Module 356 – Fonctions d’éclairage et d’ombrage

Compétences

Mettre en œuvre et configurer les différentes fonctions d‘un système de contrôle de l‘éclairage et de l‘ombrage pour une maison individuelle moderne en fonction d’un cahier des charges.

Objectifs opérationnels

• Analyser les exigences de paramétrage d’un système de commande d’éclairage ou d’ombrage sur la base d’une documentation donnée (par ex. plans, schémas, description des fonctions, liste des points de données).
• Paramétrer la commande des luminaires en fonction des exigences données.
• Déterminer les fonctions d’éclairage en fonction des exigences données.
• Paramétrer une commande de protection solaire en fonction des exigences données.
• Déterminer les fonctions d’automatisation de l’ombrage afin de répondre aux exigences en fonction de l’état de la technique.
• Tester les fonctions de sa programmation en termes d’intégralité et d’exactitude.

Notions physiques et perception de l’éclairage

Spectre lumineux

La lumière est un rayonnement électromagnétique auquel l’œil est sensible. Cependant, la gamme visible pour les êtres humains ne s’étend que de la longueur d’onde de 380 nm à 780 nm. Le rayonnement électromagnétique n’a pas besoin d’un milieu de transmission, c’est pourquoi notre source de rayonnement la plus importante, le soleil, peut également transmettre la lumière à travers l’espace sans matière. Le rayonnement électromagnétique est important pour nous de deux points de vue :

• Transmission d’énergie (sous forme de rayonnement thermique)
• Permet de voir des objets (sous forme de photons)

Définition d’une onde

Une onde se caractérise par son amplitude A, sa fréquence f [Hz] et sa longueur d’onde lambda λ [m]. Une onde est un phénomène périodique oscillant à une fréquence f [Hz] qui est l’inverse de sa période T [s].

Une onde électromagnétique se déplace à une vitesse c = 3×10⁸ m/s. Sa longueur d’onde lambda λ [m] est obtenue comme le déplacement d’un signal de période T [s] à la vitesse c [m/s].

Exemple

Quelle est la fréquence d’une lumière verte
de longueur d’onde lambda λ = 555 nm ?

Sensibilité de l’œil humain

L’œil humain a des sensibilités différentes pour la plage de lumière visible. Cela signifie que si la même puissance est émise par longueur d’onde, l’œil ne la perçoit pas comme une distribution uniforme ou comme aussi brillante. La plus grande sensibilité de l’œil humain est à 555 nm (jaune-vert). La dépendance de la sensibilité de l’œil humain peut être représentée comme dans la figure ci-dessous. De plus, il est important de distinguer si l’œil est adapté au jour ou à la nuit. La courbe est normalisée à la plus grande sensibilité de l’œil à 555 nm (sensibilité = 1) en vision de jour.

Structure de l’œil humain

L’œil humain est en fait un appareil photo complet. Celui-ci dispose d’optiques à focale fixe, d’un diaphragme en forme d’iris et de capteurs capables de détecter les photons.

Les capteurs peuvent également être comparés à un appareil photo numérique : environ 6 millions de cônes à faible sensibilité sont disponibles pour la vision des couleurs. Ce type de vision est également appelé vision photopique de l’œil adapté à la lumière. Environ 120 millions de bâtonnets très sensibles sont disponibles pour la vision en noir et blanc. Ils sont très sensibles à la lumière et permettent de voir dans l’obscurité (vision nocturne, vision scotopique). Aucune couleur ne peut être reconnue avec eux, mais en raison de leur grande sensibilité à la lumière, ils permettent de percevoir les changements de contraste. Au cours de l’évolution, cette caractéristique s’est avérée particulièrement avantageuse chez nos ancêtres. La distribution des types de récepteurs dans la rétine est également différente.

De plus, les humains perçoivent un stimulus de luminosité de manière logarithmique. Donc : Une augmentation décuplée de la luminosité (physiquement) n’est perçue que comme un doublement de la luminosité. La portée visuelle est de 1 : 1 000 000 000, ce qui correspond à dix puissance neuf (= 10⁹). Les humains peuvent encore percevoir environ 10 à 13 lumens.

Grandeurs techniques pour une bonne vision

En plus de l’éclairement, il existe d’autres points qui favorisent une bonne vision et donc le bien-être des personnes. Il s’agit de la distribution de la luminosité, de l’éblouissement, du scintillement, de la variabilité, de la couleur de la lumière et du rendu des couleurs tels qu’ils sont également définis dans la norme SN EN 12464-1. De manière générale, il convient de noter que les capacités visuelles des personnes diminuent avec l’âge ; ce point doit être pris en compte en particulier dans les maisons de repos et de soins (SLG 104).

Perception globale	Perception humaine	Eléments externes
Environnement lumineux	– Confort visuel – Performance visuelle – Sécurité	– Eclairement – Répartition de la luminosité – Eblouissement – Scintillement – Variabilité – Couleur de la lumière – Rendu des couleurs – Direction de la lumière

Éclairement

L’éclairement lumineux décrit la quantité de flux lumineux intercepté par une surface.

Répartition de la luminosité

Si les contrastes entre les zones claires et sombres de notre champ de vision sont trop importants, cela entraîne rapidement une fatigue excessive. Par conséquent, pour les tâches d’éclairage dans les bâtiments, la tâche visuelle proprement dite, l’environnement immédiat et la zone d’arrière-plan jusqu’à 3 m sont spécifiés avec les niveaux d’éclairements lumineux correspondants. La transition entre deux zones doit être la plus régulière possible, c’est-à-dire qu’il ne doit pas y avoir de changement brutal de luminance entre la zone claire et la zone sombre. La répartition de la luminance a également un impact sur l’acuité visuelle, la sensibilité aux contrastes et la performance des fonctions oculaires telles que l’accommodation, l’ajustement de la pupille et le mouvement des yeux.

Éclairement dans la zone de la tâche visuelle	Éclairement dans le voisinage immédiat de la tâche visuelle
> 750 lx	500 lx
500 lx	300 lx
200 lx	150 lx
150 lx	150 lx
100 lx	100 lx
< 50 lx	< 50 lx

La luminance dépend également de l’espace et de son pouvoir de réflexion. Les pièces noires ont donc un contraste élevé, ce qui n’est pas propice à une sensation agréable. C’est pourquoi la norme SN EN12464-1 propose des degrés de réflexion.

Éblouissement

Pour analyser le taux d’éblouissement (psychologique), on applique la méthode UGR normalisée (Unified Glare Rating) décrite dans la norme SN EN12464-1. En combinaison avec les propriétés de la pièce, l’UGR permet déjà une évaluation de l’éblouissement dans la phase de planification. Les valeur UGR à ne pas dépasser sont indiquées ci-dessous :

L’œil humain a besoin de 40 minutes pour s’adapter complètement entre la lumière et l’obscurité. Par conséquent, les transitions brusques doivent être évitées. Voir la littérature spécialisée.

Scintillement

Le scintillement, ou papillotement, produit un effet stroboscopique (ceci peut être comparée à l’échantillonnage de signaux analogiques à une certaine fréquence ; si le taux d’échantillonnage est trop faible, on peut avoir l’impression que la roue tourne à l’envers). Le scintillement peut également entraîner des maux de tête. La fréquence de scintillement que l’être humain perçoit dépend de l’âge. Pour la vision en couleur (photopique, de jour), cette fréquence est d’environ 50Hz, pour la vision en noir et blanc (scotopique, de nuit) elle se situe autour de 20 à 25 Hz. Les fréquences plus élevées sont généralement considérées comme sans scintillement. Le scintillement est particulièrement désagréable entre 4 et 15 Hz.

Variabilité

La lumière du soleil n’est pas constante au cours de la journée ; le flux lumineux et la composition spectrale de la lumière solaire changent. Avec ce que l’on appelle le Human Centric Lighting, on essaie de rapprocher la lumière artificielle d’une courbe diurne, car celle-ci suit plutôt la courbe connue du soleil.

Température de couleur

La température de couleur d’une source lumineuse est mesurée en Kelvin K. Lorsqu’un émetteur noir (émetteur de Planck, corps noir) est chauffé progressivement, son apparence passe par des couleurs allant du rouge foncé au bleu clair en passant par le rouge, l’orange, le jaune et le blanc. Imaginez un morceau de fer chez le forgeron : plus la température du fer est élevée, plus il devient blanc. Sa couleur dépend donc de la température. Cependant, avec l’augmentation de la composante bleue de la lumière (avec l’augmentation de la température), un paradoxe linguistique apparaît. La lumière jaune-rougeâtre est perçue comme « chaude », mais au sens physique, elle a une température de couleur inférieure à celle de la lumière de température 6500K, qui est perçue comme « froide » en raison de la forte proportion de bleu. Le tableau suivant indique les désignations courantes et leurs plages de température.

Désignation	Température de couleur [K]	Coloration	Perception
Blanc chaud	2500 à 3300	Rougeâtre	Chaud
Blanc standard	~ 4000	Blanc	Neutre
Blanc lumière du jour	5400 à 8000	Bleutée	Froid

Cette valeur est indiquée sur les lampes. Selon la source lumineuse, la température de couleur varie considérablement. Les valeurs typiques peuvent être trouvées dans le tableau ci-dessous.

Source de lumière	Température de couleur [K]
Bougie	1900 – 1950
Ampoule	2700 – 2900
Lampes fluorescentes	2800 – 7500
Clair de lune	4100
Lumière du soleil	5000 – 6000
Lumière du jour	5800 – 6500
Ciel nuageux	6400 – 6900
Ciel bleu clair	10000 – 26000

Indice de rendu des couleurs Ra (ou IRC)

L’IRC renseigne sur la qualité du rendu de la couleur d’un objet (sa couleur corporelle) sous la lumière d’une source lumineuse donnée et est une grandeur sans dimension. La valeur maximale supposée de Ra est 100. La valeur dépend fortement du spectre de la source de lumière. La source lumineuse avec le meilleur indice de rendu des couleurs est le soleil. Son spectre est un spectre continu. Cela signifie qu’il émet un rayonnement dans toutes les gammes de longueurs d’onde comprises entre 380 nm et 780 nm. Les corps thermo-rayonnants comme les lampes à incandescence ont également un spectre continu et donc de très bonnes propriétés de rendu des couleurs. La luminescence et la décharge gazeuse n’ont pas un spectre continu, ce qui signifie que le rendu des couleurs est également moins bon.

Avec l’utilisation des lampes fluorescentes (production commerciale à partir de 1938 environ), il fallait un système pour déterminer les caractéristiques de rendu des couleurs de ces sources lumineuses. La façon de procéder n’est décrite ici que succinctement : Pour étudier les caractéristiques de rendu des couleurs d’une source lumineuse, on la compare à une source de référence. Les deux sources de lumière éclairent des couleurs définies. Le rendu des couleurs de la source lumineuse testée est maintenant déterminé par des mesures techniques. Plus les différences sont réduites, meilleur est l’indice de rendu des couleurs de la source lumineuse. Cette valeur est indiquée sur les lampes.

Source lumineuse	Version	Index Ra
Lumière du soleil		100
Lampe à incandescence		jusqu’à 100
LED blanche	Ancienne Actuelle	65 – 97 75 – 90
OLED	Blanc	80 – 90
Lampe fluorescente	Blanc de luxe Blanc Standard	85 – 98 70 – 84 50 – 90
Lampe fluorescente compacte économique		80 – 90
Lampe fluorescente à 3 bandes		> 80
Lampe fluorescente à 5 bandes		70 – 85
Lampe aux halogénures métallique		60 – 95
Lampe aux halogénures métallique céramique		> 90
Lampe à vapeur de sodium à haute pression	Blanc chaud A couleur améliorée Standard	80 – 85 60 18 – 30
Lampe à vapeur de mercure haute pression		40 – 59
Lampe à vapeur de sodium à basse pression		-44 – 20

Pour évaluer le rendu des couleurs, on utilise huit nuances insaturées sélectionnées, quatre nuances saturées, ainsi qu’un vert-chlorophylle spécial et une nuance semblable à la peau humaine.

Espace chromatique

L’espace chromatique englobe toutes les couleurs du système colorimétrique CIE (Commission internationale de l’éclairage) visibles par l’œil humain.

La couleur de la lumière est la couleur donnée par une lampe. La couleur de la lumière peut être indiquée par des coordonnées xy, comme l‘emplacement de la couleur dans le système de valence des normes, pour les couleurs de lumière blanches, également comme la température de la couleur. Avec le système de valence des normes CIE, la couleur de la lumière est calculée à partir de la composition spectrale, et représentée dans un diagramme continu à deux dimensions. La couleur est définie par l‘emplacement de la couleur spectrale et par la saturation. La structure du diagramme donne une surface de couleurs qui regroupe toutes les couleurs réelles. La surface de la couleur est entourée par une courbe sur laquelle il y a les emplacements des couleurs spectrales entièrement saturées.

A l‘intérieur de la surface, il y a le point de la moindre saturation appelé blanc ou point achromatique. Tous les niveaux de saturation d‘une couleur peuvent être trouvés sur la droite entre le point achromatique et l‘emplacement de couleur ; tous les mélanges de deux couleurs se trouvent également sur une droite entre les emplacements de couleur respectifs.

Synthèse additive et soustractive

En éclairagisme, le mélange additif (ou synthèse additive) des couleurs consiste à ajouter des zones spectrales à l’aide du rouge, du vert et du bleu afin d’obtenir des couleurs mixtes. L’addition des trois couleurs primaires donne une lumière blanche. Le mélange soustractif (ou synthèse soustractive), qui fait appel aux couleurs primaires magenta, cyan et jaune, filtre certaines plages spectrales.

Rayonnement de la lampe dans différentes directions spatiales

Le soleil rayonne dans toutes les directions du ciel de manière uniforme. Ceci n’est pas le cas des sources lumineuses (lampes). Celles-ci ont toujours des directions de rayonnement préférentielles qui, dans la pratique, sont aussi consciemment optimisées en conséquence. Par exemple, si l’on souhaite éclairer un plan de travail, il est préférable d’utiliser la lumière d’une source directionnelle. Ces données sont représentées dans des diagrammes 2D selon l’illustration suivante.

Relations entre radiométrie et photométrie

Si nous nous intéressons à l’apport d’énergie de la lumière solaire dans une pièce, les grandeurs radiométriques sont importantes, mais si nous souhaitons nous pencher sur la « vision », ce sont les grandeurs photométriques qui sont décisives. Les grandeurs radiométriques nous permettent de décrire la quantité de puissance ou d’énergie qui pénètre dans une pièce par les fenêtres sous l’effet de la lumière du soleil. Avec les grandeurs photométriques, nous décrivons comment la vision humaine est possible dans l’espace.

Grandeur	Radio–	métrique	Grandeur	Photo–	métrique
Nom	Symbole	Unité	Nom	Symbole	Unité
Puissance rayonnante Radiant power Strahlungsleistung	$\phi_e$	W	Flux lumineux Luminous flux Lichtstrom	$\phi_v$	lm
Irradiance Irradiance Bestrahlungsstärke	Ee	W / m2	Eclairement Illuminance Beleuchtungsstärke	Ev	lx = lm / m2
Eclat Radiance Strahldichte	Ie	W / sr	Intensité lumineuse Luminous intensity Lichtstärke	Iv	cd = lm / sr
Radiance Radiance Strahlstärke	Le	W / (m2 sr)	Luminance (luminosité) Luminance (Brightness) Lichtstärke	Lv	cd / m2 lx / sr
Energie radiante Radiant energy Strahlungsenergie	Qe	W s	Quantité de lumière Amount of light Lichtmenge	Qv	lm s
Irradiation Irradiation Bestrahlung	He	(W s) / m2	Exposition Exposure Belichtung	Hv	lx s

Grandeurs photométriques

Flux lumineux Φv

Le flux lumineux Φv est la puissance lumineuse émise par une source lumineuse ou incidente sur une surface. Le flux lumineux est indiqué en lumens (lm) et est une quantité de lumière valorisée par la sensibilité de l’œil humain. Le rapport entre le flux lumineux et la consommation d’énergie électrique est une mesure de l’efficacité énergétique (lm/W) d’une source lumineuse (lampe ou luminaire).

Éclairement Ev

L’éclairement Ev est le quotient du flux lumineux tombant sur une surface et de la taille de cette surface (lm/m²). Il peut être déterminé en tout point de la pièce et déduit de l’intensité lumineuse (cd), défini ci-dessous. L’éclairement diminue avec le carré de la distance à la source lumineuse (loi de distance photométrique). L’éclairement est donné en Lux (lx). La norme SN EN 12464-1 spécifie les niveaux d’éclairement requis pour les espaces intérieurs des lieux de travail.

Intensité lumineuse Iv

L’intensité lumineuse Iv est une mesure du flux lumineux émis par unité d’angle solide (en stéradian sr). Seule une source lumineuse ponctuelle idéale diffuse sa lumière uniformément dans toutes les directions. En réalité, la répartition n’est jamais uniforme, en raison de la structure de la source lumineuse ou du guidage ciblé de la lumière par des luminaires. L’unité d’intensité lumineuse est la seule unité de la technique d’éclairage à faire partie des unités SI. La candela (cd) y est définie comme suit : « La candela est l’intensité lumineuse dans une certaine direction d’une source de rayonnement qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence 540 THz (555 nm, lumière verte) et dont l’intensité de rayonnement dans cette direction est 1/683 watts par stéradian. »

Niveau de luminance Lv

La luminance Lv décrit la lumière émanant d’une surface. Il peut s’agir d’une surface auto-éclairée (par exemple un écran) ou d’une surface éclairée qui réfléchit la lumière. La luminance d’une surface auto-éclairante est proportionnelle à l’éclairement et au degré de réflexion de la surface. La luminance est la seule grandeur photométrique perceptible par l’œil humain. Elle est donnée en Candela par unité de surface (cd/m²).

Grandeurs radiométriques

Puissance rayonnante Φe

La puissance de rayonnement Φe indique la quantité de puissance transportée par une onde électromagnétique. Soit selon la définition : Pour un rayonnement électromagnétique d’une fréquence de 540 THz (lumière verte d’une longueur d’onde de 555 nm) avec 2,79 10¹⁸ photons par seconde, cela se traduit par une puissance de rayonnement de 1 W.

Irradiance Ee

L’irradiance Ee indique la quantité de puissance transportée par une onde électromagnétique qui arrive sur une surface. Ou selon la définition : Si un rayonnement électromagnétique d’une fréquence de 540 THz (lumière verte d’une longueur d’onde de 555 nm) frappe une surface de 1m² avec 2,79 10¹⁸ photons par seconde, le résultat est une irradiance de 1 W/m².

Efficacité lumieuse

L’efficacité lumineuse est le quotient du flux lumineux par la quantité d’énergie électrique consommée (lm/W). Elle indique le rendement d’une source lumineuse et se décrit comme :

L’efficacité lumineuse de quelques lampes est indiquée à la Figure ci-dessous.