par De Luminae

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Type I ou II : validé, validation avancée ; S : Spatialisation oui/non ; T : Temporalisation oui/non

Définition

Cet indicateur mesure le nombre d’heures par période de temps (par saison, par an, par jour, etc.) durant laquelle le rayonnement direct du soleil atteint un point de l'enveloppe du bâtiment, en fonction des données météorologiques du site et des caractéristiques micro-urbaines.

Il est calculé dans Dl-Light pour SketchUp pour les études d'ensoleillement.

Unité

Heures par période et zones

Méthode de calcul

Sur les surfaces à considérer, des points sont définis. On calcule par simulation pour chaque pas de temps (heure dans un fichier EnergyPlus par exemple) si le soleil est visible sur la voûte céleste et si le rayonnement direct du soleil frappe le « point étudié » (ou est dans l'ombre). Lorsque le rayonnement direct frappe le point, le nombre 1 est ajouté au nombre d'heures d'ensoleillement direct, sinon rien n'est ajouté. On obtient en fin de calcul le nombre d'heures durant lequel le rayonnement direct a frappé le point considéré sur la période.

Données d'entrée

  • Modèle 3D de l’enveloppe du bâtiment avec l’environnement micro-urbain,
  • Données météo heure par heure (au minimum) du site géographique.

Seuils et/ou références

Les seuils sont très dépendants de l'utilisation des espaces considérés (extérieurs, intérieurs, fonctions des locaux, etc.).

Par exemple, en façade Sud non obstruée à Paris pour l'été, les calculs montrent que le maximum est aux alentours de 7 heures de rayonnement direct du soleil, en moyenne par jour (en tenant compte des données météo, donc des jours de ciel couvert). L'intervalle de cette échelle est donc de 0 à 7 pour Paris. On peut envisager une échelle par localisation ou pour toute la France ou travailler sur plusieurs échelles simultanément.

Pour ce cas de Paris, des valeurs inférieures à 7 heures caractérisent l'importance de l'obstruction de cette façade orientée Sud.

Des seuils différents peuvent être définis en relation avec les exigences du programme, la fonction de l'espace intérieur, les intentions architecturales du concepteur, etc.

Des références pour évaluer les résultats et aider l’architecte sont :

  • le nombre d’heures pour la même façade/surface - mais sans obstruction,
  • le nombre d’heures pour une surface horizontale en site dégagé.

Résultats

Le résultat est présenté sous la forme d’une image en Fausses Couleurs dans laquelle chaque couleur représente un intervalle quantitatif d’heures de rayonnement direct du soleil. En effet, chaque point a une valeur : le nombre d'heures durant lequel ce point a été atteint par le rayonnement direct du soleil dans la période. Nous présentons les résultats sous la forme d’heures moyenne par jour, c’est-à-dire le nombre d’heures total de la période divisé par le nombre de jours de la période. Ces points peuvent être représentés sous forme de "zones" ensoleillées ou de zones dans l'ombre auxquelles on associe une couleur. L’utilisateur peut ainsi visualiser le résultat en une fois de manière simple et facilement compréhensible.

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Résultats de SunExposition

Sur la figure ci-dessus, une flèche indique que le point sur l’enveloppe est coloré avec une couleur correspondant dans la palette à 4,3 heures de soleil direct par jour en moyenne durant l’été. L’autre flèche montre la zone bleue qui ne reçoit pas de soleil direct.

SunExposition peut être utilisé très tôt dans la conception architecture afin de donner au concepteur, grâce aux zones colorées, où il peut profiter des apports solaires et ainsi intégrer des dispositifs de solaire passif dans son projet. A contrario, il peut identifier sur quelle partie de la même façade, il sera nécessaire de plus isoler thermiquement, car ces zones sont vues comme ne recevant pas de soleil direct. Il peut connaître où sont les principaux risque de surchauffe et d’éblouissement et, ainsi, prévoir des compléments au vitrage adaptés. Dans les phases avales de la conception, les mêmes analyses peuvent être effectuées avec plus de précision sur des éléments précis (surfaces vitrées, etc.).

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Vue d'ensemble avec plusieurs orientations et palette, Ouest (image 1) Nord-Est (image 2), Sud-Ouest (image 3)

La visualisation proposée permet d’obtenir à la fois :

  • Une vue globale de l’impact du rayonnement direct du soleil,
  • Une vue détaillée de la « forme » des zones plus ou moins ensoleillées,
  • Une quantification précise des nombre d’heures durant lesquelles le rayonnement direct du soleil frappe les zones pour aider l’architecte quelle stratégie employer pour quelle zone d’enveloppe.
  • SunExposition Choix guidé : Le choix guidé consiste à proposer à l’utilisateur d’effectuer les calculs de SunExposition par saison (ou pour toute l’année).
  • SunExposition Choix libre : Nous laissons à l’utilisateur la possibilité de choisir l’intervalle de date et d’heures pour étudier à sa convenance des périodes différentes des choix guidées. Dans ce cas, les références de comparaison sont les mêmes que pour les choix guidés déjà décrits.
  • Choix d’effectuer les calculs sur la base des données météo ou bien avec un ciel toujours clair : Nous proposons à l’utilisateur de choisir le climat réel issu de la base de données ou si les calculs doivent être effectués avec un ciel toujours clair. Le calcul avec un ciel toujours clair est donc un calcul théorique qui peut permettre d’évaluer le potentiel du bâtiment en lui-même ou de comparer plusieurs bâtiments.
  • SunExposition Charté : Il s’agira de choix prédéterminés et de dates précises issus de charte ou de documents réglementaires. La référence de comparaison est alors donnée dans ce document. La référence est alors saisie par l’utilisateur. Cette déclinaison est proposée par Philippe Villien. Ceci peut devenir SunExposition Labellisé par exemple.

Validation : Logique de l’indicateur

Besoin

Traditionnellement, dans l’architecture vernaculaire, la question du rapport au soleil et aux ombres était toujours traitée et était un élément très important. Cette question a pu partiellement se perdre au fil du temps. Elle reprend actuellement de l’importance dans le cadre des questions énergétiques et de confort. L’architecture durable des espaces intérieurs, comme extérieurs, a besoin de traiter en détail la question de l’ensoleillement et de l’ombrage des façades pour adresser les questions d’apports et de déperditions énergétiques (lumière et thermique) et de confort/inconfort.

Compte tenu de la complexité possible de l’environnement, de l’architecture, du déplacement du soleil, des conditions météorologiques, etc. le concepteur a besoin d’outils pour traiter cette question d’ensoleillement. Il dispose actuellement d’un outil classique, l’héliodon, appelé encore tracé des ombres, visualisation des ombrages, etc. Un héliodon donne comme résultat une visualisation des surfaces ensoleillées et à l’ombre à un moment de l’année donnée (une position du soleil) et sans prendre en compte la météorologie réelle du lieu.

Une pratique courante est de visualiser le 21 décembre et le 21 juin à midi. Mais, avec cela, l’architecte est bien loin de connaître le rayonnement direct sur la saison et ne prend en compte que la hauteur du soleil à un instant donné. Cela ne prend en compte ni la météo ni l’évolution des ombres d’une heure à l’autre.

La prise en compte de la météorologie est très importante et souvent peu accessibles aux architectes. Pour illustrer cette importance, il suffit de montrer par exemple que, pour obtenir la même autonomie lumineuse entre Nancy et Marseille (dans un local parallélépipédique ordinaire) il est nécessaire d’avoir des ouvertures environ 2 fois plus grandes à Nancy. Il est clair qu’entre Nancy et Marseille la différence n’est pas principalement la hauteur du soleil mais bien la météo au sens de la répartition des ciels clair et couvert.

Donc, la pratique courante, à base d’héliodon, ne traite pas véritablement la question énergétique.

D’autre part, les éléments liés à l’ensoleillement sont des aspects caractéristiques forts du projet, son orientation, ses façades, etc. Ces aspects, une fois décidés tôt dans la conception, ne peuvent en général que très difficilement être changés par la suite. Il est donc indispensable de pouvoir informer l’architecte le plus tôt possible dans la conception sur ces questions d’ensoleillement.

Réponse au besoin

SunExposition donne des résultats « synthétiques » sur le nombre d’heures d’ensoleillement des surfaces par saison (ou une autre période de temps) en prenant en compte les heures de ciel réellement couvert ou clair dans l’année sur la base des données climatiques du site.

SunExposition produit dans une seule image les zones ensoleillées plus ou moins longtemps et dans l’ombre pour toute une période et sous un ciel réel.

L’architecte a une vision juste et réaliste sur la saison au travers d’une seule image en fausses couleurs. Les couleurs indiquent les zones de la façade où l’architecte peut choisir de bénéficier des apports solaires en hiver, les parties où il faut se protéger par une isolation thermique (pas assez d’apports), les parties où il faut se protéger de l’éblouissement et la surchauffe, etc. Dans les phases plus avales, si des protections sont définies, on peut, par comparaison, entre les résultats sans et avec protection en évaluer leur influence sur l’ensoleillement des surfaces qu’elles sont censées protéger, et ce, pour toute période de l'année. SunExposition peut de même être utilisé pour évaluer combien le projet diminue le rayonnement direct du soleil sur l’environnement bâti existant.

SunExposition aide l’architecte à gérer et naviguer pour obtenir, par exemple, le maximum d’apports, le minimum de risque d’éblouissement et de surchauffe. SunExposition indique où le concepteur peut placer efficacement des dispositifs variés (pour amplifier et rediriger le rayonnement, les serres, etc.).

SunExposition est donc utile pour répondre à la question posée de l’ensoleillement dans une perspective d’énergétique et de confort.

Disponibilité / rapidité

SunExposition est adapté à toutes les phases de conception, y compris la phase d’esquisse, dès qu’il y a un modèle 3D d’enveloppe, même très simple, même sans baies. Cela signifie qu’il est donc utilisable très tôt car les données d’entrée sont uniquement le modèle 3D et la localisation géographique, sans qu’il soit nécessaire de recourir à des valeurs par défaut.

Ce point est important car la question d’ensoleillement affecte la répartition des surfaces vitrées et opaques, l’orientation du projet, les inclinaisons, toutes choses qui se décident très tôt et dont les modifications ultérieures sont très fastidieuses.

SunExposition est rapide (quelques minutes de calcul pour une façade et un environnement complexe comme sur la figure 5 ci-après). Donc, il est adapté aux phases amont où les changements du projet sont fréquents. Naturellement, il peut être également utilisé dans les phases avales de la conception architecturale et urbaine lorsque le projet est beaucoup plus détaillé.

SunExposition donne des résultats faciles à comprendre immédiatement.

Validation : Fiabilité

Nous étudions ici la fiabilité de l'information fournie, c'est-à-dire que la technique de calcul et son implémentation permettent de donner un résultat juste.

SunExposition s’appuie sur la méthode RD, dont il est une implémentation directe. La validation de la méthode RD permet donc de valider SunExposition.

SunExposition est une application de RD à des projets architecturaux et urbains, c’est-à-dire des modélisations d’une complexité importante.

Nous avons donc effectué des tests de SunExposition sur des projets réels.

Il n’est plus possible de valider nos résultats via des calculs manuels sous Excel car les projets sont trop complexes. D’autre part, il n’existe pas à notre connaissance de logiciels produisant un résultat équivalent à celui de SunExposition.

Nous nous assurons de la justesse sur les cas complexes de la manière suivante : Nous nous assurons que pour un moment quelconque le calcul des zones ensoleillées et à l’ombre est correct en comparant avec un résultat de visualisation des zones à l’ombre et au soleil dans Sketchup. Comme le cumul par heure est validé dans la méthode RD, si le résultat est correct pour une heure quelconque, cela valide le résultat par période de temps.

SunExposition - Test

Objectif : vérifier que SunExposition effectue un calcul pour une seule heure de manière correcte au plan de la géométrie à prendre en compte pour la visualisation des parties ensoleillées et à l’ombre en comparant avec les résultats de l’algorithme des ombres de Sketchup.

Géométrie : Modèle complexe

Surface de calcul : Différentes surfaces à comparer entre SunExposition et Sketchup.

Fichier météo : Ciel toujours clair car Sketchup ne travaille qu’en ciel toujours clair. Nous avons modifié un fichier météo EnergyPlus pour lui introduire les valeurs correspondant à un ciel théorique toujours clair à des fins de test.

Résultats attendus : Les ombres calculées par SunExposition et par Sketchup sont identiques.

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comparaison des ombres entre Sketchup et SunExposition. Projet de foyer de Faverges, architecte Beatrice Clerget et LinéaireA

La première image ci-dessus est une visualisation des zones ensoleillés et dans l’ombre dans Sketchup pour une date et heure donnée sur une façade Sud-Ouest de 3 niveaux avec des casquettes importantes et percées. Les zones ensoleillées sont représentés avec une couleur plus claire que la surface à laquelle elle appartient.

La seconde image ci-dessus est un calcul par SunExposition pour les mêmes conditions. La couleur jaune indique que la zone est au soleil, le bleu que la zone est à l’ombre.

Les 2 images montrent donc une parfaite correspondance entre les zones « plus claires » dans Sketchup et jaune dans SunExposition.

Les 2 images ci-dessous montrent un cas plus complexe avec un environnement très dense. Il s’agit d’un bâtiment dans Paris entouré d’immeubles qui ont été modélisés (rue de Charonne).

Le projet a également une géométrie compliquée avec de nombreux balcons, niveaux, etc. Il est donc un bon test pour SunExposition et sa capacité à prendre en compte des géométries complexes.

Nous avons donc testé SunExposition sur les surfaces du bâtiment qui sont, une nouvelle fois, affichées en jaune ou en bleu selon que la zone est au soleil ou à l’ombre. Nous avons calculé uniquement SunExposition sur les surfaces de notre bâtiment en projet et par sur l’environnement qui n’était pas l’objet de l’étude et nous n’avons également pas calculé SunExposition sur les gardes-corps qui n’avait pas d’importance pour nous. Il est d’ailleurs intéressant de remarquer que nous pouvons choisir précisément sur quelle surface faire les calculs et non pas être obligé de tout calculer. Cela permet en particulier d’analyser avec une grande précision des points très précis si cela s’avère nécessaire.

On peut ainsi vérifier la parfaite correspondance entre ces surfaces jaunes et bleues et les mêmes surfaces en blanc ou gris dans Sketchup.

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Comparaison des ombres entre Sketchup et SunExposition, cas 3. Projet d’habitation, rue de Charonne, Paris, Nexity

Conclusion

Les 2 cas de géométrie complexe ont montré la parfaite correspondance entre Sketchup et SunExposition, le test est donc ok.

Suite à la validation de la logique de l’indicateur et de sa fiabilité, cet indicateur est validé.

Ambiances lumineuses en lumière de jour