Éclairage naturel

Pendant des millénaires, les hommes ont été tributaires de l’alternance des jours et des nuits. Les actes essentiels pour la survie de l’espèce (cueillette, chasse, agriculture puis production manuelle artisanale ou industrielle) devaient être effectués le jour, quand la lumière naturelle éclairait suffisamment la scène ou les objets à travailler. Nous savons en effet maintenant que plus de 75 % des informations que reçoit et traite le cerveau proviennent des yeux, que l’orientation de l’homme dans l’espace dépend essentiellement de sa perception visuelle de l’environnement, que la précision de ses gestes est obtenue par le suivi de ceux-ci par l’œil.

L’invention de moyens artificiels d’éclairage a considérablement atténué la rigueur de cette sujétion. Sous la réserve des contraintes de qualité du travail obtenu et du coût de la mise en œuvre de ces moyens, il a été possible de vivre, de se déplacer et de travailler en dehors des heures où l’éclairage naturel était satisfaisant. Toute la vie sociale s’en est trouvée changée, ainsi que les conditions de travail. Ainsi, dans ce dernier cas, on a pu s’affranchir absolument des conditions naturelles, aussi bien en faisant se succéder les postes de travail tout au long de la journée, nuit comprise, qu’en construisant des locaux aveugles.

Autrefois le coût de l’énergie limitait le recours à l’éclairage artificiel ; les bâtisseurs s’assuraient que des baies, en nombre et surface suffisants, permettaient d’éclairer les locaux à la satisfaction des usagers. Avec la baisse continue au cours du vingtième siècle des tarifs énergétiques, et spécialement ceux de l’électricité, les constructeurs de locaux industriels n’ont plus vu le même intérêt dans la disposition de ces baies, et s’en sont affranchis.

Bien que le coût de l’énergie n’ait pas augmenté au point de redevenir décisif, la nécessité de disposer de baies s’est trouvée réaffirmée. Le développement des études ergonomiques a en effet imposé la notion du rôle relationnel des fenêtres ; la prise en compte de plus en plus grande des conditions de travail vient de rendre obligatoire la disposition des moyens de l’éclairage naturel.

La source de l’éclairage naturel est d’abord le soleil et secondairement la voûte céleste. Les constructions qui abritent l’homme des intempéries sont essentiellement opaques et limitent l’effet de la luminosité du ciel. Il importe donc de connaître les conditions dans lesquelles des baies transparentes ou translucides permettent de répondre aux besoins, et de savoir calculer la surface de ces percements.

Le flux lumineux est une grandeur photométrique dérivée du flux énergétique en tenant compte de la sensibilité spectrale de l’œil humain. Celle-ci s’exprime par la notion d’équivalence énergétique de la lumière qui varie avec sa longueur d’onde. La courbe d’efficacité lumineuse relative spectrale a été donnée en figure 1, pour les visions de jour et crépusculaire.

Le flux lumineux, noté Φ, s’exprime en lumen (lm) ; il caractérise un faisceau lumineux, indépendamment de sa source. Dans un milieu transparent, le flux lumineux est constant tout au long du faisceau lumineux.

L’exitance M, appelée autrefois émittance, d’une source lumineuse en un point d’élément de surface est le quotient du flux lumineux élémentaire rayonné par cet élément de surface dans toutes les directions :

L’exitance s’exprime en watt par mètre carré (W/m ²). Pour une source secondaire, c’est-à-dire une source qui n’éclaire qu’en renvoyant la lumière qu’elle reçoit, l’exitance est au plus égale à son éclairement.

L’intensité lumineuse I d’une source lumineuse ou d’un faisceau lumineux est le quotient du flux lumineux émis dans une direction au travers d’un angle solide donné par la mesure de cet angle  :

Elle s’exprime en candéla (cd) ou lumen par stéradian (lm/sr).

La luminance L s’exprime aussi bien pour un élément de surface réel de source que pour un élément de surface immatériel traversé par un faisceau lumineux. Elle n’a de sens que pour une direction donnée, définie en direction par l’angle α que fait la direction moyenne du faisceau avec la normale à l’élément de surface, et définie en extension par un élément d’angle solide  :

Elle s’exprime en candéla par mètre carré (cd/m ²), autrefois appelé nit (nt).

L’éclairement E en un point d’aire d’une surface est le quotient du flux lumineux qu’elle reçoit par son aire :

L’éclairement s’exprime en lux (lx) ou lumen par mètre carré (lm/m ²). Il résulte de cette définition que l’éclairement d’une surface réceptrice est un phénomène additif : on pourra calculer indépendamment les effets sur une même surface de deux sources et en additionner les résultats. Dans la réalité, c’est bien ce que l’on constate : deux sources voisines additionnent leurs effets. Dans les calculs, on mettra à profit cette propriété en utilisant des valeurs algébriques : une source lumineuse étendue, mais d’aire complexe, pourra toujours être décomposée en une série d’aires élémentaires simples, positives et négatives.