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Un dispositif automatique de gestion de la lumière du jour

© 2019 EPFL  Prof. J.-L. Scartezzini Dr. Y. Wu and Dr. J. Kämpf (LtoR)

© 2019 EPFL Prof. J.-L. Scartezzini Dr. Y. Wu and Dr. J. Kämpf (LtoR)

Dr Yujie Wu a défendu sa thèse de doctorat avec brio et succès vendredi 3 mai dernier.
Il a exposé le concept d'un système indépendant et décentralisé, doté d'un dispositif photométrique intégré, permettant de gérer automatiquement la position et l'inclinaison des lames de stores vénitiens. Une nouvelle étape est franchie vers la Transition Energétique 2050 et vers des espaces de vie et/ou de travail à faible émission de carbone.

Une exposition suffisante à la lumière naturelle contribue au bien-être, à la productivité et à la santé des occupants dans les bâtiments. Cependant, un excès de lumière du jour peut aussi provoquer un éblouissement gênant et augmenter le besoin en refroidissement durant la saison chaude. Les performances des protections solaires, gérées manuellement, sont limitées par la faible fréquence d’interaction des utilisateurs. Les conditions d'éclairage naturel étant dynamiques, de fréquents ajustements des stores sont nécessaires, mais ils sont peu pratiques pour les utilisateurs. Différents systèmes automatiques de contrôle des stores ont été proposés en vue d’une meilleure utilisation de la lumière du jour dans les bâtiments; leurs performances sont souvent limitées par un certain nombre de facteurs, notamment une protection insuffisante contre l’éblouissement, des mouvements gênants des lames, des problèmes d’intimité et des difficultés de mise en service. Dans cette thèse, un système intégré de contròle des stores est proposé et mis en oeuvre en vue de gérer la lumière naturelle dans les bâtiments. Basé sur un calcul en temps réel de l’éclairage naturel dans un local, réalisé à partir de la distribution de luminance du ciel, le système proposé est parfaitement indépendant et décentralisé et permet une gestion quasi-instantanée de la position et de l'inclinaison de lames de stores vénitiens.

Un dispositif photométrique intégré (DPI) a ainsi été conçu et mis en oeuvre, offrant une précision inegalée en simulation de l’éclairage naturel par rapport aux modèles de ciel utilisés dans la pratique. Le DPI est composé d’un imageur numérique et d’un microprocesseur. Après calibration, la réponse spectrale du système est proche de la courbe de sensibilité photopique V(λ) et caractérisé par une erreur de correction spectrale de 8.9%. La plage de détection de luminance s’étend de 1.2 x 102 à 3.78 x 109 cd/m2, couvrant les extrêmes depuis l’ombre jusqu’à la luminance du disque solaire. Le DPI mesure la distribution en luminance de la voûte céleste et du sol. Sur la base du champ de luminance mesuré, le DPI est capable d’effectuer par lui-même des calculs d’éclairage naturel. Les résultats de la simulation de l’éclairement sur le plan de travail (EPT) ont été comparés avec une rangée de lux-mètres placés dans un module d’expérimentation en éclairage naturel en vraie grandeur sous différentes conditions de ciel: une précision supérieure à 10% a été observée.

Deuxièmement, étant donné que la fonction de distribution de transmission bidirectionnelle (BTDF) couramment utilisée dans la simulation d’éclairage naturel de stores nécessite un important volume de données, un procédé de compression basé sur la transformation en ondelettes planes a été pris en compte, et son erreur et influence sur la simulation d’éclairage naturel évalués pour différents taux de compression. Les résultats montrent que l’éclairement sur le plan de travail et la probabilité d’éblouissement dû à la lumière naturelle (DGP) ne sont pas modfifiés pour des taux de compression de la BTDF inférieurs à 100.

Troisièmement, un store vénitien autonome a été conçu, intègrant le DPI à la fois comme dispositif de mesure photométrique et comme contrôleur basé sur une simulation d’éclairage naturel en temps réel. Le DPI détermine une position de stores optimale en fonction de la simulation numérique afin d’offrir une valeur d'éclairement suffisante, d’empêcher un apport de chaleur solaire passive excessif, de limiter les reflets gênants et de maximiser la vue vers l’extérieur. Des campagnes de mesure "in situ" ont démontré que ces stores vénitiens automatisés étaient capables de gérer efficacement l’éclairement sur le plan de travail. La réduction des gains solaires, conduisant à des besoins inutiles en climatisation, a atteint 47%. Il a également été démontré que l’éblouissement psychologique, y compris l’éblouissement causé par les réflexions à l'extérieur du bâtiment, étaient également atténués. Une campagne d’études menée auprès de 34 sujets humains a montré une satisfaction vis-à-vis de la lumière naturelle ainsi régulée, de la prévention de l’éblouissement et du mouvement imperceptible des lamelles.

Enfin, le DPI a été utilisé pour contrôler le facteur de transmission lumineuse d’un vitrage électrochromique (EC), afin de garantir le confort et les performances visuels des occupants. Un suivi expérimental réalisé sur un module d’expérimentation en lumière naturelle en vraie grandeur a montré que l’éclairement du plan de travail se situait dans la plage souhaitable durant 83% du temps par ciel serein et durant 95% du temps pour le DGP; sous un ciel partiellement couvert, l'éclairement du plan de travail est approprié pendant 62% à 68% du temps de travail, alors que le DGP peut être qualité de confortable pendant 85% à 94% du temps.

Financement

Cette recherche a été financée par l'agence suisse de l'innovation Innosuisse dans le cadre du Swiss Competence Center for Energy Research  "Future Energy Efficient Buildings and Districts" (SCCER FEEB&D).

Références

Wu Yujie, Prof. Jean-Louis Scartezzini,  Dr. Jérôme Kämpf, chef de groupe "Energy Informatics Group "Institut de recherche IDIAP (dirs) Automated Daylighting Control System based on Sky Luminance Monitoring and Lighting Computing. Thèse EPFL N° 9498, 2019.