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Les méthodes de calcul simplifiées
Les logiciels informatiques
Les modèles réduits

 

Les méthodes de calcul simplifiées

 

Il existe une multitude d'outils simplifiés de prédétermination de la lumière naturelle. Ces outils sont soit des algorithmes simplifiés, des tables, des nomogrammes, des diagrammes, ... Ils se présentent sous format papier ou sous forme informatique. Une caractéristique commune de toutes les méthodes de calcul simplifiées est la restriction des paramètres d'entrée à quelques éléments de conception clés.
Ces outils peuvent être très utiles dans la première phase de conception d'un projet. Cependant, ils ne permettent pas d'analyser des situations complexes ni d'étudier une stratégie lumineuse complète. Il est donc très difficile de réaliser une bonne conception de l'éclairage d'un espace en utilisant uniquement ces méthodes.

Le document écrit par l'AIE 21 et intitulé "Survey of Simple Design Tools" présente de nombreuses méthodes de calcul simplifiées.

 

Les logiciels informatiques

 

Les programmes de simulation de l'éclairage naturel ont pris un essor considérable ces dix dernières années. Ce développement est lié aux progrès importants réalisés dans le domaine informatique.
Les techniques de "lancer de rayon" et de "radiosité" utilisées au départ pour la réalisation de modèles différents semble assez bien se compléter et il s'avère actuellement que les développeurs s'orientent vers la combinaison de ces deux méthodes dans un même outil.
Les modèles complexes de simulation de l'éclairage naturel permettent de modéliser très précisément les espaces intérieurs et extérieurs. Ils permettent en général l'intégration de calcul d'éclairage artificiel ainsi que la prise en compte de systèmes complexes d'éclairage naturel, comme par exemple les systèmes directionnels. Ils offrent également des impressions visuelles très réalistes. Cependant, ces programmes demandent en général un temps d'apprentissage assez long et un niveau certain d'expertise. Ils sont donc réservés aux personnes spécialisées dans le domaine de l'éclairage naturel. Ils demandent également un temps de calcul relativement long. Ces logiciels requièrent également une description détaillée de tous les éléments de l'espace à modéliser et ne sont donc pas applicables au stade de l'esquisse ou de l'avant-projet.

 

L'utilisation de modèles réduits

 

En terme d'éclairage, il est également important pour les concepteurs de pouvoir estimer l'efficacité de leur choix, que ce soit au point de vue des performances énergétiques (degré de dépendance du bâtiment en terme d'éclairage artificiel) ou des performances humaines (confort visuel). La construction d'une maquette peut être une solution très intéressante pour ce genre d'étude. En effet, l'effet visuel que l'on ressent lorsqu'on place cette maquette sous ciel artificiel ou sous ciel réel et que l'on regarde simplement dans la maquette est identique à celui que l'on ressentira dans le local modélisé. Cette sensation visuelle n'est pas reproductible par un autre moyen comme l'utilisation d'un logiciel de calcul d'éclairage car ce dernier ne permet pas d'intégrer l'effet 3D que l'on ressent en situation réelle.
Depuis des centaines d'années, les architectes utilisent les maquettes aussi bien pour visualiser la forme du bâtiment que pour concevoir ses façades ainsi que ses espaces intérieurs.
Une maquette devrait pouvoir être utilisée comme outil de conception d'éclairage. En effet, en portant un soin particulier à quelques points précis lors de la construction la maquette du projet, celle-ci devrait être tout à fait utilisable pour la réalisation d'études d'éclairage.

Propriété physique de la lumière et influence de l'échelle sur celle-ci
Contrairement aux modèles étudiant la thermique et l'acoustique, les modèles physiques étudiant la lumière ne nécessitent aucune correction d'échelle et peuvent donner des résultats très précis. La longueur d'onde de la lumière visible est si petite, en comparaison avec les dimensions d'un modèle réduit, que son comportement n'est que très peu affecté par le passage à l'échelle. En tenant compte de la perception visuelle humaine, on ne discerne aucune différence visuelle entre la réalité et un modèle réduit.
Lorsqu'on construit précisément la maquette d'un local, c'est-à-dire en respectant scrupuleusement sa géométrie ainsi que les caractéristiques de ses parois intérieures (couleur, brillance, …) et de son mobilier, on retrouvera la même quantité et qualité de lumière que celle que l'on a dans le local réel (sous des conditions de ciel identiques). L'impression visuelle que l'on aura sera très proche, voire identique, à celle que l'on ressentira dans le local réel.


Utilisation des modèles réduits comme outils de conception
Parmi les différentes techniques disponibles pour le concepteur, le modèle réduit combine divers avantages qui lui confèrent une attraction particulière quant à l'étude de l'éclairage naturel :

  • Un modèle réduit est un outil de design très simple, très didactique qui peut être compris très facilement sans trop entrer dans le domaine théorique.

  • Les modèles réduits permettent de réaliser des études précises avec un petit budget. Des modèles très simples peuvent déjà donner une bonne impression visuelle de l'environnement lumineux.

  • Construire un modèle réduit est une manière très facile d'étudier l'éclairage naturel dans un local de forme complexe, comportant des espaces de géométrie non rectiligne. Ceci s'avère beaucoup plus long et fastidieux si l'on désire modéliser cet espace par ordinateur.

  • Une maquette permet aussi d'étudier rapidement l'effet de variation de la géométrie, des coefficients de réflexion ou des couleurs des matériaux utilisés. On peut donc prendre rapidement des décisions concernant les effets visuels ou les niveaux de luminance.

  • Les modèles réduits fournissent des données qualitatives à partir d'observations visuelles ou de photographies. Les informations fournies peuvent donc permettre au concepteur de déceler d'éventuels problèmes d'éblouissement ou d'autres problèmes relatifs au confort visuel.

  • Dans les modèles réduits, on peut aussi mesurer les valeurs quantitatives d'éclairement ou de luminance atteintes. Ces valeurs permettent alors de dimensionner l'éclairage artificiel nécessaire, de calculer la consommation électrique et les charges de refroidissement qui en résultent.

  • L'éclairage naturel dans un bâtiment peut aussi être étudié de manière dynamique au moyen d'une caméra vidéo, que ce soit sous un ciel artificiel ou sous ciel réel. Cela permet donc de visualiser les variations d'éclairage dans la pièce modélisée.

  • Il est souvent moins onéreux de construire une maquette et de la tester sous ciel artificiel que de faire réaliser une étude d'éclairage par modélisation informatique, par une organisation spécialisée.

  • De plus, un modèle réduit peut aussi être utilisé pour étudier d'autres aspects que l'éclairage naturel dans un bâtiment (composition spatiale, utilisation des couleurs, mobilier, intégration dans le site,...).

Utilisation des modèles réduits comme outils de recherche
Dans l'étude des performances de nouveaux concepts en éclairage naturel, des modèles réduits sont utilisés pour pré-valider ces concepts. Ils peuvent aussi être utilisés pour étudier les caractéristiques de nouveaux matériaux tels que, par exemple, des éléments prismatiques ou holographiques. Dans ce cas, les études sur des maquettes permettent de transférer les caractéristiques de ces systèmes vers des programmes informatiques. En effet, il est nécessaire de comprendre complètement les performances et les caractéristiques de ces éléments avant de les simuler par ordinateur.

Limitation des modèles réduits
Les modèles réduits peuvent être construits de manière très précise, en simulant chaque détail de l'espace. Cependant un modèle réduit très précis et très détaillé coûte très cher et ne rencontre en général pas les caractéristiques de flexibilité requises dans les études d'éclairage. Il peut malgré tout être utilisé pour obtenir une représentation précise du projet finalisé qui soit intéressante pour l'architecte et le client.
Une des limitations inhérente aux modèles réduits provient du fait qu'on ne peut pas, à l'heure actuelle, réduire les matériaux utilisés (briques, vitrages,...). L'utilisation de matériaux réels à l'échelle dans les maquettes peut provoquer des erreurs dans les résultats quantitatifs.
L'éclairage artificiel est difficile à intégrer dans les études d'éclairage sur modèles réduits. L'intensité de l'éclairage artificiel peut être simulée, contrairement à la distribution de luminance des luminaires, ce qui n'est pas sans poser de multiples problèmes.

Conception d'un modèle réduit par la réalisation d'études d'éclairage

Le guide des maquettes que nous avons écrit donne des instructions pour la construction et la conception d'une maquette pour réaliser une étude d'éclairage naturel. Certaines instructions sont générales et doivent être respectées lors de toute étude d'éclairage naturel. D'autres instructions sont plus liées à l'utilisation du ciel et du soleil artificiel qui composent le laboratoire du CTSC.

Interprétation des résultats obtenus sous ciel artificiel

Le guide d'aide à l'interprétation et à l'amélioration des résultats des mesures sous les ciels et soleils artificiels du CSTC explicite les notions photométriques abordées lors de mesures en laboratoire et donne des pistes quand à l'amélioration des projets étudiés.

Pour plus d'informations sur les possibilités de mesures sous ciel et soleil artificiel, se reporter au site internet du CSTC

 

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