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Éclairage naturel : mode d’emploi

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Éclairage naturel : mode d’emploi

Ces dernières années, la technologie a permis de passer de la protection contre l’éblouissement et la chaleur à la valorisation de la lumière naturelle. Des solutions qui économisent de l’énergie et sont même capables d’en produire.

Voilà cinq ans, la RT 2000 introduisait une nouvelle notion : la TIC (température intérieure ­conventionnelle) soit un plafond à ne pas dépasser qui exprime le comportement du bâtiment en plein été et sans climatisation. Les pouvoirs publics voulaient signifier qu’en ignorant délibérément l’existence du soleil lors de la conception et de la construction d’un bâtiment, le risque est élevé d’aboutir à une aberration thermique, sinon architecturale. L’accroissement du nombre de surfaces vitrées en façade a donc logiquement été accompagné de différents modes de protections contre le rayonnement solaire direct. La réponse la plus connue, l’auvent, a été remise au goût du jour. Cet écran saillant fixe, installé sur les façades les plus exposées, est monté aux 2/3 de la hauteur des fenêtres. Par son inclinaison par rapport au plan de façade et une face supérieure réfléchissante, il renvoie le rayonnement solaire directement vers le plafond des pièces qu’il protège. Si le plafond est blanc, il diffuse la lumière par réfraction, sans éblouissement. Ces écrans qui se généralisent sur les bâtiments récents se calculent selon des principes bioclimatiques connus, en fonction de la latitude et de la longitude du lieu de la construction, des obstacles qui l’environnent (masques), et enfin, de l’orientation de la façade. La nouvelle bibliothèque de l’Alcazar à ­Marseille en fait grand usage. Elle innove même avec deux procédés complémentaires.

Tout d’abord, par la présence de protections solaires fixes ­horizontales qui modulent l’ensoleillement de l’atrium intérieur et son immense verrière zénithale. L’autre point singulier concerne le revêtement de sa façade orientée plein sud. Il est constitué d’un sandwich translucide de verre/marbre mince/verre. Ce composite laisse filtrer une lumière diffuse, en bloquant grâce au marbre le rayonnement direct. Les parois de verre protègent le panneau de marbre de 6 mm d’épaisseur contre les ­attaques de l’atmosphère et ­l’effet érosif des intempéries.

Toujours préférable à l’éclairage artificiel, la lumière naturelle (gratuite) offre un meilleur rendu des couleurs et son effet est notoire sur la physiologie des occupants.

Des vitrages « chromogéniques » à l’essai

De plus, maximiser la lumière naturelle contribue à diminuer les consommations de climatisation en réduisant la charge thermique produite par les luminaires électriques. De nombreuses recherches s’orientent donc sur le traitement du vitrage lui-même. Ainsi, le Cstb de Grenoble teste des vitrages « chromogéniques » dont la transmission de la lumière varie inversement avec leur température. Encore au stade de recherche, la durabilité comparativement réduite et leur coût très élevé ne permettent pas encore leur diffusion commerciale. Début 2004, GE Advanced Materials a présenté en Allemagne deux nouvelles gammes de produits transparents à contrôle du rayonnement solaire, sous forme de plaques en poly­carbonate. Ces plaques pleines (Lexan Exell Solar Control IR) ou multiparois (Thermoclear Solar Control IR), réduisent notablement la transmission du rayonnement solaire tout en présentant des coefficients élevés de transmission lumineuse. Elles contribuent à réduire les dépenses d’énergie thermique (chauffage et climatisation) et d’éclairage des bâtiments. Au lieu d’être translucide ou opaque comme les produits antérieurs, la plaque de contrôle solaire est transparente et teintée en vert. Elle bloque la chaleur du proche infrarouge tout en laissant pénétrer une grande quantité de lumière. La technologie des ­additifs de GE étant inhérente au polymère, le contrôle solaire est quasi-permanent et assure une protection anti-UV sur les deux faces de la plaque. Il faut ajouter que ce nouveau type de vitrage offre une remarquable liberté de conception qui provient de la possibilité de le former à froid ou de le thermoformer sans perdre de ses propriétés de résistance aux chocs et aux ­intempéries.

Des stores qui canalisent la lumière naturelle

D’autres solutions utilisent la mobilité des stores à lamelles réfléchissantes, combinés à une simple (ou double) motorisation. Proposée en Allemagne par plus d’une douzaine de fabricants, une solution plus sophistiquée consiste à partager les stores en deux parties sur la hauteur. Chaque segment est géré indépendamment, sauf en ce qui concerne la montée ou descente totale du store. La partie haute laisse passer la lumière au-dessus de la tête d’une personne en position debout. S’il s’agit de stores à lamelles horizontales, celles-ci orientent le rayonnement solaire direct vers un plafond blanc ou de couleur claire qui réfléchit cette lumière de manière diffuse. Le besoin d’éclairage artificiel est minimisé et la chaleur réduite. La ­partie inférieure du store voit ses ­lamelles orientées de manière à occulter le passage direct de la lumière à hauteur des personnes debout ou assises à leur poste de travail. L’éblouissement est évité, ainsi que l’échauffement par exposition au rayonnement solaire direct. Les lamelles sont disposées de telle sorte que l’on puisse bénéficier de la vue sur l’extérieur. La réflexion de la lumière vers le plafond, puis sa diffusion dans la pièce, contribuent à l’homogénéité de la diffusion. En effet, la luminance naturelle, très abondante au plus près de la fenêtre, diminue rapidement au fur et à mesure que l’on s’éloigne de la façade. Avec des stores à lames verticales, la manœuvre est similaire, quoique moins effi­cace. La partie inférieure des lames verticales s’oriente de manière à occulter le passage de la lumière. Le segment supérieur la laisse passer horizontalement, sans pouvoir toutefois la renvoyer vers le plafond et l’effet obtenu est moindre. Warema, le principal constructeur allemand de ce type de stores, ne recommande les stores à lames verticales que dans le cas de rénovations très légères. Ces derniers sont même incorporés dans l’épaisseur des ouvrants à double vitrage par certains fabricants ou dans l’épaisseur des façades de verre des murs rideaux. Il existe des stores à lamelles pour toutes formes d’ouvrants, y compris pour ceux à pan coupé. Il est également toujours possible d’utiliser deux stores différents sur la hauteur de la fenêtre. C’est une solution moins élégante qui limite la vision vers l’extérieur puisqu’il faut installer le mécanisme du store inférieur à hauteur d’homme environ. C’est plus facilement réalisable sur des façades vitrées de très grande hauteur, verticalement divisées en plusieurs panneaux.

Plus fragiles et moins efficaces, les stores textiles à enrouleur ne sont pas capables de réfléchir la lumière vers le plafond. ­Descendus, ils laissent passer l’éclairage naturel à travers le tissu s’il n’est pas opaque. Dans le cas contraire, il existe des systèmes d’écartement de la base du store. Les stores sont acceptables en logement, mais impraticables lorsqu’ils empêchent l’ouverture des fenêtres. Reste la solution « puits de lumière » , devenue un réflexe en Europe du Nord. Les puits de lumière proposés par la société allemande Genialux, standardisés ou sur mesure, sont des cylindres en zinc, avec un isolant sur leur surface intérieure au bâtiment et un vitrage isolant très performant, côté extérieur. Dans le cylindre, une série de miroirs réfléchissants « conduisent » la lumière vers la pièce à éclairer.

Réguler selon les méthodes de la thermique

La lumière naturelle n’est pas une source d’éclairement à intensité stable. En Europe occidentale, elle est même, avant tout, caractérisée par son instabilité : il faut donc souvent la compléter par des sources électriques. Tout l’enjeu technique revient à maximiser les apports de lumière naturelle, tout en garantissant le confort d’éclairement nécessaire à un environnement de travail productif. La réponse, récente mais simple, consiste à gérer le niveau d’éclairement d’un local, tout comme on gère sa température en tenant compte des apports gratuits : une sonde extérieure d’ensoleillement ; un programme annuel d’angle zénithal de la lumière du soleil pour un lieu donné en fonction du jour de l’année et de l’heure dans la journée ; une sonde d’éclairement intérieur ; un automate chargé de maintenir la « valeur d’éclairement de consigne » en agissant sur des « émetteurs de lumière naturelle pilotés » (stores à lamelles orientables et réfléchissantes) et sur les sources lumineuses électriques. Tous ces composants étant reliés par un bus de terrain pour partager les ressources (une seule sonde d’éclairement extérieur par façade, par exemple) facilitent l’administration du système et l’affectation des consommations d’énergie, bureau par bureau si nécessaire. La plupart des constructeurs de régulation (Honeywell, Siemens, TAC, etc.) et des motorisateurs de volets roulants (Somfy, Warema) proposent des multirégulateurs de ce type. Bureau par bureau et avec l’aide d’un bus LonWorks le plus souvent, ils pilotent l’éclairement, le chauffage, la climatisation et la ventilation. La présence d’un calendrier annuel dans le régulateur est nécessaire pour tenir compte de la position du soleil selon les saisons. En été, les lamelles seront disposées perpendiculairement au soleil, vers l’extérieur, assurant ainsi une protection optimale contre la chaleur, tout en transmettant en incidente suffisamment de lumière naturelle vers la pièce. En hiver, le soleil, plus bas sur l’horizon, est filtré par les ­lamelles de la partie inférieure du store. En partie haute, chaleur et lumière sont réfléchies vers la pièce. Le constructeur allemand Hüppe propose même des ­lamelles en aluminium de forme particulière afin de jouer à la fois sur le renvoi direct de la lumière vers le plafond et sur sa réfraction par la lamelle du dessous sur la sous-face de la lamelle immédiatement au-dessus, avant de la renvoyer vers le bas dans la pièce. DBU (1) a financé l’étude et la mise au point d’un luminaire mixte qui capture la lumière du soleil, la transmet dans la pièce et compense, si nécessaire, par un apport en éclairage artificiel pour parvenir au niveau d’éclairement défini par la régulation du système.

Construit par Spectral, le luminaire Sun Catcher comporte un focalisateur de 0,25 m2 sur un mur extérieur orienté favorablement : sud, sud-ouest ou sud-est. Il concentre le rayonnement lumineux naturel sur un panneau de verre horizontal de 50 cm de large et de 2 cm d’épaisseur. Le panneau pénètre de plusieurs mètres dans la pièce à éclairer. Il existe en deux variantes : captage horizontal ou captage de ­lumière, vertical sur le toit. Ce qui fait de lui une autre variante de puits de lumière. La longueur du panneau de verre pouvant dépasser 7 m, il sera suffisant pour éclairer deux niveaux d’un immeuble avec un captage vertical et, grâce à la version horizontale, les locaux et salles aveugles situés au milieu d’un immeuble de bureaux classique. La lumière naturelle, dont l’intensité peut atteindre 12 500 lumen à midi, (l’été en Bavière) est distribuée de manière diffuse et homogène dans la pièce. Un luminaire ­artificiel basse consommation est intégré dans l’un des bords de la plaque de verre. Il éclaire cette dernière qui diffuse sa lumière d’origine électrique, comme la ­lumière du soleil. Les deux sources peuvent être combinées grâce à un régulateur qui actionne la source électrique lorsque cela devient nécessaire, en fonction de la valeur d’éclairement de consigne.

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