Redécouvrir les apports gratuits

3. Redécouvrir les apports gratuits

Avec la remise en chantier régulière des réglementations thermiques, les apports gratuits aux bâtiments ont repris leurs marques aux côtés des systèmes d’enveloppe et d’équipement.

Que recouvrent les termes d’apports gratuits ? Il s’agit des charges externes et internes des constructions. Déjà prises en compte dans les calculs, leurs impacts se sont en revanche considérablement amplifiés avec le renforcement de règles d’isolation et d’étanchéité des parois.

Deux mesures de la RT 2012 imposent d’en préciser le calcul. La première : l’obligation, pour un accès à l’éclairage naturel, de recourir à une surface minimale de baie vitrée, soit 1 m² pour 6 m² de surface habitable ; la seconde : la limitation de la consommation d’énergie des cinq principaux usages – dont l’éclairage et la ventilation – à 50 kWh/m²/an. Applicable depuis maintenant cinq ans, cette réglementation a largement ouvert la voie au bioclimatisme.

De fait, les concepteurs prennent en considération des éléments typiques des constructions traditionnelles, vernaculaires : orientation, forme, impact des constructions voisines, conditions extérieures (climat, végétation et relief), caractéristiques des matériaux utilisés, dimensions et emplacement des menuiseries, types d’occupation (nombre de personnes, activités, durée quotidienne)…

Le bilan thermique peut ainsi être affiné de l’ensemble des charges externes : apport de chaleur par rayonnement solaire par les murs, la toiture ou le plafond, et le plancher ; par rayonnement solaire sur les vitrages ; par le renouvellement d’air et les infiltrations…

Les outils de calcul prennent aussi en compte les charges internes que sont les apports de chaleur par les occupants et par l’éclairage artificiel.

La lumière

Construire bioclimatique !

« L’architecture bioclimatique est celle qui optimise le fonctionnement du bâtiment sur les ressources (ou les nuisances) offertes par son environnement extérieur (température, soleil, lumière, air…). » : cet extrait du guide Bio-tech « Confort d’été passif », réalisé par l’Arene Île-de-France et l’ICEB, pose les bases de la réflexion. Les concepteurs chercheront donc à tirer utilement profit des sources naturelles d’énergie – lumière, chaleur, vent – pour les exploiter en chauffage, rafraîchissement, ventilation et éclairage naturels.

L’application de la RT 2012 demande de prendre en compte les données climatiques, les caractéristiques du bâti et les scenarii d’utilisation pour calculer le coefficient du bâtiment bioclimatique, dit Bbio, véritable indicateur de la qualité de la conception et de l’implantation du projet au regard de ses besoins énergétiques.

Sa formule additionne les besoins de chauffage (d’un coefficient 2), les besoins de rafraîchissement (× 2) et les besoins en éclairage (× 5). Le résultat, sans unité, doit être inférieur au Bbio de référence dans la zone géographique du bâtiment.

Latérales ou zénithales : quelles solutions pour l’éclairage naturel ?

L'industrie fournit une très large gamme de solutions pour l'apport de lumière dans les locaux tertiaires, industriels ou logistiques :

• Les baies et les façades. Les baies vitrées – fenêtres ou portes-fenêtres – seront choisies avec un clair de vitrage maximal pour éviter de faire obstacle au passage de la lumière. Les concepteurs puiseront parmi les types de vitrages disponibles : clairs, teintés, réfléchissants ; simples, doubles ou triples selon les prescriptions thermiques et la gestion des apports directs de chaleur.

Les verrières permettent de réaliser des volumes tampons profitables en termes thermiques (photo)

Quelle est leur épaisseur et quelle sera la mise en oeuvre des menuiseries : en tableau ou en applique ? Avec quelle forme d'embrasure (droite, ouverte) ? Avec quelle hauteur de linteau ?… Il va de soi que le choix des baies s'étudie aussi en tenant  compte des parois opaques – des murs – dans lesquels elles sont installées.

Les multiples façades légères disponibles sur la marché sont généralement proposées avec des arguments techniques chiffrés au regard du potentiel d’éclairage naturel.

• Les solutions zénithales. Elles existent depuis très longtemps sous de multiples formes. Les plus simples et communes sont les fenêtres de toit. Posées sur les rampants, elles conviennent particulièrement à l'éclairage des pièces en combles. Les architectes et bureaux d'études utilisent aussi couramment les puits de lumière. Les formules techniques disponibles – à réflecteur ou diffuseurs – permettent de redistribuer une lumière naturelle aux longueurs d'onde adaptées à la vue et profitable en termes de confort global.

Dans les locaux tertiaires, logistiques, commerciaux ou industriels, les lanterneaux simples ou filants sur toit plat (Fig. 3.1a et Fig. 3.2) constituent des solutions techniquement simples et esthétiques. Les solutions proposées par les fournisseurs  intègrent désormais les problématiques d'éblouissement et d'isolation thermique. De même, à la faveur de grands chantiers de rénovation – tel l'Hôtel-Dieu à Lyon –, les verrières (Fig. 3.3) connaissent un renouveau pour leur qualité d’éclairage et de protection contre les éléments. Souvenons-nous qu'elles sont à l'origine du commerce moderne au milieu du XIXe siècle, avec leur utilisation dans les passages couverts parisiens…

Quant aux sheds, équipements caractéristiques des bâtiments industriels, ils possèdent pour intérêt primordial de pouvoir être orientés au nord – afin de maîtriser totalement l’éblouissement – et de recevoir tout type de remplissage.

Figure 3.1 - Les voûtes et lanterneaux filants conviennent aux grands volumes : centres commerciaux, sites de stockage... (photo)

Les modèles de conduits de lumière sont nombreux et adaptés à diverses situations (photo)

Dans les locaux tertiaires, logistiques, commerciaux ou industriels, les lanterneaux simples ou filants sur toit plat (Fig. 3.1a et Fig. 3.2) constituent des solutions techniquement simples et esthétiques. Les solutions proposées par les fournisseurs  intègrent désormais les problématiques d'éblouissement et d'isolation thermique. De même, à la faveur de grands chantiers de rénovation – tel l'Hôtel-Dieu à Lyon –, les verrières (Fig. 3.3) connaissent un renouveau pour leur qualité d’éclairage et de protection contre les éléments. Souvenons-nous qu'elles sont à l'origine du commerce moderne au milieu du XIXe siècle, avec leur utilisation dans les passages couverts parisiens…

Quant aux sheds, équipements caractéristiques des bâtiments industriels, ils possèdent pour intérêt primordial de pouvoir être orientés au nord – afin de maîtriser totalement l’éblouissement – et de recevoir tout type de remplissage.

Figure 3.2 - Les lanterneaux sont un classique des équipements de toitures industrielles et tertiaires (photo)

Optimiser le ratio surfaces vitrées / parois opaques

Si la réglementation thermique demande un ratio minimal de 1 m² de paroi vitrée pour 6 m² habitable, l’objectif d’exploiter au maximum ces apports lumineux laisse la porte ouverte à plus de créativité pour proposer un confort optimal.

Une formule simple permet aux concepteurs d’élaborer une approche satisfaisante : le facteur de lumière du jour, ou FLJ.

Déterminé pour un point intérieur précis – sur le plan de travail d’un bureau, au sol… –, c’est le rapport entre l’éclairement naturel reçu sur l’éclairement extérieur par ciel couvert :

Composer avec trois règles de base

Qualité de transmission lumineuse, uniformité d’éclairage, autonomie d’éclairage naturels... ces demandes peuvent être satisfaites en respectant une approche simple et rigoureuse :

1. Atteindre le seuil minimal de 300 lux durant 50 % de l’occupation et sur 90 % de la surface. Préconisé depuis de nombreuses années au niveau international, ce niveau d’autonomie de lumière naturelle est clairement indiqué dans la nouvelle norme EN 17 037 relative à « l’éclairage naturel des bâtiments ».

Pour gérer la variation lumineuse selon la localisation, il est possible d’exploiter des bases de données géographiques, par exemple les informations diffusées par le site www.satel-light.com. Retenons cependant que la lumière disponible à l’extérieur varie selon la situation géographique. On prendra en compte le niveau de lumière requis suivant l’activité du bâtiment et sa localisation pour déterminer la surface d’éclairage nécessaire ainsi que le type de remplissage (verre, ombrage, polycarbonate…).

2. Uniformiser l’éclairage naturel grâce aux matériaux. Diffusants ou transparents, ils aident à homogénéiser la répartition de lumière dans les bâtiments et règlent les situations d’inconfort classiques : éblouissement, ombres… Des protections solaires peuvent y être associées.

3. Calculer la surface géométrique de lumière, ou SGL, car ce ratio est basé sur le facteur de lumière du jour rapporté au facteur de transmission lumineuse du remplissage (du verre transparent au matériau opalescent), dite « TV ». Il permet de  éterminer la surface d’ouverture, essentiellement en toiture. Sa formule est :

Un éventail d’outils pour concevoir

Les outils d’aide pour les maîtres d’oeuvre permettent d’optimiser, analyser et simuler l’orientation du bâtiment à construire ou à équiper. Les concepteurs ont à leur disposition des outils de localisation géographique, d’historiques d’événements météo… Il leur est alors possible de prédimensionner les projets. Le récent « Guide de l’éclairage naturel zénithal », réalisé par les industriels réunis au sein du groupement GIF Lumière (cf. « Pour en savoir plus »), présente une approche avec quelques outils (formules de calcul, tableaux, exemples...) qui permettent de cerner les options réalistes.

Témoignage

Fournir un grand confort de travail

"Lorsque nous travaillons sur des ouvrages neufs ou à rénover tels que des gymnases, des ateliers d’usine ou des entrepôts, nous considérons qu’il est important de sensibiliser le maître d’ouvrage à l’exploitation du gisement de lumière naturelle. Pour tous ceux qui y travaillent, il en va de leur confort visuel. Avec l’expérience, nous savons que cela va même au-delà : c’est une manière de redonner aux occupants du bien-être, de l’énergie, et de prendre en compte  certaines formes de fatigue au travail. 

En construction neuve sous RT 2012, pour réduire le coefficient bioclimatique Bbio, l’éclairage naturel présente des avantages importants : il faut garder à l’esprit que, dans la formule de calcul, les consommations d’énergie par l’éclairage artificiel sont affectées d’un coefficient 5 ! L’augmentation des surfaces d’ouverture, en façade ou en toiture, améliore globalement le résultat.

Nous avons mis ce type d’éclairage en pratique, chez un industriel français, dans un atelier de soudage manuel de composants électroniques, ce qui demande beaucoup de précision. L’éclairage naturel a fait l’objet d’une indispensable étude pour éviter l’éblouissement. Il fournit réellement un grand confort de travail aux opérateurs.

Nos garde-fous vis-à-vis de ces solutions sont, en premier lieu, d’éviter à tout prix l’éblouissement en travaillant la simulation – nous collaborons avec des éclairagistes, et il existe aussi des outils gratuits de visualisation –, et, en second lieu, de traiter  les risques thermiques, de surchauffe ou de déperdition. Parmi l’ensemble des solutions disponibles, nous apprécions particulièrement les tunnels verticaux à concentration de lumière. Ces équipements présentent à la fois un intérêt en termes d’éclairement et d’isolation thermique du bâtiment : ils ne diffusent jamais de lumière directe car la concentration est associée à une diffusion et la colonne d’air entre l’émergence extérieure du spot et le débouché intérieur garantit une faible  transmission thermique. Cette caractéristique vaut pour le confort d’hiver, mais aussi pour le confort d’été, car ces conduits de lumière évitent la surchauffe."

Joséphine Ledoux, ingénieure, co-gérante du bureau d'études Enera Conseil

Les bureaux d’études disposent de nombreux logiciels pour tenir compte de la forme et de la hauteur des bâtiments à traiter.

On peut citer :

• Heliodon, qui effectue un diagramme solaire et le calcul d'éclairement direct du soleil selon le lieu, la date et l'heure ;
• DL-Light et DL-Instant, des extensions de l'outil Sketchup pour évaluer la lumière naturelle dans les ouvrages et les ensembles urbains ;
• Relux, Dial + Radiance ou Archiwizard pour une approche approfondie des projets.

À ce titre, le GIF Lumière rappelle quelques règles d’ajustement des outils de visualisation pour réduire l’écart entre la simulation et la réalité après chantier : renseigner les bases de données des facteurs de réflexion des parois ; indiquer précisément les propriétés translucides ou diffusantes des ouvertures et réaliser la simulation sur un bâtiment vide, c’est-àdire non meublé.

Des outils de simulation thermique dynamique (STD), tels Pleiades-Comfie, Designbuilder, Virtual Environment…, ou de mise en évidence des ombres sur un cycle annuel à l’aide d’applications 3D BIM conviennent aussi pour ce besoin…

À retenir : la donnée exploitable la plus importante est le facteur de lumière de jour (FLJ) moyen sur une surface de référence.

Maîtriser les apports lumineux

La performance de la lumière naturelle dans les locaux de travail ou résidentiels tient à la maîtrise des variations qui peuvent perturber le confort des occupants, essentiellement l’éblouissement et les surchauffes.

La démarche fondamentale des  concepteurs repose sur l’orientation des constructions et la simulation des choix techniques : dimension et adaptation des ouvertures, choix des remplissages verriers pour optimiser la transmission lumineuse, facteur solaire (vitrages clairs, à contrôle solaire, réfléchissants).

Les maîtres d’oeuvre doivent compléter l’ouvrage de dispositifs de protection. Il faut distinguer pour ceux-ci plusieurs niveaux de solution :

• l'intégration environnementale : la végétation ou le relief servent utilement à protéger ou éclairer les façades selno les saisons ;
• l'animation architecturale de la façade à l'aide de casquettes, de brise-soleil horizontaux ou verticaux fixes, d'une résille extérieure, voire de toitures et façades végétalisées ; les bâtiments plus épais peuvent bénéficier de patios, puits de lumière ou atriums... Ces solutions permettent d'exprimer un parti environnemental fort et de rompre la monotonie des façades produite par une stricte lecture de la réglementation thermique ;
• l'équipement des menuiseries à l'aide de stores à lames orientables, de stores intérieurs ou extérieurs (parfois réfléchissants), à projection, stores bannes, voire vénitiens et intérieurs aux remplissages à double vitrage ; des vitrages électrochromes, assurant un assombrissement par activation électronique, commencent aussi à se développer.

En toiture, les sheds, lanterneaux ponctuels et filants, fenêtres de toit peuvent être équipés de remplissages diffusants, de stores en toile, verticaux ou horizontaux.

Éclairer naturellement : pour quels bénéfices ?

La prise en compte de l’éclairage naturel présente un impact à la fois humain, technique et financier :

• En choisissant d’éclairer les locaux avec une ressource solaire optimisée et maîtrisée, les maîtres d’ouvrage privilégient le respect des besoins physiologiques élémentaires des occupants. La longueur d’onde de la lumière naturelle centrée sur 550 nm respecte la vision ; les sources d’éclairage artificielles – LED ou fluorescentes – sont généralement décalées dans le spectre visible, notamment vers le bleu ; ces éclairages sont aujourd’hui reconnus pour perturber le cycle veille-sommeil.

Enfin, généralement associé avec une vision du panorama extérieur, l’éclairage naturel participe au bien-être des occupants par la combinaison d’effets visuels, biologiques et émotionnels. Les observations rapportent une diminution de l’absentéisme, une amélioration de la concentration…

• L’exploitation des apports lumineux et thermiques impacte les postes techniques du chauffage et de l’éclairage.

Figure 3.4 (photo)

Dans un bâtiment tertiaire, les besoins d’éclairage s’établissent de 7 à 40 W/m², voire de 7 à 10 W/m². La prise en compte de la lumière naturelle réduit les besoins d’alimentation électrique et limite d’autant les apports de chaleur internes. Il faut aussi retenir que l’arrêté du 22 mars 2017 sur la réglementation thermique des bâtiments existants demande, pour les nouvelles installations d’éclairage dans les ouvrages non résidentiels :

• une gradation de l'éclairage artificiel en fonction de l'éclairage naturel ;
• une puissance maximale de 1,6 W/m² d'éclairage artificiel et un éclairement moyen de 100 lux.

Une opportunité de complément des besoins par les apports naturels…

Enfin, l’impact financier de l’éclairage naturel peut s’analyser sous différents angles : une augmentation de la productivité, une diminution des accidents de travail, une amélioration de la qualité de production, une réduction des consommations  l’énergie pour l’éclairage et pour le chauffage.

Par ailleurs, le respect des 300 lux de lumière naturelle durant 50 % de l’occupation permet, dès la conception, de réduire le coefficient de consommation d’énergie primaire (Cep) de 10 à 20 %. Et si l’agrandissement des surfaces de baies se traduit réglementairement par une augmentation des déperditions, concrètement, éclairage naturel et apports thermiques gratuits réduisent les besoins énergétiques de 20 à 60 %…

L'éclairage, premier poste énergétique d'un immeuble de bureaux RT 2012

Dans le manuel Dans le manuel « Conception des bureaux bioclimatiques », Cegibat cite les chiffres fournis par le bureau d’études Effilios sur la consommation énergétique des immeubles existants, neufs et réalisés sous la RT 2012.

Dans les immeubles anciens,  l’éclairage compte pour 18 % des consommations ; dans un immeuble neuf, au regard de la réduction des consommations des équipements techniques (chauffage, rafraîchissement…) et du maintien de celles de la bureautique, la part de l’éclairage diminue de moitié.

Pour autant, dans un immeuble RT 2012, ce poste de consommation pèse pour 38 % des consommations, contre 14 % pour le chauffage, 21 % pour le rafraîchissement et 27 % pour les auxiliaires. Un niveau lié, selon Cegibat, à « la durée de  fonctionnement, élément difficilement maîtrisable et estimable, dès lors qu’il est fonction du comportement des occupants ».

Le vocabulaire pour appréhender la lumière et les grandeurs photométriques

1. Le flux lumineux : puissance lumineuse émise par une source. L'unité est le lumen (lm). Un lumen est le flux d'un rayon de 555 nanomètres (nm) correspondant à une énergie de 1/683 W.

2. L’intensité lumineuse : flux lumineux d’une source dans une direction donnée. L’unité est le candela (cd).

3. L’éclairement lumineux : flux lumineux reçu par une surface. L’unité est le lux (lx). Un lux correspond à 1 lumen sur 1 m².

4. La luminance lumineuse : intensité lumineuse d’une source dans une direction donnée. L’unité est le candela par mètre carré (cd/m²).

5. La réflexion : changement de direction de la lumière venant frapper une surface.

On distingue :

- la réflexion spéculaire, où le rayonnement est réfléchi sur une surface selon un angle identique au rayon incident ;

- la réflexion diffuse où, sur une surface irrégulière, les rayons réfléchis ne sont pas parallèles au rayon incident.

Le facteur ou coefficient de réflexion lumineuse d’une surface exprime le ratio d’énergie lumineuse réfléchie par rapport à celle reçue. L’unité est Ú (rho).

6. La transmission lumineuse : flux lumineux qui traverse un matériau. On distingue la transmission lumineuse directionnelle, d’un angle égal à celui du rayon incident, de la transmission diffuse (ou spéculaire). Le coefficient de transmission  lumineuse (TL) est le ratio du flux lumineux transmis sur le flux incident. Son unité est Ù (tau).

éclairer les locaux : les prescriptions réglementaires et normatives

L'éclairage des zones de travail est précisé par la circulaire ministérielle du 11 avril 1984 qui précise les décrets n° 83-721 et 83-722 du 2 août 1983.

Cette circulaire demande un éclairage minimal par type d’activité :

• 200 lux pour la mécanique moyenne, la dactylographie, les travaux de bureau ;
• 300 lux pour le travail de petites pièces, les bureaux de dessin, la mécanographie ;
• 400 lux pour la mécanique fine, la gravure, la comparaison de couleurs, les dessins difficiles, l'industrie du vêtement ;
• 600 lux pour la mécanique de précision, l'électronique fine, les contrôles divers ;
• 800 lux pour les tâches très difficiles dans l'industrie ou les laboratoires.

Plus récente, la norme EN 12464-1 sur la lumière et l’éclairage des lieux de travail, sortie en 2006 et reformulée en 2011, permet de définir différemment l’éclairement et sa répartition sur la zone de travail. Elle s’applique aux bureaux, ateliers, écoles, hôpitaux et commerces.

1. Elle définit trois zones d’éclairement :

• la zone de travail : le plan de bureau, le sol... la surface où s'exécute la tâche visuelle ;
• la zone environnante immédiate, soit une bande de 50 cm autour de la zone de travail ; la lumière y sera diminuée d'un facteur de 1,5 à 1,55 ;
• la zone de fond, soit une bande de 3 m autour de la zone environnante immédiate... dans les limites de l'espace (murs, séparations, mobiliser...) ; l'éclairement pourra être du tiers de celui de la zone précédente.

2. Elle prescrit des niveaux d'éclairement moyens selon l'activité :

• 200 lux dans les locaux d'archivage ;
• 300 lux pour les locaux commerciaux, entrepôts, locaux sportifs, locaux de réception, bureaux (guichets, classement...) ;
• 500 lux dans les ateliers d'assemblage de précision ou d'usinage, dans les bibliothèques ou salles de lecture, dans les cuisines, dans les locaux scolaires ou salles de conférences, dans les bureaux ou l'on travaille sur clavier et écran ;
• 750 lux dans les bureaux de dessin industriel...

3. Elle développe deux mesures contre l'éblouissement :

• L'UGR, ou "Unified Glaring Rate", qui permet de maîtriser l'éblouissement dû à l'association de plusieurs luminaires. Ce taux s'étendde 1 - non éblouissant - à 30 - très éblouissant. L'UGR est principalement lié au flux lumineux, à la surface d'éclairement et à la répartition de l'éclairement.
• L'angle de défilement qui est un angle maximal défini selon la luminance de la lampe : 15° pour celles < 50 kca/m², 20° pour celles de 50 à < 500 kca/m², 30° pour celles > 500 kca/m².

L'éclairage représente 12 % des consommations électriques annuelle

Sur les quelque 475 TWh d’énergie électrique consommés annuellement en France, 56 TWh sont absorbés par l’éclairage :

• la part du résidentiel est de 11 TWh ;
• celle de l’éclairage extérieur public est de 7 TWh ;
• l’éclairage intérieur public (santé, enseignement, sport, culture et administration) compte pour 15 TWh ;
• l’éclairage intérieur privé (bureaux, cafés, hôtels, restaurants, commerces et industrie) affiche une consommation de 23 TWh.

Source : RTE, Ademe, Syndicat de l’éclairage.

(Extrait du Livre Blanc "La gestion énergétique naturelle" réalisé par Adexsi /

Edition regroupant les sociétés Souchier-Boullet et Bluetek /

Achevé d'imprimer en 2018 / pages 8 à 11)

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