Synthèse Pfe Popin

Etudiante : POPIN Guillemette PFE Tuteur : TRIBOIX Alain Juin 2011

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RESUME

Dans un contexte d’économie d’énergie, accentué par la relance du débat sur le nucléaire, cette étude tente d’estimer des consommations électriques prévisionnelles pour l’éclairage de bureaux lorsque des luminaires à gradation selon la luminosité sont utilisés. Le but est d’intégrer ce calcul dans un logiciel de simulation thermique dynamique qui fournirait alors les besoins d’éclairage artificiel heure par heure sur une année.

La résolution du problème se scinde en plusieurs temps. D’une part l’analyse de la problématique d’éclairage artificiel des bureaux. Puis, dans un second temps, une approche bibliographique est menée parallèlement à une revue des logiciels disponibles afin de résoudre le problème. Enfin, dans un dernier temps, l’étude est réalisée selon différentes orientations : des essais expérimentaux, une étude en ciel couvert et une étude en ciel clair.

Des retours d’expérience de cas où des luminaires à gradation ont été mis en place ont aussi permis d’étayer ce travail. Cette étude a donc cherché un développement selon différents angles afin de permettre une approche du sujet la plus globale possible.

Mots clés : autonomie d’éclairage, éclairage naturel, éclairage artificiel, Simulation Thermique Dynamique, Haute Qualité Environnementale, Facteur de Lumière de Jour, consommations électriques

ABSTRACT

In a context of energy saving, increased by the current nuclear debate, this report try to estimate electrical consumption for offices lighting when gradation lights are used. The aim is to integrate this calculation in a dynamic thermal simulation software which could give us artificial light needs hour by hour on a year of study.

The resolution of the problem follows several steps. On the first hand, the analysis of the artificial light problematic in offices. On the other hand, a bibliographical approach is led at the same time as a research on softwares able to resolve the problem. Then, the study deals with different orientations : experimental trials, an overcast sky study and a clear sky study.

Return experiment of cases where gradation lights are set up have allowed to support this work. This study has looked for a development between several angles to ensure the most global approach of the subject.

Key words : day-lighting autonomy, natural lighting, artificial lighting, Dynamic Thermal Simulation, High Quality (HEQ), Daylight Factor, electrical consumption


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NOMENCLATURE

Angle d'incidence

° Angle que fait un rayon incident avec la normale à la surface au point d'incidence. Cet angle détermine l'importance du rayonnement direct intercepté par la paroi.

Angle d'inclinaison

° Angle que fait la surface captatrice avec le plan horizontal.

Angle solide (Ω)

sr En mathématiques, en géométrie et en physique, un angle solide est l'analogue tridimensionnel de l'angle plan ou bidimensionnel.

Candela cd Unité de mesure d’intensité lumineuse

Eclairement lumineux

lx Flux lumineux reçu par unité de surface

ε : Efficacité lumineuse

lm/W Rapport entre l’éclairement lumineux et l’éclairement énergétique

Efficacité d'une lampe

lm/W Rapport entre le flux lumineux émis par la lampe et la puissance électrique consommée. Une lampe est d’autant plus économe que son efficacité lumineuse est grande.

Facteur de lumière du jour

(FLJ) %

Rapport de l’éclairement intérieur reçu en un point du plan de référence (généralement le plan de travail ou le niveau du sol) à l’éclairement extérieur simultané sur une surface horizontale en site parfaitement dégagé, par ciel couvert.

Facteur solaire (g)

%

Proportion du flux énergétique que le vitrage laisse passer, qui s'exprime en pourcentage du rayonnement reçu, que l'on appelle facteur solaire g. Il représente la somme du rayonnement transmis et celle du rayonnement absorbé puis retransmis vers l'intérieur par le vitrage.

Flux lumineux unitaire

lm

Cette grandeur exprime la puissance lumineuse émise par une lampe : elle est donnée en lumen [lm]. Les constructeurs fournissent les valeurs des flux lumineux émis par leurs lampes. Cette grandeur diminue dans le temps et il y a lieu d’en tenir compte dans la maintenance de l’éclairage.

Rayonnement énergétique (GV, DV, IV)

W/m² Puissance du rayonnement par unité de surface / flux de rayonnement électromagnétique, par unité de surface, incident sur un plan donné.

Rayonnement global

horizontal (GH) W/m² Rayonnement énergétique arrivant sur une surface horizontale.

Rayonnement global vertical

(GV) W/m²

Rayonnement énergétique arrivant sur une surface verticale. Il est donc différent pour chaque orientation.


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Homogénéité (g1, g2)

Sans dimension

Caractéristique du confort visuel qui peut être définie de deux façons différentes. L’homogénéité g1 est le rapport entre l’éclairement minimal et l’éclairement moyen, tandis que l’homogénéité g2 est le rapport entre l’éclairement minimal et l’éclairement maximal.

Luminance cd/m² Intensité d’une source dans une direction donnée divisée par l’aire apparente de cette source dans cette même direction

Lumen lm 1 lumen correspond au flux lumineux émis dans un angle solide de 1 stéradian par une source ponctuelle uniforme située au sommet de l’angle solide et dont l’intensité vaut 1 candela : lm = cd.sr

Lux lx

Unité SI d'éclairement lumineux, le lux (lx) correspond à un flux lumineux de 1 lumen (lm) couvrant uniformément une surface de 1 mètre carré (m²) :

1lux=1 lm/m²

Rayonnement direct W/m²

Rayonnement solaire incident sur un plan donné, et provenant d'un petit angle solide centré sur le disque solaire.

Rayonnement diffus

W/m² Le rayonnement diffus résulte de la diffraction de la lumière par les nuages et les molécules diverses en suspension dans l'atmosphère, et de sa réfraction par le sol.

Rayonnement solaire global

W/m² Rayonnement émis par le soleil incident sur une surface donnée. Le rayonnement direct ajouté au rayonnement diffus et au rayonnement réfléchi forme le rayonnement global.

Transmission lumineuse vitrage (TL)

% Pourcentage de lumière transmis sur la partie visible du spectre. Elle ne mesure pas l'énergie transmise (sous forme calorifique) mais uniquement le pourcentage de la lumière transmise

[Annexe 1]


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SOMMAIRE

1 INTRODUCTION................................................................................................................................ 6

2 CONTEXTE DU PROJET DE FIN D’ETUDES......................................................................................... 7

2.1 La démarche HQE .................................................................................................................... 7

2.2 Une entreprise dans la HQE .................................................................................................... 8

2.2.1 Domaines d’études ..................................................................................................... 8 2.2.2 Conseil HQE .............................................................................................................. 8

3 L’ECLAIRAGE DANS LA DEMARCHE HQE .......................................................................................... 9

3.1 Généralités .............................................................................................................................. 9

3.2 Calcul de Facteur de Lumière du Jour (FLJ) ........................................................................... 10

3.2.1 Définition du FLJ........................................................................................................10 3.2.2 Projet simulé avec le logiciel DIAL-EUROPE ...............................................................12 3.2.3 Projet simulé avec le logiciel RELUX...........................................................................13

3.3 Simulation thermique dynamique (STD)............................................................................... 14

3.3.1 Un bilan thermique et énergétique du bâtiment ............................................................14 3.3.2 Saisie des données du bâtiment sous TRNBuild ..........................................................14 3.3.3 Saisie des masques sous SIMCAD .............................................................................15 3.3.4 Compilation et définition des paramètres sur TRNSYS .................................................16 3.3.5 Notion d’éclairage dans les STD .................................................................................16 3.3.6 Exemple de STD : Centre commercial.........................................................................17

3.4 Intérêt de l’étude de fond éclairage naturel/artificiel .......................................................... 18

4 CONTEXTE ACTUEL ECLAIRAGE NATUREL /ARTIFICIEL................................................................... 19

4.1 Etat actuel du problème........................................................................................................ 19

4.1.1 Eclairage dans les locaux de bureaux .........................................................................19 4.1.2 Luminaires à gradation...............................................................................................21

4.2 Etude bibliographique et revue des logiciels ........................................................................ 23

4.2.1 Approche bibliographique...........................................................................................23 4.2.2 Logiciels de simulation thermique dynamique ..............................................................23 4.2.3 Logiciels d’éclairage artificiel ......................................................................................23

4.3 Synthèse du travail de la stagiaire précédente ..................................................................... 24

4.4 Quelle orientation pour l’étude de fond ? ............................................................................ 25


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5 ETUDE D’ECLAIRAGE NATUREL/ARTIFICIEL.................................................................................... 25

5.1 Objectifs et méthodologie..................................................................................................... 25

5.2 Etudes expérimentales.......................................................................................................... 26

5.2.1 Objectifs....................................................................................................................26 5.2.2 Méthodologie.............................................................................................................26 5.2.3 Existence d’une linéarité et comparaison expérimentale de deux mâts à gradation ........27 5.2.4 Comparaison mesures expérimentales et simulation sous RELUX ................................30

5.3 Etude en ciel couvert............................................................................................................. 31

5.3.1 Objectifs....................................................................................................................31 5.3.2 Méthodologie.............................................................................................................32 5.3.3 Choix des types de valeurs utilisés pour l’étude ...........................................................32 5.3.4 Linéarité dans tous contextes .....................................................................................34 5.3.5 Relations mises en évidence pour le cas d’étude .........................................................35 5.3.6 Transposition sous TRNSYS ......................................................................................37 5.3.7 Impact du maillage sous TRNSYS ..............................................................................39

5.4 Mise en place d’une démarche ............................................................................................. 39

5.5 Perspectives d’études en ciel clair ........................................................................................ 40

5.5.1 Problématiques .........................................................................................................40 5.5.2 Interprétations ...........................................................................................................41 5.5.3 Résolutions sous TRNSYS.........................................................................................41

5.6 Limites du système................................................................................................................ 43

6 CONCLUSION.................................................................................................................................. 44

7 BIBLIOGRAPHIE .............................................................................................................................. 45

8 SOMMAIRE DES ANNEXES.............................................................................................................. 46


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1 INTRODUCTION

Depuis quelques années, le secteur du bâtiment semble trouver un second souffle avec l’essor de la Haute Qualité Environnemental (HQE) ainsi que l’évolution de la réglementation thermique. Associées à une prise de conscience environnementale croissante, cela pousse de plus en plus les pouvoirs publics et organismes privés, à entreprendre une démarche HQE lors de construction ou de réhabilitation de bâtiments.

Un bâtiment HQE est un bâtiment qui assure toutes les qualités habituelles d’architecture, d’usage et de technique, mais dans des conditions telles que ses impacts sur l’environnement, pendant tout le cycle de vie du bâtiment, sont durablement minimisés.

De nombreux domaines techniques sont sollicités dans la démarche HQE, cela va de l‘étude thermique à la gestion des déchets ou encore la gestion de l’éclairage.

Cette réflexion globale, pendant les études de conception, permet de mieux évaluer les impacts sur l’environnement et d’endiguer ainsi la surconsommation qui caractérise nos sociétés modernes.

Issue d’un premier cursus en architecture, ce sont toutes les problématiques actuelles dans le domaine du bâtiment qui m’ont convaincu de compléter mon diplôme d’architecte par une formation d’ingénieur climatique et énergétique.

Les activités du bureau d’études ETAMINE, au sein duquel j’ai effectué mon Projet de Fin d’Etudes (PFE) ingénieur, s’inscrivent dans le contexte actuel et en accord avec mon projet professionnel. Pendant 20 semaines, mon travail a concerné essentiellement des études d’éclairage, en réponse à un besoin de l’entreprise.

Le thème général de ce Projet de Fin d’Etudes est l’autonomie en éclairage naturel.

L’entreprise attendait de moi un travail sur un sujet de fond qui est l’estimation des consommations électriques prévisionnelles pour l’éclairage de bureaux. Cependant, le bureau d’études se pose aussi d’autres questions sur le thème de l’éclairage en général, problématiques que les ingénieurs m’ont soumises ponctuellement et auxquelles j’ai essayé d’apporter des réponses. Les affaires qu’ils traitent ont été l’occasion de me former sur les logiciels utiles pour mon étude, de me familiariser avec toutes les notions inhérentes au thème de l’éclairage et de découvrir le travail d’un ingénieur HQE chez Etamine.


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2 CONTEXTE DU PROJET DE FIN D’ETUDES

2.1 La démarche HQE

La Haute Qualité Environnementale des bâtiments est un concept apparu au début des années 90 et qui s'est depuis largement développé. Il ne s'agit pas d'une réglementation ni d'un label, mais d'une démarche volontaire.

La qualité environnementale suppose une prise en compte de l’environnement à toutes les étapes de l’élaboration et de la vie des bâtiments : programmation, conception, construction, (gestion, utilisation), et déconstruction… Tous les acteurs de la construction étant concernés, ils doivent agir de manière concertée. Lors d’une conception HQE se posent les questions de diminution des consommations énergétiques, des coûts d’entretien et de la durabilité du bâtiment ainsi que de ses équipements.

L’ensemble des exigences particulières, que le maître d’ouvrage peut satisfaire, a été identifié dans une liste de « cibles de la qualité environnementale » (définie par l’association HQE®), composée de 14 cibles appelées à évoluer. Pour la certification HQE, chaque cible propose trois niveaux de performance (base, performant, très performant) permettant d’établir une priorisation des actions. [Annexe 2]

L'offre de certification de la démarche HQE répond essentiellement au besoin d'une reconnaissance du travail accompli par les acteurs de l’opération ainsi que des qualités environnementales obtenues. La certification, tout comme la démarche, reste un acte volontaire, sans aucune condition ni obligation. Les certifications « HQE » sont multiples, parmi elles l’appellation « NF bâtiment – démarche HQE». Elles s’appliquent depuis 2005 au secteur tertiaire ainsi qu’à celui de l’habitat. L’organisme de certification valide le système de management de l’opération, le respect des exigences environnementales fixées ainsi que le respect de la réglementation. Trois audits sont réalisés sur les phases de programmation, de conception puis de construction. Pour obtenir la certification, au minimum trois des cibles devront atteindre le niveau « très performant », et au minimum quatre le niveau « performant ». Les autres cibles pourront être au niveau « base ».

Cependant, récemment a été observée la mise en place, en parallèle, de référentiels visant à définir un cahier des charges commun à toutes les opérations de construction ou de réhabilitation s’inspirant de la démarche HQE. C’est le cas, par exemple, du référentiel « Habitat Durable » mis en place par le Grand Lyon pour les logements.

Même si la naissance de nouveaux référentiels démontre un réel intérêt en faveur d’un parc immobilier plus respectueux de l’environnement, une telle multiplication des référentiels peut aussi entrainer un manque de lisibilité et surtout un moindre recours à la démarche HQE.

Mais également, la démarche de certification HQE peut présenter certains effets pervers. En effet, adopter cette démarche c’est aussi prendre le risque de concevoir le projet en faisant le minimum pour l’obtention de la certification et en laissant de coté les mesures qui pourraient avoir un réel impact sur l’environnement. De plus, en imposant de respecter les niveaux recommandés minimum sur les 14 cibles qui constituent la certification HQE, le projet peut s’orienter vers des mesures sans intérêt pour lui-même, qui en plus peuvent être coûteuses, et représenter ainsi autant d’argent en moins investi dans des mesures efficaces.


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2.2 Une entreprise dans la HQE

ETAMINE est un bureau d'études thermiques et aérauliques dont la vocation est d'accompagner le maître d'ouvrage ou les équipes de maîtrise d’œuvre [Annexe 3] dans la réalisation de projets exemplaires et performants au niveau de la qualité des ambiances (confort, santé) et des impacts du bâtiment sur l'environnement. Les types de bâtiments sur lesquels travaille ETAMINE sont variés : logements, bureaux, écoles, hôpitaux, centres commerciaux…

2.2.1 Domaines d’études

Dans des projets neufs ou de restructuration, ETAMINE intervient en amont des études de conception ou en parallèle à celles-ci. Son expertise se porte sur les points suivants :

- Etudes comparatives de filières énergétiques, faisabilité des énergies renouvelables, - Optimisation des dimensionnements et des consommations des systèmes

énergétiques, - Etude de climatisation passive ou à faible niveau d'énergie, - Détermination du meilleur compromis entre confort d'été et éclairage naturel, - Ventilation mécanique ou naturelle des grands volumes, - …

En phase d’exploitation, ETAMINE assiste le maître d’ouvrage dans l’optimisation de ses usages de l’énergie, notamment par la réalisation d’audits énergétiques.

2.2.2 Conseil HQE

Dans le cadre d’une certification, en tant qu’assistant du maître d’ouvrage, la première étape est de définir, en collaboration avec ce dernier, les cibles prioritaires, au regard des objectifs du programme, parmi les 14 cibles formulées dans la HQE. Le niveau d'exigence HQE pour chaque cible (base, performant ou très performant), les moyens à dégager pour satisfaire les objectifs ainsi que les indicateurs permettant de vérifier les résultats font l'objet d'une réflexion commune entre la maîtrise d'œuvre et la maîtrise d'ouvrage.

Hors du cadre de la certification, le travail ne s’axe pas toujours suivant les 14 cibles.

En tant que maître d’œuvre, selon les priorités du maître d'ouvrage, et une fois précisés les objectifs et les moyens, ETAMINE, intervient aux différentes phases du projet, des études préliminaires à la réception des ouvrages, voire après, pour :

- Valider ou optimiser les choix architecturaux au niveau de l’enveloppe, des matériaux et des procédés au moyen d’analyses énergétiques, d’analyses de cycle de vie…

- Garantir le confort thermique et visuel avec une dépense énergétique minimale, grâce à la simulation thermique dynamique, la modélisation de l’éclairage naturel, …

- Mobiliser les acteurs et faire respecter les exigences HQE en phase chantier - Aider les utilisateurs à prendre en main les équipements et leur gestion


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3 L’ECLAIRAGE DANS LA DEMARCHE HQE

3.1 Généralités

Les préoccupations des référentiels HQE en termes d’accès à la lumière du jour et aux vues dans les espaces est un élément essentiel. Chaque référentiel HQE a ses propres exigences mais elles sont en général très similaires. A Lyon, les référentiels les plus répandus pour les logements sont les référentiels Grand Lyon et Région Rhône Alpes.

Dans les référentiels HQE, la cible 10, concernant le confort visuel, traite la notion d’éclairage naturel mais aussi la notion d’éclairage artificiel. [Annexe 4]

Figure 1 : Définition générale de la Cible 10, Référentiel QEB pour les bâtiments de type « Bureaux - Enseignement », Certivéa, Décembre 2008 [Annexe 4]

Afin de réaliser les conditions de confort visuel dans un environnement intérieur il convient d’assurer un éclairage naturel optimal en terme de confort afin de profiter au mieux de la lumière naturelle. A l’heure actuelle, les maitres d’ouvrage se doivent d’assurer des niveaux d’éclairement suffisants. Les exigences à respecter sont de différents types :

- respect de pourcentage d’espaces ayant accès à la lumière du jour

- respect d’un éclairement naturel minimal faisant intervenir la notion de Facteur de Lumière du Jour (FLJ)

Les exigences de confort visuel de la cible 10 traitent aussi l’éclairage artificiel. Elles consistent, de manière simplifiée, d’une part à respecter des niveaux d’éclairement comme par exemple 300 [lux] sur un bureau, et d’autre part à avoir une ambiance lumineuse


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satisfaisante quantitativement en termes d’éclairement et d’équilibre des luminances, et qualitativement en termes de couleurs. [Annexe 4]

L'éclairage intérieur dépend à la fois de l'éclairage naturel provenant de l'extérieur et de l'éclairage artificiel mis en place. Cependant, il faut savoir que l’éclairage naturel n’est généralement pas pris en compte lors du dimensionnement des luminaires : la puissance installée est celle qui est utile lorsqu’il fait nuit.

Or, l’éclairage artificiel représente une part non négligeable de la consommation d’énergie d’un bâtiment et contribue à l’augmentation des températures intérieures l’été. Il est donc nécessaire, lors de la conception d’un bâtiment, de réfléchir à l’accès à la lumière naturelle et à la gestion de l’éclairage artificiel.

La norme NF EN 15193 de Novembre 2007 spécifie la méthodologie de calcul permettant d’évaluer la quantité d’énergie utilisée pour l’éclairage d’un bâtiment neuf ou existant. [8]

3.2 Calcul de Facteur de Lumière du Jour (FLJ)

3.2.1 Définition du FLJ

La cible 10 s’intéresse au confort en termes d’éclairage naturel. Pour qualifier celui-ci, on utilise une grandeur appelée FLJ, Facteur de Lumière du Jour, qui se calcule pour un ciel normalisé, qui correspond en réalité à un ciel couvert selon la norme CIE (Commission Internationale de l’Eclairage).

Le FLJ est le rapport de l’éclairement intérieur reçu en un point du plan de référence (généralement le plan de travail ou le niveau du sol) à l’éclairement extérieur simultané sur une surface horizontale en site parfaitement dégagé, par ciel couvert :

horizontalext

horizontal

E

EFLJ int=

Figure 2 : Représentation du ciel couvert CIE et du FLJ

Le FLJ se calcule donc dès lors qu’il n’y a pas de rayonnement direct. Il s’exprime en pourcentage.


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Les exigences imposées par les certifications HQE ou celles fixées par le cahier des charges varient en fonction du niveau de performance à atteindre, et peuvent par exemple recommander qu’un certain pourcentage (généralement 80 [%]) de la surface de premier rang, atteigne une valeur donnée de FLJ. La surface de premier rang est définie comme deux fois la distance entre le plafond et le plan de travail (pour ordre d’idée, le plan de travail dans des bureaux est souvent pris à 0,80 [m] du sol). Dans d’autres cas, il s’agit de respecter un FLJ moyen sur toute la surface.

Figure 3 : Exigences en terme d’éclairement naturel, Cible 10, Référentiel QEB pour les bâtiments de type « Bureaux-Enseignement », Certivéa, Décembre 2008 [Annexe 4]

La comparaison aux exigences s’avère parfois déconcertante (exigences trop élevées, irréalistes), et peut poser des problèmes dans la réalisation des objectifs fixés dans le cadre d’une démarche de QEB.

ETAMINE utilise deux logiciels pour ses calculs de FLJ : DIAL-EUROPE ou RELUX. Il s’agit d’outils d’aide à la conception de l’éclairage naturel pouvant être utilisés très tôt dans la conception d’un projet.


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3.2.2 Projet simulé avec le logiciel DIAL-EUROPE

Les simulations d’éclairage réalisées à l’aide du logiciel DIAL nécessitent peu de paramètres : dimensions de la pièce et des ouvertures, positions des ouvertures, masques à l’horizon, coefficients de réflexion des parois [Annexe 5] et transmission lumineuse des vitrages.

Le principal avantage de cet outil est qu’il ne nécessite absolument aucune connaissance en matière d’éclairage. L’unique difficulté peut résider dans la saisie des coefficients de réflexion des surfaces type plafond, mur et sol (Coefficients de réflexion des parois courantes en annexe). Il est nécessaire de connaître leur ordre de grandeur et de prendre une valeur moyenne. En général, on prend :

- Plafond : 0.7 - Mur : 0.5 - Sol : 0.3

Une fois tous ces paramètres saisis, DIAL calcule le FLJ. A la suite d’une simulation, plusieurs résultats peuvent être exploités par comparaison aux exigences :

- FLJ moyen sur l’ensemble de la pièce - Pourcentage de FLJ supérieur à une valeur minimum - Uniformité de l’éclairage

L’interface du logiciel DIAL-EUROPE est la suivante :

Figure 4 : Interface du logiciel DIAL-EUROPE

En cas de non-conformité, il faut inciter l’architecte à modifier la géométrie de la fenêtre, sa transmission lumineuse, ou modifier les revêtements intérieurs (c'est-à-dire jouer sur le coefficient de réflexion des surfaces). De manière générale, il faut également trouver un compromis entre l’éclairage naturel (beaucoup de surface vitrée) et le fait de limiter les déperditions thermiques (pas trop de surface vitrée).

Echelle de couleur des FLJ obtenus dans la pièce étudiée

Visualisation des FLJ obtenus dans la pièce étudiée (cf. échelle de couleur)

Valeurs maximale, moyenne, minimale obtenues pour la pièce


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DIAL-EUROPE montre très vite ses limites, essentiellement en termes de modélisation de géométrie poussée. De plus, il ne simule que l’éclairage naturel.

3.2.3 Projet simulé avec le logiciel RELUX

Le logiciel RELUX permet de réaliser des simulations d’éclairage naturel et d’estimer les FLJ d’une pièce comme le logiciel DIAL. De plus, il permet de modéliser des géométries complexes et peut être utilisé pour l’éclairage artificiel. [9] [15]

Les paramètres à saisir sont les mêmes que sous DIAL mais on peut ajouter du mobilier pour un rendu plus agréable visuellement. De plus, les résultats sont plus complets, on peut notamment avoir les valeurs d’éclairement naturel en chaque point du local. On peut, comme sous DIAL, faire des calculs d’autonomie en éclairage naturel en lui fixant une valeur minimale d’éclairement dans le local. Traitant en plus l’éclairage artificiel, il permet aussi des études sous cet angle.

Voilà la présentation des résultats d’un calcul de FLJ sous RELUX :

Figure 5 : Exemple de résultats de calcul de FLJ avec le logiciel RELUX

Cependant les résultats obtenus sous RELUX sont plus pessimistes que ceux de DIAL-EUROPE. Or les référentiels HQE n’obligent pas l’utilisation d’un logiciel en particulier mais ils fixent des exigences et proposent en général un logiciel. Pour l’éclairage naturel et le calcul de FLJ, ils proposent DIAL-EUROPE donc chaque fois que l’on utilise RELUX, on se pénalise.

Le choix d’utilisation d’un logiciel va donc varier en fonction de la complexité d’un projet. Dès lors que la géométrie sera inhabituelle, on choisira RELUX. Au contraire, dans un souci de rapidité, dans des cas simples ou avec des objectifs de validation d’exigence difficiles à atteindre, on choisira DIAL-EUROPE.


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3.3 Simulation thermique dynamique (STD)

Les simulations thermiques dynamiques sont un élément essentiel de tout bureau d’étude HQE, puisqu’elles permettent d’orienter les choix énergétiques du projet et de donner des arguments chiffrés aux divers intervenants du projet.

Elles n’ont pas de valeurs réglementaires ni d’objectifs de certification mais elles sont très utiles en phase de conception ou pour vérifier les notions de confort dans des locaux.

Les sorties sont multiples et peuvent permettre de prédire le comportement d’un bâtiment en termes de température mais aussi de connaître les besoins d’un bâtiment en termes de chauffage, de climatisation, de ventilation, … et en terme d’éclairage.

A partir de ces besoins, nous sommes alors capables d’estimer des consommations en énergie finale selon les différentes sources d’énergie choisies.

3.3.1 Un bilan thermique et énergétique du bâtiment Les simulations thermiques dynamiques sont effectuées, chez ETAMINE, à l’aide du logiciel TRNSYS, distribué par le Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB). Elles permettent de suivre le comportement d’un bâtiment de manière annuelle.

Sur la base d’un fichier de données météo horaires du site (température, humidité, rayonnement solaire…) et des différentes caractéristiques du bâtiment, TRNSYS permet de suivre heure par heure les températures, les besoins en chaud et en froid ou encore les besoins d’éclairage artificiel du bâtiment étudié.

On peut alors envisager différentes stratégies de gestion du chauffage, du rafraîchissement, de la ventilation ou de l’éclairage.

Cette étude est très importante lors de la phase de conception où plusieurs solutions sont proposées, afin de confronter leurs intérêts environnementaux, économiques et pratiques. La STD permet à l’ingénieur HQE d’avoir des éléments concrets de comparaison des différentes solutions et d’argumenter ses choix auprès de l’équipe d’architectes et au sein de l’équipe de maîtrise d’ouvrage ou maîtrise d’œuvre.

Avec TRNSYS, deux logiciels annexes sont utilisés :

- TRNBUILD où l’on saisit toutes les données physiques internes au bâtiment

- SIMCAD pour décrire les masques effectués par les bâtiments voisins sur le bâtiment étudié

3.3.2 Saisie des données du bâtiment sous TRNBuild La première étape d’une STD est le « zonage » qui permet de découper le bâtiment étudié en différentes zones thermiquement homogènes. Les pièces sont donc regroupées selon leur orientation, leur planning d’occupation, les consignes de chaud/froid, …


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Ensuite, il faut lister les surfaces des parois et des fenêtres de chaque zone ainsi que celle à laquelle elles sont adjacentes ou leur orientation.

Il faut alors définir pour chaque zone son planning d’occupation, de bureautique, d’éclairage, de ventilation, ainsi que sa température de consigne en été et en hiver, les infiltrations d’air et les apports internes (nombre de personnes, d’ordinateurs, puissance d’éclairage).

Tous ces paramètres sont renseignés dans le logiciel TRNBUILD qui génère un fichier exploitable par TRNSYS.

3.3.3 Saisie des masques sous SIMCAD

SIMCAD permet, pour différentes fenêtres « types », de tenir compte de l’influence des masques créés par les bâtiments alentours ou par le bâtiment lui-même. On modélise donc en 3D notre bâtiment, les fenêtres étudiées et les bâtiments alentours. SIMCAD calcule alors l’angle d’incidence formé par les masques selon 20 orientations différentes. On considère qu’un masque est à prendre en compte si son angle d’incidence est supérieur à 10 [°].

Figure 6 : Définition de l’angle d’incidence formé par le masque

L’interface graphique de SIMCAD est la suivante :

Figure 7 : Interface graphique de SIMCAD

)tan(d

hArc=α


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Le bâtiment étudié est au centre, ses fenêtres sont jaunes. SIMCAD génère un fichier EXCEL donnant pour chaque fenêtre et chaque orientation, l’angle d’incidence du masque. Ce fichier est également exploitable par TRNSYS.

3.3.4 Compilation et définition des paramètres sur TRNSYS

TRNSYS est le logiciel qui permet de lancer la simulation en compilant tous les paramètres définis dans SIMCAD, dans TRNBuild et directement dans TRNSYS. Ces paramètres possèdent chacun des entrées et des sorties et sont reliés entre eux par différentes connexions.

Une fois que tous les modules sont configurés correctement et reliés convenablement entre eux, on lance la simulation. [Annexe 6]

Il faut alors vérifier la cohérence des résultats, phase très importante avant la phase d’exploitation des résultats car cela elle permet la validation du modèle. Puis l’exploitation des résultats a lieu, par exemple l’évolution de la température et des besoins de chaud/froid.

3.3.5 Notion d’éclairage dans les STD Au cours de mon stage, j’ai utilisé TRNSYS pour réaliser une simulation thermique dynamique d’un projet de centre commercial dans une démarche de certification BREEAM, équivalent britannique de la certification HQE.

L’objectif était de se familiariser avec le logiciel afin de situer tous les tenants et aboutissants de l’étude d’éclairage. Malheureusement il n’y avait pas de STD à faire sur un projet de bureaux, ce qui aurait plus correspondu à mon étude de fond. Celle que j’ai réalisé a donc concernée un centre commercial. Néanmoins les principes de simulation restent similaires.

L’éclairage artificiel représente une consommation importante d’énergie dans un bâtiment, que l’on peut cherche à estimer à l’aide d’une simulation thermique dynamique. A l’heure actuelle, en l’absence de formule de calcul évoluée, le logiciel se base sur un planning d’éclairage qu’on définit et un nombre de watt par m² multiplié par la surface qu’on lui rentre pour calculer un besoin d’éclairage :

12.._ 111 ZZZ SurfaceeclPlanningEcl =

Le nombre de watt par m², ici 12 [W/m²] (valeur usuellee dans le cas d’un centre commercial), est donc une valeur en tout ou rien ou peut être pondérée par un planning. Néanmoins cette valeur n’évolue pas en fonction des conditions d’éclairage naturel, contrainte par cette formule de calcul. Peu importe la quantité d’éclairement naturel arrivant dans le local, la valeur d’éclairage artificiel sera la même.

Or la puissance d’éclairage installée est celle qui est utile lorsqu’il fait nuit et qu’il n’y aucun apport lumineux extérieur. Cela induit des consommations d’éclairage surestimées le reste du temps.


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Une bonne gestion de l’éclairage artificiel permettrait donc de réaliser des gains importants sur les consommations électriques, mais également d’améliorer le confort visuel. [14]

3.3.6 Exemple de STD : Centre commercial

Pour ce projet de centre commercial, les grandes lignes sont définies par le maître d’ouvrage mais tout ce qui concerne les systèmes énergétiques est à la charge des preneurs c'est-à-dire des commerçants qui s’installent dans les locaux. En réponse aux exigences BREEAM, une disposition significative est d’ores et déjà intégrée au projet : l’intégration de contraintes dans le cahier des charges Preneurs, relatives aux puissances d’éclairage installées dans les boutiques, aux systèmes de chauffage et de refroidissement. Nous ne verrons ici que les informations en rapport avec l’éclairage et de manière très condensée vu la taille de l’étude réalisée.

Pour les restaurants et les commerces, un éclairage de fond et un éclairage de mise en valeur produits sont combinés. L’éclairage de fond est de [12 W/m²] sur toute la surface du local concerné tandis que l’éclairage de mise en valeur est pris à 70 [W/m²] sur 40 [%] de la surface totale du local. C’est pourquoi, dans notre cas de base, on prend en compte une puissance d’éclairage globale de 40 [W/m²] pour les restaurants et les commerces.

En variante, on a choisi d’étudier l’impact d’une diminution de l’éclairage sur le bilan thermique et sur les consommations du bâtiment. L’éclairage de fond est alors toujours de 12 [W/m²] sur toute la surface du local concerné tandis que l’éclairage de mise en valeur est pris pour moitié par rapport au cas de base (35 [W/m²] au lieu de 70 [W/m²]). On obtient donc une puissance d’éclairage globale de 26 [W/m²].

Cas de base Variante

Chauffage 12.25 24.81

Climatisation 31.77 16.43

Eclairage 665.76 222.58

Ventilateurs 25.10 25.10

Auxiliaires 4.00 4.00

TOTAL 738.88 292.92

Figure 8 : Consommation en énergie primaire [kWhEP/m².an]

On constate que l’éclairage représente la part la plus importante des consommations en énergie primaire du centre commercial. De plus, de plus faibles puissances d’éclairage impliquent une diminution des températures dans les locaux. En hiver les consommations de chauffage sont donc augmentées mais en été les consommations de climatisation diminuent.


18

Avec les valeurs diminuées de puissances d’éclairage, les consommations totales en énergie primaire sont inférieures de 60 [%] aux consommations obtenues avec le scénario de base, en grande partie grâce aux consommations électriques réduites pour le poste éclairage.

En conclusion, l’analyse des consommations renforce l’idée que la diminution des puissances d’éclairage consommées doit être la priorité étant donné le poids que représente cet usage dans le bilan des consommations.

Ce cas est un cas extrême puisque les puissances d’éclairage dans ce type de locaux sont très importantes, bien plus que pour des locaux de bureaux. Mais l’exemple est parlant et nous montre l’importance d’imposer des seuils stricts aux preneurs afin de limiter l’éclairage consommé pour la mise en valeur des produits.

Dans le cas de bureaux, les solutions pour réduire les consommations d’éclairage seront un peu différentes mais passeront dans un premier temps par l’optimisation de l’éclairage naturel.

3.4 Intérêt de l’étude de fond éclairage naturel/ar tificiel

Nous venons de voir l’importance du poste d’éclairage sur les consommations énergétiques et l’intérêt de les réduire. L’étude de fond a pour objectif d’estimer des consommations électriques prévisionnelles pour l’éclairage de bureaux.

A l’heure actuelle, dans le cadre de bâtiments performants, des luminaires à gradation selon la luminosité sont préconisés dans les locaux de bureaux. Ce système est donc judicieusement conçu pour faire des économies d’électricité puisqu’il ne délivre que l’éclairage nécessaire selon des conditions définies au préalable et en fonction de l’éclairement intérieur.

Les paramètres qui influent sur la quantité d’éclairement dans la pièce sont nombreux : la météo du site, la géométrie du local, la définition du plan de travail, l’orientation, la fenêtre et son type de vitrage, la gestion des stores mais aussi le type de luminaire et le mode d’éclairage, …

Le but est, à terme, d’intégrer sous TRNSYS l’autonomie d’éclairage naturel pour calculer les consommations d’éclairage. On souhaite rentrer dans TRNSYS une relation à partir de laquelle, et grâce aux données météo, on puisse directement obtenir la puissance d’éclairage pour chaque pas de temps. Cela s’applique donc à tous les futurs projets d’ETAMINE, sous TRNSYS, concernant des bureaux.

Cet outil pourrait être utilisé dès la première simulation thermique dynamique d’un projet, en phase APS voire concours, afin d’estimer des consommations moindres et surtout plus proches de la réalité tout en préconisant un type de matériel pour les obtenir.


19

4 CONTEXTE ACTUEL ECLAIRAGE NATUREL /ARTIFICIEL

4.1 Etat actuel du problème

4.1.1 Eclairage dans les locaux de bureaux

L’estimation des consommations électriques prévisionnelles pour l’éclairage est un sujet d’actualité à l’heure où l’on cherche par tous les moyens à faire des économies d’électricité. L’augmentation des surfaces vitrées afin d’apporter plus d’éclairage naturel n’est pas une solution en soit, bien que la lumière naturelle soit une des plus efficace, puisque plus il y a de vitrages, plus le fait de devoir chauffer grandit.

Figure 9 : Comparaison des efficacités de différentes lampes et de la lumière naturelle [1]

Le coût global à considérer est un coût global énergétique qui cumule les consommations de chauffage et les consommations électriques d’éclairage. [13]

Le cas de bureaux est considéré pour notre étude car les consommations d’éclairage associées à celles de la bureautique sont relativement importantes et ont pour conséquence directe de plus grands besoins en climatisation.

En règle générale, sur un plan de travail de type bureau, l’éclairement préconisé varie de 300 à 400 [lux].

Le bureau d’études ENERTECH a réalisé des études sur une cinquantaine de bâtiments de bureaux de la Région PACA. Les durées de fonctionnement ainsi que les consommations d’éclairage des différentes pièces instrumentées sont données dans le tableau suivant.


20

Figure 10 : Résumé des principaux résultats relatifs à l’éclairage [5]

On remarque que les besoins dépendent fortement du type de pièce et que ce sont les bureaux qui possèdent les besoins les plus importants. [4]

Au niveau régional, la consommation moyenne d’éclairage est égale à 26,7 [kWh/m².an] ou 674 [kWh/personne.an]. L’essentiel de la consommation est à attribuer aux pièces de bureaux et aux circulations. [5]

Figure 11 : Répartition de la consommation moyenne annuelle surfacique d’éclairage entre les différents locaux [5]

Le fabricant WALDMANN a réalisé une étude de terrain comparative sur la consommation d’énergie des installations d’éclairage artificiel de bureaux dans un bâtiment administratif de ThyssenKrupp AG en Allemagne. L’étude compare deux solutions d’éclairage, chacune ayant deux orientations. Elle évalue des plafonniers conventionnels avec grille de défilement par rapport à des lampadaires ; seuls ces derniers étant régulés par des détecteurs de présence et de lumière du jour. Un équipement de mesure approprié a permis l’enregistrement des temps de présence et des états de commutation et de gradation. L’essai a duré 12 mois afin de permettre l’exploitation des données sur un cycle complet d’une année.

Pour les deux solutions, le besoin individuel de lumière de l’utilisateur exerce une grande influence sur la consommation réelle. En outre, il s’avère que la détection de présence et de lumière du jour qui équipe les luminaires modernes a un effet fortement positif sur le résultat. L’étude a, jusqu’ici, confirmé une économie réelle de 43 [%] dans le cas de l’utilisation de

Circulations (24%)

Bureaux (68%) Locaux communs

(14%)

Sanitaires (4%)


21

systèmes intelligents de gestion de l’éclairage en comparaison avec des solutions conventionnelles. [17]

Figure 12 : Résultats de l’étude menée par WALDMANN : cas d’éclairage plafonnier à gauche, cas d’éclairage avec lampadaire à droite [17]

4.1.2 Luminaires à gradation

Dans le contexte actuel d’économies d’énergie, des modes de gestion de l’éclairage artificiel apparaissent ou se perfectionnent afin d’éviter les consommations inutiles comme la gestion horaire, la détection de présence ou la gestion en fonction de l’éclairage naturel.

Le sujet qui nous intéresse ici est celui du cas des bâtiments de bureaux. Des luminaires à gradation sont de plus en plus préconisés dans ces lieux. De nombreux fabricants en proposent mais leurs fonctionnements et performances diffèrent selon les mâts. [Annexe7]


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Ces luminaires sont des luminaires gradables en fonction de la lumière naturelle et munis d’une détection de présence. Cette détection se fait soit par hautes fréquences soit par infrarouge. La détection à hautes fréquences est plus réactive. Les « mâts » proposent des réglages individuels de leurs paramètres comme, en général, le seuil d’éclairage naturel, la temporisation, …

Comme il s’agit de tube fluorescent, une temporisation est nécessaire. Le tube fluorescent doit en effet rester allumé un certain temps pour éviter une dégradation prématurée due à des allumage/extinction intempestifs.

Ces systèmes ont aussi la particularité de consommer de l’électricité dès lors qu’ils sont branchés, même lorsqu’ils ne produisent pas de lumière. Cela correspond en général à quelques pourcents de la puissance maximale de la lampe, il s’agit de la puissance nécessaire pour alimenter le ballast électronique.

D’autres critères permettent encore de caractériser les appareils comme le seuil minimum d’éclairement, le temps minimum entre l’allumage dû à la détection de présence et l’extinction due à la lumière naturelle, les parts de direct et d’indirect (s’il n’y a pas de plafonniers dans une pièce, d’un point de vue confort, l’indirect doit être suffisant afin de voir dans toute la pièce), …

Marque et nom

luminaire

Seuil minimum

de puissance d'éclairage

Seuil minimum

d'éclairement (lux)

Temps minimum entre l'allumage dû à la détection de

présence et l'extinction due

à la lumière naturelle

Type de détection

de présence

Temporisation nécessaire

WALDMANN Système PULSE

HFMD IV

2% (ballast) 10 lux possible (réglable)

ne s'allume pas (mesure toutes les µs)

Hautes fréquences

15 min (réglable jusqu’à 5 minutes)

ETAP EMD 3% (ballast) 500 lux (non

réglable)

ne s’allume pas (puissance consommée à 3% de la puissance max)

Infrarouge 20 min

REGENT Hello Smart

3% (ballast) Mode veille : 0.5 W

3% (réglable)

10 minutes : pour éviter les phénomènes de variations d'éclairage extérieur (nuages)

Infrarouge

12 min (temporisation pour éviter des variations d'éclairage de la lampe dues à des absences courtes du poste de travail et ainsi augmenter la durabilité de la lampe)

Figure 13 : Etude comparative de luminaires gradables [7]


23

4.2 Etude bibliographique et revue des logiciels

4.2.1 Approche bibliographique

Parallèlement à l’approche contextuelle, l’approche bibliographique avait un but précis : trouver des informations sur l’estimation des consommations d’éclairage, par exemple dans des notices de logiciels. Malheureusement cette recherche n’a pas répondu à nos attentes. Aucune étude sur le moyen d’estimer des consommations d’éclairage n’a pu être décelée. Des documents ont été trouvés mais plutôt des généralités sur l’éclairage, source d’information néanmoins utile.

Cette approche n’a donc pas été très concluante du point de vue démarche à suivre pour cette étude.

4.2.2 Logiciels de simulation thermique dynamique A l’heure actuelle, le calcul des consommations d’éclairage artificiel en fonction de l’éclairage naturel est un outil qui se développe de plus en plus dans les logiciels de simulation thermique dynamique.

Cependant aucun développeur de TRNSYS ne semble pour l’instant avoir créé le composant qui permettrait ce calcul. [12] C’est pourquoi ETAMINE cherche à le faire.

Le logiciel de simulation thermique dynamique DESIGNBUILDER permet ce calcul mais bien que la notice soit très détaillée sur toutes les méthodes de calcul, elle en est d’autant plus compliquée. L’approche a semblé trop complexe et pas adapté à notre situation d’étude, c’est pourquoi cette piste n’a pas été poursuivie. [11]

Le logiciel PLEIADES-COMFIE est en cours de développement d’un module « Eclairement » mais cette version n’est pas encore disponible. De plus, il semblerait qu’elle ne propose pas beaucoup plus que ce le logiciel RELUX sait faire. [16]

4.2.3 Logiciels d’éclairage artificiel Il existe un certain nombre de logiciel d’éclairage mais tous ne traite pas l’éclairage artificiel.

En logiciels d’éclairage artificiel, nous avons déjà présenté RELUX puisque c’est un outil qu’utilise ETAMINE pour ses calculs de FLJ mais il en existe quelques autres. [2] La revue des logiciels disponibles a été plutôt rapide puisqu’elle s’est basée sur l’étude d’une stagiaire précédente. C’est pourquoi le choix s’est surtout fait entre deux logiciels : RELUX ou DIALUX.

Le logiciel DIALUX est très similaire à RELUX de part son interface mais aussi son rendu. Leurs résultats sont relativement similaires. Les quelques fonctionnalités supplémentaires que DIALUX apportent ne suffisent pas à compenser son inconvénient majeur : son temps de calcul est bien plus long que celui de RELUX (environ cinq fois plus). [6] [10]


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4.3 Synthèse du travail de la stagiaire précédente

Notre travail se base sur une étude précédemment effectuée par une stagiaire d’ETAMINE. [3] De cette étude nous retiendrons certaines relations mises en place mais aussi certaines leçons comme des orientations à ne pas suivre ou des approximations à éviter.

Le cheminement qu’elle a suivi dans un premier temps pour tenter de résoudre le problème est un bon récapitulatif schématique de nos objectifs :

²]/[][][²]/[ int mWPluxEluxEmWGlobaltRayonnemen éclext →→→

Le logiciel TRNSYS fournit un rayonnement énergétique (en [W/m²]). Il a donc fallu, dans un premier temps, définir la relation entre éclairement énergétique et éclairement lumineux (en [lux]), puisque les logiciels d’éclairage fonctionnent généralement avec un éclairement lumineux.

Le coefficient entre l’éclairement énergétique et l’éclairement lumineux est appelé efficacité lumineuse. Il est valable aussi bien pour l’éclairement horizontal que pour l’éclairement vertical. Sa valeur peut être calculée pour chaque ville à l’aide du logiciel Satel-Light, disponible sur internet, qui fournit l’éclairement lumineux et l’éclairement énergétique pour chaque mois de l’année. [19] On a donc :

GVE verticalext ×= ε et

GHE horizontalext ×= ε, avec ε = 110 [lm/W] à Lyon

Une fois l’éclairement lumineux extérieur obtenu, il reste à connaître la part de cet éclairement qui arrive sur le plan de travail. Le Facteur de Lumière de Jour (FLJ) étant défini comme le rapport entre l’éclairement intérieur et l’éclairement extérieur arrivant simultanément sur une surface horizontale en ciel couvert, on obtient facilement :

horizontalextEFLJE ×=int

Cependant le FLJ ne se calcule qu’en ciel couvert. Cette relation n’est donc valable que sous ces conditions.

Pour ensuite passer de l’éclairement intérieur reçu par un plan de travail à une puissance d’éclairage nécessaire, son étude a montré qu’il existait une relation telle que :

bEaPécl += int.

Malheureusement, la relation qu’elle a défini était spécifique à un cas et valable sous certaines conditions.

Le reste de son étude est un peu dispersé mais très utile du coup pour savoir quelle orientation choisir pour cette nouvelle étude. On retiendra qu’il existe trois cas et donc trois problématiques au sein de ce sujet. Ces trois cas sont définis par le type de ciel :

- Ciel couvert - Ciel clair, façade ombrée - Ciel clair, façade ensoleillée

Chaque cas possède sa propre résolution.


25

4.4 Quelle orientation pour l’étude de fond ?

Les recherches bibliographiques sur le sujet d’estimation de consommations électriques prévisionnelles d’éclairage n’ayant pas réellement abouti, l’idée était de repartir d’un cas simple avec, à l’esprit, la démarche de la stagiaire précédente et certaines relations qu’elle a mises en place.

La possibilité de faire des milliers de simulations et ensuite d’en tirer des corrélations n’a pas été envisagée car trop peu cadrée et par conséquent non susceptible d’aboutir un jour.

Il a donc été choisi l’approche expérimentale ciblée avec traitement du cas en ciel couvert dans un premier temps.

D’un point de vue logiciel, le choix de RELUX a semblé finalement le plus approprié pour traiter ce sujet, en choisir un autre n’aurait pas permis de garantir la résolution du problème.

5 ETUDE D’ECLAIRAGE NATUREL/ARTIFICIEL

5.1 Objectifs et méthodologie

Cette étude cherche donc à estimer les consommations électriques prévisionnelles pour l’éclairage de bureaux lorsque les luminaires sont équipés d’un système de gradation selon la luminosité qui maintient le nombre de lux à une valeur de consigne sur le plan de travail.

Des économies appréciables peuvent être réalisées en adaptant le « temps d’allumage » et le flux lumineux à l’occupation réelle des locaux et aux besoins effectifs en éclairement.

L’étude s’est faite à l’aide du logiciel de simulation d’éclairage RELUX. Concrètement, on cherche à établir une relation liant la puissance d’éclairage nécessaire en fonction de l’éclairement extérieur. Au cours de cette étude, certaines hypothèses ont aussi été validées expérimentalement.

Vu l’étendu du travail, et au fur et à mesure de l’étude, l’objectif s’est recentré sur la résolution du problème en ciel couvert dans un premier temps. Le cas du ciel clair est en réalité un sujet à part entière.

De plus, les paramètres qui influent sur l’étude sont nombreux :

- La taille des bureaux : individuel, partagé, ou open-space

- La définition du plan de travail

- L’orientation des bureaux N/S/E/W

- La taille et la position de la ou des fenêtres

- Les caractéristiques optiques des vitrages

- Le mode de gestion des stores en fonction de la luminosité


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- Le type de luminaire

- Le mode d’éclairage du bureau : par le plafond, par des lampadaires au dessus du poste de travail, ou une combinaison des deux

Etant donnée la multitude de paramètres, nous avons défini un cas spécifique et tenté de le résoudre. Trouver une relation universelle fonctionnant pour tous les cas semble utopique. L’idée est donc plutôt d’établir une démarche permettant d’arriver à la relation

( )..extEclfPécl = particulière à un projet mais intégrable sous TRNSYS. Le passage par le logiciel RELUX semble inévitable mais, dans ce cas, il faut impérativement que le processus soit rapide et facile à mettre en œuvre.

5.2 Etudes expérimentales

5.2.1 Objectifs

Les cas d’études expérimentales sont l’occasion de valider plusieurs hypothèses :

- L’existence d’une linéarité entre la puissance absorbée par une lampe et l’éclairement sur un plan de travail

- Les performances de différents luminaires - Les similitudes entre des mesures expérimentales et une simulation sous RELUX

Le cas expérimental mis en place est le suivant : on a mesuré dans une pièce sans fenêtre, la puissance absorbée par une lampe en fonction de l’éclairement sur un plan de travail.

Valider l’existence d’une linéarité entre la puissance absorbée par une lampe et l’éclairement sur un plan de travail nous permettrait d’interpoler la valeur de la puissance d’éclairage nécessaire pour avoir 400 [lux] moyen sur un plan de travail, en fonction de la puissance d’éclairage déjà installée dans le modèle RELUX. En effet, avec le logiciel il est difficile de moduler la puissance de manière précise, on est contraint de le faire par paliers.

5.2.2 Méthodologie

Le local dans lequel se sont fait les mesures expérimentales est une pièce de chez ETAMINE, sans fenêtre.

Deux mâts, de constructeurs différents, ont été testés :

- le mât LESS (modèle L.LESS.240.DPCL), de CONFIDENCE AND LIGHT [18] - le mât ATARO (modèle DUS 240/P), de WALDMANN [17]


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Le plan de travail est à 0.75 [m] du sol. On fait varier la luminosité de la lampe avec le système à gradation. On relève le nombre de lux émis avec un luxmètre et la puissance absorbée par la lampe avec un appareil de mesure d’énergie branché sur secteur.

Le même local est parallèlement simulé sous RELUX. Les lampes utilisées dans le cas expérimental n’existant pas dans le logiciel, on a du prendre un autre modèle. Les résultats ne seront donc pas comparables à tous points de vue. Le luminaire utilisé est de type marche/arrêt, bien que RELUX propose de l’éclairage graduel mais dont le fonctionnement dans le logiciel reste encore un mystère. En effet, on a l’impression que la lampe est fixée à un nombre de lux donné et ne modifie pas son éclairement, ni sa puissance. Le luminaire testé est le modèle TYCOON DYS 254/R de chez WALDMANN, dont la puissance semble figée à 119 [W]. La méthode utilisée pour graduer l’éclairage est donc empirique et consiste à positionner une, puis deux, puis trois lampes, et ainsi de suite.

Figure 14 : Définition des conditions du cas expérimental

5.2.3 Existence d’une linéarité et comparaison expé rimentale de deux mâts à gradation

CONFIDENCE AND LIGHT : modèle L.LESS.240.DPCL

La particularité de ce mât est qu’il ne possède qu’un seul bouton poussoir permettant de l’allumer et de l’éteindre tout comme de régler l’éclairement. Il peut donc facilement se dérégler si l’utilisateur choisit de l’éteindre au lieu d’attendre qu’il s’éteigne automatiquement.


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Figure 15 : Caractéristiques du mât testé expérimentalement

Figure 16 : Puissance absorbée par la lampe en fonction de l’éclairement du plan de travail

Les mesures faites dans une pièce sans lumière pour établir la puissance absorbée par une lampe en fonction de l’éclairement sur un plan de travail démontre la linéarité. On observe aussi une puissance résiduelle du ballast, due à la « veille » de la lampe.

WALDMANN : modèle ATARO – DUS 240/P

L’avantage de ce luminaire, contrairement au précédent, est qu’il possède deux boutons poussoirs. Les fonctions marche/arrêt et réglage de l’éclairement sont donc dissociées.


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Figure 17 : Caractéristiques du mât testé expérimentalement

Figure 18 : Puissance absorbée par la lampe en fonction de l’éclairement du plan de travail

Comme dans le cas précédent, la linéarité est démontrée et on observe toujours la puissance résiduelle du ballast.


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Comparaison des deux mâts

Figure 19 : Comparaison de deux luminaires en termes de puissance absorbée par la lampe en fonction de l’éclairement du plan de travail

La comparaison des deux luminaires nous montre que le mât du fabricant WALDMANN est plus performant que celui de chez CONFIDENCE AND LIGHT. En effet pour un éclairement donné, le mât WALDMANN consomme moins de puissance.

Le mât ATARO, de chez WALDMANN, semble être mieux d’un point de vue performances et mode de fonctionnement, que le mât de chez CONFIDENCE AND LIGHT.

Cependant, cette étude est loin d’être exhaustive puisqu’elle ne compare que deux luminaires. Mais elle permet de prendre conscience des grandes différences qu’il peut exister entre deux luminaires relativement semblables à première vue.

En appui à ces expériences, des mesures effectuées in situ sur le bâtiment du crédit Agricole à Aurillac, récemment livré, ont permis de définir une relation similaire sur les mâts mis en place (modèle LESS, CONFIDENCE AND LIGHT) avec une pente de 0,15 donc relativement semblable à nos cas expérimentaux.

5.2.4 Comparaison mesures expérimentales et simulat ion sous RELUX

Le luminaire testé sous RELUX est le modèle TYCOON DYS 254/R de chez WALDMANN.


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Figure 20 : Représentation de la puissance absorbée par la lampe en fonction de l’éclairement, cas simulé sous le logiciel RELUX

Sous RELUX, étant donné que les luminaires mis en place sont de type marche/arrêt, la puissance résiduelle du ballast n’existe pas. Il serait intéressant de pouvoir corriger la droite issue de RELUX afin qu’elle ressemble plus à la réalité. Cette idée ne sera malheureusement pas poursuivie dans cette étude par faute de temps. Néanmoins, on observe, de la même manière que dans le cas expérimental, la linéarité de la lampe.

La pente de la droite ( ).int.EclfPécl = est une relation linéaire, fonction de la performance

du luminaire. Cependant ces études ont démontré une linéarité restreinte, puisque essentiellement démontrée en absence d’éclairement extérieur.

5.3 Etude en ciel couvert

5.3.1 Objectifs

Dans le but d’estimer des consommations électriques prévisionnelles pour l’éclairage de bureaux, on cherche à établir la puissance d’éclairage nécessaire en fonction de l’éclairement extérieur. C'est-à-dire on veut une relation du type :

bEaP extécl += .

Le cas étudié est un cas simple pour lequel nous allons essayer d’établir cette relation.

Les simulations se font en ciel couvert.


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5.3.2 Méthodologie

Le cas qu’on choisit d’étudier est le suivant :

- Un local de bureaux : dimensions 5.4 x 7 m

- 6 postes de travail jointifs : dimensions d’un plan 1.6 x 1.6 m, hauteur 0.75 m

- 400 lux moyen sur chaque plan de travail

- Ciel couvert (pas de soleil direct)

Figure 21 : Définition des conditions du cas d’étude

Ce local est ainsi modélisé sous le logiciel RELUX.

5.3.3 Choix des types de valeurs utilisés pour l’ét ude

Une des problématiques récurrentes à notre étude est quelle valeur de FLJ prendre en compte. Nous utilisons régulièrement la valeur moyenne du FLJ mais est-elle représentative de notre plan de travail pour cette étude ?

Nous avons donc relevé, à l’aide de RELUX et suivant notre cas d’étude défini précédemment, certaines valeurs ponctuelles de FLJ. Voilà ce qui en est ressorti :


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Figure 22 : Valeurs ponctuelles de FLJ relevées sous RELUX pour le cas d’étude

On s’aperçoit que les valeurs sont de même ordre de grandeur sur un plan de travail surtout lorsqu’il est plus éloigné de la fenêtre. Proche de la fenêtre, les écarts sont plus grands sur un même plan de travail mais le choix de prendre le FLJ moyen n’est pas remis en cause. D’autre part, le fait de travailler en général au centre de son bureau confirme ce choix conforté par le fait que le FLJ relevé au centre est quasiment égal au FLJ moyen.

Dans la continuité, dans un local sans fenêtre et en présence de luminaires, nous avons voulu vérifier si le fait de prendre une valeur moyenne d’éclairement intérieur était représentatif. Nous avons donc relevé, sous RELUX et suivant notre cas d’étude, certaines valeurs ponctuelles d’éclairement intérieur dans une pièce sans fenêtre avec la seule présence de luminaires :

Figure 23 : Valeurs ponctuelles d’éclairement relevées sous RELUX pour le cas d’étude

Les valeurs d’éclairement intérieur en lux sont relativement proches dans la partie centrale des plans de travail étant donné les positionnements des luminaires centrés sur chaque bureau. Sur les extrémités les valeurs décroissent rapidement dû au fait qu’il n’y a pas de luminaires hors de la zone des plans de travail. Néanmoins, le choix de prendre une valeur moyenne d’éclairement intérieur nous apparaît comme le plus juste.

• Fenêtre


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5.3.4 Linéarité dans tous contextes

La linéarité a été vérifiée expérimentalement et sous le logiciel RELUX, les résultats se comportant de manière similaire, mais essentiellement dans le cas d’un local sans fenêtre. Il s’agit donc de vérifier si cette linéarité est valable quel que soit l’éclairement de la pièce.

Pour cela on simule un certain nombre de fois notre cas d’étude, exclusivement sous RELUX cette fois, en modifiant l’éclairement extérieur et la puissance des six luminaires de nos six plans de travail. Le travail effectué peut être représenté par le schéma suivant :

P = 0 W P = 6x14 W P = 6x35 W P = 6x49 W

Ecl ext = 0 lux

Ecl ext = 2500 lux

Ecl ext = 5000 lux

… … … … …

Figure 24 : Représentation schématique de la démarche

Dans un souci de simplification, nous avons relevé l’éclairement intérieur moyen de chaque plan de travail et ensuite fait la moyenne de ces six valeurs. Les résultats sont les suivants :

Figure 25 : Puissance absorbée par la lampe en fonction de l’éclairement du plan de travail, selon différents éclairements extérieurs


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La linéarité mise en évidence dans le cas expérimental, c’est-à-dire dans le noir, est aussi confirmée lorsqu’il y a de l’éclairement naturel. La droite est décalée à l’origine de la valeur d’éclairement intérieur naturel reçu par le plan de travail (moyenne des six moyennes de chaque plan de travail) en fonction de l’éclairement extérieur.

5.3.5 Relations mises en évidence pour le cas d’étu de

Tous les cas simulés précédemment nous ont donc permis d’établir une relation du type :

bEaPécl += int.

En utilisant la définition du FLJ, horizontalextEFLJE ×=int , et le fait de vouloir 400 [lux] sur

notre plan de travail, on obtient la relation suivante :

bEFLJmoyenaP extécl +×÷−= )100400.(

Les coefficients a et b sont fonctions du luminaire, de sa position et de la taille du plan de travail considéré mais pas de la géométrie du local puisqu’ils sont déterminés dans le noir. Le cas étudié est un cas relativement général, on peut donc considérer les valeurs de a et b, trouvées dans ce cas, comme réutilisables dans la mesure où le projet n’est pas un cas particulier.

Le FLJ moyen est quant à lui spécifique au projet. Les valeurs de FLJ moyen sur chaque plan de travail de notre cas d’étude ont été relevées :

Figure 26 : Valeurs de FLJ moyen relevées sur chaque plan de travail du cas d’étude

On obtient donc la moyenne des six plans de travail : FLJ moyen = 1.63 [%].

L’application de la relation à notre cas de bureaux en utilisant le FLJ moyen, moyenne des six plans de travail (1.63 [%]), nous a donné une droite permettant de déterminer la puissance d’éclairage afin d’avoir 400 lux sur le plan de travail en fonction de l’éclairement extérieur :

• a = 0.7066

• b = -0.2118

• Fenêtre


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Figure 27 : Puissance absorbée par la lampe en fonction de l’éclairement extérieur

Cependant la droite obtenue n’est que théorique. Elle serait valable si les plans de travail avaient toujours besoin d’éclairage artificiel. Or dès lors que l’éclairement extérieur est important, les bureaux situés près de la fenêtre n’ont plus besoin d’éclairage artificiel. La droite devrait donc subir une cassure à un moment donné.

Dans la réalité, les deux bureaux situés près de la fenêtre, à partir de 12 500 [lux] d’éclairement extérieur, ne nécessitent plus d’éclairage artificiel. Il faut donc corriger cette droite en utilisant toujours la même relation mais avec un FLJ différent qui est cette fois la moyenne des quatre plans de travail nécessitant de l’éclairage artificiel (0.815 [%]). Cette relation est aussi pondérée par le ratio de surface concernée (2/3 de la surface initiale). On obtient alors le graphique suivant :

Figure 28 : Puissance absorbée par la lampe en fonction de l’éclairement extérieur

Ce graphique met en évidence l’importance de raisonner par plan de travail indépendamment. En effet, les besoins d’éclairage d’un plan à l’autre ne sont pas les mêmes. C’est pourquoi dans la suite de notre étude nous traiterons les plans de travail séparément.


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5.3.6 Transposition sous TRNSYS

Le logiciel RELUX nous a permis d’établir une relation du type :


La météo du logiciel TRNSYS nous fournit les rayonnements global horizontal (GH) et global

vertical (GV) en [W/m²]. Or nous savons que GHE horizontalext ×= ε .

Nous sommes donc en mesure de transposer la relation, trouvée avec RELUX, sous TRNSYS moyennant son adaptation au langage booléen ayant cours dans TRNSYS.

Etant donné que la relation n’est valable qu’en ciel couvert, c’est-à-dire quand il n’y a pas de rayonnement direct sur le plan horizontal, nous définissons dans TRNSYS qu’en présence d’un ciel clair la puissance sera nulle :

- Ciel couvert : pas de rayonnement direct sur le plan horizontal


- Ciel clair : présence de rayonnement direct sur le plan horizontal P = 0 [W]

Bien entendu, il ne s’agit pas de la réalité mais cela nous permettra d’étudier les besoins d’éclairage dû à un ciel couvert et de s’affranchir du cas ciel clair encore non résolu.

La simulation sous TRNSYS est construite de la manière suivante [Annexe 8] :

Figure 29 : Interface du logiciel TRNSYS pour le cas d’étude


38

Le raisonnement est fait sur chaque plan de travail. En réalité nous traitons trois cas : les deux bureaux près de la fenêtre, les deux du centre et les deux les plus éloignés de la fenêtre. Nous utilisons donc trois valeurs de FLJ moyen, celles définies à la figure 26.

Nous définissons un planning d’éclairage des bureaux du type :

- éclairage de 8h à 18h du lundi au vendredi

- pas d’éclairage le reste du temps

Ce planning permet juste d’éviter de tenir compte des besoins d’éclairage la nuit. Bien entendu, la calculatrice « Eclairage » corrige le fait que s’il y a suffisamment d’éclairement intérieur sur un plan de travail, le besoin d’éclairage est alors nul.

La calculatrice « Eclairage » contient les informations suivantes :

- la valeur d’éclairement extérieur en fonction du GH : GHE horizontalext ×= ε

- la valeur d’éclairement du plan de travail désirée : 400 [lux] dans notre cas

- les valeurs de FLJ de chacun des plans de travail considérés

- les valeurs d’éclairement de chacun des plans de travail définies par extEFLJE ×=int

- l’existence ou l’absence d’un besoin d’éclairage selon que la valeur d’éclairement naturel du plan de travail soit inférieure ou supérieure à 400 [lux]

- la puissance d’éclairage calculé grâce à la relation

bEFLJmoyenaP extécl +×÷−= )100400.( et fonction de l’existence d’un besoin et si

nous sommes en ciel couvert ou en ciel clair

Les résultats obtenus sont à prendre avec précaution puisque chaque fois qu’il y a du rayonnement direct, la puissance d’éclairage est nulle.

Figure 30 : Evolution de la puissance d’éclairage sur une journée


39

On remarque bien que lorsque le rayonnement total augmente la puissance d’éclairage diminue et inversement. Le moment où la puissance est nulle correspond à un instant où il y a du rayonnement direct et donc caractéristique d’un cas de ciel clair.

Cette intégration sous TRNSYS a été, pour le moment, un succès puisque maintenant, en ciel couvert, nous sommes capables d’estimer des consommations électriques prévisionnelles d’éclairage. Mais tout cela sera réellement exploitable une fois que les relations en ciel clair seront trouvées.

5.3.7 Impact du maillage sous TRNSYS

Nous avons cherché à savoir si le maillage par rapport aux relevés de FLJ moyen avait un impact sur les résultats. Nous avons donc considéré de nouvelles valeurs de FLJ moyen :

Figure 31 : Valeurs de FLJ moyen relevées avec un maillage plus précis du cas d’étude

Les consommations d’éclairage annuel obtenues sont similaires. On obtient moins de 2 [%] de différences sur la valeur de la consommation annuelle par [m²].

En conclusion, le maillage est important car il faut privilégier un maillage judicieux, du type une maille par plan de travail. Mais mailler de manière plus fine n’apportera pas plus de précision aux résultats.

5.4 Mise en place d’une démarche

Etant donné la difficulté à mettre en évidence une relation universelle de calcul de puissance d’éclairage en fonction de l’éclairement extérieur, nous avons estimé que, dans un premier temps, le passage sous le logiciel RELUX était inévitable.

En effet les paramètres qui influent sur les consommations d’éclairage d’un local sont très nombreux. Cependant, nous pouvons passer outre cette difficulté puisque le logiciel RELUX nous permet d’intégrer tous ces paramètres et nous donne un indicateur spécifique à notre local : le FLJ.

• Fenêtre


40

Les calculs de FLJ sont assez fréquents dans les projets que traitent Etamine, ce n’est donc pas forcément un travail supplémentaire que de calculer les FLJ des plans de travail que l’on veut considérer pour une étude de consommations.

Le passage sous RELUX peut aussi servir à définir une implantation de luminaires spécifique à un projet. Il suffit alors de placer les luminaires souhaités en fonction des plans de travail

considérés dans le local sans fenêtre et de déterminer bEaPécl += int. . Les nouvelles valeurs de a et b obtenues seront propres au cas considéré.

En résumé, le logiciel RELUX nous apporte :

- les valeurs de FLJ sur les plans de travail considérés - les valeurs des coefficients a et b si le positionnement des luminaires est particulier et

ne correspond pas au cas général

Ensuite l’intégration sous TRNSYS se fait selon le modèle présenté précédemment.

5.5 Perspectives d’études en ciel clair

5.5.1 Problématiques

En ciel clair, le paramètre FLJ n’est théoriquement plus valable puisqu’il est défini en ciel couvert. Le rapport entre éclairement extérieur et éclairement intérieur ne semble être applicable que quand il n’y a pas de rayonnement direct qui pénètre dans la pièce.

Il ne faut donc pas utiliser cette relation quand le rapport extE

Eint

est trop élevé. Or quand ce rapport est élevé, cela signifie que l’éclairement intérieur est élevé et donc qu’il n’est pas utile de disposer d’un éclairement artificiel supplémentaire ou que les gens baissent leurs stores. [3]

Les erreurs liées à cette corrélation correspondent donc à des cas qui ne seront pas fréquents puisqu’ils seront « détournés » par l’attitude des usagers. Nous nous basons sur ces attitudes pour nous aider à résoudre le cas du ciel clair.

On distingue deux cas en ciel clair :

- Façade ensoleillée - Façade à l’ombre


41

5.5.2 Interprétations

Lorsque la façade est ensoleillée, on considère que l’usager intervient et qu’il baisse un store considéré comme tamisant l’ambiance lumineuse intérieure. Ce cas devient donc assimilable au cas en ciel couvert. Pour se rapprocher de la réalité, on corrige la relation en modifiant la transmission lumineuse du vitrage pour simuler le fait qu’il y a un store.

Dans le cas du ciel couvert et concrètement, le vitrage possède une transmission lumineuse de 80 [%]. Mais dans le cas du ciel clair, en présence du store, nous définissons que la transmission lumineuse du vitrage n’est plus que de 60 [%]. En conséquence, les valeurs de FLJ moyen sur plan de travail sont modifiées. On pondère donc les valeurs de FLJ moyen valables en ciel couvert pour qu’elles soient ajustées au cas du ciel clair, façade ensoleillée.

On obtient :

bETL

TLFLJmoyenaP ext

couvertciel

ensolfaçadeécl +××÷−= )100400.(

_

_

Lorsque la façade est à l’ombre, il n’y a pas de rayonnement direct sur la façade considéré donc pas la nécessité de mettre des protections solaires. Mais la luminosité extérieure dans le cas d’un ciel clair est plus importante qu’en ciel couvert. Il s’agirait donc de faire intervenir

la notion de luminance pour corriger la relation bEFLJmoyenaP extécl +×÷−= )100400.( .

A l’heure où ce rapport est rédigé, nous ne savons pas encore comment faire intervenir cette notion de luminance. En effet, ce paramètre varie énormément en fonction de la position du soleil. Des recherches sont encore en cours sur la résolution de ce problème.

5.5.3 Résolutions sous TRNSYS

Ce qui distingue les deux cas du ciel clair c’est la présence ou l’absence de direct sur le plan vertical qu’est la façade où il y a la fenêtre concernée. Nous avons donc :

- Façade à l’ombre : pas de rayonnement direct sur le plan vertical considéré, mais du rayonnement direct sur le plan horizontal (ciel clair)

- Façade ensoleillée : présence de rayonnement direct sur le plan vertical considéré, et du rayonnement direct sur le plan horizontal (ciel clair)

Nous définissons dans TRNSYS :

- Ciel couvert : pas de rayonnement direct sur le plan horizontal



42

- Ciel clair, façade ensoleillée : présence de rayonnement direct sur le plan vertical considéré (façade Est pour notre cas d’étude)

bETL

TLFLJmoyenaP ext

couvertciel

ensolfaçadeécl +××÷−= )100400.(

_

_

- Ciel clair, façade ombrée : absence de rayonnement direct sur le plan vertical considéré (façade Est pour notre cas d’étude) P = 0 [W]

La calculatrice « Eclairage » contient les informations précédemment détaillées en ciel couvert, auxquelles s’ajoutent :

- les valeurs de FLJ de chacun des plans de travail considérés en ciel clair, façade

ensoleillée, c'est-à-dire couvertciel

ensolfaçadecouvertcielensolfaçclairciel TL

TLFLJFLJ

_

_____ ×=

- les valeurs d’éclairement de chacun des plans de travail considérés en ciel clair,

façade ensoleillée, définies par extensolfaçclaircielensolfaçclairciel EFLJE ×= ______int_

- l’existence ou l’absence d’un besoin d’éclairage selon que la valeur d’éclairement naturel du plan de travail considéré en ciel clair, façade ensoleillée, soit inférieure ou supérieure à 400 [lux]

- la puissance d’éclairage calculé grâce à la relation

bEFLJmoyenaP extensolfaçclaircielécl +×÷−= )100400.( ___ et fonction de l’existence

d’un besoin et si nous sommes en ciel clair, façade ensoleillée

Les résultats obtenus sont, à nouveau, à prendre avec précaution puisque chaque fois qu’il y a du rayonnement direct horizontal mais pas de rayonnement direct vertical, la puissance d’éclairage est nulle.

Figure 32 : Evolution de la puissance d’éclairage sur une journée


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Le cas du ciel clair, façade à l’ombre n’a pas encore pu être intégré sur TRNSYS à ce stade, étant donné que la relation définissant la puissance d’éclairage n’est pas encore définie.

5.6 Limites du système

Pour que les luminaires gradables fonctionnent de manière optimale, il faut respecter certaines recommandations. Le cône de détection doit être orienté judicieusement afin d'éviter des déclenchements intempestifs. Il doit aussi être associée à une temporisation optimale afin d’éliminer des extinctions à répétition provoquées par de fortes variations de l'éclairage naturel extérieur. Sans ces bases, le système ne peut pas être une source d’économie d’électricité.

L’étude aurait aussi tendance à privilégier les systèmes avec deux boutons séparés (fonctions marche/arrêt et réglage de l’éclairement dissociées), comme le modèle ATARO de chez WALDMANN, afin d’éviter le plus possible les dérèglements du luminaire par les utilisateurs.

Dans le cas où seul un mât est disposé dans la pièce et qu’il n’y a pas d’éclairage de fond, il faut penser à prévoir un luminaire dont la part d’indirect est suffisante afin de pouvoir voir ailleurs que sur le plan de travail dans le local.

« Un système de gestion de l'éclairage fonctionne s'il est parfaitement accepté par les occupants. L'imagination de ceux-ci est incroyable quand il s'agit de contrarier un système automatique ! Celui-ci doit donc être soit imperceptible, soit compris et accepté par les occupants ». [20]

Cette phrase résume assez bien la situation actuelle du sujet. En effet, sur de nombreux bâtiments, malgré les efforts pour réduire certaines consommations, les résultats ne sont pas ceux attendus car les occupants deviennent un élément perturbateur du système mis en œuvre.

C’est d’ailleurs pourquoi, il est de plus en plus conseillé de ne pas pousser trop loin la recherche d'économies au détriment de la liberté des utilisateurs et de la simplicité du système.

Par exemple, ce système a été mis en place sur les bureaux du Crédit Agricole à Aurillac, sur lequel ETAMINE était bureau d’étude HQE. Ils se sont aperçus que les usagers dérèglent les luminaires rien qu’en l’éteignant puisque les fonctions marche/arrêt et réglage de l’éclairement ne sont pas dissociées. Les consommations ne sont donc, pour le moment, pas celles qui étaient attendues pour ce bâtiment.

De plus, les économies d'énergie réalisables ne doivent pas être le seul critère de choix. D'autres paramètres doivent être pris en compte pour satisfaire au confort visuel des usagers, en particulier l'indice de rendu des couleurs et la température de couleur.

La mise en place de gradateurs est recommandée en particulier pour l'éclairage des salles de conférences et des bureaux mais ce système n’est pas reproductible en logement par exemple. Sur d’autres types de bâtiments, il faudra mettre en place d’autres systèmes.


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6 CONCLUSION

L’estimation des consommations électriques prévisionnelles dans le cas d’éclairage de bureaux est un sujet complexe comme nous avons pu nous en apercevoir.

Néanmoins, malgré la difficulté de cette étude, il apparaît d’autant plus important, à l’heure où l’énergie nucléaire est remise en question, de faire des économies d’énergie.

Le cas de bureaux a été considéré pour cette étude car les consommations d’éclairage associées à celles de la bureautique sont relativement importantes et ont pour conséquence directe de plus grands besoins en climatisation. De plus, les solutions d’éclairage de type luminaires gradables étant de plus en plus préconisés dans ce type de locaux, les économies d’énergie sont possibles. La problématique actuelle est plutôt d’arriver à les anticiper. Une conséquence intéressante de la diminution des consommations d’éclairage est la réduction des puissances de climatisation installées grâce à la diminution des apports internes d’éclairage.

C’est pourquoi il existe aujourd’hui une demande des bureaux d’études sur ce sujet. Sans cet outil, il leur est difficile de s’engager sur des consommations prévisionnelles.

Cette étude montre qu’il est possible, dans une certaine mesure, d’intégrer dans un logiciel de simulation thermique dynamique le calcul des besoins en éclairage artificiel pour des bureaux selon la valeur de l’éclairement extérieur.

Cependant l’étude a aussi démontré l’écart entre les prévisions et la réalité. Si les systèmes d’éclairage mis en place ne sont pas adaptés à la situation alors les consommations d’éclairage risquent d’être plus importantes que celles prévues. L’estimation des consommations électriques prévisionnelles d’éclairage fonctionne dans le cas d’un mât qui n’est pas dérégler chaque jour par les utilisateurs. Les usagers doivent être sensibilisés à leur matériel et à son fonctionnement.

Pour conclure, les économies d’énergie restent une priorité, malgré les difficultés qu’impliquent les nouveaux systèmes pour y arriver, en accord avec le développement de nouvelles sources d’énergie.


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7 BIBLIOGRAPHIE

[1] ALTO, Présentation : L’éclairage naturel, Juin 2008, 50 pages

[2] C. REINHART, Présentation : Getting started with Ecotect, Radiance, Daysim, Septembre 2006, 50 pages

[3] F. CURTIL, Rapport de stage : Autonomie en éclairage nature et couplage avec les simulations thermiques dynamiques, Septembre 2010, 41 pages

[4] ENERTECH, Technologies de l’information : Enquête de terrain dans 50 bâtiments de bureau - Eclairage, Janvier 2004, 4 pages

[5] ENERTECH, Technologies de l’information : Campagnes de mesures dans 49 ensembles de bureaux de la Région PACA, Janvier 2005, 5 pages

[6] ETAMINE, Rapport interne : Comparaison des programmes de simulation de lumière du jour, 2009, 21 pages

[7] ETAMINE, Rapport interne : Comparaison des luminaires gradables, 2010, 3 pages

[8] NF EN 15193 : Performances énergétiques des bâtiments, Exigences énergétiques pour l’éclairage, AFNOR, Novembre 2007

[9] RELUX, Notice de logiciel : Relux Professional Manual, 2007, 261 pages

[10] DIALUX, Notice de logiciel : Manuel Version 4.7, 2009, 352 pages

[11] DESIGNBUILDER, Notice de logiciel : Energyplus, Engineering Reference, Avril 2009, 1001 pages

[12] TRNSYS, Tess Component Libraries, 76 pages

[13] http://www.ademe.fr - Site de l’ADEME (Agence De l’Environnement et de la Maitrise de l’Energie)

[14] http://www.enertech.fr - Site internet d’Enertech

[15] http://www.relux.biz/ - Site internet de Relux

[16] http://www.izuba.fr/logiciel/pleiadescomfie - Site internet de Pléiades-Comfie

[17] http://www.waldmann.com/waldmann/html/default/home - Site internet de Waldmann

[18] http://www.confidenceandlight.com/ - Site internet de Confidence and light

[19] http://www.satel-light.com/ - Site internet de Satel-Light

[20] http://www.energieplus-lesite.be/ - Site internet d’Energie +


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8 SOMMAIRE DES ANNEXES

Annexe 1 : Illustration de la nomenclature

Annexe 2 : Les 14 cibles de la HQE en détails

Annexe 3 : Organisation d’un projet

Annexe 4 : Cible 10 du Référentiel QEB « Bureaux – Enseignement », Certivéa

Annexe 5 : Coefficients de réflexion de quelques su rfaces

Annexe 6 : Interface de TRNSYS

Annexe 7 : Etude comparative de luminaires à gradat ion

Annexe 8 : Détails du fichier TRNSYS du cas d’étude

Documents

Synthèse Pfe Popin