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25/04/2018

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Soleil mécanique 2005/04.03

L'étude de la lumière naturelle dans les bâtiments constitue l'un des principaux centres d'intérêt du laboratoire 'Lumière et bâtiment' du CSTC. Dans le cadre du développement de ses activités, il vient de se doter d'un nouvel outil de simulation de l'ensoleillement direct sur modèle réduit : le 'soleil mécanique'.

Cette
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Site web consacré à la lumière naturelle et aux recherches du CSTC dans ce domaine : www.cstc-lumiere.be
L'article complet, explicitera les mouvements relatifs de la Terre et du soleil ainsi que les éléments constitutifs du soleil mécanique.
nouvelle installation vient compléter les deux simulateurs existants qui permettent d'étudier l'éclairement diffus sous ciel couvert et de simuler les éclairements diffus (ciel) et direct (soleil) pour tout type de ciel.

De par son concept, le nouveau simulateur se veut simple et didactique. Il reflète fidèlement notre perception du mouvement du soleil, qui est le résultat d'une combinaison de mouvements relatifs : la rotation de la Terre autour du soleil et la rotation de la Terre sur elle-même.

1. Caractérisation du mouvement solaire

Bien que nous sachions, grâce à l'étude du système solaire, que la succession du jour et de la nuit résulte de la rotation de la Terre sur son axe (près de 24 heures pour une rotation), nous ne percevons pas ce mouvement. Ce que nous percevons est le mouvement relatif d'un point à la surface de la Terre par rapport au soleil. Ainsi, pour l'observateur terrestre, le soleil se lève à l'est, atteint son point culminant au midi solaire (le sud pour un point situé au nord du Tropique du Cancer) et se couche à l'ouest.

De même, nous savons que la course du soleil varie en fonction de la saison; en été, la hauteur atteinte à midi par le soleil est plus importante qu'en hiver. Cette variation saisonnière de la course du soleil dans le ciel est due à l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre par rapport au plan de l'écliptique (plan de l'orbite de la Terre autour du soleil). Cette inclinaison ne se perçoit pas directement, mais s'observe indirectement au travers de la variation de la durée du jour et de la variation de l'élévation du soleil.

Pour un observateur situé à la surface de la Terre, la course du soleil est ainsi fonction de : Sur la base de ces deux paramètres, il est possible de caractériser le mouvement du soleil autour d'un bâtiment et, donc, le mouvement de la source de lumière artificielle simulant le soleil autour du modèle réduit.

2. Eléments constitutifs et principe de fonctionnement

Comme
Vue d'ensemble du poste d'essai.
son nom l'indique, le soleil mécanique se compose d'éléments mécaniques, mobiles ou non, organisés par rapport à un point fixe, appelé centre géométrique de l'ensemble. Les éléments mobiles assurent le déplacement de la source lumineuse simulant le soleil.

Les éléments principaux constituant le soleil mécanique sont au nombre de trois (cf. illustration ci-contre) : Lorsque l'arc de cercle mobile est mis en rotation, le câble reliant les deux chariots est mis en tension. Le premier chariot étant fixe et le second (supportant la source lumineuse) libre, la tension induite dans le câble par la rotation du bras provoque les mouvements d'ascension et de descente de la source lumineuse (lever et coucher du soleil).

Dès lors, le soleil mécanique peut, par simple rotation de son arc mobile, reproduire avec exactitude la course du soleil pour une journée donnée en un point de la Terre. Comme explicité ci-dessus, cette simulation peut être réalisée pour toute date et pour toute latitude, par simple déplacement d'éléments mécaniques.

3. Applications

L'utilisation de ce simulateur permet une visualisation directe des éclairements et des ombrages sur modèle réduit de masse (1/200) ou de détail (1/20). Pour un jour donné, le poste d'essai simule le déplacement du soleil tout au long de la journée en un temps relativement court (une course complète du soleil est simulée en moins de 40 secondes), ce qui confère un caractère dynamique aux observations.

Outre la pénétration de la lumière dans les bâtiments, il est possible, sous une échelle de travail adaptée (échelle de masse au 1/200), d'évaluer l'incidence de l'ombrage d'éléments extérieurs. Ceci permet, en plus de l'étude de la lumière naturelle directe dans les locaux, de visualiser, sur l'enveloppe du bâtiment, l'influence du rayonnement solaire direct visible et, par exemple, de déterminer la présence ou non d'ombres sur une façade.

Ce nouveau poste d'essai, mis à la disposition des concepteurs et des entrepreneurs, permet d'approfondir les études de pénétration de la lumière naturelle dans des bâtiments dotés d'un atrium, d'un puits de lumière, d'un système particulier de réflexion de la lumière (lamelles métalliques, louvres, plan d'eau à proximité, ...) ou de protections solaires (toiles tendues, matériaux translucides, ...).




A. Deneyer, ir., chef de projet, division 'Physique du bâtiment et Climat intérieur'