Outils d'évaluation de l'éclairage naturel

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Reference

Outils d'évaluation de l'éclairage naturel

MOLINEAUX, Benoît, INEICHEN, Pierre

MOLINEAUX, Benoît, INEICHEN, Pierre. Outils d'évaluation de l'éclairage naturel. In: 8.

Schweizerisches Status-Seminar "Energieforschung im Hochbau". 1994. p. 381-384

Available at:

http://archive-ouverte.unige.ch/unige:99316

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Pierre Ineichen, Benoît Molineaux

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Résumé

Les modèles que nous étudions permettent l'évaluation des paramètres d'éclairage naturel au moyen de données plus généralement disponibles tels que le rayonnement global et/ ou diffus sur un plan horizontal. Ils doivent permettre aux architectes et aux concepteurs de connaître avec une bonne précision la disponibilité de l'éclairage naturel de façon a harmo- niser les sources de lumière artificielles et naturelles.

Zusamrnenfassung

Die erforschten Modelle erlauben die Berechnung der Tageslichtparametern dank vorhandenen Daten über Global- und/ oder Diffusstrahlung auf eine horizontalebene. Das verfügbare Tageslicht ist somit mit relativ grosser Genauigkeit quantifizierbar, was den Architekten und den Verfassern ermoglicht, im Beleuchtungskonzept Tages- und Kunstlicht harmonisch einzusetzen.

Introduction

L'éclaire::ge naturel est une ressource renouvelable malheureusement très peu prise en compte dans la conception des bâtiments; il en résulte une consommation importante d'énergie élec- trique pour l'éclairage artific!el. En harmonisant l'utilisation de l'éclairage naturel et artifi- ciel, il est possible de diminuer de façon importante les besoins en électricité destinés à l'éclairage et, suivant les cas, également les besoins en ventilation et climatisation destinés à l'évacua ti on de l'excédent de chaleur résultant de l'éclairage artificiel. Il est donc important pour les concepteurs d'évaluer avec une bonne précision les ressources en éclairage naturel en un lieu donné. Notre but est de développer et de tester des modèles d'évaluation basés sur des mesures complètes et précises; ces modèles permettent l'évaluation des paramètres d'éclaire::ge naturel au moyen de données plus généralement disponibles (p. ex. du réseau Anetz de l'ISM) tels que les rayonnements global et diffus, ou des données générées par des progranunes tels que Meteonorm 95 (OFEN).

Banques de données et Modèles

Comme base de développement et de test pour les modèles d'évaluation de l'éclairage natu- rel, nous effectuons à Genève une acquisition complète et précise de nombreux paramètres de rayc::-'..11ement, d'éclairage et de météorologie. Une analyse des dépendances et des varia- tions de .:es différents paramètres permet une meilleure compréhension des phénomènes en jeu et rr~;?nent à la formulation de modèles. Dans la phase actuelle du projet, nous travaillons sur det.:._\. types de modèles: l'efficacité lumineuse du rayonnement direct en relation avec le trouble _,_ tmosphérique et la distribution de la luminance de la voûte céleste.

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Efficacité 1 umineuse

De nombre·J.x modèles d'efficacité lumineuse directe dont les performances sont plus ou moins bonr.es existent dans la littérature. Une analyse de ces modèles au moyen de nos données de Genève a montré que tous les phénomènes qui entrent en jeu lors de la transmis- sion de l'a tr:wsphère par le rayonnement ne sont pas pris en compte. En effet, dans certaines conditions particulières, la plupart des modèles ne donnent pas les résultats escomptés. Une approche tr,éorique nous a permis de mettre en évidence l'influence du trouble atmosphéri- que sur l'efEcacité lumineuse

directe. Sur la figure ci-con- tre, nous aYons représenté la variation d2l'efficacité lumi- neuse aYec différents para- mètres, les autres étant tenu constants. I...'étude de jours caractéris:iques confirme que le par2mètre de trouble

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Au moyen des banques des données mesurées à Genève et à Albany, nous avons appliqué un modèle de la forme :

où le terme de trouble est évalué à partir de la visibilité horizontale mesurée par les stations météorolo.:-iques des aéroports proches. Ce modèle permet l'évaluation de l'illuminance di- recte avec "Jne précision de 6.2%, ce qui est meilleur que les 10 modèles testés [1].

Distribution de la luminance

Dans le cadre du programme IDMP de la CIE [2], un des paramètres importants mesurés par les stations dites de recherche consiste en la distribution de la luminance de la voûte céleste. Ces mesures sont effectuées à Genève depuis plus d'une année. Il s'agit de mesurer la luminance en 145 points répartis de façon régulière sur la voûte céleste, puis de repro-

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duire avec une précision suffisante cette répartition au moyen de modèles dont les bases de calcul sont représentées par les rayonnements global et diffus mesurés sur un plan horizon- tal. Nous avons testé 7 modèles au moyen de quatre banques de données restreintes [3]. Ces tests ont montrés que deux modèles donnent des résultats sensiblement meilleurs que les autres: Perez et Brunger; nous avons retenu le modèle de Perez pour la poursuite de notre étude. A titre d'illustration, nous présentons ci-dessus les résultats obtenus en analysant le comportement de chaque modèle pour les différentes régions de la voûte céleste séparé- ment. Nous avons représenté la valeur moyenne du biais entouré de+/- un écart standard.

La première barre représente l'écart modèle-mesure pour l'ensemble de la voûte, puis res- pectivement la région zénithale, sud~ nord et est-ouest. On constate une asymétrie impor- tante pour certains de ces modèles.

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Nous avons poursuivi l'analyse en appiiquant .~ l ce modèle sur notre banque de donnée d'une " ~

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sent pour différentes conditions illustrées dans la Figure ci-contre (zêta = distance an- gulaire entre le soleil et le point considéré, epsilon= 1 ciel couvert,= 7 ciel clair), et qu'une adaptation des paramètres du modèle de- vraient permettre d'obtenir une meilleure pré- ci sion.

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Les modèles de luminance que l'on a testés ici ne tiennent pas compte de la distribution statistique des nuages et sont donc limités dans leur performance. Différentes études es- saient de modéliser statistiquement cette répartition, notamment dans le cadre d'études de la sensibilité des centrales photovoltaïques aux passages nuageux [4-5].

Ciels statistiques

Dans le but d'une utilisation plus aisée de nos données de distribution de la luminance de la voûte céleste, nous avons réduit celles-ci sous forme de "ciels moyens" [6]. Les deux formes que nous avons choisi sont les "ciels moyen mensuels" et les "ciels dynamiques journaliers".

Les Ciels moyens mensuels représentent une moyenne linéaire des 145 points de chaque balayage durant tout le mois. Il en résulte douze ciels moyens. L'exemple ci-contre représente le ciel moyen observé au mois de mars.

Les ciels dynamiques jourl'laliers représentent une dynamique moyenne heure par heure pour différentes type de temps et saisons. La moyenne est donc effectuée linéairement pour cha- que tranches horaire et chacun des 145 points. On obtient ainsi six dynamiques journalières (clair, intermédiaire et couvert pour l'été et l'hiver). L'exemple ci-dessous représente lapé- riode estivale, ciels clairs et toutes les 2 heures.

La simulaticn de l'éclairage naturel à l'intérieur de maquettes représente une des applica- tions directe: de ces ciels statisti.ques. En effet, L'EPFL de Lausanne est équipée d'un simula- teur permetant de reproduire aussi bien le rayonnement direct que diffus. Le ciel diffus est représenté par 1451uminaires distribués selon les recommandations de la CIE [2] et l'on peut appliquer directement les mesures effectuées à Genève. L'avantage de ces ciels "réels" com- parés aux C.els de référence CIE est d'être beaucoup plus proche de la réalité que ces der- niers et permettent de comparer les performances lumineuses de systèmes en fonction de l'évolution: urnalière et mensuelle des conditions d'éclairement extérieur.

Symboles

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:oefficient de turbidité d'Àngstrom :onstante solaire [W /m^2]

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coefficient de trouble de Linke distance angulaire entre le point considéré et le soleil LE efficacité lumineuse directe.

Références

[1]

[2]

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Me~:tres

d'éclairage

à

Genève: ciels statistiques.

(B. Molineaux, P. Ineichen, O. Guisan), Université de Genève, Groupe de Physique Appliquée. 1993 ·

8. Schweizerisches Status-Seminar 1994

Energieforschung im Hochbau

EMPA-KWH

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En~rgieforschung im Hochbau

EMPA-KWH

15./16. September-1994 .ETH-Zürich

M. Zimmermann, H. Bertschinger, Frau K. Büchi

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Bundesamt für Energiewirtschaft

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NEFF, Nationaler Energie-Forschungs-Fonds

EMPA, Eidg. Materialprüfungs- und Forschungsanstalt ETH, Eidgenëssische Technische Hochschule

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