravece Les lampes et les ballasts ont eacuteteacute vieillis Les lampes ont eacuteteacute preacutechauffeacutees une heure avant les mesures
Les capteurs ont eacuteteacute calibreacutes et fixeacutes sur un trolley afin de garantir la reacutepeacutetitiviteacute de leur position Six diffeacuterentes mesures ont eacuteteacute prises pour chaque point agrave lrsquoaide de deux capteurs diffeacuterents la moyenne de ces mesures a eacuteteacute utiliseacutee comme reacutefeacuterence
Une estimation des erreurs de mesures a eacuteteacute calculeacutee ainsi que des erreurs de simulation dues agrave lrsquoincertitude dans la description du sceacutenario Les reacutesultats ont alors eacuteteacute preacutesenteacutes sous forme de deux bandes de valeurs la premiegravere bande est celle des mesures prises + ou ndash lrsquoestimation des erreurs de mesure et lrsquoautre est celle des mesures + ou ndash le total des erreurs estimeacutees y compris les erreurs de simulation
I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA Ce travail a eacuteteacute meneacute dans le cadre de la tache 21 de lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie intituleacutee lumiegravere naturelle dans les bacirctiments En effet un projet a eacuteteacute deacutedieacute au thegraveme de la validation des logiciels de calcul en eacuteclairage et a fait lrsquoobjet drsquoune collaboration entre les laboratoires de six nations diffeacuterentes parmi lesquels le Laboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Fontoynont 1999] [Maamari 2002]
Dans le cadre de ce projet des donneacutees expeacuterimentales ont eacuteteacute reacutecolteacutees agrave travers des mesures drsquoeacuteclairement agrave lrsquointeacuterieur drsquoune seacuterie de maquettes agrave eacutechelle reacuteduite placeacutees sous des ciels
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Chapitre I
artificiels Trois bacirctiments types ont eacuteteacute testeacutes sous plusieurs configurations en changeant les types drsquoouverture etou les coefficients de reacuteflexion des surfaces
Les sceacutenarios expeacuterimentaux ont eacuteteacute simuleacutes agrave lrsquoaide des logiciels drsquoeacuteclairage naturel Adeline Genelux Leso-DIAL Radiance et Superlite Les reacutesultats des simulations ont eacuteteacute compareacutes entre les diffeacuterents logiciels et confronteacutes aux mesures expeacuterimentales
Cette comparaison a montreacute que le calcul des eacuteclairements agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment dus agrave lrsquoeacuteclairage naturel demande une description minutieuse des luminances des portions de la voucircte ceacuteleste vues par la fenecirctre Les eacuteclairements directs agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment sont alors calculeacutes avec une preacutecision de lrsquoordre de 5 La preacutecision des calculs des reacuteflexions multiples agrave lrsquointeacuterieur de la piegravece deacutepend quant agrave elle des proprieacuteteacutes des surfaces inteacuterieures et en particulier de la lrsquoaspect bidirectionnel de ces surfaces
Cette eacutetude a montreacute finalement que les programmes doivent ecirctre utiliseacutes avec beaucoup de preacutecautions car les reacutesultats de simulation sont tregraves sensibles agrave la qualiteacute des hypothegraveses et des paramegravetres drsquoentreacutee description de la source de lumiegravere geacuteomeacutetrie du bacirctiment paramegravetres de simulation
I34 Analyse de la probleacutematique Drsquoapregraves la recherche bibliographique preacutesenteacutee ci-dessus sur le domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage nous pouvons reacutesumer la probleacutematique de ce domaine dans les points suivants
1 Difficulteacute drsquoaccegraves agrave lrsquoinformation Elle est due en particulier agrave lrsquoabsence de sources publiques speacutecialiseacutees dans le domaine
2 Manque de transparence Ainsi nous trouvons souvent des reacutesultats de validation preacutesenteacutes sans suffisamment drsquoinformation sur les proceacutedures qui ont abouti agrave ces reacutesultats
3 Manque de creacutedibiliteacute une partie importante des travaux de validation existants est reacutealiseacutee par les deacuteveloppeurs des logiciels testeacutes les sources drsquoincertitudes dans les valeurs de reacutefeacuterence ne sont souvent pas prises en consideacuteration etc
4 Manque de travaux concluants sur la validiteacute du logiciel testeacute Ceci est ducirc en partie agrave la complexiteacute des sceacutenarios expeacuterimentaux et agrave la restriction des domaines testeacutes Ainsi il est rarement possible drsquoidentifier avec certitude les points de faiblesse et les domaines drsquoapplication drsquoun logiciel testeacute
5 Absence de reacutefeacuterences standardiseacutees Ce qui fait qursquoun certain aspect de la propagation de la lumiegravere est testeacute dans diffeacuterents logiciels avec des protocoles diffeacuterents Ce qui ne permet pas une comparaison transparente et objective entre ces diffeacuterents logiciels
6 Manque de validations analytiques malgreacute les avantages de ce type de validation
En reacuteponse aux problegravemes listeacutes ci-dessus nous identifions en particulier le besoin drsquoune standardisation et drsquoune mise agrave disposition des reacutefeacuterences de validation fiables de preacutefeacuterence sous la garantie et le controcircle drsquoun ou plusieurs organismes creacutedibles
I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
I351 Introduction Le premier objectif qursquoon pourrait attendre des travaux de validation crsquoest de pouvoir ameacuteliorer la confiance des utilisateurs dans les logiciels de simulation A savoir qursquoameacuteliorer la confiance ne veut pas forceacutement dire lrsquoaugmenter Mais plutocirct sensibiliser les utilisateurs aux capaciteacutes et aux limites des diffeacuterents logiciels dans les diffeacuterents domaines de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Ainsi agrave travers lrsquoidentification des points de faiblesse
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Chapitre I
drsquoun logiciel et de ces domaines drsquoapplication on pourra aboutir agrave une utilisation responsable de ces logiciels
Drsquoougrave le besoin drsquoune meacutethodologie de validation qui permet de tester la capaciteacute drsquoun logiciel agrave simuler les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Cette meacutethodologie doit eacutegalement palier les deacutefaillances rencontreacutees dans le domaine agrave noter creacutedibiliteacute fiabiliteacute et accessibiliteacute
I352 Concept et approche proposeacutes Pour atteindre les objectifs fixeacutes ci-dessus la meacutethodologie de validation proposeacutee repose un concept de base qui est celui de tester seacutepareacutement les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Ceux-ci peuvent ecirctre classeacutes sous 3 grands groupes
1 La description de la source de lumiegravere et le calcul de lrsquoeacuteclairement direct 2 Le transfert du flux lumineux agrave travers les composants de la fenecirctre et lrsquoinfluence des
masques 3 Les inter-reacuteflexions sur les diffeacuterents mateacuteriaux avec diffeacuterentes photomeacutetries
Pour appliquer ce concept cette meacutethodologie de validation est baseacutee sur une seacuterie de cas-tests chacun traitant un sceacutenario drsquoeacuteclairage simple (un nombre limiteacute de paramegravetres) ougrave un certain aspect de la propagation de lumiegravere est mis en eacutevidence La description des cas-tests comprend la geacuteomeacutetrie les sources de lumiegravere ainsi qursquoune seacuterie de valeurs de reacutefeacuterence agrave utiliser pour tester la capaciteacute du logiciel agrave simuler lrsquoaspect en question Ces valeurs de reacutefeacuterence sont obtenues soit agrave lrsquoaide drsquoun calcul analytique quand crsquoest possible (pour des sceacutenarios theacuteoriques) ou bien agrave partir de mesures expeacuterimentales
Ainsi chaque cas-test est applicable agrave tout logiciel proposant des fonctionnaliteacutes lieacutees agrave lrsquoaspect traiteacute (dans ce cas-test) indeacutependamment des algorithmes utiliseacutes des meacutethodes de calcul adopteacutees ou des paramegravetres utiliseacutes
Cependant il est possible drsquoassocier agrave chaque test une eacutetude parameacutetrique propre agrave chaque logiciel Une telle eacutetude permet de mieux comprendre lrsquoinfluence des diffeacuterents paramegravetres proposeacutes sur la preacutecision du logiciel dans un aspect donneacute de la propagation de la lumiegravere
Pour une utilisation optimale de cette meacutethodologie de validation les cas-tests doivent couvrir tous les aspects de la propagation de la lumiegravere Ils seront alors utiliseacutes en tant qursquooutil unique et complet pour tester un logiciel donneacute
Une comparaison geacuteneacuterale des reacutesultats des simulations drsquoun logiciel donneacute aux valeurs de reacutefeacuterences de la seacuterie de cas-tests donnera une ideacutee claire sur les domaines ougrave le logiciel testeacute respecte ou non les lois physiques Ceci permettra agrave un utilisateur de veacuterifier si ce logiciel est compatible avec son propre domaine drsquoactiviteacute et agrave un deacuteveloppeur de veacuterifier si son logiciel a atteint les perspectives souhaiteacutees
De la mecircme faccedilon une comparaison entre les reacutesultats de diffeacuterents logiciels et les valeurs de reacutefeacuterence permet drsquooffrir une vision objective sur le logiciel qui reacutepond le mieux agrave une exigence donneacutee
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Chapitre I
Conclusions Suite agrave notre eacutetude bibliographique sur le domaine de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage nous avons orienteacute le travail de cette thegravese (agrave travers les chapitres suivants) de faccedilon agrave reacutepondre agrave certains des problegravemes identifieacutes dans ce domaine
Ainsi en ce qui concerne le manque de fiabiliteacute dans les travaux de validation des logiciels nous deacuteveloppons la meacutethode de validation que nous avons proposeacutee Dans ce cadre nous creacuteons une seacuterie de cas-tests en relation avec diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere traiteacutes ci-dessus Ces cas-tests sont reacutepartis en deux familles lrsquoune avec des sceacutenarios theacuteoriques et des reacutefeacuterences analytiques et lrsquoautre avec des reacutefeacuterences expeacuterimentales reacutepondant agrave des critegraveres de controcircle de qualiteacute que nous avons deacutefinis
En ce qui concerne la difficulteacute de simuler des sceacutenarios reacuteels de lumiegravere naturelle nous proposons et validons une meacutethode de simulation agrave partir des cartes de luminances reacuteelles agrave haute deacutefinition
Finalement nous proposons et nous validons une meacutethode de simulation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquoaide des luminaires eacutequivalents Cette meacutethode permet agrave la simulation de la lumiegravere de jour de beacuteneacuteficier de la preacutesence confirmeacutee des outils de simulation de la lumiegravere artificielle dans le domaine de la conception des bacirctiments Elle permet eacutegalement de surmonter un nombre de difficulteacutes rencontreacutees dans certains logiciels classiques de simulation la lumiegravere naturelle en particulier celles lieacutees agrave la preacutecision des reacutesultats par rapport au temps de calcul et agrave la simulation des masques exteacuterieurs
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Chapitre I
Reacutefeacuterences Bibliographiques 3D-LUMIEgraveRE Enquecircte sur la connaissance et lrsquoutilisation des systegravemes informatiques de simulation drsquoeacuteclairage Paris Club 3D Lumiegravere 2000 11 p ACHARD G LAFORGUE P SOUYRI B FONTOYNONT M BASTIE A MITANCHEY R Etude dun systegraveme Metrologique de Confort Radiatif Integrant lAspect Thermique et lAspect Visuel Paris 1994 60 p AFE Les sources de lumiegravere Socieacuteteacute dEdition Lux 1987 199 p AIZLEWOOD M BUTT J ISAAK K LITTLEFAIR P Daylighting in atria a comparison of measurements theory and simulation Lux Europa 1997 Amsterdam-Netherlands 1997 ANDERSEN M RUBIN M POWLES R SCARTEZZINI J L Bi-directional light transmission properties assessment for venetian blinds Computer simulations compared to photogoniometer measurements ISES Solar World Congress 2003 - Solar Energy for a Sustainable Future Gothenburg - Sweden International Solar Energy Society 2003 ANDERSEN M RUBIN M SCARTEZZINI J-L Comparison between ray-tracing simulations and bi-directional transmission measurements on prismatic glazing Solar Energy 2003 vol 74 ndeg2 pp 157-217 ANSIIESNA ANSIIESNA LM-63-02 ANSI Approved Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data and Related Information ANSIIESNA LM-63-02 2002 26 p ASE Eclairage inteacuterieur par la lumiegravere du jour Norme Suisse SN 418911 Zuumlrich Association Suisse des Electriciens 1989 ASHDOWN I Near-Field Photometry A New Approach IES 1993 vol 22 ndeg1 pp 163-180 ASHDOWN I EULUMDAT File Format Specification [en ligne] Disponible sur lthttpwwwhelios32comEulumdathtmgt (09 Mars 2004) ASHDOWN I Thinking photometrically Part II 105 Las Vegas workshop-Lightfair International 2001 42 p ASHRAE-IESNA Energy efficient design of new buildings except new low-rise residential buildings ASHRAEIES 901-1989 American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditionaing Engginers 1989 AUTODESK Lightscape 32 Users Guide 32 Autodesk 1999 352 p BALOCCO C FORASTIERE M A GRAZZINI G RIGHINI G C Experimental results of transparent reflective and absorbing propoerties of some building materials Energy and Buildings 2001 vol 33 pp 563-568
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Chapitre I
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Chapitre I
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Chapitre I
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Chapitre I
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52
Chapitre I
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Chapitre I
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- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
importance de premier ordre Ceci est eacutegalement vrai pour les concepteurs en eacuteclairage qui ont besoin de veacuterifier que le niveau drsquoeacuteclairement est suffisant sur le plan de travail
Mais quel que soit le niveau de preacutecision souhaiteacute il est important pour un futur utilisateur de savoir la preacutecision qursquoil peut attendre de la part du logiciel qursquoil souhaite utiliser pour un type donneacute de tacircches Cette information est mecircme indispensable pour aboutir agrave une utilisation responsable des logiciels de simulation mais cela ne peut ecirctre possible qursquoagrave travers une validation rigoureuse et transparente de ce logiciel
Une validation rigoureuse et transparente des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage est une tacircche immense et drsquoune complexiteacute non neacutegligeable Ce qui est vrai pour tous les logiciels baseacutes sur des lois physiques comme par exemple les logiciels de simulation thermique
Cette complexiteacute est drsquoautant plus vraie quand on srsquointeacuteresse agrave lrsquoorientation du choix des utilisateurs vers un logiciel qui reacutepond le mieux agrave leurs propres besoins Dans ce contexte on souhaite veacuterifier la capaciteacute du logiciel agrave simuler avec preacutecision les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere lieacutes au domaine drsquoutilisation mais aussi on veut comparer cette capaciteacute agrave drsquoautres logiciels existants
La multitude des aspects qui entrent en jeu dans un pheacutenomegravene de propagation de la lumiegravere combineacutee agrave la diversiteacute des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage contribuent agrave cette complexiteacute
Ainsi un logiciel capable de simuler des luminaires agrave optique diffusante nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler un luminaire avec une optique asymeacutetrique De mecircme un logiciel capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere du jour agrave travers un vitrage ordinaire nrsquoest pas neacutecessairement capable de simuler lrsquoentreacutee de la lumiegravere de jour agrave travers un vitrage ou un systegraveme de protection solaire agrave aspect bidirectionnel etc
Nous preacutesentons ci-dessous une eacutetude bibliographique sur lrsquoeacutetat de lrsquoart du domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
I32 Diffeacuterents types de validation En ce qui concerne les types de travaux de validation reacutealiseacutes nous avons pu identifier les suivants
I321 La validation analytique La validation analytique comme son nom lrsquoindique porte sur des cas theacuteoriques pour lesquels il existe des lois analytiques Ces lois sont issues des notions de base de la science physique lieacutees au rayonnement eacutelectromagneacutetique
Les travaux de validation baseacutes sur des reacutefeacuterences analytiques sont assez rares parmi les travaux reacutealiseacutes que nous avons pu trouver lors de notre recherche bibliographique
Cependant la validation analytique preacutesente des avantages consideacuterables comme la possibiliteacute de limiter les paramegravetres lieacutes agrave la propagation de la lumiegravere qui entrent en jeu dans un sceacutenario test Nous notons aussi lrsquoavantage de donner des solutions de reacutefeacuterences avec des incertitudes nulles ou neacutegligeables
En contrepartie la validation analytique ne peut couvrir que des domaines limiteacutes de la propagation de la lumiegravere Ce sont en geacuteneacuteral des cas de figures simples pour lesquels existe une loi theacuteorique [Aizlewood 1997]
42
Chapitre I
I322 La validation expeacuterimentale Dans ce type de validation les reacutesultats des logiciels sont compareacutes agrave des mesures expeacuterimentales Ces mesures peuvent ecirctre reacutealiseacutees dans
a des maquettes drsquoeacutetude agrave eacutechelle reacuteduite [Caroll 1999] b des cellules tests agrave eacutechelle 11 c ou des piegraveces reacuteelles [Galasiu 1998] [Jarvis 1997]
Quel que soit le type des mesures reacutealiseacute la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales agrave utiliser pour des travaux de validation est confronteacutee agrave des obstacles consideacuterables
Le premier est lieacute aux sources drsquoerreur introduites lors de la description du sceacutenario expeacuterimental afin de le reproduire dans une simulation numeacuterique
Lrsquoimportance de cet obstacle est aggraveacutee par la multitude des paramegravetres qui entrent en jeu dans un sceacutenario expeacuterimental et par lrsquointeraction entre les sources drsquoerreurs lieacutees agrave chacun de ces paramegravetres
A titre drsquoexemple les sources drsquoerreur peuvent survenir lors de la description de la source de lumiegravere (artificielle ou reacuteelle) lors de la description de la photomeacutetrie des mateacuteriaux (reacuteflexion bidirectionnelle caracteacuteristiques spectraleshellip) etc
Un autre obstacle est ducirc agrave lrsquoincertitude qui existe dans la valeur mesureacutee et cela quelle que soit la preacutecision du protocole expeacuterimental appliqueacute Cette incertitude est lieacutee en partie agrave la preacutecision de lrsquoappareil de mesure et agrave son positionnement
Ducirc agrave tous ces obstacles la comparaison entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique et les mesures expeacuterimentales permet difficilement de conclure sur la preacutecision du logiciel testeacute
Il est aussi important de noter qursquoun des plus grands obstacles agrave la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales fiables reste celui des moyens techniques financiers et humains neacutecessaires aux expeacuterimentations
I323 La validation comparative Elle porte sur une comparaison des reacutesultats de simulation de plusieurs logiciels entre eux Cela peut ecirctre fait avec lrsquoexistence ou non drsquoune reacutefeacuterence expeacuterimentale ou analytique
Lrsquoavantage des comparaisons est de donner la possibiliteacute aux utilisateurs de mieux choisir entre plusieurs logiciels selon leur performance dans un domaine donneacute de la simulation
Cependant lrsquoutilisation des reacutesultats drsquoune comparaison afin de juger des logiciels les uns par rapport aux autres neacutecessite un maximum de transparence en particulier sur la complexiteacute des proceacutedures et sur le temps de calcul neacutecessaire pour obtenir ces reacutesultats [Grynberg 1988] [Fontoynont 1999] [Maamari 2003]
I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes Les travaux de validation reacutealiseacutes sur des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage ne manquent pas en nombre cependant crsquoest la creacutedibiliteacute de ces travaux qui nrsquoest pas toujours veacuterifieacutee
En ce qui concerne les rares travaux de validation existants qui beacuteneacuteficient drsquoune creacutedibiliteacute scientifique ou celle drsquoun organisme agreacuteeacute nous citons les suivants
43
Chapitre I
I331 Le travail de Khodulev et Kopylov Ce travail reacutealiseacute et publieacute par Andrei B Khodulev et Edward A Kopylov en 1996 [Khodulev 1996] est lrsquoun des rares travaux de validation qui ont utiliseacute une reacutefeacuterence analytique
Le travail porte sur une validation comparative entre les logiciels Lightscape Specter et Radiance Une description des trois logiciels est donneacutee portant sur plusieurs critegraveres y compris lrsquointerface utilisateur
Un des sceacutenarios utiliseacutes pour la comparaison est celui drsquoune piegravece cubique fermeacutee avec une source lumineuse isotrope au centre La comparaison porte sur lrsquoeacuteclairement au niveau des points de mesure situeacutes sur le sol La valeur de reacutefeacuterence de cet eacuteclairement est calculeacutee semi-analytiquement pour prendre en consideacuteration la composante reacutefleacutechie interne
I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE Ce rapport repreacutesente un exemple ideacuteal sur la creacuteation des donneacutees expeacuterimentales fiables pour la validation des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage [Slater 2002]
Le travail deacutecrit dans ce rapport porte sur un protocole expeacuterimental qui a eacuteteacute deacutefini et conduit drsquoune maniegravere remarquablement rigoureuse dans une cellule test agrave eacutechelle 11 Le but est de creacuteer une base de donneacutees expeacuterimentales pour la validation des logiciels de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel
Le rapport comprend une description preacutecise du sceacutenario expeacuterimental y compris les dimensions de la geacuteomeacutetrie (une piegravece carreacutee) la position des lampes ou des luminaires la position des points de mesure ainsi que le coefficient de reacuteflexion des surfaces La description du sceacutenario comprend aussi les fichiers photomeacutetriques des luminaires au format CIBSE TM 14 sachant que la photomeacutetrie reacuteelle de chaque luminaire a eacuteteacute mesureacutee seacutepareacutement dans un laboratoire agreacuteeacute
Le protocole expeacuterimental comprend un controcircle du flux lumineux agrave travers lrsquoobservation et le controcircle des fluctuations du courant eacutelectrique et de la tempeacuterature de la piegravece Les lampes et les ballasts ont eacuteteacute vieillis Les lampes ont eacuteteacute preacutechauffeacutees une heure avant les mesures
Les capteurs ont eacuteteacute calibreacutes et fixeacutes sur un trolley afin de garantir la reacutepeacutetitiviteacute de leur position Six diffeacuterentes mesures ont eacuteteacute prises pour chaque point agrave lrsquoaide de deux capteurs diffeacuterents la moyenne de ces mesures a eacuteteacute utiliseacutee comme reacutefeacuterence
Une estimation des erreurs de mesures a eacuteteacute calculeacutee ainsi que des erreurs de simulation dues agrave lrsquoincertitude dans la description du sceacutenario Les reacutesultats ont alors eacuteteacute preacutesenteacutes sous forme de deux bandes de valeurs la premiegravere bande est celle des mesures prises + ou ndash lrsquoestimation des erreurs de mesure et lrsquoautre est celle des mesures + ou ndash le total des erreurs estimeacutees y compris les erreurs de simulation
I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA Ce travail a eacuteteacute meneacute dans le cadre de la tache 21 de lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie intituleacutee lumiegravere naturelle dans les bacirctiments En effet un projet a eacuteteacute deacutedieacute au thegraveme de la validation des logiciels de calcul en eacuteclairage et a fait lrsquoobjet drsquoune collaboration entre les laboratoires de six nations diffeacuterentes parmi lesquels le Laboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Fontoynont 1999] [Maamari 2002]
Dans le cadre de ce projet des donneacutees expeacuterimentales ont eacuteteacute reacutecolteacutees agrave travers des mesures drsquoeacuteclairement agrave lrsquointeacuterieur drsquoune seacuterie de maquettes agrave eacutechelle reacuteduite placeacutees sous des ciels
44
Chapitre I
artificiels Trois bacirctiments types ont eacuteteacute testeacutes sous plusieurs configurations en changeant les types drsquoouverture etou les coefficients de reacuteflexion des surfaces
Les sceacutenarios expeacuterimentaux ont eacuteteacute simuleacutes agrave lrsquoaide des logiciels drsquoeacuteclairage naturel Adeline Genelux Leso-DIAL Radiance et Superlite Les reacutesultats des simulations ont eacuteteacute compareacutes entre les diffeacuterents logiciels et confronteacutes aux mesures expeacuterimentales
Cette comparaison a montreacute que le calcul des eacuteclairements agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment dus agrave lrsquoeacuteclairage naturel demande une description minutieuse des luminances des portions de la voucircte ceacuteleste vues par la fenecirctre Les eacuteclairements directs agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment sont alors calculeacutes avec une preacutecision de lrsquoordre de 5 La preacutecision des calculs des reacuteflexions multiples agrave lrsquointeacuterieur de la piegravece deacutepend quant agrave elle des proprieacuteteacutes des surfaces inteacuterieures et en particulier de la lrsquoaspect bidirectionnel de ces surfaces
Cette eacutetude a montreacute finalement que les programmes doivent ecirctre utiliseacutes avec beaucoup de preacutecautions car les reacutesultats de simulation sont tregraves sensibles agrave la qualiteacute des hypothegraveses et des paramegravetres drsquoentreacutee description de la source de lumiegravere geacuteomeacutetrie du bacirctiment paramegravetres de simulation
I34 Analyse de la probleacutematique Drsquoapregraves la recherche bibliographique preacutesenteacutee ci-dessus sur le domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage nous pouvons reacutesumer la probleacutematique de ce domaine dans les points suivants
1 Difficulteacute drsquoaccegraves agrave lrsquoinformation Elle est due en particulier agrave lrsquoabsence de sources publiques speacutecialiseacutees dans le domaine
2 Manque de transparence Ainsi nous trouvons souvent des reacutesultats de validation preacutesenteacutes sans suffisamment drsquoinformation sur les proceacutedures qui ont abouti agrave ces reacutesultats
3 Manque de creacutedibiliteacute une partie importante des travaux de validation existants est reacutealiseacutee par les deacuteveloppeurs des logiciels testeacutes les sources drsquoincertitudes dans les valeurs de reacutefeacuterence ne sont souvent pas prises en consideacuteration etc
4 Manque de travaux concluants sur la validiteacute du logiciel testeacute Ceci est ducirc en partie agrave la complexiteacute des sceacutenarios expeacuterimentaux et agrave la restriction des domaines testeacutes Ainsi il est rarement possible drsquoidentifier avec certitude les points de faiblesse et les domaines drsquoapplication drsquoun logiciel testeacute
5 Absence de reacutefeacuterences standardiseacutees Ce qui fait qursquoun certain aspect de la propagation de la lumiegravere est testeacute dans diffeacuterents logiciels avec des protocoles diffeacuterents Ce qui ne permet pas une comparaison transparente et objective entre ces diffeacuterents logiciels
6 Manque de validations analytiques malgreacute les avantages de ce type de validation
En reacuteponse aux problegravemes listeacutes ci-dessus nous identifions en particulier le besoin drsquoune standardisation et drsquoune mise agrave disposition des reacutefeacuterences de validation fiables de preacutefeacuterence sous la garantie et le controcircle drsquoun ou plusieurs organismes creacutedibles
I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
I351 Introduction Le premier objectif qursquoon pourrait attendre des travaux de validation crsquoest de pouvoir ameacuteliorer la confiance des utilisateurs dans les logiciels de simulation A savoir qursquoameacuteliorer la confiance ne veut pas forceacutement dire lrsquoaugmenter Mais plutocirct sensibiliser les utilisateurs aux capaciteacutes et aux limites des diffeacuterents logiciels dans les diffeacuterents domaines de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Ainsi agrave travers lrsquoidentification des points de faiblesse
45
Chapitre I
drsquoun logiciel et de ces domaines drsquoapplication on pourra aboutir agrave une utilisation responsable de ces logiciels
Drsquoougrave le besoin drsquoune meacutethodologie de validation qui permet de tester la capaciteacute drsquoun logiciel agrave simuler les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Cette meacutethodologie doit eacutegalement palier les deacutefaillances rencontreacutees dans le domaine agrave noter creacutedibiliteacute fiabiliteacute et accessibiliteacute
I352 Concept et approche proposeacutes Pour atteindre les objectifs fixeacutes ci-dessus la meacutethodologie de validation proposeacutee repose un concept de base qui est celui de tester seacutepareacutement les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Ceux-ci peuvent ecirctre classeacutes sous 3 grands groupes
1 La description de la source de lumiegravere et le calcul de lrsquoeacuteclairement direct 2 Le transfert du flux lumineux agrave travers les composants de la fenecirctre et lrsquoinfluence des
masques 3 Les inter-reacuteflexions sur les diffeacuterents mateacuteriaux avec diffeacuterentes photomeacutetries
Pour appliquer ce concept cette meacutethodologie de validation est baseacutee sur une seacuterie de cas-tests chacun traitant un sceacutenario drsquoeacuteclairage simple (un nombre limiteacute de paramegravetres) ougrave un certain aspect de la propagation de lumiegravere est mis en eacutevidence La description des cas-tests comprend la geacuteomeacutetrie les sources de lumiegravere ainsi qursquoune seacuterie de valeurs de reacutefeacuterence agrave utiliser pour tester la capaciteacute du logiciel agrave simuler lrsquoaspect en question Ces valeurs de reacutefeacuterence sont obtenues soit agrave lrsquoaide drsquoun calcul analytique quand crsquoest possible (pour des sceacutenarios theacuteoriques) ou bien agrave partir de mesures expeacuterimentales
Ainsi chaque cas-test est applicable agrave tout logiciel proposant des fonctionnaliteacutes lieacutees agrave lrsquoaspect traiteacute (dans ce cas-test) indeacutependamment des algorithmes utiliseacutes des meacutethodes de calcul adopteacutees ou des paramegravetres utiliseacutes
Cependant il est possible drsquoassocier agrave chaque test une eacutetude parameacutetrique propre agrave chaque logiciel Une telle eacutetude permet de mieux comprendre lrsquoinfluence des diffeacuterents paramegravetres proposeacutes sur la preacutecision du logiciel dans un aspect donneacute de la propagation de la lumiegravere
Pour une utilisation optimale de cette meacutethodologie de validation les cas-tests doivent couvrir tous les aspects de la propagation de la lumiegravere Ils seront alors utiliseacutes en tant qursquooutil unique et complet pour tester un logiciel donneacute
Une comparaison geacuteneacuterale des reacutesultats des simulations drsquoun logiciel donneacute aux valeurs de reacutefeacuterences de la seacuterie de cas-tests donnera une ideacutee claire sur les domaines ougrave le logiciel testeacute respecte ou non les lois physiques Ceci permettra agrave un utilisateur de veacuterifier si ce logiciel est compatible avec son propre domaine drsquoactiviteacute et agrave un deacuteveloppeur de veacuterifier si son logiciel a atteint les perspectives souhaiteacutees
De la mecircme faccedilon une comparaison entre les reacutesultats de diffeacuterents logiciels et les valeurs de reacutefeacuterence permet drsquooffrir une vision objective sur le logiciel qui reacutepond le mieux agrave une exigence donneacutee
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Chapitre I
Conclusions Suite agrave notre eacutetude bibliographique sur le domaine de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage nous avons orienteacute le travail de cette thegravese (agrave travers les chapitres suivants) de faccedilon agrave reacutepondre agrave certains des problegravemes identifieacutes dans ce domaine
Ainsi en ce qui concerne le manque de fiabiliteacute dans les travaux de validation des logiciels nous deacuteveloppons la meacutethode de validation que nous avons proposeacutee Dans ce cadre nous creacuteons une seacuterie de cas-tests en relation avec diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere traiteacutes ci-dessus Ces cas-tests sont reacutepartis en deux familles lrsquoune avec des sceacutenarios theacuteoriques et des reacutefeacuterences analytiques et lrsquoautre avec des reacutefeacuterences expeacuterimentales reacutepondant agrave des critegraveres de controcircle de qualiteacute que nous avons deacutefinis
En ce qui concerne la difficulteacute de simuler des sceacutenarios reacuteels de lumiegravere naturelle nous proposons et validons une meacutethode de simulation agrave partir des cartes de luminances reacuteelles agrave haute deacutefinition
Finalement nous proposons et nous validons une meacutethode de simulation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquoaide des luminaires eacutequivalents Cette meacutethode permet agrave la simulation de la lumiegravere de jour de beacuteneacuteficier de la preacutesence confirmeacutee des outils de simulation de la lumiegravere artificielle dans le domaine de la conception des bacirctiments Elle permet eacutegalement de surmonter un nombre de difficulteacutes rencontreacutees dans certains logiciels classiques de simulation la lumiegravere naturelle en particulier celles lieacutees agrave la preacutecision des reacutesultats par rapport au temps de calcul et agrave la simulation des masques exteacuterieurs
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Chapitre I
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48
Chapitre I
CAROLL W L HITCHCOCK R J Recent Comparisons of SUPERLITE to Scale Model Data LBNL-43107 Lawrence Berkeley National Laboratory 1999 CHAIN C DUMORTIER D FONTOYNONT M A comprehensive model of luminance correlated colour temperature and spectral distribution of skylight Comparison with experimental data Solar Energy 1999 vol 65 ndeg5 pp 285-295 CIBSE CIBSE standard file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIBSE TM 14 London CIBSE 1988 CIE Daylight CIE-16 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1970 79 p CIE Standardization of Luminance Distribution on Clear Skies CIE-22 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1973 CIE Calculations for Interior Lighting Basic Method CIE-40 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1978 CIE Absolute Methods for Reflection Measurements CIE-44 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 CIE A Review of Publications on Properties and Reflection Values of Material Reflection Standards CIE-46 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 99 p CIE Calculations for Interior Lighting Applied Method CIE-52 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1982 CIE The Spectroradiometric Measurement of Light Sources CIE-63 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1984 CIE Colorimetry 2nd Edition CIE-152 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1986 CIE The Measurement of Absolute Luminous Intensity Distributions CIE-70 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1987 CIE The Measurement of Luminous Flux CIE-84 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1989 CIE Standard overcast and clear sky 3rd Draft Vienne Commission Internationale de LrsquoEclairage 1990 CIE Electric Light Sources State of the Art-1991 CIE-96 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1992 CIE Recommended file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIE-102 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1993 CIE Guide to Recommended Practice of Daylight Measurement CIE-108 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1994
49
Chapitre I
CIE Discomfort Glare in Interior Lighting CIE-117 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1995 CIE The Photometry and Goniophotometry of Luminaires CIE-121 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE The Relationship Between Digital and Colorimetric Data for Computer-Controlled CRT Displays CIE-122 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance CIE-130 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1998 CIE Spatial distribution of daylight - CIE standard general sky Vienne Commission Internationale de lEclairage 2002 7 p COHEN M F CHEN S E WALLACE J R GREENBERG DP A progressive refinement approach to fast radiosity image generation 15th annual conference on computer graphics and interactive techniques ACM Press New York 1988 pp 75-84 DE BOER J Encorporation of numerical goniophotometry into daylighting design CISBAT 2003 Lausanne EPFL 2003 pp 229-234 DE BOER J ERHORN H Survey Simple Design Tools IEA 1999 49 p DENIEL J M Modeacutelisation des luminaires et des BRDF Reacutealisation mesure et compression Thegravese en Informatique Rennes Universiteacute de Rennes 1 2002 277 p DUMORTIER D Mesure Analyse et Modeacutelisation du gisement lumineux Application agrave leacutevaluation des performances de leacuteclairage naturel des bacirctiments Thegravese en Geacutenie Civil et Sciences de lHabitat Vaulx en Velin ENTPE Universiteacutee de Savoie 1995 295 p DUMORTIER D Lumiegravere naturelle et rayonnement solaire - Mesures au sol et estimations agrave partir dimages satellites - Deacuteveloppement de services Web pour leacuteclairage naturel des bacirctiments HDR Thermique et Energeacutetique Vaulx en Velin ENTPE 2003 161 p DUMORTIER D VAN ROY F SODA daylighting resource SODA Deliverable 53C 2002 DUMORTIER D VETRO P Luminance calibration of the Nikon 950 digital cameras Lux Europa Reykjavik 2001 ERHORN H DE BOER J DIRKSMOLLER M ADELINE - An Integrated Approach to Lighting Simulation Daylighting 98 Ottawa 1998 FOLEY D J VAN-DAM A FEINER S K HUGHES J F Computer Graphics Principles and Practice Second Edition ADDISON-WESLEY 1990 (The systems programming series
50
Chapitre I
FONTOYNONT M Le point sur les meacutethodes de simulation et sur lrsquoutilisation de lrsquoimage de synthegravese en eacuteclairage LUX 1991 FONTOYNONT M LAFORGUE P MITANCHEY R AIZLEWOOD M BUTT J CARROLL W HITCHOCK R ERHORN H DE BOER J DIRKSMOumlLLER M MICHEL L PAULE B SCARTEZZINI J-L BODART M AND ROY G Validation of daylighting simulation programs IEA SHC Task 21 ECBCS Annex 29 1999 28 p GALASIU A ATIF M Applicability of Daylighting Computer Modeling in Real Case Studies Comparison between Measured and Simulated Daylight Availability and Lighting Consumption IEA SHC Task 21 IEA ECBCS Annex 29 Daylight in Buildings International Energy Agency National Research Council Canada 1998 68 p GREENUP P J EDMONDS I R COMPAGNON R RADIANCE algorithm to simulate laser-cut panel light-redirecting elements Lighting Research amp Technology 2000 vol 32 ndeg2 pp 49-54 GRYNBERG A Comparison and Validation of Radiance and Superlite Rapport interne Lawrence Berkeley National Laboratory 1988 HOPKINSON R G PETHERBRIDGE P LONGMORE J Daylighting William Heinneman Ltd London 1966 IEA-SHC Daylighting simulation Methods Algorithms and Ressources Agence Internaitonale de lEnergie - SHC 1999 IEA-SHC Measurement of Luminous Characteristics of Daylighting Materials Agence Internationale de lEnergie - SHC - Tacircche 21 1999 IESNA Calculating Coefficients of Utilisation Wall and Ceiling Cavity Exitance IES LM-57 New York Illuminating engineering Society of North America 1982 IESNA The Determination of Illuminance at a Point in Interior Spaces IES LM-43-1991 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 34 p IESNA An Introduction to Light and Lighting IES ED-50 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 51 p IESNA Lighting Handbook 8th Edition New York Illuminating engineering Society of North America 1993 IESNA IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data IESNA LM-63-95 New York Illuminating engineering Society of North America 1995 5 p IESNA 1999 IESNA Software Survey Lighting Design + Application 1999 vol 29 ndeg12 pp 39-48 JARVIS D DONN M Comparison of Computer and Model Simulations of a Daylit Interior with Reality 5th International conference on Building Performance and Simulation Association Prague Czech Republic 1997 pp 9-16
51
Chapitre I
KAJIYA J T Anisotropic Reflection Models SIGGRAPH85 San Francisco 1985 pp 15-21 KARAYEL M NAVVAB M NEEMAN E SELKOWITZ S Zenith Luminance and sky luminance distributions for daylighting calculations Energy Build 1984 vol 6 ndeg3 pp 283-291 KHODULEV A B KOPYLOV E A Physically accurate lighting simulation in computer graphics software GraphiConrsquo96 The 6th International Conference on Computer graphics and Visualization St Petersburg Russia 1996 pp 111-119 KITTLER R Standardisation of outdoor conditions for the calculation of daylight factor with clear skies Sunlight in Buinldings CIE Intercessional conference Newcastle-Upon-Tyne 1965 KLEMS J H WARNER J L Measurement of bidirectional optical properties of complex shading devices ASHRAE Symposium Chicago 1995 LESLIE R P Capturing the daylight in buildings why and how Building and Environment 2003 vol 38 pp 381-385 MAAMARI F International survey on lighting simulation tools - Light and Building 2002 IEA-SHC-Task-31 2002 7 p MAAMARI F FONTOYNONT M Use of IEA-SHC Task 21 C benchmarks to assess performance of Lightscape 32 in daylighting calculations EPIC Lyon France 2002 pp 709-714 MAAMARI F FONTOYNONT M HIRATA M KOSTER J MARTY C TRANSGRASSOULIS A Reliable Datasets for Lighting Programs Validation Benchmark results CISBAT 2003 Conference 2003 pp 6 MAAMARI F JONGEWAARD M KOSTER J TRANSGRASSOULIS A FONTOYNONT M A Step Toward A Complete And Objective Validation Methodology For Lighting Simulation Tools CIE 25th Session San Diego 2003 pp 4 MARDALJEVIC J Daylight Simulation Validation Sky Models and Daylight Coefficients Leicester UK Montfort University 2000 MARDALJEVIC J The BRE-IDMP dataset a new benchmark for the validation of illuminance prediction techniques Lighting Research and Technology 2001 vol 33 ndegISSN 1365-7828 pp 117-136 MITANCHEY R Synthegravese dimages appliqueacutee agrave leacuteclairagisme inteacuterieur des bacirctiments Thegravese en Informatique speacutecialiteacute images Saint-Etienne Leacutecole Nationale Supeacuterieure des Mines de Saint-Etienne 1996 200 p
52
Chapitre I
MITANCHEY R PERIOLE G FONTOYNONT M Goniophotometric measurements Numerical simulation for research and development applications Lighting Research and Technology 1995 vol 27 ndeg4 pp 189-196 MOON P SPENCER D E Illumination from a nonuniform sky Illum Eng 1942 vol 37 ndeg12 pp 707-726 NAKAMURA H OKI M AYASHI Y Luminance distribution of intermediate sky Light Visual Environ 1989 vol 9 ndeg1 pp 6-13 PAULE B COMPAGNON R SCARTEZZINI J L Towards a new daylighting design computer tool Right Light Three conference Newcastle upon Tyne England 1995 PEREZ R SEALS R MICHALSKY J All-Weather model for sky luminance distribution Preliminary configuration and validation Solar Energy 1993 vol 50 ndeg3 pp 235-245 REINHART C F HERKEL S The simulation of annual daylight illuminance distributions ndash a state-of-the-art comparison of six RADIANCE-based methods Energy and Buildings 2000 vol 32 ndeg167-187 ROY G HAYMAN S JULIAN W Sky Modeling from Digital Imagery ARC Project No A89530177 Sidney The University of Sidney amp Murdoch university 1998 ROY G RUCK N REID G JULIAN W Sky luminanceStandard Digital Form for modelling Lighting Research amp Technology 1995 vol 27 ndeg3 pp 161-167 SATEL-LIGHT Satel-Light the European Database for Daylight and Solar Radiation [en ligne] Disponible sur lthttpwwwsatel-lightcomgt (27 janvier 2004) SCARTEZZINI J L COMPAGNON G WARD G PAULE B Outils Informatiques en Lumiegravere Naturelle NEFF-4352 Universiteacute de Genegraveve EPFL 1993 142 p SHAREEF F M OLDHAM D J CARTER D J A computer model for predicting the daylight performance of complex parallel shading systems Building and Environment 2001 vol 36 pp 605-618 SLATER A GRAVES H Benchmarking Lighting Design Software TM 2800 London CIBSE 2002 33 p SMITH B SPIEKERMANN C SEMBER R Numerical methods for colorimetric calculations A comparison of integration methods Color Research and Application 1992 vol 17 ndeg6 STOCKMAR A Eulumdat file format CIBSEILE National Lighting Conference York 2000 STOCKMAR A W EULUMDAT ein leuchtendatenformat fur den europaischen beleuchtungplaner Tagungsband Licht 1990 pp 641-644
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Chapitre I
TREGENZA P Daylighting algorithms ETSU S 1350 UK Department of Trade and Industry on behalf of the Energy Technology Support Unit 1993 43 p TREGENZA P R WATERS I M Daylight Coefficients Lighting Research amp Technology 1983 vol 15 ndeg2 pp 65-71 TROWBRIDGE T S REITZ K P Average Irregularity Representation of a Rough Surface for Ray Reflection Opt Soc Am 1975 vol 65 ndeg5 pp 531-536 UETANI Y MATSUURA K A Method of Luminance Calculation in an Anisotropic Diffuse Reflecting Interior IESNA Annual Conference Technical Papers San Diego 1992 WARD G J The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System SIGGRAPH Computer graphics 1994 pp 459-472 WHITTED T An improved illumination model for shaded display Computer graphics amp Image processing 1980
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- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
I322 La validation expeacuterimentale Dans ce type de validation les reacutesultats des logiciels sont compareacutes agrave des mesures expeacuterimentales Ces mesures peuvent ecirctre reacutealiseacutees dans
a des maquettes drsquoeacutetude agrave eacutechelle reacuteduite [Caroll 1999] b des cellules tests agrave eacutechelle 11 c ou des piegraveces reacuteelles [Galasiu 1998] [Jarvis 1997]
Quel que soit le type des mesures reacutealiseacute la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales agrave utiliser pour des travaux de validation est confronteacutee agrave des obstacles consideacuterables
Le premier est lieacute aux sources drsquoerreur introduites lors de la description du sceacutenario expeacuterimental afin de le reproduire dans une simulation numeacuterique
Lrsquoimportance de cet obstacle est aggraveacutee par la multitude des paramegravetres qui entrent en jeu dans un sceacutenario expeacuterimental et par lrsquointeraction entre les sources drsquoerreurs lieacutees agrave chacun de ces paramegravetres
A titre drsquoexemple les sources drsquoerreur peuvent survenir lors de la description de la source de lumiegravere (artificielle ou reacuteelle) lors de la description de la photomeacutetrie des mateacuteriaux (reacuteflexion bidirectionnelle caracteacuteristiques spectraleshellip) etc
Un autre obstacle est ducirc agrave lrsquoincertitude qui existe dans la valeur mesureacutee et cela quelle que soit la preacutecision du protocole expeacuterimental appliqueacute Cette incertitude est lieacutee en partie agrave la preacutecision de lrsquoappareil de mesure et agrave son positionnement
Ducirc agrave tous ces obstacles la comparaison entre les reacutesultats drsquoune simulation numeacuterique et les mesures expeacuterimentales permet difficilement de conclure sur la preacutecision du logiciel testeacute
Il est aussi important de noter qursquoun des plus grands obstacles agrave la creacuteation de reacutefeacuterences expeacuterimentales fiables reste celui des moyens techniques financiers et humains neacutecessaires aux expeacuterimentations
I323 La validation comparative Elle porte sur une comparaison des reacutesultats de simulation de plusieurs logiciels entre eux Cela peut ecirctre fait avec lrsquoexistence ou non drsquoune reacutefeacuterence expeacuterimentale ou analytique
Lrsquoavantage des comparaisons est de donner la possibiliteacute aux utilisateurs de mieux choisir entre plusieurs logiciels selon leur performance dans un domaine donneacute de la simulation
Cependant lrsquoutilisation des reacutesultats drsquoune comparaison afin de juger des logiciels les uns par rapport aux autres neacutecessite un maximum de transparence en particulier sur la complexiteacute des proceacutedures et sur le temps de calcul neacutecessaire pour obtenir ces reacutesultats [Grynberg 1988] [Fontoynont 1999] [Maamari 2003]
I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes Les travaux de validation reacutealiseacutes sur des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage ne manquent pas en nombre cependant crsquoest la creacutedibiliteacute de ces travaux qui nrsquoest pas toujours veacuterifieacutee
En ce qui concerne les rares travaux de validation existants qui beacuteneacuteficient drsquoune creacutedibiliteacute scientifique ou celle drsquoun organisme agreacuteeacute nous citons les suivants
43
Chapitre I
I331 Le travail de Khodulev et Kopylov Ce travail reacutealiseacute et publieacute par Andrei B Khodulev et Edward A Kopylov en 1996 [Khodulev 1996] est lrsquoun des rares travaux de validation qui ont utiliseacute une reacutefeacuterence analytique
Le travail porte sur une validation comparative entre les logiciels Lightscape Specter et Radiance Une description des trois logiciels est donneacutee portant sur plusieurs critegraveres y compris lrsquointerface utilisateur
Un des sceacutenarios utiliseacutes pour la comparaison est celui drsquoune piegravece cubique fermeacutee avec une source lumineuse isotrope au centre La comparaison porte sur lrsquoeacuteclairement au niveau des points de mesure situeacutes sur le sol La valeur de reacutefeacuterence de cet eacuteclairement est calculeacutee semi-analytiquement pour prendre en consideacuteration la composante reacutefleacutechie interne
I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE Ce rapport repreacutesente un exemple ideacuteal sur la creacuteation des donneacutees expeacuterimentales fiables pour la validation des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage [Slater 2002]
Le travail deacutecrit dans ce rapport porte sur un protocole expeacuterimental qui a eacuteteacute deacutefini et conduit drsquoune maniegravere remarquablement rigoureuse dans une cellule test agrave eacutechelle 11 Le but est de creacuteer une base de donneacutees expeacuterimentales pour la validation des logiciels de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel
Le rapport comprend une description preacutecise du sceacutenario expeacuterimental y compris les dimensions de la geacuteomeacutetrie (une piegravece carreacutee) la position des lampes ou des luminaires la position des points de mesure ainsi que le coefficient de reacuteflexion des surfaces La description du sceacutenario comprend aussi les fichiers photomeacutetriques des luminaires au format CIBSE TM 14 sachant que la photomeacutetrie reacuteelle de chaque luminaire a eacuteteacute mesureacutee seacutepareacutement dans un laboratoire agreacuteeacute
Le protocole expeacuterimental comprend un controcircle du flux lumineux agrave travers lrsquoobservation et le controcircle des fluctuations du courant eacutelectrique et de la tempeacuterature de la piegravece Les lampes et les ballasts ont eacuteteacute vieillis Les lampes ont eacuteteacute preacutechauffeacutees une heure avant les mesures
Les capteurs ont eacuteteacute calibreacutes et fixeacutes sur un trolley afin de garantir la reacutepeacutetitiviteacute de leur position Six diffeacuterentes mesures ont eacuteteacute prises pour chaque point agrave lrsquoaide de deux capteurs diffeacuterents la moyenne de ces mesures a eacuteteacute utiliseacutee comme reacutefeacuterence
Une estimation des erreurs de mesures a eacuteteacute calculeacutee ainsi que des erreurs de simulation dues agrave lrsquoincertitude dans la description du sceacutenario Les reacutesultats ont alors eacuteteacute preacutesenteacutes sous forme de deux bandes de valeurs la premiegravere bande est celle des mesures prises + ou ndash lrsquoestimation des erreurs de mesure et lrsquoautre est celle des mesures + ou ndash le total des erreurs estimeacutees y compris les erreurs de simulation
I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA Ce travail a eacuteteacute meneacute dans le cadre de la tache 21 de lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie intituleacutee lumiegravere naturelle dans les bacirctiments En effet un projet a eacuteteacute deacutedieacute au thegraveme de la validation des logiciels de calcul en eacuteclairage et a fait lrsquoobjet drsquoune collaboration entre les laboratoires de six nations diffeacuterentes parmi lesquels le Laboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Fontoynont 1999] [Maamari 2002]
Dans le cadre de ce projet des donneacutees expeacuterimentales ont eacuteteacute reacutecolteacutees agrave travers des mesures drsquoeacuteclairement agrave lrsquointeacuterieur drsquoune seacuterie de maquettes agrave eacutechelle reacuteduite placeacutees sous des ciels
44
Chapitre I
artificiels Trois bacirctiments types ont eacuteteacute testeacutes sous plusieurs configurations en changeant les types drsquoouverture etou les coefficients de reacuteflexion des surfaces
Les sceacutenarios expeacuterimentaux ont eacuteteacute simuleacutes agrave lrsquoaide des logiciels drsquoeacuteclairage naturel Adeline Genelux Leso-DIAL Radiance et Superlite Les reacutesultats des simulations ont eacuteteacute compareacutes entre les diffeacuterents logiciels et confronteacutes aux mesures expeacuterimentales
Cette comparaison a montreacute que le calcul des eacuteclairements agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment dus agrave lrsquoeacuteclairage naturel demande une description minutieuse des luminances des portions de la voucircte ceacuteleste vues par la fenecirctre Les eacuteclairements directs agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment sont alors calculeacutes avec une preacutecision de lrsquoordre de 5 La preacutecision des calculs des reacuteflexions multiples agrave lrsquointeacuterieur de la piegravece deacutepend quant agrave elle des proprieacuteteacutes des surfaces inteacuterieures et en particulier de la lrsquoaspect bidirectionnel de ces surfaces
Cette eacutetude a montreacute finalement que les programmes doivent ecirctre utiliseacutes avec beaucoup de preacutecautions car les reacutesultats de simulation sont tregraves sensibles agrave la qualiteacute des hypothegraveses et des paramegravetres drsquoentreacutee description de la source de lumiegravere geacuteomeacutetrie du bacirctiment paramegravetres de simulation
I34 Analyse de la probleacutematique Drsquoapregraves la recherche bibliographique preacutesenteacutee ci-dessus sur le domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage nous pouvons reacutesumer la probleacutematique de ce domaine dans les points suivants
1 Difficulteacute drsquoaccegraves agrave lrsquoinformation Elle est due en particulier agrave lrsquoabsence de sources publiques speacutecialiseacutees dans le domaine
2 Manque de transparence Ainsi nous trouvons souvent des reacutesultats de validation preacutesenteacutes sans suffisamment drsquoinformation sur les proceacutedures qui ont abouti agrave ces reacutesultats
3 Manque de creacutedibiliteacute une partie importante des travaux de validation existants est reacutealiseacutee par les deacuteveloppeurs des logiciels testeacutes les sources drsquoincertitudes dans les valeurs de reacutefeacuterence ne sont souvent pas prises en consideacuteration etc
4 Manque de travaux concluants sur la validiteacute du logiciel testeacute Ceci est ducirc en partie agrave la complexiteacute des sceacutenarios expeacuterimentaux et agrave la restriction des domaines testeacutes Ainsi il est rarement possible drsquoidentifier avec certitude les points de faiblesse et les domaines drsquoapplication drsquoun logiciel testeacute
5 Absence de reacutefeacuterences standardiseacutees Ce qui fait qursquoun certain aspect de la propagation de la lumiegravere est testeacute dans diffeacuterents logiciels avec des protocoles diffeacuterents Ce qui ne permet pas une comparaison transparente et objective entre ces diffeacuterents logiciels
6 Manque de validations analytiques malgreacute les avantages de ce type de validation
En reacuteponse aux problegravemes listeacutes ci-dessus nous identifions en particulier le besoin drsquoune standardisation et drsquoune mise agrave disposition des reacutefeacuterences de validation fiables de preacutefeacuterence sous la garantie et le controcircle drsquoun ou plusieurs organismes creacutedibles
I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
I351 Introduction Le premier objectif qursquoon pourrait attendre des travaux de validation crsquoest de pouvoir ameacuteliorer la confiance des utilisateurs dans les logiciels de simulation A savoir qursquoameacuteliorer la confiance ne veut pas forceacutement dire lrsquoaugmenter Mais plutocirct sensibiliser les utilisateurs aux capaciteacutes et aux limites des diffeacuterents logiciels dans les diffeacuterents domaines de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Ainsi agrave travers lrsquoidentification des points de faiblesse
45
Chapitre I
drsquoun logiciel et de ces domaines drsquoapplication on pourra aboutir agrave une utilisation responsable de ces logiciels
Drsquoougrave le besoin drsquoune meacutethodologie de validation qui permet de tester la capaciteacute drsquoun logiciel agrave simuler les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Cette meacutethodologie doit eacutegalement palier les deacutefaillances rencontreacutees dans le domaine agrave noter creacutedibiliteacute fiabiliteacute et accessibiliteacute
I352 Concept et approche proposeacutes Pour atteindre les objectifs fixeacutes ci-dessus la meacutethodologie de validation proposeacutee repose un concept de base qui est celui de tester seacutepareacutement les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Ceux-ci peuvent ecirctre classeacutes sous 3 grands groupes
1 La description de la source de lumiegravere et le calcul de lrsquoeacuteclairement direct 2 Le transfert du flux lumineux agrave travers les composants de la fenecirctre et lrsquoinfluence des
masques 3 Les inter-reacuteflexions sur les diffeacuterents mateacuteriaux avec diffeacuterentes photomeacutetries
Pour appliquer ce concept cette meacutethodologie de validation est baseacutee sur une seacuterie de cas-tests chacun traitant un sceacutenario drsquoeacuteclairage simple (un nombre limiteacute de paramegravetres) ougrave un certain aspect de la propagation de lumiegravere est mis en eacutevidence La description des cas-tests comprend la geacuteomeacutetrie les sources de lumiegravere ainsi qursquoune seacuterie de valeurs de reacutefeacuterence agrave utiliser pour tester la capaciteacute du logiciel agrave simuler lrsquoaspect en question Ces valeurs de reacutefeacuterence sont obtenues soit agrave lrsquoaide drsquoun calcul analytique quand crsquoest possible (pour des sceacutenarios theacuteoriques) ou bien agrave partir de mesures expeacuterimentales
Ainsi chaque cas-test est applicable agrave tout logiciel proposant des fonctionnaliteacutes lieacutees agrave lrsquoaspect traiteacute (dans ce cas-test) indeacutependamment des algorithmes utiliseacutes des meacutethodes de calcul adopteacutees ou des paramegravetres utiliseacutes
Cependant il est possible drsquoassocier agrave chaque test une eacutetude parameacutetrique propre agrave chaque logiciel Une telle eacutetude permet de mieux comprendre lrsquoinfluence des diffeacuterents paramegravetres proposeacutes sur la preacutecision du logiciel dans un aspect donneacute de la propagation de la lumiegravere
Pour une utilisation optimale de cette meacutethodologie de validation les cas-tests doivent couvrir tous les aspects de la propagation de la lumiegravere Ils seront alors utiliseacutes en tant qursquooutil unique et complet pour tester un logiciel donneacute
Une comparaison geacuteneacuterale des reacutesultats des simulations drsquoun logiciel donneacute aux valeurs de reacutefeacuterences de la seacuterie de cas-tests donnera une ideacutee claire sur les domaines ougrave le logiciel testeacute respecte ou non les lois physiques Ceci permettra agrave un utilisateur de veacuterifier si ce logiciel est compatible avec son propre domaine drsquoactiviteacute et agrave un deacuteveloppeur de veacuterifier si son logiciel a atteint les perspectives souhaiteacutees
De la mecircme faccedilon une comparaison entre les reacutesultats de diffeacuterents logiciels et les valeurs de reacutefeacuterence permet drsquooffrir une vision objective sur le logiciel qui reacutepond le mieux agrave une exigence donneacutee
46
Chapitre I
Conclusions Suite agrave notre eacutetude bibliographique sur le domaine de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage nous avons orienteacute le travail de cette thegravese (agrave travers les chapitres suivants) de faccedilon agrave reacutepondre agrave certains des problegravemes identifieacutes dans ce domaine
Ainsi en ce qui concerne le manque de fiabiliteacute dans les travaux de validation des logiciels nous deacuteveloppons la meacutethode de validation que nous avons proposeacutee Dans ce cadre nous creacuteons une seacuterie de cas-tests en relation avec diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere traiteacutes ci-dessus Ces cas-tests sont reacutepartis en deux familles lrsquoune avec des sceacutenarios theacuteoriques et des reacutefeacuterences analytiques et lrsquoautre avec des reacutefeacuterences expeacuterimentales reacutepondant agrave des critegraveres de controcircle de qualiteacute que nous avons deacutefinis
En ce qui concerne la difficulteacute de simuler des sceacutenarios reacuteels de lumiegravere naturelle nous proposons et validons une meacutethode de simulation agrave partir des cartes de luminances reacuteelles agrave haute deacutefinition
Finalement nous proposons et nous validons une meacutethode de simulation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquoaide des luminaires eacutequivalents Cette meacutethode permet agrave la simulation de la lumiegravere de jour de beacuteneacuteficier de la preacutesence confirmeacutee des outils de simulation de la lumiegravere artificielle dans le domaine de la conception des bacirctiments Elle permet eacutegalement de surmonter un nombre de difficulteacutes rencontreacutees dans certains logiciels classiques de simulation la lumiegravere naturelle en particulier celles lieacutees agrave la preacutecision des reacutesultats par rapport au temps de calcul et agrave la simulation des masques exteacuterieurs
47
Chapitre I
Reacutefeacuterences Bibliographiques 3D-LUMIEgraveRE Enquecircte sur la connaissance et lrsquoutilisation des systegravemes informatiques de simulation drsquoeacuteclairage Paris Club 3D Lumiegravere 2000 11 p ACHARD G LAFORGUE P SOUYRI B FONTOYNONT M BASTIE A MITANCHEY R Etude dun systegraveme Metrologique de Confort Radiatif Integrant lAspect Thermique et lAspect Visuel Paris 1994 60 p AFE Les sources de lumiegravere Socieacuteteacute dEdition Lux 1987 199 p AIZLEWOOD M BUTT J ISAAK K LITTLEFAIR P Daylighting in atria a comparison of measurements theory and simulation Lux Europa 1997 Amsterdam-Netherlands 1997 ANDERSEN M RUBIN M POWLES R SCARTEZZINI J L Bi-directional light transmission properties assessment for venetian blinds Computer simulations compared to photogoniometer measurements ISES Solar World Congress 2003 - Solar Energy for a Sustainable Future Gothenburg - Sweden International Solar Energy Society 2003 ANDERSEN M RUBIN M SCARTEZZINI J-L Comparison between ray-tracing simulations and bi-directional transmission measurements on prismatic glazing Solar Energy 2003 vol 74 ndeg2 pp 157-217 ANSIIESNA ANSIIESNA LM-63-02 ANSI Approved Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data and Related Information ANSIIESNA LM-63-02 2002 26 p ASE Eclairage inteacuterieur par la lumiegravere du jour Norme Suisse SN 418911 Zuumlrich Association Suisse des Electriciens 1989 ASHDOWN I Near-Field Photometry A New Approach IES 1993 vol 22 ndeg1 pp 163-180 ASHDOWN I EULUMDAT File Format Specification [en ligne] Disponible sur lthttpwwwhelios32comEulumdathtmgt (09 Mars 2004) ASHDOWN I Thinking photometrically Part II 105 Las Vegas workshop-Lightfair International 2001 42 p ASHRAE-IESNA Energy efficient design of new buildings except new low-rise residential buildings ASHRAEIES 901-1989 American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditionaing Engginers 1989 AUTODESK Lightscape 32 Users Guide 32 Autodesk 1999 352 p BALOCCO C FORASTIERE M A GRAZZINI G RIGHINI G C Experimental results of transparent reflective and absorbing propoerties of some building materials Energy and Buildings 2001 vol 33 pp 563-568
48
Chapitre I
CAROLL W L HITCHCOCK R J Recent Comparisons of SUPERLITE to Scale Model Data LBNL-43107 Lawrence Berkeley National Laboratory 1999 CHAIN C DUMORTIER D FONTOYNONT M A comprehensive model of luminance correlated colour temperature and spectral distribution of skylight Comparison with experimental data Solar Energy 1999 vol 65 ndeg5 pp 285-295 CIBSE CIBSE standard file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIBSE TM 14 London CIBSE 1988 CIE Daylight CIE-16 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1970 79 p CIE Standardization of Luminance Distribution on Clear Skies CIE-22 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1973 CIE Calculations for Interior Lighting Basic Method CIE-40 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1978 CIE Absolute Methods for Reflection Measurements CIE-44 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 CIE A Review of Publications on Properties and Reflection Values of Material Reflection Standards CIE-46 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 99 p CIE Calculations for Interior Lighting Applied Method CIE-52 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1982 CIE The Spectroradiometric Measurement of Light Sources CIE-63 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1984 CIE Colorimetry 2nd Edition CIE-152 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1986 CIE The Measurement of Absolute Luminous Intensity Distributions CIE-70 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1987 CIE The Measurement of Luminous Flux CIE-84 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1989 CIE Standard overcast and clear sky 3rd Draft Vienne Commission Internationale de LrsquoEclairage 1990 CIE Electric Light Sources State of the Art-1991 CIE-96 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1992 CIE Recommended file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIE-102 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1993 CIE Guide to Recommended Practice of Daylight Measurement CIE-108 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1994
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Chapitre I
CIE Discomfort Glare in Interior Lighting CIE-117 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1995 CIE The Photometry and Goniophotometry of Luminaires CIE-121 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE The Relationship Between Digital and Colorimetric Data for Computer-Controlled CRT Displays CIE-122 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance CIE-130 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1998 CIE Spatial distribution of daylight - CIE standard general sky Vienne Commission Internationale de lEclairage 2002 7 p COHEN M F CHEN S E WALLACE J R GREENBERG DP A progressive refinement approach to fast radiosity image generation 15th annual conference on computer graphics and interactive techniques ACM Press New York 1988 pp 75-84 DE BOER J Encorporation of numerical goniophotometry into daylighting design CISBAT 2003 Lausanne EPFL 2003 pp 229-234 DE BOER J ERHORN H Survey Simple Design Tools IEA 1999 49 p DENIEL J M Modeacutelisation des luminaires et des BRDF Reacutealisation mesure et compression Thegravese en Informatique Rennes Universiteacute de Rennes 1 2002 277 p DUMORTIER D Mesure Analyse et Modeacutelisation du gisement lumineux Application agrave leacutevaluation des performances de leacuteclairage naturel des bacirctiments Thegravese en Geacutenie Civil et Sciences de lHabitat Vaulx en Velin ENTPE Universiteacutee de Savoie 1995 295 p DUMORTIER D Lumiegravere naturelle et rayonnement solaire - Mesures au sol et estimations agrave partir dimages satellites - Deacuteveloppement de services Web pour leacuteclairage naturel des bacirctiments HDR Thermique et Energeacutetique Vaulx en Velin ENTPE 2003 161 p DUMORTIER D VAN ROY F SODA daylighting resource SODA Deliverable 53C 2002 DUMORTIER D VETRO P Luminance calibration of the Nikon 950 digital cameras Lux Europa Reykjavik 2001 ERHORN H DE BOER J DIRKSMOLLER M ADELINE - An Integrated Approach to Lighting Simulation Daylighting 98 Ottawa 1998 FOLEY D J VAN-DAM A FEINER S K HUGHES J F Computer Graphics Principles and Practice Second Edition ADDISON-WESLEY 1990 (The systems programming series
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Chapitre I
FONTOYNONT M Le point sur les meacutethodes de simulation et sur lrsquoutilisation de lrsquoimage de synthegravese en eacuteclairage LUX 1991 FONTOYNONT M LAFORGUE P MITANCHEY R AIZLEWOOD M BUTT J CARROLL W HITCHOCK R ERHORN H DE BOER J DIRKSMOumlLLER M MICHEL L PAULE B SCARTEZZINI J-L BODART M AND ROY G Validation of daylighting simulation programs IEA SHC Task 21 ECBCS Annex 29 1999 28 p GALASIU A ATIF M Applicability of Daylighting Computer Modeling in Real Case Studies Comparison between Measured and Simulated Daylight Availability and Lighting Consumption IEA SHC Task 21 IEA ECBCS Annex 29 Daylight in Buildings International Energy Agency National Research Council Canada 1998 68 p GREENUP P J EDMONDS I R COMPAGNON R RADIANCE algorithm to simulate laser-cut panel light-redirecting elements Lighting Research amp Technology 2000 vol 32 ndeg2 pp 49-54 GRYNBERG A Comparison and Validation of Radiance and Superlite Rapport interne Lawrence Berkeley National Laboratory 1988 HOPKINSON R G PETHERBRIDGE P LONGMORE J Daylighting William Heinneman Ltd London 1966 IEA-SHC Daylighting simulation Methods Algorithms and Ressources Agence Internaitonale de lEnergie - SHC 1999 IEA-SHC Measurement of Luminous Characteristics of Daylighting Materials Agence Internationale de lEnergie - SHC - Tacircche 21 1999 IESNA Calculating Coefficients of Utilisation Wall and Ceiling Cavity Exitance IES LM-57 New York Illuminating engineering Society of North America 1982 IESNA The Determination of Illuminance at a Point in Interior Spaces IES LM-43-1991 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 34 p IESNA An Introduction to Light and Lighting IES ED-50 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 51 p IESNA Lighting Handbook 8th Edition New York Illuminating engineering Society of North America 1993 IESNA IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data IESNA LM-63-95 New York Illuminating engineering Society of North America 1995 5 p IESNA 1999 IESNA Software Survey Lighting Design + Application 1999 vol 29 ndeg12 pp 39-48 JARVIS D DONN M Comparison of Computer and Model Simulations of a Daylit Interior with Reality 5th International conference on Building Performance and Simulation Association Prague Czech Republic 1997 pp 9-16
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Chapitre I
KAJIYA J T Anisotropic Reflection Models SIGGRAPH85 San Francisco 1985 pp 15-21 KARAYEL M NAVVAB M NEEMAN E SELKOWITZ S Zenith Luminance and sky luminance distributions for daylighting calculations Energy Build 1984 vol 6 ndeg3 pp 283-291 KHODULEV A B KOPYLOV E A Physically accurate lighting simulation in computer graphics software GraphiConrsquo96 The 6th International Conference on Computer graphics and Visualization St Petersburg Russia 1996 pp 111-119 KITTLER R Standardisation of outdoor conditions for the calculation of daylight factor with clear skies Sunlight in Buinldings CIE Intercessional conference Newcastle-Upon-Tyne 1965 KLEMS J H WARNER J L Measurement of bidirectional optical properties of complex shading devices ASHRAE Symposium Chicago 1995 LESLIE R P Capturing the daylight in buildings why and how Building and Environment 2003 vol 38 pp 381-385 MAAMARI F International survey on lighting simulation tools - Light and Building 2002 IEA-SHC-Task-31 2002 7 p MAAMARI F FONTOYNONT M Use of IEA-SHC Task 21 C benchmarks to assess performance of Lightscape 32 in daylighting calculations EPIC Lyon France 2002 pp 709-714 MAAMARI F FONTOYNONT M HIRATA M KOSTER J MARTY C TRANSGRASSOULIS A Reliable Datasets for Lighting Programs Validation Benchmark results CISBAT 2003 Conference 2003 pp 6 MAAMARI F JONGEWAARD M KOSTER J TRANSGRASSOULIS A FONTOYNONT M A Step Toward A Complete And Objective Validation Methodology For Lighting Simulation Tools CIE 25th Session San Diego 2003 pp 4 MARDALJEVIC J Daylight Simulation Validation Sky Models and Daylight Coefficients Leicester UK Montfort University 2000 MARDALJEVIC J The BRE-IDMP dataset a new benchmark for the validation of illuminance prediction techniques Lighting Research and Technology 2001 vol 33 ndegISSN 1365-7828 pp 117-136 MITANCHEY R Synthegravese dimages appliqueacutee agrave leacuteclairagisme inteacuterieur des bacirctiments Thegravese en Informatique speacutecialiteacute images Saint-Etienne Leacutecole Nationale Supeacuterieure des Mines de Saint-Etienne 1996 200 p
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Chapitre I
MITANCHEY R PERIOLE G FONTOYNONT M Goniophotometric measurements Numerical simulation for research and development applications Lighting Research and Technology 1995 vol 27 ndeg4 pp 189-196 MOON P SPENCER D E Illumination from a nonuniform sky Illum Eng 1942 vol 37 ndeg12 pp 707-726 NAKAMURA H OKI M AYASHI Y Luminance distribution of intermediate sky Light Visual Environ 1989 vol 9 ndeg1 pp 6-13 PAULE B COMPAGNON R SCARTEZZINI J L Towards a new daylighting design computer tool Right Light Three conference Newcastle upon Tyne England 1995 PEREZ R SEALS R MICHALSKY J All-Weather model for sky luminance distribution Preliminary configuration and validation Solar Energy 1993 vol 50 ndeg3 pp 235-245 REINHART C F HERKEL S The simulation of annual daylight illuminance distributions ndash a state-of-the-art comparison of six RADIANCE-based methods Energy and Buildings 2000 vol 32 ndeg167-187 ROY G HAYMAN S JULIAN W Sky Modeling from Digital Imagery ARC Project No A89530177 Sidney The University of Sidney amp Murdoch university 1998 ROY G RUCK N REID G JULIAN W Sky luminanceStandard Digital Form for modelling Lighting Research amp Technology 1995 vol 27 ndeg3 pp 161-167 SATEL-LIGHT Satel-Light the European Database for Daylight and Solar Radiation [en ligne] Disponible sur lthttpwwwsatel-lightcomgt (27 janvier 2004) SCARTEZZINI J L COMPAGNON G WARD G PAULE B Outils Informatiques en Lumiegravere Naturelle NEFF-4352 Universiteacute de Genegraveve EPFL 1993 142 p SHAREEF F M OLDHAM D J CARTER D J A computer model for predicting the daylight performance of complex parallel shading systems Building and Environment 2001 vol 36 pp 605-618 SLATER A GRAVES H Benchmarking Lighting Design Software TM 2800 London CIBSE 2002 33 p SMITH B SPIEKERMANN C SEMBER R Numerical methods for colorimetric calculations A comparison of integration methods Color Research and Application 1992 vol 17 ndeg6 STOCKMAR A Eulumdat file format CIBSEILE National Lighting Conference York 2000 STOCKMAR A W EULUMDAT ein leuchtendatenformat fur den europaischen beleuchtungplaner Tagungsband Licht 1990 pp 641-644
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Chapitre I
TREGENZA P Daylighting algorithms ETSU S 1350 UK Department of Trade and Industry on behalf of the Energy Technology Support Unit 1993 43 p TREGENZA P R WATERS I M Daylight Coefficients Lighting Research amp Technology 1983 vol 15 ndeg2 pp 65-71 TROWBRIDGE T S REITZ K P Average Irregularity Representation of a Rough Surface for Ray Reflection Opt Soc Am 1975 vol 65 ndeg5 pp 531-536 UETANI Y MATSUURA K A Method of Luminance Calculation in an Anisotropic Diffuse Reflecting Interior IESNA Annual Conference Technical Papers San Diego 1992 WARD G J The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System SIGGRAPH Computer graphics 1994 pp 459-472 WHITTED T An improved illumination model for shaded display Computer graphics amp Image processing 1980
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- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
I331 Le travail de Khodulev et Kopylov Ce travail reacutealiseacute et publieacute par Andrei B Khodulev et Edward A Kopylov en 1996 [Khodulev 1996] est lrsquoun des rares travaux de validation qui ont utiliseacute une reacutefeacuterence analytique
Le travail porte sur une validation comparative entre les logiciels Lightscape Specter et Radiance Une description des trois logiciels est donneacutee portant sur plusieurs critegraveres y compris lrsquointerface utilisateur
Un des sceacutenarios utiliseacutes pour la comparaison est celui drsquoune piegravece cubique fermeacutee avec une source lumineuse isotrope au centre La comparaison porte sur lrsquoeacuteclairement au niveau des points de mesure situeacutes sur le sol La valeur de reacutefeacuterence de cet eacuteclairement est calculeacutee semi-analytiquement pour prendre en consideacuteration la composante reacutefleacutechie interne
I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE Ce rapport repreacutesente un exemple ideacuteal sur la creacuteation des donneacutees expeacuterimentales fiables pour la validation des logiciels de simulation drsquoeacuteclairage [Slater 2002]
Le travail deacutecrit dans ce rapport porte sur un protocole expeacuterimental qui a eacuteteacute deacutefini et conduit drsquoune maniegravere remarquablement rigoureuse dans une cellule test agrave eacutechelle 11 Le but est de creacuteer une base de donneacutees expeacuterimentales pour la validation des logiciels de calcul de lrsquoeacuteclairage artificiel
Le rapport comprend une description preacutecise du sceacutenario expeacuterimental y compris les dimensions de la geacuteomeacutetrie (une piegravece carreacutee) la position des lampes ou des luminaires la position des points de mesure ainsi que le coefficient de reacuteflexion des surfaces La description du sceacutenario comprend aussi les fichiers photomeacutetriques des luminaires au format CIBSE TM 14 sachant que la photomeacutetrie reacuteelle de chaque luminaire a eacuteteacute mesureacutee seacutepareacutement dans un laboratoire agreacuteeacute
Le protocole expeacuterimental comprend un controcircle du flux lumineux agrave travers lrsquoobservation et le controcircle des fluctuations du courant eacutelectrique et de la tempeacuterature de la piegravece Les lampes et les ballasts ont eacuteteacute vieillis Les lampes ont eacuteteacute preacutechauffeacutees une heure avant les mesures
Les capteurs ont eacuteteacute calibreacutes et fixeacutes sur un trolley afin de garantir la reacutepeacutetitiviteacute de leur position Six diffeacuterentes mesures ont eacuteteacute prises pour chaque point agrave lrsquoaide de deux capteurs diffeacuterents la moyenne de ces mesures a eacuteteacute utiliseacutee comme reacutefeacuterence
Une estimation des erreurs de mesures a eacuteteacute calculeacutee ainsi que des erreurs de simulation dues agrave lrsquoincertitude dans la description du sceacutenario Les reacutesultats ont alors eacuteteacute preacutesenteacutes sous forme de deux bandes de valeurs la premiegravere bande est celle des mesures prises + ou ndash lrsquoestimation des erreurs de mesure et lrsquoautre est celle des mesures + ou ndash le total des erreurs estimeacutees y compris les erreurs de simulation
I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA Ce travail a eacuteteacute meneacute dans le cadre de la tache 21 de lrsquoAgence Internationale de lrsquoEnergie intituleacutee lumiegravere naturelle dans les bacirctiments En effet un projet a eacuteteacute deacutedieacute au thegraveme de la validation des logiciels de calcul en eacuteclairage et a fait lrsquoobjet drsquoune collaboration entre les laboratoires de six nations diffeacuterentes parmi lesquels le Laboratoire des Sciences de lrsquoHabitat de lrsquoENTPE [Fontoynont 1999] [Maamari 2002]
Dans le cadre de ce projet des donneacutees expeacuterimentales ont eacuteteacute reacutecolteacutees agrave travers des mesures drsquoeacuteclairement agrave lrsquointeacuterieur drsquoune seacuterie de maquettes agrave eacutechelle reacuteduite placeacutees sous des ciels
44
Chapitre I
artificiels Trois bacirctiments types ont eacuteteacute testeacutes sous plusieurs configurations en changeant les types drsquoouverture etou les coefficients de reacuteflexion des surfaces
Les sceacutenarios expeacuterimentaux ont eacuteteacute simuleacutes agrave lrsquoaide des logiciels drsquoeacuteclairage naturel Adeline Genelux Leso-DIAL Radiance et Superlite Les reacutesultats des simulations ont eacuteteacute compareacutes entre les diffeacuterents logiciels et confronteacutes aux mesures expeacuterimentales
Cette comparaison a montreacute que le calcul des eacuteclairements agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment dus agrave lrsquoeacuteclairage naturel demande une description minutieuse des luminances des portions de la voucircte ceacuteleste vues par la fenecirctre Les eacuteclairements directs agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment sont alors calculeacutes avec une preacutecision de lrsquoordre de 5 La preacutecision des calculs des reacuteflexions multiples agrave lrsquointeacuterieur de la piegravece deacutepend quant agrave elle des proprieacuteteacutes des surfaces inteacuterieures et en particulier de la lrsquoaspect bidirectionnel de ces surfaces
Cette eacutetude a montreacute finalement que les programmes doivent ecirctre utiliseacutes avec beaucoup de preacutecautions car les reacutesultats de simulation sont tregraves sensibles agrave la qualiteacute des hypothegraveses et des paramegravetres drsquoentreacutee description de la source de lumiegravere geacuteomeacutetrie du bacirctiment paramegravetres de simulation
I34 Analyse de la probleacutematique Drsquoapregraves la recherche bibliographique preacutesenteacutee ci-dessus sur le domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage nous pouvons reacutesumer la probleacutematique de ce domaine dans les points suivants
1 Difficulteacute drsquoaccegraves agrave lrsquoinformation Elle est due en particulier agrave lrsquoabsence de sources publiques speacutecialiseacutees dans le domaine
2 Manque de transparence Ainsi nous trouvons souvent des reacutesultats de validation preacutesenteacutes sans suffisamment drsquoinformation sur les proceacutedures qui ont abouti agrave ces reacutesultats
3 Manque de creacutedibiliteacute une partie importante des travaux de validation existants est reacutealiseacutee par les deacuteveloppeurs des logiciels testeacutes les sources drsquoincertitudes dans les valeurs de reacutefeacuterence ne sont souvent pas prises en consideacuteration etc
4 Manque de travaux concluants sur la validiteacute du logiciel testeacute Ceci est ducirc en partie agrave la complexiteacute des sceacutenarios expeacuterimentaux et agrave la restriction des domaines testeacutes Ainsi il est rarement possible drsquoidentifier avec certitude les points de faiblesse et les domaines drsquoapplication drsquoun logiciel testeacute
5 Absence de reacutefeacuterences standardiseacutees Ce qui fait qursquoun certain aspect de la propagation de la lumiegravere est testeacute dans diffeacuterents logiciels avec des protocoles diffeacuterents Ce qui ne permet pas une comparaison transparente et objective entre ces diffeacuterents logiciels
6 Manque de validations analytiques malgreacute les avantages de ce type de validation
En reacuteponse aux problegravemes listeacutes ci-dessus nous identifions en particulier le besoin drsquoune standardisation et drsquoune mise agrave disposition des reacutefeacuterences de validation fiables de preacutefeacuterence sous la garantie et le controcircle drsquoun ou plusieurs organismes creacutedibles
I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
I351 Introduction Le premier objectif qursquoon pourrait attendre des travaux de validation crsquoest de pouvoir ameacuteliorer la confiance des utilisateurs dans les logiciels de simulation A savoir qursquoameacuteliorer la confiance ne veut pas forceacutement dire lrsquoaugmenter Mais plutocirct sensibiliser les utilisateurs aux capaciteacutes et aux limites des diffeacuterents logiciels dans les diffeacuterents domaines de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Ainsi agrave travers lrsquoidentification des points de faiblesse
45
Chapitre I
drsquoun logiciel et de ces domaines drsquoapplication on pourra aboutir agrave une utilisation responsable de ces logiciels
Drsquoougrave le besoin drsquoune meacutethodologie de validation qui permet de tester la capaciteacute drsquoun logiciel agrave simuler les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Cette meacutethodologie doit eacutegalement palier les deacutefaillances rencontreacutees dans le domaine agrave noter creacutedibiliteacute fiabiliteacute et accessibiliteacute
I352 Concept et approche proposeacutes Pour atteindre les objectifs fixeacutes ci-dessus la meacutethodologie de validation proposeacutee repose un concept de base qui est celui de tester seacutepareacutement les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Ceux-ci peuvent ecirctre classeacutes sous 3 grands groupes
1 La description de la source de lumiegravere et le calcul de lrsquoeacuteclairement direct 2 Le transfert du flux lumineux agrave travers les composants de la fenecirctre et lrsquoinfluence des
masques 3 Les inter-reacuteflexions sur les diffeacuterents mateacuteriaux avec diffeacuterentes photomeacutetries
Pour appliquer ce concept cette meacutethodologie de validation est baseacutee sur une seacuterie de cas-tests chacun traitant un sceacutenario drsquoeacuteclairage simple (un nombre limiteacute de paramegravetres) ougrave un certain aspect de la propagation de lumiegravere est mis en eacutevidence La description des cas-tests comprend la geacuteomeacutetrie les sources de lumiegravere ainsi qursquoune seacuterie de valeurs de reacutefeacuterence agrave utiliser pour tester la capaciteacute du logiciel agrave simuler lrsquoaspect en question Ces valeurs de reacutefeacuterence sont obtenues soit agrave lrsquoaide drsquoun calcul analytique quand crsquoest possible (pour des sceacutenarios theacuteoriques) ou bien agrave partir de mesures expeacuterimentales
Ainsi chaque cas-test est applicable agrave tout logiciel proposant des fonctionnaliteacutes lieacutees agrave lrsquoaspect traiteacute (dans ce cas-test) indeacutependamment des algorithmes utiliseacutes des meacutethodes de calcul adopteacutees ou des paramegravetres utiliseacutes
Cependant il est possible drsquoassocier agrave chaque test une eacutetude parameacutetrique propre agrave chaque logiciel Une telle eacutetude permet de mieux comprendre lrsquoinfluence des diffeacuterents paramegravetres proposeacutes sur la preacutecision du logiciel dans un aspect donneacute de la propagation de la lumiegravere
Pour une utilisation optimale de cette meacutethodologie de validation les cas-tests doivent couvrir tous les aspects de la propagation de la lumiegravere Ils seront alors utiliseacutes en tant qursquooutil unique et complet pour tester un logiciel donneacute
Une comparaison geacuteneacuterale des reacutesultats des simulations drsquoun logiciel donneacute aux valeurs de reacutefeacuterences de la seacuterie de cas-tests donnera une ideacutee claire sur les domaines ougrave le logiciel testeacute respecte ou non les lois physiques Ceci permettra agrave un utilisateur de veacuterifier si ce logiciel est compatible avec son propre domaine drsquoactiviteacute et agrave un deacuteveloppeur de veacuterifier si son logiciel a atteint les perspectives souhaiteacutees
De la mecircme faccedilon une comparaison entre les reacutesultats de diffeacuterents logiciels et les valeurs de reacutefeacuterence permet drsquooffrir une vision objective sur le logiciel qui reacutepond le mieux agrave une exigence donneacutee
46
Chapitre I
Conclusions Suite agrave notre eacutetude bibliographique sur le domaine de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage nous avons orienteacute le travail de cette thegravese (agrave travers les chapitres suivants) de faccedilon agrave reacutepondre agrave certains des problegravemes identifieacutes dans ce domaine
Ainsi en ce qui concerne le manque de fiabiliteacute dans les travaux de validation des logiciels nous deacuteveloppons la meacutethode de validation que nous avons proposeacutee Dans ce cadre nous creacuteons une seacuterie de cas-tests en relation avec diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere traiteacutes ci-dessus Ces cas-tests sont reacutepartis en deux familles lrsquoune avec des sceacutenarios theacuteoriques et des reacutefeacuterences analytiques et lrsquoautre avec des reacutefeacuterences expeacuterimentales reacutepondant agrave des critegraveres de controcircle de qualiteacute que nous avons deacutefinis
En ce qui concerne la difficulteacute de simuler des sceacutenarios reacuteels de lumiegravere naturelle nous proposons et validons une meacutethode de simulation agrave partir des cartes de luminances reacuteelles agrave haute deacutefinition
Finalement nous proposons et nous validons une meacutethode de simulation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquoaide des luminaires eacutequivalents Cette meacutethode permet agrave la simulation de la lumiegravere de jour de beacuteneacuteficier de la preacutesence confirmeacutee des outils de simulation de la lumiegravere artificielle dans le domaine de la conception des bacirctiments Elle permet eacutegalement de surmonter un nombre de difficulteacutes rencontreacutees dans certains logiciels classiques de simulation la lumiegravere naturelle en particulier celles lieacutees agrave la preacutecision des reacutesultats par rapport au temps de calcul et agrave la simulation des masques exteacuterieurs
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Chapitre I
Reacutefeacuterences Bibliographiques 3D-LUMIEgraveRE Enquecircte sur la connaissance et lrsquoutilisation des systegravemes informatiques de simulation drsquoeacuteclairage Paris Club 3D Lumiegravere 2000 11 p ACHARD G LAFORGUE P SOUYRI B FONTOYNONT M BASTIE A MITANCHEY R Etude dun systegraveme Metrologique de Confort Radiatif Integrant lAspect Thermique et lAspect Visuel Paris 1994 60 p AFE Les sources de lumiegravere Socieacuteteacute dEdition Lux 1987 199 p AIZLEWOOD M BUTT J ISAAK K LITTLEFAIR P Daylighting in atria a comparison of measurements theory and simulation Lux Europa 1997 Amsterdam-Netherlands 1997 ANDERSEN M RUBIN M POWLES R SCARTEZZINI J L Bi-directional light transmission properties assessment for venetian blinds Computer simulations compared to photogoniometer measurements ISES Solar World Congress 2003 - Solar Energy for a Sustainable Future Gothenburg - Sweden International Solar Energy Society 2003 ANDERSEN M RUBIN M SCARTEZZINI J-L Comparison between ray-tracing simulations and bi-directional transmission measurements on prismatic glazing Solar Energy 2003 vol 74 ndeg2 pp 157-217 ANSIIESNA ANSIIESNA LM-63-02 ANSI Approved Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data and Related Information ANSIIESNA LM-63-02 2002 26 p ASE Eclairage inteacuterieur par la lumiegravere du jour Norme Suisse SN 418911 Zuumlrich Association Suisse des Electriciens 1989 ASHDOWN I Near-Field Photometry A New Approach IES 1993 vol 22 ndeg1 pp 163-180 ASHDOWN I EULUMDAT File Format Specification [en ligne] Disponible sur lthttpwwwhelios32comEulumdathtmgt (09 Mars 2004) ASHDOWN I Thinking photometrically Part II 105 Las Vegas workshop-Lightfair International 2001 42 p ASHRAE-IESNA Energy efficient design of new buildings except new low-rise residential buildings ASHRAEIES 901-1989 American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditionaing Engginers 1989 AUTODESK Lightscape 32 Users Guide 32 Autodesk 1999 352 p BALOCCO C FORASTIERE M A GRAZZINI G RIGHINI G C Experimental results of transparent reflective and absorbing propoerties of some building materials Energy and Buildings 2001 vol 33 pp 563-568
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Chapitre I
CAROLL W L HITCHCOCK R J Recent Comparisons of SUPERLITE to Scale Model Data LBNL-43107 Lawrence Berkeley National Laboratory 1999 CHAIN C DUMORTIER D FONTOYNONT M A comprehensive model of luminance correlated colour temperature and spectral distribution of skylight Comparison with experimental data Solar Energy 1999 vol 65 ndeg5 pp 285-295 CIBSE CIBSE standard file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIBSE TM 14 London CIBSE 1988 CIE Daylight CIE-16 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1970 79 p CIE Standardization of Luminance Distribution on Clear Skies CIE-22 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1973 CIE Calculations for Interior Lighting Basic Method CIE-40 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1978 CIE Absolute Methods for Reflection Measurements CIE-44 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 CIE A Review of Publications on Properties and Reflection Values of Material Reflection Standards CIE-46 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 99 p CIE Calculations for Interior Lighting Applied Method CIE-52 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1982 CIE The Spectroradiometric Measurement of Light Sources CIE-63 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1984 CIE Colorimetry 2nd Edition CIE-152 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1986 CIE The Measurement of Absolute Luminous Intensity Distributions CIE-70 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1987 CIE The Measurement of Luminous Flux CIE-84 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1989 CIE Standard overcast and clear sky 3rd Draft Vienne Commission Internationale de LrsquoEclairage 1990 CIE Electric Light Sources State of the Art-1991 CIE-96 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1992 CIE Recommended file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIE-102 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1993 CIE Guide to Recommended Practice of Daylight Measurement CIE-108 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1994
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Chapitre I
CIE Discomfort Glare in Interior Lighting CIE-117 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1995 CIE The Photometry and Goniophotometry of Luminaires CIE-121 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE The Relationship Between Digital and Colorimetric Data for Computer-Controlled CRT Displays CIE-122 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance CIE-130 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1998 CIE Spatial distribution of daylight - CIE standard general sky Vienne Commission Internationale de lEclairage 2002 7 p COHEN M F CHEN S E WALLACE J R GREENBERG DP A progressive refinement approach to fast radiosity image generation 15th annual conference on computer graphics and interactive techniques ACM Press New York 1988 pp 75-84 DE BOER J Encorporation of numerical goniophotometry into daylighting design CISBAT 2003 Lausanne EPFL 2003 pp 229-234 DE BOER J ERHORN H Survey Simple Design Tools IEA 1999 49 p DENIEL J M Modeacutelisation des luminaires et des BRDF Reacutealisation mesure et compression Thegravese en Informatique Rennes Universiteacute de Rennes 1 2002 277 p DUMORTIER D Mesure Analyse et Modeacutelisation du gisement lumineux Application agrave leacutevaluation des performances de leacuteclairage naturel des bacirctiments Thegravese en Geacutenie Civil et Sciences de lHabitat Vaulx en Velin ENTPE Universiteacutee de Savoie 1995 295 p DUMORTIER D Lumiegravere naturelle et rayonnement solaire - Mesures au sol et estimations agrave partir dimages satellites - Deacuteveloppement de services Web pour leacuteclairage naturel des bacirctiments HDR Thermique et Energeacutetique Vaulx en Velin ENTPE 2003 161 p DUMORTIER D VAN ROY F SODA daylighting resource SODA Deliverable 53C 2002 DUMORTIER D VETRO P Luminance calibration of the Nikon 950 digital cameras Lux Europa Reykjavik 2001 ERHORN H DE BOER J DIRKSMOLLER M ADELINE - An Integrated Approach to Lighting Simulation Daylighting 98 Ottawa 1998 FOLEY D J VAN-DAM A FEINER S K HUGHES J F Computer Graphics Principles and Practice Second Edition ADDISON-WESLEY 1990 (The systems programming series
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Chapitre I
FONTOYNONT M Le point sur les meacutethodes de simulation et sur lrsquoutilisation de lrsquoimage de synthegravese en eacuteclairage LUX 1991 FONTOYNONT M LAFORGUE P MITANCHEY R AIZLEWOOD M BUTT J CARROLL W HITCHOCK R ERHORN H DE BOER J DIRKSMOumlLLER M MICHEL L PAULE B SCARTEZZINI J-L BODART M AND ROY G Validation of daylighting simulation programs IEA SHC Task 21 ECBCS Annex 29 1999 28 p GALASIU A ATIF M Applicability of Daylighting Computer Modeling in Real Case Studies Comparison between Measured and Simulated Daylight Availability and Lighting Consumption IEA SHC Task 21 IEA ECBCS Annex 29 Daylight in Buildings International Energy Agency National Research Council Canada 1998 68 p GREENUP P J EDMONDS I R COMPAGNON R RADIANCE algorithm to simulate laser-cut panel light-redirecting elements Lighting Research amp Technology 2000 vol 32 ndeg2 pp 49-54 GRYNBERG A Comparison and Validation of Radiance and Superlite Rapport interne Lawrence Berkeley National Laboratory 1988 HOPKINSON R G PETHERBRIDGE P LONGMORE J Daylighting William Heinneman Ltd London 1966 IEA-SHC Daylighting simulation Methods Algorithms and Ressources Agence Internaitonale de lEnergie - SHC 1999 IEA-SHC Measurement of Luminous Characteristics of Daylighting Materials Agence Internationale de lEnergie - SHC - Tacircche 21 1999 IESNA Calculating Coefficients of Utilisation Wall and Ceiling Cavity Exitance IES LM-57 New York Illuminating engineering Society of North America 1982 IESNA The Determination of Illuminance at a Point in Interior Spaces IES LM-43-1991 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 34 p IESNA An Introduction to Light and Lighting IES ED-50 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 51 p IESNA Lighting Handbook 8th Edition New York Illuminating engineering Society of North America 1993 IESNA IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data IESNA LM-63-95 New York Illuminating engineering Society of North America 1995 5 p IESNA 1999 IESNA Software Survey Lighting Design + Application 1999 vol 29 ndeg12 pp 39-48 JARVIS D DONN M Comparison of Computer and Model Simulations of a Daylit Interior with Reality 5th International conference on Building Performance and Simulation Association Prague Czech Republic 1997 pp 9-16
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Chapitre I
KAJIYA J T Anisotropic Reflection Models SIGGRAPH85 San Francisco 1985 pp 15-21 KARAYEL M NAVVAB M NEEMAN E SELKOWITZ S Zenith Luminance and sky luminance distributions for daylighting calculations Energy Build 1984 vol 6 ndeg3 pp 283-291 KHODULEV A B KOPYLOV E A Physically accurate lighting simulation in computer graphics software GraphiConrsquo96 The 6th International Conference on Computer graphics and Visualization St Petersburg Russia 1996 pp 111-119 KITTLER R Standardisation of outdoor conditions for the calculation of daylight factor with clear skies Sunlight in Buinldings CIE Intercessional conference Newcastle-Upon-Tyne 1965 KLEMS J H WARNER J L Measurement of bidirectional optical properties of complex shading devices ASHRAE Symposium Chicago 1995 LESLIE R P Capturing the daylight in buildings why and how Building and Environment 2003 vol 38 pp 381-385 MAAMARI F International survey on lighting simulation tools - Light and Building 2002 IEA-SHC-Task-31 2002 7 p MAAMARI F FONTOYNONT M Use of IEA-SHC Task 21 C benchmarks to assess performance of Lightscape 32 in daylighting calculations EPIC Lyon France 2002 pp 709-714 MAAMARI F FONTOYNONT M HIRATA M KOSTER J MARTY C TRANSGRASSOULIS A Reliable Datasets for Lighting Programs Validation Benchmark results CISBAT 2003 Conference 2003 pp 6 MAAMARI F JONGEWAARD M KOSTER J TRANSGRASSOULIS A FONTOYNONT M A Step Toward A Complete And Objective Validation Methodology For Lighting Simulation Tools CIE 25th Session San Diego 2003 pp 4 MARDALJEVIC J Daylight Simulation Validation Sky Models and Daylight Coefficients Leicester UK Montfort University 2000 MARDALJEVIC J The BRE-IDMP dataset a new benchmark for the validation of illuminance prediction techniques Lighting Research and Technology 2001 vol 33 ndegISSN 1365-7828 pp 117-136 MITANCHEY R Synthegravese dimages appliqueacutee agrave leacuteclairagisme inteacuterieur des bacirctiments Thegravese en Informatique speacutecialiteacute images Saint-Etienne Leacutecole Nationale Supeacuterieure des Mines de Saint-Etienne 1996 200 p
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Chapitre I
MITANCHEY R PERIOLE G FONTOYNONT M Goniophotometric measurements Numerical simulation for research and development applications Lighting Research and Technology 1995 vol 27 ndeg4 pp 189-196 MOON P SPENCER D E Illumination from a nonuniform sky Illum Eng 1942 vol 37 ndeg12 pp 707-726 NAKAMURA H OKI M AYASHI Y Luminance distribution of intermediate sky Light Visual Environ 1989 vol 9 ndeg1 pp 6-13 PAULE B COMPAGNON R SCARTEZZINI J L Towards a new daylighting design computer tool Right Light Three conference Newcastle upon Tyne England 1995 PEREZ R SEALS R MICHALSKY J All-Weather model for sky luminance distribution Preliminary configuration and validation Solar Energy 1993 vol 50 ndeg3 pp 235-245 REINHART C F HERKEL S The simulation of annual daylight illuminance distributions ndash a state-of-the-art comparison of six RADIANCE-based methods Energy and Buildings 2000 vol 32 ndeg167-187 ROY G HAYMAN S JULIAN W Sky Modeling from Digital Imagery ARC Project No A89530177 Sidney The University of Sidney amp Murdoch university 1998 ROY G RUCK N REID G JULIAN W Sky luminanceStandard Digital Form for modelling Lighting Research amp Technology 1995 vol 27 ndeg3 pp 161-167 SATEL-LIGHT Satel-Light the European Database for Daylight and Solar Radiation [en ligne] Disponible sur lthttpwwwsatel-lightcomgt (27 janvier 2004) SCARTEZZINI J L COMPAGNON G WARD G PAULE B Outils Informatiques en Lumiegravere Naturelle NEFF-4352 Universiteacute de Genegraveve EPFL 1993 142 p SHAREEF F M OLDHAM D J CARTER D J A computer model for predicting the daylight performance of complex parallel shading systems Building and Environment 2001 vol 36 pp 605-618 SLATER A GRAVES H Benchmarking Lighting Design Software TM 2800 London CIBSE 2002 33 p SMITH B SPIEKERMANN C SEMBER R Numerical methods for colorimetric calculations A comparison of integration methods Color Research and Application 1992 vol 17 ndeg6 STOCKMAR A Eulumdat file format CIBSEILE National Lighting Conference York 2000 STOCKMAR A W EULUMDAT ein leuchtendatenformat fur den europaischen beleuchtungplaner Tagungsband Licht 1990 pp 641-644
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Chapitre I
TREGENZA P Daylighting algorithms ETSU S 1350 UK Department of Trade and Industry on behalf of the Energy Technology Support Unit 1993 43 p TREGENZA P R WATERS I M Daylight Coefficients Lighting Research amp Technology 1983 vol 15 ndeg2 pp 65-71 TROWBRIDGE T S REITZ K P Average Irregularity Representation of a Rough Surface for Ray Reflection Opt Soc Am 1975 vol 65 ndeg5 pp 531-536 UETANI Y MATSUURA K A Method of Luminance Calculation in an Anisotropic Diffuse Reflecting Interior IESNA Annual Conference Technical Papers San Diego 1992 WARD G J The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System SIGGRAPH Computer graphics 1994 pp 459-472 WHITTED T An improved illumination model for shaded display Computer graphics amp Image processing 1980
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- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
artificiels Trois bacirctiments types ont eacuteteacute testeacutes sous plusieurs configurations en changeant les types drsquoouverture etou les coefficients de reacuteflexion des surfaces
Les sceacutenarios expeacuterimentaux ont eacuteteacute simuleacutes agrave lrsquoaide des logiciels drsquoeacuteclairage naturel Adeline Genelux Leso-DIAL Radiance et Superlite Les reacutesultats des simulations ont eacuteteacute compareacutes entre les diffeacuterents logiciels et confronteacutes aux mesures expeacuterimentales
Cette comparaison a montreacute que le calcul des eacuteclairements agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment dus agrave lrsquoeacuteclairage naturel demande une description minutieuse des luminances des portions de la voucircte ceacuteleste vues par la fenecirctre Les eacuteclairements directs agrave lrsquointeacuterieur du bacirctiment sont alors calculeacutes avec une preacutecision de lrsquoordre de 5 La preacutecision des calculs des reacuteflexions multiples agrave lrsquointeacuterieur de la piegravece deacutepend quant agrave elle des proprieacuteteacutes des surfaces inteacuterieures et en particulier de la lrsquoaspect bidirectionnel de ces surfaces
Cette eacutetude a montreacute finalement que les programmes doivent ecirctre utiliseacutes avec beaucoup de preacutecautions car les reacutesultats de simulation sont tregraves sensibles agrave la qualiteacute des hypothegraveses et des paramegravetres drsquoentreacutee description de la source de lumiegravere geacuteomeacutetrie du bacirctiment paramegravetres de simulation
I34 Analyse de la probleacutematique Drsquoapregraves la recherche bibliographique preacutesenteacutee ci-dessus sur le domaine de la validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage nous pouvons reacutesumer la probleacutematique de ce domaine dans les points suivants
1 Difficulteacute drsquoaccegraves agrave lrsquoinformation Elle est due en particulier agrave lrsquoabsence de sources publiques speacutecialiseacutees dans le domaine
2 Manque de transparence Ainsi nous trouvons souvent des reacutesultats de validation preacutesenteacutes sans suffisamment drsquoinformation sur les proceacutedures qui ont abouti agrave ces reacutesultats
3 Manque de creacutedibiliteacute une partie importante des travaux de validation existants est reacutealiseacutee par les deacuteveloppeurs des logiciels testeacutes les sources drsquoincertitudes dans les valeurs de reacutefeacuterence ne sont souvent pas prises en consideacuteration etc
4 Manque de travaux concluants sur la validiteacute du logiciel testeacute Ceci est ducirc en partie agrave la complexiteacute des sceacutenarios expeacuterimentaux et agrave la restriction des domaines testeacutes Ainsi il est rarement possible drsquoidentifier avec certitude les points de faiblesse et les domaines drsquoapplication drsquoun logiciel testeacute
5 Absence de reacutefeacuterences standardiseacutees Ce qui fait qursquoun certain aspect de la propagation de la lumiegravere est testeacute dans diffeacuterents logiciels avec des protocoles diffeacuterents Ce qui ne permet pas une comparaison transparente et objective entre ces diffeacuterents logiciels
6 Manque de validations analytiques malgreacute les avantages de ce type de validation
En reacuteponse aux problegravemes listeacutes ci-dessus nous identifions en particulier le besoin drsquoune standardisation et drsquoune mise agrave disposition des reacutefeacuterences de validation fiables de preacutefeacuterence sous la garantie et le controcircle drsquoun ou plusieurs organismes creacutedibles
I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
I351 Introduction Le premier objectif qursquoon pourrait attendre des travaux de validation crsquoest de pouvoir ameacuteliorer la confiance des utilisateurs dans les logiciels de simulation A savoir qursquoameacuteliorer la confiance ne veut pas forceacutement dire lrsquoaugmenter Mais plutocirct sensibiliser les utilisateurs aux capaciteacutes et aux limites des diffeacuterents logiciels dans les diffeacuterents domaines de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage Ainsi agrave travers lrsquoidentification des points de faiblesse
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Chapitre I
drsquoun logiciel et de ces domaines drsquoapplication on pourra aboutir agrave une utilisation responsable de ces logiciels
Drsquoougrave le besoin drsquoune meacutethodologie de validation qui permet de tester la capaciteacute drsquoun logiciel agrave simuler les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Cette meacutethodologie doit eacutegalement palier les deacutefaillances rencontreacutees dans le domaine agrave noter creacutedibiliteacute fiabiliteacute et accessibiliteacute
I352 Concept et approche proposeacutes Pour atteindre les objectifs fixeacutes ci-dessus la meacutethodologie de validation proposeacutee repose un concept de base qui est celui de tester seacutepareacutement les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Ceux-ci peuvent ecirctre classeacutes sous 3 grands groupes
1 La description de la source de lumiegravere et le calcul de lrsquoeacuteclairement direct 2 Le transfert du flux lumineux agrave travers les composants de la fenecirctre et lrsquoinfluence des
masques 3 Les inter-reacuteflexions sur les diffeacuterents mateacuteriaux avec diffeacuterentes photomeacutetries
Pour appliquer ce concept cette meacutethodologie de validation est baseacutee sur une seacuterie de cas-tests chacun traitant un sceacutenario drsquoeacuteclairage simple (un nombre limiteacute de paramegravetres) ougrave un certain aspect de la propagation de lumiegravere est mis en eacutevidence La description des cas-tests comprend la geacuteomeacutetrie les sources de lumiegravere ainsi qursquoune seacuterie de valeurs de reacutefeacuterence agrave utiliser pour tester la capaciteacute du logiciel agrave simuler lrsquoaspect en question Ces valeurs de reacutefeacuterence sont obtenues soit agrave lrsquoaide drsquoun calcul analytique quand crsquoest possible (pour des sceacutenarios theacuteoriques) ou bien agrave partir de mesures expeacuterimentales
Ainsi chaque cas-test est applicable agrave tout logiciel proposant des fonctionnaliteacutes lieacutees agrave lrsquoaspect traiteacute (dans ce cas-test) indeacutependamment des algorithmes utiliseacutes des meacutethodes de calcul adopteacutees ou des paramegravetres utiliseacutes
Cependant il est possible drsquoassocier agrave chaque test une eacutetude parameacutetrique propre agrave chaque logiciel Une telle eacutetude permet de mieux comprendre lrsquoinfluence des diffeacuterents paramegravetres proposeacutes sur la preacutecision du logiciel dans un aspect donneacute de la propagation de la lumiegravere
Pour une utilisation optimale de cette meacutethodologie de validation les cas-tests doivent couvrir tous les aspects de la propagation de la lumiegravere Ils seront alors utiliseacutes en tant qursquooutil unique et complet pour tester un logiciel donneacute
Une comparaison geacuteneacuterale des reacutesultats des simulations drsquoun logiciel donneacute aux valeurs de reacutefeacuterences de la seacuterie de cas-tests donnera une ideacutee claire sur les domaines ougrave le logiciel testeacute respecte ou non les lois physiques Ceci permettra agrave un utilisateur de veacuterifier si ce logiciel est compatible avec son propre domaine drsquoactiviteacute et agrave un deacuteveloppeur de veacuterifier si son logiciel a atteint les perspectives souhaiteacutees
De la mecircme faccedilon une comparaison entre les reacutesultats de diffeacuterents logiciels et les valeurs de reacutefeacuterence permet drsquooffrir une vision objective sur le logiciel qui reacutepond le mieux agrave une exigence donneacutee
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Chapitre I
Conclusions Suite agrave notre eacutetude bibliographique sur le domaine de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage nous avons orienteacute le travail de cette thegravese (agrave travers les chapitres suivants) de faccedilon agrave reacutepondre agrave certains des problegravemes identifieacutes dans ce domaine
Ainsi en ce qui concerne le manque de fiabiliteacute dans les travaux de validation des logiciels nous deacuteveloppons la meacutethode de validation que nous avons proposeacutee Dans ce cadre nous creacuteons une seacuterie de cas-tests en relation avec diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere traiteacutes ci-dessus Ces cas-tests sont reacutepartis en deux familles lrsquoune avec des sceacutenarios theacuteoriques et des reacutefeacuterences analytiques et lrsquoautre avec des reacutefeacuterences expeacuterimentales reacutepondant agrave des critegraveres de controcircle de qualiteacute que nous avons deacutefinis
En ce qui concerne la difficulteacute de simuler des sceacutenarios reacuteels de lumiegravere naturelle nous proposons et validons une meacutethode de simulation agrave partir des cartes de luminances reacuteelles agrave haute deacutefinition
Finalement nous proposons et nous validons une meacutethode de simulation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquoaide des luminaires eacutequivalents Cette meacutethode permet agrave la simulation de la lumiegravere de jour de beacuteneacuteficier de la preacutesence confirmeacutee des outils de simulation de la lumiegravere artificielle dans le domaine de la conception des bacirctiments Elle permet eacutegalement de surmonter un nombre de difficulteacutes rencontreacutees dans certains logiciels classiques de simulation la lumiegravere naturelle en particulier celles lieacutees agrave la preacutecision des reacutesultats par rapport au temps de calcul et agrave la simulation des masques exteacuterieurs
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Chapitre I
Reacutefeacuterences Bibliographiques 3D-LUMIEgraveRE Enquecircte sur la connaissance et lrsquoutilisation des systegravemes informatiques de simulation drsquoeacuteclairage Paris Club 3D Lumiegravere 2000 11 p ACHARD G LAFORGUE P SOUYRI B FONTOYNONT M BASTIE A MITANCHEY R Etude dun systegraveme Metrologique de Confort Radiatif Integrant lAspect Thermique et lAspect Visuel Paris 1994 60 p AFE Les sources de lumiegravere Socieacuteteacute dEdition Lux 1987 199 p AIZLEWOOD M BUTT J ISAAK K LITTLEFAIR P Daylighting in atria a comparison of measurements theory and simulation Lux Europa 1997 Amsterdam-Netherlands 1997 ANDERSEN M RUBIN M POWLES R SCARTEZZINI J L Bi-directional light transmission properties assessment for venetian blinds Computer simulations compared to photogoniometer measurements ISES Solar World Congress 2003 - Solar Energy for a Sustainable Future Gothenburg - Sweden International Solar Energy Society 2003 ANDERSEN M RUBIN M SCARTEZZINI J-L Comparison between ray-tracing simulations and bi-directional transmission measurements on prismatic glazing Solar Energy 2003 vol 74 ndeg2 pp 157-217 ANSIIESNA ANSIIESNA LM-63-02 ANSI Approved Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data and Related Information ANSIIESNA LM-63-02 2002 26 p ASE Eclairage inteacuterieur par la lumiegravere du jour Norme Suisse SN 418911 Zuumlrich Association Suisse des Electriciens 1989 ASHDOWN I Near-Field Photometry A New Approach IES 1993 vol 22 ndeg1 pp 163-180 ASHDOWN I EULUMDAT File Format Specification [en ligne] Disponible sur lthttpwwwhelios32comEulumdathtmgt (09 Mars 2004) ASHDOWN I Thinking photometrically Part II 105 Las Vegas workshop-Lightfair International 2001 42 p ASHRAE-IESNA Energy efficient design of new buildings except new low-rise residential buildings ASHRAEIES 901-1989 American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditionaing Engginers 1989 AUTODESK Lightscape 32 Users Guide 32 Autodesk 1999 352 p BALOCCO C FORASTIERE M A GRAZZINI G RIGHINI G C Experimental results of transparent reflective and absorbing propoerties of some building materials Energy and Buildings 2001 vol 33 pp 563-568
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Chapitre I
CAROLL W L HITCHCOCK R J Recent Comparisons of SUPERLITE to Scale Model Data LBNL-43107 Lawrence Berkeley National Laboratory 1999 CHAIN C DUMORTIER D FONTOYNONT M A comprehensive model of luminance correlated colour temperature and spectral distribution of skylight Comparison with experimental data Solar Energy 1999 vol 65 ndeg5 pp 285-295 CIBSE CIBSE standard file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIBSE TM 14 London CIBSE 1988 CIE Daylight CIE-16 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1970 79 p CIE Standardization of Luminance Distribution on Clear Skies CIE-22 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1973 CIE Calculations for Interior Lighting Basic Method CIE-40 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1978 CIE Absolute Methods for Reflection Measurements CIE-44 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 CIE A Review of Publications on Properties and Reflection Values of Material Reflection Standards CIE-46 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 99 p CIE Calculations for Interior Lighting Applied Method CIE-52 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1982 CIE The Spectroradiometric Measurement of Light Sources CIE-63 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1984 CIE Colorimetry 2nd Edition CIE-152 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1986 CIE The Measurement of Absolute Luminous Intensity Distributions CIE-70 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1987 CIE The Measurement of Luminous Flux CIE-84 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1989 CIE Standard overcast and clear sky 3rd Draft Vienne Commission Internationale de LrsquoEclairage 1990 CIE Electric Light Sources State of the Art-1991 CIE-96 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1992 CIE Recommended file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIE-102 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1993 CIE Guide to Recommended Practice of Daylight Measurement CIE-108 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1994
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Chapitre I
CIE Discomfort Glare in Interior Lighting CIE-117 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1995 CIE The Photometry and Goniophotometry of Luminaires CIE-121 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE The Relationship Between Digital and Colorimetric Data for Computer-Controlled CRT Displays CIE-122 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance CIE-130 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1998 CIE Spatial distribution of daylight - CIE standard general sky Vienne Commission Internationale de lEclairage 2002 7 p COHEN M F CHEN S E WALLACE J R GREENBERG DP A progressive refinement approach to fast radiosity image generation 15th annual conference on computer graphics and interactive techniques ACM Press New York 1988 pp 75-84 DE BOER J Encorporation of numerical goniophotometry into daylighting design CISBAT 2003 Lausanne EPFL 2003 pp 229-234 DE BOER J ERHORN H Survey Simple Design Tools IEA 1999 49 p DENIEL J M Modeacutelisation des luminaires et des BRDF Reacutealisation mesure et compression Thegravese en Informatique Rennes Universiteacute de Rennes 1 2002 277 p DUMORTIER D Mesure Analyse et Modeacutelisation du gisement lumineux Application agrave leacutevaluation des performances de leacuteclairage naturel des bacirctiments Thegravese en Geacutenie Civil et Sciences de lHabitat Vaulx en Velin ENTPE Universiteacutee de Savoie 1995 295 p DUMORTIER D Lumiegravere naturelle et rayonnement solaire - Mesures au sol et estimations agrave partir dimages satellites - Deacuteveloppement de services Web pour leacuteclairage naturel des bacirctiments HDR Thermique et Energeacutetique Vaulx en Velin ENTPE 2003 161 p DUMORTIER D VAN ROY F SODA daylighting resource SODA Deliverable 53C 2002 DUMORTIER D VETRO P Luminance calibration of the Nikon 950 digital cameras Lux Europa Reykjavik 2001 ERHORN H DE BOER J DIRKSMOLLER M ADELINE - An Integrated Approach to Lighting Simulation Daylighting 98 Ottawa 1998 FOLEY D J VAN-DAM A FEINER S K HUGHES J F Computer Graphics Principles and Practice Second Edition ADDISON-WESLEY 1990 (The systems programming series
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Chapitre I
FONTOYNONT M Le point sur les meacutethodes de simulation et sur lrsquoutilisation de lrsquoimage de synthegravese en eacuteclairage LUX 1991 FONTOYNONT M LAFORGUE P MITANCHEY R AIZLEWOOD M BUTT J CARROLL W HITCHOCK R ERHORN H DE BOER J DIRKSMOumlLLER M MICHEL L PAULE B SCARTEZZINI J-L BODART M AND ROY G Validation of daylighting simulation programs IEA SHC Task 21 ECBCS Annex 29 1999 28 p GALASIU A ATIF M Applicability of Daylighting Computer Modeling in Real Case Studies Comparison between Measured and Simulated Daylight Availability and Lighting Consumption IEA SHC Task 21 IEA ECBCS Annex 29 Daylight in Buildings International Energy Agency National Research Council Canada 1998 68 p GREENUP P J EDMONDS I R COMPAGNON R RADIANCE algorithm to simulate laser-cut panel light-redirecting elements Lighting Research amp Technology 2000 vol 32 ndeg2 pp 49-54 GRYNBERG A Comparison and Validation of Radiance and Superlite Rapport interne Lawrence Berkeley National Laboratory 1988 HOPKINSON R G PETHERBRIDGE P LONGMORE J Daylighting William Heinneman Ltd London 1966 IEA-SHC Daylighting simulation Methods Algorithms and Ressources Agence Internaitonale de lEnergie - SHC 1999 IEA-SHC Measurement of Luminous Characteristics of Daylighting Materials Agence Internationale de lEnergie - SHC - Tacircche 21 1999 IESNA Calculating Coefficients of Utilisation Wall and Ceiling Cavity Exitance IES LM-57 New York Illuminating engineering Society of North America 1982 IESNA The Determination of Illuminance at a Point in Interior Spaces IES LM-43-1991 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 34 p IESNA An Introduction to Light and Lighting IES ED-50 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 51 p IESNA Lighting Handbook 8th Edition New York Illuminating engineering Society of North America 1993 IESNA IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data IESNA LM-63-95 New York Illuminating engineering Society of North America 1995 5 p IESNA 1999 IESNA Software Survey Lighting Design + Application 1999 vol 29 ndeg12 pp 39-48 JARVIS D DONN M Comparison of Computer and Model Simulations of a Daylit Interior with Reality 5th International conference on Building Performance and Simulation Association Prague Czech Republic 1997 pp 9-16
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Chapitre I
KAJIYA J T Anisotropic Reflection Models SIGGRAPH85 San Francisco 1985 pp 15-21 KARAYEL M NAVVAB M NEEMAN E SELKOWITZ S Zenith Luminance and sky luminance distributions for daylighting calculations Energy Build 1984 vol 6 ndeg3 pp 283-291 KHODULEV A B KOPYLOV E A Physically accurate lighting simulation in computer graphics software GraphiConrsquo96 The 6th International Conference on Computer graphics and Visualization St Petersburg Russia 1996 pp 111-119 KITTLER R Standardisation of outdoor conditions for the calculation of daylight factor with clear skies Sunlight in Buinldings CIE Intercessional conference Newcastle-Upon-Tyne 1965 KLEMS J H WARNER J L Measurement of bidirectional optical properties of complex shading devices ASHRAE Symposium Chicago 1995 LESLIE R P Capturing the daylight in buildings why and how Building and Environment 2003 vol 38 pp 381-385 MAAMARI F International survey on lighting simulation tools - Light and Building 2002 IEA-SHC-Task-31 2002 7 p MAAMARI F FONTOYNONT M Use of IEA-SHC Task 21 C benchmarks to assess performance of Lightscape 32 in daylighting calculations EPIC Lyon France 2002 pp 709-714 MAAMARI F FONTOYNONT M HIRATA M KOSTER J MARTY C TRANSGRASSOULIS A Reliable Datasets for Lighting Programs Validation Benchmark results CISBAT 2003 Conference 2003 pp 6 MAAMARI F JONGEWAARD M KOSTER J TRANSGRASSOULIS A FONTOYNONT M A Step Toward A Complete And Objective Validation Methodology For Lighting Simulation Tools CIE 25th Session San Diego 2003 pp 4 MARDALJEVIC J Daylight Simulation Validation Sky Models and Daylight Coefficients Leicester UK Montfort University 2000 MARDALJEVIC J The BRE-IDMP dataset a new benchmark for the validation of illuminance prediction techniques Lighting Research and Technology 2001 vol 33 ndegISSN 1365-7828 pp 117-136 MITANCHEY R Synthegravese dimages appliqueacutee agrave leacuteclairagisme inteacuterieur des bacirctiments Thegravese en Informatique speacutecialiteacute images Saint-Etienne Leacutecole Nationale Supeacuterieure des Mines de Saint-Etienne 1996 200 p
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Chapitre I
MITANCHEY R PERIOLE G FONTOYNONT M Goniophotometric measurements Numerical simulation for research and development applications Lighting Research and Technology 1995 vol 27 ndeg4 pp 189-196 MOON P SPENCER D E Illumination from a nonuniform sky Illum Eng 1942 vol 37 ndeg12 pp 707-726 NAKAMURA H OKI M AYASHI Y Luminance distribution of intermediate sky Light Visual Environ 1989 vol 9 ndeg1 pp 6-13 PAULE B COMPAGNON R SCARTEZZINI J L Towards a new daylighting design computer tool Right Light Three conference Newcastle upon Tyne England 1995 PEREZ R SEALS R MICHALSKY J All-Weather model for sky luminance distribution Preliminary configuration and validation Solar Energy 1993 vol 50 ndeg3 pp 235-245 REINHART C F HERKEL S The simulation of annual daylight illuminance distributions ndash a state-of-the-art comparison of six RADIANCE-based methods Energy and Buildings 2000 vol 32 ndeg167-187 ROY G HAYMAN S JULIAN W Sky Modeling from Digital Imagery ARC Project No A89530177 Sidney The University of Sidney amp Murdoch university 1998 ROY G RUCK N REID G JULIAN W Sky luminanceStandard Digital Form for modelling Lighting Research amp Technology 1995 vol 27 ndeg3 pp 161-167 SATEL-LIGHT Satel-Light the European Database for Daylight and Solar Radiation [en ligne] Disponible sur lthttpwwwsatel-lightcomgt (27 janvier 2004) SCARTEZZINI J L COMPAGNON G WARD G PAULE B Outils Informatiques en Lumiegravere Naturelle NEFF-4352 Universiteacute de Genegraveve EPFL 1993 142 p SHAREEF F M OLDHAM D J CARTER D J A computer model for predicting the daylight performance of complex parallel shading systems Building and Environment 2001 vol 36 pp 605-618 SLATER A GRAVES H Benchmarking Lighting Design Software TM 2800 London CIBSE 2002 33 p SMITH B SPIEKERMANN C SEMBER R Numerical methods for colorimetric calculations A comparison of integration methods Color Research and Application 1992 vol 17 ndeg6 STOCKMAR A Eulumdat file format CIBSEILE National Lighting Conference York 2000 STOCKMAR A W EULUMDAT ein leuchtendatenformat fur den europaischen beleuchtungplaner Tagungsband Licht 1990 pp 641-644
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Chapitre I
TREGENZA P Daylighting algorithms ETSU S 1350 UK Department of Trade and Industry on behalf of the Energy Technology Support Unit 1993 43 p TREGENZA P R WATERS I M Daylight Coefficients Lighting Research amp Technology 1983 vol 15 ndeg2 pp 65-71 TROWBRIDGE T S REITZ K P Average Irregularity Representation of a Rough Surface for Ray Reflection Opt Soc Am 1975 vol 65 ndeg5 pp 531-536 UETANI Y MATSUURA K A Method of Luminance Calculation in an Anisotropic Diffuse Reflecting Interior IESNA Annual Conference Technical Papers San Diego 1992 WARD G J The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System SIGGRAPH Computer graphics 1994 pp 459-472 WHITTED T An improved illumination model for shaded display Computer graphics amp Image processing 1980
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- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
drsquoun logiciel et de ces domaines drsquoapplication on pourra aboutir agrave une utilisation responsable de ces logiciels
Drsquoougrave le besoin drsquoune meacutethodologie de validation qui permet de tester la capaciteacute drsquoun logiciel agrave simuler les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Cette meacutethodologie doit eacutegalement palier les deacutefaillances rencontreacutees dans le domaine agrave noter creacutedibiliteacute fiabiliteacute et accessibiliteacute
I352 Concept et approche proposeacutes Pour atteindre les objectifs fixeacutes ci-dessus la meacutethodologie de validation proposeacutee repose un concept de base qui est celui de tester seacutepareacutement les diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere Ceux-ci peuvent ecirctre classeacutes sous 3 grands groupes
1 La description de la source de lumiegravere et le calcul de lrsquoeacuteclairement direct 2 Le transfert du flux lumineux agrave travers les composants de la fenecirctre et lrsquoinfluence des
masques 3 Les inter-reacuteflexions sur les diffeacuterents mateacuteriaux avec diffeacuterentes photomeacutetries
Pour appliquer ce concept cette meacutethodologie de validation est baseacutee sur une seacuterie de cas-tests chacun traitant un sceacutenario drsquoeacuteclairage simple (un nombre limiteacute de paramegravetres) ougrave un certain aspect de la propagation de lumiegravere est mis en eacutevidence La description des cas-tests comprend la geacuteomeacutetrie les sources de lumiegravere ainsi qursquoune seacuterie de valeurs de reacutefeacuterence agrave utiliser pour tester la capaciteacute du logiciel agrave simuler lrsquoaspect en question Ces valeurs de reacutefeacuterence sont obtenues soit agrave lrsquoaide drsquoun calcul analytique quand crsquoest possible (pour des sceacutenarios theacuteoriques) ou bien agrave partir de mesures expeacuterimentales
Ainsi chaque cas-test est applicable agrave tout logiciel proposant des fonctionnaliteacutes lieacutees agrave lrsquoaspect traiteacute (dans ce cas-test) indeacutependamment des algorithmes utiliseacutes des meacutethodes de calcul adopteacutees ou des paramegravetres utiliseacutes
Cependant il est possible drsquoassocier agrave chaque test une eacutetude parameacutetrique propre agrave chaque logiciel Une telle eacutetude permet de mieux comprendre lrsquoinfluence des diffeacuterents paramegravetres proposeacutes sur la preacutecision du logiciel dans un aspect donneacute de la propagation de la lumiegravere
Pour une utilisation optimale de cette meacutethodologie de validation les cas-tests doivent couvrir tous les aspects de la propagation de la lumiegravere Ils seront alors utiliseacutes en tant qursquooutil unique et complet pour tester un logiciel donneacute
Une comparaison geacuteneacuterale des reacutesultats des simulations drsquoun logiciel donneacute aux valeurs de reacutefeacuterences de la seacuterie de cas-tests donnera une ideacutee claire sur les domaines ougrave le logiciel testeacute respecte ou non les lois physiques Ceci permettra agrave un utilisateur de veacuterifier si ce logiciel est compatible avec son propre domaine drsquoactiviteacute et agrave un deacuteveloppeur de veacuterifier si son logiciel a atteint les perspectives souhaiteacutees
De la mecircme faccedilon une comparaison entre les reacutesultats de diffeacuterents logiciels et les valeurs de reacutefeacuterence permet drsquooffrir une vision objective sur le logiciel qui reacutepond le mieux agrave une exigence donneacutee
46
Chapitre I
Conclusions Suite agrave notre eacutetude bibliographique sur le domaine de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage nous avons orienteacute le travail de cette thegravese (agrave travers les chapitres suivants) de faccedilon agrave reacutepondre agrave certains des problegravemes identifieacutes dans ce domaine
Ainsi en ce qui concerne le manque de fiabiliteacute dans les travaux de validation des logiciels nous deacuteveloppons la meacutethode de validation que nous avons proposeacutee Dans ce cadre nous creacuteons une seacuterie de cas-tests en relation avec diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere traiteacutes ci-dessus Ces cas-tests sont reacutepartis en deux familles lrsquoune avec des sceacutenarios theacuteoriques et des reacutefeacuterences analytiques et lrsquoautre avec des reacutefeacuterences expeacuterimentales reacutepondant agrave des critegraveres de controcircle de qualiteacute que nous avons deacutefinis
En ce qui concerne la difficulteacute de simuler des sceacutenarios reacuteels de lumiegravere naturelle nous proposons et validons une meacutethode de simulation agrave partir des cartes de luminances reacuteelles agrave haute deacutefinition
Finalement nous proposons et nous validons une meacutethode de simulation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquoaide des luminaires eacutequivalents Cette meacutethode permet agrave la simulation de la lumiegravere de jour de beacuteneacuteficier de la preacutesence confirmeacutee des outils de simulation de la lumiegravere artificielle dans le domaine de la conception des bacirctiments Elle permet eacutegalement de surmonter un nombre de difficulteacutes rencontreacutees dans certains logiciels classiques de simulation la lumiegravere naturelle en particulier celles lieacutees agrave la preacutecision des reacutesultats par rapport au temps de calcul et agrave la simulation des masques exteacuterieurs
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Chapitre I
Reacutefeacuterences Bibliographiques 3D-LUMIEgraveRE Enquecircte sur la connaissance et lrsquoutilisation des systegravemes informatiques de simulation drsquoeacuteclairage Paris Club 3D Lumiegravere 2000 11 p ACHARD G LAFORGUE P SOUYRI B FONTOYNONT M BASTIE A MITANCHEY R Etude dun systegraveme Metrologique de Confort Radiatif Integrant lAspect Thermique et lAspect Visuel Paris 1994 60 p AFE Les sources de lumiegravere Socieacuteteacute dEdition Lux 1987 199 p AIZLEWOOD M BUTT J ISAAK K LITTLEFAIR P Daylighting in atria a comparison of measurements theory and simulation Lux Europa 1997 Amsterdam-Netherlands 1997 ANDERSEN M RUBIN M POWLES R SCARTEZZINI J L Bi-directional light transmission properties assessment for venetian blinds Computer simulations compared to photogoniometer measurements ISES Solar World Congress 2003 - Solar Energy for a Sustainable Future Gothenburg - Sweden International Solar Energy Society 2003 ANDERSEN M RUBIN M SCARTEZZINI J-L Comparison between ray-tracing simulations and bi-directional transmission measurements on prismatic glazing Solar Energy 2003 vol 74 ndeg2 pp 157-217 ANSIIESNA ANSIIESNA LM-63-02 ANSI Approved Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data and Related Information ANSIIESNA LM-63-02 2002 26 p ASE Eclairage inteacuterieur par la lumiegravere du jour Norme Suisse SN 418911 Zuumlrich Association Suisse des Electriciens 1989 ASHDOWN I Near-Field Photometry A New Approach IES 1993 vol 22 ndeg1 pp 163-180 ASHDOWN I EULUMDAT File Format Specification [en ligne] Disponible sur lthttpwwwhelios32comEulumdathtmgt (09 Mars 2004) ASHDOWN I Thinking photometrically Part II 105 Las Vegas workshop-Lightfair International 2001 42 p ASHRAE-IESNA Energy efficient design of new buildings except new low-rise residential buildings ASHRAEIES 901-1989 American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditionaing Engginers 1989 AUTODESK Lightscape 32 Users Guide 32 Autodesk 1999 352 p BALOCCO C FORASTIERE M A GRAZZINI G RIGHINI G C Experimental results of transparent reflective and absorbing propoerties of some building materials Energy and Buildings 2001 vol 33 pp 563-568
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Chapitre I
CAROLL W L HITCHCOCK R J Recent Comparisons of SUPERLITE to Scale Model Data LBNL-43107 Lawrence Berkeley National Laboratory 1999 CHAIN C DUMORTIER D FONTOYNONT M A comprehensive model of luminance correlated colour temperature and spectral distribution of skylight Comparison with experimental data Solar Energy 1999 vol 65 ndeg5 pp 285-295 CIBSE CIBSE standard file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIBSE TM 14 London CIBSE 1988 CIE Daylight CIE-16 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1970 79 p CIE Standardization of Luminance Distribution on Clear Skies CIE-22 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1973 CIE Calculations for Interior Lighting Basic Method CIE-40 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1978 CIE Absolute Methods for Reflection Measurements CIE-44 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 CIE A Review of Publications on Properties and Reflection Values of Material Reflection Standards CIE-46 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 99 p CIE Calculations for Interior Lighting Applied Method CIE-52 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1982 CIE The Spectroradiometric Measurement of Light Sources CIE-63 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1984 CIE Colorimetry 2nd Edition CIE-152 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1986 CIE The Measurement of Absolute Luminous Intensity Distributions CIE-70 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1987 CIE The Measurement of Luminous Flux CIE-84 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1989 CIE Standard overcast and clear sky 3rd Draft Vienne Commission Internationale de LrsquoEclairage 1990 CIE Electric Light Sources State of the Art-1991 CIE-96 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1992 CIE Recommended file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIE-102 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1993 CIE Guide to Recommended Practice of Daylight Measurement CIE-108 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1994
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Chapitre I
CIE Discomfort Glare in Interior Lighting CIE-117 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1995 CIE The Photometry and Goniophotometry of Luminaires CIE-121 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE The Relationship Between Digital and Colorimetric Data for Computer-Controlled CRT Displays CIE-122 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance CIE-130 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1998 CIE Spatial distribution of daylight - CIE standard general sky Vienne Commission Internationale de lEclairage 2002 7 p COHEN M F CHEN S E WALLACE J R GREENBERG DP A progressive refinement approach to fast radiosity image generation 15th annual conference on computer graphics and interactive techniques ACM Press New York 1988 pp 75-84 DE BOER J Encorporation of numerical goniophotometry into daylighting design CISBAT 2003 Lausanne EPFL 2003 pp 229-234 DE BOER J ERHORN H Survey Simple Design Tools IEA 1999 49 p DENIEL J M Modeacutelisation des luminaires et des BRDF Reacutealisation mesure et compression Thegravese en Informatique Rennes Universiteacute de Rennes 1 2002 277 p DUMORTIER D Mesure Analyse et Modeacutelisation du gisement lumineux Application agrave leacutevaluation des performances de leacuteclairage naturel des bacirctiments Thegravese en Geacutenie Civil et Sciences de lHabitat Vaulx en Velin ENTPE Universiteacutee de Savoie 1995 295 p DUMORTIER D Lumiegravere naturelle et rayonnement solaire - Mesures au sol et estimations agrave partir dimages satellites - Deacuteveloppement de services Web pour leacuteclairage naturel des bacirctiments HDR Thermique et Energeacutetique Vaulx en Velin ENTPE 2003 161 p DUMORTIER D VAN ROY F SODA daylighting resource SODA Deliverable 53C 2002 DUMORTIER D VETRO P Luminance calibration of the Nikon 950 digital cameras Lux Europa Reykjavik 2001 ERHORN H DE BOER J DIRKSMOLLER M ADELINE - An Integrated Approach to Lighting Simulation Daylighting 98 Ottawa 1998 FOLEY D J VAN-DAM A FEINER S K HUGHES J F Computer Graphics Principles and Practice Second Edition ADDISON-WESLEY 1990 (The systems programming series
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Chapitre I
FONTOYNONT M Le point sur les meacutethodes de simulation et sur lrsquoutilisation de lrsquoimage de synthegravese en eacuteclairage LUX 1991 FONTOYNONT M LAFORGUE P MITANCHEY R AIZLEWOOD M BUTT J CARROLL W HITCHOCK R ERHORN H DE BOER J DIRKSMOumlLLER M MICHEL L PAULE B SCARTEZZINI J-L BODART M AND ROY G Validation of daylighting simulation programs IEA SHC Task 21 ECBCS Annex 29 1999 28 p GALASIU A ATIF M Applicability of Daylighting Computer Modeling in Real Case Studies Comparison between Measured and Simulated Daylight Availability and Lighting Consumption IEA SHC Task 21 IEA ECBCS Annex 29 Daylight in Buildings International Energy Agency National Research Council Canada 1998 68 p GREENUP P J EDMONDS I R COMPAGNON R RADIANCE algorithm to simulate laser-cut panel light-redirecting elements Lighting Research amp Technology 2000 vol 32 ndeg2 pp 49-54 GRYNBERG A Comparison and Validation of Radiance and Superlite Rapport interne Lawrence Berkeley National Laboratory 1988 HOPKINSON R G PETHERBRIDGE P LONGMORE J Daylighting William Heinneman Ltd London 1966 IEA-SHC Daylighting simulation Methods Algorithms and Ressources Agence Internaitonale de lEnergie - SHC 1999 IEA-SHC Measurement of Luminous Characteristics of Daylighting Materials Agence Internationale de lEnergie - SHC - Tacircche 21 1999 IESNA Calculating Coefficients of Utilisation Wall and Ceiling Cavity Exitance IES LM-57 New York Illuminating engineering Society of North America 1982 IESNA The Determination of Illuminance at a Point in Interior Spaces IES LM-43-1991 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 34 p IESNA An Introduction to Light and Lighting IES ED-50 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 51 p IESNA Lighting Handbook 8th Edition New York Illuminating engineering Society of North America 1993 IESNA IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data IESNA LM-63-95 New York Illuminating engineering Society of North America 1995 5 p IESNA 1999 IESNA Software Survey Lighting Design + Application 1999 vol 29 ndeg12 pp 39-48 JARVIS D DONN M Comparison of Computer and Model Simulations of a Daylit Interior with Reality 5th International conference on Building Performance and Simulation Association Prague Czech Republic 1997 pp 9-16
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Chapitre I
KAJIYA J T Anisotropic Reflection Models SIGGRAPH85 San Francisco 1985 pp 15-21 KARAYEL M NAVVAB M NEEMAN E SELKOWITZ S Zenith Luminance and sky luminance distributions for daylighting calculations Energy Build 1984 vol 6 ndeg3 pp 283-291 KHODULEV A B KOPYLOV E A Physically accurate lighting simulation in computer graphics software GraphiConrsquo96 The 6th International Conference on Computer graphics and Visualization St Petersburg Russia 1996 pp 111-119 KITTLER R Standardisation of outdoor conditions for the calculation of daylight factor with clear skies Sunlight in Buinldings CIE Intercessional conference Newcastle-Upon-Tyne 1965 KLEMS J H WARNER J L Measurement of bidirectional optical properties of complex shading devices ASHRAE Symposium Chicago 1995 LESLIE R P Capturing the daylight in buildings why and how Building and Environment 2003 vol 38 pp 381-385 MAAMARI F International survey on lighting simulation tools - Light and Building 2002 IEA-SHC-Task-31 2002 7 p MAAMARI F FONTOYNONT M Use of IEA-SHC Task 21 C benchmarks to assess performance of Lightscape 32 in daylighting calculations EPIC Lyon France 2002 pp 709-714 MAAMARI F FONTOYNONT M HIRATA M KOSTER J MARTY C TRANSGRASSOULIS A Reliable Datasets for Lighting Programs Validation Benchmark results CISBAT 2003 Conference 2003 pp 6 MAAMARI F JONGEWAARD M KOSTER J TRANSGRASSOULIS A FONTOYNONT M A Step Toward A Complete And Objective Validation Methodology For Lighting Simulation Tools CIE 25th Session San Diego 2003 pp 4 MARDALJEVIC J Daylight Simulation Validation Sky Models and Daylight Coefficients Leicester UK Montfort University 2000 MARDALJEVIC J The BRE-IDMP dataset a new benchmark for the validation of illuminance prediction techniques Lighting Research and Technology 2001 vol 33 ndegISSN 1365-7828 pp 117-136 MITANCHEY R Synthegravese dimages appliqueacutee agrave leacuteclairagisme inteacuterieur des bacirctiments Thegravese en Informatique speacutecialiteacute images Saint-Etienne Leacutecole Nationale Supeacuterieure des Mines de Saint-Etienne 1996 200 p
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Chapitre I
MITANCHEY R PERIOLE G FONTOYNONT M Goniophotometric measurements Numerical simulation for research and development applications Lighting Research and Technology 1995 vol 27 ndeg4 pp 189-196 MOON P SPENCER D E Illumination from a nonuniform sky Illum Eng 1942 vol 37 ndeg12 pp 707-726 NAKAMURA H OKI M AYASHI Y Luminance distribution of intermediate sky Light Visual Environ 1989 vol 9 ndeg1 pp 6-13 PAULE B COMPAGNON R SCARTEZZINI J L Towards a new daylighting design computer tool Right Light Three conference Newcastle upon Tyne England 1995 PEREZ R SEALS R MICHALSKY J All-Weather model for sky luminance distribution Preliminary configuration and validation Solar Energy 1993 vol 50 ndeg3 pp 235-245 REINHART C F HERKEL S The simulation of annual daylight illuminance distributions ndash a state-of-the-art comparison of six RADIANCE-based methods Energy and Buildings 2000 vol 32 ndeg167-187 ROY G HAYMAN S JULIAN W Sky Modeling from Digital Imagery ARC Project No A89530177 Sidney The University of Sidney amp Murdoch university 1998 ROY G RUCK N REID G JULIAN W Sky luminanceStandard Digital Form for modelling Lighting Research amp Technology 1995 vol 27 ndeg3 pp 161-167 SATEL-LIGHT Satel-Light the European Database for Daylight and Solar Radiation [en ligne] Disponible sur lthttpwwwsatel-lightcomgt (27 janvier 2004) SCARTEZZINI J L COMPAGNON G WARD G PAULE B Outils Informatiques en Lumiegravere Naturelle NEFF-4352 Universiteacute de Genegraveve EPFL 1993 142 p SHAREEF F M OLDHAM D J CARTER D J A computer model for predicting the daylight performance of complex parallel shading systems Building and Environment 2001 vol 36 pp 605-618 SLATER A GRAVES H Benchmarking Lighting Design Software TM 2800 London CIBSE 2002 33 p SMITH B SPIEKERMANN C SEMBER R Numerical methods for colorimetric calculations A comparison of integration methods Color Research and Application 1992 vol 17 ndeg6 STOCKMAR A Eulumdat file format CIBSEILE National Lighting Conference York 2000 STOCKMAR A W EULUMDAT ein leuchtendatenformat fur den europaischen beleuchtungplaner Tagungsband Licht 1990 pp 641-644
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Chapitre I
TREGENZA P Daylighting algorithms ETSU S 1350 UK Department of Trade and Industry on behalf of the Energy Technology Support Unit 1993 43 p TREGENZA P R WATERS I M Daylight Coefficients Lighting Research amp Technology 1983 vol 15 ndeg2 pp 65-71 TROWBRIDGE T S REITZ K P Average Irregularity Representation of a Rough Surface for Ray Reflection Opt Soc Am 1975 vol 65 ndeg5 pp 531-536 UETANI Y MATSUURA K A Method of Luminance Calculation in an Anisotropic Diffuse Reflecting Interior IESNA Annual Conference Technical Papers San Diego 1992 WARD G J The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System SIGGRAPH Computer graphics 1994 pp 459-472 WHITTED T An improved illumination model for shaded display Computer graphics amp Image processing 1980
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- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
Conclusions Suite agrave notre eacutetude bibliographique sur le domaine de la simulation numeacuterique de lrsquoeacuteclairage nous avons orienteacute le travail de cette thegravese (agrave travers les chapitres suivants) de faccedilon agrave reacutepondre agrave certains des problegravemes identifieacutes dans ce domaine
Ainsi en ce qui concerne le manque de fiabiliteacute dans les travaux de validation des logiciels nous deacuteveloppons la meacutethode de validation que nous avons proposeacutee Dans ce cadre nous creacuteons une seacuterie de cas-tests en relation avec diffeacuterents aspects de la propagation de la lumiegravere traiteacutes ci-dessus Ces cas-tests sont reacutepartis en deux familles lrsquoune avec des sceacutenarios theacuteoriques et des reacutefeacuterences analytiques et lrsquoautre avec des reacutefeacuterences expeacuterimentales reacutepondant agrave des critegraveres de controcircle de qualiteacute que nous avons deacutefinis
En ce qui concerne la difficulteacute de simuler des sceacutenarios reacuteels de lumiegravere naturelle nous proposons et validons une meacutethode de simulation agrave partir des cartes de luminances reacuteelles agrave haute deacutefinition
Finalement nous proposons et nous validons une meacutethode de simulation de la lumiegravere naturelle agrave lrsquoaide des luminaires eacutequivalents Cette meacutethode permet agrave la simulation de la lumiegravere de jour de beacuteneacuteficier de la preacutesence confirmeacutee des outils de simulation de la lumiegravere artificielle dans le domaine de la conception des bacirctiments Elle permet eacutegalement de surmonter un nombre de difficulteacutes rencontreacutees dans certains logiciels classiques de simulation la lumiegravere naturelle en particulier celles lieacutees agrave la preacutecision des reacutesultats par rapport au temps de calcul et agrave la simulation des masques exteacuterieurs
47
Chapitre I
Reacutefeacuterences Bibliographiques 3D-LUMIEgraveRE Enquecircte sur la connaissance et lrsquoutilisation des systegravemes informatiques de simulation drsquoeacuteclairage Paris Club 3D Lumiegravere 2000 11 p ACHARD G LAFORGUE P SOUYRI B FONTOYNONT M BASTIE A MITANCHEY R Etude dun systegraveme Metrologique de Confort Radiatif Integrant lAspect Thermique et lAspect Visuel Paris 1994 60 p AFE Les sources de lumiegravere Socieacuteteacute dEdition Lux 1987 199 p AIZLEWOOD M BUTT J ISAAK K LITTLEFAIR P Daylighting in atria a comparison of measurements theory and simulation Lux Europa 1997 Amsterdam-Netherlands 1997 ANDERSEN M RUBIN M POWLES R SCARTEZZINI J L Bi-directional light transmission properties assessment for venetian blinds Computer simulations compared to photogoniometer measurements ISES Solar World Congress 2003 - Solar Energy for a Sustainable Future Gothenburg - Sweden International Solar Energy Society 2003 ANDERSEN M RUBIN M SCARTEZZINI J-L Comparison between ray-tracing simulations and bi-directional transmission measurements on prismatic glazing Solar Energy 2003 vol 74 ndeg2 pp 157-217 ANSIIESNA ANSIIESNA LM-63-02 ANSI Approved Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data and Related Information ANSIIESNA LM-63-02 2002 26 p ASE Eclairage inteacuterieur par la lumiegravere du jour Norme Suisse SN 418911 Zuumlrich Association Suisse des Electriciens 1989 ASHDOWN I Near-Field Photometry A New Approach IES 1993 vol 22 ndeg1 pp 163-180 ASHDOWN I EULUMDAT File Format Specification [en ligne] Disponible sur lthttpwwwhelios32comEulumdathtmgt (09 Mars 2004) ASHDOWN I Thinking photometrically Part II 105 Las Vegas workshop-Lightfair International 2001 42 p ASHRAE-IESNA Energy efficient design of new buildings except new low-rise residential buildings ASHRAEIES 901-1989 American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditionaing Engginers 1989 AUTODESK Lightscape 32 Users Guide 32 Autodesk 1999 352 p BALOCCO C FORASTIERE M A GRAZZINI G RIGHINI G C Experimental results of transparent reflective and absorbing propoerties of some building materials Energy and Buildings 2001 vol 33 pp 563-568
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Chapitre I
CAROLL W L HITCHCOCK R J Recent Comparisons of SUPERLITE to Scale Model Data LBNL-43107 Lawrence Berkeley National Laboratory 1999 CHAIN C DUMORTIER D FONTOYNONT M A comprehensive model of luminance correlated colour temperature and spectral distribution of skylight Comparison with experimental data Solar Energy 1999 vol 65 ndeg5 pp 285-295 CIBSE CIBSE standard file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIBSE TM 14 London CIBSE 1988 CIE Daylight CIE-16 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1970 79 p CIE Standardization of Luminance Distribution on Clear Skies CIE-22 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1973 CIE Calculations for Interior Lighting Basic Method CIE-40 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1978 CIE Absolute Methods for Reflection Measurements CIE-44 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 CIE A Review of Publications on Properties and Reflection Values of Material Reflection Standards CIE-46 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 99 p CIE Calculations for Interior Lighting Applied Method CIE-52 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1982 CIE The Spectroradiometric Measurement of Light Sources CIE-63 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1984 CIE Colorimetry 2nd Edition CIE-152 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1986 CIE The Measurement of Absolute Luminous Intensity Distributions CIE-70 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1987 CIE The Measurement of Luminous Flux CIE-84 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1989 CIE Standard overcast and clear sky 3rd Draft Vienne Commission Internationale de LrsquoEclairage 1990 CIE Electric Light Sources State of the Art-1991 CIE-96 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1992 CIE Recommended file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIE-102 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1993 CIE Guide to Recommended Practice of Daylight Measurement CIE-108 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1994
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Chapitre I
CIE Discomfort Glare in Interior Lighting CIE-117 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1995 CIE The Photometry and Goniophotometry of Luminaires CIE-121 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE The Relationship Between Digital and Colorimetric Data for Computer-Controlled CRT Displays CIE-122 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance CIE-130 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1998 CIE Spatial distribution of daylight - CIE standard general sky Vienne Commission Internationale de lEclairage 2002 7 p COHEN M F CHEN S E WALLACE J R GREENBERG DP A progressive refinement approach to fast radiosity image generation 15th annual conference on computer graphics and interactive techniques ACM Press New York 1988 pp 75-84 DE BOER J Encorporation of numerical goniophotometry into daylighting design CISBAT 2003 Lausanne EPFL 2003 pp 229-234 DE BOER J ERHORN H Survey Simple Design Tools IEA 1999 49 p DENIEL J M Modeacutelisation des luminaires et des BRDF Reacutealisation mesure et compression Thegravese en Informatique Rennes Universiteacute de Rennes 1 2002 277 p DUMORTIER D Mesure Analyse et Modeacutelisation du gisement lumineux Application agrave leacutevaluation des performances de leacuteclairage naturel des bacirctiments Thegravese en Geacutenie Civil et Sciences de lHabitat Vaulx en Velin ENTPE Universiteacutee de Savoie 1995 295 p DUMORTIER D Lumiegravere naturelle et rayonnement solaire - Mesures au sol et estimations agrave partir dimages satellites - Deacuteveloppement de services Web pour leacuteclairage naturel des bacirctiments HDR Thermique et Energeacutetique Vaulx en Velin ENTPE 2003 161 p DUMORTIER D VAN ROY F SODA daylighting resource SODA Deliverable 53C 2002 DUMORTIER D VETRO P Luminance calibration of the Nikon 950 digital cameras Lux Europa Reykjavik 2001 ERHORN H DE BOER J DIRKSMOLLER M ADELINE - An Integrated Approach to Lighting Simulation Daylighting 98 Ottawa 1998 FOLEY D J VAN-DAM A FEINER S K HUGHES J F Computer Graphics Principles and Practice Second Edition ADDISON-WESLEY 1990 (The systems programming series
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Chapitre I
FONTOYNONT M Le point sur les meacutethodes de simulation et sur lrsquoutilisation de lrsquoimage de synthegravese en eacuteclairage LUX 1991 FONTOYNONT M LAFORGUE P MITANCHEY R AIZLEWOOD M BUTT J CARROLL W HITCHOCK R ERHORN H DE BOER J DIRKSMOumlLLER M MICHEL L PAULE B SCARTEZZINI J-L BODART M AND ROY G Validation of daylighting simulation programs IEA SHC Task 21 ECBCS Annex 29 1999 28 p GALASIU A ATIF M Applicability of Daylighting Computer Modeling in Real Case Studies Comparison between Measured and Simulated Daylight Availability and Lighting Consumption IEA SHC Task 21 IEA ECBCS Annex 29 Daylight in Buildings International Energy Agency National Research Council Canada 1998 68 p GREENUP P J EDMONDS I R COMPAGNON R RADIANCE algorithm to simulate laser-cut panel light-redirecting elements Lighting Research amp Technology 2000 vol 32 ndeg2 pp 49-54 GRYNBERG A Comparison and Validation of Radiance and Superlite Rapport interne Lawrence Berkeley National Laboratory 1988 HOPKINSON R G PETHERBRIDGE P LONGMORE J Daylighting William Heinneman Ltd London 1966 IEA-SHC Daylighting simulation Methods Algorithms and Ressources Agence Internaitonale de lEnergie - SHC 1999 IEA-SHC Measurement of Luminous Characteristics of Daylighting Materials Agence Internationale de lEnergie - SHC - Tacircche 21 1999 IESNA Calculating Coefficients of Utilisation Wall and Ceiling Cavity Exitance IES LM-57 New York Illuminating engineering Society of North America 1982 IESNA The Determination of Illuminance at a Point in Interior Spaces IES LM-43-1991 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 34 p IESNA An Introduction to Light and Lighting IES ED-50 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 51 p IESNA Lighting Handbook 8th Edition New York Illuminating engineering Society of North America 1993 IESNA IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data IESNA LM-63-95 New York Illuminating engineering Society of North America 1995 5 p IESNA 1999 IESNA Software Survey Lighting Design + Application 1999 vol 29 ndeg12 pp 39-48 JARVIS D DONN M Comparison of Computer and Model Simulations of a Daylit Interior with Reality 5th International conference on Building Performance and Simulation Association Prague Czech Republic 1997 pp 9-16
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Chapitre I
KAJIYA J T Anisotropic Reflection Models SIGGRAPH85 San Francisco 1985 pp 15-21 KARAYEL M NAVVAB M NEEMAN E SELKOWITZ S Zenith Luminance and sky luminance distributions for daylighting calculations Energy Build 1984 vol 6 ndeg3 pp 283-291 KHODULEV A B KOPYLOV E A Physically accurate lighting simulation in computer graphics software GraphiConrsquo96 The 6th International Conference on Computer graphics and Visualization St Petersburg Russia 1996 pp 111-119 KITTLER R Standardisation of outdoor conditions for the calculation of daylight factor with clear skies Sunlight in Buinldings CIE Intercessional conference Newcastle-Upon-Tyne 1965 KLEMS J H WARNER J L Measurement of bidirectional optical properties of complex shading devices ASHRAE Symposium Chicago 1995 LESLIE R P Capturing the daylight in buildings why and how Building and Environment 2003 vol 38 pp 381-385 MAAMARI F International survey on lighting simulation tools - Light and Building 2002 IEA-SHC-Task-31 2002 7 p MAAMARI F FONTOYNONT M Use of IEA-SHC Task 21 C benchmarks to assess performance of Lightscape 32 in daylighting calculations EPIC Lyon France 2002 pp 709-714 MAAMARI F FONTOYNONT M HIRATA M KOSTER J MARTY C TRANSGRASSOULIS A Reliable Datasets for Lighting Programs Validation Benchmark results CISBAT 2003 Conference 2003 pp 6 MAAMARI F JONGEWAARD M KOSTER J TRANSGRASSOULIS A FONTOYNONT M A Step Toward A Complete And Objective Validation Methodology For Lighting Simulation Tools CIE 25th Session San Diego 2003 pp 4 MARDALJEVIC J Daylight Simulation Validation Sky Models and Daylight Coefficients Leicester UK Montfort University 2000 MARDALJEVIC J The BRE-IDMP dataset a new benchmark for the validation of illuminance prediction techniques Lighting Research and Technology 2001 vol 33 ndegISSN 1365-7828 pp 117-136 MITANCHEY R Synthegravese dimages appliqueacutee agrave leacuteclairagisme inteacuterieur des bacirctiments Thegravese en Informatique speacutecialiteacute images Saint-Etienne Leacutecole Nationale Supeacuterieure des Mines de Saint-Etienne 1996 200 p
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Chapitre I
MITANCHEY R PERIOLE G FONTOYNONT M Goniophotometric measurements Numerical simulation for research and development applications Lighting Research and Technology 1995 vol 27 ndeg4 pp 189-196 MOON P SPENCER D E Illumination from a nonuniform sky Illum Eng 1942 vol 37 ndeg12 pp 707-726 NAKAMURA H OKI M AYASHI Y Luminance distribution of intermediate sky Light Visual Environ 1989 vol 9 ndeg1 pp 6-13 PAULE B COMPAGNON R SCARTEZZINI J L Towards a new daylighting design computer tool Right Light Three conference Newcastle upon Tyne England 1995 PEREZ R SEALS R MICHALSKY J All-Weather model for sky luminance distribution Preliminary configuration and validation Solar Energy 1993 vol 50 ndeg3 pp 235-245 REINHART C F HERKEL S The simulation of annual daylight illuminance distributions ndash a state-of-the-art comparison of six RADIANCE-based methods Energy and Buildings 2000 vol 32 ndeg167-187 ROY G HAYMAN S JULIAN W Sky Modeling from Digital Imagery ARC Project No A89530177 Sidney The University of Sidney amp Murdoch university 1998 ROY G RUCK N REID G JULIAN W Sky luminanceStandard Digital Form for modelling Lighting Research amp Technology 1995 vol 27 ndeg3 pp 161-167 SATEL-LIGHT Satel-Light the European Database for Daylight and Solar Radiation [en ligne] Disponible sur lthttpwwwsatel-lightcomgt (27 janvier 2004) SCARTEZZINI J L COMPAGNON G WARD G PAULE B Outils Informatiques en Lumiegravere Naturelle NEFF-4352 Universiteacute de Genegraveve EPFL 1993 142 p SHAREEF F M OLDHAM D J CARTER D J A computer model for predicting the daylight performance of complex parallel shading systems Building and Environment 2001 vol 36 pp 605-618 SLATER A GRAVES H Benchmarking Lighting Design Software TM 2800 London CIBSE 2002 33 p SMITH B SPIEKERMANN C SEMBER R Numerical methods for colorimetric calculations A comparison of integration methods Color Research and Application 1992 vol 17 ndeg6 STOCKMAR A Eulumdat file format CIBSEILE National Lighting Conference York 2000 STOCKMAR A W EULUMDAT ein leuchtendatenformat fur den europaischen beleuchtungplaner Tagungsband Licht 1990 pp 641-644
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Chapitre I
TREGENZA P Daylighting algorithms ETSU S 1350 UK Department of Trade and Industry on behalf of the Energy Technology Support Unit 1993 43 p TREGENZA P R WATERS I M Daylight Coefficients Lighting Research amp Technology 1983 vol 15 ndeg2 pp 65-71 TROWBRIDGE T S REITZ K P Average Irregularity Representation of a Rough Surface for Ray Reflection Opt Soc Am 1975 vol 65 ndeg5 pp 531-536 UETANI Y MATSUURA K A Method of Luminance Calculation in an Anisotropic Diffuse Reflecting Interior IESNA Annual Conference Technical Papers San Diego 1992 WARD G J The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System SIGGRAPH Computer graphics 1994 pp 459-472 WHITTED T An improved illumination model for shaded display Computer graphics amp Image processing 1980
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- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
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- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
Reacutefeacuterences Bibliographiques 3D-LUMIEgraveRE Enquecircte sur la connaissance et lrsquoutilisation des systegravemes informatiques de simulation drsquoeacuteclairage Paris Club 3D Lumiegravere 2000 11 p ACHARD G LAFORGUE P SOUYRI B FONTOYNONT M BASTIE A MITANCHEY R Etude dun systegraveme Metrologique de Confort Radiatif Integrant lAspect Thermique et lAspect Visuel Paris 1994 60 p AFE Les sources de lumiegravere Socieacuteteacute dEdition Lux 1987 199 p AIZLEWOOD M BUTT J ISAAK K LITTLEFAIR P Daylighting in atria a comparison of measurements theory and simulation Lux Europa 1997 Amsterdam-Netherlands 1997 ANDERSEN M RUBIN M POWLES R SCARTEZZINI J L Bi-directional light transmission properties assessment for venetian blinds Computer simulations compared to photogoniometer measurements ISES Solar World Congress 2003 - Solar Energy for a Sustainable Future Gothenburg - Sweden International Solar Energy Society 2003 ANDERSEN M RUBIN M SCARTEZZINI J-L Comparison between ray-tracing simulations and bi-directional transmission measurements on prismatic glazing Solar Energy 2003 vol 74 ndeg2 pp 157-217 ANSIIESNA ANSIIESNA LM-63-02 ANSI Approved Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data and Related Information ANSIIESNA LM-63-02 2002 26 p ASE Eclairage inteacuterieur par la lumiegravere du jour Norme Suisse SN 418911 Zuumlrich Association Suisse des Electriciens 1989 ASHDOWN I Near-Field Photometry A New Approach IES 1993 vol 22 ndeg1 pp 163-180 ASHDOWN I EULUMDAT File Format Specification [en ligne] Disponible sur lthttpwwwhelios32comEulumdathtmgt (09 Mars 2004) ASHDOWN I Thinking photometrically Part II 105 Las Vegas workshop-Lightfair International 2001 42 p ASHRAE-IESNA Energy efficient design of new buildings except new low-rise residential buildings ASHRAEIES 901-1989 American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditionaing Engginers 1989 AUTODESK Lightscape 32 Users Guide 32 Autodesk 1999 352 p BALOCCO C FORASTIERE M A GRAZZINI G RIGHINI G C Experimental results of transparent reflective and absorbing propoerties of some building materials Energy and Buildings 2001 vol 33 pp 563-568
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Chapitre I
CAROLL W L HITCHCOCK R J Recent Comparisons of SUPERLITE to Scale Model Data LBNL-43107 Lawrence Berkeley National Laboratory 1999 CHAIN C DUMORTIER D FONTOYNONT M A comprehensive model of luminance correlated colour temperature and spectral distribution of skylight Comparison with experimental data Solar Energy 1999 vol 65 ndeg5 pp 285-295 CIBSE CIBSE standard file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIBSE TM 14 London CIBSE 1988 CIE Daylight CIE-16 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1970 79 p CIE Standardization of Luminance Distribution on Clear Skies CIE-22 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1973 CIE Calculations for Interior Lighting Basic Method CIE-40 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1978 CIE Absolute Methods for Reflection Measurements CIE-44 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 CIE A Review of Publications on Properties and Reflection Values of Material Reflection Standards CIE-46 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 99 p CIE Calculations for Interior Lighting Applied Method CIE-52 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1982 CIE The Spectroradiometric Measurement of Light Sources CIE-63 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1984 CIE Colorimetry 2nd Edition CIE-152 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1986 CIE The Measurement of Absolute Luminous Intensity Distributions CIE-70 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1987 CIE The Measurement of Luminous Flux CIE-84 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1989 CIE Standard overcast and clear sky 3rd Draft Vienne Commission Internationale de LrsquoEclairage 1990 CIE Electric Light Sources State of the Art-1991 CIE-96 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1992 CIE Recommended file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIE-102 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1993 CIE Guide to Recommended Practice of Daylight Measurement CIE-108 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1994
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Chapitre I
CIE Discomfort Glare in Interior Lighting CIE-117 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1995 CIE The Photometry and Goniophotometry of Luminaires CIE-121 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE The Relationship Between Digital and Colorimetric Data for Computer-Controlled CRT Displays CIE-122 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance CIE-130 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1998 CIE Spatial distribution of daylight - CIE standard general sky Vienne Commission Internationale de lEclairage 2002 7 p COHEN M F CHEN S E WALLACE J R GREENBERG DP A progressive refinement approach to fast radiosity image generation 15th annual conference on computer graphics and interactive techniques ACM Press New York 1988 pp 75-84 DE BOER J Encorporation of numerical goniophotometry into daylighting design CISBAT 2003 Lausanne EPFL 2003 pp 229-234 DE BOER J ERHORN H Survey Simple Design Tools IEA 1999 49 p DENIEL J M Modeacutelisation des luminaires et des BRDF Reacutealisation mesure et compression Thegravese en Informatique Rennes Universiteacute de Rennes 1 2002 277 p DUMORTIER D Mesure Analyse et Modeacutelisation du gisement lumineux Application agrave leacutevaluation des performances de leacuteclairage naturel des bacirctiments Thegravese en Geacutenie Civil et Sciences de lHabitat Vaulx en Velin ENTPE Universiteacutee de Savoie 1995 295 p DUMORTIER D Lumiegravere naturelle et rayonnement solaire - Mesures au sol et estimations agrave partir dimages satellites - Deacuteveloppement de services Web pour leacuteclairage naturel des bacirctiments HDR Thermique et Energeacutetique Vaulx en Velin ENTPE 2003 161 p DUMORTIER D VAN ROY F SODA daylighting resource SODA Deliverable 53C 2002 DUMORTIER D VETRO P Luminance calibration of the Nikon 950 digital cameras Lux Europa Reykjavik 2001 ERHORN H DE BOER J DIRKSMOLLER M ADELINE - An Integrated Approach to Lighting Simulation Daylighting 98 Ottawa 1998 FOLEY D J VAN-DAM A FEINER S K HUGHES J F Computer Graphics Principles and Practice Second Edition ADDISON-WESLEY 1990 (The systems programming series
50
Chapitre I
FONTOYNONT M Le point sur les meacutethodes de simulation et sur lrsquoutilisation de lrsquoimage de synthegravese en eacuteclairage LUX 1991 FONTOYNONT M LAFORGUE P MITANCHEY R AIZLEWOOD M BUTT J CARROLL W HITCHOCK R ERHORN H DE BOER J DIRKSMOumlLLER M MICHEL L PAULE B SCARTEZZINI J-L BODART M AND ROY G Validation of daylighting simulation programs IEA SHC Task 21 ECBCS Annex 29 1999 28 p GALASIU A ATIF M Applicability of Daylighting Computer Modeling in Real Case Studies Comparison between Measured and Simulated Daylight Availability and Lighting Consumption IEA SHC Task 21 IEA ECBCS Annex 29 Daylight in Buildings International Energy Agency National Research Council Canada 1998 68 p GREENUP P J EDMONDS I R COMPAGNON R RADIANCE algorithm to simulate laser-cut panel light-redirecting elements Lighting Research amp Technology 2000 vol 32 ndeg2 pp 49-54 GRYNBERG A Comparison and Validation of Radiance and Superlite Rapport interne Lawrence Berkeley National Laboratory 1988 HOPKINSON R G PETHERBRIDGE P LONGMORE J Daylighting William Heinneman Ltd London 1966 IEA-SHC Daylighting simulation Methods Algorithms and Ressources Agence Internaitonale de lEnergie - SHC 1999 IEA-SHC Measurement of Luminous Characteristics of Daylighting Materials Agence Internationale de lEnergie - SHC - Tacircche 21 1999 IESNA Calculating Coefficients of Utilisation Wall and Ceiling Cavity Exitance IES LM-57 New York Illuminating engineering Society of North America 1982 IESNA The Determination of Illuminance at a Point in Interior Spaces IES LM-43-1991 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 34 p IESNA An Introduction to Light and Lighting IES ED-50 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 51 p IESNA Lighting Handbook 8th Edition New York Illuminating engineering Society of North America 1993 IESNA IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data IESNA LM-63-95 New York Illuminating engineering Society of North America 1995 5 p IESNA 1999 IESNA Software Survey Lighting Design + Application 1999 vol 29 ndeg12 pp 39-48 JARVIS D DONN M Comparison of Computer and Model Simulations of a Daylit Interior with Reality 5th International conference on Building Performance and Simulation Association Prague Czech Republic 1997 pp 9-16
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Chapitre I
KAJIYA J T Anisotropic Reflection Models SIGGRAPH85 San Francisco 1985 pp 15-21 KARAYEL M NAVVAB M NEEMAN E SELKOWITZ S Zenith Luminance and sky luminance distributions for daylighting calculations Energy Build 1984 vol 6 ndeg3 pp 283-291 KHODULEV A B KOPYLOV E A Physically accurate lighting simulation in computer graphics software GraphiConrsquo96 The 6th International Conference on Computer graphics and Visualization St Petersburg Russia 1996 pp 111-119 KITTLER R Standardisation of outdoor conditions for the calculation of daylight factor with clear skies Sunlight in Buinldings CIE Intercessional conference Newcastle-Upon-Tyne 1965 KLEMS J H WARNER J L Measurement of bidirectional optical properties of complex shading devices ASHRAE Symposium Chicago 1995 LESLIE R P Capturing the daylight in buildings why and how Building and Environment 2003 vol 38 pp 381-385 MAAMARI F International survey on lighting simulation tools - Light and Building 2002 IEA-SHC-Task-31 2002 7 p MAAMARI F FONTOYNONT M Use of IEA-SHC Task 21 C benchmarks to assess performance of Lightscape 32 in daylighting calculations EPIC Lyon France 2002 pp 709-714 MAAMARI F FONTOYNONT M HIRATA M KOSTER J MARTY C TRANSGRASSOULIS A Reliable Datasets for Lighting Programs Validation Benchmark results CISBAT 2003 Conference 2003 pp 6 MAAMARI F JONGEWAARD M KOSTER J TRANSGRASSOULIS A FONTOYNONT M A Step Toward A Complete And Objective Validation Methodology For Lighting Simulation Tools CIE 25th Session San Diego 2003 pp 4 MARDALJEVIC J Daylight Simulation Validation Sky Models and Daylight Coefficients Leicester UK Montfort University 2000 MARDALJEVIC J The BRE-IDMP dataset a new benchmark for the validation of illuminance prediction techniques Lighting Research and Technology 2001 vol 33 ndegISSN 1365-7828 pp 117-136 MITANCHEY R Synthegravese dimages appliqueacutee agrave leacuteclairagisme inteacuterieur des bacirctiments Thegravese en Informatique speacutecialiteacute images Saint-Etienne Leacutecole Nationale Supeacuterieure des Mines de Saint-Etienne 1996 200 p
52
Chapitre I
MITANCHEY R PERIOLE G FONTOYNONT M Goniophotometric measurements Numerical simulation for research and development applications Lighting Research and Technology 1995 vol 27 ndeg4 pp 189-196 MOON P SPENCER D E Illumination from a nonuniform sky Illum Eng 1942 vol 37 ndeg12 pp 707-726 NAKAMURA H OKI M AYASHI Y Luminance distribution of intermediate sky Light Visual Environ 1989 vol 9 ndeg1 pp 6-13 PAULE B COMPAGNON R SCARTEZZINI J L Towards a new daylighting design computer tool Right Light Three conference Newcastle upon Tyne England 1995 PEREZ R SEALS R MICHALSKY J All-Weather model for sky luminance distribution Preliminary configuration and validation Solar Energy 1993 vol 50 ndeg3 pp 235-245 REINHART C F HERKEL S The simulation of annual daylight illuminance distributions ndash a state-of-the-art comparison of six RADIANCE-based methods Energy and Buildings 2000 vol 32 ndeg167-187 ROY G HAYMAN S JULIAN W Sky Modeling from Digital Imagery ARC Project No A89530177 Sidney The University of Sidney amp Murdoch university 1998 ROY G RUCK N REID G JULIAN W Sky luminanceStandard Digital Form for modelling Lighting Research amp Technology 1995 vol 27 ndeg3 pp 161-167 SATEL-LIGHT Satel-Light the European Database for Daylight and Solar Radiation [en ligne] Disponible sur lthttpwwwsatel-lightcomgt (27 janvier 2004) SCARTEZZINI J L COMPAGNON G WARD G PAULE B Outils Informatiques en Lumiegravere Naturelle NEFF-4352 Universiteacute de Genegraveve EPFL 1993 142 p SHAREEF F M OLDHAM D J CARTER D J A computer model for predicting the daylight performance of complex parallel shading systems Building and Environment 2001 vol 36 pp 605-618 SLATER A GRAVES H Benchmarking Lighting Design Software TM 2800 London CIBSE 2002 33 p SMITH B SPIEKERMANN C SEMBER R Numerical methods for colorimetric calculations A comparison of integration methods Color Research and Application 1992 vol 17 ndeg6 STOCKMAR A Eulumdat file format CIBSEILE National Lighting Conference York 2000 STOCKMAR A W EULUMDAT ein leuchtendatenformat fur den europaischen beleuchtungplaner Tagungsband Licht 1990 pp 641-644
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Chapitre I
TREGENZA P Daylighting algorithms ETSU S 1350 UK Department of Trade and Industry on behalf of the Energy Technology Support Unit 1993 43 p TREGENZA P R WATERS I M Daylight Coefficients Lighting Research amp Technology 1983 vol 15 ndeg2 pp 65-71 TROWBRIDGE T S REITZ K P Average Irregularity Representation of a Rough Surface for Ray Reflection Opt Soc Am 1975 vol 65 ndeg5 pp 531-536 UETANI Y MATSUURA K A Method of Luminance Calculation in an Anisotropic Diffuse Reflecting Interior IESNA Annual Conference Technical Papers San Diego 1992 WARD G J The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System SIGGRAPH Computer graphics 1994 pp 459-472 WHITTED T An improved illumination model for shaded display Computer graphics amp Image processing 1980
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- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
CAROLL W L HITCHCOCK R J Recent Comparisons of SUPERLITE to Scale Model Data LBNL-43107 Lawrence Berkeley National Laboratory 1999 CHAIN C DUMORTIER D FONTOYNONT M A comprehensive model of luminance correlated colour temperature and spectral distribution of skylight Comparison with experimental data Solar Energy 1999 vol 65 ndeg5 pp 285-295 CIBSE CIBSE standard file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIBSE TM 14 London CIBSE 1988 CIE Daylight CIE-16 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1970 79 p CIE Standardization of Luminance Distribution on Clear Skies CIE-22 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1973 CIE Calculations for Interior Lighting Basic Method CIE-40 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1978 CIE Absolute Methods for Reflection Measurements CIE-44 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 CIE A Review of Publications on Properties and Reflection Values of Material Reflection Standards CIE-46 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1979 99 p CIE Calculations for Interior Lighting Applied Method CIE-52 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1982 CIE The Spectroradiometric Measurement of Light Sources CIE-63 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1984 CIE Colorimetry 2nd Edition CIE-152 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1986 CIE The Measurement of Absolute Luminous Intensity Distributions CIE-70 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1987 CIE The Measurement of Luminous Flux CIE-84 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1989 CIE Standard overcast and clear sky 3rd Draft Vienne Commission Internationale de LrsquoEclairage 1990 CIE Electric Light Sources State of the Art-1991 CIE-96 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1992 CIE Recommended file format for electronic transfer of luminaire photometric data CIE-102 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1993 CIE Guide to Recommended Practice of Daylight Measurement CIE-108 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1994
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Chapitre I
CIE Discomfort Glare in Interior Lighting CIE-117 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1995 CIE The Photometry and Goniophotometry of Luminaires CIE-121 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE The Relationship Between Digital and Colorimetric Data for Computer-Controlled CRT Displays CIE-122 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance CIE-130 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1998 CIE Spatial distribution of daylight - CIE standard general sky Vienne Commission Internationale de lEclairage 2002 7 p COHEN M F CHEN S E WALLACE J R GREENBERG DP A progressive refinement approach to fast radiosity image generation 15th annual conference on computer graphics and interactive techniques ACM Press New York 1988 pp 75-84 DE BOER J Encorporation of numerical goniophotometry into daylighting design CISBAT 2003 Lausanne EPFL 2003 pp 229-234 DE BOER J ERHORN H Survey Simple Design Tools IEA 1999 49 p DENIEL J M Modeacutelisation des luminaires et des BRDF Reacutealisation mesure et compression Thegravese en Informatique Rennes Universiteacute de Rennes 1 2002 277 p DUMORTIER D Mesure Analyse et Modeacutelisation du gisement lumineux Application agrave leacutevaluation des performances de leacuteclairage naturel des bacirctiments Thegravese en Geacutenie Civil et Sciences de lHabitat Vaulx en Velin ENTPE Universiteacutee de Savoie 1995 295 p DUMORTIER D Lumiegravere naturelle et rayonnement solaire - Mesures au sol et estimations agrave partir dimages satellites - Deacuteveloppement de services Web pour leacuteclairage naturel des bacirctiments HDR Thermique et Energeacutetique Vaulx en Velin ENTPE 2003 161 p DUMORTIER D VAN ROY F SODA daylighting resource SODA Deliverable 53C 2002 DUMORTIER D VETRO P Luminance calibration of the Nikon 950 digital cameras Lux Europa Reykjavik 2001 ERHORN H DE BOER J DIRKSMOLLER M ADELINE - An Integrated Approach to Lighting Simulation Daylighting 98 Ottawa 1998 FOLEY D J VAN-DAM A FEINER S K HUGHES J F Computer Graphics Principles and Practice Second Edition ADDISON-WESLEY 1990 (The systems programming series
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Chapitre I
FONTOYNONT M Le point sur les meacutethodes de simulation et sur lrsquoutilisation de lrsquoimage de synthegravese en eacuteclairage LUX 1991 FONTOYNONT M LAFORGUE P MITANCHEY R AIZLEWOOD M BUTT J CARROLL W HITCHOCK R ERHORN H DE BOER J DIRKSMOumlLLER M MICHEL L PAULE B SCARTEZZINI J-L BODART M AND ROY G Validation of daylighting simulation programs IEA SHC Task 21 ECBCS Annex 29 1999 28 p GALASIU A ATIF M Applicability of Daylighting Computer Modeling in Real Case Studies Comparison between Measured and Simulated Daylight Availability and Lighting Consumption IEA SHC Task 21 IEA ECBCS Annex 29 Daylight in Buildings International Energy Agency National Research Council Canada 1998 68 p GREENUP P J EDMONDS I R COMPAGNON R RADIANCE algorithm to simulate laser-cut panel light-redirecting elements Lighting Research amp Technology 2000 vol 32 ndeg2 pp 49-54 GRYNBERG A Comparison and Validation of Radiance and Superlite Rapport interne Lawrence Berkeley National Laboratory 1988 HOPKINSON R G PETHERBRIDGE P LONGMORE J Daylighting William Heinneman Ltd London 1966 IEA-SHC Daylighting simulation Methods Algorithms and Ressources Agence Internaitonale de lEnergie - SHC 1999 IEA-SHC Measurement of Luminous Characteristics of Daylighting Materials Agence Internationale de lEnergie - SHC - Tacircche 21 1999 IESNA Calculating Coefficients of Utilisation Wall and Ceiling Cavity Exitance IES LM-57 New York Illuminating engineering Society of North America 1982 IESNA The Determination of Illuminance at a Point in Interior Spaces IES LM-43-1991 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 34 p IESNA An Introduction to Light and Lighting IES ED-50 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 51 p IESNA Lighting Handbook 8th Edition New York Illuminating engineering Society of North America 1993 IESNA IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data IESNA LM-63-95 New York Illuminating engineering Society of North America 1995 5 p IESNA 1999 IESNA Software Survey Lighting Design + Application 1999 vol 29 ndeg12 pp 39-48 JARVIS D DONN M Comparison of Computer and Model Simulations of a Daylit Interior with Reality 5th International conference on Building Performance and Simulation Association Prague Czech Republic 1997 pp 9-16
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Chapitre I
KAJIYA J T Anisotropic Reflection Models SIGGRAPH85 San Francisco 1985 pp 15-21 KARAYEL M NAVVAB M NEEMAN E SELKOWITZ S Zenith Luminance and sky luminance distributions for daylighting calculations Energy Build 1984 vol 6 ndeg3 pp 283-291 KHODULEV A B KOPYLOV E A Physically accurate lighting simulation in computer graphics software GraphiConrsquo96 The 6th International Conference on Computer graphics and Visualization St Petersburg Russia 1996 pp 111-119 KITTLER R Standardisation of outdoor conditions for the calculation of daylight factor with clear skies Sunlight in Buinldings CIE Intercessional conference Newcastle-Upon-Tyne 1965 KLEMS J H WARNER J L Measurement of bidirectional optical properties of complex shading devices ASHRAE Symposium Chicago 1995 LESLIE R P Capturing the daylight in buildings why and how Building and Environment 2003 vol 38 pp 381-385 MAAMARI F International survey on lighting simulation tools - Light and Building 2002 IEA-SHC-Task-31 2002 7 p MAAMARI F FONTOYNONT M Use of IEA-SHC Task 21 C benchmarks to assess performance of Lightscape 32 in daylighting calculations EPIC Lyon France 2002 pp 709-714 MAAMARI F FONTOYNONT M HIRATA M KOSTER J MARTY C TRANSGRASSOULIS A Reliable Datasets for Lighting Programs Validation Benchmark results CISBAT 2003 Conference 2003 pp 6 MAAMARI F JONGEWAARD M KOSTER J TRANSGRASSOULIS A FONTOYNONT M A Step Toward A Complete And Objective Validation Methodology For Lighting Simulation Tools CIE 25th Session San Diego 2003 pp 4 MARDALJEVIC J Daylight Simulation Validation Sky Models and Daylight Coefficients Leicester UK Montfort University 2000 MARDALJEVIC J The BRE-IDMP dataset a new benchmark for the validation of illuminance prediction techniques Lighting Research and Technology 2001 vol 33 ndegISSN 1365-7828 pp 117-136 MITANCHEY R Synthegravese dimages appliqueacutee agrave leacuteclairagisme inteacuterieur des bacirctiments Thegravese en Informatique speacutecialiteacute images Saint-Etienne Leacutecole Nationale Supeacuterieure des Mines de Saint-Etienne 1996 200 p
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Chapitre I
MITANCHEY R PERIOLE G FONTOYNONT M Goniophotometric measurements Numerical simulation for research and development applications Lighting Research and Technology 1995 vol 27 ndeg4 pp 189-196 MOON P SPENCER D E Illumination from a nonuniform sky Illum Eng 1942 vol 37 ndeg12 pp 707-726 NAKAMURA H OKI M AYASHI Y Luminance distribution of intermediate sky Light Visual Environ 1989 vol 9 ndeg1 pp 6-13 PAULE B COMPAGNON R SCARTEZZINI J L Towards a new daylighting design computer tool Right Light Three conference Newcastle upon Tyne England 1995 PEREZ R SEALS R MICHALSKY J All-Weather model for sky luminance distribution Preliminary configuration and validation Solar Energy 1993 vol 50 ndeg3 pp 235-245 REINHART C F HERKEL S The simulation of annual daylight illuminance distributions ndash a state-of-the-art comparison of six RADIANCE-based methods Energy and Buildings 2000 vol 32 ndeg167-187 ROY G HAYMAN S JULIAN W Sky Modeling from Digital Imagery ARC Project No A89530177 Sidney The University of Sidney amp Murdoch university 1998 ROY G RUCK N REID G JULIAN W Sky luminanceStandard Digital Form for modelling Lighting Research amp Technology 1995 vol 27 ndeg3 pp 161-167 SATEL-LIGHT Satel-Light the European Database for Daylight and Solar Radiation [en ligne] Disponible sur lthttpwwwsatel-lightcomgt (27 janvier 2004) SCARTEZZINI J L COMPAGNON G WARD G PAULE B Outils Informatiques en Lumiegravere Naturelle NEFF-4352 Universiteacute de Genegraveve EPFL 1993 142 p SHAREEF F M OLDHAM D J CARTER D J A computer model for predicting the daylight performance of complex parallel shading systems Building and Environment 2001 vol 36 pp 605-618 SLATER A GRAVES H Benchmarking Lighting Design Software TM 2800 London CIBSE 2002 33 p SMITH B SPIEKERMANN C SEMBER R Numerical methods for colorimetric calculations A comparison of integration methods Color Research and Application 1992 vol 17 ndeg6 STOCKMAR A Eulumdat file format CIBSEILE National Lighting Conference York 2000 STOCKMAR A W EULUMDAT ein leuchtendatenformat fur den europaischen beleuchtungplaner Tagungsband Licht 1990 pp 641-644
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Chapitre I
TREGENZA P Daylighting algorithms ETSU S 1350 UK Department of Trade and Industry on behalf of the Energy Technology Support Unit 1993 43 p TREGENZA P R WATERS I M Daylight Coefficients Lighting Research amp Technology 1983 vol 15 ndeg2 pp 65-71 TROWBRIDGE T S REITZ K P Average Irregularity Representation of a Rough Surface for Ray Reflection Opt Soc Am 1975 vol 65 ndeg5 pp 531-536 UETANI Y MATSUURA K A Method of Luminance Calculation in an Anisotropic Diffuse Reflecting Interior IESNA Annual Conference Technical Papers San Diego 1992 WARD G J The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System SIGGRAPH Computer graphics 1994 pp 459-472 WHITTED T An improved illumination model for shaded display Computer graphics amp Image processing 1980
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- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
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- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
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- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
CIE Discomfort Glare in Interior Lighting CIE-117 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1995 CIE The Photometry and Goniophotometry of Luminaires CIE-121 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE The Relationship Between Digital and Colorimetric Data for Computer-Controlled CRT Displays CIE-122 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1996 CIE Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance CIE-130 Vienne Commission Internationale de lEclairage 1998 CIE Spatial distribution of daylight - CIE standard general sky Vienne Commission Internationale de lEclairage 2002 7 p COHEN M F CHEN S E WALLACE J R GREENBERG DP A progressive refinement approach to fast radiosity image generation 15th annual conference on computer graphics and interactive techniques ACM Press New York 1988 pp 75-84 DE BOER J Encorporation of numerical goniophotometry into daylighting design CISBAT 2003 Lausanne EPFL 2003 pp 229-234 DE BOER J ERHORN H Survey Simple Design Tools IEA 1999 49 p DENIEL J M Modeacutelisation des luminaires et des BRDF Reacutealisation mesure et compression Thegravese en Informatique Rennes Universiteacute de Rennes 1 2002 277 p DUMORTIER D Mesure Analyse et Modeacutelisation du gisement lumineux Application agrave leacutevaluation des performances de leacuteclairage naturel des bacirctiments Thegravese en Geacutenie Civil et Sciences de lHabitat Vaulx en Velin ENTPE Universiteacutee de Savoie 1995 295 p DUMORTIER D Lumiegravere naturelle et rayonnement solaire - Mesures au sol et estimations agrave partir dimages satellites - Deacuteveloppement de services Web pour leacuteclairage naturel des bacirctiments HDR Thermique et Energeacutetique Vaulx en Velin ENTPE 2003 161 p DUMORTIER D VAN ROY F SODA daylighting resource SODA Deliverable 53C 2002 DUMORTIER D VETRO P Luminance calibration of the Nikon 950 digital cameras Lux Europa Reykjavik 2001 ERHORN H DE BOER J DIRKSMOLLER M ADELINE - An Integrated Approach to Lighting Simulation Daylighting 98 Ottawa 1998 FOLEY D J VAN-DAM A FEINER S K HUGHES J F Computer Graphics Principles and Practice Second Edition ADDISON-WESLEY 1990 (The systems programming series
50
Chapitre I
FONTOYNONT M Le point sur les meacutethodes de simulation et sur lrsquoutilisation de lrsquoimage de synthegravese en eacuteclairage LUX 1991 FONTOYNONT M LAFORGUE P MITANCHEY R AIZLEWOOD M BUTT J CARROLL W HITCHOCK R ERHORN H DE BOER J DIRKSMOumlLLER M MICHEL L PAULE B SCARTEZZINI J-L BODART M AND ROY G Validation of daylighting simulation programs IEA SHC Task 21 ECBCS Annex 29 1999 28 p GALASIU A ATIF M Applicability of Daylighting Computer Modeling in Real Case Studies Comparison between Measured and Simulated Daylight Availability and Lighting Consumption IEA SHC Task 21 IEA ECBCS Annex 29 Daylight in Buildings International Energy Agency National Research Council Canada 1998 68 p GREENUP P J EDMONDS I R COMPAGNON R RADIANCE algorithm to simulate laser-cut panel light-redirecting elements Lighting Research amp Technology 2000 vol 32 ndeg2 pp 49-54 GRYNBERG A Comparison and Validation of Radiance and Superlite Rapport interne Lawrence Berkeley National Laboratory 1988 HOPKINSON R G PETHERBRIDGE P LONGMORE J Daylighting William Heinneman Ltd London 1966 IEA-SHC Daylighting simulation Methods Algorithms and Ressources Agence Internaitonale de lEnergie - SHC 1999 IEA-SHC Measurement of Luminous Characteristics of Daylighting Materials Agence Internationale de lEnergie - SHC - Tacircche 21 1999 IESNA Calculating Coefficients of Utilisation Wall and Ceiling Cavity Exitance IES LM-57 New York Illuminating engineering Society of North America 1982 IESNA The Determination of Illuminance at a Point in Interior Spaces IES LM-43-1991 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 34 p IESNA An Introduction to Light and Lighting IES ED-50 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 51 p IESNA Lighting Handbook 8th Edition New York Illuminating engineering Society of North America 1993 IESNA IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data IESNA LM-63-95 New York Illuminating engineering Society of North America 1995 5 p IESNA 1999 IESNA Software Survey Lighting Design + Application 1999 vol 29 ndeg12 pp 39-48 JARVIS D DONN M Comparison of Computer and Model Simulations of a Daylit Interior with Reality 5th International conference on Building Performance and Simulation Association Prague Czech Republic 1997 pp 9-16
51
Chapitre I
KAJIYA J T Anisotropic Reflection Models SIGGRAPH85 San Francisco 1985 pp 15-21 KARAYEL M NAVVAB M NEEMAN E SELKOWITZ S Zenith Luminance and sky luminance distributions for daylighting calculations Energy Build 1984 vol 6 ndeg3 pp 283-291 KHODULEV A B KOPYLOV E A Physically accurate lighting simulation in computer graphics software GraphiConrsquo96 The 6th International Conference on Computer graphics and Visualization St Petersburg Russia 1996 pp 111-119 KITTLER R Standardisation of outdoor conditions for the calculation of daylight factor with clear skies Sunlight in Buinldings CIE Intercessional conference Newcastle-Upon-Tyne 1965 KLEMS J H WARNER J L Measurement of bidirectional optical properties of complex shading devices ASHRAE Symposium Chicago 1995 LESLIE R P Capturing the daylight in buildings why and how Building and Environment 2003 vol 38 pp 381-385 MAAMARI F International survey on lighting simulation tools - Light and Building 2002 IEA-SHC-Task-31 2002 7 p MAAMARI F FONTOYNONT M Use of IEA-SHC Task 21 C benchmarks to assess performance of Lightscape 32 in daylighting calculations EPIC Lyon France 2002 pp 709-714 MAAMARI F FONTOYNONT M HIRATA M KOSTER J MARTY C TRANSGRASSOULIS A Reliable Datasets for Lighting Programs Validation Benchmark results CISBAT 2003 Conference 2003 pp 6 MAAMARI F JONGEWAARD M KOSTER J TRANSGRASSOULIS A FONTOYNONT M A Step Toward A Complete And Objective Validation Methodology For Lighting Simulation Tools CIE 25th Session San Diego 2003 pp 4 MARDALJEVIC J Daylight Simulation Validation Sky Models and Daylight Coefficients Leicester UK Montfort University 2000 MARDALJEVIC J The BRE-IDMP dataset a new benchmark for the validation of illuminance prediction techniques Lighting Research and Technology 2001 vol 33 ndegISSN 1365-7828 pp 117-136 MITANCHEY R Synthegravese dimages appliqueacutee agrave leacuteclairagisme inteacuterieur des bacirctiments Thegravese en Informatique speacutecialiteacute images Saint-Etienne Leacutecole Nationale Supeacuterieure des Mines de Saint-Etienne 1996 200 p
52
Chapitre I
MITANCHEY R PERIOLE G FONTOYNONT M Goniophotometric measurements Numerical simulation for research and development applications Lighting Research and Technology 1995 vol 27 ndeg4 pp 189-196 MOON P SPENCER D E Illumination from a nonuniform sky Illum Eng 1942 vol 37 ndeg12 pp 707-726 NAKAMURA H OKI M AYASHI Y Luminance distribution of intermediate sky Light Visual Environ 1989 vol 9 ndeg1 pp 6-13 PAULE B COMPAGNON R SCARTEZZINI J L Towards a new daylighting design computer tool Right Light Three conference Newcastle upon Tyne England 1995 PEREZ R SEALS R MICHALSKY J All-Weather model for sky luminance distribution Preliminary configuration and validation Solar Energy 1993 vol 50 ndeg3 pp 235-245 REINHART C F HERKEL S The simulation of annual daylight illuminance distributions ndash a state-of-the-art comparison of six RADIANCE-based methods Energy and Buildings 2000 vol 32 ndeg167-187 ROY G HAYMAN S JULIAN W Sky Modeling from Digital Imagery ARC Project No A89530177 Sidney The University of Sidney amp Murdoch university 1998 ROY G RUCK N REID G JULIAN W Sky luminanceStandard Digital Form for modelling Lighting Research amp Technology 1995 vol 27 ndeg3 pp 161-167 SATEL-LIGHT Satel-Light the European Database for Daylight and Solar Radiation [en ligne] Disponible sur lthttpwwwsatel-lightcomgt (27 janvier 2004) SCARTEZZINI J L COMPAGNON G WARD G PAULE B Outils Informatiques en Lumiegravere Naturelle NEFF-4352 Universiteacute de Genegraveve EPFL 1993 142 p SHAREEF F M OLDHAM D J CARTER D J A computer model for predicting the daylight performance of complex parallel shading systems Building and Environment 2001 vol 36 pp 605-618 SLATER A GRAVES H Benchmarking Lighting Design Software TM 2800 London CIBSE 2002 33 p SMITH B SPIEKERMANN C SEMBER R Numerical methods for colorimetric calculations A comparison of integration methods Color Research and Application 1992 vol 17 ndeg6 STOCKMAR A Eulumdat file format CIBSEILE National Lighting Conference York 2000 STOCKMAR A W EULUMDAT ein leuchtendatenformat fur den europaischen beleuchtungplaner Tagungsband Licht 1990 pp 641-644
53
Chapitre I
TREGENZA P Daylighting algorithms ETSU S 1350 UK Department of Trade and Industry on behalf of the Energy Technology Support Unit 1993 43 p TREGENZA P R WATERS I M Daylight Coefficients Lighting Research amp Technology 1983 vol 15 ndeg2 pp 65-71 TROWBRIDGE T S REITZ K P Average Irregularity Representation of a Rough Surface for Ray Reflection Opt Soc Am 1975 vol 65 ndeg5 pp 531-536 UETANI Y MATSUURA K A Method of Luminance Calculation in an Anisotropic Diffuse Reflecting Interior IESNA Annual Conference Technical Papers San Diego 1992 WARD G J The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System SIGGRAPH Computer graphics 1994 pp 459-472 WHITTED T An improved illumination model for shaded display Computer graphics amp Image processing 1980
54
- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
FONTOYNONT M Le point sur les meacutethodes de simulation et sur lrsquoutilisation de lrsquoimage de synthegravese en eacuteclairage LUX 1991 FONTOYNONT M LAFORGUE P MITANCHEY R AIZLEWOOD M BUTT J CARROLL W HITCHOCK R ERHORN H DE BOER J DIRKSMOumlLLER M MICHEL L PAULE B SCARTEZZINI J-L BODART M AND ROY G Validation of daylighting simulation programs IEA SHC Task 21 ECBCS Annex 29 1999 28 p GALASIU A ATIF M Applicability of Daylighting Computer Modeling in Real Case Studies Comparison between Measured and Simulated Daylight Availability and Lighting Consumption IEA SHC Task 21 IEA ECBCS Annex 29 Daylight in Buildings International Energy Agency National Research Council Canada 1998 68 p GREENUP P J EDMONDS I R COMPAGNON R RADIANCE algorithm to simulate laser-cut panel light-redirecting elements Lighting Research amp Technology 2000 vol 32 ndeg2 pp 49-54 GRYNBERG A Comparison and Validation of Radiance and Superlite Rapport interne Lawrence Berkeley National Laboratory 1988 HOPKINSON R G PETHERBRIDGE P LONGMORE J Daylighting William Heinneman Ltd London 1966 IEA-SHC Daylighting simulation Methods Algorithms and Ressources Agence Internaitonale de lEnergie - SHC 1999 IEA-SHC Measurement of Luminous Characteristics of Daylighting Materials Agence Internationale de lEnergie - SHC - Tacircche 21 1999 IESNA Calculating Coefficients of Utilisation Wall and Ceiling Cavity Exitance IES LM-57 New York Illuminating engineering Society of North America 1982 IESNA The Determination of Illuminance at a Point in Interior Spaces IES LM-43-1991 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 34 p IESNA An Introduction to Light and Lighting IES ED-50 New York Illuminating engineering Society of North America 1991 51 p IESNA Lighting Handbook 8th Edition New York Illuminating engineering Society of North America 1993 IESNA IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data IESNA LM-63-95 New York Illuminating engineering Society of North America 1995 5 p IESNA 1999 IESNA Software Survey Lighting Design + Application 1999 vol 29 ndeg12 pp 39-48 JARVIS D DONN M Comparison of Computer and Model Simulations of a Daylit Interior with Reality 5th International conference on Building Performance and Simulation Association Prague Czech Republic 1997 pp 9-16
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Chapitre I
KAJIYA J T Anisotropic Reflection Models SIGGRAPH85 San Francisco 1985 pp 15-21 KARAYEL M NAVVAB M NEEMAN E SELKOWITZ S Zenith Luminance and sky luminance distributions for daylighting calculations Energy Build 1984 vol 6 ndeg3 pp 283-291 KHODULEV A B KOPYLOV E A Physically accurate lighting simulation in computer graphics software GraphiConrsquo96 The 6th International Conference on Computer graphics and Visualization St Petersburg Russia 1996 pp 111-119 KITTLER R Standardisation of outdoor conditions for the calculation of daylight factor with clear skies Sunlight in Buinldings CIE Intercessional conference Newcastle-Upon-Tyne 1965 KLEMS J H WARNER J L Measurement of bidirectional optical properties of complex shading devices ASHRAE Symposium Chicago 1995 LESLIE R P Capturing the daylight in buildings why and how Building and Environment 2003 vol 38 pp 381-385 MAAMARI F International survey on lighting simulation tools - Light and Building 2002 IEA-SHC-Task-31 2002 7 p MAAMARI F FONTOYNONT M Use of IEA-SHC Task 21 C benchmarks to assess performance of Lightscape 32 in daylighting calculations EPIC Lyon France 2002 pp 709-714 MAAMARI F FONTOYNONT M HIRATA M KOSTER J MARTY C TRANSGRASSOULIS A Reliable Datasets for Lighting Programs Validation Benchmark results CISBAT 2003 Conference 2003 pp 6 MAAMARI F JONGEWAARD M KOSTER J TRANSGRASSOULIS A FONTOYNONT M A Step Toward A Complete And Objective Validation Methodology For Lighting Simulation Tools CIE 25th Session San Diego 2003 pp 4 MARDALJEVIC J Daylight Simulation Validation Sky Models and Daylight Coefficients Leicester UK Montfort University 2000 MARDALJEVIC J The BRE-IDMP dataset a new benchmark for the validation of illuminance prediction techniques Lighting Research and Technology 2001 vol 33 ndegISSN 1365-7828 pp 117-136 MITANCHEY R Synthegravese dimages appliqueacutee agrave leacuteclairagisme inteacuterieur des bacirctiments Thegravese en Informatique speacutecialiteacute images Saint-Etienne Leacutecole Nationale Supeacuterieure des Mines de Saint-Etienne 1996 200 p
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Chapitre I
MITANCHEY R PERIOLE G FONTOYNONT M Goniophotometric measurements Numerical simulation for research and development applications Lighting Research and Technology 1995 vol 27 ndeg4 pp 189-196 MOON P SPENCER D E Illumination from a nonuniform sky Illum Eng 1942 vol 37 ndeg12 pp 707-726 NAKAMURA H OKI M AYASHI Y Luminance distribution of intermediate sky Light Visual Environ 1989 vol 9 ndeg1 pp 6-13 PAULE B COMPAGNON R SCARTEZZINI J L Towards a new daylighting design computer tool Right Light Three conference Newcastle upon Tyne England 1995 PEREZ R SEALS R MICHALSKY J All-Weather model for sky luminance distribution Preliminary configuration and validation Solar Energy 1993 vol 50 ndeg3 pp 235-245 REINHART C F HERKEL S The simulation of annual daylight illuminance distributions ndash a state-of-the-art comparison of six RADIANCE-based methods Energy and Buildings 2000 vol 32 ndeg167-187 ROY G HAYMAN S JULIAN W Sky Modeling from Digital Imagery ARC Project No A89530177 Sidney The University of Sidney amp Murdoch university 1998 ROY G RUCK N REID G JULIAN W Sky luminanceStandard Digital Form for modelling Lighting Research amp Technology 1995 vol 27 ndeg3 pp 161-167 SATEL-LIGHT Satel-Light the European Database for Daylight and Solar Radiation [en ligne] Disponible sur lthttpwwwsatel-lightcomgt (27 janvier 2004) SCARTEZZINI J L COMPAGNON G WARD G PAULE B Outils Informatiques en Lumiegravere Naturelle NEFF-4352 Universiteacute de Genegraveve EPFL 1993 142 p SHAREEF F M OLDHAM D J CARTER D J A computer model for predicting the daylight performance of complex parallel shading systems Building and Environment 2001 vol 36 pp 605-618 SLATER A GRAVES H Benchmarking Lighting Design Software TM 2800 London CIBSE 2002 33 p SMITH B SPIEKERMANN C SEMBER R Numerical methods for colorimetric calculations A comparison of integration methods Color Research and Application 1992 vol 17 ndeg6 STOCKMAR A Eulumdat file format CIBSEILE National Lighting Conference York 2000 STOCKMAR A W EULUMDAT ein leuchtendatenformat fur den europaischen beleuchtungplaner Tagungsband Licht 1990 pp 641-644
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Chapitre I
TREGENZA P Daylighting algorithms ETSU S 1350 UK Department of Trade and Industry on behalf of the Energy Technology Support Unit 1993 43 p TREGENZA P R WATERS I M Daylight Coefficients Lighting Research amp Technology 1983 vol 15 ndeg2 pp 65-71 TROWBRIDGE T S REITZ K P Average Irregularity Representation of a Rough Surface for Ray Reflection Opt Soc Am 1975 vol 65 ndeg5 pp 531-536 UETANI Y MATSUURA K A Method of Luminance Calculation in an Anisotropic Diffuse Reflecting Interior IESNA Annual Conference Technical Papers San Diego 1992 WARD G J The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System SIGGRAPH Computer graphics 1994 pp 459-472 WHITTED T An improved illumination model for shaded display Computer graphics amp Image processing 1980
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- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
KAJIYA J T Anisotropic Reflection Models SIGGRAPH85 San Francisco 1985 pp 15-21 KARAYEL M NAVVAB M NEEMAN E SELKOWITZ S Zenith Luminance and sky luminance distributions for daylighting calculations Energy Build 1984 vol 6 ndeg3 pp 283-291 KHODULEV A B KOPYLOV E A Physically accurate lighting simulation in computer graphics software GraphiConrsquo96 The 6th International Conference on Computer graphics and Visualization St Petersburg Russia 1996 pp 111-119 KITTLER R Standardisation of outdoor conditions for the calculation of daylight factor with clear skies Sunlight in Buinldings CIE Intercessional conference Newcastle-Upon-Tyne 1965 KLEMS J H WARNER J L Measurement of bidirectional optical properties of complex shading devices ASHRAE Symposium Chicago 1995 LESLIE R P Capturing the daylight in buildings why and how Building and Environment 2003 vol 38 pp 381-385 MAAMARI F International survey on lighting simulation tools - Light and Building 2002 IEA-SHC-Task-31 2002 7 p MAAMARI F FONTOYNONT M Use of IEA-SHC Task 21 C benchmarks to assess performance of Lightscape 32 in daylighting calculations EPIC Lyon France 2002 pp 709-714 MAAMARI F FONTOYNONT M HIRATA M KOSTER J MARTY C TRANSGRASSOULIS A Reliable Datasets for Lighting Programs Validation Benchmark results CISBAT 2003 Conference 2003 pp 6 MAAMARI F JONGEWAARD M KOSTER J TRANSGRASSOULIS A FONTOYNONT M A Step Toward A Complete And Objective Validation Methodology For Lighting Simulation Tools CIE 25th Session San Diego 2003 pp 4 MARDALJEVIC J Daylight Simulation Validation Sky Models and Daylight Coefficients Leicester UK Montfort University 2000 MARDALJEVIC J The BRE-IDMP dataset a new benchmark for the validation of illuminance prediction techniques Lighting Research and Technology 2001 vol 33 ndegISSN 1365-7828 pp 117-136 MITANCHEY R Synthegravese dimages appliqueacutee agrave leacuteclairagisme inteacuterieur des bacirctiments Thegravese en Informatique speacutecialiteacute images Saint-Etienne Leacutecole Nationale Supeacuterieure des Mines de Saint-Etienne 1996 200 p
52
Chapitre I
MITANCHEY R PERIOLE G FONTOYNONT M Goniophotometric measurements Numerical simulation for research and development applications Lighting Research and Technology 1995 vol 27 ndeg4 pp 189-196 MOON P SPENCER D E Illumination from a nonuniform sky Illum Eng 1942 vol 37 ndeg12 pp 707-726 NAKAMURA H OKI M AYASHI Y Luminance distribution of intermediate sky Light Visual Environ 1989 vol 9 ndeg1 pp 6-13 PAULE B COMPAGNON R SCARTEZZINI J L Towards a new daylighting design computer tool Right Light Three conference Newcastle upon Tyne England 1995 PEREZ R SEALS R MICHALSKY J All-Weather model for sky luminance distribution Preliminary configuration and validation Solar Energy 1993 vol 50 ndeg3 pp 235-245 REINHART C F HERKEL S The simulation of annual daylight illuminance distributions ndash a state-of-the-art comparison of six RADIANCE-based methods Energy and Buildings 2000 vol 32 ndeg167-187 ROY G HAYMAN S JULIAN W Sky Modeling from Digital Imagery ARC Project No A89530177 Sidney The University of Sidney amp Murdoch university 1998 ROY G RUCK N REID G JULIAN W Sky luminanceStandard Digital Form for modelling Lighting Research amp Technology 1995 vol 27 ndeg3 pp 161-167 SATEL-LIGHT Satel-Light the European Database for Daylight and Solar Radiation [en ligne] Disponible sur lthttpwwwsatel-lightcomgt (27 janvier 2004) SCARTEZZINI J L COMPAGNON G WARD G PAULE B Outils Informatiques en Lumiegravere Naturelle NEFF-4352 Universiteacute de Genegraveve EPFL 1993 142 p SHAREEF F M OLDHAM D J CARTER D J A computer model for predicting the daylight performance of complex parallel shading systems Building and Environment 2001 vol 36 pp 605-618 SLATER A GRAVES H Benchmarking Lighting Design Software TM 2800 London CIBSE 2002 33 p SMITH B SPIEKERMANN C SEMBER R Numerical methods for colorimetric calculations A comparison of integration methods Color Research and Application 1992 vol 17 ndeg6 STOCKMAR A Eulumdat file format CIBSEILE National Lighting Conference York 2000 STOCKMAR A W EULUMDAT ein leuchtendatenformat fur den europaischen beleuchtungplaner Tagungsband Licht 1990 pp 641-644
53
Chapitre I
TREGENZA P Daylighting algorithms ETSU S 1350 UK Department of Trade and Industry on behalf of the Energy Technology Support Unit 1993 43 p TREGENZA P R WATERS I M Daylight Coefficients Lighting Research amp Technology 1983 vol 15 ndeg2 pp 65-71 TROWBRIDGE T S REITZ K P Average Irregularity Representation of a Rough Surface for Ray Reflection Opt Soc Am 1975 vol 65 ndeg5 pp 531-536 UETANI Y MATSUURA K A Method of Luminance Calculation in an Anisotropic Diffuse Reflecting Interior IESNA Annual Conference Technical Papers San Diego 1992 WARD G J The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System SIGGRAPH Computer graphics 1994 pp 459-472 WHITTED T An improved illumination model for shaded display Computer graphics amp Image processing 1980
54
- Pont dembarquement
- Page de titre
- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
-
- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
-
- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
-
- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
-
- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
MITANCHEY R PERIOLE G FONTOYNONT M Goniophotometric measurements Numerical simulation for research and development applications Lighting Research and Technology 1995 vol 27 ndeg4 pp 189-196 MOON P SPENCER D E Illumination from a nonuniform sky Illum Eng 1942 vol 37 ndeg12 pp 707-726 NAKAMURA H OKI M AYASHI Y Luminance distribution of intermediate sky Light Visual Environ 1989 vol 9 ndeg1 pp 6-13 PAULE B COMPAGNON R SCARTEZZINI J L Towards a new daylighting design computer tool Right Light Three conference Newcastle upon Tyne England 1995 PEREZ R SEALS R MICHALSKY J All-Weather model for sky luminance distribution Preliminary configuration and validation Solar Energy 1993 vol 50 ndeg3 pp 235-245 REINHART C F HERKEL S The simulation of annual daylight illuminance distributions ndash a state-of-the-art comparison of six RADIANCE-based methods Energy and Buildings 2000 vol 32 ndeg167-187 ROY G HAYMAN S JULIAN W Sky Modeling from Digital Imagery ARC Project No A89530177 Sidney The University of Sidney amp Murdoch university 1998 ROY G RUCK N REID G JULIAN W Sky luminanceStandard Digital Form for modelling Lighting Research amp Technology 1995 vol 27 ndeg3 pp 161-167 SATEL-LIGHT Satel-Light the European Database for Daylight and Solar Radiation [en ligne] Disponible sur lthttpwwwsatel-lightcomgt (27 janvier 2004) SCARTEZZINI J L COMPAGNON G WARD G PAULE B Outils Informatiques en Lumiegravere Naturelle NEFF-4352 Universiteacute de Genegraveve EPFL 1993 142 p SHAREEF F M OLDHAM D J CARTER D J A computer model for predicting the daylight performance of complex parallel shading systems Building and Environment 2001 vol 36 pp 605-618 SLATER A GRAVES H Benchmarking Lighting Design Software TM 2800 London CIBSE 2002 33 p SMITH B SPIEKERMANN C SEMBER R Numerical methods for colorimetric calculations A comparison of integration methods Color Research and Application 1992 vol 17 ndeg6 STOCKMAR A Eulumdat file format CIBSEILE National Lighting Conference York 2000 STOCKMAR A W EULUMDAT ein leuchtendatenformat fur den europaischen beleuchtungplaner Tagungsband Licht 1990 pp 641-644
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Chapitre I
TREGENZA P Daylighting algorithms ETSU S 1350 UK Department of Trade and Industry on behalf of the Energy Technology Support Unit 1993 43 p TREGENZA P R WATERS I M Daylight Coefficients Lighting Research amp Technology 1983 vol 15 ndeg2 pp 65-71 TROWBRIDGE T S REITZ K P Average Irregularity Representation of a Rough Surface for Ray Reflection Opt Soc Am 1975 vol 65 ndeg5 pp 531-536 UETANI Y MATSUURA K A Method of Luminance Calculation in an Anisotropic Diffuse Reflecting Interior IESNA Annual Conference Technical Papers San Diego 1992 WARD G J The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System SIGGRAPH Computer graphics 1994 pp 459-472 WHITTED T An improved illumination model for shaded display Computer graphics amp Image processing 1980
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- Table des matiegraveres
- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
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- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
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- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
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- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
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- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
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- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
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- I13 La geacuteomeacutetrie
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- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
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- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
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- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
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- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
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- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
-
- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
-
- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
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- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
-
- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
-
Chapitre I
TREGENZA P Daylighting algorithms ETSU S 1350 UK Department of Trade and Industry on behalf of the Energy Technology Support Unit 1993 43 p TREGENZA P R WATERS I M Daylight Coefficients Lighting Research amp Technology 1983 vol 15 ndeg2 pp 65-71 TROWBRIDGE T S REITZ K P Average Irregularity Representation of a Rough Surface for Ray Reflection Opt Soc Am 1975 vol 65 ndeg5 pp 531-536 UETANI Y MATSUURA K A Method of Luminance Calculation in an Anisotropic Diffuse Reflecting Interior IESNA Annual Conference Technical Papers San Diego 1992 WARD G J The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System SIGGRAPH Computer graphics 1994 pp 459-472 WHITTED T An improved illumination model for shaded display Computer graphics amp Image processing 1980
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- Reacutesumeacute - Abstract
- Introduction geacuteneacuterale
- Chapitre I - Etat de lart de la simulation numeacuterique de leacuteclairage
-
- Introduction
- I1 La propagation de la lumiegravere entre la reacutealiteacute et la simulation
-
- I11 Les sources de lumiegravere artificielle
-
- I111 Introduction Les luminaires et la conception en eacuteclairage artificiel
- I112 Mesures Goniophotomeacutetriques des luminaires
- I113 Notion de champ proche - champ lointain
- I114 Fichiers photomeacutetriques
- I115 Calcul numeacuterique de lrsquoeacuteclairage direct drsquoun luminaire (Notion de source ponctuelle - source surfacique)
-
- I12 Les sources de lumiegravere naturelle
-
- I121 le soleil
- I122 le ciel
- I123 les modegraveles de ciel
- I123 Le sol exteacuterieur
- I124 Les masques exteacuterieurs (eacuteleacutements de faccedilade et environnement urbain)
- I125 La conception en eacuteclairage naturel notions de bases et meacutethodes de calcul
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- I13 La geacuteomeacutetrie
-
- I131 Geacuteneacuteraliteacutes
- I132 La modeacutelisation DAO de la geacuteomeacutetrie
-
- I14 La transmission des flux agrave travers les eacuteleacutements de faccedilade
-
- I141 Ouverture simple
- I142 Vitrage classique
- I143 Vitrage agrave aspect bi-directionnel
- I144 Eleacutements de protection solaire
- I145 La goniophotomeacutetrie reacuteelle et virtuelle des mateacuteriaux
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- I15 La reacuteflexion de la lumiegravere sur les diffeacuterents types de mateacuteriaux
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- I2 Les logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I21 Les algorithmes de calcul de leacuteclairage
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- 1211 Radiositeacute
- 1212 Lancer de rayons
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- I22 Exemples types des logiciels existants
-
- 1221 Adeline
- 1222 Genelux
- 1223 Inspirer
- 1224 DIAL Leso-Dial
- 1225 Lightscape 32
- 1226 Radiance
- 1227 Superlite
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- I23 Domaines drsquoutilisation des logiciels
-
- I3 La validation des logiciels de simulation de lrsquoeacuteclairage
-
- I31 Introduction
- I32 Diffeacuterents types de validation
-
- I321 La validation analytique
- I322 La validation expeacuterimentale
- I323 La validation comparative
-
- I33 Quelques exemples de travaux de validation reacutealiseacutes
-
- I331 Le travail de Khodulev et Kopylov
- I332 Le rapport TM 2800 de la CIBSE
- I333 Les Benchmarks de la Tache 21 de lrsquoIEA
-
- I34 Analyse de la probleacutematique
- I35 Proposition drsquoune meacutethodologie de validation des logiciels
-
- I351 Introduction
- I352 Concept et approche proposeacutes
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- Conclusions
- Reacutefeacuterences Bibliographiques
-
- Chapitre II - Cas-tests avec reacutefeacuterences analytiques
- Chapitre III - Cas-tests avec reacutefeacuterences expeacuterimentales
- Chapitre IV - Utilisation des cas-tests pour la validation dun logiciel de simulation de leacuteclairage et du concept des luminaires eacutequivalents
- Conclusions et perspectives
- Annexe A - Validation du logiciel Skylux
- Annexe B - Solutions analytiques de reacutefeacuterence
- Annexe C - Comparaison des simulations de Radiance (avec des cartes de luminances reacuteelles) aux mesures expeacuterimentales
- Annexe D - Enquecircte sur lutilisation des logiciels
- Annexe E - Comparaison des logiciels en ligne
- Annexe F - Le comiteacute technique TC333 de la CIE
- Annexe G - Formats de fichiers photomeacutetriques
- Annexe H - Cartes de luminances reacuteelles au format de ciel Radiance
- Folio administratif
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