Prédéterminer l'éclairage naturel 2011/03.18

La lumière naturelle est primordiale pour le confort visuel et le bien-être. De nombreuses études démontrent que nous avons un besoin physiologique et psychologique de lumière naturelle. De plus, d'importantes économies d'énergie peuvent être réalisées grâce à la valorisation de l'apport d'éclairage naturel dans les bâtiments.
Dans le secteur tertiaire, par exemple, une conception intelligente de l'enveloppe des bâtiments et des systèmes de gestion de l'éclairage artificiel permet de réduire de 40 % en moyenne la consommation énergétique due à l'éclairage. Pour estimer le confort visuel et/ou le potentiel d'économie d'énergie, il importe donc de (pré)déterminer correctement la pénétration de l'éclairage naturel à l'intérieur d'un bâtiment. Différentes méthodes existent à cette fin.

Méthodes simplifiées

Les méthodes simplifiées permettent d'estimer l'éclairement intérieur pour des configurations géométriques simples. Ce sont généralement des outils graphiques ou des formules empiriques qui donnent des résultats seulement pour des conditions bien spécifiques de rayonnement diffus (ciel couvert standardisé) ou de rayonnement direct (étude d'ensoleillement ou d'ombrage).

Modèles réduits

L'étude de l'éclairage naturel sur des modèles réduits nécessite, quant à elle, une infrastructure, comme un ciel et un soleil artificiels, pour simuler l'apport d'éclairage naturel dans les bâtiments. Cette méthode permet de visualiser directement la distribution de lumière dans un espace, ce qui est très utile pour une approche qualitative de la conception. Le laboratoire 'Lumière et bâtiment' du CSTC est équipé de l'appareillage nécessaire pour réaliser des mesures et des études sur des modèles réduits.

Modélisations numériques

Image de simulation informatique, à gauche, et photo du projet réalisé, à droite (projet 'Sunlighthouse', Pressbaum, Autriche)

De plus en plus utilisées, les modélisations numériques ou simulations informatiques permettent de modéliser en trois dimensions la géométrie des espaces et des objets. Il est ainsi possible de prendre en compte différentes sources de lumière naturelle ou artificielle et de calculer ensuite la distribution lumineuse. Les logiciels les plus performants offrent la possibilité de rendre des impressions visuelles photoréalistes (cf. figure). Si la plupart des logiciels offrent de bonnes performances pour l'étude de l'éclairage artificiel et prennent correctement en compte la lumière émise par les luminaires, il est moins évident d'obtenir des résultats satisfaisants en ce qui concerne l'éclairage naturel.

Pour l'éclairage artificiel, les fabricants mettent à la disposition des utilisateurs des données décrivant la distribution photométrique de leurs luminaires. Il est ainsi aisé d'introduire un luminaire dans une scène et de calculer la distribution lumineuse. Pour l'étude de l'éclairage naturel, par contre, l'utilisateur doit savoir de quelle manière les sources de lumière (ciel diffus et soleil direct) et la propagation de la lumière sont modélisées pour comprendre le calcul et ses limitations, et pouvoir ainsi interpréter les résultats.

Outre la maîtrise de la modélisation géométrique, il importe de connaître la caractérisation photométrique des surfaces constituant la scène. En effet, la description précise des propriétés photométriques des surfaces et, tout au moins, leur coefficient de réflexion et de transmission lumineuse sont essentiels pour déterminer correctement la distribution de la lumière dans un espace. Ces propriétés dépendent non seulement du matériau, mais aussi de la texture de sa surface.

Comme dans bien d'autres domaines, c'est la connaissance des outils de simulation qui permet de réaliser une modélisation numérique de qualité. La seule maîtrise de l'interface ne garantit pas un résultat fiable. La validité de la simulation informatique de l'éclairage naturel dépend ainsi de la modélisation du ciel, de la méthode de calcul (algorithme), des paramétrages (raffinement du calcul), de la rigueur de la modélisation géométrique (précision de l'encodage) et de la compétence de l'utilisateur (connaissance du logiciel et capacité à l'utiliser correctement).

Il importe donc d'opter pour le logiciel de simulation le plus adapté en fonction de la nature de l'étude, de la complexité de la configuration à étudier et du degré de précision attendu. Dans certains cas plus complexes, il est nécessaire de recourir à des outils de simulation perfectionnés et à des mesures sur modèles réduits pour apporter des données complémentaires.


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B. Deroisy, ir., chef de projet, laboratoire 'Lumière et bâtiment', CSTC
A. Deneyer, ir., chef du laboratoire 'Lumière et bâtiment', CSTC