Base de connaissances

Lumière naturelle

Lumière naturelle : les grandeurs physiques (partie 2)

 

Que faut-il comprendre lorsqu’on dit que l’éclairement d’un local ou d’un poste de travail doit être de 300 lux, ou bien qu’une source lumineuse a un flux de 1000 lumen ? Que signifie un facteur de lumière du jour > 5% ? Ou une efficacité lumineuse de 50 lm/W ?

 

On peut rapidement noter que, des grandeurs physiques liées au rayonnement électromagnétique, on passe à des notions pratiques ou normatives dans lesquelles ces grandeurs sont inclues. Il faut donc quelques bases pour être en mesure d’en apprécier les applications.

Il est apparu, au cours du début du XIXe siècle, que les grandeurs physiques habituellement associées aux rayonnements (la puissance, l’énergie, la fréquence etc.) traduiraient difficilement l’impact du rayonnement lumineux sur le ressenti par l’être humain, et en particulier pour parler de l’éclairage.

L’intérêt pratique des mesures des rayonnements optiques pour l’éclairage émergea dès le début du XIXème siècle. Ces mesures sont regroupées sous la dénomination de « photométrie ». Très rapidement est apparu l’utilité d’avoir un étalon de « lumière » et de définir des unités photométriques. L’unité d’intensité lumineuse est choisie comme unité de base.

Le lien entre les grandeurs physiques et « physiologiques » (grandeur liée à la sensation visuelle) est indiqué par l’intensité lumineuse, dans une direction donnée, d’une source émettant un rayonnement monochromatique de fréquence 540.1012 hertz (soit 540 THz), et dont l’intensité énergétique dans cette direction est 1/683 watt par stéradian.

Cela a aussi permis de déterminer une constante d’efficacité maximale de l’observateur, qui assure la correspondance entre ces deux grandeurs pour une radiation monochromatique à la longueur d’onde de 555 nm (ou de fréquence 540·THz).

 

La photométrie

 

La photométrie consiste à mesurer le rayonnement lumineux et ses effets tels qu’ils sont perçus par l’œil humain. 

 

La relation entre grandeurs physiologiques et physiques est compliquée car l’œil présente une sensibilité qui varie avec la fréquence et l’intensité. L’impression sensorielle de la lumière, tout en respectant les lois de l’optique géométrique, est intéressante pour apprécier l’impact d’une longueur d’onde ou d’une plage de longueurs d’ondes déterminée.

Les caractéristiques énergétiques de la lumière sont transmises à l’œil qui devient alors l’appareil de mesure. Ses réponses ne sont ni linéaires, ni uniformes. Elles dépendent :

  • d’une part, de l’énergie émise par la source lumineuse
  • et, d’autre part, des longueurs d’onde qui la composent.

Les grandeurs photométriques sont adaptées à la sensibilité spectrale de l'œil humain. Pour les concevoir, il faut considérer un « œil de référence ». Celui-ci est défini par la Commission Internationale de l'Eclairage (CIE) en tenant compte de la sensibilité spectrale de l’œil humain qui est de de 1 ou 100% à la longueur d’onde de 550 nm.

C’est notamment en 1924 que la CIE a défini une courbe d’efficacité lumineuse pour décrire la vision diurne d’un observateur moyen. Cette courbe a été obtenue après une série de mesures sur un grand nombre d’individus afin de pouvoir effectuer des mesures photométriques avec des références communes pour représenter l’œil humain.

 

Par conséquent, les unités photométriques physiologiques ont été incorporées dans le système international d’unités. Il existe 4 grandeurs photométriques fondamentales :

  • L’intensité lumineuse (candela), qui est une des 7 unités du système international mais qui peut être utilisée seule dans l’éclairage, à part pour des luminaires très directifs (voir plutôt la luminance ci-dessous qui reprend cette grandeur) ;
  • Le flux lumineux (lumen), qui est notamment utilisé pour exprimer le flux total émis par une source lumineuse ;
  • L’éclairement (lux), qui est notamment utilisé pour exprimer la quantité de lumière souhaitée sur une surface dans une pièce ;
  • La luminance (candela/m²), qui précise les conditions de gêne ou d'inconfort et qui est la seule de ces quatre grandeurs à être directement ressenti par l’être humain.

 

> L’intensité lumineuse (candela) est le flux lumineux émis par une source lumineuse ponctuelle dans une direction donnée dont l'unité de l'intensité est la candela (symbole cd). Cette unité est utilisée pour quantifier la quantité de lumière fournie par une source directive. Elle ne dépend pas de la distance d’observation (une bougie a une intensité lumineuse de 1 Cd, une lampe à incandescence de 55 Cd).

Une source n’émet pas forcément de la lumière d’une façon égale dans toutes les directions. Il est donc utile de connaître le flux rayonné dans chaque direction.

 

> Le flux lumineux (lumen) est la mesure du flux total émis par une source de lumière.

C’est donc la « somme de l’ensemble des intensités lumineuses » ; et correspond donc à l’émission de flux lumineux dans toutes les directions depuis la source. Dans la pratique, cette unité est utilisée pour quantifier la quantité de lumière fournie par une source ou un luminaire de manière globale et perçue par l’œil humain.

Par analogie, pour bien illustrer cette grandeur, on pourrait comparer le flux lumineux à un arroseur automatique. Dans les 2 illustrations ci-dessous on peut constater « visuellement » que la puissance du jet de gauche, et donc la quantité d’eau « émise » dans toutes les directions, est supérieure à celle de droite. Une plus grande quantité d’eau sera distribuée sur la pelouse, et plus loin.

 

Cette grandeur photométrique est utilisée pour caractériser la « puissance lumineuse » émise dans toutes les directions par une source. Cette grandeur est en particulier utile dans le choix d’éclairage artificiel. En effet comme vue dans la 1ère partie dédiée aux grandeurs physiques, notamment sur la température de couleur, il y a un lien entre la température (dans le cas de l’éclairage à incandescence) et l’émission d’un rayonnement lumineux.

Il était considéré qu’1 Watt de puissance permettait d’atteindre une puissance lumineuse de 10 Lumen. Ainsi, une ampoule électrique à incandescence d’une puissance de 150 Watt (cette puissance électrique servait à produire de l’énergie sous forme de chaleur et de dégagement de lumière) avait une puissance lumineuse de 1500 Lumen.

Avec l’arrivée de la luminescence et de l’électroluminescence, pour produire du rayonnement lumineux (LED), cette corrélation n’était plus évidente puisque la lumière n’était pas due au dégagement de chaleur. La mesure de la puissance lumineuse en Lumen permet désormais de comparer les efficacités des différents systèmes. Alimenté faiblement en électricité, un module LED de 15 W peut produire une puissance lumineuse 1500 lm, soit un ratio de 10 pour 1 par rapport à une lampe à incandescence.

A titre de comparaison, sur la surface de la terre éclairée par le soleil à son zénith, la puissance lumineuse de ce dernier est de 308.1012 lm, soit 150 000 ln par m² de surface éclairée.

 

> Le terme d’efficacité lumineuse, dans un contexte de transition énergétique et environnementale, en est venu à désigner le ratio pour indiquer combien de Watt doit être consommé par un système d’éclairage pour produire une puissance lumineuse qui soit acceptable par l’œil humain, et génératrice de confort.

On peut comprendre facilement que l’efficacité lumineuse d’une lampe à incandescence de 150 W pour produire 1500 lm de puissance lumineuse, soit 10 lm/W, sera bien plus mauvaise qu’un module LED de 13W capable de produire 1500 lm de puissance lumineuse soit une efficacité lumineuse 115 ln/W.

 

 

Vu la puissance du soleil, on peut aussi aisément comprendre que favoriser l’éclairage naturel au maximum dans un bâtiment, est non seulement une source de santé et confort, mais aussi une source d’économie d’énergie. A ce titre l’éclairage naturel devrait être considéré comme une énergie renouvelable.

 

> L’éclairement (lux) correspond à l’éclairement d’une surface qui reçoit, perpendiculairement et uniformément répartie, un flux lumineux de 1 lumen par mètre carré.

Dans la pratique, cette grandeur est utilisée pour caractériser une quantité de lumière dans un lieu ou sur une surface. Elle est particulièrement utile pour évaluer la quantité d'éclairage et la luminosité, c’est-à-dire la quantité de lumière perçue par un observateur humain face à un objet qui émet directement de la lumière (source primaire de lumière), ou par l'impression lumineuse ressentie en observant une surface éclairée par une source lumineuse, (source secondaire de lumière) comme la Lune éclairée par le Soleil).

Photo SWAO Groupe CETIH

 

On comprend que la notion d’éclairement est liée à la puissance du flux lumineux, mais aussi à la distance qui sépare la surface éclairée de la source émettrice.

 

Ainsi donc, pour une même puissance lumineuse (c’est-à-dire le flux lumineux en lumen), une source lumineuse donnera un éclairement en lux 4 fois moins important chaque fois qu’on double la distance qui nous sépare de la source. Par exemple si on est situé à 1m d’une source lumineuse, et que le niveau d’éclairement est de 800 lux, il ne sera plus que de 200 lux si on s’éloigne à 2m et de 50 lux si on s’éloigne à 4m, etc.

Exemples et ordres de grandeur par la lumière du soleil :

  • Un ciel clair à midi en été à Paris : l’éclairement horizontal peut dépasser 100 000 lux ;
  • Sous un ciel bien couvert : 5 000 lx ;
  • La lune, quant à elle, par une nuit dégagée de pleine lune, reflète la lumière du soleil sur la terre et le niveau d’éclairement au sol n’est que de 0.25 lux.

Pour reprendre l’analogie avec l’arrosage, la quantité d’eau et la « force » reçue au point 1, ne sera pas la même qu’au point 2 (cf image ci-dessous) :

 

Par rapport à l’éclairage artificiel dans le bâtiment, les normes considèrent que, sur un esapce de travail dans un bureau l’éclairement doit être de 500 lux ; il est de 800 lux dans une grande surface.

Nos yeux peuvent s’accommoder à des niveaux d’éclairement très variables : de 100 000 lux pour une journée de soleil estivale, à moins de 1 lux pour une nuit de pleine lune. Un couloir ou un escalier reçoit généralement 100 lux, la salle de bains et les WC sont à 200 lux, les pièces à vivre vont de 100 à 400 lux, et les espaces de travail, de 200 à 800 lux.

 

> La luminance (candela/m²)

Une candela par mètre carré correspond à la luminance d’une source dont l’intensité lumineuse est 1 candela, et l’aire 1 mètre carré.

La luminance ne dépend pas de la distance d’observation. Elle caractérise l’aspect lumineux d’une surface éclairée ou d’une source dans une direction précise. Une source lumineuse primaire ou secondaire (surface réfléchissante), émet vers l’œil des rayons lumineux. La somme de ces rayons lumineux forme l’image de la source de lumière sur la rétine. La luminance d’une surface dépend du flux lumineux reçu, du degré de réflexion de cette surface et de la direction d’observation par rapport à la source lumineuse éclairant cette surface. La luminance dépend des propriétés de la surface notamment du matériau, de l’état de surface et de la température. Plusieurs matériaux ayant des surfaces réfléchissantes rugueuses, comme le plâtre, le carton etc., apparaissent avec la même luminosité dans toutes les directions

Cette grandeur est la seule perceptible par l’homme et est très utilisée pour mesurer l'éblouissement, c’est-à-dire la difficulté à voir en présence de lumière intense, telle que l'exposition directe ou indirecte à la lumière du soleil. L'angle entre l'observation et la source lumineuse, ainsi que l'adaptation de l’œil à cette luminosité, sont des facteurs pouvant avoir un impact significatif sur le ressenti de cet éblouissement.

 

Au niveau de la mer, par temps clair, la luminance énergétique du soleil est 1,5 × 10cd/m².

Au-delà de la luminance lumineuse maximale qui permet la vision, on ne distingue pas les formes et la sensation est pénible. Une luminance supérieure à 10 000 cd/m2 produit un éblouissement, quelle que soit la surface ; et au-delà de 30 000 cd/m2, il y a risque de lésion rétinienne.

 

La lumière naturelle dans le bâtiment : quelques éléments complémentaires

 

Dans un bâtiment, la lumière naturelle du jour peut être de trois types :

  • Lumière directe : lumière vive et chaude ;
  • Lumière diffuse :  lumière plus douce pouvant éclairer une pièce de manière plus homogène ;
  • Lumière réfléchie : lumière qui éclaire les pièces en profondeur par réflexion de la lumière directe sur différentes surfaces. 2 notions sont à ce sujet importantes à connaitre, la réflexion lumineuse et la transmission lumineuse.

 

> Réflexion lumineuse (interaction matériaux-lumière) :

Lorsque la lumière atteint une nouvelle surface, une partie du rayonnement est absorbée, une autre peut être réfractée (c’est-à-dire subir une modification de l’orientation par le fléchissement du rayonnement à l'interface entre deux milieux différents : nature de la matière, densité, température, etc.), et selon la nature du milieu atteint par le rayonnement, une partie est renvoyée dans le premier milieu, la lumière subissant une réflexion.

Strictement parlant, la réflexion désigne le renvoi des rayons lumineux dans une seule direction. Dans le cas où les rayons lumineux sont « réfléchis » dans plusieurs directions, on parle de diffusion de la lumière.

Au niveau du bâtiment, un facteur de réflexion lumineuse d'une surface a été défini. Il représente la quantité d'énergie lumineuse qu’une surface réfléchit par rapport à celle qu'elle reçoit. Ce facteur de réflexion, se décompose en facteur de réflexion directe du rayonnement dans une seule direction (réflexion spéculaire), et en facteur de réflexion diffuse (renvoi du rayonnement incident dans plusieurs directions).

Plus une surface est lisse et plus la réflexion du rayonnement incident se fera dans une seule direction

 

Ainsi, la nature du matériau « réfléchissant », mais également sa couleur ou son état de surface, auront un impact sur le coefficient de réflexion.

 

Par exemple, de l’aluminium poli a un facteur de réflexion de l’ordre de 0.85 (c’est-à-dire que 85% du rayonnement reçu est réfléchi), alors que pour de l’aluminium mat, ce même coefficient sera d’environ 0.55 (soit 30% de rayonnement réfléchi en moins).

Dans le cas de la lumière naturelle, travailler sur la réflexion et la nature des parois peut contribuer à favoriser une ambiance lumineuse naturelle garantissant le confort des occupants.

 

Une application pratique de la réflexion et diffusion de lumière : les conduits de lumière rigide.

Le principe consiste à relier un dôme à un diffuseur par un tube alu pur et un film métallique d’argent, ou bien par un tube revêtu d’un film réflecteur selon les modèles :

Images Velux

 

> Transmission lumineuse (interaction matériaux-lumière)

Lorsque la lumière visible du soleil est interceptée par une paroi :

  • une partie de la lumière est réfléchie vers l'extérieur ;
  • une partie est absorbée par les matériaux ;
  • une partie est transmise à l'intérieur.

Le pourcentage de lumière transmise est appelé « transmission lumineuse » de la paroi. Ce coefficient de transmission (TL) est le rapport du flux lumineux transmis au flux incident. Il définit la part de lumière visible que traverse un matériau. Cette transmission se décompose en une transmission directionnelle et une transmission diffuse.

Exemple : la transmission lumineuse d'un simple vitrage clair = 0,9

 

La transmission lumineuse concerne principalement des parois transparentes ou translucides, qui vont transmettre la lumière de manière directe ou de manière diffuse.

 

 

> Le Facteur de Lumière du Jour

Le FLJ, ou le Facteur Lumière du Jour, est l’indicateur le plus répandu d’appréciation de la qualité de l’éclairage naturel d’un local. Le FLJ exprime le ratio entre l’éclairement intérieur en un point du plan de référence (en général le plan de travail ou le sol) et l’éclairement extérieur horizontal en site dégagé sous condition de ciel couvert dit CIE. Le FLJ s’exprime en pourcentage.

Dans les conditions de ciel couvert (ciel normalisé par la Commission Internationale de l’Éclairage), les valeurs du facteur de lumière du jour sont indépendantes de l’orientation des baies vitrées, de la saison et de l’heure du jour. Le FLJ traduit les conditions jugées les plus défavorables, puisqu’il rend compte des performances d’un local sous des conditions de ciel couvert.

 

Il permet de déterminer quelques critères clés à l’intérieur d’un local, comme l’impression de clarté, l’impression visuelle, l’ambiance générale. Il permet de donner un sens « objectif » à des expressions de types : sombre, peu éclairé, clair, très clair.

 

La répartition de l’éclairement lumineux à l’intérieur est non seulement influencée de manière déterminante par la taille des ouvertures, mais aussi par leur emplacement. Quand on laisse pénétrer la lumière naturelle d’une hauteur angulaire élevée, l’efficacité de l’éclairage est significativement augmentée.

Dans les pièces éclairées latéralement d’un seul côté, le FLJ décroît à mesure que l’on s’éloigne de la fenêtre. Plus la position de la fenêtre est élevée, plus le FLJ sera accru dans les zones éloignées de la fenêtre et plus l’uniformité de l’éclairement sera augmentée. Les zones proches des fenêtres, mais également les zones les plus éloignées, devraient être éclairées naturellement. Avec des fenêtres latérales sur un seul côté, la répartition du FLJ décroît exponentiellement dans la profondeur de la pièce : il y a trop de lumière naturelle près des fenêtres mais pas assez à partir d’environ 3 m de profondeur. Des systèmes de déviation de la lumière positionnés dans la partie supérieure d’une fenêtre peuvent conduire la lumière dans les zones profondes du local et ainsi augmenter la qualité de l’éclairage naturel.

 

Quelques repères :

  • Les pièces orientées au nord bénéficient toute l’année d’une lumière homogène et du rayonnement solaire diffus. Il est judicieux de placer des ouvertures vers le nord lorsque le local nécessite une lumière homogène, peu variable ou diffuse.
  • Les pièces orientées à l’est profitent du soleil le matin mais le rayonnement solaire est alors difficile à maîtriser car les rayons sont bas sur l’horizon. L’exposition solaire y est faible en hiver, cependant en été, l’orientation présente une exposition solaire supérieure à l’orientation sud.
  • Une orientation ouest assure une insolation directe en soirée. Il est très intéressant d’orienter à l’ouest les locaux où l’on souhaite un éclairage doux et chaleureux. Toutefois, il y a un risque réel d’éblouissement et les gains solaires ont tendance à induire des surchauffes. En effet, les vitrages tournés vers l’ouest apportent des gains solaires l’après-midi et en soirée.
  • Une orientation sud entraîne un éclairement important. De plus, les pièces orientées au sud bénéficient d’une lumière plus facile à contrôler et d’un ensoleillement maximal en hiver, car le soleil bas (environ 17°) pénètre profondément dans la pièce. En été, la hauteur solaire est plus élevée (60°) et la pénétration du soleil est donc moins profonde. Enfin, contrairement à ce que l’on pourrait penser, les apports solaires l’été sur une surface verticale (et donc les risques de surchauffes) sont nettement inférieurs au sud qu’à l’est ou à l’ouest ou le soleil levant, ou couchant est plus bas dans le ciel.
Retrouvez toutes nos ressources en lien avec le thème : #Lumière naturelle,
Article suivant
Norme EN 17037