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L’éclairage naturel

Par Roger CADIERGUES – Consultant et Ancien directeur général du COSTIC

Le recours à l'éclairage naturel est une source simple d'économie d'énergie. Mais cela ne doit pas conduire à développer trop fortement l'éclairage naturel car l'augmentation de surfaces vitrées peut avoir des conséquences thermiques qui, si elles sont souhaitables en hiver par augmentation des apports, peuvent être regrettables du fait des charges d'été pouvant conduire à des températures intérieures bien trop élevées, donc à un inconfort. Cette chronique fait le point sur le plan technique et réglementaire.



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L'éclairage naturel



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Les principes de l'éclairage naturel

L'éclairage naturel à outrance tue le confort et les économies d'énergie

1.1. LES PRINCIPES DE L'ÉCLAIRAGE NATUREL

Tous les calculs d'éclairage naturel reposent sur les deux remarques suivantes :

1. La lumière « naturelle » ne vient que du ciel, c'est à dire du rayonnement diffus à l'exclusion du rayonnement solaire direct.

2. Bien que des hypothèses différentes aient pu être proposées (depuis Parry Moon), la luminance du ciel est supposée identique dans toutes les directions. De ce fait, les conditions extérieures sont simplement caractérisées par l'éclairement horizontal dû à ce rayonnement diffus de répartition uniforme.

Il est depuis longtemps habituel de caractériser l'éclairage naturel d'un local par deux critères, assez complémentaires, éliminant les fluctuations climatiques au bénéfice de données purement géométriques.

Ces deux critères sont : le facteur de ciel et le facteur de jour.




La définition et le rôle des facteurs de ciel et de jour

Au lieu d'utiliser les concepts classiques de l'éclairage artificiel (éclairement du plan utile) il faut -en éclairage naturel - utiliser des concepts plus souples, en particulier le « facteur de ciel » et le « facteur de jour ».

Ces concepts, indépendants des conditions extérieures, sont définis comme suit :

Le facteur de ciel
Le facteur de ciel est le rapport entre :

  • l'éclairement intérieur direct (hors réflexions internes) en un point du plan utile,
  • l'éclairement horizontal extérieur dû à la voûte du ciel.


Compte tenu des hypothèses ce facteur est indépendant des conditions extérieures, lié uniquement aux caractéristiques géométriques des vitrages.


Le facteur de jour
Le facteur de jour est le rapport entre :

  • l'éclairement intérieur complet (réflexions internes comprises) en un point du plan utile,
  • l'éclairement horizontal extérieur dû à la voûte du ciel.


Compte tenu des hypothèses ce facteur, indépendant des conditions extérieures, est lié uniquement :

  • aux caractéristiques géométriques des vitrages
  • à la plus ou moins grande réflectance des parois internes du local en cause.



Le choix du critère

On a longtemps utilisé le facteur de ciel, bien plus simple à évaluer que le facteur de jour, mais ce dernier étant plus proche des réalités est désormais le plus souvent utilisé : c'est d'ailleurs celui que nous utiliserons par la suite, la définition en étant la suivante :

le facteur de jour (ou facteur de lumière du jour) est le rapport entre l'éclairement intérieur en un point du plan utile (intérieur) et l'éclairement extérieur horizontal dû à la voûte du ciel.

1.2. RÉPARTITION ET CHOIX DES FACTEURS DE JOUR

Première difficulté

Le premier inconvénient du concept de facteur de jour est est que ce facteur varie selon le point de définition sur le plan utile, ainsi que le schématise l'exemple ci-dessous (fj = facteur de jour).

Le choix des facteurs de jour

Il n'existe pas de recommandations en matière de facteur de jour qui échappent à des critiques sérieuses.
La plupart du temps la recommandation est basée (voir tableau ci-dessous pour la France métropolitaine) sur les deux conventions suivantes :

  • un éclairement minimal sur le plan utile, en un point déterminé,
  • un éclairement extérieur pris comme base, 3000 ou 5000 [lx] en général.

L'utilisation type des facteurs de jour

La seule application ici retenue, les autres étant très conventionnelles et assez rarement appliquées, consiste à utiliser le facteur de jour pour calculer les durées d'éclairage artificiel. En fait l'expérience prouve :

  • qu'en cas de commande manuelle de l'éclairage le comportement des occupants est très imprévisible, les calculs étant alors forcément très arbitraires,
  • alors que dans le cas de commande automatique on peut adopter les démarches suivantes basées sur le calcul du facteur de jour.

1.3. LE CALCUL DES FACTEURS DE JOUR

Le calcul du facteur de jour : les principes

Le facteur de jour, est une grandeur à la dois géométrique et photométrique : c'est le rapport entre l'éclairement intérieur en un point du plan utile et l'éclairement extérieur horizontal (dû à la voûte du ciel supposée de luminance uniforme). Sur le plan pratique la méthode de calcul proposée, pour un point donné du plan utile, comporte trois phases :

1. la détermination du, ou des facteurs de jour élémentaires, notés ici Fe1, Fe2, etc.,
2. à partir de là le calcul du facteur de jour brut, noté ici F0 (pour le point du plan utile étudié),
3. à partir de là le calcul du facteur de jour corrigé au point de référence précédent, facteur noté ici F.


Les facteurs de jour élémentaires

Un facteur élémentaire correspond à la configuration indiquée ci-dessous. C'est une configuration très spécifique, mais qui va nous permettre d'évaluer les résultats pour des configurations beaucoup plus générales.

La méthode permettant d'évaluer le facteur de jour élémentaire (voir plus loin) est relativement simple, mais comme ce sont souvent les tangentes qui sont aisément connues ce tableau permet également d'utiliser les tangentes. Notez que a1 et a2 représentent respectivement la hauteur angulaire de la fenêtre et la hauteur angulaire de l'obstacle extérieur (a2 < a1). Une fois les angles a0, a1 et a2 déterminés, vous pouvez calculer le facteur élémentaire Fe par la formule : Fe = f(a0, a1) - f(a0, a2), dans laquelle apparaissent les fonctions f(a0, a1) et f(a0, a2) dont les valeurs sont fournies, en fonction de a0 et a1 (ou a2), par le tableau du bas de page.

Dans la figure ci-dessous figurent les angles permettant de calculer les facteurs de jours élémentaires.

Exemple
a0 = 40 °, a1 = 45 °, a2 = 20 °

D'après la table ci-dessous :
f(a0, a1) = f(40, 45) = 0,051
f(a0, a2) = f(40, 20) = 0,011
Fe = f(a0, a1) - f(a0, a2) = 0,040

1.4. LE FACTEUR DE JOUR BRUT

Le calcul du facteur de jour brut

Le facteur de jour brut Fb se calcule très aisément à partir des facteurs de jour élémentaires (Fe1, ...), calcul à organiser selon les schémas ci-dessous, la formule à utiliser dépendant de la configuration.

Attention : il ne doit être tenu compte que des parties (fenêtres et murs) situées au-dessus du plan utile.

1.5. LE FACTEUR DE JOUR CORRIGÉ

Le calcul du facteur de jour final (corrigé)

La méthode adoptée repose sur la formule suivante : Facteur de jour = c1 c2 Fb,
où :
- Fb étant le facteur de base (voir fiches précédentes), qui ne tient compte que des caractéristiques géométriques de la fenêtre et de la position du point de référence servant à définir le facteur de jour,
- c1 et c2 étant des correctifs tenant à la position de la fenêtre (c1) et à la nature du vitrage (c2).


Le correctif de position (c1)

Pour déterminer ce correctif il faut tenir compte de la configuration du vitrage au sein de la paroi dans laquelle il est placé. Pour ce faire utilisez les diagrammes ci-dessous fournissant la valeur de c1 en fonction du rapport (x) de la surface vitrée nette à la surface globale de la paroi dans laquelle le vitrage est inclus. Selon la position de la fenêtre par rapport à la paroi extérieure, nous nous trouvons dans l'une des configurations 1 à 7 illustrée ci-dessous. La valeur de c1 (en fonction de x) à adopter est celle correspondante.

Le correctif de vitrage (c2)

Le coefficient c2, qui tient compte de ce que le rayonnement n'est pas normal à la surface vitrée, possède les valeurs (approchées) suivantes :
. simple vitrage : c2 = 0,53
. double vitrage : c2 = 0,45
. triple vitrage : c2 = 0,38
. verre dépoli (simple vitrage) : c2 = 0,45
. verre opale (simple vitrage) : c2 = 0,25
. pavé de verre 50 mm : c2 = 0,25
. pavé de verre 65 mm : c2 = 0,20

1.6. LES APPLICATIONS DU FACTEUR DE JOUR

La seule application ici retenue (les autres étant très conventionnelles et pratiquement inappliquées) consiste à utiliser le concept pour calculer les durées d'éclairage artificiel. En fait l'expérience prouve :

  • qu'en cas de commande manuelle de l'éclairage les occupants présentent des comportements très peu prévisibles et variés, rendant les calculs purement arbitraires,
  • qu'en cas de commande automatique de l'éclairage on peut, par contre, se baser sur la méthode fournie à la suite.


L'influence sur l'éclairage artificiel

Le niveau plus ou moins élevé d'éclairage naturel influe sur la durée d'utilisation de l'éclairage artificiel.
Malheureusement les études in situ révèlent des comportements très variés des occupants. De sorte que les calculs qui suivent ne sont vraiment utiles que si la mise en service de l'éclairage artificiel est automatisée. Dans ce cas, pour effectuer les calculs, nous conseillons, en France métropolitaine, de se baser sur les éclairements (horizontaux) extérieurs fournis, pour chaque heure (solaire), à la table ci-dessous.

Attention : cette table est exprimée en jours, alors que le calcul s'effectue apparemment en heures.

Exemple
Site : Paris, assimilé à France Nord (Valenciennes)
Facteur de jour minimal : 0,01 (1 %)
Eclairement intérieur de mise en service : 100 [lx]
Niveau d'éclairement extérieur déclenchant l'allumage : 100 / 0,01 = 10 000 [lx]
Occupation-éclairage : locaux utilisés 7 jours sur 7, de 7 h solaire à 19h
Durée d'éclairage artificiel :
210+160+120+90+70+70+90+120+160+210+275+325 = 1900 [h/an].


Les facteurs de jour recommandés

Il n'existe pas de facteur de jour recommandé, même dans les normes nationales éventuelles, qui ne soufre du caractère extrêmement conventionnel des choix. La plupart du temps les deux bases sont les suivantes :

  • un clairement minimum sur le plan utile en un point de référence,
  • un éclairement extérieur pris comme base, 3000 ou 5000 [lx] en général.

Le tableau ci-dessous en fournit un exemple (valable pour la France et pour un éclairement extérieur de 5000 lux).

Roger CADIERGUES – Ancien directeur général du COSTIC
Polytechnicien de formation, et consultant international, Roger Cadiergues présente un parcours incomparable dans le génie climatique (vocable dont il est l'inventeur) par les responsabilités tenues et des avancées tant techniques qu'informatiques qui lui sont dûes. Auteur de nombreux ouvrages, il anime entre autre la lettre hebdo d'XPAIR www.xpair.com

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