# Projet E-CLINT : Bilans annuels énergétique et de confort visuel des installations d'éclairage intelligent dans les bureaux, en comparaison avec des installations classiques

Samuel Carré, Michel Perraudeau, Nicolas Picard, Christophe Martinsons

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Samuel Carré, Michel Perraudeau, Nicolas Picard, Christophe Martinsons. Projet E-CLINT : Bilans annuels énergétique et de confort visuel des installations d'éclairage intelligent dans les bureaux, en comparaison avec des installations classiques. Rapport Technique CSTB 26063008 EN-DSC/ECE 19.15R, CSTB - Centre scientifique et technique du bâtiment, France. 2019. hal-04751378

HAL Id: hal-04751378

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CSTB
le futur en construction

E-CLINT

Bilans annuels
énergétique et de
confort visuel des
installations
d'éclairage intelligent
dans les bureaux, en
comparaison avec des
installations classiques

Samuel CARRÉ, Michel PERRAUDEAU, Nicolas PICARD

Christophe MARTINSONS
Chef de la Division Éclairage et Champs Électromagnétiques

Demandeur de l'étude
Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie
(ADEME)

N/Réf. EN-DSC/ECE 19.15.R
2019
CSTB
le futur en construction

E-CLINT

Bilans annuels
énergétique et de
confort visuel des
installations
d'éclairage intelligent
dans les bureaux, en
comparaison avec des
installations classiques

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Auteur(s)

Samuel CARRÉ, Michel PERRAUDEAU, Nicolas PICARD
# Table des matières

<table><tbody><tr><td>1 Modélisations</td><td>7</td></tr><tr><td>1.1 Bâtiments</td><td>7</td></tr><tr><td>1.1.1 Modèles 3D</td><td>7</td></tr><tr><td>1.1.2 Modèles d'occupants</td><td>12</td></tr><tr><td>1.2 Éclairage naturel</td><td>13</td></tr><tr><td>1.2.1 Données météo</td><td>13</td></tr><tr><td>1.2.2 Protections solaires</td><td>13</td></tr><tr><td>1.3 Éclairage artificiel</td><td>14</td></tr><tr><td>1.3.1 Installation</td><td>14</td></tr><tr><td>1.3.2 Stratégies de régulation</td><td>15</td></tr><tr><td>1.3.2.1 protections solaires mobiles</td><td>15</td></tr><tr><td>1.3.2.2 régulation manuelle de l'éclairage artificiel</td><td>15</td></tr><tr><td>1.3.2.3 régulation automatique de l'éclairage artificiel</td><td>16</td></tr><tr><td>1.3.2.4 éclairage artificiel SMART</td><td>17</td></tr><tr><td>2 Simulations</td><td>18</td></tr><tr><td>2.1 Installation classique</td><td>19</td></tr><tr><td>2.1.1 Protection solaire en tout-ou-rien</td><td>19</td></tr><tr><td>2.1.2 Protection solaire progressive</td><td>29</td></tr><tr><td>2.2 Installation régulée</td><td>39</td></tr><tr><td>2.2.1 Protection solaire en tout-ou-rien</td><td>39</td></tr><tr><td>2.2.2 Protection solaire progressive</td><td>49</td></tr><tr><td>2.3 Installation "smart"</td><td>59</td></tr><tr><td>2.3.1 Protection solaire en tout-ou-rien</td><td>59</td></tr><tr><td>2.3.2 Protection solaire progressive</td><td>69</td></tr><tr><td>2.4 Bilans annuels</td><td>79</td></tr><tr><td>2.4.1 Consommation</td><td>79</td></tr><tr><td>2.4.1.1 Résultats</td><td>79</td></tr><tr><td>2.4.1.2 Analyses</td><td>80</td></tr><tr><td>2.4.2 Confort</td><td>82</td></tr></tbody></table>
Table des figures

<table><tr><td>1.1 Vue face au nord</td><td>8</td></tr><tr><td>1.2 Vue face au sud</td><td>8</td></tr><tr><td>1.3 Salle 1</td><td>9</td></tr><tr><td>1.4 Salles 1 et 2</td><td>9</td></tr><tr><td>1.5 Salle 3</td><td>10</td></tr><tr><td>1.6 Salle 4</td><td>10</td></tr><tr><td>1.7 Salle 5</td><td>11</td></tr><tr><td>1.8 Copie d'écran de l'outil scénario</td><td>12</td></tr><tr><td>1.9 Puissance relative des luminaires</td><td>14</td></tr><tr><td>1.10 Probabilité d'allumage de l'éclairage artificiel</td><td>16</td></tr><tr><td>2.1 Salle1 - été - tout-ou-rien</td><td>19</td></tr><tr><td>2.2 Salle1 - hiver - tout-ou-rien</td><td>20</td></tr><tr><td>2.3 Salle2 - été - tout-ou-rien</td><td>21</td></tr><tr><td>2.4 Salle2 - hiver - tout-ou-rien</td><td>22</td></tr><tr><td>2.5 Salle3 - été - tout-ou-rien</td><td>23</td></tr><tr><td>2.6 Salle3 - hiver - tout-ou-rien</td><td>24</td></tr><tr><td>2.7 Salle4 - été - tout-ou-rien</td><td>25</td></tr><tr><td>2.8 Salle4 - hiver - tout-ou-rien</td><td>26</td></tr><tr><td>2.9 Salle5 - été - tout-ou-rien</td><td>27</td></tr><tr><td>2.10 Salle5 - hiver - tout-ou-rien</td><td>28</td></tr><tr><td>2.11 Salle1 - été - progressif</td><td>29</td></tr><tr><td>2.12 Salle1 - hiver - progressif</td><td>30</td></tr><tr><td>2.13 Salle2 - été - progressif</td><td>31</td></tr><tr><td>2.14 Salle2 - hiver - progressif</td><td>32</td></tr><tr><td>2.15 Salle3 - été - progressif</td><td>33</td></tr><tr><td>2.16 Salle3 - hiver - progressif</td><td>34</td></tr><tr><td>2.17 Salle4 - été - progressif</td><td>35</td></tr><tr><td>2.18 Salle4 - hiver - progressif</td><td>36</td></tr><tr><td>2.19 Salle5 - été - progressif</td><td>37</td></tr></table>
<table><tr><td>2.20 Salle5 - hiver - progressif</td><td>38</td></tr><tr><td>2.21 Salle1 - été - tout-ou-rien</td><td>39</td></tr><tr><td>2.22 Salle1 - hiver - tout-ou-rien</td><td>40</td></tr><tr><td>2.23 Salle2 - été - tout-ou-rien</td><td>41</td></tr><tr><td>2.24 Salle2 - hiver - tout-ou-rien</td><td>42</td></tr><tr><td>2.25 Salle3 - été - tout-ou-rien</td><td>43</td></tr><tr><td>2.26 Salle3 - hiver - tout-ou-rien</td><td>44</td></tr><tr><td>2.27 Salle4 - été - tout-ou-rien</td><td>45</td></tr><tr><td>2.28 Salle4 - hiver - tout-ou-rien</td><td>46</td></tr><tr><td>2.29 Salle5 - été - tout-ou-rien</td><td>47</td></tr><tr><td>2.30 Salle5 - hiver - tout-ou-rien</td><td>48</td></tr><tr><td>2.31 Salle1 - été - progressif</td><td>49</td></tr><tr><td>2.32 Salle1 - hiver - progressif</td><td>50</td></tr><tr><td>2.33 Salle2 - été - progressif</td><td>51</td></tr><tr><td>2.34 Salle2 - hiver - progressif</td><td>52</td></tr><tr><td>2.35 Salle3 - été - progressif</td><td>53</td></tr><tr><td>2.36 Salle3 - hiver - progressif</td><td>54</td></tr><tr><td>2.37 Salle4 - été - progressif</td><td>55</td></tr><tr><td>2.38 Salle4 - hiver - progressif</td><td>56</td></tr><tr><td>2.39 Salle5 - été - progressif</td><td>57</td></tr><tr><td>2.40 Salle5 - hiver - progressif</td><td>58</td></tr><tr><td>2.41 Salle1 - été - tout-ou-rien</td><td>59</td></tr><tr><td>2.42 Salle1 - hiver - tout-ou-rien</td><td>60</td></tr><tr><td>2.43 Salle2 - été - tout-ou-rien</td><td>61</td></tr><tr><td>2.44 Salle2 - hiver - tout-ou-rien</td><td>62</td></tr><tr><td>2.45 Salle3 - été - tout-ou-rien</td><td>63</td></tr><tr><td>2.46 Salle3 - hiver - tout-ou-rien</td><td>64</td></tr><tr><td>2.47 Salle4 - été - tout-ou-rien</td><td>65</td></tr><tr><td>2.48 Salle4 - hiver - tout-ou-rien</td><td>66</td></tr><tr><td>2.49 Salle5 - été - tout-ou-rien</td><td>67</td></tr><tr><td>2.50 Salle5 - hiver - tout-ou-rien</td><td>68</td></tr><tr><td>2.51 Salle1 - été - progressif</td><td>69</td></tr><tr><td>2.52 Salle1 - hiver - progressif</td><td>70</td></tr><tr><td>2.53 Salle2 - été - progressif</td><td>71</td></tr><tr><td>2.54 Salle2 - hiver - progressif</td><td>72</td></tr></table>
<table><tr><td>2.55 Salle3 - été - progressif</td><td>73</td></tr><tr><td>2.56 Salle3 - hiver - progressif</td><td>74</td></tr><tr><td>2.57 Salle4 - été - progressif</td><td>75</td></tr><tr><td>2.58 Salle4 - hiver - progressif</td><td>76</td></tr><tr><td>2.59 Salle5 - été - progressif</td><td>77</td></tr><tr><td>2.60 Salle5 - hiver - progressif</td><td>78</td></tr><tr><td>2.61 Synthèse des consommations</td><td>79</td></tr><tr><td>2.62 Efficacité lumineuse relative d'un luminaire.</td><td>80</td></tr><tr><td>2.63 Comparatif entre le mode auto (à gauche) et smart (à droite).</td><td>81</td></tr><tr><td>2.64 Synthèse du confort visuel</td><td>82</td></tr><tr><td>2.65 Synthèse du confort visuel</td><td>83</td></tr></table>
# Chapitre 1

## Modélisations

L'objectif est d'identifier les consommations d'énergie de l'éclairage dans le cas d'une installation traditionnelle et de plusieurs installations dites automatiques ou intelligentes. Le calcul permettra d'identifier les consommations annuelles de fonctionnement des luminaires ainsi que les consommations des autres équipements (capteurs, organes de commande, autre périphériques). Les consommations de veille seront prises en compte dans ces bilans énergétiques annuels.

### 1.1 - Bâtiments

#### 1.1.1 - Modèles 3D

Cinq salles ont été considérées. Elles font partie d'un ensemble de bâtiments, à différents étages et pour quelques orientations. L'environnement proche intègre d'autres bâtiments et un peu de végétation. Les principales caractéristiques de ces salles sont les suivantes :

<table><caption>TABLE 1.1: Caractéristiques des 5 salles</caption><thead><tr><td>N°</td><td>Surface</td><td>Indice de vitrage<sup>1</sup></td><td>Orientation des fenêtres<sup>2</sup></td><td>Masques</td></tr></thead><tbody><tr><td>1</td><td>12 m<sup>2</sup></td><td>21%</td><td>150°</td><td>quasiment nuls</td></tr><tr><td>2</td><td>12 m<sup>2</sup></td><td>21%</td><td>150°</td><td>bâtiments (≈ 35°)</td></tr><tr><td>3</td><td>21 m<sup>2</sup></td><td>20%</td><td>60°</td><td>bâtiments (entre 20° et 30°)</td></tr><tr><td>4</td><td>15 m<sup>2</sup></td><td>25%</td><td>240°</td><td>arbres (10°)</td></tr><tr><td>5</td><td>33 m<sup>2</sup></td><td>20%</td><td>150° et 250°</td><td>quasiment nuls</td></tr></tbody></table>

Les caractéristiques communes sont les suivantes :

<table><tr><td>• hauteur sous plafond</td><td>2,72 m</td></tr><tr><td>• hauteur du plan utile</td><td>0,8 m</td></tr><tr><td>• hauteur d'allège</td><td>1,04 m</td></tr><tr><td>• épaisseur des murs de façade</td><td>0,2 m</td></tr><tr><td>• facteurs de réflexion des parois</td><td>0,70 / 0,50 / 0,20</td></tr><tr><td>• transmission lumineuse du matériau verrier</td><td>TL=0,70</td></tr><tr><td>• protection solaire mobile</td><td>store toile à enroulement</td></tr></table>

<footnote n="1">1. Rapport entre la surface vitrée et la surface au sol.</footnote>

<footnote n="2">2. Orientation par rapport au nord, sens horlogique.</footnote>
<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>FIGURE 1.1: Vue face au nord</figcaption></figure>

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>FIGURE 1.2: Vue face au sud</figcaption></figure>
Les salles 1 et 2 sont identiques, mais situées respectivement au 4ème et 1er étages.

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>FIGURE 1.3: Salle 1</figcaption></figure>

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>FIGURE 1.4: Salles 1 et 2</figcaption></figure>
Les salles 3 et 4 sont placées de part et d'autre d'un même bâtiment. Les plans utiles sont décomposés en 2 parties (avant/fond) en fonction de leur distance au plan des fenêtres.

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>FIGURE 1.5: Salle 3</figcaption></figure>

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>FIGURE 1.6: Salle 4</figcaption></figure>
La salle 5 donne sur deux façades. Dans cette configuration, le plan utile *avant* a une surface 3 fois plus importante que celle du plan utile *fond*.

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>FIGURE 1.7: Salle 5</figcaption></figure>
## 1.1.2 - Modèles d'occupants

Les scénarios d'occupation des locaux s'appuient sur le calendrier de l'année 2014, également utilisé pour la description des données météo. Il n'y a pas d'occupation durant les jours fériés et les ponts, les week-ends ainsi qu'entre Noël et le 1er de l'An. Pour les semaines et les absences en cours de journée, le scénario d'occupation fait la distinction entre des bureaux occupés par 1 personne ou par 2 personnes.

Ces scénarios sont générés aléatoirement à l'aide d'un outil dédié, sur la base des paramétrages illustrés par la figure 1.8.

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>FIGURE 1.8: Copie d'écran de l'outil scénario</figcaption></figure>
# 1.2 - Éclairage naturel

## 1.2.1 - Données météo

L'efficacité des différentes stratégies de régulation de l'éclairage artificiel dépend fortement des apports en éclairage naturel, variables en cours de journée et tout au long de l'année. L'exploitation de la simulation d'éclairage permet alors un comparatif entre ces différentes stratégies, sur la base d'hypothèses identiques, tout au long d'une année type.

Les données disponibles pour la réalisation de ce type d'étude sont toutefois assez limitées :

* issues de stations météorologiques classiques, elles ne contiennent généralement que le rayonnement énergétique global moyen horaire. Tout un ensemble de modèles sont alors nécessaires afin d'en déduire une estimation du rayonnement diffus et des éclairements directs et diffus.

* Issues d'analyses d'images satellitaires, les bases de données sont plus complètes (même si de nombreux modèles sont déjà appliqués). Le pas de temps reste toutefois assez grossier pour les besoins de l'étude (15 minutes au minimum).

* Issues de stations dédiées, la base de données n'intègre que des données mesurées avec un pas de temps assez fin (1 minute). Une telle station existe au CSTB de Nantes.

Nous avons donc opté pour les données météo mesurées sur le site du CSTB de Nantes. Elles correspondent à l'année 2014, la plus complète et représentative pour l'étude à réaliser.

## 1.2.2 - Protections solaires

Les 5 locaux étudiés sont équipés de protections solaires mobiles (stores à enroulement). L'éclairage naturel à l'intérieur des locaux est déterminé pour chaque minute de l'année météo représentative, pour quatre taux d'occulation de la protection solaire (0%, 50%, 75% et 100%). L'éclairement moyen est calculé sur :

* la totalité du plan utile (de même étendu que le sol),

* la moitié du plan utile proche des ouvertures (3/4 du plan utile pour la salle 5),

* la moitié du plan utile loin des ouvertures (1/4 du plan utile pour la salle 5).

Le découpage du plan utile en deux parties est considéré dans l'optique d'un fractionnement de l'éclairage artificiel. Les calculs permettent donc d'établir, pour chaque minute des instants de jour de l'année représentative :

* la date et l'heure,

* la position du soleil (azimut et hauteur),

* l'éclairement sur la façade (ou les façades pour la salle 5),

* le rayonnement solaire direct normal,

* les valeurs d'éclairement sur les 3 zones de plans utiles, pour les 4 taux d'occultation de la protection solaire mobile (pour les 16 combinaisons de taux d'occultation dans le cas de la salle 5).

Les informations de position de soleil, d'éclairement sur la façade et de rayonnement direct normal servent à la définition des critères pour la mise en place de la protection solaire.
# 1.3 - Éclairage artificiel

## 1.3.1 - Installation

Les 5 salles sont équipés d'une installation d'éclairage artificiel fractionnable en 2 parties (proche et loin des ouvertures). Le nombre et la puissance de ces luminaires permettent d'assurer le niveau et l'uniformité de l'éclairement sur les plans utiles. Ces installations sont décrites dans la tableau 1.2.

<table><caption>TABLE 1.2: Installation d'éclairage artificiel pour les 5 salles</caption><thead><tr><th></th><th colspan="5">Salle</th></tr><tr><th></th><th>1</th><th>2</th><th>3</th><th>4</th><th>5</th></tr></thead><tbody><tr><td>Nombre de luminaires dans la zone <strong>proche</strong> des ouvertures</td><td>1</td><td></td><td>2</td><td>2</td><td>4</td></tr><tr><td>Nombre de luminaires dans la zone <strong>loin</strong> des ouvertures</td><td>1</td><td></td><td>2</td><td>2</td><td>2</td></tr><tr><td>Puissance électrique des luminaires</td><td>50 W</td><td></td><td>54 W</td><td>32 W</td><td>35 W</td></tr><tr><td>Éclairement à maintenir sur le plan utile</td><td></td><td></td><td colspan="3">500 lx</td></tr><tr><td>Éclairement dû aux luminaires de la zone <strong>proche</strong> des ouvertures sur la zone <strong>proche</strong> des ouvertures</td><td>388 lx</td><td></td><td>324 lx</td><td>361 lx</td><td>410 lx</td></tr><tr><td>Éclairement dû aux luminaires de la zone <strong>proche</strong> des ouvertures sur la zone <strong>loin</strong> des ouvertures</td><td>100 lx</td><td></td><td>157 lx</td><td>114 lx</td><td>165 lx</td></tr><tr><td>Éclairement dû aux luminaires de la zone <strong>loin</strong> des ouvertures sur la zone <strong>proche</strong> des ouvertures</td><td>102 lx</td><td></td><td>182 lx</td><td>142 lx</td><td>79 lx</td></tr><tr><td>Éclairement dû aux luminaires de la zone <strong>loin</strong> des ouvertures sur la zone <strong>loin</strong> des ouvertures</td><td>402 lx</td><td></td><td>334 lx</td><td>385 lx</td><td>347 lx</td></tr></tbody></table>

La puissance électrique des luminaires dépend de leur mode de fonctionnement (éteint, puissance minimale, niveau de gradation). Sur la base d'un produit piloté au protocole DALI, la modélisation de cette puissance relative est représentée sur la figure 1.9.

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>FIGURE 1.9: Puissance relative des luminaires</figcaption></figure>
La modélisation de la puissance électrique des appareils d'éclairage intègre les éléments suivants :

* la puissance électrique est une fonction qui dépend *presque* linérairement de la puissance lumineuse (l'efficacité lumineuse est un peu plus faible à pleine puissance),

* la puissance électrique en mode *veille* est non nulle (0,38 W),

* réglé au minimum, la puissance lumineuse est à environ 1% de son maximum pour une puissance à 5% de son maximum.

## 1.3.2 - Stratégies de régulation

### 1.3.2.1 - protections solaires mobiles

Les stratégies de mise en place des protections solaires choisies s'appuient sur l'importance du niveau d'éclairement dans le plan de la façade. Deux variantes ont prises en compte :

* en tout-ou-rien, la toile déroulante est en position haute ou basse.

* proportionnel, la toile déroulante est placée dans l'une des 4 positions prévues.

Ces stratégies de mise en place sont paramétrées par les facteurs suivants :

* seuil de 50 000 lx dans le plan de la façade (soit entre $400W/m^2$ et $500W/m^2$) pour la mise en place complète de la protection solaire,

* intervalle $[25000 \text{ lx}, 50000 \text{ lx}]$ pour la mise en place proportionnelle de la protection solaire,

* des temporisations minimales de 5 minutes entre chaque mouvement de la toile.

Le mode de fonctionnement *progressif* conduit donc à des apports naturels plus faibles mais protège mieux des apports solaires directs.

### 1.3.2.2 - régulation manuelle de l'éclairage artificiel

Le mode de fonctionnement manuel correspond à la situation de référence à laquelle seront comparées les stratégies de régulation automatisées. Cette installation ne comporte pas de capteurs et les luminaires n'ont pas de mode *veille*. La puissance électrique associée à l'éclairage artificiel fonctionne donc en tout-ou-rien. La stratégie de régulation de l'occuptant, exploitée par la RT 2012, est définie par les règles suivantes :

* l'installation n'est pas fractionnée (un seul interrupteur pour l'ensemble des luminaires de la salle),

* en sortant de la pièce, l'occupant éteint la lumière,

* la détermination de la *luminosité ambiante* s'appuie sur le niveau d'éclairement moyen sur l'ensemble du plan utile,

* lorsqu'il entre dans la pièce, l'occupant détermine s'il faut allumer l'éclairage artificiel en fonction de la *luminosité ambiante*, suivant une probabilité illustrée par la figure 1.10,

* une fois dans la pièce, l'occupant éteint ou allume l'éclairage artificiel si celui-ci franchit les seuils respectifs de 3500 lx et 80 lx. Cette règle empirique prend en compte la plus grande tolérance des occupants lorsque qu'ils sont déjà dans la pièce. Ici, un facteur de 80% a été appliqué aux seuils hauts et bas de la figure 1.10.
<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>FIGURE 1.10: Probabilité d'allumage de l'éclairage artificiel</figcaption></figure>

### 1.3.2.3 - régulation automatique de l'éclairage artificiel

L'installation d'éclairage automatique exploite plusieurs capteurs et automatismes :

* une détection de présence,

* des capteurs de *luminosité* associés à chaque zone du plan utile,

* des gradations électroniques (un réglage de puissance par zone de plan utile).

L'éclairage automatique est fractionné en deux groupes de luminaires, chacun étant associé à une zone du plan utile (proche/loin des ouvertures). Les deux dispositifs de gradations sont indépendants et n'exploitent que les capteurs de *luminosité* associés à chaque zone du plan utile.

En pratique, ces capteurs sont généralement installés au plafond (ils caractérisent donc l'éclairement du plan utile de manière indirecte), leur sensibilité spectrique ne correspond pas exactement à celle d'un luxmètre et leur directivité ne correspond pas à la zone de plan utile associée. Des réglages sont donc nécessaires pour compenser ces différents facteurs.

Dans cette modélisation, nous supposons que ces capteurs fournissent un signal représentatif de l'éclairement moyen de chaque zone du plan utile. La gradation suit donc les règles suivantes :

* régulation sur la base de 500 lx sur la zone du plan utile,

* allumage immédiat lors d'une détection de présence (si besoin),

* extinction après un délai d'une minute en cas d'absence (évite également les défauts de détentions),

* gradation progressive (30% par minute).

Comme l'illustre la figure 1.9, les luminaires de ce type d'installation disposent d'un mode *veille* et d'une puissance électrique associée non nulle. La puissance lumineuse n'est pas une fonction parfaitement linéaire de la puissance électrique et intègre un décalage.

Les capteurs de luminosité (x2) et de présence (x1) sont supposés d'une puissance électrique de 0,5 W.
### 1.3.2.4 - éclairage artificiel SMART

L'installation d'éclairage intelligente exploite également plusieurs capteurs et automatismes mais ceux-ci sont gérés de manière centralisée afin d'optimiser le fonctionnement général :

* un disposition de gestion centralisé,

* une détection de présence dans chaque pièce et zones annexes,

* des capteurs de luminosité associés à chaque zone du plan utile ou établissant des cartographies,

* des gradations électroniques reliées à la gestion centralisée.

La multiplicité des dispositifs de détection de présence, leur complexification (comptage de personnes) et surtout la centralisation des informations permettent une meilleure localisation des occupants dans le bâtiment. Les délais avant l'extinction de l'éclairage artificiel peuvent donc être réduits.

La centralisation permet d'exploiter plusieurs capteurs de luminosité afin de déterminer le niveau de gradation à appliquer sur chaque groupe de luminaires. Cette approche peut réduire les oscillations de puissance observables sur les dispositifs de régulation indépendants, ainsi que les consommations associées.

Le réglage de ce type d'installation peut fonctionner par apprentissage : les relations entre les éclairements dans chaque zone de la salle, les consignes de puissance et les réponses des capteurs sont établies automatiquement lors de l'initialisation du système. L'automatisme retrouve alors l'ensemble des informations décrites dans le tableau 1.2.

Dans cette installation, les détecteurs de présence sont donc plus nombreux et/ou plus performants. Lorsqu'ils font partie d'un dispositif intégré (au protocole Dali par exemple), la puissance électrique associée aux capteurs est plus faible que celle de capteurs classiques (inférieure à 0,1 W par capteur). Nous supposerons que chaque salle dispose de 4 capteurs (2 pour la luminosité, 2 pour la détection de présence). La puissance électrique associée à la gestion centralisée, distribuée sur l'ensemble des locaux, est fixée à 1,25 watts par salle.
# Chapitre 2

## Simulations

Les simulations d'éclairage sont réalisées tout au long d'une année type (2014, à Nantes). Sur chacune des 5 salles étudiées, différentes stratégies de régulation sont étudiées :

* 2 modes de régulation de l'éclairage naturel (toile de store pilotée en tout-ou-rien, ou progressive),

* 3 modes de régulation de l'éclairage naturel manuel, automatique ou intelligent).

Les trois premiers chapitres présentent ces résultats au cours de 2 journées type (en été et en hiver), pour les 5 salles, pour chaque type de régulation de l'éclairage naturel et pour chaque stratégie de pilotage de l'éclairage artificiel.

Le quatrième chapitre présente une synthèse des consommations annuelles associées à chaque type de gestion de l'éclairage artificiel ainsi qu'un bilan de confort visuel.
## 2.1 - Installation classique

### 2.1.1 - Protection solaire en tout-ou-rien

<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>FIGURE 2.1: Salle1 - été - tout-ou-rien</figcaption></figure>
<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>FIGURE 2.2: Salle1 - hiver - tout-ou-rien</figcaption></figure>
<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>FIGURE 2.3: Salle2 - été - tout-ou-rien</figcaption></figure>
<figure><img src="image_15.png" /><figcaption>FIGURE 2.4: Salle2 - hiver - tout-ou-rien</figcaption></figure>
<figure><img src="image_16.png" /><figcaption>FIGURE 2.5: Salle3 - été - tout-ou-rien</figcaption></figure>
<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>FIGURE 2.6: Salle3 - hiver - tout-ou-rien</figcaption></figure>
<figure><img src="image_18.png" /><figcaption>FIGURE 2.7: Salle4 - été - tout-ou-rien</figcaption></figure>
<figure><img src="image_19.png" /><figcaption>FIGURE 2.8: Salle4 - hiver - tout-ou-rien</figcaption></figure>
<figure><img src="image_20.png" /><figcaption>FIGURE 2.9: Salle5 - été - tout-ou-rien</figcaption></figure>
<figure><img src="image_21.png" /><figcaption>FIGURE 2.10: Salle5 - hiver - tout-ou-rien</figcaption></figure>
## 2.1.2 - Protection solaire progressive

<figure><img src="image_22.png" /><figcaption>FIGURE 2.11: Salle1 - été - progressif</figcaption></figure>
<figure><img src="image_23.png" /><figcaption>FIGURE 2.12: Salle1 - hiver - progressif</figcaption></figure>
<figure><img src="image_24.png" /><figcaption>FIGURE 2.13: Salle2 - été - progressif</figcaption></figure>
<figure><img src="image_25.png" /><figcaption>FIGURE 2.14: Salle2 - hiver - progressif</figcaption></figure>
<figure><img src="image_26.png" /><figcaption>FIGURE 2.15: Salle3 - été - progressif</figcaption></figure>
<figure><img src="image_27.png" /><figcaption>FIGURE 2.16: Salle3 - hiver - progressif</figcaption></figure>
<figure><img src="image_28.png" /><figcaption>FIGURE 2.17: Salle4 - été - progressif</figcaption></figure>
<figure><img src="image_29.png" /><figcaption>FIGURE 2.18: Salle4 - hiver - progressif</figcaption></figure>
<figure><img src="image_30.png" /><figcaption>FIGURE 2.19: Salle5 - été - progressif</figcaption></figure>
<figure><img src="image_31.png" /><figcaption>FIGURE 2.20: Salle5 - hiver - progressif</figcaption></figure>
## 2.2 - Installation régulée

### 2.2.1 - Protection solaire en tout-ou-rien

<figure><img src="image_32.png" /><figcaption>FIGURE 2.21: Salle1 - été - tout-ou-rien</figcaption></figure>
<figure><img src="image_33.png" /><figcaption>FIGURE 2.22: Salle1 - hiver - tout-ou-rien</figcaption></figure>
<figure><img src="image_34.png" /><figcaption>FIGURE 2.23: Salle2 - été - tout-ou-rien</figcaption></figure>
<figure><img src="image_35.png" /><figcaption>FIGURE 2.24: Salle2 - hiver - tout-ou-rien</figcaption></figure>
<figure><img src="image_36.png" /><figcaption>FIGURE 2.25: Salle3 - été - tout-ou-rien</figcaption></figure>
<figure><img src="image_37.png" /><figcaption>FIGURE 2.26: Salle3 - hiver - tout-ou-rien</figcaption></figure>
<figure><img src="image_38.png" /><figcaption>FIGURE 2.27: Salle4 - été - tout-ou-rien</figcaption></figure>
<figure><img src="image_39.png" /><figcaption>FIGURE 2.28: Salle4 - hiver - tout-ou-rien</figcaption></figure>
<figure><img src="image_40.png" /><figcaption>FIGURE 2.29: Salle5 - été - tout-ou-rien</figcaption></figure>
<figure><img src="image_41.png" /><figcaption>FIGURE 2.30: Salle5 - hiver - tout-ou-rien</figcaption></figure>
## 2.2.2 - Protection solaire progressive

<figure><img src="image_42.png" /><figcaption>FIGURE 2.31: Salle1 - été - progressif</figcaption></figure>
<figure><img src="image_43.png" /><figcaption>FIGURE 2.32: Salle1 - hiver - progressif</figcaption></figure>
<figure><img src="image_44.png" /><figcaption>FIGURE 2.33: Salle2 - été - progressif</figcaption></figure>
<figure><img src="image_45.png" /><figcaption>FIGURE 2.34: Salle2 - hiver - progressif</figcaption></figure>
<figure><img src="image_46.png" /><figcaption>FIGURE 2.35: Salle3 - été - progressif</figcaption></figure>
<figure><img src="image_47.png" /><figcaption>FIGURE 2.36: Salle3 - hiver - progressif</figcaption></figure>
<figure><img src="image_48.png" /><figcaption>FIGURE 2.37: Salle4 - été - progressif</figcaption></figure>
<figure><img src="image_49.png" /><figcaption>FIGURE 2.38: Salle4 - hiver - progressif</figcaption></figure>
<figure><img src="image_50.png" /><figcaption>FIGURE 2.39: Salle5 - été - progressif</figcaption></figure>
<figure><img src="image_51.png" /><figcaption>FIGURE 2.40: Salle5 - hiver - progressif</figcaption></figure>
## 2.3 - Installation "smart"

### 2.3.1 - Protection solaire en tout-ou-rien

<figure><img src="image_52.png" /><figcaption>FIGURE 2.41: Salle1 - été - tout-ou-rien</figcaption></figure>
<figure><img src="image_53.png" /><figcaption>FIGURE 2.42: Salle1 - hiver - tout-ou-rien</figcaption></figure>
<figure><img src="image_54.png" /><figcaption>FIGURE 2.43: Salle2 - été - tout-ou-rien</figcaption></figure>
<figure><img src="image_55.png" /><figcaption>FIGURE 2.44: Salle2 - hiver - tout-ou-rien</figcaption></figure>
<figure><img src="image_56.png" /><figcaption>FIGURE 2.45: Salle3 - été - tout-ou-rien</figcaption></figure>
<figure><img src="image_57.png" /><figcaption>FIGURE 2.46: Salle3 - hiver - tout-ou-rien</figcaption></figure>
<figure><img src="image_58.png" /><figcaption>FIGURE 2.47: Salle4 - été - tout-ou-rien</figcaption></figure>
<figure><img src="image_59.png" /><figcaption>FIGURE 2.48: Salle4 - hiver - tout-ou-rien</figcaption></figure>
<figure><img src="image_60.png" /><figcaption>FIGURE 2.49: Salle5 - été - tout-ou-rien</figcaption></figure>
<figure><img src="image_61.png" /><figcaption>FIGURE 2.50: Salle5 - hiver - tout-ou-rien</figcaption></figure>
## 2.3.2 - Protection solaire progressive

<figure><img src="image_62.png" /><figcaption>FIGURE 2.51: Salle1 - été - progressif</figcaption></figure>
<figure><img src="image_63.png" /><figcaption>FIGURE 2.52: Salle1 - hiver - progressif</figcaption></figure>
<figure><img src="image_64.png" /><figcaption>FIGURE 2.53: Salle2 - été - progressif</figcaption></figure>
<figure><img src="image_65.png" /><figcaption>FIGURE 2.54: Salle2 - hiver - progressif</figcaption></figure>
<figure><img src="image_66.png" /><figcaption>FIGURE 2.55: Salle3 - été - progressif</figcaption></figure>
<figure><img src="image_67.png" /><figcaption>FIGURE 2.56: Salle3 - hiver - progressif</figcaption></figure>
<figure><img src="image_68.png" /><figcaption>FIGURE 2.57: Salle4 - été - progressif</figcaption></figure>
<figure><img src="image_69.png" /><figcaption>FIGURE 2.58: Salle4 - hiver - progressif</figcaption></figure>
<figure><img src="image_70.png" /><figcaption>FIGURE 2.59: Salle5 - été - progressif</figcaption></figure>
<figure><img src="image_71.png" /><figcaption>FIGURE 2.60: Salle5 - hiver - progressif</figcaption></figure>
## 2.4 - Bilans annuels

### 2.4.1 - Consommation

#### 2.4.1.1 - Résultats

La synthèse de tous ces résultats est illustrée par la figure 2.61. Pour chaque salle, on y retrouve les consommations associées aux 6 combinaisons de stratégies de régulations (2 pour la protection solaire x 3 pour l'éclairage artificiel).

<figure><img src="image_72.png" /><figcaption>FIGURE 2.61: Synthèse des consommations</figcaption></figure>

Dans le cas d'installation *automatique* ou *intelligente* ces bilans intègrent la consommation de veille des luminaires ainsi que celles des capteurs de présence et de luminosité. Nous avons fait l'hypothèse que ces éléments étaient déconnectés par une horloge entre 21h et 6h chaque jour, ainsi que les week-ends et jours fériés.

En cas d'absence de ce dispositif d'horloge, les consommations complémentaires sont indiquées sur le graphique par les barres d'erreurs.
### 2.4.1.2 - Analyses

Sur la base de ces résultats, nous pouvons formuler les remarques suivantes :

* Comme annoncé dans le chapitre 1.3.2.1, le mode de fonctionnement *tout-ou-rien* des protections solaires conduit à des apports naturels plus importants que le mode *progressif*. Cela se traduit par des consommations plus importantes pour le mode *progressif* pour des salles bien exposées au soleil direct (jusqu'à +20% dans la salle 1) ou plus modérés pour d'autres configurations (environ +10% pour la salle 3). Les figures des chapitres précédents mettent cependant en évidence une protection solaire plus efficace pour le mode de gestion *progressif*.

* Les consommations électriques associées aux automatismes et mode veille des luminaires ne sont pas négligeables. En l'absence de coupure par une horloge (durant la nuit et jours de fermeture), elles peuvent même compenser totalement les économies d'énergie apportées par ces automatismes.

* les écarts de consommations entre les modes *automatique* et *intelligent* sont faibles. Comme l'illustrent les figures des chapitres précédents, les gains observés dans certaines configurations sont compensés par d'autres périodes durant lesquelles l'éclairage *intelligent* va chercher à maintenir un meilleur confort visuel.

En exploitant plusieurs capteurs de présence et de luminosité ainsi que les informations du tableau 1.2, éventuellement collectées lors d'une phase d'apprentissage, le dispositif *intelligent* optimise les périodes d'allumage de l'éclairage artificiel ainsi que la puissance assignée à chaque groupe de luminaires. Cette approche exploite également le mode de fonctionnement des luminaires illustré sur la figure 1.9, mettant en évidence une forte variation de leur efficacité lumineuse en fonction de sa puissance (voir la figure 2.62).

<figure><img src="image_73.png" /><figcaption>FIGURE 2.62: Efficacité lumineuse relative d'un luminaire.</figcaption></figure>
Les différences de comportement entre les modes de régulation *automatique* et *intelligent* sont visibles sur la figure suivante :

<figure><img src="image_74.png" /><figcaption>FIGURE 2.63: Comparatif entre le mode auto (à gauche) et smart (à droite).</figcaption></figure>

Vers 10h30, alors que l'éclairement naturel est insuffisant sur les zones proches et éloignées des fenêtres et que l'occupant entre dans la pièce, l'éclairage artificiel est allumé dans ces deux zones. Alors que l'éclairage *automatique* va avoir besoin de quelques minutes pour déterminer le bon niveau de gradation (conduisant à des niveaux supérieurs à 500 lux et des consommations inutiles), l'éclairage *intelligent* va établir le bon niveau de gradation immédiatement.

Un peu plus tard, alors que l'éclairage global dans la zone éloignée des fenêtres est inférieur à la consigne de 500 lux, l'éclairage associé à la zone située près des fenêtres sera éteint pour le mode *automatique* alors qu'il sera à environ 30% de sa puissance pour le mode *intelligent*. Le mode de gestion *intelligent* répond alors prioritairement au respect de la consigne (500 lux) au détriment de la consommation électrique.
## 2.4.2 - Confort

L'évaluation du confort visuel se base sur le respect de la consigne de 500 lux sur chaque zone de plan utile ainsi que sur la limitation des risques d'éblouissement. Les résultats sont présentés sur la figure 2.64 en exploitant les barres (éclairage trop faible) et barres d'erreur (risque d'éblouissement).

<figure><img src="image_75.png" /><figcaption>FIGURE 2.64: Synthèse du confort visuel</figcaption></figure>

Il apparaît très clairement que le mode de régulation *manuel* est celui qui respecte le moins les consignes du confort visuel. Le rapport entre le confort visuel et les consommations d'énergie est donc largement en faveur des gestions automatisées. La figure 2.65 se concentre donc sur les autres modes de régulation.
<figure><img src="image_76.png" /><figcaption>FIGURE 2.65: Synthèse du confort visuel</figcaption></figure>

Comme prévu, la gestion progressive de la protection solaire mobile réduit sensiblement les situations durant lesquelles l'éclairage naturel intérieur est trop fort et peut conduire à des risques d'éblouissement.

Dans toutes les configurations et pour toutes les salles, le mode de gestion intelligent de l'éclairage artificiel conduit à un meilleur respect des consignes établies pour le confort visuel.
CSTB
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