Caractérisation de l’environnement lumineux extérieur

On entend par modèle de ciel, un calcul analytique et/ou géométrique permettant de définir la distribution spatiale de la lumière naturelle sur la voute céleste, cela en donnant, pour chaque point de cette dernière, une valeur de luminance énergétique en (W/m2·sr) ou lumineuse en

(cd/m2) valable sur toute l'étendue de l'élément et calculée en son centre de gravité. Les paramètres à prendre en compte pour la caractérisation d’un modèle de ciel sont le type

de ciel, la position d’un élément de ciel considéré sur la voûte céleste (repéré par son angle zénithal, par son azimut ou par son altitude) et la position du soleil (repérée par son altitude et son azimut eux-mêmes calculés à partir de la position géographique du lieu d'étude (latitude) et de l'heure à laquelle sera effectué le calcul).[Miguet, 2000] [Chain, 2004]

Vu l’importance du nombre de types de ciels existants et la multitude des conditions météorologiques et afin de faciliter les études d’éclairement, quatre types de ciels standards ont été établis par la commission internationale d’éclairage (CIE). Chacun d’eux est caractérisé par la manière selon laquelle la luminance se réparti dans la voute céleste ; cette variation de la répartition fluctue en fonction de la latitude, de l’altitude, de la saison et de l’heure. [Miguet, 2000] [Chain, 2004]

26 Ils sont classés par ordre de complexité comme suit : Le ciel uniforme : c’est le modèle le plus simple ; il correspond à un ciel couvert d’une couche épaisse de nuages laiteux ou à une atmosphère pleine de poussières ou le soleil n’est pas visible : sa luminance est indépendante des paramètres géométriques et elle est constante en tout point du ciel à un moment donné. Le deuxième est le ciel couvert CIE ; c’est un modèle établi par la Commission Internationale de l’éclairage (CIE) ; il correspond à un ciel de nuages clairs cachant le soleil : sa luminance varie en fonction de la position de chaque point par rapport à la voûte céleste. Le troisième est le ciel clair (sans soleil) ; c’est un modèle qui simule la composante diffuse de l’éclairement d’un ciel serein qui émet un rayonnement diffus dépendant de la variation de la position du soleil et qui exclut le rayonnement solaire direct : sa luminance varie en fonction des paramètres géométriques et de la position du soleil. Le quatrième et dernier modèle est le ciel clair (avec soleil) ; Il correspond à un ciel serein ou le soleil brille, c’est le plus compliqué d’entre eux car il prend en compte le rayonnement global6

alors que les trois modèles précédents ne font intervenir que la composante diffuse de rayonnement solaire ; il offre la possibilité d’étudier les jeux d’ombres et de lumière ainsi que les risques d’éblouissement dus à la pénétration du soleil dans un bâtiment

III.3.1. Modèle de ciel de Moon & Spencer

Au milieu des années 1950, une grande variété de modèles de ciel est apparue ; parmi eux, il y a celui présenté par Moon & Spencer en 1942 et adopté par la CIE en 1955 : ces deux auteurs présentent un ciel parfaitement couvert défini par une couverture nuageuse épaisse et uniformément répartie sur toute la voûte céleste qui diffuse entièrement le rayonnement direct (diffusion par les nuages essentiellement, astre solaire invisible). Elle traduit des conditions atmosphériques plutôt défavorables, qui correspondent relativement bien à un ciel très sombre et couvert de nuages denses. Sa luminance, indépendante de l’azimut, est uniquement fonction de l'altitude de l'élément de ciel; cette distribution conduit à une luminance zénithale triple de celle de l'horizon. [Miguet, 2000] [Darula, 2002]

III.3.2. Modèle de ciel de Richard Kittler

Proposé en 1967 et adopté par la CIE en 1973, le modèle de ciel de Richard Kittler était développé à base des quinze types de ciel proposé par la commission internationale de l’éclairage CIE. Cela permettait d’utiliser ce modèle pour la caractérisation l’environnement lumineux extérieur pour différents climats dans des localités arbitraires.

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27 III.3.3. Modèles de ciel de Nakamura et Igawa

Il y a d’autres modèles de ciel dit intermédiaires qui ont été développés à partir des années 1980. L’un d’entre eux est celui proposé par Nakamura en 1985 dans lequel les conditions du ciel ont été classées en trois groupes (couvert, clair et intermédiaire) pour définir la répartition de la luminance. Plus tard, Norio Igawa a proposé en 1997 une vingtaine de modèles de distribution de luminance obtenue par une méthode statistique pour combler le déficit de la distribution de la luminance du ciel relative aux cas extrêmes. [Kittler, 2001]

Ces modèles présentent quelques inconvénients dont le principal est qu’ils ont été développés uniquement pour des types de ciel bien limités. Pour cela, une nouvelle génération de modèles nommée "tout temps" a été introduite vers la fin des années 1980 et début 1990 reprenant les diverses catégories de ciel. Cette nouvelle génération avait comme but la prise en compte du paramètre de la variation continuelle de la quantité de lumière dans la voute céleste. [Miguet, 2000]

III.3.4. Modèle de ciel de Michel Perraudeau

Parmi les modèles représentatifs de cette nouvelle génération de modèles de ciel (tout temps), il y a celui proposé par Michel Perraudeau établi à partir d'une batterie de mesures réalisées au CSTB à Nantes : ce modèle classe les ciels en cinq types comprenant deux modèles similaires aux ciels couvert CIE et ciel serein CIE avec trois ciels intermédiaires. Dans le modèle de Perraudeau, la luminance n'est pas déduite par la luminance zénithale mais par l'éclairement diffus horizontal et elle dépend de l’angle correspondant à l’altitude du point du ciel, l’altitude solaire et la distance entre le soleil et le point du ciel. [Vartiainen, 2000]

III.3.5. Modèle de ciel de Richard Pérez

Après avoir réalisé une première proposition appelée "Perez-ASRC" basée sur une interpolation des modèles spécifiques aux ciels sans nuages, couvert et intermédiaire, Richard Perez établi un second modèle nommé "le modèle tout temps de Perez" ne tenant plus compte des modèles précédents et construit empiriquement à partir de trois millions de points de mesures pour des conditions d’ensoleillement variées sur le site de Berkeley en Californie. [Chain, 2004]. Ce nouveau modèle a l’avantage de pouvoir simuler n’importe quel type de ciel à partir de deux coefficients, le premier est ε servant à traduire le degré de pureté du ciel et ∆ représentant la luminosité ou encore l’opacité par rapport à l’épaisseur des nuages présents dans le ciel. [Miguet, 2000]

28 Remarque :

Il existe plusieurs autres modèles de ciel que nous n’avons pas mentionnés comme à titre d’exemple :pour le ciel couvert, les modèles de Harrison et Coombes, de Brunger et Hooper ; pour les ciels intermédiaires, les modèles de Tregenza, de Pierpoint, de Littlefair. Cela est dû par l’absence de travaux de recherches les concernant.

IV.4. Evaluation de la lumière de jour