Éclairagisme - Partie 3: Éclairage naturel, éclairage public. · L’éblouissementUGR(UniﬁedGlaringRate)1 L’éblouissementd’inconfortpeutprovenirdirectement,ouparréﬂexion,de

ÉclairagismePartie 3: Éclairage naturel, éclairage public.

Philippe [email protected]

IUT Belfort-Montbéliard

2012-2013

P. Celka (IUT Belfort-Montbéliard) Éclairagisme 2012-2013 1 / 54

"L’obscurité ne chasse pas l’obscurité, seule la lumière peut lefaire."

Martin Luther King

Contenu de la partie 3 :L’éclairage naturel,Éclairage intérieur et normesÉclairage public et normes


L’éclairage naturel

Contenu :Position du soleilOrientationProtections solairesLumière diffuseTypes de cielFacteur de jour

Figure 1: Levé de soleil


La lumière naturelle

La lumière naturelleElle est à l’origine de toute vie. Elle est indispensable aussi bien à la croissancequ’à l’équilibre psycho-physiologique de l’homme.

Intégrée en tant que facteur de "design", la lumière naturelle permet :de réduire la consommation d’énergie liée à l’utilisation de l’éclairageartificiel,de réduire la charge en ventilation et en climatisation des bâtiments,d’améliorer le bien-être et d’accroître la productivité des personnes.

Figure 2: Vitraux, Notre Dame du Haut, RonchampP. Celka (IUT Belfort-Montbéliard) Éclairagisme 2012-2013 4 / 54

Stratégies de l’éclairage naturelL’étude d’un éclairage à lumière naturelle peut se décomposer sous formede trois probématiques :

CapterConduireDistribuer

Pour cela, on peut utiliser soit la lumiere directe du soleil, soit la lumierediffuse.

Figure 3: Exemple de puit de lumière


Position du soleil

La position du soleil dans le ciel estprédictible à partir :

la latitude,du moment de l’année,de l’heure.

Les coordonnées géographiques d’unpoint P de la surface de la terre sont :

la longitude θ : angle orienté entrele plan méridien origine(Greenwich) et le plan méridiencontenant le point P.la latitude δ : angle orienté entre leplan de l’équateur et la normale àl’ellipsoide passant par le point P.

Figure 4: Position du soleil

Figure 5: Longitude et latitudeP. Celka (IUT Belfort-Montbéliard) Éclairagisme 2012-2013 6 / 54

Les saisons et l’inertie thermique

4 positions clés dans l’année :Le solstice d’hiver : 21 décembre,journée la plus courte.Le solstice d’été : 21 juin, journée laplus longue.L’équinoxe de printemps : 21 mars,journée et nuit de durée identique.L’équinoxe et d’automne : 21septembre, journée et nuit de duréeidentique.

Malgré des disponibilités solaires identiques,le 21 mars et le 21 septembre offrent descaractéristiques climatiques très différentes(écart de température moyenne égal à10°environ en faveur de l’automne), enraison principalement de l’inertie thermiquede la Terre.


Diagramme solaireHauteur et azimut servent à définir la position d’un objet par rapport à un pointde 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 directionNord (dans le sens des aiguilles d’une montre). Par commodité, on note parfoisl’azimut par rapport au sud (< 0 côté Est, > 0 côté Ouest)

Figure 6: Diagramme solaire


Exemple de diagramme solaireExemple de diagramme solaire avec photo montage :Place de Philippeville, Grenoble (BazarUrbain 2007)

Figure 7: Diagramme solaire


Simulation du soleil

L’héliodon est une aide à la conception architecturale. C’est un appareilqui simule l’ensoleillement d’une maquette à tout moment de l’année, etpermet ainsi, de visualiser la pénétration du soleil ou d’étudier les ombresportées suivant les heures de la journée.

Figure 8: Héliodon à plateau orientable Figure 9: Héliodon à spot mobile


OrientationL’orientation d’une façade conditionne sa capacité à réagir aux conditionsclimatiques, non seulement au cours de la journée, en fonction de l’heure,mais aussi au cours de l’année, en fonction des saisons.

Figure 10: Éclairage naturel et orientation


Orientation Sud

AvantagesApport solaire important en hiver et en mi-saison (bilan thermique favorable)Pénétrations estivales facilement contrôlables par des éléments horizontauxen débord (avant-toits, balcons...)

InconvénientsSurchauffes possibles en mi-saison et en été.Les apports solaires hivernaux sont souvent incompatible avec le confortvisuel. (éblouissement)

RecommandationsProtection extérieur indispensable en mi-saison et en été.Protection intérieur souhaitable contre les éblouissement en hiver.


Orientation Nord

AvantagesPas de pénétrations solaire (excepté en été très tôt le matin et tard le soir).Aucune protection solaire nécessaire.Peu de variation de lumière disponible au cours de la journée.

InconvénientsPas de gain solaire (bilan thermique défavorable)

RecommandationsA recommander dans tous les locaux nécessitant simultanément une bonnecontribution de l’éclairage naturel, ainsi qu’une absence de rayons solairesdirects.


Orientation Ouest

AvantagesOn peut observer le coucher du soleil !

InconvénientsApports solaires maximums en été et mi-saison (Possibilité de surchauffesimportantes).Exposition au soleil d’été jusque tard dans la journé (en été).Le soleil étant bas, le blocage total des pénétrations solaires implique unefermeture totale des stores (sauf dans le cas de lames verticales).

RecommandationsProtection solaire extérieur indispensable en été


Orientation Est

AvantagesLes espaces orientés à l’est sont généralement perçus comme dynamiques dufait de la présence du soleil le matin.

InconvénientsApports maximums le matin en été (surchauffes possibles)Le soleil étant bas, le blocage total des pénétrations solaires implique unefermeture totale des stores (sauf dans le cas de lames verticales).Bien que frappant la façade à un moment de la journée où la températureextérieure reste fraîche, le soleil d’Est contribue à l’échauffement dubâtiment.

RecommandationsProtection solaire extérieur indispensable en été


Les protections solaires

La contradiction existant entre les performances affichées par tempsensoleillé et celles observées par ciel couvert, nécessite l’emploi d’éléments"correcteurs" que l’on désignera par le nom de protection solaire.

Les risques d’éblouissementSurtout à craindre lorsque le soleil est bas sur l’horizon, (hiver, début et fin de journée).Les risques d’éblouissement proviennent de l’écart excessif entre les valeurs de luminanceprésentes dans le champ visuel. La position de la protection importe peu. Il suffit quel’écran soit positionné entre l’oeil et la source lumineuse.

Les risques de surchauffeSurtout à craindre en période estivale, dès que le rayonnement solaire parvient à franchirle vitrage (effet de serre : le rayonnement infrarouge est piégé par le vitrage et le locals’échauffe). Ceci implique de placer impérativement la protection solaire à l’extérieurdu vitrage, afin de stopper le flux énergétique solaire avant qu’il ne pénètre dans le localconsidéré.


Exemple de protection solaire (1)Exemple de protection fixe utilisable pour une orientation sud :

Sous nos latitudes, la hauteur du soleil entre avril et août est supérieure à60°. Le degré de protection offert dépend de l’importance du débord de ceséléments par rapport au plan du vitrage.

Figure 11: Exemple de protection fixe

Figure 12: Valorisation par panneauxphotovoltaiques


Exemple de protection solaire (2)

Exemples de brise-soleil à lamelles fixes ou orientables.

Figure 13: Brise-soleil à lamelles fixes

Figure 14: Brise-soleil à lamellesorientables


Exemple Belfortain

Figure 15: Le bâtiment sud du lycée Follereau


Tirer parti de la lumière diffuse

On désigne par lumière diffuse l’ensemble des rayons lumineux qui neproviennent pas directement du soleil (par opposition à la lumiére directe).La voûte céleste est l’une des principales sources de lumière diffuse.

AvantagesDisponible quelque soit la couverture nuageuse.Ne génère pas ou peu d’ombres portées (lumière non directionnelle).Ne provoque pas ou peu d’éblouissement.Ne donne pas lieu à des phénomènes de surchauffe.

InconvénientsDifficilement exploitable dès que l’on s’éloigne des ouvertures.Se révèle parfois insuffisante en hiver.


Les différents types de ciel (1)

En été, par ciel serein, l’éclairement horizontal au niveau de la mer atteint100’000 lux.En hiver, sous nos latitudes, par ciel très couvert, l’éclairementhorizontal extérieur peut être inférieur à 5000 lux.

Afin de tenir compte de la répartitiondes luminances de la voute celestedans les études d’éclairage, desmodèles de ciel théoriques sontutilisés :

Le ciel couvert uniformeLe ciel couvert CIELe ciel serein CIE

Figure 16: Exemples de types de ciel



Le ciel couvert uniforme :Chaque point de la voûte céleste est caractérisé par la même luminance. Dans lapratique, cela correspond à des conditions de brouillard dense :

L(θ) = LZ

Le ciel couvert CIE :La luminance est répartie suivant la formule :

L(θ) = LZ1+ 2 sin(θ)

3

Figure 17: Répartition des luminances suivant couvert uniforme ou CIEP. Celka (IUT Belfort-Montbéliard) Éclairagisme 2012-2013 22 / 54


Le ciel serein CIE :La luminance est répartie en fonction de la luminance au zénith et de laposition du soleil. Les zones de forte luminance se situent d’une part àproximité immédiate du soleil, et d’autre part, sur le pourtour de l’horizon.Les luminances les plus faibles se rencontrent quant à elles, dans unsecteur faisant un angle de 90 degrés par rapport au soleil.

Figure 18: Ciel serein CIE


Facteur de lumière du jour (1)

Etant donnée la difficulté de caractériser les performances d’un local, vis à vis dela lumière solaire directe (variation continue de la position du soleil et despénétrations solaires), on préfère définir les performances de ce local par cielcouvert. Pour cela, on utilise un ratio mettant en évidence le rapport entre lalumière disponible à l’extérieur et les niveaux observés à l’intérieur de ce local. Ceratio est appelé Facteur de lumière du jour D ; il est exprimée en %

D =EintEext

· 100

Eint = Eclairement horizontal àl’intérieur du localEext = Eclairement horizontalextérieur en site dégagé Figure 19: Facteur de jour D


Facteur de lumière du jour (2)Le facteur de lumière du jour peut se décomposer de la manière suivante :

D = FJD + FJRE + FJRI en %

avec :FJD : composante directe de la voûte célesteFJRE : composante réfléchie extérieureFJRI : composante réfléchie intérieure

Figure 20: Facteur de jour DP. Celka (IUT Belfort-Montbéliard) Éclairagisme 2012-2013 25 / 54

Facteur de lumière du jour (3)Correspondance entre le niveau de facteur de lumière du jour et la sensation de clarté ressentie dans un local.

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.


Simulation éclairage mixte Dialux

Types de ciel dans DIALux : Les types de ciel de DIALux correspondent à lapublication 110-1994 de la CEI "Spatial Distribution of Daylight, LuminanceDistributions of Various Reference Skies". Une densité d’éclairage est affectée àchaque point du ciel. Calcul de la lumière du jour : Lors de la création d’unnouveau projet, il est nécessaire d’en définir tout d’abord la position sur le globe,puis de définir l’orientation de la pièce par rapport au nord.

Figure 21: Ciels

Figure 22:Orientation

Figure 23:Localisation


L’éclairage intérieur et les normesContenu :

Confort visuelEblouissementNorme EN 12464Optimisation énergétiquesystème de gestion de l’éclairage

Figure 24: Eclairage intérieur


Développement durable et qualité de l’éclairage

Critères pour un éclairage de qualité :Besoins humains

VisibilitéConfortSanté, SécuritéBien êtreAmbianceQualitéesthétiqueCommunication

ÉconomieCoûts initiauxCoûtsd’exploitationLégislationNormesEnergie

ArchitectureEnvironnementFormeCompositionStyleDesign


Le confort visuel (1)

Champ visuel humain :en blanc : champ vu simultanémentpar les deux yeux ;en ciel : champ vu par un seul œil ;F : champ central (fovéa).

Figure 25: Champ de vision

Figure 26: Champ visuel


Le confort visuel (2)Rapports de luminance maximaux dans le champs visuel :

Règle d’or pour les rapports maximaux deluminosité des surfaces situées dans le champvisuel (environnement proche et lointain).

1/3 pour le champ proche1/10 pour le champ lointain

Des indicateurs d’éblouissement plus complets,basés sur des modèles mathématiques,permettent, au spécialiste en ergonomievisuelle, une évaluation quantitative du risqued’inconfort visuel.

Figure 27: Champ proche

Figure 28: Champ lointain


L’éblouissement UGR (Unified Glaring Rate) 1L’éblouissement d’inconfort peut provenir directement, ou par réflexion, deluminaires brillants ou des fenêtres. L’évaluation de l’éblouissement d’inconfortdoit être déterminée en utilisant la méthode tabulaire d’évaluation du tauxd’éblouissement unifié (UGR) de la Commission internationale de l’éclairage. Ildoit être de 19 dans la plupart des locaux d’enseignement.

UGR = 8 log(0.25Lb

∑ L2ω2

P2 )

Lp est la luminance de fond exprimée en candela/m2 et représente l’éclairementvertical indirect au niveau de l’œil de l’observateur.L est la luminance contenant les parties lumineuses de chaque luminaire dans ladirection de l’observateur en candela/m2.ω est l’angle solide (stéradian) des parties lumineuses de chaque luminaire auniveau de l’œil de l’observateur.P est l’indice de position de Guth fournit dans des tables spécifiques et représentela position d’un luminaire par rapport à l’axe vertical.


L’éblouissement UGR (Unified Glaring Rate) 2

Les facteurs suivants jouent un rôle important dans la détermination de la valeurUGR :

la forme et les dimensions du local,la clarté de la surface (luminance) des parois, des plafonds, des sols et desautres surfaces étendues,le type de luminaire et de protection,la luminance de la lampe,la répartition des luminaires dans le local,la ou les positions de l’observateur.

Certains fabricants proposent des tableaux simplifiés de détermination des valeursUGR mais limités à des locaux simples pour une seule famille de luminairesdonnée.

"Dialux" est capable de calculer l’UGR en un point du plan donné, mais ce calculreste complexe et prend beaucoup de temps.P. Celka (IUT Belfort-Montbéliard) Éclairagisme 2012-2013 33 / 54

Défilement contre l’éblouissementUn angle de protection minimum dans toutes les directions est recommandé enfonction de la luminance de la lampe, à savoir l’angle de défilement. Le tableauci-dessous reprend les différents angle de défilement en fonction des luminancesdes lampes :

Luminance de la lampe kcd/m2 Angle maximum de défilement20 à < 50 75°50 à < 500 70°> 500 60°

Figure 29: Angle de défilementP. Celka (IUT Belfort-Montbéliard) Éclairagisme 2012-2013 34 / 54

Les contraintes réglementaires

1 Norme d’éclairage intérieur des lieux de travailNF EN 12464 -1 Juin 2003 Eclairage des lieux de travail - Partie 1 :lieux de travail Intérieur

2 Norme d’ergonomieNF X35 -103 Octobre 1990 REVISION Principes d’ergonomie visuelledes lieux de travail

3 Réglementation thermique des bâtimentsDécret/ Arrêté du 24 mai 2006 relatifs aux caractéristiques thermiqueset à la performance énergétique des constructions. Arrêté du 6 mai2008 relatif au calcul du Th-C-E

4 Décrets/Arrêtés rénovation des bâtimentsArrêté du 3 mai 2003 relatif aux caractéristiques thermiques et à laperformance énergétique des bâtiments existantsDécret du 19 mars 2007 sur la performance énergétique et l’affichagedu diagnostic de performance énergétique dans les bâtiments existants


NF EN12464-1 Éclairage des lieux de travail intérieurs

Application obligatoire pour les marchés publics. Cette norme s’articulesur 3 critères :

1 IRC : Indice de Rendu des Couleurs des lampestoujours > à 80

2 Em : niveau d’éclairement moyen à maintenirBureaux 500lxCirculations 100lxCrèches, écoles 300lx

3 UGR : critère d’éblouissement16 extrêmement confortable19 très confortable22 confortable25 critère peu exigeant

260 types de locaux sont référencés : tertiaire, écoles, commerces,industrie, santé...P. Celka (IUT Belfort-Montbéliard) Éclairagisme 2012-2013 36 / 54

Éclairement sur la tâche visuelle (1)

E- tâche (lux) E- Envir. Immédiat (lux) E- pic̀e (lux)750 500 200500 300 200300 200 200< 200 < 200 < 200

Facteur d’uniformité (%)0,7 0,5 0,5

Figure 30: EnvironnementP. Celka (IUT Belfort-Montbéliard) Éclairagisme 2012-2013 37 / 54

Éclairement sur la tâche visuelle (2)

Figure 31: Exemple de zones de travail


Norme NF EN 12464-1 - Critères

Figure 32: Éclairage intérieur


Facteur de maintenance

Avec le temps, les niveaux d’éclairement moyen d’une installation d’éclairagediminuent. Cette diminution résulte de quatre facteurs :

la chute du flux lumineux de la lampe au cours de sa durée de vie,le nombre de lampes défaillantes entre deux opérations de remplacementsystématique des lampes,l’empoussièrement des luminaires,l’encrassement du local.

Il est donc nécessaire de déterminer un facteur de maintenance qui permet deprévoir à l’installation cette dépréciation des performances. Ce facteur demaintenance est compris entre 0,90 et 0,55. Ce facteur prend toute sa valeur autravers de la notion d’éclairement moyen à maintenir spécifiée dans la norme.


Optimisation énergétique de l’éclairage (1)Efficacité énergétique en W /m2 :

W /m2 =E

u · M · fe

E : Éclairement en lux,u : facteur d’utilisation flux recu

flux emis ,M : facteur de maintenance < 1,fe : efficacité de la lampe en lm/W.

Consommation en Wh :

Wh =E · S · tu · M · fe

S : la surface éclairée,t : temps de fonctionnement.


Optimisation énergétique de l’éclairage (2)

L’exemple du bureau :La norme d’éclairagisme :

Eclairement moyen = 500 luxQualité de lumière IRC > 80Limitation éblouissement UGR < 19

Conception neuf -RT 2005

W /m2 ≤ 12 pour un éclairementde 500 lux.

Système de gestionDétecteur de présenceGestion lumière du jour

Rénovation de l’éclairage dans lesbâtiments - Arrêté mai 2007

W /m2 ≤ 14 pour un éclairementde 500 lux.

Luminaire ballast électroniqueRendement luminaire > 55%Lampe efficacité lum. > 65lm/W + système de gestion


Les systèmes de gestion déclairage (1)

4 fonctions de base :Allumage / extinctionGradation manuelle bouton poussoirou télécommande infrarougeDétection de présenceCellule photoélectrique pour la priseen compte de la lumière naturelle

5 fonctions complémentaires (réseau) :Création ou modification de groupes(zonage)Création ou modification de scénariiAction sur des périphériques (créationd’ambiances)TélésurveillanceInterconnection avec un réseau degestion de bâtiments

Figure 33: Gestion de l’éclairage


Les systèmes de gestion d’éclairage (2)Un éclairage inefficace se traduit vite par un gaspillage d’énergie, en particulierquand on utilise plus de lumière qu’il ne faudrait pour certaines tâches ou quandl’éclairage reste allumé alors que les lieux sont inoccupés.

Figure 34: Système de gestion et économies d’énergie


Les systèmes de gestion d’éclairage (3)

Figure 35: Gradation en fonction de la lumière du jour et présence : DALI


Les systèmes de gestion d’éclairage (4)Le système "DALI" (Digitable Adressable LightingInterface) permet de contrôler 64 adresses (pointslumineux, quelles que soient les lampes) ou 16 groupes deluminaires (circuits), de mémoriser 16 ambiancesd’éclairement et de connaître l’état de l’installation.

Système optimisé pour les scénariosles scénarios sont appelés de manière synchronisée.ils achèvent la variation tous en même temps

Variation programmableréglages spéciaux, par ex, : vitesse de variation,éclairement Min./Max. réglable

Retour d’informations individuelpar ex. : lampe défectueuse, niveau de variation

Mémoire de scénarios intégrée au ballast (max. 16)les modules de mémorisation externes deviennentinutiles grâce au ballast intelligent

Figure 36: Exemple deréseau DALI


L’éclairage public et les normesContenu :

La norme EN 13201 et ses paramètresL’optimisation énergétique

Figure 37: Eclairage rue commercante


Les aspects réglementaires de l’éclairage public

L’éclairage public doit apporter beaucoup plus aux usagers que le seul sentimentde "confort", encore faut-il que ses performances photométriques permettentd’accéder de nuit aux exigences indispensables à l’accomplissement des différentestâches visuelles de chaque catégorie d’usagers.

La norme européenne d’éclairage public NF EN 13201

FD EN 13201-1 : Sélection des classes d’éclairageNF EN 13201-2 : Éxigences de performancesNF EN 13201-3 : Calcul des performancesNF EN 13201-4 : Méthode de mesure des performances photométriques

Il s’agit de donner une classification des espaces circulés et d’exprimer pourchaque espace les performances photométriques à maintenir. Cette norme permetdonc de rationaliser les solutions.


FD EN 13201-1 : Sélection des classes d’éclairage

La sélection des classes d’éclairageElle dépend de paramètres spécifiques :

zonetraficinfluences externes (exigences visuelles, ambiance, conditionsclimatiques)

groupe de situations d’éclairage : A,B,C,D,Etableaux donnant les classes d’éclairage suivant les situationsd’éclairage


Définition des paramètres spécifiques

Géométrie des zones d’étudesSéparation des voies.Présence d’échangeur et d’intersection.Zones de conflits et ralentisseurs.

Groupes de situations d’éclairageA1, A2, A3 ⇒ V > 60km/h et Trafic MotoriséB1, B2 ⇒ 30 > V ≤ 60km/h et TM + cyclistesC1, D1 à D4, E1,E2 ⇒ 5 > V ≤ 30km/h et TM + cyclistes + piétons

Classes d’éclairagePour définir les prescriptions photométriques :

ME, MEW, CE ⇒ voies utilisées par les véhiculesS, A ⇒ voies utilisées par les piétons et les cyclistesES, EV ⇒ zones à risques, zones particulières


Procédure de sélection

Figure 38: Procédure de sélection


NF EN 13201-2 : Exigences de performances

ObjectifsDéfinir les classes déclairage suivant :

les besoins visuels des usagersles conditions d’environement

Donne les exigences d’éclairage suivant les classesValeurs minimales à maintenir :

L (cd/m2) : luminances moyennes (ou éclairement)U0 en % : uniformité générale (L ou E)Ul en % : uniformité longitudinale (L)TI en % : éblouissementSR en % : éclairage des abords


Facteur de maintenance de l’installation

Facteur de maintenanceLe facteur de maintenance de l’installation à prendre en compte dépendprincipalement de deux facteurs de dépréciation :

le facteur de dépréciation des luminaires,le facteur de dépréciation du flux lumineux émis par les lampes.

Eclairement mise en service =Eclairement de maintienFacteur de maintenance

Un tableau donne les valeurs du facteur de maintenance de l’installation en fonction :du cycle d’entretien (8 000 h et 12 000 h) ;du degré de pollution de l’environnement (faible ou fort) ;des caractéristiques mécaniques du luminaire utilisé (degré de protection IP etmatière de la vasque) ;du facteur de dépréciation du flux des lampes utilisées en éclairage extérieur.


Optimisation énergétique en E.P.Installations anciennes à rénover

Ne pas retarder le cycle de remplacement du matériel.La lampe, le luminaire, la maintenance sont indissociables.Toute modification implique les 3 composantesLe remplacement lampe + luminaire + nouveau contrat de maintenance

économie maximalemeilleur rapport coût / bénéfices

Suppression totale : lampes ballons fluorescents mercure diffuseurs intégrauxInstallations neuves

Lampes sodium HP ou iodures (tubulaires)Luminaires avec optique hermétique > IP 55 -Préférence IP 66Vasque galbée Verre -Préférence autonettoyanteOptimisation (hauteur, espacement)Appareillage électronique (régulateur, variation puissance programmable)


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Éclairagisme - Partie 3: Éclairage naturel, éclairage public. · L’éblouissementUGR(UniﬁedGlaringRate)1 L’éblouissementd’inconfortpeutprovenirdirectement,ouparréﬂexion,de