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VISIONARY INSIGHTS

Lumière naturelle et éblouissement: quelles sont les méthodes d’évaluation?

Eloïse Sok-Paupardin
12 Avril 2021
How to Assess Daylight Glare

On ne le répétera jamais assez : l’accès à la lumière naturelle dans les bâtiments est essentiel pour le bien-être et la santé de leurs occupants. Toutefois, il ne faut pas oublier qu’elle peut être source d’éblouissement et d’inconfort visuel. Si ce risque est en théorie bien connu, il n’est pas toujours bien traité en pratique, notamment à cause d’une connaissance encore limitée des indicateurs et outils de prédiction.  

L’objectif de cet article est de donner un aperçu global des méthodes et des outils développés à ce jour pour caractériser l’éblouissement lié à la lumière naturelle et le quantifier. Il vise à aider les concepteurs à mieux appréhender la problématique de l’éblouissement, et les guider dans l’évaluation de l’efficacité d’une stratégie de conception donnée.

 

Métriques d’éblouissement

Du fait de son caractère subjectif ainsi que de la multitude de paramètres l’influençant – conditions d’éclairement, morphologie du bâtiment, orientation, taille et position des ouvertures, aménagement intérieur, propriétés des surfaces, occupation de l’espace, activités ou tâches à réaliser etc., l’éblouissement reste un phénomène très difficile à caractériser et à quantifier. C’est en particulier le cas pour l’éblouissement lié à la lumière du jour1.

L’évaluation de l’éblouissement a fait l’objet de nombreux travaux de recherches depuis les années 70. Ces derniers ont conduit au développement progressif de multiples modèles et métriques, pour la plupart sur la base d’expériences conduites en laboratoire interrogeant des sujets exposés à différentes conditions d’éclairement. Ces modèles ont été régulièrement remis en question, comparés, puis corrigés ou affinés2

Aujourd’hui, les métriques d’éblouissement qui ressortent communément prennent en compte un ou plusieurs des paramètres suivants : la luminance des sources d’éblouissement, leur taille et leur position dans le champ visuel, la luminance des sources d’éblouissement, leur taille et leur position dans le champ visuel, et la luminance d’adaptation3,4 . Ces métriques peuvent alors être classées suivant les trois familles suivantes5:

  • Métriques basées sur l’effet de saturation, qui définissent des seuils de luminance ou d’éclairement au niveau des yeux. Elles caractérisent principalement l’éblouissement engendré par une très importante quantité de lumière arrivant dans les yeux. On trouve par exemple l’éclairement vertical au niveau des yeux, ou le Daylight Glare Probability simplifié (DGPs).

  • Métriques basées sur l’effet de contraste entre la luminance d’adaptation et un élément très lumineux dans le champ de vision : elles incluent par exemple le Daylight Glare Index (DGI), l’Unified Glare Rating (UGR) et le CIE Glare Index (CGI).
     
  • Métriques hybrides : basées sur les deux effets ci-dessus, comme le Daylight Glare Probability (DGP).

D’autres métriques basées sur la quantité d’éclairement sur un plan horizontal, comme l’Eclairement Naturel Utile6 (UDI) ou bien l’Exposition Solaire Annuelle7(ASE) méritent aussi d’être mentionnées du fait de leur utilisation dans certains standards8,9. Cependant, elles sont moins précises que des métriques basées sur la luminance10 , et sont plutôt recommandées comme approximation lorsqu’on souhaite faire une première évaluation simplifiée et rapide11,12.

A ces métriques sont également associées des échelles et/ou des valeurs seuils qui vont indiquer la probabilité d’un risque d’éblouissement.

L’indicateur le plus reconnu à ce jour par la communauté scientifique pour quantifier l’éblouissement dû à la lumière du jour est le DGP. Ce dernier varie de 0 à 1 et indique si dans une situation donnée l’éblouissement sera non perceptible (DGP ≤ 0.35), perceptible (0.35<DGP≤0.40), dérangeant (0.40<DGP≤0.45), ou intolérable (DGP>0.45) par une majorité d’occupants.

Exemple de calcul DGP dans un espace de bureau (source: ESTIA)

Cependant, il existe certaines situations pour lesquelles cet indicateur est moins approprié, par exemple lorsque la lumière provient d’une fenêtre en toiture, ou dans des espaces profonds ou peu lumineux13. L’applicabilité du DGP n’a pas non plus été encore validée sur tous les types de façades et de protections solaires14.

De façon générale, les métriques d’éblouissement développées à ce jour – et les seuils associés, ne font pas encore l’unanimité dans la communauté scientifique15. La non prise en compte des effets liés aux facteurs contextuels, psychologiques (ex : présence d’une vue) et individuels constitue notamment une des sources du débat continuel. Des recherches futures sont nécessaires pour parfaire les connaissances dans ce domaine. Cela étant dit, il semble peu probable qu’elles aboutissent à une unique métrique applicable à l’ensemble des scénarios d’espaces, de conditions lumineuses et d’utilisateurs possibles4.

 

Calcul et mesure de l’éblouissement

La plupart des logiciels de simulation bâtiment – TRNSYS, DesignBuilder, IESVE, DIAL+, IDA-ICE intègrent aujourd’hui la possibilité de calculer les niveaux d’éclairement naturels dans une pièce sur l’année pour un climat donné. Mais comme mentionné plus haut, ces niveaux ne sont pas nécessairement bien corrélés à la perception d’éblouissement. Pour aller plus loin et calculer des métriques plus sophistiquées comme le DGP, il est nécessaire de recourir à des logiciels spécialisés, comme Radiance, Diva-for-Rhino, ou Lightstanza. Il est à noter que ces métriques sont calculées pour un instant donné de l’année et un point de vue donné, et que chaque calcul peut demander jusqu’à plusieurs heures. Or une analyse complète nécessiterait d’étudier différents instants de l’année et points de vue.

Des outils de mesure, tels que des luminancemètres et caméras HDR, associés à des protocoles spécifiques16,17 , permettent d’identifier les sources potentielles d’éblouissement présentes dans une scène donnée, voire de mesurer directement certaines métriques comme le DGP. Néanmoins, ces derniers sont encore souvent réservés à une communauté d’experts. La nécessité de poursuivre des travaux de recherche sur les méthodes de mesure est par ailleurs reconnue et va de pair avec les travaux futurs à mener sur les métriques. 

Exemples de (a) caméra HDR et de (b) luminancemètre permettant de produire des images haute dynamique (c) afin d’identifier les sources d’éblouissement. 

Normes et labels relatifs à l’éblouissement

A ce jour, seule la norme EN 17037 définit précisément comment évaluer l’éblouissement lié à la lumière du jour. Elle se base sur l’indicateur DGP. Des recommandations relatives à la protection contre l’éblouissement sont également données.

Les labels bâtiments intègrent aussi des critères d’éblouissement. Néanmoins il s’agit surtout de critères de protection contre l’éblouissement, pour beaucoup qualitatifs et prescriptifs consistant en des recommandations de solutions de protection solaire. Ils ne définissent pas nécessairement de méthode pour évaluer quantitativement l’absence ou la présence de risques d’éblouissement et vérifier l’efficacité des stratégies de conception mises en œuvre. Ces critères sont présentés dans le tableau ci-dessous :

Norme ou label

Critère d'éblouissement

LEED V4 BC+D

Option1 : Si l’ASE1000,250 > 10% sur les espaces régulièrement occupés, identifier comment l’espace sera conçu pour traiter l’éblouissement

Options 2 et 3 : Eclairement sur le plan de travail entre 300 et 3000 lux à 9h et à 15h lors d’une journée ensoleillée à l’équinoxe pour > 75% ou 90% des espaces occupés. Pour les espaces dotés de systèmes de contrôle d’éblouissement automatiques (avec la possibilité de reprendre la main) et préservant la vue, l’exigence est limitée au minimum d’éclairement de 300 lux. Evaluation par calcul ou par mesure. 

BREEAM International New Construction 2016

Mise en place d’une stratégie pour contrôler l’éblouissement, soit au travers de la forme du bâtiment soit de conceptions conformes à certains critères. La solution devra éviter l’augmentation de la consommation d’éclairage électrique. L’utilisation ou la localisation des protections n’entre pas en conflit avec les systèmes de contrôle d’éclairage.

HQE Bâtiment Durable V3 (2019)

L’attribution du nombre de crédits dépend du type de protection solaire. L’absence de risque d’éblouissement doit être justifiée via une évaluation qualitative ou un calcul DGP. 

DGNB New Construction Version 2018

Présence d’une protection solaire. Le nombre de crédits dépend ensuite de la classe de performance de cette dernière évaluée selon la norme DIN 1450118

WELL V2 pilot (Q3 2018)

Option 1 : Présence de protections solaires sur toute l’enveloppe vitrée extérieure, contrôlables manuellement par les occupants ou automatiquement pour limiter l’éblouissement. Dans le cas d’un contrôle manuel par les occupants, les protections doivent être relevées soit manuellement soit automatiquement au moins 2 fois par semaine.

Option 2: ASE1000,250 < 10% dans les espaces régulièrement occupés 

EN 17037

Utilisation d’une protection solaire, dont la performance dépend de seuils de DGP à ne pas dépasser plus de 5% du temps d’occupation. L’évaluation se fait par une méthode simplifiée, par un calcul DGP ou par mesure. 

 

Conclusions

La garantie du confort visuel des occupants passe par une prise en compte des risques d’éblouissement. De futurs travaux de recherche sont encore nécessaires pour quantifier plus justement ce phénomène, optimiser les méthodes de prédiction et les rendre plus compréhensibles et accessibles. Cependant nous pouvons dès à présent nous appuyer sur les métriques et les outils existants tout en gardant en tête leurs limites. Cette étape d’évaluation est primordiale pour favoriser un bon usage de la lumière naturelle dans nos bâtiments sans en subir les effets délétères.

Les experts de l’équipe de SageGlass peuvent vous assister dans la réalisation des simulations afin d’identifier les risques d’éblouissement sur votre projet et les stratégies de conception adaptées. N’hésitez pas à nous contacter ici si vous êtes intéressés. 

 

Eloise Sok

 

Eloïse Sok-Paupardin est Concept Creator au sein de l'équipe SageGlass Europe & Middle-East. Elle est titulaire d'un double diplôme d'ingénieur de l'Ecole Centrale (France) et de l'Université de Tsinghua (Chine). Ses principaux centres d'intérêt sont l'architecture durable, l'éclairage naturel et le confort des occupants. Sa devise : "La passion est notre plus grande force".

 


Sources:

  1. Maximum luminances and luminance ratios and their impact on users’ discomfort glare perception and productivity in daylit offices, A. C. Linney, 2008
  2. A critical literature review of spatio-temporal simulation methods for daylight glare assessment, S. Wasilewski et al, 2019
  3. Adaptation luminance is the luminance to which the eye has adjusted in a given moment. This is assessed either based on background luminance, i.e. average luminance in the field of vision excluding sources of glare (for smaller sources), or on vertical illuminance at eye level (for large glare sources occupying a wide area of the field of vision).
  4. Review of Factors Influencing Discomfort Glare Perception from Daylight, C. Pierson et al, 2018
  5. Cross-validation and robustness of daylight glare metrics, J. Wienold et al., 2019
  6. UDI>3000 lux represents the percentage of time in the year when the illuminance on the work surface exceeds a limit of 3,000 lux.
  7. ASE is defined as the fraction of the space exceeding a certain level of direct illuminance for more than a specific number of hours in the year, with the blinds open. 
  8. LEED v4.1 Building Design and Construction
  9. UK Education Funding Agency Daylight Design Guide, 2014
  10. Evaluating a New Suite of Luminance-Based Design Metrics for Predicting Human Visual Comfort in Offices with Daylight, V.D. Wymelenberg et al, 2015
  11. Daylighting metrics: is there a relation between useful daylight illuminance and daylight glare probability?
     J. Mardlajevic et al, 2012
  12. Lighting measurement #83, spatial daylight autonomy (sDA) and annual sunlight exposure (ASE). IESNA-Daylight Metrics Committee. 2012.
  13. The Application of Luminance Mapping to Discomfort Glare: A Modified Glare Index for Green Buildings, M. Hirning, 2014
  14. DESIGN RECOMMENDATIONS FOR PERIMETER OFFICE SPACES BASED ON VISUAL PERFORMANCE CRITERIA, I. Konstantzos et al, 2016
  15. Temporal effects in glare response, M. Kent, 2016
  16. EN 17037: Daylight in buildings – Annex E “Glare”
  17. Evaluation of high dynamic range photography as a luminance data acquisition system, M. Inanici, 2006
  18. DIN 14501: Blinds and shutters – Thermal and visual comfort – Performance characteristics and classification. This standard defines the performance classes associated with thermal and visual comfort for solar protection systems. Note: this does not apply to dynamic glazing

 

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