Les méthodes et outils qui concernent l’éclairage naturel

Une règle du pouce fondamentale est l’orientation du vitrage par rapport au rayonnement solaire. L’orientation optimale se situe francs sud/nord, puisque ces points cardinaux sont plus faciles à contrôler, d’autant plus que le sud profite d’un ciel dont la luminosité varie, ce qui diversifie les ambiances dans la journée (±30°C). Cette orientation est donc à privilégier pour ces raisons :

 le sud est facile à occulter vu l’altitude solaire élevée (vrai pour l’hémisphère nord);  le nord possède une lumière constante qui n’est pas nécessaire d’occulter;

 l’est et l’ouest offrent une lumière variable, de faible altitude, avec un angle d’incidence proche de la normale au vitrage (où des plans verticaux occultent plus efficacement). Neufert (2002) appuie aussi une orientation franche, qui s’adapte selon les fonctions d’un bâtiment résidentiel (figure 82).

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Figure 82 - L’orientation (Reproduit et sous réserve de l’auteur : Neufert, 2002)

Une autre règle du pouce est la profondeur d’une pièce par rapport à la hauteur de sa fenestration. La profondeur de la pièce éclairée naturellement et latéralement devrait être entre 1.5 et 2.5 fois plus grande que la hauteur de la fenêtre (jusqu’à 2.5 fois dans le cas où une tablette réfléchissante est installée), selon le guide des Travaux publics et Services gouvernementaux Canada (2002). Enfin, il faut savoir que dans ce cas, l’orientation et l’occultation ont aussi un impact majeur sur la qualité de l’éclairage naturel, tel que le montre la figure 83. Aux endroits bénéficiant de l’ensoleillement direct, les fenêtres devraient être occultées, jusqu’à concurrence de 10 %, afin de prévenir l’éblouissement (Robertson et Athienitis, 2010).

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Figure 83 - Rendus de couleurs réelles et de fausses couleurs de la situation au sud, au nord et au sud avec occultation solaire, à 12h, selon la fonction Luminance Image (cd/m2_{) du logiciel}

Radiance sous la surface d’Ecotect (Émilie Bouffard, 2012)

La règle du pouce suivante concerne le facteur de réflexion des matériaux d’une pièce qui, selon l’IESNA, devrait être de 80% pour les plafonds, 50-70% pour les murs, 20-40% pour les planchers et 25-45% pour les meubles. Il existe également quelques règles à suivre concernant les niveaux d’éclairement. L’éclairement est le quotient du flux tombant uniformément sur une surface par l’aire de cette surface et se mesure en lux (Roulet, 1987). Les éclairements idéaux en fonction des types d’activités sont les suivants (IESNA; Lechner, 2001) :

 Espaces publics, environnements sombres : 20 à 50 lux  Espaces pour visites courtes et temporaires : 50 à 100 lux

 Espaces de travail, tâches temporaires et occasionnelles : 100 à 200 lux  Tâche visuelle de haut contraste ou de grande dimension : 200 à 500 lux  Tâche visuelle de contraste moyen ou de moyenne dimension : 500 à 1 000 lux

Nord 12h Sud 12h

81  Tâche visuelle de faible contraste et de petite dimension prolongée sur une longue

période de temps : 1 000 à 2 000 lux

 Tâche visuelle avec faible contraste et de très petite dimension prolongée sur une longue période de temps : 2 000 à 5 000 lux

 Tâche visuelle astreignante prolongée sur une longue période de temps : 5 000 à 10 000 lux

 Tâche visuelle de nature très spéciale et de petite dimension : 10 000 à 20 000 lux Une autre façon d’analyser l’éclairage naturel, avec plus de précision, est d’utiliser le facteur lumière du jour (FLJ), qui représente un rapport d’éclairements. Bien que l’annexe 4 présente une liste détaillée des FLJ selon différentes tâches, voici les principales règles à retenir (Trezenga et Loe, 1988) :

 FLJ insuffisant < 1%

 FLJ minimum = 2% (à atteindre au centre d’une pièce), comme par exemple LEED® qui exige un minimum de 2% dans 75% des pièces occupées pour des tâches nécessitant de l’éclairage

 FLJ avec une autonomie en éclairage suffisante < 5%

 FLJ avec des risques d’éblouissement et de surchauffe > 10%

Enfin, une autre règle du pouce concerne les rapports de luminance. La luminance est le rapport de l’intensité émise dans une direction à la surface apparente de l’élément vu de cette direction. Elle se mesure en cd/m2 (Roulet, 1987). Afin d’éviter l’éblouissement, les rapports de luminance à respecter sont généralement les suivants (IESNA) :

 Tâche et alentours immédiats, cône de 60° = 3 :1  Tâche et alentours généraux = 5 :1

 Tâche de alentours éloignés, cône de 120° = 10 :1  Pièce entière = 20 :1

Des outils graphiques sont également disponibles pour la conception, comme celui présenté par la figure 84. Il s’agit, en l’occurrence, de projections stéréographiques et orthographiques utiles pour identifier les angles solaires, les périodes de l’année et les heures dans la journée où le rayonnement est propice à la surchauffe, etc. Les projections stéréographiques et orthographiques peuvent se traduire en plan et en coupe pour analyser les rayons solaires critiques et donc être utiles à l’architecte lorsqu’il effectue une première

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idéation ou encore, esquisse des propositions. Quant à la projection orthographique, elle représente la projection du soleil sur un cylindre vertical perpendiculaire au sol, lequel est déployé en deux dimensions. La projection orthographique peut être particulièrement utile à la conception des façades, notamment pour les fenêtres et pour l’occultation solaire (projection parallèle aux façades des bâtiments). Les dates importantes à retenir sont les solstices, les équinoxes, les temps les plus chauds et les temps les plus froids, en vue d’identifier les moments critiques du point de vue de l’éblouissement, de la surchauffe et des pertes thermiques.

Figure 84 - Projection stéréographique et orthographique à 8h00 et midi selon la hauteur solaire α et l’azimut du soleil γ, Québec, Canada, 46,8°, -71,4° (Ecotect selon la fonction Sun-Path Diagram)

83 La projection stéréographique représente la projection du soleil sur un plan horizontal parallèle au sol (figure 85). Les principaux éléments qui composent les projections stéréographiques sont les suivants :

 la hauteur solaire α;  l’azimut du soleil γ;  les dates;

 les heures de l’année.

Figure 85 - Projection stéréographique selon la hauteur solaire α et l’azimut du soleil γ, Québec, Canada, 46,8°, -71,4° (Ecotect selon la fonction Sun-Path Diagram, Stereographic Diagram. Les types de représentations sont les suivants : Stereographic diagram, Spherical projection,

Equidistant projection, BRE Sun-Path Indicator, Orthographic projection, Waldram diagram, Tabular)

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La projection stéréographique peut également servir à analyser l’accès solaire et les périodes d’ombrage d’un point donné, quel que soit le moment de l’année ou la localisation d’un site. La figure 86 montre les périodes d’ombrage d’un point choisi, lequel reçoit 2 heures d’ombrage projeté par les bâtiments adjacents d’un site donné, en été (5h00-6h00), 2 heures à l’équinoxe (13h00-15h00) et 4 heures en hiver (11h30-15h30). La figure 87 montre comment les rayonnements solaires diffus et direct sont représentés en kW.

Figure 86 - Projection stéréographique, Masque d’ombrage, Québec, Canada, 46,8°, -71,4° (Ecotect selon la fonction Sun-Path Diagram)

Figure 87 - Projection stéréographique, Rayonnement solaire, Québec, Canada, 46,8°, -71,4° (Ecotect selon la fonction Sun-Path Diagram)

Ombrage d’hiver et à l’équinoxe

85 La projection stéréographique peut aussi servir à conceptualiser une enveloppe solaire pour maintenir l’ensoleillement sur des sites environnants (Brown et DeKay, 2001, pp. 89-90- 120). La première étape est de choisir le mois où le soleil est le plus bas et le plus haut (ex. 21 décembre et 21 juin) et les heures désirées d’ensoleillement (ex. entre 10h00 et 15h00). La deuxième étape est la détermination des angles solaires critiques, qui deviendront les limites de la géométrie solaire, soit l’enveloppe solaire du site ou du projet. La projection stéréographique peut également servir à analyser les angles critiques d’une occultation solaire. La première étape consiste alors à définir un calendrier d’occultation basé sur les périodes de dépassement de la température d’équilibre thermique du bâtiment (températures extérieures auxquelles les gains internes thermiques du bâtiment équilibrent les pertes thermiques pour maintenir une température intérieure confortable) en fonction du type de bâtiment, soit à faibles gains thermiques (secteur résidentiel) ou à hauts gains internes (secteur institutionnel). Généralement, pour les problèmes d’occultation solaire, la période critique de surchauffe se situe normalement quatre à six semaines après le 21 juin, car le soleil est plus bas et il fait toujours chaud dû à l’inertie terrestre. La deuxième étape consiste à transposer le calendrier d’occultation sur une projection stéréographique du soleil (figure 88). La troisième étape consiste à définir l’angle critique de l’occultation solaire selon la hauteur solaire α et l’azimut du soleil γ. Enfin, il peut s’avérer utile d’utiliser certains outils informatiques courant pour optimiser ou valider les propositions d’occultation solaire. Tel que le montre la figure 89, un outil aussi simple que Google SketchUp permet de valider une proposition d’occultation solaire.

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Figure 88 - Calendrier d’occultation sur une projection stéréographique (Sun, Wind and light, 2001)

87 S’ajoutant aux méthodes et aux outils solaires concernant l’éclairage naturel, l’héliodon demeure un outil toujours utilisé pour visualiser l’ensoleillement et l’ombrage selon une latitude, une date et une heure choisies. L'héliodon est couplé à une source lumineuse qui émet des rayons lumineux parallèles simulant les rayons solaires (à l’aide d’un projecteur à faisceau étroit, par exemple) ou encore du soleil lui-même. La première étape consiste à construire une maquette. La deuxième étape est de choisir la latitude, soit une projection polaire qui représente les angles à l’horizon (figure 90). L’étape suivante consiste à déterminer les moments critiques à simuler en basculant l’héliodon de façon à positionner l’ombre portée à la date et à l’heure voulues. Il existe également des supports qui permettent de positionner l’héliodon d’une manière fixe (figure 91).

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Figure 91 – Droite : Utilisation d’un héliodon à l’extérieur (Émilie Bouffard), Gauche : Positionnement de l’héliodon (Moore, 1985)

En dernier lieu, l’utilisation d’un ciel artificiel permet aussi de simuler la lumière naturelle selon un type de ciel précis; dégagé ou diffus. L’École d’architecture de l’Université Laval a renouvelé son ciel artificiel en 2010, de type boîte-miroir et mesurant 14 m3. Celui-ci permet de simuler un ciel diffus, qui représente une condition critique en éclairage naturel dominant le Québec à raison de 60% du temps (Demers, 2001). La figure 92 présente le ciel artificiel de l’Université Laval depuis l’extérieur et une maquette à petite échelle insérée à l’intérieur. La figure 93 présente deux exemples de simulation avec le ciel artificiel, réalisés par le GRAP pour le pavillon horticole écoresponsable à l’institut de technologie agroalimentaire de Saint-Hyacinthe (ITA). D’autres ciels artificiels existent, notamment celui de l'ÉPFL à Lausanne (http://leso.epfl.ch/cms/site/leso/lang/en/skanningsky) et celui de l'université de Sheffield (http://www.vashonbaker.co.uk/). Les limites des ciels artificiels sont évoquées dans l’article de Matusiak et Arnesen (2005) qui note notamment qu’une des limites est la répartition inégale de la lumière sur les différentes surfaces dans la boîte du ciel artificiel.

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Figure 92 - Gauche : Ciel artificiel de l’École d’architecture de l’Université Laval, Droite : Maquette de l’ITA de Saint-Hyacinthe (GRAP)

Figure 93 - Exemples de tests réalisés avec le ciel artificiel et la maquette de l’ITA de Saint-Hyacinthe (GRAP)