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5.3 Calcul de l’éclairage naturel

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5.3.1 Facteur de lumière du jour

Pour évaluer les conditions d’éclairage d’une pièce, on compare l’éclairement lumineux horizontal Ev, Hi incident sur un point P du local avec l’éclairement lumineux horizontal Ev, He simultané en plein air par ciel couvert → facteur de lumière du jour D (voir aussi [5.6]):

(5.11)

L’éclairement lumineux incident sur un point dans une pièce est, entre autres, influencé par les facteurs suivants:

  • Eclairement lumineux en plein air
  • Taille et position de la fenêtre / du lanterneau
  • Pertes lumineuses dans le vitrage
  • Obstructions
  • Réflexion lumineuse sur les obstructions et sur le sol
  • Réflexion lumineuse sur les surfaces délimitant la pièce
  • Dimensions de la pièce
Répartition du facteur de lumière du jour en trois composantes: lumière directe, réflexions sur les obstructions et réflexions intérieures; hauteurs angulaires mesurées depuis le bord inférieur de la fenêtre
Fig. 5.9: Répartition du facteur de lumière du jour en trois composantes: lumière directe, réflexions sur les obstructions et réflexions intérieures; hauteurs angulaires mesurées depuis le bord inférieur de la fenêtre (εF/εV) et angle d’obstruction mesuré depuis le centre de la fenêtre (αO)

Pour tenir compte de l’influence de ces différents facteurs, le facteur de lumière du jour peut se décomposer de la façon suivante:

(5.12)

Composante céleste DC

La composante directe DC est calculée sur la base de la part du ciel visible à travers la fenêtre depuis le point de référence P (« points de référence standards » P1 et P2 pour des pièces de séjour et des locaux de travail comparables: 0,85 m au-dessus du sol, à mi-profondeur de la pièce, à 1 m de chaque paroi latérale). Pour déterminer cette part de lumière naturelle, on peut par exemple employer le diagramme de Waldram (voir Fig. 5.10 et Annexe 9.26) qui représente la moitié de la voûte céleste dans une projection particulière. Les graduations sur l’abscisse (angle β) respectivement sur l’ordonnée (hauteur angulaire ε) sont établies de manière à ce que la demi-voûte céleste (≙ DC = 50 %) soit subdivisée en carreaux égaux (Q) qui procurent chacun un même éclairement lumineux horizontal Eh (→ 1 Q ≙ 50 % DC/nombre de Q).

Diagramme de Waldram pour la détermination graphique des composantes DC et DRe
Fig. 5.10: Diagramme de Waldram pour la détermination graphique des composantes DC et DRe (pour l’entier de la demi-voûte céleste DC ≙ 50 %)

Dans la direction perpendiculaire à la surface de la fenêtre (voir Fig. 5.12) on repère, depuis le point de référence P, les bords horizontaux de la fenêtre et une obstruction parallèle à la fenêtre pour déterminer les hauteurs angulaires εF et εO.

Sur les côtés, la fenêtre respectivement l’obstruction est délimitée par les angles de largeur βg et βd correspondants. Comme le diagramme représente un DC de 50 %, on peut identifier sur un réseau régulier la composante directe DC en comptant le nombre de carreaux QC du ciel vus au travers de la fenêtre et non couverts par les obstructions (DC = nombre de QC · (… % DC/Q)).

Composante réfléchie extérieure DRe

La composante réfléchie extérieure DRe est déterminée de la même manière; cependant il convient de noter que les surfaces réfléchissantes ont des luminances bien inférieures à celles du ciel. En première approximation, la surface d’obstruction à la lumière directe est mutipliée par 0,15 (ou plus précisément par 0,31 · ρobstruction).

vue d'une fenêtre avec une obstruction partielle:
Fig. 5.11: vue d’une fenêtre avec une obstruction partielle:
  • en haut: point de référence avec les angles et hauteurs angulaires pour la fenêtre et l’obstruction

  • en bas: représentation de l’ouverture de la fenêtre et de l’obstruction sur le diagramme de Waldram:
    92 QC à 0,1 % ≙ DC de 9,2 % (ciel visible)
    21 QO à 0,1 % · 0,15 ≙ DRe de 0,3 % (réflexion des surfaces d’obstruction)

Composante réfléchie intérieure DRi

La composante réfléchie par les surfaces de la pièce DRi est plus difficile à déterminer. A partir de calculs théoriques et d’expériences sur des modèles, Hopkinson [5.2] a trouvé l’approximation suivante pour une fenêtre latérale:

(5.13)

Dépendance des facteurs ko, ku et k en fonction de l'angle d'obstruction αO
Fig. 5.12: Dépendance des facteurs ko, ku et k en fonction de l’angle d’obstruction αO

Généralement les composantes DC, DRe et DRi sont premièrement calculées pour les dimensions brutes de la fenêtre. Les pertes dues au vitrage (τ), aux croisillons, cadres et meneaux (k1), aux salissures (k2) ainsi que les corrections pour incidences non perpendiculaires (k3) sont évaluées dans un deuxième temps.

Tab. 5.8: Facteurs de réduction par
  • salissure (k2) [5.5] et

  • incidences lumineuses non perpendiculaires (k3) [5.6]

5.3.2 Directives sur le facteur de lumière du jour

Tab. 5.9: Facteur de lumière du jour moyen et minimal pour divers types d’utilisation

En plus de ces valeurs minimales du facteur de lumière du jour, dans les locaux de travail une distribution équilibrée des luminances est une condition essentielle pour un environnement visuel agréable (pas d’éblouissement, pas de contrastes trop élevés).

Selon l’utilisation, des contrastes lumineux variés sont indispensables en tant qu’élément de design pour éviter des locaux éclairés de façon monotone et ennuyeuse (exemples: halls d’entrée, escaliers, lieux de vie etc.).

5.3.3 Disposition des fenêtres et utilisation optimale de la lumière naturelle

La répartition de l’éclairement lumineux à l’intérieur est non seulement influencée de manière déterminante par la taille de l’ouverture mais aussi par son emplacement. Quand on laisse pénétrer la lumière naturelle d’une hauteur angulaire élevée, l’efficacité de l’éclairage est significativement augmentée.

L’influence de la taille et de la position de la fenêtre sur l’éclairage naturel d’une pièce sont mises en évidence sur les coupes qui suivent.

Influence de la position de la fenêtre sur le facteur de lumière du jour: chacune de ces ouvertures, bien que de tailles différentes, procure le même éclairement lumineux horizontal au point de référence P
Fig. 5.13: Influence de la position de la fenêtre sur le facteur de lumière du jour: chacune de ces ouvertures, bien que de tailles différentes, procure le même éclairement lumineux horizontal au point de référence P [5.4]

Dans les pièces éclairées latéralement d’un seul côté, le facteur de lumière du jour décroît à mesure que l’on s’éloigne de la fenêtre. Plus la position de la fenêtre est élevée, plus le facteur de lumière du jour sera accru dans les zones éloignées de la fenêtre et plus l’uniformité de l’éclairement sera augmentée (voir Fig. 5.14).

Influence de la hauteur de la fenêtre sur l'éclairage d'un local ouvert latéralement d'un seul côté
Fig. 5.14: Influence de la hauteur de la fenêtre sur l’éclairage d’un local ouvert latéralement d’un seul côté (surface de la fenêtre AW constante)

Avec des fenêtres disposées latéralement des deux côtés, on obtient un meilleur éclairage de la pièce car les éclairements lumineux procurés par chaque fenêtre se superposent.

Dans un tel local, la position où le facteur de lumière du jour est minimal Dmin se déplace vers le centre de la pièce. La profondeur utile de la pièce dans laquelle l’éclairage est suffisant augmente (voir Fig. 5.15 et 5.16).

Amélioration de l'uniformité de l'éclairage naturel par la disposition d'une fenêtre en hauteur sur le mur opposé à la fenêtre principale
Fig. 5.15: Amélioration de l’uniformité de l’éclairage naturel par la disposition d’une fenêtre en hauteur sur le mur opposé à la fenêtre principale

Influence de la disposition des fenêtres sur l'éclairage naturel d'un corps de bâtiment dont les dimensions principales sont constantes
Fig. 5.16: Influence de la disposition des fenêtres sur l’éclairage naturel d’un corps de bâtiment dont les dimensions principales sont constantes

Dans une pièce, non seulement les zones proches des fenêtres mais aussi les zones plus éloignées devraient être éclairées naturellement. Avec des fenêtres latérales sur un seul côté, la répartition du facteur de lumière du jour décroît exponentiellement dans la profondeur de la pièce: il y a trop de lumière naturelle près des fenêtres mais pas assez à partir d’environ 3 m de profondeur. Des simulations par odinateur [5.7] sur un local type montrent comment des systèmes de déviation de la lumière positionnés dans la partie supérieure d’une fenêtre peuvent conduire la lumière intensive provenant du zénith dans les zones profondes du local et ainsi augmenter la qualité de l’éclairage naturel (voir Fig. 5.17).

Dans le local de référence équipé de vitrages isolants normaux, le facteur de lumière du jour passe de 20 % près des fenêtres à 2 % à 3 m de profondeur. En revanche, un système combinant des réflecteurs intérieurs à un réflecteur extérieur (collecteur anidolique zénithal) procure des facteurs de lumière du jour de 2 % jusqu’à 6 m de profondeur.

Bien que l’espoir d’atteindre des facteurs D significativement plus élevés dans la profondeur des pièces soit souvent trompeur, les principales mesures techniques d’amélioration sont conçues pour augmenter l’autonomie en éclairage naturel durant les heures de travail près des fenêtres (voir Fig. 5.18).

Systèmes de déviation de la lumière pour l'amélioration de l'éclairage dans la profondeur d'une pièce
Fig. 5.17: Systèmes de déviation de la lumière pour l’amélioration de l’éclairage dans la profondeur d’une pièce (simulations par ordinateur, luminances en cd/m2) [5.7]

L’autonomie en éclairage naturel indique durant quel pourcentage d’heures diurnes une place de travail reçoit un éclairage naturel suffisant.

Autonomie en éclairage naturel procurée par les divers systèmes de déviation de la lumière illustrés à la Figure 5.17
Fig. 5.18: Autonomie en éclairage naturel procurée par les divers systèmes de déviation de la lumière illustrés à la Figure 5.17

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