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Captation et transport de lumière naturelle

Rapport présenté à « Lighting Technology : LightFocus 2002 » Francfort 2002
 
En 1988 iGuzzini a commencé ses études en matière de photobiologie et a participé à un projet de recherche financé par le CNR (Centre National de Recherche italien).
Cette recherche était orientée notamment sur l’étude d’un système d’éclairage variable à réglage automatique pour des locaux dépourvus de fenêtres (nommé SIVRA).
Avec le SIVRA nous avons crée un appareil d’éclairage capable de produire des situations d’éclairage « naturel » et de reconstituer le découpage temporel grâce à la lumière.
La deuxième étape de notre enquête portait sur la façon dont la lumière artificielle s’associe avec la lumière du soleil pour l’éclairage des locaux dépourvus de fenêtres.

C’est ainsi qu’en 1998 nous avons lancé une nouvelle recherche, dénommée « Système de téléportation pour la lumière naturelle » financé par le Ministère italien de la Recherche scientifique et technologique ; aujourd’hui je vais vous montrer une vue d’ensemble des premiers résultats.
Il s’agirait donc d’assurer le transport en profondeur de la lumière avec de bons niveaux d’uniformité de l’éclairement, sans empêcher la visibilité de l’extérieur.
Les résultats que nous voudrions obtenir sont les suivants :
- assurer un niveau d’éclairement adapté pour les tâches visuelles demandées en fonction des différents types d’applications ;
- économiser le maximum d’énergie par rapport à une analyse approfondie des coûts/bénéfices et à l’efficacité maximale du système.
Cette recherche a été développée en vue d’améliorer la pénétration de la lumière du jour à l’intérieur des édifices. En effet, la qualité de l’environnement lumineux revêt une importance primordiale en vue du bien-être psychophysiologique de l’homme, notamment quand une personne est obligée de séjourner à l’intérieur de locaux clos pendant des temps prolongés (bureaux, hôpitaux, écoles, etc.).
Le confort visuel est rattaché d’un côté à la quantité de lumière nécessaire pour mettre en œuvre des activités spécifiques, et d’autre côté à la qualité générale de l’environnement lumineux.
Cette étude devrait aboutir à la réalisation d’un système à même de distribuer la lumière du jour à l’intérieur de ces espaces où la lumière est souvent occultée (en utilisant des stores, par exemple) pour éviter des éblouissements gênants et de la remplacer donc par la lumière artificielle.

En ayant recours à des systèmes intégrés particulièrement innovants, nous obtiendrons les résultats suivants :

1 – Le transport en profondeur de la lumière avec de bons niveaux d’uniformité de l’éclairage, grâce à une lumière concentrée, surtout si ces systèmes sont utilisés dans des endroits ensoleillés. Il serait donc possible de réaliser également une économie d’énergie, grâce à des dispositifs de contrôle appropriés.

2 – L’amélioration de l’uniformité de l’éclairage dans les locaux intérieurs ; en effet, la lumière naturelle est transportée en profondeur, ce qui permet de réduire les contrastes les plus marqués entre la partie avant et la partie arrière des locaux intérieurs.

3 – La maîtrise du rayonnement direct, sans masquer les fenêtres et empêcher la vue de l’extérieur.

4 – La maîtrise de l’éblouissement direct.
 
Le système d’éclairage du jour se compose de trois éléments : un capteur situé à l’extérieur du bâtiment et un diffuseur situé à l’intérieur.
Dans notre cas, l’unité de conduction et l’unité de transport se fondent dans l’unité de diffusion.
L’unité de focalisation est un élément de liaison entre le capteur et le diffuseur, dont la fonction est celle de focaliser et de transporter la lumière du jour à l’intérieur de l’unité de transport ;
Le récepteur, situé à l’extérieur : capture et transporte la lumière du jour dans ses composantes directe et indirecte ;
Notre intérêt a été orienté vers des systèmes de captation et de concentration linéaire à l’aide de lentilles de Fresnel, qui utilisent la pellicule à lentilles de Fresnel 3M-21X .

Notre solution s’est concrétisée dans un récepteur « actif », à translation sur le plan vertical. Le mouvement du récepteur est réglé par un programme informatisé qui calcule la hauteur du soleil exacte par rapport au jour, à l’heure et à la saison, de manière à focaliser toujours le rayonnement solaire sur la ligne focale exacte.
Cette solution réduit le nombre de composants du système, ce qui comporte des avantages évidents sur le plan de la gestion et de l’entretien du système.
Ce système réalise un traçage du soleil, en suivant son parcours au cours de la journée, grâce uniquement à une translation sur le plan vertical, avec un mouvement de 10° à 80° (inclus).
Cette solution a été choisie en raison de la simplicité de fabrication du récepteur et pour vérifier l’efficacité du système dans les heures d’ensoleillement maximum, soit de 10.00 à 14.00 heures.
Un prototype de ce récepteur actif a été construit et installé au laboratoire expérimental au siège iGuzzini Illuminazione de Recanati.

Le point de focalisation a été placé à une distance de 40 cm de la surface inférieure de la lentille (profondeur du récepteur), revêtue du matériau à forte capacité de réflexion, […] est composé d’une structure en forme de boîte large de 180 cm et haute de 10 cm, avec une profondeur variable selon la profondeur du mur auquel elle est encastrée.
Le diffuseur, situé à l’intérieur du local, permet le transport, l’émission et le contrôle du flux.
Le diffuseur est une structure en forme de boîte dont les dimensions sont les mêmes que le conduit en largeur et hauteur, tandis que la profondeur change en fonction des dimensions du local où est installé le système à lumière du jour ; dans notre prototype elle est égale à 6,60 mètres.
L’aspect dimensionnel, une hauteur de 25 cm environ dans la section, et remarquablement plus compacte si on le compare à d’autres systèmes semblables. Il est évident que cet objet, en raison de ses dimensions réduites, peut être comparé aux appareils d’éclairage encastrés traditionnels.

À l’intérieur de l’unité de diffusion, un film optique est plié par le conduit de transport jusqu’au diffuseur, en touchant la surface inférieure, responsable de l’émission, réalisée en une plaque de polycarbonate revêtue d’un matériau 3M OLF.
Ce système est assez flexible, non seulement en termes d’utilisation des technologies, mais aussi en ce qui concerne, d’un côté, l’intégration de la lumière du jour avec la lumière artificielle et, d’autre côté, les dimensions des diffuseurs qui peuvent être facilement adaptées aux différentes fonctions.
Les caractéristiques innovantes concernent l’emploi de matériaux optiques sophistiqués, spécialement conçus pour le transport, le contrôle et la diffusion de la lumière dans trois éléments.

Un autre aspect innovant est représenté par l’intégration, à l’intérieur du système (et plus précisément dans l’unité de focalisation) des sources lumineuses artificielles, surveillées à l’aide d’un système électronique qui règle aussi bien l’allumage que l’intensité. La lumière artificielle se combine ainsi avec la lumière du jour pour intégrer les abaissements éventuels des niveaux d’illumination naturelle.
 
Le monitorage du système a commencé pendant la première semaine du mois de juillet 2000 et, si les prévisions se confirment, devrait se prolonger pendant au moins 6-8 mois, afin de tester l’efficacité du système pendant une période plus prolongée.
Le monitorage a été effectué dans un local ayant une surface de 30 mètres carrés.
Nous avons utilisé une série de détecteurs de lux reliés au moyen d’un ordinateur servant à l’enregistrement des données :
15 capteurs pour l’éclairement horizontal au sol placés à une distance de 240 cm environ de l’appareil d’éclairage et 6 capteurs sur le mur pour contrôler l’éclairement vertical.
Deux différentes conditions météorologiques ont été prises en compte : ciel clair et partiellement couvert.
Les données ont été contrôlées toutes les 5 minutes pendant la période du jour sous examen.
Il va de soi que ce système a été conçu pour être appliqué dans des zones ensoleillées avec des conditions de ciel clair (toute la région de la Méditerranée) ; les résultats les meilleurs s’obtiennent dans des conditions de ciel clair, avec des pointes d’éclairement supérieures à 500 lux (valeur moyenne sur le plan de travail).
Les valeurs mesurées au sol du local où le système a été installé indiquent que l’efficacité maximale est atteinte entre 10:00 et 13:00 heures, avec un éclairement moyen plus élevé que la valeur de seuil égale à 300 lux, correspondant à l’éclairement moyen sur le plan de travail (selon les objectifs fixés pour la recherche).
Une première évaluation générale de l’économie d’énergie que l’on pourrait obtenir avec le système décrit ci-dessus peut être faite sur la base des considérations suivantes :

- Le niveau d’éclairement moyen considéré comme satisfaisant dans ce projet de recherche est de 300 lux environ.
- Dans un bureau typique, ressemblant à notre mise en situation de référence, ouvert de 9.00 à 17.00 heures, la lumière artificielle est allumée normalement pendant toute la durée de la journée de travail.

Le jour de référence était le 1er juillet 2000, sur la base des relevés effectués.
Pour maintenir un éclairement minimum de 300 lux, le système pourrait utiliser des sources lumineuses artificielles pendant les premières heures de la matinée, à 100%, réduisant ensuite graduellement l’apport de lumière artificielle et augmentant la contribution de lumière naturelle.
Donc, dès que le niveau d’éclairement assuré par la lumière naturelle atteint 300 lux, les lumières artificielles s’éteignent, et sont ensuite rallumées au moment où la lumière naturelle n’est plus à même d’assurer le respect du seuil minimum.
Les sources lumineuses artificielles restent éteintes pendant 3 heures environ, et fonctionnent à 50% pendant 40 minutes environ.
Les évaluations portant sur les aspects énergétiques relatifs au prototype installé au laboratoire du siège iGuzzini de Recanati doivent néanmoins être calculées et/ou vérifiées en plusieurs situations :

1- économie d’énergie pendant des journées de ciel clair avec la lumière du soleil au maximum ;
2- économie d’énergie pendant des journées partiellement claires (nébulosité variable) ;
3- utilisation de sources lumineuses artificielles (8 MASTERCOLOR 70W) pour intégrer l’abaissement des niveaux d’éclairement dans des conditions de nébulosité variable ;
4- comparaison de la consommation d’énergie avec un système d’éclairage artificiel « indirect » avec la même luminance, da manière à assurer le niveau minimum de 300 lux.

L’ensemble de ces contributions permet d’obtenir une économie de 1,867 kWh pendant toute la journée, qui, en pourcentage, se traduit par une épargne nette de 41,7% en consommation d’énergie.
 
Si nous voulons analyser les avantages économiques d’ensemble provenant de l’utilisation de ce système, nous devons prendre en compte également les niveaux de confort que le système est à même d’assurer. Les bénéfices « indirects » qui pourraient découler d’une augmentation du confort visuel sont difficiles à quantifier en termes économiques : nous devrions mener une série d’analyses approfondies ainsi que des tests détaillés sur les différents aspects du bien-être.

De plus, pour l’évaluation correcte des coûts/bénéfices sur le plan de l’énergie, il faut considérer également les avantages en termes d’économie d’énergie pour la climatisation, car ce système a un coefficient réduit de transmission de chaleur, et, si on l’associe à un dispositif approprié d’ensoleillement des parois verticales des fenêtres, il permet une réduction remarquable des niveaux de consommation d’énergie.

Ce système doit être analysé et étudié, afin qu’il soit possible de comprendre les implications possibles sur une gamme étendue de systèmes pour l’éclairage des édifices. Le résultat auquel nous souhaitons parvenir dans ce domaine serait celui d’assurer un niveau d’éclairement idoine pour les tâches visuelles demandées par les différents types d’applications dans l’éclairage des édifices, atteignant par là l’objectif d’économiser le maximum d’énergie par rapport à une analyse approfondie des coûts/bénéfices et à l’efficacité maximale du système.