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Mesures et modélisation de l'eclairage naturel à Genève
INEICHEN, Pierre, MOLINEAUX, Benoît
Abstract
Dans le cadre du programme "International Daylight Measurement Programm" (IDMP) de la Commission Internationale de l'Eclairage (CIE), nous avons mis en place une station d'acquisition de données de rayonnement et d'éclairement en ville de Genève. Celle-ci s'inscrit parmi une quarantaine disséminées dans le monde. Dans un premier temps, tous nos instruments ont été soigneusement calibrés et caractérisés, leur précision a été analysée et pour certains d'entre eux, une collaboration avec le fabricant a permis de les améliorer. Nous avons développé une méthode de contrôle de qualité automatique qui permet de valider les mesures enregistrées. Ce type de contrôle est une phase importante pour le développement et les tests de modèles d évaluation, la précision de ceux-ci dépendant directement de la qualité des mesures utilisées pour leur développement. Les résultats en sont une banque de données propre complète et précise, un programme de test des données largement répandu, et des modèles d'évaluation de l'éclairage naturel testés et validés.
INEICHEN, Pierre, MOLINEAUX, Benoît. Mesures et modélisation de l'eclairage naturel à Genève. Genève : 1994
Available at:
http://archive-ouverte.unige.ch/unige:79686
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G R O U P E D E
P H Y S I Q U E
A P P L I Q U E E
E N E R G I E
C E N T R E U N I V E R S I T A I R E D ' E T U D E DES P R O B L E M E S D E L '
MESURES ET MODELISATION DE L'ECLAIRAGE NATUREL
A GENEVE
Pierre INEICHEN et Benoît MOLINEAUX
UNIVERSITE DE GENEVE
SERIE DE PUBLICATIONS DU CUEPE N° 57
G R O U P E D E
P H Y S I Q U E
A P P L I Q U E E
E N E R G I E
Mesures et modélisation de Véclairage naturel à Genève
Pierre Ineichen Benoît Moline aux
Université de Genève
Groupe de Physique Appliquée
158 rte de Florissant - 1231 Conches
Septembre 1994
Mesures et modélisation de Véclairage naturel à Genève
Pierre Ineichen, Benoît Molineaux Groupe de Physique Appliquée 158 rte de Florissant -1231 Conches
Mots Clés
Eclairage naturel, mesures spectrales du rayonnement solaire, campagne internationale de mesure, banque de données, modèles d'évaluation, aérosols, pollution urbaine.
Résumé
Dans le cadre du programme "International Daylight Measurement Programm" (IDMP) de la Commission Internationale de l'Eclairage (CIE), nous avons mis en place une station d'ac- quisition de données de rayonnement et d'éclairement en ville de Genève. Celle-ci s'inscrit parmi une quarantaine disséminées dans le monde.
Dans un premier temps, tous nos instruments ont été soigneusement calibrés et caractérisés, leur précision a été analysée et pour certains d'entre eux, une collaboration avec le fabricant a permis de les améliorer.
Nous avons développé une méthode de contrôle de qualité automatique qui permet de vali- der les mesures enregistrées. Ce type de contrôle est une phase importante pour le dévelop- pement et les tests de modèles d évaluation, la précision de ceux-ci dépendant directement de la qualité des mesures utilisées pour leur développement.
Les résultats en sont une banque de données propre complète et précise, un programme de test des données largement répandu, et des modèles d'évaluation de l'éclairage naturel testés et validés.
Généralités
Le dimensionnement des ouvrants d'un bâtiment lors de la conception ou de la rénovation requièrt des données d'ensoleillement spécifiques à l'éclairage naturel. Jusqu'à présent, ces calculs étaient effectués au moyen de données simplifiées ou d'abaques standards, ces moyens de calculs étant les seuls disponibles.
Les développements récents de programmes de simulation dans le domaine de l'architec- ture font que les besoins en données d'entrée concernant la disponibilité de l'éclairage natu- rel sont devenus de plus en plus importants. En effet, les méthodes de tracé de photons nécessitent une connaissance de la distribution de la luminance de la voûte céleste en plus de l'illuminance directe.
Notre but est de fournir ces données sous forme de banques résultant de mesures effectives et de modèles d'évaluation faisant appel à d'autres données météorologiques connues, mo- dèles validés dans la mesure du possible par les mesures directes effectuées précédemment en Suisse et dans le monde. Ces méthodes d'évaluation devraient permettre une meilleure gestion énergétique du bâtiment par 1 harmonisation du confort visuel et énergétique et par un meilleur recours à l'éclairage naturel. En effet, de façon à diminuer la charge électrique due à l'éclairage artificiel d'un bâtiment, les architectes ont de plus en plus recours à l'éclai- rage naturel sous forme de surfaces vitrées plus importantes, de surfaces réfléchissantes et de puits de lumière.
D'autre part, les aérosols en suspension dans l'atmosphère ont une influence sur la réparti- tion spectrale du rayonnement. La mesure ou l'évaluation de l'efficacité lumineuse du rayon- nement direct (rapport de la part visible du spectre au rayonnement direct) donne des infor- mations concernant l'atmosphère traversée et peut être une bonne source de quantification de la pollution urbaine.
Mesures effectuées et instruments utilisés
La CIE a édité un guide auquel notre laboratoire a activement participé et qui spécifie les différents type de stations de mesure souhaitables dans le cadre du programme IDMP [ii]
Les précisions requises pour chaque senseurs y sont clairement définies.
Nous avons en ville de Genève (latitude 46.2°N, longitude 6.1° W, altitude 400m) une station du type "research class" [i]. Les principales caractéristiques de notre chaîne de mesure sont données dans la Table I.
Type de mesure Instrument fabriquant précision
Rayonnement global CM10 Kipp+Zonen ± 2.0 %
Rayonnement diffus CM10 Kipp+Zonen ± 2.0 %
Rayonnement direct NIP Eppley ± 2.0 %
Illuminances globales 910GV PRC Krochmann ± 3.0 %
Illuminance diffuse LI 1000 LiCor ± 5.0 %
Illuminance directe LI 1000 + tube LiCor ± 5.0 %
Luminance zénithale LI 1000 + tube LiCor ± 5.0 %
Distribution de luminance scanner PRC Krochmann -
Distribution de luminance MS300-LR EKO Instruments -
Distribution de radiance MS300-LR EKO Instruments -
Vitesse du vent WinMaster Mark3 Schiltknecht -
Direction du vent WinMaster Mark3 Schiltknecht -
Température MP100TST-010 Rotronic ± 0.3 °C
Humidité MP100TST-010 Rotronic ± 3%
Table I
Les paramètres de rayonnement et d illuminance sont enregistrés toutes les minutes, alors que les distributions de luminance et radiance de la voûte, la température, l'humidité, la vitesse et la direction du vent toutes les 15 minutes.
Le rayonnement et l'illuminance directs ont été mesurés respectivement au moyen d'un "Nor- mal Incidence Pyrheliometer" (NIP) Eppley et d un photomètre LiCor monté dans un tube de géométrie similaire au NIP et montés sur un suiveur de soleil PRC Krochmann durant un
premier temps, puis sur un suiveur Eppley. Les paramètres diffus ont été mesurés au moyen d'un cache tournant dans un premier temps, puis d'un arceau fixe commun aux deux sen- seurs. Une correction isotrope est appliquée.
Calibration
Avant toute campagne de mesure, il est indispensable de procéder à une calibration précise des senseurs utilisés. Dans certains cas la calibration donnée par le fabriquant peut être fiable; cependant, certains de nos instruments montraient des écarts pouvant atteindre 20%
de la valeur de référence nationale. Pour effectuer ces calibrations, opération qu'il faut si possible répéter ime fois par année, nous possédons des instruments de référence secondai- res que nous envoyons régulièrement à Davos au "World Radiation Center" pour le solari- mètre et à l'Institut Suisse de Métrologie pour le photomètre. La calibration de tous nos senseurs se fait ensuite en conditions réelles, sur le site de mesure en effectuant une acquisi- tion durant une période significative, tous les instruments étant disposés côte à côte dans la même position.
Concernant les températures, nous avons une série de 20 thermomètres au centièmes de degré, couvrant des valeurs de 0°C à 100°C et calibrés à l'Institut Allemand de Métrologie.
La calibration du senseur d'humidité relative est effectuée au moyen de sels saturés.
Dans le cadre de IDMP, chaque laboratoire a effectué les calibrations de ses propres ins- truments relativement à ses références na- tionales. Nous avons également procédé a ime calibration comparative en faisant cir- culer des instruments de référence secon- daires dans les différents laboratoires im- pliqués. L"'Atmospheric Science Research Center" (ASRC) de "State University of New York at Albany" (SUNYA) a fourni deux photomètres, et le Groupe de Physi- que Appliquée (GAP) de Genève un pho- tomètre et un solarimètre. Les résultats ob- tenus lors de ces comparaisons sont très sa- tisfaisants en ce qui concerne la radiomé-
trie; la comparaison avec des instruments du Frauenhofer Institute für Solare Energie Systeme de Freiburg (ISE, Allemagne), de l'Ecole Nationale des Travaux Publiques de Lyon (ENTPE- LASH, France) et de l'ASRC (USA) a montré un écart inférieur à ±1%. En ce qui concerne la photométrie, les écarts sont plus importants. Pour la plupart des senseurs testés (ISE, ENTPE, ASRC, SMHI Suède, DWD Allemagne, IRL New Zeland), l'écart était de moins de ±3%.
Dans les cas où l'écart était plus important, une recalibration de l'instrument contre la réfé- rence nationale a permis de lever l'ambiguïté. La consistance de ces comparaisons permet l'échange des données pour le développement et le test de modèles d'évaluation [i].
Caractérisation
Une bonne connaissance des instruments utilisés est une garantie concernant la précision des mesures effectuées. Dans ce but nous avons fait des mesures de réponse en cosinus, de dépendance en température, d'angle d'ouverture, etc. de nos senseurs.
Figure 1 Monture de calibration des photomètres verticaux
Réponse en cosinus
Pour la mesure de la réponse en cosinus, nous avons utilisé le simulateur de soleil et l'héliodon de l'EPFL de Lausanne [iii]. Il s'agit d'un lampe à arc de 2500W munie d'une lentille de Fresnel et située à 8 mètres d'une table orientable, placée dans un local tapissé de velours noir. Nous avons effectué cette mesure pour différents types d'instru- ments (PRC Krochmann, LiCor, LMT). De façon à éviter les erreurs dues à la fluctua- tion d'intensité de la lampe, une mesure de référence au zénith de l'instrument est effec- tuée entre chaque inclinaison. La Figure 2 représente la dépendance obtenue au moyen du photomètre horizontal PRC Krochmann de la série 910GV. La réponse normalisée est reportée en fonction de l'angle d'incidence [1].
Des mesures similaires ont été effectuées à l'ASRC au moyen d'un banc de test spécia- lement développé pour ce type de caractéri- sation et les résultats obtenus sont reportés sur la Figure 3 [iv]. L'instrument est un PRC 910G et son comportement est très sembla- ble à celui que nous avons testé à Lausanne.
Ecart relatif à la réponse idéale en cosinus
Angle d'incidence [°]
Figure 2 Réponse en cosinus d'un PRC 910GV
Dépendance en cosinus d'un PRC 910G Banc de test ASRC - SUNYA
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0.9S ' ' ' '
-90 -40 -30 0 30 60 90 Angle d'Incidence ("]
Figure 3 Réponse en cosinus d'un PRC 910G
Nous avons également mesuré la dépendance d'un photomètre LMT qui nous a été fourni par l'ENTPE de Lyon, l'ASRC a mesuré un photomètre LiCor; dans tous les cas, 1 ordre de grandeur des écarts et l'aspect général de la courbe sont similaires [i].
Dépendance en température
La dépendance en température des pho- tomètres est un point important, ceux- ci étant généralement constitués d'une cellule photovoltaïque filtrée et dont la réponse est sensible à la température.
Les photomètres PRC Krochmann et LMT sont thermostatisés, contrairement aux cellules LiCor. Nous avons effectué ime mesure de la réponse relative d'une cellule LiCor en fonction de la tempéra- ture de celle-ci en conditions réelles, en chauffant la cellule testée et en isolant la cellule de référence (également LiCor). Les résultats que nous avons ob- tenus confirment les valeurs du fabri- quant ainsi que les valeurs généralement
Dépendance en température d'un LiCor-1000
o%
- 2 %
•è -3%
-4%
•40 w 30 I- 20 S
coef. de température: -0.16% / °C I 1
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*
Ref : Li-1000 # 3775 test : Li-1000 * 3875 Ref : Li-1000 # 3775
test : Li-1000 * 3875 . v . v
5 10 15 Ecart de température [°C]
20
JZ&G sxSKiofsawtoocs&P
3 5 10 15 2
Figure 4 Dépendance en température d'un Li-1000
admises pour ce type de cellules photovoltaïques, c'est-à-dire une perte de sensibilité d'en- viron 0.15% par degré d'augmentation de température. Ces valeurs ont été confirmées par l'ISE de Freiburg et le "Statens Provningsanstalt" (SP) de Suède.
Horizon artificiel
Pour la mesure d'irradiances et d'illuminances globales sur des plans verticaux, il convient d'éliminer les ré- flexions par le sol par l'utili- sation d'un horizon artifi- ciel. Il s'agit généralement d'une bande peinte en noir mat et située au niveau du centre des cellules de mesu- res, et dont l'éloignement à celles-ci est suffisamment grand par rapport à la sur- face sensible des cellules de mesure.
Dans le cas des photomètres PRC Krochmann 910GV, la base des photomètres com-
porte un anneau d'aluminium anodisé naturel dont l'influence n'est pas négligeable sur les mesures. Nous avons relevé une diminution des valeurs mesurées de l'ordre de 10% sur une période de six mois par l'ajout d'un nid d'abeille peint en noir mat (1cm d'épaisseur, 5mm de maille) sur l'anneau anodisé [i]. Cet effet n'avait pas été pris en compte par le frabicant.
Scanner PRC Krochmann et EKO Instruments
Lors de la première phase de notre programme d'acquisition, nous avons utilisé un scanner PRC Krochmann [v]. Malheureusement, cet instrument n'était alors qu'un prototype, et nous avons eu de nombreux problèmes que nous avons pu résoudre avec l'aide du fabricant.
Dans la cadre de IDMP, 13 des 15 stations de recherche utilisent soit un scanner PRC Kroch- mann fabriqué en Allemagne, soit un scanner EKO Instruments fabriqué au Japon [vi]. Il nous a paru opportun de trouver un financement afin de pouvoir effectuer des mesures simultanées avec ces deux instruments. En effet, les mesures de la luminance de la voûte céleste sont délicates et il est important de savoir si elles dépendent de l'instrument utilisé pour leur acquisition.
Nous avons étudié les principales caractéristiques de ces instruments.
Electronique de mesure
L'électronique de mesure du PRC Krochmann était trop lente par rapport à la vitesse de mesure dans les différentes directions [1]. Il en résultait une "rémanence" qui influençait la mesure suivante. L'étage d'amplification fut changé et la vitesse de balayage légèrement
allongée. Quant à la stabilité et la reproductibilité de l'électronique, elle est excellente : ±0.1%
d'écart maximum lors de 150 mesures consécutives dans la même direction.
L'électronique du EKO est moins stable que celle de l'instrument allemand, mais néanmoins suffisante pour les mesures que l'on effectue. La stabilité sur 150 mesures dans la même direction est de l'ordre de ±1%.
Calibration
De façon à pouvoir comparer les mesures des deux instruments, il nous a fallu vérifier leur constante de calibration. Pour cela, nous avons comparé l'illuminance diffuse horizontale avec la somme des luminances sur l'hémisphère pour des distances au soleil > 6°:
0 TT n ^
D.
= — - Y l
(i)-sin(Ä.)vA nb ~ v
où h{ représente l'angle entre le point de mesure et le plan horizontal, nb le nombre de points considérés, LJi) la luminance dans la direction considérée et 2k l'angle solide de l'hémis- phère. Pour la comparaison des mesures effectuées avec le PRC Krochmann, nous avons utilisé une valeur instantanée de Dvh, alors que pour le EKO, nous avons utilisé une moyenne de D .sur les 3 minutes de mesure de celui-ci. vh
La Figure 6 montre l'écart entre les mesures d'illuminance diffuse et l'intégrale de la lumi- nance pour les deux instruments, et pour différentes valeurs de la clarté E et de la luminosité A du ciel:
8 va croissant des ciels entièrement couverts vers les ciels très clairs, et A des ciels sombres vers les ciels lumineux. Le graphe en haut à gauche représente donc des valeurs par temps très nuageux. On constate sur ces figures que par temps couvert (£<1.9, c'est-à-dire sans rayonnement circumsolaire qui peut avoir une influence importante sur Dvh) l'écart entre l'illuminance diffuse et l'intégrale est de +1% pour le PRC et -16% pour le EKO. N ayant pas la possibilité d'étalonner les senseurs de luminance, nous supposerons pour le reste de cette
«
étude que la valeur de l illuminance diffuse (mesurée au moyen d'un cache tournant durant la période testée ici) est correct et corrigerons la constante du EKO de 16%.
Optique
La caractérisation de l'optique a également fait l'objet d'une inves- tigation [1]. D'après les recomman- dations du "Guide" [ii], l'angle d'ouverture du scanner devait être de ±5°. Nous avons pu constater que ce n'était pas exactement le cas.
Pour effectuer ce genre de mesure, nous avons utilisé deux méthodes:
le simulateur et l'héliodon de l'EPFL, et une source lumineuse halogène de 1° d'ouverture. Dans les deux cas nous avons obtenus les mêmes résultats.
Pour la première période de mesure, un mauvais alignement et un mauvais choix dans les différents éléments de l'optique du PRC Krochmann ont fait que 1 angle d'ouverture avait la forme représentée sur la figure précédente avec un pic de sensibilité de plus de 2% vers -9°
Cela signifie que lorsque l'optique pointe à 9° du soleil, l'instrument mesure plus de 2% de la luminance du soleil (plusieurs centaines de milliers de Lux). Par la suite, tout le système optique du PRC Krochmann a été remplacé.
Après le remplacement de l'optique, une nouvelle ca- ractérisation des angles d'ouverture a donné des résultats qui auront une importance significative dans l'interprétation des mesures de luminance [2].
La Figure 8 montre la sen- sibilité relative de la cel- lule de mesure en fonc- tion de la distance angu- laire entre l'axe de visée et le point considéré. On constate que la nouvelle optique du PRC Krochmann a un angle d'ouverture parfaitement défini et qu' à 5° de l'axe, la cellule a une sensibilité quasi-nulle, alors que celle de EKO mesure encore 50-60% du signal. Ce résultat a des conséquences très importantes pour l'étude de la luminance circumsolaire. A titre d'illustration, nous avons représenté sur la Figure 9 la comparaison des mesures ob tenues au moyen des deux instruments en fonction de la distance de mesure au soleil (zêta) et du type de temps météo (epsilon) Les graphiques des colonnes de gauche à droite sont représentatifs de mesures effectuées respectivement proches et à l'opposé du soleil, et les graphiques des lignes du haut en bas représentent des mesures
Sensibilité relative
120.0% •
100.0%
80.0%
6 0 . 0 % 4 0 . 0 % 2 0 . 0 % 0 . 0 %
1 1
Luminance reianve • / \ * ' * .* \
/ 7.5° \
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—=. x / 1
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-15 -10 -5 0 5 Direction de mesure par rapport à la source 10
Figure 7 Angle d'ouverture du scanner PRC
Figure 8 Angle d'ouverture des deux scanners
scanner PRC
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10X300
Comparaison EKO-PRC pour différents zêta et epsilon
p R C 6°->15° 15°->20° 20"->-40° 40°->90° 90°->180°
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effectuées respectivement par ciel couverts et ciels clairs. On constate que l'écart entre les mesures de luminance effectuées par 1 instrument allemand et japonais peut atteindre 100%
par ciel clair et proche du soleil (ligne du bas et colonne de gauche).
Précision de visée
Un problème que nous avons rencontré avec le PRC Krochmann est la précision du position- nement des moteurs pas à pas [1]. En effet, il arrive que l'instrument "perde" sa référence et pointe dans une direction quelconque. Ce problème est peu grave si l'erreur est flagrante, il est très gênant si l'erreur est faible. La solution que nous avons adopté consiste en un refroi- dissement de l'électronique par température ambiante trop élevée, et une recherche "ma- nuelle" du zéro dès que les mesures semblent être fausses. Une mesure multiple de la lumi- nance zénithale au cours du balayage (la mesure est effectuée à chaque passage au zénith, soit 6 fois) permet la mise en évidence d'erreurs par ciel très clairs.
En ce qui concerne le scanner japonais, les moteurs pas à pas ont un jeu d'environ 1°, jeu qu'il a été possible de rattraper au moyen du programme de balayage et qui est parfaitement reproductible. Par ailleurs, I angle d'ouverture de l'optique montre qu'une erreur de 1° sur le positionnement de celle-ci n'a qu'une influence minime sur la valeur mesurée.
Contrôle de qualité automatique des mesures (AQC)
L'acquisition de données d'une station du type recherche IDMP implique un grand nombre de paramètres mesurés toutes les minutes. La première phase d'un contrôle de qualité se fait par l'entretien de la chaîne de mesure (nettoyage des dômes des pyranomètres et des photomètres, alignement des instruments de poursuite du soleil, cohérence apparente des
données, etc.) Des tests élémentaires se font ensuite chaque semaine au moyen dun ordinateur personnel ils éliminent les valeurs dépassant les limites physiques possibles (températures, constante solaire, rayonnement diffus dépassant le rayonnement global, etc.).
La dernière phase du contrôle s'effectue au moyen de relations géométriques et physiques entre les différents paramètres mesurés, comparaison de mesures et de valeurs évaluées au moyen de modèles (testés sur des données et climats variés) et dont la précision est bien connue, comparaison entre mesures hémisphériques et mesures angulaires intégrées, etc. Le contrôle de qualité est un point essentiel à la validation des mesures d'unebanque de données.
En effet, les mesures ainsi validées seront ensuite utilisées à l'élaboration d'autres modèles d'évaluation et influenceront directement la précision de ceux-ci.
Dans cette optique, nous avons développé une méthode de contrôle de qualité automatique destinée à toutes les stations de recherche impliquées dans le programme IDMP, et s'appli- quant à tous les paramètres mesurés par ce type de station. Les valeurs mesurées sont comparées à des valeurs calculées, soit à partir de relations géométriques, soit à partir de.
modèles dont la fiabilité a été amplement démontrée [3,4,ii].
A titre d'illustration, les graphiques de la Figure 10 montrent l'effet du contrôle de qualité appliqué aux illuminances mesu- rées sur des plans verticaux. La mesure de l'illuminance diffuse sur les plans sud et ouest est représentée en abscisse et les valeurs obtenues par intégration des me- sures de luminance de la voûte dans le quart de sphère considéré en ordonnée. La droite à 45° représente le cas idéal où les deux valeurs sont égales. Les graphiques A et B représentent les mesures avant le contrôle de qualité, les graphiques C et D après celui-ci. Durant la période illustrée ici, 30% des mesures ne correspondent pas aux critères de qualité requis.
Cette méthode a été adoptée par la CIE en tant que contrôle de qualité standard pour toutes les stations du programme IDMP et fait partie intégrante du "Guide to Recommended Practice of Daylight Measurement" [ii].
Dans le but d'uniformiser ce contrôle, nous avons développé un logiciel adapté aux différen- tes stations et qui a été distribué à tous les intéressés (le logiciel est inclus sous forme de
"shareware" au "Guide" de la CIE, distribué aux experts de la Tâche XVII et reconnu par l'AIE comme produit de la Tâche XVII). Plusieurs modifications ont été apportées sur la demande de différents utilisateurs pour arriver à une version à la fois facile d'utilisation, performante dans sa fonction et très flexible car la «sévérité» des tests de qualité peut être modifiée par l'utilisateur en fonction de l'utilisation ultérieure des mesures validées.
La Figure 11 illustre un des écrans affichés par le programme, après contrôle de qualité des mesures prises dans notre station durant le mois de mars 1993. Les points qui sont en dehors
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50 40 30 20 10
Intégrale R o n Sud /
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Nb points 5 9 9 2
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RMS 1.34 [ H u x ] 1 5 « Dvi moyen 8 3 5 [kLux]
[kLux]
50 40 30
20
10
Intégrale Plan Ouest /
. m
•
Mesure 10 20 30 40 [kLux]
Nb points 9 0 3 8
biais moyen -I .-19 [kLux] -14%
RMS 3.52 [kLux] 33%
Dvi moyen 10-58 [kLuxj [kLux]
50 Intégrale Pion Ouest /
40 - m
30 20
10 A*jÌFr
10 Mesure
10 20 30 40 [kLux]
Nb points 5 9 9 2
biais moyen -0.67 [kLux] -8%
RMS 1.47 [kLux] 18%
Dvi moyen 8.08 [IcLux]
Figure 10 Contrôle de qualité appliqué sur des données scan
Gh=Dh+BJi
C xl00 Bri =Gn -Dn
Cxi00 U/hi2] NESU
Cxi00 U/«2] Gvh=f<Gh>
Exl0 kluxl Dvh=f(Dh) Cxl0 kluxl
Npt 416
MBE -3 U/'m* -1V.
RMS 9 U/«2 3 V.
MOV 343 U/k»2 Ual - 100 U/"m2 Lim .
416 11 \i/K»2 23 U/ki2 387 U/m*
100 U/'m2
3* 6X klx -2H -0.6 klx 4X 0.9 klx 18.9 415 klxklx SX klx -3y.
10 klx 10 klx
Bvn=f(Bn)
[xl0 kluxl Bvn =Gun—Dvn
Cxl0 kluxl NESUv
Exl0 kluxl Scan Cxl0 kluxl
11.03 .93 20.03 .93
415 2.2 klx 6Z 3.8 klx 11 y.
34.0 klx Np-t
MBE RMS
MOV Ual- 10 klx Lim.
404 1.4 klx 2.0 klx 34.5 klx 10 klx
4* 6y.
1 6 6 0 2 0 2 0 -0.7 klx -3Y. -0.2 klx -liî 3.0 klx 14X 1.1 klx 8X 21.9 klx 13.6 klx
10 klx 10 klx
ftQC Program - B.Molirieaux S P. Ineichen - Geneva Croup of Applied Physics
Figure 11 Ecran d'affichage PC du programme de contrôle de qualité automatique
des limites de validité seront diagnostiqués "non fiables" dans le fichier de sortie que crée le programme (ces limites sont présélectionnées par l'utilisateur et sont reportées à l'écran sous le label: "Val. Lim.", elles sont représentées par des barres parallèles à la diagonale 1:1 représentant l'accord parfait).
Ciels moyens statistiques
Sur la demande d'architectes et de physiciens du bâtiment, nous avons établi des moyennes statistiques des données mesurées dans notre station. Plusieurs types de moyennes ont été calculées, permettant ainsi de connaître le potentiel en éclairage naturel qui existe à Genève.
Avec une distribution moyenne mesurée de la luminosité du ciel, les simulations faites avec le ciel artificiel du LESO à Lausanne deviennent beaucoup plus réalistes. Les deux figures suivantes ont été choisies pour représenter ces moyennes. La Figure 12 est une représentation en deux dimensions des mesures de distribution lumineuse du ciel, moyennées en été, pour des beaux jours et sur des tranches de deux heures. Le sud est en bas et l'est à droite sur ces représentations. Les valeurs sont en [cd/m2] et les figures sont dans l'ordre de 8h à 18h.
® % A 4 6 8 1 3 6 1 e 4 6 8
1 3 6 1 2 5 4 2 2 5 4 2 3 9 5 9 3 9 5 9 5 5 8 3 5 5 8 3 7 3 9 2 7 3 9 2 9 3 7 3
i?II? ìslèl
1 3 8 0 2 1 6 2 3 4 1 6 2 3 4 1 8 8 B B 1 8 8 0 8 2 1 4 9 6 2 1 4 9 6 2 4 3 1 6 2 4 3 1 6 2 7 2 5 6 2 7 2 5 6 - >
Figure 12 Séquence de ciels statistiques de 2 heures en 2 heures, par ciels clairs et en été (en [cd/m2D
Les Figures 13 représentent la fréquence avec laquelle ont été observées différentes grandeurs d'éclairement, divisées en intervalles selon l'intensité lumineuse mesurée:
r
GLOBAL OUEST - GLOBAL SUDGLOBAL EST GLOBAL NORD GLOBALHOR.
DIFFUS HOR.
DIRECT P.S.
TTuiiorkamo-N
-fi 100.
lltervaDe [ktux] IitavaBe [ktux]
Figure 13 Fréquence d'occurence de dittérentes grandeurs d'éclairement
GLOBAL OUEST GLOBAL SUD GLOBAL EST GLOBAL NORD GLOBAL HOR.
DIFFUS HOR.
DIRECT P.S.
(omo^N
Ces ciels moyens statistiques sont dispopnibles sur disquettes en format ASCII [5].
Etudes de modèles
Lors du développement du contrôle de qualité automatique, nous avons utilisé les divers modèles d'évaluation de rayonnement et d éclairage Nous avons validé ces modèles sur de nombreuses données et confirmé les résultats obtenus précédemment. Une des conclusions que nous avons tirée de ce travail est que certains modèles d'efficacité lumineuse sont encore sujet à des erreurs trop importantes. En effet, l'étude de l'efficacité lumineuse directe est très délicate de par la difficulté à obtenir des mesures précises et simultanées de 1 irradiance et de l'illuminance directes. En ce qui concerne les modèles de distribution de la luminance de la voûte céleste, les données disponibles jusqu'à présent étaient trop peu nombreuses et les modèles sont encore peu précis.
Efficacité lumineuse directe
De nombreux modèles d'efficacité lumineuse directe dont les performances sont plus ou moins bonnes existent dans la littérature. Une analyse de ces modèles au moyen de données de Genève et d'Albany a montré que tous les phénomènes qui entrent enjeu lors de la trans- mission de l'atmosphère par le rayonnement ne sont pas pris en compte [6,7,8,9] En effet, dans certaines conditions particulières, la plupart des modèles ne donnent pas les résultats escomptés.
Une approche théorique nous a permis de mettre en évidence l'influence importante du trouble atmosphérique sur
l'efficacité lumineuse directe.
Sur la Figure 14, nous avons représenté la variation théo- rique de l'efficacité lumi- neuse avec différents para- mètres, les autres étant tenus constants. L'étude de jours caractéristiques confirme que le paramètre de trouble
ß joue un rôle important. Figure 14 Variation théorique de l'efficacité lumineuse directe avec différents paramètres
masse d'air 120 100
80
W [cm]
Au moyen des banques des données mesurées à Genève et à Albany (ASRC - SUNYA), nous avons developpé un modèle de la forme :
LE = (IJIJ exp( ma (SCDATL - SUTJ) avec TL= 1.5 + 12.4$ + 0.5zv 33 + 4(ß-0.1) In ma où le terme de trouble ß est calculé à partir de la visibilité horizontale mesurée par les sta- tions météorologiques des aéroports proches, w représente la quantité d'eau condensable en [cm] et ma la masse d'air optique.
Ce modèle permet l'évaluation de l'illuminance directe avec une précision de 5.8%, ce qui est meilleur que les 10 modè- les testés. Le premier graphe de la Figure 15 montre les ré- sultats obtenus en évaluant l'il- luminance directe à partir de l'irradiance directe au moyen de ce modèle. Sont également reportés sur cette figure les écarts calcul-mesure pour dif-
férentes tranches d illuminance directe. Sur le graphe en haut à droite, les points représen- tent la valeur moyenne du biais pour la tranche considérée, ils sont entourés de plus et moins un écart standard.
Le point particulièrement mis en évidence par ce modèle est la dépendance de l'efficacité lumineuse directe avec la turbidité atmosphérique II est à noter qu'une part importante de la turbidité provient de l'atmosphère proche et est reliée à la pollution urbaine. Un atout de ce modèle pourrait être une quantification au moyen de mesures relativement simples de la quantité d'aérosols en suspension dans l'atmosphère urbaine.
Distribution de la luminance
Dans le cadre du programme IDMP de la CIE, un des paramètres importants mesurés par les stations dites de recherche consiste en la distribution de la luminance de la voûte céleste Il s'agit de mesurer la luminance en 145 points répartis de façon régulière sur la voûte cé- leste, puis dé reproduire avec une précision suffisante cette répartition au moyen de modè- les dont les bases de calcul sont représentées par les rayonnements global et diffus mesurés sur un plan horizontal. Nous avons testé différents modèles d'évaluation existant dans la littérature [10,11,12],
Les écarts systématiques que nous avons rencontrés en évaluant ces modèles nous ont incité à effectuer des tests sur des données indépendantes, mesurées par d'autres laboratoires au moyen d'instruments de conceptions et de marques différentes. Dans ce but, nous avons demandé 10 jours de mesures à trois autres laboratoires disposant d'une station de type recherche. Nous avons sélectionné sept modèles suffisamment documentés et nous avons effectué une comparaison modèle-mesure.
Comme contrôle de qualité lié aux constantes de calibrations des instruments, nous avons comparé les valeurs obtenues par intégration des mesures de la luminance en fonction des mesures de 1 illuminance diffuse sur un plan horizontal. Pour certaines stations, notamment
pour les mesures effectuées au Japon, le biais est assez important, alors que la dispersion est faible; ceci montre que l'erreur est systématique et certainement liée à une erreur de calibration de l'un ou l'autre des instruments. Nous basant sur la relation liant les illuminances globale, diffuse et directe, et après inspection de ces trois rayonnements, nous avons fait l'hypothèse que les photomètres étaient correctement calibrés et avons corrigé la luminance d'un facteur cor- respondant pour les tests suivants.
Les Figures 16 montrent les résultats obtenus au moyen des 4 banques de données partielles des différentes stations pour un des modèles testés.
Nous avons reporté sur ces figures la lumi- nance calculée en fonction de la luminance mesurée. Il est intéressant de constater que l'allure générale de la répartition des points est similaire quel que soit le climat sous lequel les mesures ont été effectuées.
Test du modèle de Perez
Données du Japon Données de Botelle
40*000
lv cdcdé |cd/m*| : : /•
40*000
ivcaœié [cd/nv] : : /
40*000 40*000
20'000
jBPv" lv rnesué (cd/nv) 20*000
ivmesué (ccVmiJ 20*000 40*000
22675 ptt / 206 bda/oges Lem. moyeme 7299 [cd/m2|
EcCTfquoara tique 1977 |cd/m2]
$01127%
20*000 40*000 61637 PB/ 423 bderyoge
Um. moyenne 5ll5|cd/m2}
EcctI quodratlque 1656 |cd/m2]
soll 36% . Domées de Gronde Bretagne Données de Genève
40*000
Lv ede^é (e<Vm>) : : / 40*000
LvcdaJé JccVnV) : : /
40*000 40*000
20*000
j^f^"'"' Ivmesué |cd/m»|
20*000
j f l p ^ ' ' lv mesué [cd/m>|
20*000 40'000 201X10 WOOO
26710 pis / 250 bdoyoges 46312 pS / 421 bcttryxiges l\xn. moyenne 2699 |ccVm2) lum.moyenr* 5543 [cd/m2]
Ecart quodrotlc^ 1171 |cd/m2) Ec<*t quodiatique 2159 |cd/m2) $01143» soll 39*
Figure 16 Test du modèle de Perez pour différentes stations
Poursuivant l'analyse des modèles d'évalua-
tion au moyen de nos données, nous avons reporté sur les graphes de la Figure 17 la dépendance de l'écart Calcul-Mesure pour différents paramètres géométriques et météorolo- giques à disposition. Ces paramètres sont les suivants: la luminance mesurée L , la lumi- nance zénithale Lvz, la distance angulaire zêta entre le soleil et le point du ciel considéré, la hauteur du soleil, son azimut, la hauteur du point considéré, la luminosité delta du ciel, sa clarté epsilon, l'azimut du point considéré par rapport au soleil, l illuminance diffuse mesurée sur un plan horizontal Dvh, le rapport des illuminances diffuse et globale Dvh/Gvh et l'indice de clarté corrigé Kt.. L'analyse de ces 12 graphiques montre que le modèle nécessite une
40'000
20'000
Lv calculé [cd/m2] :
Lv mesuré [cd/m2]
20'000 D o n n é e s de G e n è v e M o d è l e de P e r e z
40'000
+ 103
10
+ 103
- 103
•10:
10
4 6 3 1 2 points / 4 2 1 s c a n s
L u m . m o y e n n e : 4 4 4 3 [cd/rn^] + 103
R M S : 2 1 3 1 [ c d / m2] soit 3 9 % - 103
c - M Lvm [cd/m2]
» . . . . , . m » ,
"II,
104 10s
C - M
••"•Hlmimltl ••
hauteur soleil
30 60
n
C - M
•«••wmHlll
Delta 0.2 0.4 0.6 C - M
•iHHmimwHHiH Dvh
+ 103
- 1 0 '
3000 [cd/ra2]
+ 105
- 10' + 103 -103
+ 10'
-10'
C - M
•••HmwiHtHtH--
azimuth soleil
+ 103
- 103
C - M t ( I f
hauteur point
180 30 60 V
C - M + 103 C - M
• -HMimMiMut.
- 103
||> HHMM-H4M m Mf J Epsilon - 103
azimuth point
3 6 9 - 1 2 0 0 120[°]
C - M + 103 C - M
• •HHMIHUIUHMIIf*'" • - 103
Dvh/Gvh K f
30'000 [lux] 0.2 0.4 0.6 0.8 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Figure 17 Dépendance du modèle de Perez en fonction de divers paramètres
amélioration pour les points de haute luminosité proches du soleil. On observe également une dispersion plus importante pour les points situés à l'opposé du soleil (azimut du point vers ±170° à 180°).
Nous avons ensuite effectué 1 analyse du comportement de chaque modèle pour les diffé- rentes régions de la voûte céleste séparément. Les résultats obtenus confirment la tendance issue des tests précédents: deux modèles donnent des résultats sensiblement meilleurs que les autres, ceux de Perez et Brunger.
|cd/m2) 10000
0
-10000
[cd/m2]
10000
0
-10000
(cd/m2]
10000
0
-10000 [cd/m2J 10000
0
-10000
|cd/m2|
10000
0
-10000
computed-measured
zeta 3 0 9 0 1 5 0
ftHHIMt»
MHtHt«'"«'
rTTI I I I I I I I l-l I • •^-TTT.
H mm» H»
Il>
IKMMMItM'»«- . •zeta
H h m i m h
teuf«
-m-TI'l 11 II et^— zeta
[cd/m2]
10000
0
-10000
[cd/m2]
10000
0
-10000
[cd/m2]
10000
0
-10000
[cd/m2]
10000
0
-10000 [cd/m2]
10000
0
-10000
computed-meœured
zeta
—— _n n 111 r-i • • - 3 0 0 3 0 6 0 [°1
'Ht»«»»-«' -dmmnr»
.'Il
IfnifH»-mmrrrM-w, -1 . j-
IfnifH»-
mmrrrM-w,
4
n n11 lui
• i l l l | } } | t » f t - . zeta
I60hó°
ill!
.... uns
«T.—L_J1 m 1 1
•nifi' |li H"
-"'irnin^
• « f | | f | " | | < »
fftjtr • ••»•««•—•
3 0 9 0 150 [°1 "-tht-i -""^-n zeta
® D
CD 3 a Q
®
o <D
o
- 3 0 0 3 0 6 0 |°] - 3 0 0 3 0 6 0 I' 3 0 9 0 150|°J
Figure 18 Ecart calcul-mesure du modèle de Perez en fonction de la distance angulaire au soleil
Nous avons appliqué le modèle de Perez sur notre banque de donnée d'une année, plus particulièrement la dépendance avec la distance angulaire au soleil. Nous avons reporté sur les graphes de la Figure 18 l'écart modèle-mesure pour différentes tranches de zêta et diffé- rents types de temps. Sur les 9 graphes de gauche, les angles zêta sont considérés en valeur absolue dans tout l'hémisphère, alors que sur les 9 graphes de droite, l'angle zêta n'est con- sidéré que sur le méridien contenant le soleil et en différenciant les régions en-dessus et en- dessous de celui-ci.
La Figure 19 illustre cette dépendance (biais) en fonction de la clarté du ciel s (e=l : ciel couvert, e / : ciel clairs). On constate que des variations systématiques de l'écart modèle- mesure apparaissent pour les conditions illustrées sur ces Figures, et qu'une adaptation des différents paramètres du modèle devraient permettre d'obtenir une meilleure précision. En effet, les coefficients entrant en jeu dans ce modèle différencient les effets dus au circumso- laire, à l'horizon, etc. Par ailleurs, l'introduction d'un effet dû aux aérosols en suspension et
par conséquence du facteur de trouble pourrait également améliorer sensiblement le mo- dèle [13].
Les modèles de luminance que l'on a testés ici ne tiennent pas compte de la distribution statis- tique des nuages et sont donc limités dans leur performance.
Différentes études essaient de modéliser statistiquement cette répartition, notamment dans le cadre d'études de la sensibilité des centrales photovoltaïques aux passages nuageux [14,vii].
Effets de l'éruption du Mt Pinatubo
L'étude des modèles d'efficacité lumineuse directe au moyen des données mesurées à Ge- nève a montré des déviations systématiques selon la période de l'année et après 1991. Paral- lèlement, aux Etats-Unis, les centrales de production d'électricité photovoltaïque du Colo- rado ont accusé une baisse de production d'environ 30%. Après recherche, il s'est avéré que ces effets étaient dus à l'éruption du Mt Pinatubo. En effet, celle-ci a injecté dans la stratos- phère une masse d'environ 18'000 ktonnes de S02. Le soufre est converti en H2S04 et mé- langé à de la vapeur d'eau. Les échanges entre la stratosphère et la troposphère se font prin- cipalement sous forme de sédimentation après coagulation des aérosols; ce processus peut prendre plusieurs années. Une telle quantité d'aérosols va influencer les interactions du rayon- nement lors de la traversée de l'atmosphère: une partie du rayonnement sera réfléchie en-
Déficit de rayonnement direct Figure 20
Déficit de rayonnement direct à Genève dû à l'éruption du Mt Pinatubo en juin 1991
dehors de l'atmosphère, et une plus grande diffusion du rayonnement direct aura lieu. Les conséquences seront une diminution de quelques pour cent de l'éclairement énergétique total et une variation importante dans la répartition du rayonnement entre le direct et le diffus.
La Figure 20 montre le déficit de rayonnement direct constaté sur les données de Genève et après déduction des variation saisonnières. On constate une chute d'environ 150 [W/m2] quelques mois après l'éruption. Le retard par rapport à l'éruption est dû à la lenteur du mouvement des masses d'air stratosphériques de l'équateur vers le nord. Ce déficit est moins important en été, les courants stratosphériques étant saisonniers. Des études précédentes sur les effet de l'éruption de El Chichon avaintt montré une décroissance exponentielle de ces effets avec le temps; la figure précédente confirme ces résultats.
Une analyse comparable a été effectuée concernant le rayonnement global. Le déficit d'environ 35 [W/m2] obtenus par l'analyse de données mesurées aux Etats-Unis est compatible avec une étude effectuée au Langley Research Center de Virginie (Etats-Unis) sur la base des mesures du satellite ERBS de la NASA, qui a montré que la température du globe a chuté d'environ 0.5 ° C durant quelques mois après l'éruption, et que le rayonnement réfléchi par l'atmosphère a augmenté de 3.8%. Les données de Genève comportent un bruit de fond trop important pour pouvoir mettre cet effet en évidence.
La baisse importante de production des systè- mes solaires à concentration dans le sud de la Californie a été à l'origine de cette étude. En effet, ces systèmes ne se mettent en route qu'à partir d'un certain seuil d'ensoleillement et une diminution du rayonnement direct inci- dent en réduit de façon significative le temps de fonctionnement. Nous avons évalué la quantité d'énergie disponible au-dessus de différents seuils sur la base des données de Californie. On constate l'importance de cet effet sur la Figure 21 où nous avons représenté la disponibilité relative de rayonnement di- rect pour différents seuils de démarrage de la centrale.
Les conséquences de l'éruption du Mt. Pina tubo ont été relativement faibles dans nos régions, les installations utilisant le rayonnement direct comme source étant très peu nombreuses.
Remerciements
Cette étude a pu être menée à bien grâce au soutien de l'Office Fédéral de l'Energie (contrats EF-REN (89) 043 et EF-EXP(91) 013), le Fonds National pour la Recherche Scientifique (contrat 21-26159.89) et l'Université de Genève.
Nos remerciements vont également à l'ASRC pour les différentes données et la fructueuse collaboration, ainsi qu'au Building Research Establishment de Garston (GB) et à Takenaka Corporation de Koto-Ku (J) pour les données de luminance.
Déficit relatif de rayonnement direct en fonction du seuil de démarrage en [W/m2]
Figure 21
Notations h
z zêta I o I vo
h ' h ' n
G D B v h ' v n ' vn
m a
W
8 CDA
5„
ß a T T i/ ii LE
hauteur du soleil,
hauteur zénithale du soleil,
distance angulaire entre le point considéré et le soleil, constante solaire [W/m2],
constante solaire visible [lux],
irradiances globale et diffuse horizontales, directe normale, illuminances globale et diffuse horizontales, directe normale, masse d'air optique,
contenu en eau de l'air [cm],
profondeur optique d'une atmosphère clair et sèche, profondeur optique correspondante pour l'illuminance, coefficient de turbidité d'Ângstrôm,
exposant d'Angstrom,
coefficient de trouble de Linke, coef. correspondant pour l'illuminance, efficacité lumineuse directe [lum/W],
K( indice de clarté Kt' indice modifié e clarté du ciel A luminosité du ciel
MBD biais
RMSD écart quadratique
SD déviation standard
Gh/(Iosinh)
Kt / [1.031-exp(-1.4/(0.9 + 9.4/mJ) + 0.1]
[(Dh + Bn)/Dh + 1.041-z3]/[l + 1.041-z3] D - m / I
h O 1 N
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