par De Luminae

Ce texte provient du guide ICEB-Arene auquel De Luminae et Le Sommer Environnement ont contribué

La lumière naturelle est la partie visible du rayonnement énergétique provenant du soleil. Sa disponibilité dépend de nombreux paramètres dont la position du soleil et la couverture nuageuse. La distribution de la lumière naturelle provenant du soleil et de la voûte céleste est modélisée par différents types de ciel.

Les grandeurs photométriques permettent de quantifier la lumière naturelle reçue par une surface (éclairement) et l’impression visuelle produite (luminance). L’éclairement est la grandeur la plus utilisée même si elle n’est pas toujours la plus adaptée pour caractériser les ambiances lumineuses.

Les objets et matériaux absorbent, réfléchissent ou transmettent une lumière émise de façon plus ou moins sélective. C’est notamment ainsi que sont définies les couleurs et les luminances perçues par l’œil.

La lumière naturelle (flux visible) est la partie visible du rayonnement électromagnétique provenant du soleil. Ses longueurs d’onde s’étendent de 380 à 780 nanomètres pour la vision diurne.

Répartition du spectre solaire – source : UCL

La composition du rayonnement énergétique global est variable sur la planète et au cours de l'année, elle varie également selon les sources. EN première approximation, on peut dire que la répartition est d'environ la moitié de rayonnement visible et l'autre moitié de non-visible. Néanmoins, on peut trouver des données chiffrées :

• 51% de visible et 49% de non visible [Association Française de l'Ecolairag, 1983]
• 48% de visible et 52% de non-visible. [Wikipédia]

Le non-visible se décompose entre infra-rouge et ultra-violet. 6% d'UV et 43% d'IR pour l'AFE et 1% d'UV et 51% d'IR pour Wikipédia.

La seule source de lumière naturelle qui éclaire notre planète est le soleil. Toutefois, la voûte céleste, qui reçoit cette lumière, agit comme un filtre/diffuseur pour une part importante de ce flux direct du soleil. Elle se comporte alors comme un large luminaire de lumière naturelle. En éclairage naturel, on considère deux sources, le soleil (rayonnement direct) et le ciel (rayonnement diffus). Les luminances, les éclairements et la répartition spectrale varient dans la journée en fonction de la position du soleil, mais également de la couverture nuageuse (élément aléatoire).

Lorsqu’ils traversent l’atmosphère, une partie des rayons du soleil est réfléchie dans l’espace, une autre partie absorbée par l’atmosphère et les nuages, elle ne parviendra pas jusqu’à nous. Une autre partie, suite à de nombreuses réflexions dans l’atmosphère, produira le flux diffus de lumière naturelle. D’autre part, si la couverture nuageuse n’est pas trop importante, une partie du flux lumineux du soleil nous parviendra directement, cela constitue le flux direct de la lumière naturelle.

Ainsi la lumière naturelle ne dépend-elle pas seulement du soleil, mais également de l’atmosphère et de la couverture nuageuse. Suivant les variations astronomiques (soleil) et météorologiques (nuages, turbidité, etc.), les experts ont défini des types de ciel pour représenter ces différents ciels réels.

Types de ciel

Le ciel est fonction des variations astronomiques et météorologiques. Une classification en différents types de ciels a été développée pour représenter les différents ciels réels.

Un type de ciel est caractérisé par la répartition des luminances sur la voûte céleste en fonction de la position du soleil et de la répartition des nuages.

Deux grands types de ciel sont à distinguer : ceux où le soleil est visible et ceux où il ne l’est pas. On parle ainsi de ciels clairs et de ciels couverts. Lorsque le ciel varie rapidement entre soleil visible et non-visible, on parle de ciel intermédiaire. Il s’agit d’un ciel présentant une couverture nuageuse plus ou mois dense et éparse, des portions de voûte céleste sans nuage et le soleil visible par intermittence.

Il existe des modèles de ciels qui permettent de reproduire analytiquement la répartition des ciels réels.

Les ciels réels

Il existe une infinité de ciels, leur caractérisation est souvent complexe car aléatoire.

Exemple de différents types de ciels, source ENTPE

Les mesures montrent que l’éclairement horizontal extérieur varie selon les types de ciels et selon le lieu, dans nos latitudes :

• entre moins de 50 00 lux l'hiver et jusqu'à 40 000 lux l'été en ciel couvert,
• de 40 000 à plus de 100 000 lux en été en ciel clair

Répartition des éclairements au sol en ciel couvert par mois à Paris. données Satel-Light., présentation De Luminae

La fréquence d’occurrence des différents types de ciels réels (clair, couvert ou intermédiaire) varie selon la couverture nuageuse, qui elle-même dépend de la localisation géographique, des saisons, etc. Le tableau ci-dessous montre les fréquences des différents types de ciel à Paris pour tous les mois de l’année. On peut voir que le ciel couvert (sans soleil) apparaît environ 30% du temps en hiver et 20% l’été, à l’opposé un ciel clair sans nuage apparaît 30% du temps en hiver et plus de 40% l’été.

Fréquence des différents types de ciel à Paris pour tous les mois de l'année. Source : satel-light.com

Du point de vue de l'intérieur d'un bâtiment, un ciel clair et ensoleillé n'apportera pas nécessairement plus de lumière qu'un ciel couvert. En effet, si le soleil direct ne pénètre pas dans le local, comme pour une baie orientée au Nord en hiver, un ciel bleu apportera potentiellement moins de lumière qu'un ciel couvert avec une couche uniforme de nuages blancs.

Les ciels modélisés

La CIE (Commission International de l’Eclairage) propose aujourd'hui 15 modélisations de types de ciels (Perez, 93). Elles reprennent toujours le ciel couvert uniforme, le ciel couvert CIE et le ciel clair.

Trois modèles de ciels sont couramment utilisés, ces modèles de ciels (2 ciels couverts et un ciel clair) sont les plus anciens ciels normalisés par la CIE.

Le ciel couvert uniforme

Chaque point de la voûte céleste est caractérisé par la même luminance. Dans la pratique, cela correspond par exemple à des conditions de brouillard dense.

Il est caractérisé par L(θ)=L z où Lz est la luminance au zénith et L(θ) est la luminance du ciel en un point présentant un angle θ avec la direction zénithale.

Le ciel couvert CIE (ou Moon and Spencer)

Ce modèle stipule que la luminance du zénith est trois fois supérieure à celle de l'horizon.

Il est caractérisé par L(θ)=L z (1+2sinθ)/3

Cette modélisation est largement utilisée dans le monde entier. Elle est, en particulier, mise en œuvre pour les calculs de Facteur de Lumière du Jour (FLJ).

Le ciel clair CIE

Le ciel clair peut être modélisé par le modèle de ciel tous temps de Perez dont la formule complexe est fonction de multiples paramètres [Perez, 93].

La position du soleil sur le ciel se lit facilement sur les abaques solaires comme sur l'image ci-dessous.