L’éclairage naturel première partie - ENSAG : Accueil · parallèle à lui-même au cours du...
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L’éclairage naturel première partie :Principes de base
Suzel BALEZL5C 2007-08
Hertzog et PartnerBât. De bureaux à Wiesbaden
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PlanNotions préliminaires
– La vision– Grandeurs photométriques
Le flux lumineuxL’éclairement (lux)
La luminance
Les 2 aspects de l’éclairage naturel : ensoleillement et éclairage diffus
– Ensoleillement– Éclairage diffus
Stratégies de l’éclairage naturel– Capter
– Transmettre– Distribuer
– Se protéger– Contrôler
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L’œil n’est sensible qu’à une toute petite partie des radiations électromagnétiques Le visible (la lumière), c’est un spectre électromagnétique dont les longueurs d’ondes ont le pouvoir d’exciter les cellules visuelles de l’œil
λ=0,38 μm < Visible < λ=0,78 μm
10-8 1010108106104102110-210-410-6
Longueurs d'onde électromagnétiques en μm (10-6 m)
Rayons gamma
Rayons cosmiques
Rayons X
U. V.
Infra rougeRadar, radio, TV
VISIBLE
Le visible
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La vision, principes de base
La perception visuelle naît dans l’œil mais prend forme dans le cerveau:
– l’optique de l’œil permet la formation de l’image rétinienne et la rétine transforme la
lumière reçue en un ensemble de stimulations capables d’être traitées par le
cerveau.
Les cellules de la rétine : – les cônes : réaction au forts éclairements,
vision de détail et sensibilité à la couleur (rouge, vert, bleu);
– les bâtonnets : insensibles à la couleur, réaction aux faibles éclairements.
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La vision, principes de base
L’œil n’est pas sensible, dans le visible, de la même manière à toutes les
longueurs d’ondes. En vision de jour, le maximum de sensibilité se situe à
0,555μm (jaune-vert).
En réalité, il existe deux courbes de réponse, l'une pour des éclairements
forts (dite "photopique" et représentée ici), l'autre pour des éclairements
faibles ("scotopique »).
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Rapport figure / fond ?
Les illustrations des diapositives suivantes sont issues de Jacques Ninio, La sciences de l’illusion
La vision, aspects cognitifs
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Grandeurs photométriques :Le flux lumineux
Le flux lumineux Φ d’une source est l’évaluation, selon la sensibilité de l’œil, de la quantité de lumière rayonnée dans tout
l’espace de cette source. Il s’exprime en lumen (lm)
L’efficacité lumineuse (ou rendement lumineux) η d’une source est le quotient de
son flux lumineux Φ par sa puissance P. Elle s’exprime en lm/W.
η = Φ/P (lm/W)
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Grandeurs photométriques :L’intensité lumineuse
L’intensité lumineuse est le flux lumineux émis par unité d’angle solide
dans une direction donnée. Elle se mesure en candela (cd).
I = Φ / Ω (cd)
– L’angle solide (Ω) d’un cône est le rapport de la surface (S) découpée sur une
surface sphérique (ayant son centre au sommet de ce cône) au carré du rayon de
la sphère. Il s’exprime en stéradians (sr)
Ω = S / r² (sr)
– Le stéradian est donc l’angle solide qui découpe une surface égale à 1m² sur une
sphère d’un mètre de rayon. L’ensemble des angles solides dans une sphère représente 4π.
L’angle solide maximal vaut donc 4π stéradians.
1 candela = 1 lumen/stéradian
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Grandeurs photométriques : L’éclairement
L’éclairement (E) d’une surface est le rapport du flux lumineux reçu à
l’aire de cette surface. Son unité est le lux, équivalent à 1lm/m²
E = Φ / S (lx)
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Grandeurs photométriques : l’éclairement s’exprime en lux
L’unité utilisée pour la mesure de l’éclairement est le LUX (lx)Elle caractérise le rapport d’un flux lumineux sur une surface.
L’éclairement est donc toujours défini par rapport à une surface (que cette surface soit horizontale, verticale ou oblique
matérialisée ou non)
Notre perception de l’éclairement naturel est très variable. Nous pouvons lire un texte sous un éclairement de 100 000 lx et sous
une nuit de pleine lune (0,1lx)
5000 lx en éclairage naturel correspond à une valeur faible (temps gris) alors qu’en éclairage artificiel, c’est insupportable
(cf. le ciel artificiel de l’Ensag).
Ordre de grandeurs– Éclairement sur une place au soleil à midi en été : 100 000 lux
– Bureau - une salle de cours : 300-500 lux– Rue piétonne : 2-20 lx
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Grandeurs photométriques : La luminance
La luminance (L) d’une source est le rapport entre l’intensité lumineuse
émise dans une direction et la surface apparente de la source
lumineuse dans la direction considérée. La luminance s’exprime
en candélas par mètre carré(cd/m²)
L = I / S apparente
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Grandeurs photométriques : La luminance
La luminance est la seule grandeur photométrique
réellement perçue par l’œil humain
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Ensoleillement et éclairage diffus
l’ensoleillement renvoi à l’étude de la course du soleil, l’étude de la pénétration de la lumière
naturelle dans un bâtiment (ou sur un espace public), l’étude du temps d’exposition dont
bénéficie un local des rayons solaires, l’étude de protections solaires éventuelles, …
L’éclairage diffus désigne l’éclairage fourni par la voûte céleste sans les rayons solaires
directs. Ainsi la quantité d’éclairage naturel est directement dépendante de :
conditions spatio-temporelles (latitude, jour, heure)conditions météo
dimension et position des prises de journature des matériaux de vitrage
orientation des ouverturesexistence de masques extérieurs
facteurs de réflexion des parois intérieures
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Le soleil et le ciel : Climats
Ciels couverts = éclairage diffus (ou
éclairage naturel)
Ciels ensoleillés = ensoleillement
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La terre tourne autour du soleil selon un mouvement de translation sur une orbite elliptique (assimilée à un cercle). L’axe des pôles forme un angle d’inclinaison de 23° 27’par rapport au plan de l’elliptique et reste parallèle à lui-même au cours du mouvement annuel.
Généralités :– On considère que le soleil
émet comme une source située à l’infini, dont les
rayons sont parallèles entre eux.
Le soleil
24Source : Pierre Seille, ENS INSA Lyon, 2000http://www.ens-lyon.fr/Planet-Terre/Infosciences/Planetologie/Description/Articles/solstice.html
– 2 équinoxes (printemps et automne) : jour = nuit– 2 solstices (21 juin et 21 Décembre) : jours les
plus long et le plus court de l’année
4 positions clés
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Position du soleilLa position du soleil dans le ciel
est prédictible à partir :– de la latitude,– du moment de l’année,– de l’heure
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Trajectoires solaires
Exemples de trajectoires
solaires depuis différents points
de la terre
Pour une même direction des
rayons solaires, la hauteur du
soleil évaluée en différents points
de la terre ne sera pas la
même.
28Sourc
e :
Maz
ria
Coordonnées angulaires du soleil
Hauteur et azimut servent àdéfinir la position d’un objet
par rapport à un point de référence (point d’observation).
– Hauteur : angle formé par le rayon solaire et le plan
horizontal (entre 0° et 90°)
– Azimut : angle formé par la trace du soleil sur le
plan horizontal et la direction Nord (dans le sens des aiguilles d’une
montre). Par commodité, on utilise l’azimut par
rapport au sud (< 0 côtéEst, > 0 côté Ouest)
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courses du soleil - Hiver / Été
Attention : saisons inversées sur les deux hémisphèresEté (Hémisphère Nord) quand la distance Terre / Soleil est la plus grande mais les rayons les + chauds
Cf .
Ener
g yC
o nsc
ious
De s
ign
Remarque
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Les azimut sont donnés en abscisse (0° = midi solaire, quand le soleil est dans l’axe sud).Les hauteurs sont données en ordonnées.Ces diagrammes sont fournis pour une latitude donnée.
A : 21 juin [Solstice]B : mai & juilletC : avril & aoûtD : mars & septembreE : février & octobreF : janvier & novembreG : 21 Décembre [Solstice]
Diagrammes cartésiens
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Ces diagrammes permettent aussi de tracer les masques de
l’environnement et de déterminer leur influence.
Pour déterminer ces masques : – choisir un point et une hauteur
de référence– relever (sur le terrain ou sur
un plan) la hauteur et les azimut que font les arrêtes de ces masques avec le point de
référence– reporter hauteurs et azimut
sur le graphe – tracer les non horizontales
avec les indicateurs d’occultation
Attention, si vous utilisez une carte topographique (IGN), il faut soustraire
l’altitude du point de référence àl’altitude que vous lisez sur la carte.
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Exemple de diagramme solaire avec photo-montage
Place de Philippeville, Grenoble (BazarUrbain 2007)
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Courbe A : 21 juin Courbe B : 21 mai et 21 juilletCourbe C : 21 avril et 21 août Courbe D : 21 mars et 21 sept.Courbe E : 21 février et 21 octobre Courbe F : 21 janvier et 21 novembreCourbe G : 21 décembre
Le gnomon
Le gnomon repose sur le principe du cadran solaire,
adapté à la latitude du lieu.
Une tige verticale dont on connaît la dimension (d),
est posée sur le plan horizontal.
Cette tige donne une trace d’ombre qu’on représente
pour chaque mois.Les nombres situés sur les
traces solaires représentent les heures en
temps solaire.
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Principe
Il est possible de simuler les différentes positions solaires sur une maquette avec un héliodon et un projecteur à rayons parallèles.
L’Héliodon
Les 3 axes de rotation de l’héliodon :
-le basculement du plateau (0° à 90°) sur lequel est posé la maquette permet de régler
la latitude
- le pivotement du pied permet de choisir les mois
- on fait varier les heures en faisant tourner le plateau sur lui-même.
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Durée d’insolationTemps (journalier, mensuel, annuel), durant lequel la puissance surfacique du rayonnement solaire atteignant le sol atteint ou dépasse une valeur seuil.
Correspondance avec la photométrie : 100 lm/W
Soit : 1 W/m2 ≈ 100 lux
Carte d’irradiation globale, moyenne annuelle, en Kwh/m2
Ces données sont fournies par différentes bases : Méteo
nationale, Satel-Light, Atlas solaire européen
Conditions spatiotemporelles et météorologiques
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Remarque :
En été, la quantité d’énergie solaire reçue est plus important sur une surface horizontale que
verticale même orientée SudEn hiver, la quantité d’énergie
solaire reçue est plus importante sur une surface verticale orientée Sud que
horizontale
Quelles conséquences pour le choix des ouvertures ?
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En été, par ciel serein, l’éclairement horizontal au niveau de la mer atteint 100 000 lux.
En hiver, sous nos latitudes, par ciel très couvert, l’éclairement horizontal extérieur peut être inférieur à5000 lux.
Influence de la couche nuageuse
Ciel intermédiaire
Les nuages réduisent l’éclairement :
Ciel serein : 100 %Nuages 2/10 : 90 %Nuages 4/10 : 75 %Nuages 6/10 : 65 %Nuages 8/10 : 45 %Ciel complètement couvert : 20 %
Climat et contexte : le ciel
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Eint.
Eext.
Fj = E intEext
×100
oùEint = Eclairement horizontal à l’intérieur du localEext = Eclairement horizontal extérieur en site dégagé
Comme la quantité de lumière naturelle peut varier de façon importante, on introduit un rapport de proportionnalité entre l’éclairement extérieur et celui disponible à l’intérieur du local. C’est ce qu’on appelle le facteur de lumière du jour et il se calcule ainsi :
Exemple : . Eext = 5000 lxPrès d’une ouverture latérale, on peut avoir un Fj de 5%=> Eint = 250 lx
Facteur de lumière du jour
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Le facteur de lumière du jour peut se décomposer de la manière suivante :
Fj = FJD + FJRE + FJRI en %avec : FJD : composante directe de la voûte célesteFJRE : composante réfléchie extérieureFJRI : composante réfléchie intérieure
Eint.
Eext.
FJRE
FJRI
FJD
Voûte céleste
Facteur de lumière du jour : décomposition
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Ces trois composantes ont des importances diverses :
- près des fenêtres la composante du FJD est en général prépondérante sauf s’il y a un masque crée par des bâtiments devant la façade (dans ce cas là, c’est la composante du FJRE qui est importante)
- Par contre, au fond du local, la composante FJRI prend une valeur relativement importante alors qu’elle est négligeable près des ouvertures.
Eint.
Eext.
FJREFJD
FJRI
Facteur de lumière du jour
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Prises de jour verticalesune idée fausse
Sur cet exemple de cour intérieure, les pièces des étages inférieurs ne sont pas éclairés par la voûte céleste mais par les réflexions extérieures des façades. Le vitrage ayant un facteur de réflexion quasi-nul, augmenter la taille des fenêtres diminue l’éclairement à l’intérieur de des pièces des étages inférieurs
Importance de FJ Réfléchi
50 lux 30 lux
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Ordre de grandeur Type d’espace Fj (%)
cathédrale 0,5
Bureau éloigné d’une fenêtre
0,5 à 1
Bureau proche d’une fenêtre
3 à 6
Musée de peinture 0,6 à 1,8
Hall de gare XIXe siècle 10
Patio vitré 10 à 20
Paroi verticale (extérieur) 30 à 50
Surface en toiture (extérieur)
100
Réalisez que ce pourcentage est faible …0,5% de 5000lx = 25lx … éclairage d’une rue piétonne alors qu’un bureau attend 400 lx
Facteur de lumière du jour et fonctions des bâtiments
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FJ (en %)
Distance (en m)
20
15
10
5
20,5
1 2 3 4 5 6
Allure de la décroissance du facteur de lumière du jour dans un local éclairé par une seule baie verticale
hauteur du plan de mesure
Le facteur de lumière du jour n’est pas constant dans un local : il décroît très vite dès lors que l’on s’éloigne d’une prise de jour.
Variation du facteur de lumière du jour dans un local