Éclairage naturel : Appréciation de l'éclairage naturel au stade du projet

Présentation

Auteur(s)

François BOUVIER : Ingénieur de l'École centrale des Arts et Manufactures - Urbaniste SATG (Séminaire et Atelier Tony Garnier) - Architecte DPLG
Gilles COURRET : Ingénieur de l'École nationale des Sciences appliquées de Lyon - Docteur ès sciences à l'École polytechnique fédérale de Lausanne - Chargé de cours à la Haute École d'ingénierie et de gestion du canton de Vaud
Bernard PAULE : Architecte DPLG - Docteur ès sciences, chargé de cours à l'École polytechnique fédérale de Lausanne - Directeur associé d'Estia SA, Lausanne

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INTRODUCTION

Chez l'homme, plus de trois quarts des informations que reçoit et traite le cerveau proviennent des yeux. L'orientation dans l'espace dépend essentiellement de sa perception visuelle de l'environnement. La précision de ses gestes est obtenue par le fait que l'œil les suit.

Pendant des millénaires, les hommes ont été tributaires de l'alternance des jours et des nuits. 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 est devenu possible de vivre, de se déplacer et de travailler, en dehors des heures où l'éclairage naturel est suffisant. Toute la vie sociale s'en est trouvée changée, ainsi que les conditions de travail. Dans ce dernier cas, on a pu s'affranchir absolument des conditions naturelles, aussi bien en faisant fonctionner les usines 24 heures sur 24, qu'en construisant des locaux aveugles.

Avant l'avènement des techniques performantes d'éclairage artificiel, l'utilisation de la lumière naturelle était une nécessité qui a, de ce fait, longtemps stimulé la recherche en architecture. Encore jusqu'au début du XX^e siècle, 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 XX^e siècle, des tarifs énergétiques, spécialement ceux de l'électricité, les constructeurs de locaux industriels n'y ont plus vu le même intérêt et s'en sont, parfois, complètement affranchis.

Depuis la crise pétrolière des années 1970, et bien que le coût de l'énergie n'ait pas augmenté au point de redevenir décisif, l'éclairage naturel a progressivement repris de l'importance en architecture. On distingue principalement trois raisons à ce retour en grâce :

les avancées de l'ergonomie qui ont imposé la notion du rôle relationnel des fenêtres. L'importance des conditions de travail a rendu obligatoire la mise en place de moyens d'éclairage naturel ;
les effets biologiques de la lumière sur l'homme qui sont maintenant mieux cernés. Aujourd'hui, nous savons que la variation quotidienne de la lumière joue un rôle de synchronisation de nos rythmes « internes » aux cycles diurnes et saisonniers. La lumière excite la sécrétion de certaines hormones, par une voie distincte du chemin visuel (noyau suprachiasmatique) ;
la prise de conscience des impacts et des risques environnementaux engendrés par la production de l'électricité, que ce soit à partir de l'énergie nucléaire, hydraulique ou chimique (combustion).

Concernant ce dernier mode de production, la source d'énergie primaire est, généralement, un hydrocarbure d'origine géologique (houille, pétrole, gaz naturel) ; sa combustion libère dans l'atmosphère du gaz carbonique dont le carbone avait été fixé dans l'écorce terrestre des millions d'années auparavant. Avec celles des autres gaz à effet de serre, ces émanations sont considérées comme l'une des causes principales du réchauffement du climat. Leurs limitations font aujourd'hui l'objet d'un large consensus international. Le protocole de Kyöto (Japon), ouvert aux signatures en 1998, propose un calendrier de réduction de ces émissions gazeuses.

En France, la Haute Qualité Environnementale, qui a d'abord été un socle théorique consensuel, avant de devenir une marque déposée, s'est établie progressivement, au début des années 1990, entre divers acteurs de la construction. Cette démarche vise, entre autres, au renforcement du recours aux énergies renouvelables, donc, en particulier, à la lumière du jour.

La source de l'éclairage naturel est le soleil, ainsi que la voûte céleste, par le jeu de la diffusion de la lumière dans l'atmosphère. 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.

Grandeurs photométriques

Caractérisent la lumière par son aptitude à stimuler une sensation visuelle chez un individu moyen. Selon sa distribution spectrale, deux rayonnements de même énergie peuvent, en effet, engendrer des sensations d'intensité très différentes. À certaines fréquences, dans l'infrarouge par exemple, notre vision n'a plus aucune sensibilité. L'efficacité lumineuse relative spectrale, donnée en figure 1, illustre les variations de sensibilité de l'œil humain en vision de jour, en fonction de la longueur d'onde considérée, abstraction faite de la sensation de couleur. On constate que le maximum est atteint pour un rayonnement de 555 nm, ce qui correspond à la couleur jaune.

Flux lumineux

Noté Φ, s'exprime en lumen (lm). Il caractérise un faisceau lumineux. Dans un milieu parfaitement transparent, les flux lumineux et radiométriques d'un faisceau lumineux sont constants tout au long du trajet (conservation de l'énergie).
Exitance M

Appelée autrefois « émittance », l'exitance d'une source lumineuse en un point est le quotient du flux élémentaire d Φ, rayonné par le voisinage du point considéré sur l'aire de ce voisinage dS :

L'exitance s'exprime en watt par mètre carré (W/m²). 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.
Luminance L

Caractérise un faisceau d'ouverture angulaire élémentaire dω et coupant une surface élémentaire dS. La direction de ce faisceau est définie par l'angle α que fait le rayon central du faisceau avec la normale à dS. Soit d ²Φ le flux de ce faisceau. La luminance est le rapport suivant :

Elle s'exprime en candela par mètre carré (cd/m²), autrefois appelé nit (nt).
Intensité lumineuse I

Caractérise la brillance d'une source dans une direction donnée. C'est le flux lumineux élémentaire d Φ, émis dans cette direction, et son voisinage angulaire que divise l'angle solide dω ouvert par ce voisinage :

Elle s'exprime en candela (cd), ou lumen par stéradian (lm/sr). Pour mesurer cette grandeur, on place le capteur suffisamment loin de la source de façon à ce qu'il ne capte qu'un voisinage angulaire.
Éclairement E en un point

Quotient du flux lumineux reçu au voisinage du point considéré par l'aire de ce voisinage dS :

L'éclairement s'exprime en lux (lx), ou lumen par mètre carré (lm/m²). 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.

Nota

le lecteur pourra utilement se reporter aux articles suivants : Éclairage naturel [98], Éclairage naturel [99] et Éclairage naturel [100].

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

Version archivée 1 de févr. 1988 par François BOUVIER
Version courante de mai 2020 par Yannick SUTTER, Bernard PAULE, François BOUVIER, Gilles COURRET

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-c3315

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Conclusion

4. Appréciation de l'éclairage naturel au stade du projet

La prise en compte de la lumière naturelle dans les espaces intérieurs doit être considérée, dès les premières phases du projet, si possible au niveau des esquisses. Pour cela, il est nécessaire de disposer d'outils efficaces, rapides et, dans l'idéal, utilisables par les concepteurs eux-mêmes. L'idée est d'intégrer la lumière naturelle comme un paramètre de décision et, pas seulement, de vérifier que le projet satisfait aux normes ou exigences. Pour ce faire, la possibilité d'étudier rapidement plusieurs variantes est un gage de qualité.

4.1 Abaques

Des outils graphiques, disponibles sous forme d'abaques, ont été élaborés jusque dans les années 1980. Ces méthodes, assez sophistiquées, permettent d'aborder la question du prédimensionnement des ouvertures, de façon systématique. Toutefois, compte tenu de la généralisation de l'informatique, l'utilité pratique de ces outils est aujourd'hui réduite. La version précédente de ce dossier établissait un recensement, relativement exhaustif, de ces méthodes et on pourra utilement s'y référer (Éclairage naturel [Doc. C 3 315v2]).

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4.2 Outils informatiques

L'avènement de l'informatique s'est traduite par la conception d'outils logiciels dédiés aux calculs d'éclairage, soit en lumière naturelle, soit en lumière artificielle. Concernant ce dernier point, la plupart des grands fabricants de luminaires ont développé leur propres outils et certains sont disponibles sur internet (pour mémoire, on citera notamment les outils suivants : Dialux et Relux (Éclairage naturel [Doc. C 3 315v2])).

En ce qui concerne les logiciels spécifiquement dédiés à l'éclairage naturel, on distingue principalement trois types d'outils, en fonction des méthodes de calcul utilisées.

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