Novembre 2012 : Olivier.
Novembre 2012 : 1er passage de mise en page [liens internes, tdm, en bref !, rapide passage général sur la mise en page de la feuille] – Sylvie
27-02-2013 : mise à jour Didier D. et Olivier

Autonomie en lumière du jour

Le DA (Daylight Autonomy) est défini comme étant le pourcentage des heures occupées par an, où le niveau minimum d’éclairement requis peut être assuré par la seule lumière naturelle. Un objectif raisonnable est d’arriver à un temps d’utilisation de l’éclairage naturel d’au moins 50-60 % (pour un horaire de 8h00 à 18h00).

Une autonomie en lumière du jour de 60 % pour un lieu de travail occupé en semaine de 8 h à 18 h. et un éclairement minimum de 500 lux implique que l’occupant est en principe capable de travailler 60 % de l’année uniquement avec de l’éclairage naturel.

En première approximation, ceci entraîne un facteur de lumière du jour de 2,5 (exigence de 300 lux) à 4 % (exigence de 500 lux) dans les locaux de vie, et de 1,5 % dans les circulations et sanitaires (exigence de 100 lux).

Deux types d’autonomie en éclairage naturel doivent être distingués : l’autonomie statique et l’autonomie dynamique.
L’autonomie statique est basée sur l’évaluation du facteur de lumière du jour au point considéré et tient donc compte des conditions de ciel couvert. Elle ne considère ni le ciel clair ni intermédiaire, pas plus que les protections solaires.
Au contraire, l’autonomie dynamique en éclairage naturel est basée sur la prédiction de l’éclairement au point considéré, à chaque pas de temps (horaire ou inférieure) pour l’année entière. L’éclairement est donc prédit à partir d’un fichier météo.

Une majeur partie du contenu de cette page provient du rapport « Energy audit et inspection procedures » réalisé lors de la sous-tâche C de la tâche 50 de l’AIE (Agence Internationale de l’Énergie). Pour plus d’information, le rapport complet des méthodes d’audit et procédure d’inspection peut être téléchargé ici en français.

Autonomie diffuse en éclairage naturel

Cette métrique traduit le facteur lumière du jour en une estimation du pourcentage de temps durant lequel le niveau d’éclairement requis sera atteint grâce à la lumière naturelle. L’autonomie diffuse en éclairage naturel est basée sur des données météo horaires.
Un des avantages de cette métrique est qu’elle permet d’estimer les consommations annuelles d’éclairage électrique. Par exemple, si l’autonomie diffuse moyenne est de 64 %, le pourcentage de temps durant lequel les lampes seront allumées peut être estimé à 36%, des heures d’occupation.
Le DDA est hautement dépendant de l’orientation du local et de la localisation du bâtiment (la latitude est un facteur majeur). Comme elle est basée sur le niveau d’éclairement requis, l’autonomie diffuse en éclairage naturel est également liée à la fonction du local.
Cette métrique ne prend pas en compte la contribution du soleil. Cependant, comme beaucoup d’études ont montré que l’utilisation d’une protection solaire est assez imprévisible, il semble acceptable de compter sur l’éclairement diffus pour estimer avec un taux de confiance raisonnable, la contribution de l’éclairage naturel à l’éclairement intérieur. De plus, dans beaucoup de cas, quand le soleil frappe la façade, des systèmes d’ombrage appropriés sont déployés de manière à bloquer la pénétration du rayonnement solaire direct sans obscurcir la pièce et donc sans résulter en un allumage des lampes.

Autonomie dynamique en éclairage naturel

L’autonomie dynamique en éclairage naturel est basée sur la prédiction de l’éclairement au point considéré, à chaque pas de temps (horaire ou inférieure) pour l’année entière. L’éclairement est donc prédit à partir d’un fichier météo.
La notion d’autonomie dynamique en éclairage naturel est complétée par des modèles qui prédisent, pour chaque pas de temps, le statut du système de contrôle des protections solaires. Cette notion est appelée autonomie dynamique « effective » en éclairage naturel.
L’utilisation de l’autonomie dynamique est récente. Par conséquent, les valeurs cibles définies par les auteurs doivent être étudiée en profondeur est adaptées de manière à considérer le climat du site.
Par exemple, les critères de Rogers définissent que :

  • les espaces qui atteignent une autonomie dynamique comprise 40% et 60% sur plus de 60% de leur surface obtiennent un crédit de base ;
  • les espaces qui atteignent une autonomie dynamique comprise 60% et 80% sur plus de 60% de leur surface obtiennent un crédit additionnel ;
  • les espaces qui atteignent une autonomie dynamique de plus de 80% sur plus de 60% de leur surface obtiennent deux crédits additionnels.

Une autre cible peut être d’atteindre la moitié de l’autonomie d’un point extérieur non ombré, ayant le même profil d’occupation que le bâtiment étudié, pour la même localisation (Critère de Reinhart & Walkenhorst). Un espace est donc considéré comme éclairé naturellement s’il reçoit suffisamment de lumière naturelle durant au moins la moitié du temps durant laquelle le point extérieur obtient assez de lumière.
L’autonomie dynamique en éclairage naturel est basée sur le climat, elle est donc supposée être une des métriques les plus précises pour évaluer la disponibilité d’éclairage naturel dans un bâtiment. Cependant le calcul de cette valeur à plusieurs limites :

  • Le résultat obtenu pour une année entière est agrégé en une simple valeur, les informations temporelles sur l’évolution de la disponibilité de la lumière naturelle sont perdues. Toutefois, une manière de bénéficier de toute la puissance des métriques dynamiques basées sur le climat est de les représenter par des graphiques de type « carte temporelle » :

    Exemple de carte temporelle. ( Source: J. Mardaljevic)

  • La simulation est supposée modéliser le comportement humain de gestion des stores, ce qui implique une grande incertitude des résultats. Les simulations horaires sont cependant conformes à la réalité si le local est équipé de gestion automatique des protections solaires.
  • Les objectifs sont dépendants du climat, de l’occupation et du type de bâtiment et devraient être fixés pour chaque pays. Toutefois, cette métrique est intéressante pour faire des comparaisons entre diverses options de design.

Autonomie dynamique continue

L’autonomie dynamique continue est une métrique dérivée de l’autonomie dynamique. Cette métrique met en évidence la contribution bénéfique de la lumière naturelle, même à bas niveau. Elle modélise en quelque sorte l’autonomie qu’on obtiendrait dans un local équipé d’un système de gradation de l’éclairage électrique.
Comme pour l’autonomie dynamique, il n’existe actuellement pas de valeurs cibles. Ces valeurs devraient en principe dépendre du climat, de l’occupation et du type de bâtiment et devrait probablement être définies par pays.
Cependant, comparer la valeur de l’autonomie continue devrait permettre aux concepteurs de choisir parmi différentes options de configuration.

Autonomie dynamique maximale

L’autonomie maximale en éclairage naturel est définie comme le pourcentage d’heures d’occupations durant lesquelles du soleil direct entre dans le bâtiment ou que des niveaux excessif d’éclairage naturel sont atteints.
Le niveau maximum est fixé en fonction des objectifs établis pour le calcul de l’autonomie dynamique. Il vaut 10 fois cette valeur (c’est-à-dire que si l’objectif d’éclairement pour l’autonomie dynamique est de 300 lux, le niveau maximum acceptable sera de 3 000 lux). Cette manière de fixer la valeur maximum est la faiblesse de cette métrique car elle est intuitive, plutôt que basée sur des résultats expérimentaux.
Cependant, l’usage de l’autonomie maximale de manière à évaluer des situations critiques, quand trop de lumière naturelle pénètre dans le bâtiment, donne une première idée de l’endroit du local où de tels problèmes pourraient apparaître.

Autonomie dynamique spatiale

De manière à évaluer la qualité d’un espace éclairé naturellement, l’Illuminating Engineering Society (IES) a défini l’autonomie spatiale en éclairage naturel sDA. Cette métrique décrit la possibilité qu’un local profite de suffisamment de lumière naturelle, sur base d’une année.
L’autonomie spatiale en éclairage naturel est définie comme le pourcentage de la surface de travail qui atteint un niveau d’éclairement naturel minimum, pour une fraction donnée des heures d’utilisation du bâtiment, pour une année, c.-à-d., qui rencontre une certaine autonomie en éclairage naturel.
Les seuils recommandés sont 300 lux et 50 % des heures d’opération, de 8h00 à 18h00 (heure locale en tenant compte du changement d’heure d’été) et le sDA est donné en pourcents. Ainsi l’autonomie spatiale est calculée comme ceci :

sDA (300 lx, 50 %) =  (surface analysée avec un éclairement ≥ 300lx pour au moins 50% des heures d’utilisation) / (surface totale d’analyse) * 100

Selon IES, les valeurs cibles pour l’autonomie spatiale sont :

  • sDA (300 lx, 50 %) ≥ 55 % : valeur suffisante d’éclairage naturel ;
  • sDA (300 lx, 50 %) ≥ 75 % : valeur préférée d’éclairage naturel.

L’autonomie spatiale en éclairage naturel s’appuie sur des calculs basés sur des données climatiques. Elle tient donc en compte la contribution du ciel et du soleil ainsi que les systèmes d’ombrage dynamiques. Cependant, le sDA ne fournit aucune information sur un éventuel inconfort visuel. Celui-ci pourrait être évalué par le calcul de l’éblouissement annuel.

Useful Daylight Illuminance

L’UDI (Useful Daylight Illuminance) est le pourcentage des heures occupées par an où l’éclairement assuré par la seule lumière naturelle est compris entre 500 lx et 2 500 lx.
Cette valeur intègre le manque en lumière naturelle, mais également le risque de niveau d’éclairement trop élevé qui peut être associé à un inconfort des occupants et des apports solaires trop élevés
À la place de fixer une valeur cible d’éclairement, l’UDI mesure la fréquence, sur un an, d’une gamme de niveaux d’éclairement atteints.
Quatre catégories sont définies.

  • un « UDI trop faible » caractérise un éclairement naturel insuffisant de moins de 100 lx ;
  • un « UDI supplémentaire » caractérise éclairement naturel entre 100 et 500 lux généralement suffisant mais qui peut être complété par de la lumière électrique ;
  • un « UDI autonome » caractérise un éclairement naturel entre 500 et 2 000  à 2 500 lux permettant d’être autonome vis-à-vis de l’éclairage électrique ;
  • un « UDI excédent » caractérise un éclairement naturel plus élevé que 2 000  à 2 500 lux entrainant un inconfort.

Ces limites peuvent être discutées en fonction de l’activité réalisée dans le local et de l’occupation. Ainsi, une autre considération est de définir les heures de l’année qui doivent être prises en compte.
Ce nombre peut être défini par les heures d’occupation du bâtiment ou par les heures d’éclairement naturel durant l’année.
Il n’existe actuellement pas de cible définie qui permettrait de certifier que si l’UDI est atteint sur une certaine superficie du local, le local est bien éclairé. En effet, les objectifs dépendent fortement du climat, de l’orientation, de l’application (travail sur pc, sur papier, dessin, …).
Cependant, l’UDI reste une métrique utile permettant de mettre en évidence les zones sur-éclairées (pour lesquelles un ombrage serait nécessaire) et sous-éclairées et permettant de comparer différentes configurations d’un bâtiment.

Lien avec l’éclairage artificiel : les courbes CIE

Plus le facteur de lumière du jour et l’autonomie en lumière du jour sont élevés, plus le temps d’utilisation des locaux avec la lumière naturelle est élevé, limitant ainsi la consommation d’éclairage artificiel.

Ainsi les courbes CIE donnent une indication de la disponibilité d’éclairement extérieur diffus uniquement selon la latitude ; l’orientation et le rayonnement direct ne sont toutefois pas pris en compte.

La figure suivante présente ces courbes liant latitude et éclairement extérieur  :

Pourcentage d’heures entre 9h00 et 17h00 où le niveau d’éclairement est disponible ou dépassé. (source : CIE – Commission Internationale de l’Éclairage).

Par exemple, pour un bâtiment de bureau situé à Uccle (50,8° Latitude Nord), dont l’éclairement total doit valoir 500 lux. Supposons qu’on mesure un facteur de lumière du jour de 6 % en un point. La valeur d’éclairement extérieur nécessaire pour atteindre 500 lux vaut donc 8 333 lux (= 500/0.06).

Si on trace une ligne horizontale à 8 333 lux, celle-ci rencontre la ligne verticale correspondant à la latitude au point A. Ce point est situé sur une courbe (non dessinée) qui correspond environ à 73 %.

Ce qui veut dire qu’un point du local ayant un facteur de lumière du jour de 6 % disposera de 500 lux pendant 73 % du temps de travail, en moyenne sur l’année.

Notons que cet abaque est relativement pessimiste puisqu’elle ne tient compte que d’un ciel couvert. On peut dire qu’elle convient assez bien pour des ouvertures orientées au Nord. Elle n’est pas très satisfaisante… mais l’analyse détaillée (dynamique) requiert des outils bien plus avancés qui restent pour l’instant au niveau de la recherche !