Un éclairage performant et intelligent dans les bâtiments

Mais pour quoi faire ?

Le dimensionnement de l’éclairage dans les bâtiments de bureaux, les espaces des commerces ou encore les parties communes et privatives des bâtiments résidentiels, se limite bien souvent au calcul de l’éclairement et au respect de la réglementation en la matière.
Mais une réflexion plus approfondie sur le sujet, permet à l’éclairage intelligent d’assurer des conditions de travail optimales dans les bâtiments tertiaires par exemple, ou encore une atmosphère agréable et confortable dans les lieux de résidence ou de passage. L’étude des usages et l’adaptation de fonctionnalités smart aux besoins permettent également d’améliorer les économies d’énergie dans le bâtit, le confort des occupants et la productivité des équipes.

Dans cet article, Brainybiz a souhaité aborder succinctement les différentes réflexions qu’une conception doit aborder pour rendre un bâtiment réellement intelligent sur le plan de l’éclairage. En effet, Brainybiz accompagne ses clients dans la conception et l’exploitation des bâtiments de demain. Ces derniers sont intelligents du fait des technologies smart que l’on intègre, mais aussi et surtout, de par l’étude et le suivi des performances.

Un smart building n’est efficace que s’il est intelligemment conçu, dans un esprit d’interopérabilité et d’évolutivité, et suivi en phase exploitation sur les usages et performances.

Les normes d’éclairage en Suisse :

La norme SIA387/4 a pour objet l’utilisation efficace de l’électricité pour l’éclairage dans le bâtiment en Suisse. Celle-ci se réfèrent avant tout à des utilisations dans des lieux de travail (bureau, école, vente, industrie, hôpital, etc.), mais peut servir également de base de réflexion sur les bâtiments résidentiels. Elle intègre des valeurs caractéristiques requises de la norme SN EN 12464-1 (éclairage des espaces de travail), et définit notamment la planification de l’éclairage énergétiquement efficace, la puissance installée, la commande de l’éclairage, l’éclairement lumineux, l’éblouissement, ou encore le rendement lumineux de l’installation. Le respect de cette norme garantie un dispositif d’éclairage efficace énergétiquement et une connaissance fine des puissances et de la planification de l’éclairage. Mais ce calcul reste une théorie qu’il convient de mesurée, suivre et faire évoluer en phase exploitation du bâtiment. Les outils du smart building autorisent une telle évolutivité au bénéfice des occupants et utilisateurs du bâtiment. Mieux encore, le smart building s’adapte en continue à l’utilisation effective des bâtiments, en tenant compte notamment des occupations des surfaces et des apports naturels en lumière : deux facteurs très variables, qui nécessitent aux bâtiments de les mesurer et d’en tenir compte dans le cadre de son pilotage intelligent.

Éclairage de qualité, adapté aux espaces des bâtiments

La qualité d’éclairage est historiquement évalué par l’intermédiaire de différents critères tels que la couleur de lumière, les effets de reflet, ou encore les niveaux d’éclairement et d’éblouissement.
Néanmoins, en analysant de plus près les conditions d’utilisation de l’éclairage artificiel, d’autres critères semblent à prendre en compte : Apport de lumière naturelle, perception et sensibilité des usagers du bâtiment, et efficacité énergétique.

Les niveaux d’éclairement sont toujours définis pour des tâches visuelles précises et sont prévus pour la zone dans laquelle elles peuvent avoir lieu. L’évolutivité des surfaces, et de leurs usages, doit donc être permise par un pilotage intelligent et un protocole adressable. C’est tout l’intérêt d’un dispositif smart qui peut faire évoluer les intensités des éclairages, de façon individuelle, qu’ils soient directs ou indirects, afin de les adapter à l’usage des surfaces. La gradation des flux lumineux doit néanmoins faire l’objet d’une étude précise, notamment en raison des effets indésirables qu’elle pourrait causer (Cf paragraphe Flickering).

Contrairement à une caméra, le cerveau et l’œil humain ne sont pas des appareils passifs. De ce fait, un mauvais éclairage, et en particulier un niveau d’éclairement inadapté, va forcer notre dispositif de vision à s’adapter. Ceci peut causer une fatigue visuelle se manifestant, entre autres, par des symptômes d’irritation des yeux, des troubles visuels, des céphalées. Par ailleurs, un affaiblissement de certaines fonctions visuelles, telles que la sensibilité au contraste, l’accommodation, etc. ainsi qu’une diminution de l’efficacité au travail sont généralement constatés chez les personnes souffrant de fatigue visuelle.
Par conséquent, un éclairage inadapté, en plus de réduire les performances et le confort des usagers, impacte également leur santé de façon durable, voire irrémédiable.

Le tableau ci-dessous donne une idée des niveaux d’éclairement (Em, en Lux), de limite supérieure d’éblouissement (UGRL), l’uniformité de l’éclairement (Uo : rapport entre la valeur minimale et la moyenne de l’éclairement, sans unité) et l’indice minimale de rendue des couleurs (Ua), en fonction du type d’utilisation des surfaces et des taches :

Niveau d’éblouissement de l’éclairage:

Le niveau d’éclairement ne se suffit donc pas à lui-même, dans les zones de travail, pour offrir aux collaborateurs une bonne condition de travail. Pour une même quantité de lumière émise par un luminaire (Cf paragraphe précédent sur les niveaux d’éclairement), l’œil sera plus ébloui si la luminance de fond est faible et donc le contraste de luminance important. Le tableau ci-contre indique ainsi les rapports entre luminance directe et la luminance environnante pour assurer un certain confort visuel.
L’éblouissement dépendra également de l’espacement des luminaires, du facteur de réflexion des surfaces et murs voisins ou encore de la surface des parties éclairantes et de leurs nombres. Une étude indispensable pour une qualité de vie accrue, qu’elle soit au travail comme dans les espaces privés, publics ou de commerce !

Le Smart building pourra ainsi adapter les niveaux d’éclairement directe et diffus en fonction des besoins à l’instant t, dans l’optique de l’adapter à l’utilisation des surface et de limiter le contraste de luminance, et par conséquent les niveaux d’éblouissement sur ces espaces. La qualité de travail et de concentration des collaborateurs, face aux écrans, sera ainsi bien améliorée !

Les économies d’énergie liées a l’éclairage intelligent :

La technologie led, associée à un pilotage intelligent, représente une économie réalisable substantielle. Une estimation conservative montre en Suisse une économie possible d’au moins 4 TWh par an (soit prêt de 50% de la production annuelle d’électricité d’une tranche nucléaire type Gösgen).
Sur la partie résidentielle, en Suisse, les économies d’énergie représentent dejà 1,5 TWh par rapports aux consommations des années 2000. Un bâtiments intégrant un éclairage intelligent et efficace peuvent permettre une économie d’énergie de plus de 70% par rapport à un système d’ancienne génération, non optimisé. Mais couplé à un pilotage intelligent, cette économie peut s’élever à plus de 80%.

Le dimming (ou gradation) est l’ajustement de l’éclairage artificiel. Il consiste à contrôler le flux lumineux de la lampe en fonction des apports extérieurs et des besoins des utilisateurs. Même quand celui-ci s’effectue manuellement, les économies d’énergie peuvent être de plus de 40%. Cela dépend notamment de la position de la zone à éclairer (Par rapport à l’apport naturel), des surfaces de la zone et des ouvrants ou encore de l’orientation de la pièce. Le tableau ci-contre montre les résultats d’une mesure, sur un espace de travail éclairé en fluocompact (500 lux sur le plan de travail). De manière générale, on peut considérer que l’économie moyenne, pour un dimming de l’ensemble des surfaces, est de 30% environ.

La détection de présence a pour objectif de couper les éclairages inutiles dans les zones de travail ou de passage inoccupées. Le mapping des capteurs de présence doit être étudié afin de couvrir les zones et flux de déplacement des individus et rendre le contrôle transparent vis-à-vis de l’utilisateur.

L’éclairage différencié permet, lui, de prendre en compte les apports naturels en luminosité grâce à un capteur photosensible. Ces apports en lumière naturelle peuvent être directes (façade vitrée), comme indirecte (Puits de lumière, réflexion sur les murs/sols, conduits en fibre optique…). Un zonage efficace, intégrant les types d’utilisations des pièces ainsi que les positions et directions des apports naturels est nécessaire, pour rendre l’éclairage adaptatif et donc intelligent dans les bâtiments.

Le système smart building permet de tirer avantage des différents modes de contrôle de l’éclairage, en tenant compte de présences théoriques et effectives, des apports de lumières naturelles, des préférences et sensibilités des utilisateurs, afin de fournir à chaque instant une qualité d’éclairage adaptée (en éclairement et éblouissement). Il peut également permettre d’analyser les habitudes d’utilisation pour proposer des réglages personnalisés ou bien permettre leurs évolutions lors des réorganisations des espaces (cloisonnement/décloisonnement, changement d’activité ou d’usage des surfaces…).
Il faudra veiller à ce que les performances du système et protocoles utilisés permettent un temps de latence faible sur ces fonctionnalités, et une intégration bien étudiée afin de rendre les contrôles et variations de puissance imperceptibles aux yeux des occupants.

Le système smart permet alors ces économies d’énergie, qui se traduisent également par des économies sur le coût total d’une solution d’éclairage (sur toute sa durée de vie), comme le montre la simulation ci-contre pour un bureau de 20 m2, avec le même nombre de luminaires pour les deux variantes comparées (logiciel ecoCALC)

Mais attention, une étude précise lors de la phase conception du projet est indispensable , pour identifier le protocole de communication adapté (Protocole ouvert, adressable…), et permettre une intégration réussie (temps de latence, gestion des cycles de mesure et de variation de puissance, règles de dérogations locales…)
Par ailleurs, un système de gestion automatique de l’éclairage ne fonctionne que s’il est parfaitement connu et accepté par les occupants.

Brainybiz accompagne ses clients dans l’étude et le dimensionnement du système qui répondra aux besoins.

Niveau de scintillement (fickering):

Lorsque les caractéristiques du courant, alimentant les ampoules led ou fluo compacte, sont dégradées, celle-ci peuvent provoquer des céphalées ou des fatigues oculaires. Des troubles pour la santé des occupants du bâtiment sont ainsi à craindre dès lors que ce phénomène de scintillement (Flickering) apparait. Quelle peuvent être les causes d’une dégradation de la qualité de courant, générant ce type de perturbations ?

Les causes peuvent être de deux natures:

• En amont du luminaire : Certains organes de consommation électrique peuvent favoriser l’apparition d’harmoniques (ordinateur, ballast, contrôleurs…). D’autres harmoniques peuvent provenir de protocoles de communication tels que les courants porteurs en ligne (CPL). Ces harmoniques de fréquence supérieure à celle du courant, perturbent le signal d’entrée au luminaire et peuvent engendrer ainsi ces fameux scintillements. On remarquera alors que le smart building n’est pas la simple addition de différentes technologies, assemblées au sein d’un même bâtiment, mais bien le fruit d’une étude précise dès l’avant-projet permettant d’éviter ce type de perturbations croisées (Flickering d’un côté, communication CPL défaillante de l’autre par exemple).

• Interne au système d’éclairage : Lorsqu’un bâtiment, afin de s’adapter au besoin des occupants et d’économiser de l’énergie, varie la puissance d’éclairage, il intervient directement sur le courant. La qualité des contrôleurs est donc primordiale pour que le courant soit adapté à la source.

Le smart building permet ainsi d’intégrer dans son éclairage des fonctionnalités intelligentes pour contrôler et détecter le scintillement de l’éclairage, et ainsi en limiter les effets néfastes sur les organismes de ses occupants.

Quel éclairage intelligent pour les bâtiments tertiaires

Les caractéristiques principales de l’éclairage adapté aux espaces de travail sont :

• un niveau d’éclairement suffisant pour travailler dans d’excellentes conditions (sans fatigue oculaire ou maux de tête)
• un très faible éblouissement, UGR inférieur à 19 (maximum recommandé dans les bureaux) et une lumière avec peu de déformations des couleurs.
• Une luminance basse, ne provoquant pas d’éblouissement, déforment pas les couleurs des surfaces éclairées
• Un système d’éclairage pilotable par l’utilisateur : Car la perception du confort visuel reste subjectif. Le système intelligent doit pouvoir autoriser des dérogations locales

On saisit tout de suite la complexité d’allier l’ensemble de ces facteurs, pour adapter l’éclairage aux surfaces et a leurs utilisations. C’est d’autant plus compliqué lorsque le bâtiment, dont on veut rendre l’éclairage intelligent et performant, est construit pour plusieurs décennies et doit s’adapter aux évolutions des modes de vie et de travail.

Par ailleurs, le développement des LED en éclairage général a fait émerger une grande variété de nouveaux modèles de luminaires, impliquant parfois des contrastes de luminance élevés, et donc un inconfort ressenti plus élevé. Sur ce point précis, le smart building peut agir intelligemment en pilotant les éclairages diffus en fonction des éclairages directs (Cf paragraphe « Niveau éblouissement » sur la diminution des contrastes de luminance).

Un autre effet indésirable des LED est à contrôler : L’effet toxique des décharges du bleu des lampes LED sur l’œil, qui a été plusieurs fois démontré. Les connaissances sur ce sujet restent encore très parcellaires, mais il est question d’amplification de la dégénérescence maculaire liée à l’âge (DMLA). Les économies d’énergie et effets visuel que permet cette technologie, doivent donc être mis en regard des effets indésirables (voire nuisibles) qu’elle peut causer.

Eclairage biodynamique: l’éclairage intelligent par excellence pour les bâtiments:

Les études montrent de façon unanime les bienfaits de la lumière naturelle sur nos organismes. Celle-ci stimule naturellement nos hormones (principalement le cortisol qui agit directement sur la vitalité et la mélatonine qui agit sur le repos et la qualité du sommeil). Elle permet donc d’être performant le jour et d’optimiser le repos la nuit. Ils se caractérisent par des rythmes du corps (cycles de 24 heures, phasage jour-nuit…), par l’attention, l’humeur, le stress et d’autres traits psychologiques.

La lumière artificielle standard, quant à elle, ne permet pas de stimuler ces hormones. Sur les périodes hivernales, où les jours sont courts et le taux d’ensoleillement faible, on constate fréquemment que les collaborateurs sont davantage fatigués et manquent souvent de concentration et de motivation. En cause, le rythme circadien en conflit direct avec l’éclairage de leur environnement de travail. La lumière artificielle peut ainsi désynchronise notre horloge interne.

L’intelligence du smart building peu une nouvelle fois être au service des usagers du bâtiments, en respectant au maximum leur rythme circadien. Pour cela, le smart building agit sur différent facteurs, en fonction de la saison, des conditions météorologiques et de l’heure dans la journée :

• La température de l’éclairage
• La puissance
• La direction

En Conclusion:

Les paramètres environnementaux, les usages des surfaces, les sensibilités de chacun ou encore les objectifs d’économie d’énergie et de coût d’exploitation sont autant de variables que le smart building intègre pour contrôler et fournir l’éclairage le plus adapter à la situation.
Au-delà du respect des normes et réglementations en la matière, le smart building permet d’aller plus loin avec un éclairage intelligent optimisant l’efficacité des collaborateurs, leur qualité de vie au travail et leur santé. Pour le preneur de bail, l’intérêt réside principalement dans les coûts d’exploitation optimisés, sur le volet des économies d’énergie comme celui de la maintenance, ainsi que dans l’intérêt et l’investissement accru de ses collaborateurs.
La maitrise d’ouvrage, quant à elle, appréciera l’attractivité supplémentaire de ses bâtiments smart et leur évolutivité largement facilitée tout au long de la phase exploitation.
Les valeurs ajoutées du smart building touchent ainsi l’ensemble des acteurs du bâtiment de demain. Pour garantir ces performances, un accompagnement dès l’avant-projet doit être mis en place.

Brainybiz accompagne ses clients dans l’atteinte de leurs objectifs, par la conception, la réalisation et l’exploitation des bâtiments de demain.