La création d’un moyen de mesure des conditions visuelles fonctionnelles au sein d’une pièce de bâtiment tertiaire fourni par le capteur préalablement présenté montre le double intérêt d’objectiver le ressenti d’inconfort visuel et de produire un signal de retour pour alimenter une boucle de rétro-action. De toute évidence, ce capteur a été conçu en prenant en compte d’une part la perception visuelle humaine (égocentré) et d’autre part l’environnement dans lequel il allait oeuvrer (technocentré).
Ainsi l’environnement de travail présenté ici qui sera régulé en confort visuel, a été conçu et modélisé de façon simultanée avec le capteur. Même si l’on n’exclut pas l’occurrence de cycles itératifs de conception, on note que les différents sous-systèmes mécatroniques (le capteur basé sur la perception et le ressenti visuel humain, les actionneurs lumineux de la salle d’étude, l’environnement matérialisé par les conditions extérieures d’éclairement, et les lois de contrôle en confort visuel) sont les produits d’une conception simultanée dite concourante.
La figure 3.10 illustre la partie présentement étudiée.
Figure 3.10 – Schéma global de la régulation en confort - Environnement et actionneurs L’étude sur les bâtiments tertiaires a dicté quelques hypothèses relatives à la pièce type : − les ouvrants appartiennent à une seule parois de la pièce (façade).
− Les pièces sont rectangulaires avec 10 m de façade, 5 m de profondeur et 2,5 m de plafond. − Les fenêtres sont toutes équipées identiquement de stores vénitiens intérieurs motorisés ainsi que
de 8 plafonniers manuellement pilotés et répartis comme illustré sur la figure 3.11.
La pièce de test, quant à elle, dispose en plus de 2 rampes de 3 lampes halogènes pilotées et placées perpendiculairement aux fenêtres. Cette pièce au 5ème étage d’un bâtiment au centre ville de Toulon dans le Var appartient à la façade Nord. La moitié de la pièce est instrumentée et pilotée tandis que l’autre est laissée libre et apparaît comme une perturbation. Les algorithmes de commande s’attacheront à réguler au mieux le confort visuel dans l’ensemble de la pièce.
Pour favoriser les flux lumineux extérieurs, la modulation des flux entrants est assurée par les stores vénitiens motorisés. Dans un premier temps, nous devons maîtriser l’état mécanique des stores, pour ensuite être en mesure de contrôler leur transmittance optique et donc leur contribution lumineuse afin de piloter l’ensemble des actionneurs pour réguler les conditions visuelles dans la pièce de test.
3.4.1 Modèle du store vénitien
Modèle mécanique
Les stores vénitiens sont composés de lamelles pouvant s’orienter et se remonter. On pilote donc l’angle des lamelles et l’altitude de la barre de leste qui permet d’occulter complètement ou partielle-ment la fenêtre. La chaîne cinématique est composée d’un moteur à courant continu qui entraîne un
Figure 3.11 – Salle de test - Dialux
arbre en rotation sur lequel s’enroulent les cordelettes qui entraînent les lamelles. L’angle des lamelles évolue jusqu’à saturation en même temps que l’altitude de la barre de leste change. L’instrumentation du store est assurée par un codeur incrémental placé sur l’axe relié à l’arbre moteur et un accéléromètre monté en inclinomètre sur la première lamelle. Un modèle comportemental simple qui intègre néan-moins les paramètres moteur et quelques non-linéarités comme le frein électromagnétique, la tension de seuil au démarrage et le jeu dans la transmission a été établi entre la tension de commande du moteur et l’angle des lamelles. La figure 3.12 montre qu’une erreur faible réside entre le modèle mécanique de la chaîne cinématique fournissant l’angle des lamelles et l’angle effectif mesuré. Cette erreur n’est pas cumulative car sur des courses importantes les lamelles arrivent en butée à des angles connus et fixe. Par ailleurs, une incertitude négligeable est présente sur l’altitude de la barre de leste car le codeur mesure presque directement cette grandeur.
Figure 3.12 – Comparaison entre l’angle mesuré des lamelles et celui produit par modélisation L’obtention d’un modèle assez juste et fidèle a son importance au niveau de la commande pour être en mesure de bannir les rayons directs, refléter la lumière sur le plafond, éviter les scintillements
lumineux lors des mouvements (effet de flash), minimiser l’énergie consommée dans l’actionnement, et être le plus discret possible visuellement et acoustiquement.
Une fois le store modélisé mécaniquement, nous pouvons l’envisager comme un actionneur lumineux en étudiant sa transmittance.
Modèle de transmittance du store
La transmittance du store peut s’évaluer comme étant le rapport entre l’éclairement extérieur reçu par le store et l’éclairement intérieur qu’il produit. La transmittance du vitrage est considérée comme constante et est incluse dans la transmittance du store. Le profil faiblement bombé des lamelles et leur espacement permettent d’envisager un modèle de transmittance du store comme étant une fonction de la surface occultée sur la surface apparente (Fig.3.13).
Figure 3.13 – Modèle d’occultation
Calibré à partir du capteur intérieur (caméra grand angle) en comparant des zones de fenêtre sans store et les zones équipées, on retient le modèle de forme sinusoïdale qui relie la transmittance du store à l’angle des lamelles (Fig.3.14).
Eint
Eext = α. cos θ − β avec θ, l’angle des lamelles.
Avec α = 2.037 et β = 1.17, paramètres obtenus par ajustement du modèle tracé sur Fig.3.14. Les sources naturelles diffuses (façade nord) et les essais multiples montrent qu’il n’y a pas d’in-fluence de la position du capteur intérieur sur les mesures de transmittance.
La modélisation du store en qualité d’action optique étant désormais effectuée, nous pouvons nous focaliser sur la contribution de chaque store sur les paramètres lumineux de la pièce considérée.
3.4.2 Contribution des stores sur les paramètres optiques de la pièce
Nous nous attachons ici à étudier deux des quatre critères optiques retenus pour synthétiser le confort visuel, à savoir, l’éclairement moyen et la distribution de l’éclairement caractérisée par la position du barycentre lumineux.
Sachant d’ores et déjà que le rôle des deux stores pilotés de la pièce est de nuancer les apports lumineux et de bannir les rayons directs, nous pouvons considérer leurs éclairements comme diffus et indépendants, ce qui permet de retenir le principe de superposition des éclairements. Une série de tests instrumentés par la caméra intérieure conforte l’idée que l’éclairement moyen de la pièce, Ep, peut être considéré comme une fonction affine des éclairements diffus des stores, Ei, et d’un éclairement d’offset, Eper. Ep= 2 X i=1 ai.Ei+ Eper (3.1)
Avec a1= 0.22, a2 = 0.26, Eper dépendant de la luminance extérieure.
L’expérimentation conforte l’hypothèse de superposition des apports des sources et de leur caractère diffus.
En ce qui concerne le barycentre, nous retenons le modèle classique d’abscisse du barycentre optique identifié expérimentalement comme suit :
Xp= b1.E1+ b2.E2+ X0 (3.2)
Avec b1 = −0.7, b2 = 0.33 et X0 = 369 pixels qui est le décalage par rapport au bord de l’origine de l’image. On note que les contributions des 2 stores pour la position du barycentre lumineux sont différentes du fait de la présence d’un mur blanc sur la gauche de l’image qui renforce l’influence de store No1.
Nous avons établi des modèles qui régissent les comportements du store mécaniquement mais aussi optiquement de façon isolée et au sein de la pièce. Le store vénitien est désormais défini comme un actionneur lumineux qui aura pour mission de bannir les causes d’inconfort visuel et de favoriser les apports lumineux naturels afin de garantir un confort visuel maximal dans la pièce. Cet actionneur, au même titre que les autres sources lumineuses en présence dans la pièce, peut être piloté selon plusieurs objectifs comme le confort permanent, le confort moyen ou encore l’économie d’énergie. Le pilotage de la pièce et des actionneurs qui complète la démarche de conception du système multiphysique mécatronique est abordé dans la partie suivante.