Les installations d’éclairage : règles et méthodes

Par Roger CADIERGUES – Consultant et Ancien directeur général du COSTIC

Cette chronique fait le point sur l'éclairage artificiel au niveau normatif et conceptuel. Elle livre les bases techniques des installations d'éclairage, les méthodes de dimensionnement, les éclairements recommandés, … Elle est tirée du Guide de 34 pages « L'éclairage artificiel » de Roger Cadiergues reprenant également le cadre réglementaire et les différentes sources d'éclairage. Le sujet de l'éclairage est suffisamment important sur le plan énergétique, pour être intégré dans la RT 2012 (Cep) et dans les bilans de consommation BBC. Cette chronique est très particulière car c’est la dernière chronique de Roger Cadiergues qui nous a quitté le 23 décembre dernier, … Lire les différents témoignages

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L'éclairage artificiel

Eclairage artificiel et éclairage naturel, un compromis énergétique

Le domaine de l'éclairage artificiel

Les trois caractéristiques principales des sources

En dehors de caractéristiques examinées ultérieurement chaque source est d'abord caractérisée par deux caractéristiques de base :
. la puissance (énergétique) P de la source, mesurée en watt [W],
. le flux lumineux Φ émis par cette source, mesuré en lumen [lm].

A partir de ces trois caractéristique il est possible de déduire :
. l'efficacité lumineuse de la source, η, exprimée en lumen par watt [lm/W].

Toutes ces grandeurs doivent être indiquées par le fournisseur de la lampe, mais vous trouverez des indications générales concernant l'efficacité au chapitre 3. Cette efficacité, qui varie essentiellement avec le type de lampe, correspond à la formule de définition suivante : η = Φ / P

Les méthodes de dimensionnement

Les principes

Le calcul de base des installations d'éclairage (le dimensionnement proprement dit) est essentiel. Ce calcul fait appel à des méthodes plus plus ou moins complexes, qui ont un peu évolué au cours du temps.


Les normes de référence

Aujourd'hui il existe deux normes de dimensionnement des installations d'éclairage :
. la norme NF S 40-001 qui peut être considérée comme la référence, servant essentiellement aux fabricants et distributeurs de luminaires pour établir les tables de calcul de leurs appareils ;
. la norme NF C 71-121, qui simplifie un peu l'application de la norme précédente, mais reste utilisée dans les mêmes conditions que la précédente. De nombreuses tables figurent dans ces normes mais nous ne les reproduisons pas ici telles qu'elles :
nous adopterons une démarche compatible, mais plus simple et plus rapide, que nous allons maintenant présenter.


La formule de base

La procédure ici choisie repose sur l'adoption d'une même formule de base, laquelle fournit, pour un local donné, le flux lumineux F [lm] total de l'ensemble des lampes à installer dans le local : F = (E A d) / (h U)
Nous utiliserons, en fait (en vue d'en faciliter l'emploi par regroupement des caractéristiques des lampes et luminaires,) la formule dérivées suivante :
F = (E A / U ) . (d/h) formule où :
. F [lm] : est le flux lumineux à fournir,
. A [m²] : est la surface du plan utile (voir à la suite),
. U : est l'utilance, caractéristique du local et du système d'éclairage définie (voir à la suite),
. E [lx] : est l'éclairement prévu pour le local (voir à la suite),
. d : est le facteur de dépréciation des lampes et luminaires (voir à la suite), , h : est le rendement des luminaires (voir à la suite).

Le plan utile et les indices

En général l'objectif est d'obtenir - selon le type d'activité visuelle pratiquée dans le local examiné - un éclairement de ce qu'on appelle le plan utile. Sauf cas très particulier le plan utile est, par convention, le plan horizontal fictif situé à 0,85 [m] au-dessus du sol réel, mais il existe des exceptions,

Exemples d'exceptions :

. Ecoles et assimilés : le plan utile (vertical en général) est celui du tableau (noir ou blanc) ;
. Commerces : le plan utile est celui du niveau des produits exposés, par exemple :
- plan du sol pour les commerces de sports,
- plan du sol pour les commerces de légumes ou fruits (en général),, etc.

C'est sur ces plans utiles que l'on doit respecter les éclairements recommandés présentés à la suite.


Le plan des luminaires

On peut être amené à définir d'autres «plans» intervenant dans le calcul : c'est ainsi, par exemple qu'on peut définir le «plan des luminaires», situé à la hauteur h au-dessus du plan utile, tout ces plans permettant de définir le paramètre essentiel intervenant dans les calculs : l'indice du local. L'indice de local L'indice de local est une des caractéristiques essentielles du calcul. Noté K c'est un paramètre sans dimension, établi à partir de la formule suivante, à partir des dimensions du schéma ci-dessous : K = a b / { h (a + b) }

Les autres indices

Surtout utilisés par les fabricants de luminaires, il existe d'autres indices (que nous ne présenterons pas ici en détail), relatifs à la disposition des luminaires, qui prennent en compte les dimensions indiquées au schéma ci-dessus.

La réflectance des parois

Les réflectances, ou facteurs de réflexion, notés ρ, utilisés dans les calculs sont généralement :
. la réflectance moyenne du plafond,
. la réflectance moyenne des parois verticales.
Pour déterminer ces valeurs on pourra se servir du tableau suivant.

Le type d'éclairage

Pour continuer les calculs il faut définir le type d'éclairage, en fait la répartition des flux vers la haut et vers le bas du plan des luminaires. Pour ce faire on peut utiliser les classements suivants.


CLASSEMENT SIMPLIFIÉ DES LUMINAIRES

direct direct semi-direct mixte semi-indirect indirect

Les utilances

Les utilances - jadis appelées «coefficient d'utilisation» - servent au calcul des installations d'éclairage artificiel intérieur. On peut procéder à leur calcul, mais il est généralement suffisant de se borner à utiliser des tables :

Les éclairements recommandés

Il s'agit des éclairements du plan de travail (le plan utile).

Rendements et facteurs de dépréciation

Le dimensionnement exige de fixer :
. d le facteur de dépréciation de l'ensemble source + luminaire,
. et h le rendement du luminaire.

Normalement ces valeurs sont indiquées par les fournisseurs, mais vous pouvez également, au moins en avant-projet, utiliser les valeurs suivantes.

Lampes à incandescence
. au bout de 6 mois (d = 1,15) : d/h = 1,20
. au bout de 12 mois (d = 1,25) : d/h = 1,30
. au bout de 18 mois (d = 1,32) : d/h = 1,40

Tubes fluorescents
. au bout de 6 mois (d = 1,15) : d/h = 1,30
. au bout de 12 mois (d = 1,25) : d/h = 1,40
. au bout de 18 mois (d = 1,32) : d/h = 1,45

Lampes fluocompactes
. au bout de 6 mois (d = 1,15) : d/h = 1,30
. au bout de 12 mois (d = 1,25) : d/h = 1,40
. au bout de 18 mois (d = 1,32) : d/h = 1,45

Réflecteur laqué blanc sans grille ou émaillé (h = 0,7)
. au bout de 6 mois (d = 1,15) : d/h = 1,65
. au bout de 12 mois (d = 1,20) : d/h = 1,70

Réflecteur laqué blanc avec grille (h = 0,55)
. au bout de 6 mois (d = 1,25) : d/h = 2,30
. au bout de 12 mois (d = 1,35) : d/h = 2,50

Plafonnier diffuseur (h = 0,5)
. au bout de 6 mois (d = 1,35) : d/h = 2,70
. au bout de 12 mois (d = 1,50) : d/h = 3,00
Projecteur étanche (h = 0,35)
. au bout de 6 mois (d = 1,15) : d/h = 3,30
. au bout de 12 mois (d = 1,20) : d/h = 3,40

Le confort visuel et l'éblouissement

L'intensité et la luminance

Une source lumineuse ne distribue généralement pas la lumière d'une façon identique dans toutes les directions. La grandeur photométrique caractérisant ce phénomène est l'intensité lumineuse, mesurée en candela [cd]. L'intensité lumineuse n'étant pas une grandeur de manipulation très aisée., on préfère le plus souvent utiliser un autre concept, celui de luminance, grandeur qui caractérise l'aspect lumineux d'une source dans une direction donnée. La luminance se mesure en candela par mètre carré [cd/m²].


Les deux critères de qualité

En éclairage les deux critères essentiels de qualité sont :
. l'éclairement des objets, étudié antérieurement
. la luminance L des sources.

La luminance [cd/m²] dans chaque direction sert en particulier à évaluer les risques d'éblouissement.
Malgré l'existence de procédures confirmées (plus ou moins complexes), le calcul des luminances étant souvent assez délicat, des recommandations pratiques peuvent être préférables, surtout avec les multiples équipements modernes à base d'écrans (télévision, ordinateur, etc.).

Par exemple, si - en éclairage artificiel - vous utilisez les références adoptées par le schéma ci-dessous, vous pouvez utiliser les critères suivants, l'objectif de limitation des luminances étant d'éviter l'atteinte directe des yeux, ou la réflexion sur un écran.

Les deux critères types de base

En exploitant le schéma ci-dessus voici comment on peut opérer
A. Dans la zone A (0 à 65 °) calculer l'éclairement : il suffit que celui-ci atteigne une valeur suffisante (voir, par exemple, les valeurs indiquées au paragraphe 2.7.
B. Dans la zone B (65 à 90 °) limiter la luminance. Avec des luminaires modernes, correctement conçus, on peut adopter la limite suivante , si les écrans possèdent un fond blanc : 1500 [cd/m²].

Mais on peut opérer de façon un peu différente, et plus fine, comme indiqué à la suite.


Une règle simple

Pour vérifier, à partir des données constructeurs ou des calculs, que la luminance d'une source, dans une direction est satisfaisante, vous pouvez utiliser le schéma et le tableau suivants.

Contraste et uniformité

Le contraste
Cette notion n'est guère utilisée que pour les projets, le contraste correspondant à la luminance de l'objet examiné (Lo) par rapport à celle du fond (Lf) :
contraste = (Lo - Lf) / Lf.

L'uniformité
Cette notion peut être utile dans les projets assez courants, concernant l'uniformité des éclairements caractérisée par le rapport de l'éclairement minimum (Emin) à l'éclairement moyen (Emoy) : uniformité = Emin / Emoy.

Les valeurs généralement recommandées sont les suivantes :
. pour les circulations : 0,50,
. pour les zones plus sensibles (salles de classe, etc...) : 0,80,
. avec - éventuellement des valeurs intermédiaires telles que 060 pour les magasins de fleuristes.

L'introduction des couleurs

Les principes

Chaque rayonnement est caractérisé, non seulement par son intensité (en lumens), mais également par sa couleur, notion beaucoup plus difficile à prendre en compte. Pour le moment la solution la plus simple - pour caractériser la couleur - est d'utiliser des coefficients spectraux.

Les coordonnées colorimétriques
Ce qui conduit, pour chaque longueur d'onde (λ) concernée (entre 0,38 et 0,78 μm), à définir, outre son efficacité lumineuse présentée au paragraphe précédent, trois coordonnées colorimétriques spectrales : x(λ), y(λ), z(λ), qui permettent - selon les valeurs fixées par La Commission Internationale de l'Eclairage, de caractériser la couleur du rayonnement.


Les valeurs types des coordonnées

Le tableau II ci-dessous illustre quelques valeurs repères

Les valeurs types

Comme déjà indiqué il faut classer les rayonnements, selon la longueur d'onde, dans l'une des trois catégories fondamentales que sont l'ultraviolet (longueurs d'onde de moins de 0,38 μm), le visible (longueurs d'onde comprises entre 0,38 et 0,78 μm), l'infrarouge (longueurs d'onde de plus de 0,78 μm). Dans la partie du rayonnement située dans le visible, la lumière se traduit par des couleurs différentes selon la longueur d'onde, ainsi que l'indique la table ci-dessous, limitée à des valeurs types.

Le rendu des couleurs : un premier classement Le rendu des couleurs, qui permet de mesurer l'adaptation d'un éclairage au rendu colorimétrique, est une notion surtout utilisée en éclairage artificiel. Cette notion repose sur un classement conventionnel noté de 0 à 100, ce nombre dépendant de la forme du spectre dans la zone visuelle.


Les valeurs obtenues peuvent, schématiquement, se classer comme suit :

. rendu de plus de 90 : excellent rendu des couleurs (appréciation aussi exacte que possible)
. rendu de 80 à 90 : rendu de qualité, valeur type recommandée
. rendu de 70 à 80 : rendu acceptable
. rendu de 60 à 70 : n'est acceptable que dans des ambiances industrielles peu exigeantes
. rendu inférieur à 60 : n'est acceptable qu'en ambiance industrielle sans véritable exigence en matière de couleur.


Les températures de couleur : un deuxième classement

Avec les nouvelles sources de lumière la couleur joue un rôle croissant, ce qui conduit à introduire le concept de température de couleur. Cette dernière, mesurée en kelvin [K], est celle du rayonnement propre le plus proche , en couleur apparente, de celle de la source examinée. C'est ainsi, que la lumière de chaque type de lampe est caractérisée par sa température de couleur. Cette température de couleur, notée ici Tc, exprimée en kelvin [K], est liée à l'impression visuelle, et peut être exprimée comme suit :
. Teinte «chaude» : Tc < 3300 [K]
. Teinte neutre : Tc = 3300 à 5500 [K]
. Teinte «froide» : Tc > 5500 [K].

La température de couleur doit être, si possible, choisie en fonction de l'ambiance à créer, par exemple :
. pour l'habitat Tc = 3000 à 4500 [K]
. pour les salles de classe : Tc = 3000 à 4000 [K]
. pour les magasins de vente selon activité,
- boulangerie ou boucherie : 3000 à 3500 [K]
- pharmacie : 4500 à 5000 [K]
- fleuriste : 4000 à 6500 [K].

Les consommations

Les objectifs

Les calculs (prévisions) des consommations d'éclairage peuvent se faire dans trois cadres différents, ce chapitre se bornant à l'énumération des principes.

1. Ou bien il s'agit de prévoir la consommation annuelle d'éclairage [kWh/an].
2. Ou bien il s'agit de prévoir les apports d'hiver qui réduisent les besoins de chauffage.
3. Ou bien il s'agit de prévoir les aports liées à l'éclairage (en période chaude) à faire intervenir dans les prévisions de consommation des installations de climatisation ou de conditionnement d'air.

Dans les trois cas la consommation est obtenue en multipliant la puissance installée en éclairage par la durée de fonctionnement de l'éclairage, qui est généralement le paramètre le plus délicat à fixer.


La méthode de calcul conseillée

Dans tous les cas nous conseillons d'opérer mois par mois. Lorsque la commande de l'éclairage est automatique (à partir d'une mesure de l'éclairage naturel) on peut plus facilement se rapprocher des valeurs probables, mais dans le cas de commande non automatique les résultats sont plus incertains. Afin d'éviter des erreurs plus ou moins graves nous conseillons de veiller à tenir compte de ce que de telles consommations ne sont valables que si le soleil est levé. Les heures de lever et de coucher du soleil sont donc importantes, ce qui - avec les heures légales - fait intervenir la latitude du site (que nous forfaitiserons, en France, par la zone climatique), et la longitude (forfaitisée également).

Pour vous aider la table ci-dessous vous permet de fixer l'heure (d'hiver) du lever et du coucher du soleil. S'il est indiqué «8,5-17,3» cela signifie que le lever a lieu à 8,5 [h] et le coucher à 17,3 [h], les temps étant indiqués (pour la moyenne du mois) en heures légales d'hiver (et fraction décimale).

Présentation complémentaire

Le niveau plus ou moins élevé d'éclairage naturel influe sur l'utilisation de l'éclairage artificiel, mais les études in situ révèlent des comportements très variés des occupants. De sorte que les calculs qui suivent ne sont vraiment adaptés que si l'allumage de l'éclairage artificiel est automatisé. Dans ces conditions, en France métropolitaine, à chaque heure (solaire) correspondent des valeurs climatologiques d'éclairage naturel fournies plus loin.


Exemple d'application

. Site : Paris, assimilé à France-Nord
. Facteur de jour minimal (base d'automate) : 0,01
. Eclairement intérieur d'allumage : 100 [lx]
. Niveau extérieur d'allumage : 100/0,01 = 10 000 [lx]
. Périodes d'allumage éventuel (exprimées en heures solaires) : 6-18 (total = 13 heures)
. Calcul de la durée d'éclairage artificiel (supposé fonctionnant 7 jours sur 7) :
275 + 210 + 160 + 120 + 90 + 70 + 120 + 160 + 210 + 275 = 1780 [h]

Attention, ce calcul suppose un allumage 7 jours sur 7, jours fériés compris : corriger éventuellement au prorata.

Attention : cette table - pour des raisons de compacité, est exprimée en jours, alors que le calcul se base sur les heures.

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 animait entre autres la lettre hebdo d'XPAIR et les présentes Chroniques XPair. Roger CADIERGUES nous a quitté le 23 décembre 2012. Il aura été jusqu'au bout un visionnaire hors pair et un des meilleurs experts du Génie Climatique et Energétique.
Nous lui rendons hommage avec cette dernière chronique…

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