Définitions d’ambiance

Éclairer un espace est l’acte de distribuer la lumière sur des surfaces, élaborer l’éclairage

est le fait de maitriser l’utilisation de la lumière naturelle et artificielle afin d’éclairer cet espace. Les aspects relatifs à l’éclairage (naturel ou artificiel) sont classés en deux catégories distinctes mais complémentaires, les aspects quantitatifs et qualitatifs de la lumière (Belakehal, 2006).

III. Eclairage naturel : III.1. Définition :

D’une manière générale, l'éclairage naturel est défini comme étant « l'utilisation de la

lumière du jour pour éclairer les tâches à accomplir » (W, C, BROWN et K, RUBERG., 1988). Techniquement, l’éclairage naturel global comprend à la fois l’éclairage produit par le

soleil, la voûte céleste et les surfaces environnantes.²

1

DIRAHOUI, Mohamed Adlene.« Caractérisation de la qualité de l’environnement lumineux à l’intérieur des ateliers d’architecture à l’EPAU» [En ligne]. Mémoire de magister, Alger : EPAU, février 2015, p2.

2

MATALLAH, Zineb. « Etude des effets de l’orientation sur le confort visuel dans les salles de cours » [En ligne]. Mémoire de magister. Ville et architecture au Sahara. Biskra : Université Khider Mohamed de Biskra, 2016, p7.

10

Les notions d’éclairage naturel

Chapitre 01

III.2. Sources de l’éclairage naturel :

La source est l’origine de quelque chose. Physiquement, une source est « un convertisseur qui transforme une énergie en un rayonnement »³. Comme nous le savons, l’homme est

exposé à une grande variété de sources d’énergie naturelles. Pour cela, il est indispensable de

les classer car comme il existe des « sources lumineuses nocturnes », qui émettent un rayonnement électromagnétique durant la nuit tel que la lune et les étoiles. Il existe également

des « sources lumineuses diurnes » (Figure1.1) qui émettent un rayonnement

électromagnétique pendant la journée et sont à l’origine de la vision dite « photopique ».

Ainsi, nous avons classé les sources de la lumière diurne en deux catégories : les sources directes et les sources indirectes.

III.2.1. Sources lumineuses diurnes directes :

Parmi les sources lumineuses diurnes directes, nous distinguons une source primaire qui est le soleil et une source secondaire représentée par la voûte céleste.

III.2.1.1. Source primaire :

La « source primaire » est une source de lumière qui produit la lumière qu’elle émet. Elle est visible et isolée de toute autre source lumineuse. ⁴ Le soleil est une source primaire de la lumière naturelle diurne et il est à l’origine du rayonnement visible direct (Figure 1.2) appelé « lumière solaire ». Quant à cette dernière, elle est définie par J. BELL et W. BURT comme étant « la partie de l’irradiation solaire qui atteint la surface terrestre sous forme de rayons parallèles et qui résulte d’une atténuation sélective par l’atmosphère »5

.

3

« Les sources primaires et les sources secondaires de la lumière » dans Encyclopédie ENCARTA sur CDROM, Paris : Encyclopédie Ecarta.2004.

4 Ibid. 5

BENHARKAT, Sarah. « Sunlight problems within new primary school classrooms in Constantine »[En ligne]. Thèse de Doctorat. Architecture bioclimatique. Constantine: Université Mentouri, Avril 2001, p10.

Figure 2.1 : Sources lumineuses diurnes. Source : A. BELAKHAL et K. TABET AOUL, 2003.

11

Cette composante de la lumière naturelle est prépondérante sous un ciel clair et dispense un flux considérable qui s'avère facile à capter et à diriger. En plus, sa disponibilité est

épisodique et dépend de l'orientation des ouvertures et du type du climat lumineux. D’autre

part, la lumière solaire qui est une lumière directive donne des ombres propres et portées très contrastées qui peuvent être souvent gênantes pour l’exécution d’une tâche visuelle pointue.

III.2.1.2. Sources secondaires :

Une « source secondaire » est une source de lumière qui n’est visible que lorsqu’elle est

éclairée par une source primaire⁶, telle la voûte céleste qui est éclairée par le rayonnement solaire dont une partie (environ 25%), qui est absorbée et réémise par l'atmosphère, constitue ce que les spécialistes appellent la lumière diffuse du ciel. L’avantage de cette dernière est

qu’elle est disponible dans toutes les directions, suscite peu d'éblouissement et ne provoque pas de surchauffe. Elle crée peu d'ombres et de très faibles contrastes mais elle peut être considérée comme insuffisante dans de nombreux cas notamment sous les conditions du ciel couvert en hiver.

III.2.2. Sources lumineuses diurnes indirectes :

Les corps environnants sont perceptibles par l’œil et n’émettent en gamme du visible que

s’ils sont portés à une température élevée, ou bien s’ils réfléchissent, diffractent ou bien

diffusent les rayonnements visibles qui les éclairent. Tous les corps opaques excepté les corps noirs, interceptent le rayonnement solaire et le réfléchissent mais la quantité de la lumière réfléchie, dépend du facteur de réflexion de la surface, c'est-à-dire de son albédo. Quant à la couleur de la lumière réémise, elle correspond à la couleur de l’objet (si l’objet est éclairé en

lumière blanche). ⁷

6

Encyclopédie Ecarta.2004. Op. cit. 7

MATALLAH, Zineb. Op.cit., p10.

Figure 2.2 : Rayonnement visible direct. Source : A. DE HERDE & al.

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Les notions d’éclairage naturel

Chapitre 01

III.3. Type d’éclairage naturel :

Le type d’éclairage naturel est défini par la position des prises de jour qui le procure et qui

peuvent être placées soit en façade (éclairage latéral), soit en toiture (éclairage zénithal), soit les deux à la fois.

III.3.1. Eclairage zénithal :

Un éclairage zénithal signifie littéralement « la lumière qui vient du haut » par référence à la lumière du soleil. Dans une habitation ou un lieu de travail l’éclairage zénithal apporte à la

fois un grand confort en terme de luminosité mais aussi tous les bienfaits de la lumière naturelle.

D’après C.TERRIER et B.VANDEVYVER⁸, le recours à l’éclairage zénithal est

indispensable pour les constructions dont la hauteur sous plafond est supérieure à 4,50 mètres. Quant aux locaux de hauteur intermédiaire, de 3 mètres à 4,50 mètres, le choix dépend

d’autres caractéristiques à l’image de la profondeur, la largeur et la forme du bâtiment. Si la profondeur du bâtiment par exemple est importante par rapport à la hauteur du local,

l’éclairage zénithal sera indispensable afin d’assurer une distribution uniforme des

éclairements intérieurs.

III.3.1.1. Dispositifs d’éclairage zénithal direct :  Les tabatières (ou Skylights) :

La tabatière c’est le système le plus performant car il donne un éclairage suffisant et plus uniforme. Cette surface horizontale et donc sera plus exposée au ciel à partir de l’intérieur

sans obstructions ce qui donne une forte luminance des baies (Figure 2.3). Donc les valeurs du facteur de lumière du jour (FLJ) seront élevées surtout sur la zone qui se situe directement

sous la baie et qui diminue chaque fois que l’on s’éloigne de cette zone.

L’inclinaison des vitrages vers le Nord ou vers le Sud et/ou l’emploie de vitrage diffusant, sont parmi les solutions proposé par les concepteurs afin de résoudre le problème

d’éblouissement, ainsi que le problème de surchauffe, mais cela fait perdre le bienfait

psychologiques (contacte interne-externe).⁹ Pour des raisons d’uniformité de l’éclairage, l’espacement des tabatières doit être égal à la hauteur sous plafond du local, comme la montre

la Figure 2.4.

8

BENHARKAT, Sarah. Op.cit.,p12.

9

BOUDOUKHA, Ayoub. « Analyse de la Symbiose environnement lumineux et qualité architecturale dans le secteur résidentiel. Cas de la cité des 426 lots El Eulma, Sétif »[En ligne].Mémoire de magistère. Architecture, Formes, Ambiances et développement durable. Biskra : Université Mohamed KHIDER de Biskra, 2015, p23.

13

 Les dômes :

Économiques, les dômes ne nécessitent pas de structure lourde et ils permettent d’atteindre l’objectif en termes de facteur de lumière du jour direct avec une surface d’environ 10 %

d’indice de vitrage. Cependant, ils n’évitent pas la pénétration solaire et, en conséquence, l’éblouissement. Pour empêcher l’éblouissement des occupants, les dômes ne doivent pas être

dans un angle de 30 ° au-dessus de l’horizontale (Figure 2.5). ¹⁰

 Les verrières :

L’architecture moderne utilise abondamment les verrières, notamment pour les halls

d’accueil et les grandes surfaces. Elles peuvent être horizontales ou inclinées et sont

économiques à la construction. Elles sont recommandées particulièrement dans le cas de

présence d’obstacles extérieurs élevés qui gêneraient éventuellement l’éclairage naturel

intérieur.¹¹

10

BENHARKAT, Sarah. Op.cit., p16. 11

Ibid., p16.

Figure 2.4 : Critères d’uniformité pour les tabatières. Source : I. PASINI et al, 2002.

Figure 2.3 : Les tabatières (Skylights) Source : www.lacompagnieduciel.com

Figure 2.5 : Dispositifs d’éclairage zénithal direct. Source : C. TERRIER et B. VA NDEVYVER, 1999.

Figure 2.6 : Eclairage zénithal par les sheds. Source : www.mysti2d.net.

14

Les notions d’éclairage naturel

Chapitre 01

III.3.1.2. Systèmes d’éclairage zénithal indirect :  Les toitures en dents de scie (ou sheds) :

Sont aujourd’hui largement utilisés dans les constructions scolaires. Les sheds sont

composés d’une surface translucide applée « ouverture » qui collecte la lumière naturelle pour

la transmettre à l’intérieur du local, et d’une surface opaque inclinée appelée « rampant » qui distribue la lumière du jour à l’intérieur de la pièce. (Figure 2.6).

Les sheds sont largement utilisés à présent dans les constructions scolaires. Ce système

constitue la meilleure solution pour l’éclairage naturel en procurant de la lumière

indirectement car il permet de concilier un éclairage suffisant, homogène et une limitation des

apports solaires en jouant sur l’orientation et l’inclinaison du vitrage.

 Les lanterneaux :

Les lanterneaux sont constitués de surélévations de la toiture totalement ou partiellement translucides. Ils peuvent se présenter sous différentes formes (Figure 2.7) tels que : le lanterneau symétrique vertical, le lanterneau asymétrique, le lanterneau symétrique

incliné…etc.

L’avantage de ce type de système d’éclairage naturel indirect c’est qu’il supprime l’effet

directionnel de la lumière du jour que nous rencontrons avec les sheds, grâce à la pénétration de la lumière selon deux (bi exposition des vitrages) ou plusieurs directions à la fois.

 Les puits de jour :

Le patio, la cour, l’atrium sont quelques types de lumière du jour qui sont considérées comme la meilleure solution d’éclairage et de ventilation des espaces. Ces espaces généralement n’ont pas une liaison directe avec l’extérieur ou qui sont profonds ce qui

nécessite une optimisation ou une amélioration du niveau d’éclairement ce qui permet d’apporter une meilleure distribution homogène de la lumière naturelle (Figure 2.8).

a. Lanterneau symétrique incliné b. Lanterneau symétrique c. Lanterneau symétrique vertical Figure 2.7 : Types de lanterneaux.

15

Pour leurs dimensionnements, les spécialistes recommandent que la hauteur du puits de lumière ne soit pas supérieure à la double largeur du puits et le ratio optimal est égal à 1.¹²

L’inconvenant de ce type d’éclairage est que la quantité de lumière naturelle diminue chaque fois que l’on s’éloigne de l’ouverture.

 Conduits de lumière ou « Light pipes » :

Les conduites de lumière sont utilisées pour transporter et distribuer de la lumière naturelle sans transmission de chaleur dans des pièces sombres éloignées des ouvertures traditionnelles tout en réduisant au minimum la perte de lumière (Figure 1.9). Ils sont considérés le système d’éclairage naturel le plus sophistiqué à cause des longues distances sur lesquelles ils peuvent opérer.

Un puits de lumière fait référence à une référence à une ouverture zénithale qui permet de

laisser passer la lumière du jour tandis qu’un conduit de lumière (souvent appelé à tort puits de lumière) fait référence à :

1. Collecteur/concentrateur, connu sous le nom d ’ « héliostat ».

2. Un système de transport dont les surfaces internes ont une grande réflectivité. 3. Un émetteur.¹³

III.3.2. Eclairage latéral :

C’est le type d’éclairage le plus utilisé et le plus ancien et qui répond à trois besoins

fondamentaux : la lumière, la vue et la ventilation. Une intégration des dispositifs de protection solaire est souvent mise en place afin de réduire l’éblouissement grâce à la

pénétration du flux lumineux indirecte.

12

BOUDOUKHA, Ayoub. Op.cit., p25. 13

fr.Wikipédia.org.

Figure 2.9 : Les composants d’un conduit de lumière. Source : www.pinimg.com

Figure 2.8 : Puits de Jour. Source : arpc167.epfl.ch

Source : CIBSE, 1987.

1

2

16

Les notions d’éclairage naturel

Chapitre 01

III.3.2.1. Types d’éclairage latéral :  Eclairage unilatéral :

Il s’agit d’un éclairage fourni par une ou plusieurs ouvertures verticales disposées sur une même façade d’une orientation donnée. Cette disposition permet de réaliser des effets de relief et des harmonies de contrastes. L’inconvénient que présente ce type de système

d’éclairage naturel est la possibilité d’ombres gênantes, dues aux allèges par exemple, surtout si les parois du local sont sombres. Mais le défaut majeur est que l’éclairage intérieur résultant est très peu uniforme, car il est fortement influencé par la profondeur du local.(Figure 2.10).

 Eclairage bilatéral :

Pour l’éclairage bilatéral, les ouvertures se situent dans deux parois qu’elles soient

parallèles ou perpendiculaires mais qui se trouvent dans la même pièce. Ce type d’éclairage

est plus connu dans les établissements scolaires spécialement dans les salles de classe où il est

nécessaire de fournir au niveau du plan de travail un bon niveau d’éclairage avec une bonne uniformité et moins de contraste et donc moins d’éblouissement.(Figure 2.11).

IV. Paramètres influant l’éclairage naturel :

Deux catégories de paramètres viennent influencer la nature de la lumière naturelle ;

Paramètres relatifs à l’environnement et des paramètres relatifs au bâtiment.

IV.1. Paramètres relatifs à l’environnement :

Englobent les paramètres relatifs à la relation entre le soleil et la terre, les différentes conditions du ciel et de l’environnement extérieur du bâti.

Les principales conditions spatio-temporelles pouvant influer sur l’éclairage naturel d’un bâtiment. La latitude, la saison, l’heure, les types de ciel et le site.14

14

DIRAHOUI, Mohamed Adlene. Op.cit., p13. Figure 2.10 : Exemple d’éclairage unilatéral.

Source : BOUDOUKHA Ayoub, 2015.

Figure 2.11 : Exemple d’éclairage bilatéral. Source : BOUDOUKHA Ayoub, 2015.

17

 La latitude :

Coordonnée géographique qui exprime la position d’un point donné sur terre par une

valeur angulaire, détermine l’inclinaison des rayons du soleil ou la surface étalée sous un rayon de lumière. (Balez, 2004).

 La saison :

La course du soleil est changeante suivant le moment de l’année, l’éloignement du soleil

par rapport à la terre et l’angle d’incidence sont les principaux changements apportés par ce paramètre. Les effets apportés en termes d’éclairage naturel sont la durée d’éclairage qui peut grandement varier, par exemple entre le solstice d’été et celui d’hiver, la journée peut durer de

8 h 30 jusqu’à 15 h 30 (Figure 2.13). (Paule, 2003).

 L’heure :

Par ciel clair avec le soleil, la répartition lumineuse varie fortement d'une heure à l'autre et d'un point à l'autre du local. La lumière disponible augmente jusqu'à la mi-journée, puis

diminue. D’après les résultats obtenus du travail de BOUDOUKHA Ayoub, pour la journée

du 15 décembre, par exemple, les valeurs d'éclairement obtenues à 9h, sont comprises entre 2 600 lux près de la fenêtre et 400 lux au fond du local ; tandis qu'à 13h, l'éclairement vaut 11 000 lux sur plus de la moitié du local et 1 600 lux au fond.

Le rayonnement solaire direct induit une tache de lumière qui évolue, au cours de la journée, depuis le mur Ouest du local vers le mur Est (Figure 2.14).¹⁵

15

BOUDOUKHA, Ayoub. Op. cit., p13.

Figure 2.12 : L’éclairement sur trois différentes latitudes Source : Balez, 2004.

18

Les notions d’éclairage naturel

Chapitre 01

 Les types de ciels :

Face à la multitude de conditions météorologiques existantes, trois types de ciels ont été établis pour les études d’éclairement (Figure 2.15).

 Ciel clair avec soleil.

 Ciel partiellement couvert.

 Ciel couvert.

La principale variable selon les types de ciels est la quantité de nuages existants, plus le

ciel est clair, plus le niveau d’éclairement augmente, ainsi, les valeurs mesurées près d’une fenêtre peuvent tripler d’un ciel couvert à un ciel clair¹⁶.

 Le site :

Plusieurs éléments relatifs à l’environnementd’un bâtiment viennent influencer le niveau

de lumière disponible, la topographie, la végétation, la nature de surfaces, le bâti avoisinant...

Autant de paramètres qui peuvent fluctuer significativement la lumière d’un espace (Reiter, De Herde, 2004).

16

DIRAHOUI, Mohamed Adlene. Op.cit., p15.

Figure 2.14 : L’incidence de la lumière naturelle selon la position du soleil (De Herde, 2004). Figure 2.13 : Schéma représentant la course

du soleil en hiver et en été

Source : énergie conscious design ecda.co.uk.

Figure 2.15 : Les différents types de ciels Source : Suzel BALEZ, 2007.

19

IV.2. Paramètres relatifs au bâtiment :

Les paramètres relatifs au bâtiment sont liés aux ouvertures et au local lui-même.

 Les ouvertures (dimensions/orientations) :

Les ouvertures constituent l’élément déterminant pour la quantité de lumière reçue par le

bâtiment, la prise du jour par la toiture fournit un niveau d’éclairement plus abondant qu’une

prise du jour latérale par exemple (Magri, 2006).

L’orientation des ouvertures influe aussi sur les gros écarts existants de rayonnement solaire sur les façades (Givoni, 1978), les ouvertures orientées sud bénéficient d’un

éclairement plus important que celles orientées nord par exemple.

La dimension des ouvertures détermine aussi la quantité de lumière pénétrant un local, où

l’éclairement au fond de l’espace peut tripler rien qu’en doublant la surface de l’ouverture

(Reiter, De Herde, 2004).

La forme des ouvertures influe aussi sur la distribution de l’illumination même si son apport sur l’éclairage reste à relativiser, l’emplacement des ouvertures permet aussi des

fluctuations de l’éclairement où plus l’ouverture est élevée, mieux le fond du local est éclairé.¹⁷

 Le local (dimension, profondeur, couleur) :

Les dimensions du local comme la hauteur et la profondeur peuvent affecter le niveau

d’éclairement. Le type du vitrage influe sur la transmission lumineuse où elle est de 90 % sur un simple vitrage, et de 81 % sur un double vitrage (Magri, 2006). Les dispositifs de protection régulent la quantité de lumière où ils sont carrément un obstacle à l’ensoleillement,

les dispositifs externes sont plus efficaces que les internes.¹⁸

V. Les grandeurs photométriques :

Il existe deux catégories d'unités de mesure pour déterminer les différentes caractéristiques de la lumière : radiométriques et photométriques. Les grandeurs radiométriques ou énergétiques permettent de décrire les caractéristiques physiques des radiations (longueur d'onde, vitesse, fréquence...). Les grandeurs photométriques (flux lumineux, éclairement, luminance...) sont utilisées pour déterminer les caractéristiques des rayonnements lumineux en relation avec la sensation visuelle qu'ils provoquent.

17

DIRAHOUI .Mohamed Adlene, op.cit., p16. 18

20

Les notions d’éclairage naturel

Chapitre 01

Les principales unités utilisées pour mesurer la lumière sont le lux - unité de mesure de l'éclairement - et la candela - unité d'intensité lumineuse d'une source.¹⁹

V.1. Le flux lumineux (Φ) :

Le flux lumineux Φ d’une source est l’évaluation, selon la sensibilité de l’œil, de la

quantité de lumière rayonnée dans tout l’espace de cette source. Il s’exprime en lumen (lm). ²⁰

V.2. Intensité lumineuse (I) :

L’intensité lumineuse est définie comme étant le quotient entre le flux lumineux

élémentaire quittant une source lumineuse et l’angle solide élémentaire dans lequel il se propage. Elle est utilisée pour les calculs d’éclairement ponctuel, représentée par un vecteur

en vue de sa dépendance de la direction d’émission et exprimée en candela. La candela (cd) est l’intensité lumineuse, dans une direction donnée, d’une source qui émet un rayonnement

monochromatique de fréquence 540.10 Hz et dont l’intensité énergétique est de 1/683 W.sr-1

.

L’instrument utilisé pour sa mesure est les récepteurs photométriques. ²¹

V.3. L’efficacité lumineuse (η) :

(Ou rendement lumineux) η d’une source est le quotient de son flux lumineux Φ par sa puissance P. Elle s’exprime en lm/W.

Avec η = Φ/P (lm/W).

V.4. L’éclairement(E) :

L'éclairement (E) se réfère à la quantité de lumière reçue par une surface ou la densité du flux lumineux tombant sur une surface. L'unité de l'éclairement est le lux (lx) : il définit

19

FLORU, R. « Eclairage et vision »[En ligne]. Rapport de recherche Notes scientifiques et techniques de

l’INRS NS 149, (INRS), Decembre 1996, p9-10. 20

Ibid., p10. 21

DAICHE, Ahmed Motie. « Vers un outil d’aide à l’optimisation de l’éclairage naturel dans le processus de conception architecturale »[En ligne]. Mémoire de magister, Batna, Institut de Génie civil hydraulique et Architecture Département d’architecture, P28-29.

Source lumineuses Efficacité lumineuse (lm/W) Rayonnement solaire direct 52 à 97

Ciel couvert 110 à 140 Ciel clair (sans soleil) 125 à 155 Ciel clair avec soleil 105 à 115

Tableau 2.1 : efficacité lumineuse dans des conditions différentes (Source : Reiter, De Herde, 2004).

21

l'éclairement d'une surface d'un m²recevant un flux lumineux d'un lumen (lm) : 1 lux = 1 lm.nr².²²

V.5. Laluminance (L) :

La luminance (L) d’une source est le rapport entre l’intensité lumineuse émise dans une

direction et la surface apparente de la source lumineuse dans la direction considérée.la

luminance est la seule grandeur photométrique réellement perçue par l’œil humain.

V.6. Facteur de lumière du jour :

Vu la variation importante de la qualité de la lumière naturelle pendant la journée, un rapport de proportionnalité entre l’éclairement extérieur et celui disponible à l’intérieur d’un

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