Utilisation de modèles bien validés pour contrôler la qualité des mesures d'éclairage et de rayonnement

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Utilisation de modèles bien validés pour contrôler la qualité des mesures d'éclairage et de rayonnement

MOLINEAUX, Benoît, INEICHEN, Pierre

Abstract

Cette étude confirme la fiabilité des modèles de transposition et d'efficacités lumineuse permettant de calculer les paramètres de rayonnement et d'éclairement à partir de données de base généralement disponibles en station météo. Nous proposons d'utiliser les prédictions de ces modèles et les relations géométriques qui relient les paramètres pour valider les mesures de rayonnement, d'éclairement et de distribution lumineuse du ciel. Les résultats sont illustrés avec notre banque de données établie depuis deux ans à Genève.

MOLINEAUX, Benoît, INEICHEN, Pierre. Utilisation de modèles bien validés pour contrôler la qualité des mesures d'éclairage et de rayonnement. In: CISBAT': [Conférence internationale Energie solaire et bâtiment] . Lausanne : EPFL, 1993. p. 321-326

Available at:

http://archive-ouverte.unige.ch/unige:118043

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UTTLISATION DE MODÈLES BIEN VALIDÉS ^POUR CONTRÔLER LA

Tuar,rrÉ ^{nns MESURES} n'Éclq.rRAGE ET DE RAYoNNEMENT

ÙlnrygpP.

^INSIC}DN

Confërence CISBAT'93 GAP

-

^CUEPE

Université de Genève

4 ch. de Conches

l23l

Conches GE

nÉsuvtÉ

Cette étude confirme

la fiabilité

des modèles de transposition

et

d'efficacités lumineuse

permettant de calculer les

paramètres

de

rayonnement

et

d'éclairement

à ^partir

de données de base généralement disponibles en station météo. Nous proposons d'utiliser les prédictions cle ces modèles

et

les relations géométriques

qui

relient les paramètres pour valider les mesures de rayonnement, d'éclairement

et de

distribution lumineuse

du

ciel.

Les

résultats

sont illustrés

avec

notre

banque

de

données établie depuis

deux

ans à Genève.

ABSTRACT

This

study confirms

the reliability of the

models used

for

calculation

of

irradiance and illuminanée parameters

from routine

irradiance

data. We

suggest

a practical

method

making use of model predictions and geometrical relations for quality control of

irradiance, illuminance

and sky

luminance

distribution

measurements.

The

results are illustrated

with

the measurements we have collected during the last

two

years.

1.

INTRODUCTION

Une bonne connaissance de

la distribution

lumineuse de

la voûte

céleste est essentielle

pour pouvoir utiliser

efficacement l'éclairage

naturel afin de

répondre aux besoins en éclairage intérieur des bâtiments. C'est dans ce

but

que

la

Commission Internationale de l'Eclairage organise un programme international de mesures de l'éclairage naturel (IDMP:

International Daylight Measurement Program) auquel nous participons activement depuis son lancement en 1991.

Le contrôle de qualité des

^mesures

est un sujet

généralement laissé sous

la

seule responsabilité des auteurs.

Or, toute

^analyse

qui

sera

faite à partir de

ces données va dépendre

fortement de la méthode utilisée pour éliminer les valeurs

douteuses. La méthode présentée

ici

a maintenant été acceptée pour le contrôle de qualité automatique standard de

toutes les

^stations

dites

de recherche

du

^programme

IDMP et

fera I'objet d'un logiciel distribué dans ce

but Il].

L'utilisation de modèles permettant de calculer les grandeurs de

rayonnement et d'éclairement

pour

déceler les mesures douteuses permet

de définir

une méthode bien documentée pour le contrôle de qualité automatisé des mesures'

2.

MODÈLES ET RELATIONS

2.I

Rqvonnemenî

et éclairement : Le

rayonnement

global et

diffi.rs sur plan horizontal (généralement disponibles

en station

^météo)

et le

rayonnement

direct sur plan

suiveur sont les paramètres de base à

partir

desquels

il

existe les modèles les mieux validés pour calculer

tous

les autres paramètres (rayonnement sur

plan

incliné, éclairement sur plan horizontal ou incliné etc.). Ces

trois

paramètres sont géométriquement liés:

Gh:

^{Dh +}

Bn'

sin

hs ^(l)

Gh, Dh,

Bn

: rayonnements global et

diftrs

plan horizontal

&

direct plan suiveur;

hs : hauteur angulaire du soleil sur I'horizon.

Cette équation (également valable

pour

les éclairements correspondants) permet soit un premier contrôle de qualité,

soit

de déduire un des

trois

paramètres faisant défaut. Pour

iéalis.r une validation complète de

ces

trois

rayonnements

et des

autres paramètres mesurés,

il faut avoir recours aux

modèles empiriques

qui les lient entre eux.

Les modèles retenus

pour cette étude ont

étés développés

par le Centre de

Recherches Atmosphériques de I'Université de

New York

à Albany

(ASRC)

en collaboration avec le Groupè de Éhysique

Appliquée à

Genève.

Le

modèle

de

transposition de Perez

a

^été choisi

pour

sa

fiabilité

démontrée dans

diftrents

climats

(voir,

par _exemple

[2,3]).

^Les modèles

d'efficacité

lumineuse

permettant de

^passer

du

rayonnement

à

l'éclairement obtiennent également des résultats prometteurs.

Le

succès de

tous

ces modèles est en partie dû à

la

caractérisation judicieuse du ciel ^à I'aide des deux paramètres e et

À,

représentant respectivement la clarté et la brillance du

ciel [4].

^{Ces deux} paramètres se calculent

à partir

des seuls rayonnements global plan

horizontal et direct

plan suiveur.

Toutes

les équations des modèles de transposition et d'efticacités lumineuses utilisés sont données dans [4].

2.2 ^{Relation entre luminance} et éclairement : L'éclairement diffus sur un

^plan

quelconque peut être estimé à

partir

des luminances mesurées sur la voûte céleste :

O

¹⁴⁵

Dvp

_np

fscani.sinhpi

⁽²⁾

i=l

scanl

hpi:

np:

Ç):

luminance mesurée au point

i

si le centre du

point

se

trouve

a plus de 60 du soleil, sinon

scanl:0

_[cd/m2], (élimination du point _contenant le soleil);

hauteur

angulaire

du point par rapport au plan si le ^point

se

trouve

dans le

"champ de vision" du plan, sinon

àp;:

⁰

nbre de points pour lesquels

hpi *

^{0 et}

scanir

⁰

angle solide de la part du ciel vue par le plan (égal à 2æ pour le plan horizontal ou

7r pour un plan vertical).

3.

MESURDS

Les

mesures

prises depuis le

^1.7

.91 sont

résumées

dans le tableau suivant.

Nous enregistrons des valeurs instantanées tous les % d'heure. Tous les instruments ^se trouvent sur le

toit

d'un immeuble dominant la

ville

de Genève

(latitude

46.2o

N,

longitude 6.1o E, altitude 400 m). L'horizon ne dépasse pas 60 d'élévation. Les appareils sont tous calibrés par nos soins environ une fois par an.

Tableau

l.

:

Mesures

Paramètre

Symbole ^(r)

Apnareil

de mesure Précision(2)

RAYONNEMENT:

ECLAIREMENT

LUMINANCE

145 pts du ciel [51 scanner Krochmann 2%

(l)

_Symboles utilisés dans cette étude

(2) Précision donnée par le fabricant, sauf pour les Kipp+Zonen, précision mesurée [6].

(3) L'appareil Krochmann a été remplacé depuis le 13.8.92 par un photomètre Licor.

L'acquisition des mesures a souvent été interrompue en raison des nombreux problèmes

que nous

avons rencontrés,

justifiant

plusieurs révisions

des

instruments Krochmann [7,8]. Le taux d'acquisition sur deux ^ans est d'ênviron 43 ^oÂ.

Global

&

Diffi.rs

Gh&Dh

Kipp+Zonen cm10 2%

Direct

Bn Eppley

NIP

5%

Globaux verticaux

NESV/

Gp

Kipp+lsnsn cml0

2%

Global& Diffus

Gvh

& Dvh

Krochmann

& Licor 2%&s%

Direct(3) Bvn Krochmann

& Licor

2%

&,5%

Globaux verticaux

NESW

Gvp Krochmann 2%

A

Mesure

...:

4.

RESULTATS

pour illustrer

la performance des modèles avec nos mesures, les figures sont ^présentées avant I'application du contrôle de qualité.

8ûû

t/i/m1

6û 0

-60

600

2

400

200

60 0

-60

cfoClEroCfocf

NNô'lo\o\NNN o

o N o N N

200 400

^60û

Figure 1: Modèle

de

transposition

de Perez

A:

comparaison modèle-mesure pour quatre plans verticaux N,

E,

S, O, 28108 pts, écart

moyen:

-2oÂ, écart quadratique moyen

:

_160Â.

B:

Ecart moyen

*

1 écart-type, C: distribution ^{des écarts}

& D:

fréquence d'occulrence pour plusieurs intervalles de rayonnement.

L'accord

entre modèle

et

mesures

sur la figure

ci-dessus est satisfaisant

et

très peu de mesures apparaissent douteuses.

200 400

⁶⁰⁰

60 B0

^[klux]

5427

2.26

Hux,

90Â

7.49 klux,30oÂ

20 10

La figure 2 ci-contre illustre le

problème que

nous avons rencontré avec la mesure

^de

l'éclairement direct. L'appareil n'a pu

être

correctement aligné et le modèle

d'efficacité lumineuse met bien en évidence le problème.

Figure

2:

Eclairement direct:

comparaisons modèle

-

^mesure

L'instrument défectueux a été remplacé depuis le

L3.8.92 et les résultats sont

^meilleurs,

perrnettant de

définir

une méthode

pour

choisir quelles mesures sont ^à rejeter,

voir

Tableau 2 ci- dessous.

fklux]

100

80 60 40 20

20

⁴⁰

Nbre de pnts:

Ecart moyen:

Ecart ^quad.:

Le tableau suivant résume les résultats obtenus lors des comparaisons modèles

-

mesures avant

contrôle de qualité. La

dernière colonne présente

les

seuils d'admissibilité entre

modèle et

mesure

que nous avons choisis pour éliminer les

mesures

qui

paraissent

B

'r IllI llIlllI llllir ^rttr

04Û06

c

D

1.7.91 au ^20.4.92 Modèle

douteuses. Ces seuils sont définis soit en valeur absolue, soit en valeur relative d'après la distribution des écarts que nous avons observée avec nos mesures (ex.

fig. l).

Tableau 2:

Résumé des

résultats

tt)

_Chaque modèle est symbolisé par les données d'entrée est sortie. Les

test I & 5

se

réferent à l'éqn

(1),

les autres tests se réferent aux modèles soit d'efficacités lumineuse

(2,3 & 4)

soit de transposition (6

& 9) soit

aux deux modèles combinés (7

&

8). Des

trois

méthodes de calcul

de

l'éclairement global sur les plans verticaux, la méthode 8 a été retenue pour le contrôle de qualité.

(z) Ecart absolu

[Wm'z]

^ou

[klux]

(3) Ces résultats sont présentés à partir

du

13.8.92 avec le photomètre

Licor.

Sur

la figure 3, on

compare I'intégrale des mesures

de

luminance céleste sur différents plans avec les mesures d'éclairement avant et après la validation de ces dernières.

Iklux]

40

20

Iklux]

40

20

20

Nbre de pts:

Ecart moyen Ecart quad.:

40

[klux]

38475

-1.29

klux,

-10%

3.3 klux,24Yo

20

Nbre de pts:

Ecart moyen Ecart quad.:

40

[klux]

38475

-1.29 k\ux,

-ljYo

3.3 klux,Z4Yo

Figure 3: Eclairement diffus sur

le

plan horizontal

et les 4 plans

verticaux

A:

avant

& B:

après validation des mesures d'éclairement Modèle ou relation(r) Nbre de

Pts

écart

moyen

[(2)l

^t%1

[(2)l

^{écart type}

t%l

Seuil d'admissibilité

1.

Dh,Bn-+Gh

10036 -7 -2

l8

6 100 Wm2

)

_{Gh,Bn-+Gvh r 1330}

_-08

_{-2 2.4 7}

_20%

3.

Gh.Bn-+Dvh r0323

-.1

-l t.4

⁸

25%

4.

Gh,Bn

>Rvn€) 2342 0.9 4 ^3.1

l3

10 klux

5.

Gvh.Dvh+lyn(3)

2342 0.8 4 2.3 10 10 klux

6. Gh.Bn-+Gp 28108 -,) -2 22 ¹⁶ 100 Wm'z

7

Gh,Bn-+Dvh.Bvn-+Gvp

⁴⁵³ 13 -.9 5 3.1

l9

8.

453t3

-.9 -6 3.0 19

l0

klux

9. Gh.Bn.Dvh.Bvn-+Gvp 9368 -1 0 -6 2.7

r6

lntêgrale des scans

A

lntégrale des scans

B

Les

mesures

de

luminance,

sur la figure 3, ne sont

pas encore validées

et

permettent d'illustrer l'effet du contrôle de qualité sur les mesures d'éclairement. Les écarts résiduels,

fig. 38, sont

sans

doute liés aux

^mesures

de

luminance

et

peuvent

être

éliminés en

appliquant

un

seuil d'admissibilité

entre les deux

grandeurs

qui sont

comparées sur la figure.

Un

seuil absolu de 5

[klux]

nous paraît raisonnable, étant donné nos résultats.

CONCLUSION

La modélisation des

paramètres d'éclairement

et de

rayonnement

est

sufiisamment précise

pour mettre en

évidence

les principales ereurs de

mesure

que nous

avons rencontrées en deux ans d'acquisition de données.

Concernant

la distribution

lumineuse

du ciel, la

dispersion entre modèles empiriques et mesures

est grande dus aux

phénomènes imprévisibles

de la météorologie [9].

^La

comparaison entre I'intégrale des luminances

et les

mesures validées d'éclairement sur

différents plans permet de mettre en

évidence

une partie

des erreurs

de

mesure de luminance. Ces tests ne peuvent

toutefois

pas s'appliquer à une zone localisée du ciel et ne permettent de déceler que ^des erreurs de mesure globales.

REMERCIEMENTS

Ce travail a

été réalisé grâce

au soutien de I'OFEN, du FNRS et de

I'Université de Genève.

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