Qualité de l’éclairage naturel

Confort lumineux

Dans une démarche de construction ou de rénovation durable, on privilégiera l’utilisation de la lumière naturelle à la place de l’éclairage artificiel. La qualité “spectrale” de la lumière naturelle ainsi que sa variabilité et ses nuances offrent une perception optimale des formes et des couleurs. L’éclairage artificiel doit être donc considéré comme un complément à la lumière naturelle.

En confort lumineux, l’objectif premier est de privilégier l’ouverture des espaces de travail vers la lumière naturelle tout en sachant qu’une trop grande ouverture des façades est souvent synonyme d’éblouissement. Cependant, l’éblouissement peut être assez facilement traité par un store interne.

Efficacité énergétique

D’un point de vue énergétique, l’utilisation de l’éclairage naturel comme “source” lumineuse est gratuite ; ce qui signifie que la facture électrique d’éclairage artificiel sera d’autant plus réduite que l’éclairage naturel exploité. De plus, en améliorant la qualité énergétique de l’enveloppe, que ce soit en conception ou en amélioration, les consommations énergétiques d’éclairage deviennent prépondérantes.

À titre d’exemple, les clefs de répartition énergétique pour un ancien bâtiment “passoire” et un nouveau bâtiment très performant  sont les suivantes :

Dans ce type de bâtiment « passoire », les consommations de chauffage et l’éclairage sont prédominants dans le sens où les parois sont très déperditives et l’installation d’éclairage peu performante.

Un bâtiment très performant et bien étudié au niveau de l’enveloppe limite ses dépenses énergétiques tant en chauffage qu’en refroidissement. Si l’installation électrique n’est pas performante (comme le montre cet exemple), les consommations d’éclairage en énergie primaire deviennent prépondérantes.

En absolu, on peut apprécier l’effort réaliser sur les consommations en énergie primaire. On réduit effectivement par 3 ces consommations primaires.

On se retrouve devant le défi, surtout pour le tertiaire, d’optimiser les consommations énergétiques d’éclairage en maximisant les apports gratuits d’éclairage naturel.

Attention cependant que dans bien des projets de conception ou de rénovation de bâtiments tertiaires, des trop grandes ouvertures génèrent des risques de surchauffe en été et des déperditions plus importantes en hiver. Le gestionnaire du bâtiment risque d’avoir la mauvaise surprise de payer une facture énergétique plus importante de climatisation en été et de chauffage en hiver. Cependant, les performances thermiques des vitrages actuels et le choix d’une bonne stratégie de protection solaire limitent l’impact respectivement des déperditions et des surchauffes sur le bilan énergétique global. Il en résulte que la consommation énergétique principale risque bien de devenir l’éclairage artificiel.

Critères

Bien des paramètres viennent influencer de manière plus ou moins significative la pénétration de la lumière dans les espaces de travail :

  • L’orientation des façades ;
  • La présence d’ombres reportées (bâtiments ou autres façades du bâtiment étudié faisant de l’ombre) ;
  • La taille, la forme et la position des baies vitrées dans les façades ;
  • La forme et les dimensions des trumeaux ;
  • Les caractéristiques des vitrages ;
  • La présence de protection solaire (fixe, mobile, …) ;
  •  …

Exemple d’analyse en autonomie en lumière du jour.

  1. Vitrage clair
  2. Vitrage sélectif
  3. Auvent
  4. Lamelles
  5. Ombre reportée

Pour un projet de taille importante, une étude par un bureau spécialisé est toujours intéressante sachant qu’il est possible d’optimiser conjointement les conforts lumineux et thermiques par des simulations dynamiques tenant compte de l’ensoleillement et du climat à tout moment de l’année et disponibles sous forme de bases de données type “météonorm” par exemple.

Influence de la modulation de façade

L’étude de cette influence porte sur un projet de conception d’un ensemble de plateaux de bureaux dans un immeuble tour. Une série de simulation dynamique en éclairage naturel (ECOTECH et DAYSIM) sont réalisées afin de mettre en évidence l’influence :

  • De la taille de la fenêtre ;
  • Du type de trumeaux ;
  • Du type de vitrage ;
  • Du type de cloisonnement interne ;
  • De l’épaisseur des trumeaux ;
  • De la hauteur des linteaux.

L’objectif des simulations est de réaliser un arbitrage entre différentes configurations de module de bureau. À chaque étape d’optimisation, l’arbitrage élimine les moins bonnes solutions.

Pour un bureau paysager ?

La modulation des façades influence la pénétration de la lumière naturelle dans l’espace de travail. C’est ce qu’on se propose d’étudier ici.

Base : taille de baie vitrée ⇒ deux fenêtres de 90 x 237 cm. Transmission lumineuse du vitrage TL = 50 %

Analyse des résultats
FLJ (Facteur de Lumière du jour) > 3 %

Position du bureau

DA (Autonomie en Lumière du Jour)
1 < FLJ < 2 % Éloigné de la fenêtre DA < 20 %
3 % < FLJ < 5 % Proche de la fenêtre 50 % < DA

Les bureaux côté intérieur devront bénéficier régulièrement d’un système d’éclairage artificiel.

1re amélioration : taille de baie vitrée ⇒ une fenêtre de 180 x 237 cm et trumeau

Analyse des résultats
FLJ (Facteur de Lumière du jour) > 3 %

Position du bureau

DA (Autonomie en Lumière du Jour)
1 < FLJ < 2 % Éloigné de la fenêtre 20 % < DA < 50 %
3 % < FLJ < 5 % Proche de la fenêtre 50 % < DA

Pour une même surface vitrée, une large fenêtre permet de laisser entrer plus facilement la lumière naturelle qu’une fenêtre étroite.

2e amélioration : trumeau de forme trapézoïdale

Tout en conservant la taille de la baie vitrée de 180 x 237 cm pour laquelle la pénétration de la lumière est la meilleure, on remplace un trumeau de section rectangulaire  par un trumeau de section trapézoïdale.

Analyse des résultats
FLJ (Facteur de Lumière du jour) > 3 %

Position du bureau

DA (Autonomie en Lumière du Jour)
1 < FLJ < 3 % Éloigné de la fenêtre 30 % < DA < 50 %
3 % < FLJ < 5 % Proche de la fenêtre 50 % < DA

Les trumeaux trapézoïdaux améliorent légèrement la couverture des besoins d’éclairage par de l’éclairage artificiel. Cependant, on comprend aisément que la mise en œuvre de tel trumeaux risque de poser des problèmes.

3e amélioration : vitrage avec une transmission lumineuse de TL = 60 %

Analyse des résultats
FLJ (Facteur de Lumière du jour) > 3 %

Position du bureau

DA (Autonomie en Lumière du Jour)
2,5 % < FLJ < 3 % Éloigné de la fenêtre 40 % < DA < 50 %
5 % < FLJ Proche de la fenêtre 50 % < DA

La configuration des modules de façade devient optimale. Cependant, pour les bureaux le long de la fenêtre, le risque d’éblouissement croît.

Que faut-il retenir ?

En conception, dans la modulation de façade, l’optimum de la couverture d’éclairage par la lumière naturelle (gratuite) passe par le choix d’une ouverture large pour les baies vitrées avec un vitrage de transmission lumineuse élevée. En rénovation, c’est du cas par cas ! Attention, cependant, que la limite d’ouverture à outrance des baies vitrées risque de provoquer de l’inconfort visuel (éblouissement) et thermique (surchauffe). Pour cette raison, l’étude doit souvent être complétée par des simulations thermiques dynamiques.

Pour un bureau individuel ?

La modulation des cloisons internes va aussi modifier le niveau d’exploitation de la lumière naturelle. Ici, un seul module de bureau est modélisé. Seule la position des parois varie. Pour ce type de configuration, les vitrages ont une transmission lumineuse TL de 50 %.

Base : taille de baie vitrée ⇒ deux fenêtres de 90 x 237 cm. Transmission lumineuse du vitrage TL = 50 %

Analyse des résultats
FLJ (Facteur de Lumière du jour) > 3 %

Position du bureau

DA (Autonomie en Lumière du Jour)
0 < FLJ < 1,2 % Éloigné de la fenêtre DA < 20 %
FLJ < 3 % Proche de la fenêtre DA <  50 %

Le cloisonnement des plateaux de bureaux ne favorise pas l’entrée de la lumière dans le local individuel. Même la lumière naturelle n’apprécie pas l’individualisme !

1er amélioration : taille de baie vitrée ⇒ une fenêtre de 180 x 237 cm

Analyse des résultats
FLJ (Facteur de Lumière du jour) > 3 %

Position du bureau

DA (Autonomie en Lumière du Jour)
1 < FLJ < 1,5 % Éloigné de la fenêtre DA < 20 %
3 % < FLJ Proche de la fenêtre 50 % < DA

Une ouverture plus large permet de bénéficier une qualité de lumière acceptable pour les plans de travail situé côté fenêtre.

Alternative : taille de baie vitrée ⇒ une fenêtre de 180 x 237 cm avec un positionnement des cloisons internes

Analyse des résultats
FLJ (Facteur de Lumière du jour) > 3 %

Position du bureau

DA (Autonomie en Lumière du Jour)
0 < FLJ < 1,2% Éloigné de la fenêtre DA < 20 %
FLJ < 3 % Proche de la fenêtre DA <  50 %

Le cloisonnement désaxé du trumeau (centrée avec l’axe du châssis) n’est pas vraiment une bonne idée. En rénovation, par exemple, ce type d’aménagement de cloison se rencontre souvent. À éviter si possible !

Que faut-il retenir ?

Le cloisonnement des plateaux de bureaux au sens large du terme en bureaux individuel est, dans la mesure du possible, à éviter. On comprend bien que ce soit régulièrement impossible à envisager. Cependant, une ambiance chaleureuse de travail dans un paysager permet souvent d’optimiser le niveau de pénétration de la lumière naturelle.

Influence de l’épaisseur des trumeaux

L’épaisseur plus ou moins variable des trumeaux (ou l’épaisseur de la façade) crée un ombrage fluctuant. Cette influence est décrite ci-dessous pour des épaisseurs variant de 70 à 40 cm.

Épaisseur des trumeaux : 70 cm – Facteur de lumière du jour et Autonomie en lumière du jour

Épaisseur des trumeaux : 60 cm – Facteur de lumière du jour et Autonomie en lumière du jour

Épaisseur des trumeaux : 50 cm – Facteur de lumière du jour et Autonomie en lumière du jour

Épaisseur des trumeaux : 40 cm – Facteur de lumière du jour et Autonomie en lumière du jour

Analyse des résultats
Épaisseur des trumeaux de 70 cm
FLJ (Facteur de Lumière du jour) > 3 %

Position du bureau

DA (Autonomie en Lumière du Jour)
FLJ < 3 % Éloigné de la fenêtre DA < 50 %
  3 % < FLJ < 6 % Proche de la fenêtre 50 % < DA

Épaisseur des trumeaux de 60 cm.
FLJ < 3 % Éloigné de la fenêtre DA < 50 %
  3 % < FLJ < 6 % Proche de la fenêtre 50 % < DA

Épaisseur des trumeaux de 50 cm
FLJ < 3 % Éloigné de la fenêtre DA < 50 %
  3 % < FLJ < 6 % Proche de la fenêtre 50 % < DA

Épaisseur des trumeaux de 40 cm
FLJ < 3 % Éloigné de la fenêtre DA < 50 %
  6 %< FLJ Proche de la fenêtre 50 % < DA

Que faut-il retenir ?

Attention toutefois à l’épaisseur trop faible des trumeaux qui risque d’occasionner un risque d’éblouissement. Dans la construction ou la rénovation basse énergie, les épaisseurs des parois ont tendance à augmenter ; ce qui a pour conséquence de réduire la pénétration de la lumière dans les espaces mais de réduire les risques de surchauffe. Décidément, la Belgique est vraiment la championne du compromis !

Influence de l’orientation de la baie vitrée

Indépendamment du traitement, une façade sud a un éclairement plus élevé qu’une façade nord.
Au premier abord, il apparaitrait logique d’augmenter la surface vitrée au nord, pour compenser un éclairement plus faible. La lumière du nord est aussi plus faible, mais moins éblouissante et plus facile à contrôler.
Pour les orientations sud, est et ouest l’éblouissement et le risque de surchauffe nécessite de placer des stores qui baissés limiteront le niveau d’éclairement. À ce stade, de nouveau, tout est une question de compromis !

Autonomie en lumière de jour pour une orientation nord.

Pour une orientation nord, l’autonomie en lumière du jour est suffisante pour les espaces bureaux à proximité de la baie vitrée. Mais on voit tout de suite la limite de pénétration de la lumière naturelle à savoir : la mi-profondeur du local étudié.

Autonomie en lumière du jour pour une orientation sud.

Pour une orientation sud, la pénétration de la lumière naturelle est importante. On pourrait pratiquement équiper les espaces de bureaux sur toute la profondeur du local.

Intérêt du store pour une orientation sud.

Que faut-il retenir ?

  • Une orientation nord donne moins de lumière naturelle, mais plus stable dans le temps et absente d’éblouissement.
  • Une orientation sud donne beaucoup de lumière au risque même de générer des éblouissements. Un store est souvent nécessaire pour réduire ce risque. L’influence de la gestion du store se fait ressentir de manière significative pour les baies vitrées orientées au sud. Un bon compromis entre un apport de lumière naturelle réduit (orientation nord) et un éblouissement régulier (orientation sud sans store) est l’équipement des baies vitrées de stores automatiques. De plus, les stores en automatique ont l’avantage de traiter aussi les surchauffes en été.

Hypothèses de simulation

Les hypothèses prises pour réaliser les simulations sont les suivantes :

  • L’orientation de la façade est nord ;
  • Coefficients de réflexion considérés pour les parois internes :
    • Plafond : 70 %
    • Murs intérieurs : 50 %
    • Ébrasements : 50 %
    • Sol : 30 %
  • Les façades extérieures sont assimilées à des parois uniformes mates. Trois type de murs sont considérés dont les coefficients de réflexions sont :
    • Mur clair : 50 %
    • Mur moyen : 30 %
    • Mur foncé : 20 %
  • Disposition des zones de travail : les zones de travail mesurent 4 x 80 cm x 180 cm et sont situées à 80 cm de la face extérieure de la façade.
  • Surface nette éclairante = 2 x 2,37 x 0,90 = 4,266 m² par travée de 2,7 m
  • Surface nette façade intérieure = 2,735 x 2,70 = 7,385 m² par travée
  • Surface nette éclairante / surface nette façade intérieure = 58 % ;
  • (surface nette éclairante/surface nette façade intérieure) x transmission lumineuse du vitrage = 28,9 %.