Date : création 5/03/2013

Auteur : Didier D et Olivier

Mise en page : Sylvie

 

Éclairage naturel et baies vitrées

Dans les ateliers, les tâches de travail peuvent vite devenir dangereuses lorsque le risque d’éblouissement est important. Intuitivement, on essayera d’ouvrir les façades orientées au nord pour la simple raison que la lumière naturelle côté nord est essentiellement une lumière diffuse avec un niveau d’éclairement relativement continu en journée. Mais les contraintes d’orientation ne peuvent pas toujours être maîtrisées :

  • En rénovation, les façades orientées au nord ne sont pas toujours disponibles à l’ouverture vers la lumière naturelle.
  • En conception nouvelle, le bâtiment ne peut pas toujours être orienté avec ses larges façades au nord.

Des alternatives intéressantes à considérer sont les ouvertures de toiture :

Les ouvertures de type coupole représentent un potentiel important d’éclairage naturel mais avec son lot d’inconvénients comme, par exemple, l’éblouissement zénithal et la surchauffe en été.

Les baies vitrées de type sheds orientées au nord permettent de maîtriser la surchauffe et l’éblouissement d’été. Elles offrent bien d’autres avantages comme, par exemple, la possibilité de coupler l’éclairage naturel côté nord aux panneaux photovoltaïques placés sur le versant des sheds côté sud.

Les ouvertures verticales en toiture

Début du siècle dernier, voire bien avant, ce type d’ouverture existait déjà. Nos ancêtres étaient bien inspirés en regard du confort visuel. Cependant, d’un point de vue thermique, les performances du simple vitrage et l’étanchéité des châssis ne permettaient pas des performances énergétiques géniales !
À l’heure actuelle, les performances thermiques des sheds deviennent très bonnes, ce qui permet à ceux-ci de pouvoir jouir d’une seconde jeunesse !
La mise en œuvre des sheds en conception nécessite quand même de respecter l’orientation nord-sud, et ce dans une « fourchette angulaire » relativement restreinte de manière à éviter les surchauffes et les éblouissements directs. De plus, d’un point de vue conceptuel, les sheds doivent être alignés sur la trame de la structure portante (alignement parallèlement ou perpendiculairement au rythme des poutres principales par exemple). Cette remarque montre la limite que l’on peut vite atteindre en cas de rénovation simple.

Les ouvertures verticales orientées vers le nord de type sheds apparaissent comme une solution très intéressante si l’on parvient à maîtriser le rayonnement solaire direct en début de matinée.

Le shed est intéressant sur plusieurs aspects. Il présente des avantages et inconvénients résumés dans le tableau suivant :

Avantages Inconvénients
  • Éclairage naturel uniforme et constant sans risque d’éblouissement pour les expositions au nord.
  • Ventilation intensive naturelle possible et efficace en règle générale.
  • Possibilité de combinaison d’une ventilation naturelle avec la fonction de désenfumage (exutoire de fumée sur certain châssis vitrés.
  • Support d’éventuels panneaux solaires photovoltaïques.
  • Récupération de surfaces internes contre les façades (pour le stockage par exemple).
  • Meilleure isolation que les voutes filantes ou les coupoles en général.
  • Une surface de déperdition plus importante.
  • Coûts de mise en œuvre de la toiture plus importants (cependant, partiellement compensés par la réduction des surfaces vitrées en façade).
  •  …

Les lanterneaux

Les lanterneaux étaient et restent les ouvertures zénithales les plus répandues. On peut arriver à des performances énergétiques proches de celles des doubles vitrages plans par l’utilisation de polycarbonates double voire triple couche. Cependant, la surchauffe et l’éblouissement sont les ennemis du lanterneau. Pour limiter le risque d’éblouissement direct et la surchauffe, un vitrage opalin est recommandé. La transmission lumineuse du vitrage est cependant fortement diminuée et la relation avec l’extérieur altérée (plus de possibilités d’analyser la couleur du ciel).
De manière générale, l’ouverture zénithale avec un lanterneau présente des avantages et inconvénients résumés dans le tableau suivant :

Avantages Inconvénients
  • Éclairage naturel intéressant pour toutes les expositions.
  • Ventilation intensive naturelle possible et efficace en règle générale.
  • Possibilité de combinaison d’une ventilation naturelle avec la fonction de désenfumage (exutoire de fumée sur certains châssis vitrés.
  • Récupération de surfaces internes contre façades (pour le stockage par exemple).
  • Une surface de déperdition plus importante.
  • Coûts de mise en œuvre de la toiture plus importants (cependant, partiellement compensés par la réduction des surfaces vitrées en façade).
  • Risque de surchauffe et d’éblouissement direct.

Quantification de l’apport en éclairage naturel

Nous proposons ici, une étude théorique de l’apport en éclairage naturel de plusieurs solutions qui peuvent être envisagées dans un ateliers.
Quantitativement, l’apport en lumière naturelle au travers de différents types de baies vitrées passe par l’appréciation :

  • Du FLJ ou Facteur de Lumière du Jour. Le FLJ permet d’objectiver la qualité de la baie vitrée indépendamment de l’orientation, des conditions climatiques… On peut en tirer des enseignements quant à l’homogénéité de l’éclairage naturel, de la performance de la baie vitrée par rapport à sa taille, sa position dans la façade ou dans la toiture…
  • De l’autonomie en lumière du jour qui donne une idée relativement précise des consommations d’éclairage artificiel comme complément à l’éclairage naturel.

Un FLJ compris entre 3 et 5 % est en général un gage de bonne qualité de la lumière naturelle dans le local considéré. Dans la même optique, une autonomie en lumière naturelle de l’ordre de 50-60 % augure une bonne indépendance vis-à-vis de la lumière artificielle.
La quantification ne peut se réaliser que par l’utilisation d’outils de simulation dynamique en éclairage naturel. Des logiciels comme ECOTECH et DAYSIM.

Hypothèses de modélisation

La modélisation s’effectue en tenant compte de la volumétrie du projet de conception et des hypothèses sur :

  • L’horaire d’occupation : 06h00 à 22h00 ;
  • Le niveau d’éclairement : 300 lux à 0,80 m ;
  • Transmission lumineuse du vitrage : 70 % ;
  • Les coefficients de réflexion des parois internes :
  • Plafond : 40 %
  • Murs : 40 %
  • Dalle : 20 %

Simulation 1 : ouvertures verticales vers le nord en toiture

Caractéristiques propres aux sheds

  • Surface nette éclairante : 99 m²
  • Surface nette éclairante/surface de la pièce : 10 %
  • Réflecteurs du plafond des sheds : 80 %

Facteur lumière du jour

Autonomie lumière du jour – 300 lux – 6h00 à 22h00

Que faut-il retenir ?

Analyse des résultats

FLJ (Facteur de Lumière du jour)*

DA (Autonomie en Lumière du Jour)*

1 < FLJ < 2 %

DA < 20 %

(*)

  • FLJ moyen (Facteur de Lumière du jour) sur l’ensemble de la surface considéré comme bon si 3 % < FLJ > 5 % ;
  • DA moyen (Autonomie en Lumière du Jour) sur l’ensemble de la surface considérée comme acceptable si DA > 50 %.

 Une zone d’ombre au niveau de la façade nord réduit fortement la performance globale du système de « sheds ».

Simulation 2 : Ouvertures verticales vers le nord en toiture + fenêtre verticale en façade

Caractéristiques propres aux sheds

  • Surface nette éclairante : 124 m²
  • Surface nette éclairante/surface de la pièce : 13 %
  • Réflecteurs du plafond des sheds : 80 %

Facteur lumière du jour

Autonomie lumière du jour – 300 lux – 6h00 à 22h00

Que faut-il retenir ?

Analyse des résultats

FLJ (Facteur de Lumière du jour)*

DA (Autonomie en Lumière du Jour)*

2 < FLJ < 3 %

DA < 40 %

(*)

  • LJ moyen (Facteur de Lumière du jour) sur l’ensemble de la surface considéré comme bon si 3 % < FLJ > 5 % ;
  • DA moyen (Autonomie en Lumière du Jour) sur l’ensemble de la surface considérée comme acceptable si DA > 50 %.

Le placement d’un bandeau vitré en façade nord améliore permet de gommer les zones d’ombre. Globalement, le résultat est meilleur. Ceci dit, de manière pratique, tout dépend la hauteur à laquelle se situe ce bandeau, sachant que dans les ateliers toute surface vitrée en façade reste un inconvénient en termes d’exploitation des m² utiles.

Simulation 3 : ouvertures verticales vers le nord en toiture + fenêtre verticale en façade + optimisation

Caractéristiques propres aux sheds

  • Surface nette éclairante : 124 m² ;
  • Surface nette éclairante/surface de la pièce : 13 % ;
  • Réflecteurs du plafond des sheds : 80 % ;
  • Transmission lumineuse du vitrage 80 %.
  • Plafond : 60 %

Facteur lumière du jour

Autonomie lumière du jour – 300 lux – 6h00 à 22h00

Que faut-il retenir ?

Analyse des résultats

FLJ (Facteur de Lumière du jour)*

DA (Autonomie en Lumière du Jour)*

2,5 < FLJ < 5 %

DA < 40 %

(*)

  • LJ moyen (Facteur de Lumière du jour) sur l’ensemble de la surface considéré comme bon si 3 % < FLJ > 5 % ;
  • DA moyen (Autonomie en Lumière du Jour) sur l’ensemble de la surface considérée comme acceptable si DA > 50 %.

Tout en évitant l’éblouissement et les surchauffes, les sheds à vitrages clairs proposent une solution intéressante pour les ateliers. Le confort visuel y est assuré ! Pour autant que le système d’éclairage artificiel soit géré de manière efficace, les consommations électriques peuvent être réduites de manière significative.

Simulation 4 : voute filante – vitrage opalin  (TL 22 %)

Caractéristiques propres aux lanterneaux

  • Surface nette éclairante : 157 m² ;
  • Surface nette éclairante/surface de la pièce : 16,3 % ;
  • Transmission lumineuse du vitrage : 22 %.
  • Plafond : 60 %

Facteur lumière du jour

Autonomie lumière du jour – 300 lux – 6h00 à 22h00

Que faut-il retenir ?

Analyse des résultats

FLJ (Facteur de Lumière du jour)*

DA (Autonomie en Lumière du Jour)*

1 < FLJ < 2 %

DA < 30 %

(*)

  • LJ moyen (Facteur de Lumière du jour) sur l’ensemble de la surface considéré comme bon si 3 % < FLJ > 5 % ;
  • DA moyen (Autonomie en Lumière du Jour) sur l’ensemble de la surface considérée comme acceptable si DA > 50 %.

Ce type de configuration ne donne pas lieu à des résultats encourageants. D’autant plus, qu’avec les lanterneaux, on n’évite pas les éblouissements et les surchauffes d’été. En pratique, les occupants des espaces de travail sont obligés de se protéger par des toiles horizontales. Lorsqu’elles sont fixes, l’effet d’éclairage naturel est perdu. La mise en place d’un système de gestion automatique coûte très cher !

Simulation 5 : voute filante – vitrage opalin  (TL 35 %)

Caractéristiques propres aux lanterneaux

  • Surface nette éclairante : 157 m² ;
  • Surface nette éclairante/surface de la pièce : 16,3 % ;
  • Transmission lumineuse du vitrage : 35 %.
  • Plafond : 60 %

Facteur lumière du jour

Autonomie lumière du jour – 300 lux – 6h00 à 22h00

Que faut-il retenir ?

Analyse des résultats

FLJ (Facteur de Lumière du jour)*

DA (Autonomie en Lumière du Jour)*

2 < FLJ < 3 %

DA < 45 %

(*)

  • LJ moyen (Facteur de Lumière du jour) sur l’ensemble de la surface considéré comme bon si 3 % < FLJ > 5 % .
  • DA moyen (Autonomie en Lumière du Jour) sur l’ensemble de la surface considérée comme acceptable si DA > 50 %.

L’augmentation de la transmission lumineuse améliore la situation, mais amplifie aussi l’inconfort d’éblouissement et l’inconfort thermique en été.

Conclusions

De manière générale, les sheds donnent des résultats très intéressants. D’autant plus que la qualité de la lumière naturelle captée par les sheds est excellente pour les raisons déjà évoquées précédemment, à savoir :

  • la source d’éclairage naturel diffuse est relativement constante et pas éblouissante ;
  • les surchauffes dues aux apports directs sont évitées.

Envisager le placement d’un bandeau vitré en façade nord et une augmentation du coefficient de réflexion du plafond amélioration les performances des sheds ;
L’utilisation des lanterneaux permet d’approcher les critères de FLJ et ALJ envisagés (FLJ compris entre 3 et 5 %, ALJ > 50 %). Cependant, l’éblouissement doit être maîtrisé sachant que le rayonnement solaire direct est limité, mais toujours présent. De plus, les surchauffes potentielles ne seront pas évitées.

Quantification en éclairage artificiel

Partant du principe que le confort lumineux doit être assuré en présence ou pas d’éclairage naturel, un complément d’éclairage artificiel est nécessaire. Normativement, le dimensionnement de l’éclairage artificiel s’effectue sans les apports de lumière naturelle. La démarche énergétique d’un système d’éclairage artificiel réside donc dans sa capacité à moduler la puissance installée en fonction de l’éclairage naturel. En effet, pour autant qu’il n’y ait pas d’éblouissement, meilleure l’autonomie en lumière du jour sera, moins fort sera le poids des consommations d’éclairage artificiel pour donner le complément de confort nécessaire.
Dans le cas de l’atelier considéré, le choix du type d’éclairage artificiel et surtout du type de luminaire, passe par une étude de type Dialux permettant de comparer des luminaires entre eux.

Choix du type de luminaire

Quel type de lampe ?

Dans l’atelier de hauteur inférieure à 7-8 m, deux types de source lumineuse ont été envisagées, à savoir :

Luminaire à lampe aux halogénures métalliques.

Luminaire à tubes fluorescents.

 Quel type de luminaire ?

Luminaire à lampe aux halogénures métalliques.

Luminaire à tubes fluorescents.

Une étude technico-économique peut être réalisée de façon à pouvoir sélectionner la meilleure solution. Il en ressort, que les luminaires à tubes fluorescents sont à préférer. Les principales raisons sont les suivantes :

  • Une grande efficacité énergétique,
  • Un très bon rendu des couleurs,
  • Une durée de vie importante,
  • Un faible coût d’investissement.

De plus, si on les compare aux lampes aux halogénures métalliques, on constate que :

  • Leur faible flux lumineux (4.300 lm pour une lampe de 49 W) les rend moins éblouissantes que les lampes aux halogénures ;
  • De même, elles nécessitent l’installation d’un plus grand nombre de lampes. On obtiendra ainsi une plus grande uniformité d’éclairement qu’avec des lampes à décharge haute pression et une réduction des ombres portées ;
  • Vu le grand nombre de points lumineux, si une lampe est défectueuse, elle ne laissera pas une tache sombre au sol en attendant d’être remplacée ;
  • Elles peuvent être dimées facilement et permettent donc une gestion de commande plus perfectionnée.

Choix du système d’éclairage

En fonction de la géométrie de l’atelier et pour des raisons de modularité, de flexibilité et de rendement, une solution est privilégiée :

  • Une base de 4 rails de ligne lumineuse (utilisé à titre d’exemple dans la modélisation) traversant le hall. Ces rails ont été fixés au-dessus du pont roulant ;
  • Les luminaires sont alors attachés simplement par des verrous quart de tour.

Le câblage spécialement conçu et intégré d’usine dans le rail porteur du luminaire révolutionne la méthode d’installation, la rend variable, nettement plus rapide et plus simple.

Coupe transversale d’un rail précablé et luminaire adapté au rail profilé pour un montage rapide.

  

Source : Zumtobel.

Évaluation du niveau d’éclairage artificiel

Modélisation

La modélisation de l’éclairage artificiel est réalisée pour un niveau d’éclairement souhaité de 300 lux sur base des hypothèses suivantes :

  • Hauteur du plan de travail : 0,80 m
  • Facteur d’entretien : 0,70
  • Facteur de réflexion :
  • Sol : 0,2
  • Mur : 0.5
  • Toit : 0,5
  • Niveau d’éclairement souhaité de 300 lux

 Simulation

  

liste des luminaires
Quantité Désignation (Facteur de maintenance) φ (lm) P (W)
1 60 Tubes fluorescents sur rails lumineux 2 x 49 W T16 8 600 109
Total 516 000 6 540
Puissance installée spécifique : 6,81 W/m² (surface au sol 960 m²)
Puissance installée spécifique : 2,12 W/m²/100 lux (surface au sol 960 m²)

Adaptabilité

La principale caractéristique de ce type d’installation sur rail est de pouvoir accepter tous les luminaires de la gamme et donc on peut alterner différente puissance et dimension de tube.
Il est donc possible d’adapter le nombre et le type de luminaire pour augmenter le niveau d’éclairement souhaité en un point en fonction de l’activité.

Évaluation des consommations d’énergie

L’influence d’une gestion en fonction de la lumière du jour est évaluée, à partir du logiciel LIGHTSWITCH, selon le niveau d’éclairement souhaité et selon le type d’ouverture prévue en toiture.
On considère que l’éclairage est allumé tout les jours de la semaine de 6h00 à 22h00. Le niveau d’éclairement maintenu est de 300 lux sur l’ensemble de l’espace.

Lumière du jour

En conception, l’éclairage est dimensionné sans prendre en compte l’apport de lumière naturelle. Par contre, une gradation automatique commandée en fonction de la lumière du jour permet d’adapter la puissance de l’éclairage en fonction de l’apport de l’éclairage naturel. Un capteur enregistre la quantité de lumière du jour et réduit le flux lumineux de l’éclairage en fonction de leur position par rapport à la fenêtre.

Maintenance control

Les installations d’éclairage doivent être surdimensionnées pour pouvoir remplir les dispositions de la norme EN 12464 en matière d’éclairement minimal à maintenir durant toute l’utilisation. C’est pourquoi on calcule généralement une réserve très large, vu que l’éclairement diminue au fur et à mesure du vieillissement, de l’encrassement des luminaires, de l’encrassement de la pièce et de la durée de vie de la lampe.
Des installations de gestion centralisée permettent de piloter les lampes de manière à maintenir toujours le niveau d’éclairement à la valeur requise. Ainsi seule l’énergie absolument nécessaire est consommée. Des éclairements plus élevés permettent en plus d’optimiser les intervalles de maintenance.

Sans maintenance Control
Un flux lumineux trop élevé et une forte consommation en permanence.

Avec maintenance Control
Un flux lumineux constant et une consommation réduite.
Calculé sur une période de 15 ans, cette fonction permet d’économiser
jusqu’à un tiers des frais d’exploitation des luminaires et en même temps de rallonger sensiblement les intervalles d’entretien.

Le facteur de maintenance considéré pour le dimensionnement de l’éclairage est de 0,70. L’éclairage est donc surdimensionné de 30 %. Le maintien d’un flux constant permet d’économiser de l’ordre de 10 %.

Consommations énergétiques

Suivant les différentes configurations d’éclairage naturel envisagées ci-dessus, les consommations énergétiques de l’éclairage artificiel sont simulées :

Puissance installée : 7 W/m² Consommation annuelle théorique d’éclairage artificiel selon le type de gestion
Gestion en fonction d’un horaire Gestion automatique de la lumière du jour sur bas d’un Heliomètre positionné Gestion automatique de la lumière du jour sur bas d’un Heliomètre positionné + maintient du flux constant
Alt 1 Éclairage zénithal nord – vitrage sélectif 30,0 kWh/m².an 25,0 kWh/m².an 16,7 % 22,7 kWh/m².an 24,3 %
Alt 2 Éclairage zénithal nord + bandeau lumineux en façade nord – vitrage sélectif 30,0 kWh/m².an 22,4 kWh/m².an 25,3 % 20,4 kWh/m².an 32,0 %
Alt 3 Éclairage zénithal nord + bandeau lumineux en façade nord – vitrage clair – parois claires 30,0 kWh/m².an 20,2 kWh/m².an 32,7 % 18,5 kWh/m².an 38,3 %
Alt 4 Éclairage zénithal coupole  – vitrage translucide (TL 22 %) + parois claires 30,0 kWh/m².an 24,3 kWh/m².an 19 % 22,1 kWh/m².an 26,3 %
Alt 5 Éclairage zénithal coupole  – vitrage translucide (TL 35 %) + parois claires 30,0 kWh/m².an 19,6 kWh/m².an 34,7 % 18 kWh/m².an 40 %

 

D’un point de vue consommation énergétique, les alternatives 3 et 5 avec une gestion automatique par rapport à la lumière du jour et un maintien du flux constant sont intéressantes. Cependant, il faut rappeler que d’un point de vue confort visuel (éblouissement) et thermique (surchauffe d’été), l’alternative 3 avec les sheds orientés au nord est celle qui donne les meilleurs résultats.