CCW Cycle Energie – 20/04/2017 - Page 1 Protections solaires pas seulement contre la surchauffe ! Cycle énergie et construction 20/04/2017 B. Deroisy Laboratoire Lumière CSTC - Centre Scientifique et Technique de la Construction
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Protections solaires pas seulement contre la surchauffe !
Cycle énergie et construction 20/04/2017
B. DeroisyLaboratoire Lumière
CSTC - Centre Scientifique et Technique de la Construction
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CONTENU:◘ Les multiples fonctions des protections solaires◘ Systèmes typiques◘ Caractérisation des matériaux constitutifs◘ Performances au niveau du confort visuel◘ Outil d’aide au choix des protections solaires
Classification norme EN14501 Outil web PROSOLIS
◘ Eléments pour la gestion des protections solaires
Séance d’information protections solaires 20/04/2017
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Les multiples fonctions
Bâtiments non-résidentiels (EU):-22 % / - 30 % pour refroidissement-14 % / - 22% pour le chauffage
Réduction des consommation énergétiques
Des économies d’énergie substantielles
Source: HIGH PERFORMANCE DYNAMIC SHADING SOLUTIONS FOR ENERGY EFFICIENCY AND COMFORT IN BUILDINGS- Sonnergy report 15/498 October 2015
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L’amélioration des performance énergétique des bâtiments transforme le mix énergétique utilisé.
Bâtiments non résidentiels
ElectricityLightingCoolingHeating
Les multiples fonctionsConsommation d’énergie - répartition
Le refroidissement et l’éclairage deviennent dominants!
NZEB
?
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Les multiples fonctions
Maintenir le confort thermique et le confort visuel.
Confort des occupants
Le confort des occupants n’est pas toujours garanti!
Source: Human Spaces Report – Cary Cooper 2015Posluszny residence, Shirley, Massachusetts /USA
Exigence PEB à Bruxelles: Température ne peut dépasser 25 °C que pendant 5 % de période d'utilisation
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Les multiples fonctionsImpact d’un environnement intérieur sain
Source: A business case for green buildings – WGBC Report 2013
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Les multiples fonctions
Les températures moyennes commencent seulement à augmenter.
Le changement climatique a
Note: Emissions gaz à effet de serre (objectifs EU): -15% en 2020 / -35% en 2030
2020
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Les multiples fonctions
L’énergie pour le refroidissement surpassera l’énergie pour chauffage
Effets du changement climatique a
(Sweden)… results shows significant decrease of space heating demand and increase of cooling demand for the studied buildings.
Source : PLEA2015 - Adaptive comfort model and overheating in Europe re-thinking the future
Cooling loads are already predominant over heating loads in southern climates and will expand to northern European regions by 2050….This will have a negative impact in the hot periods if strategies to dissipate heat and prevent solar gains are not seriously addressed.
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Les multiples fonctions
Maintenir des conditions climatiques confortables Contrôle des apports solaires Apports de chaleur secondaire Protection contre la transmission directe (confort local)
Assurer un apport suffisant de lumière Apports d’éclairage naturel Une vision à travers L’occultation totale ou partielle Limiter risques d’éblouissement Rendu des couleurs Rythme biologique (effets non-visuels de la lumière)
Confort thermique + Confort visuel
Trouver l’équilibre entre différentes exigences pour chaque contexte
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Systèmes typiques
Store en toiles à enroulement (‘screen’)Store à lamelles en aluminium (‘venitian blind’)Brise soleil (‘louvres’) dispositif non rétractable… en combinaison avec vitrages
Les solutions courantes (intérieur et extérieur)
Estimation part de marché en Europe : 80 à 90%
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Store en toiles
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Store à lamelles
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Quel matériau pour les protections solaires?
Toiles
Des possibilités innombrables …
Bois Verre Métal
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Mesures CSTC τe, n-h OF τv, n-h ρ e,n-h ρ v,n-h
PS_T01 Sergé - S600 1010 Charcoal 6.6 6.0 6.6 5.3 5.4PS_T02 Natté - N380 1001 Charcoal - grey 9.0 8.2 8.8 11.1 11.6PS_T03 Sergé 2165 -108108 Grey 7.1 4.2 5.4 19.0 16.6PS_T04 Sergé 2165 -118118 Black 3.7 3.3 3.7 5.9 6.0PS_T05 Natté 2165 -108108 Grey 15.1 11.4 13.1 19.0 16.4PS_T06 Natté 2165 - 108118 Grey-black 13.6 11.8 12.8 11.9 10.9PS_T07 Natté - MHL 5060 20.4 19.8 20.4 3.5 3.5
Caractérisation des matériauxMesures transmission/réflexion hémisphérique (globale) Mesures des propriétés / rayonnement incident normal. Suivant norme EN14500 (spectrophotomètre)
Sphère intégratriceDétecteur
+ composante diffuse (τe, n-dif ) et directe (τe, n-n )
Echantillon
Rayon (λi)
Données techniques fabricants
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Caractérisation des matériaux
Distribution spatiale du rayonnementProfils de diffusion réfléchi/transmis en 3 dimensions (‘scattering’)
Modèles théoriques – matériaux réels
Modèle diffus Modèle spéculaireMatériau/surface réel
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Caractérisation des matériaux
BSDF = Bi-directional Scattering Distribution FunctionPrincipe mesures : Scanner toutes les directions d’observationScanning gonio-photometre
Mesures des propriétés optiques/radiométriques
Source: PAB Opto
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Caractérisation des matériaux
BSDF – Visualisation résultats en 2 dimensions Projection orthographique sur un disque (pour chaque AOI)
Mesures des propriétés optiques/radiométriques
Alanod Miro 20.2 (Scattergloss)
ALANOD 320G (Anodized brightened aluminium)
Source: LightTools database
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Mesures diffusion de rayonnement dans un plan orthogonal (2D scan)
Mesures BSDF 2D - Toiles Effet du tissage (Sergé – Natté)
Symétrie axiale de révolution autour direction de réflexion spéculaire!
3D 2D
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Réflexion: ‘Parfaitement’ diffuse Transmission: Pic spéculaire et diffusion presque lambertienne
Mesures BSDF 2D - Toiles Effet du tissage (Sergé – Natté)
Le tissage influence la distribution de la lumière/énergie transmiseEchelle logarithmique!
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Mesures BSDF 2D - ToilesComparaison toiles T04 / T12 / T13 (AOI 40°)
Toiles:T04 HELIOSCREENSergé 2165 -118118 BlackT12 HELIOSCREENSergé 2165 -101101 WhiteT13 HELIOSCREENNatté 2165 -101101 White
Propriétés globales:
T04 T12 T13
τv, n-h 3,7 19,9 26,4
ρv,n-h 6,0 74.6 69,1
Source: mesures CSTC (Labo EN)
La couleur d’une toile détermine la lumière/énergie transmise de façon diffuse+/- 80% de la lumière/énergie transmise par une toile blanche est diffuse
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Caractérisation des toilesEffets angulaires
Toile Sergé (T12) vs. Natté (T13)Transmission/ réflexion hémisphériqueComposante directe et diffuse τv,n-h = 20% τv,n-h = 26%
La transmission lumineuse des deux toiles se vaut pour angle d’incidence de 65°
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Lamelles aluminium
6 EchantillonsProduits
Lames de même couleur!PS_L01 : HELLA RAL 9007 Grey aluminium Finition standardPS_L02 : HELLA RAL 9007Grey aluminium Finition réfléchissante
Vérifier hypothèse de symétrie axiale de révolution autour de la direction de réflexion spéculaire?
PS_L01 RAL 9007 - Grey aluminiumPS_L02 RAL 9007 - Grey aluminiumPS_L03 RAL 7010 - Light GreyPS_L04 RAL 7012 - Dark GreyPS_L09 RAL 7035 - Colour 0663PS_L10 RAL 7038 - Colour 0664
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Mesures BSDF 3D - Lames
Symétrie axiale de révolution? OKVérifier les hypothèses de symétrie
ρv,dir-h = 22,5 % ρv,dir-h = 34,2 %
La micro-texture de la surface influence fortement les propriétés
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Mesures BSDF 2D - LamesType 1 : Lames L04 / L09 / L10
Toiles:L04 VELUXRAL 7012 Dark greyL09 HUNTER DOUGLASRAL 7035L10 HUNTER DOUGLASRAL 7039
Propriétés globales:
L04 L09 L10
ρv,n-h - 59,3 44,7
ρv,n-h 21,1 59,2 44,5
Sources: Données fabricant/ mesures CSTC (Labo EN)
Source: mesures LightTec
“LES MACARONS”
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Mesures BSDF 2D – LamesType 2 : Lames L01 / L02 / L03
Toiles:L01 HELLARAL 9007L02 HELLARAL 9007 ReflectiveL03 VELUXRAL 7010 Light grey
Propriétés globales:L01 L02 L03
ρv,n-h - 32,2 -
ρv,n-h 23,3 35,6 59,4
Sources: Données fabricant / mesures CSTC (Labo EN)
Source: mesures LightTec
“LES CUBERDONS”
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Caractérisation des lamelles
Réflexion pour différents Angles d’incidence (AOI) 10° 30° 50° 70°
Effets angulaires
La distribution spatiale de la lumière/énergie réfléchie est irrégulière
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Caractérisation des matériaux - SynthèseToiles Lames Vitrages
TRANSMISSION Quasi-SPECULAIRE + DIFFUSE
/ SPECULAIRE
REFLEXIONDIFFUSE VARIABLE
2 types SPECULAIRE
Modélisation
Complexe• Mesures BSDF,• Modèles empiriques
Remarques • Effets tissages spéciaux? • Variété de modèles?• Modèles anisotropie
• Effets sélectivité spectrale (‘Coatings’)
Exceptions • Toiles avec film diffusant• Ennoblissement
• Lames perforées• Lames avec géométries
particulières (profil S, Z, …)
• Vitrages sablés• Vitrages
émaillés/sérigraphiés
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Performances confort visuel
Assurer un apport suffisant de lumière Apports d’éclairage naturel Une vision à travers L’occultation totale ou partielle Limiter risques d’éblouissement Rendu des couleurs (effet de transformation du spectre) Rythme biologique (effets non-visuels de la lumière)
Paramètres
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Performances confort visuel
Occultation partielle (écrans de projection, images de cinéma ou de vidéo, aide au sommeil dans les chambres à coucher,…)
Occultation totale (conservation des œuvres d’art et mobilier, travaux de radiologie, photochimie, photographie,…)
Occultation totale ou partielle
Opacité Obscurcissement
Opacité est une propriété d’un matériau pas d’un système complet(fuites de lumière par interstices!)
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Performance confort visuel
Condition de jour : contact visuel vers l’extérieurEffet positifs: réduction la fatigue et de la monotonie et plus généralement une contribution à son bien-être
Condition de nuit : garantir l’intimité
Vue au travers une protection solaire
Vision au travers un toile de protection solaire identique en condition jour et nuit (Toile grise / Facteur d’ouverture de 11%)
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Performances confort visuelVue au travers une protection solaireStore en toile Photos sur cellule à échelle réelle sous ciel clair (05 Juin)
PS_T04 NOIR/Sergé /OF 3% PS_T09 NOIR/Natté/OF 5% PS_T07 NOIR/Natté/OF 15%
Le facteur d’ouverture est important pour la luminance de l’arrière fond (Effet d’atténuation)
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Performances confort visuelVue au travers une protection solaire - toile
La couleur de la toile détermine la luminance de la toile (Effet de voile)
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Performances confort visuelVue au travers une protection solaire - JOUR
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Performances confort visuel
Contrastes de luminance importants entre différentes zones à l’intérieur du champ de vision
Luminances trop élevées (réflexion sur les surfaces spéculaires, vue du soleil direct, …)
Risques d’éblouissement
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Performances confort visuel
Photos HDR (High Density Range) avec objectif Fish-eyeCartographie des luminances (Photolux) ciel clair
Evaluation des risques d’éblouissement
PS_T04 (Toile noire sergé – OF 3%) PS_T07 (Toile noire sergé – OF 20%)
Le risque d’éblouissement varie pour chaque point et direction d’observation!
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Performances confort visuelEvaluation des risques d’éblouissement - toiles
La luminance maximale de la baie dépend principalement de: • Type de toiles (couleur et facteur d’ouverture) • L’arrière fond visible
(luminances de l’environnement, ciel, soleil direct!)
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Performances confort visuelEvaluation des risques d’éblouissement - lamelles
Attention : Stores à lamelles perforées! • Solution intéressante pour l’apport de lumière • MAIS, éblouissement plus difficile à maîtriser
Les stores à lamelles orientables permettent de limiter le risque d’éblouissement SI◘ Protection solaire peut être actionnée par l’occupant ◘ Pas de vue sur soleil direct ou des réflexions
spéculaires à tout moment◘ Pas d’interstices dans le système lorsqu’il est
entièrement déployé
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Performances confort visuel
Apport d’éclairage naturel à travers protection solaire (‘flux’)Optimiser la distribution de lumière naturelle disponible Gisement d’éclairage dépend de l’orientation et contexteExemple: Eclairements sous ciel clair pour différentes orientations
Ciel clair CIE cumulé sur une journéeFlux de lumière relatif sans protection solaire
Utilisation de la lumière naturelle
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Performance confort visuelUtilisation de la lumière naturelle - Toiles
PS_T13
Composante diffuse !
Toile T04τv,n-h = 3,7%τv,n-n = 3,3%
Toile T12τv,n-h = 19,9%τv,n-n = 4,3%
Toile T13τv,n-h = 26.4%τv,n-n = 12,1%
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Performance confort visuelUtilisation de la lumière naturelleModélisation BSDF / Diffus / Mixte des toiles
Exemple: Toile PS_T13 et vitrage clairModèle mixte
Composante directe et diffuse
Comparaison:Diffus/BSDF
+20 %
Mixed/BSDF+2%
Flux lumineux total sur surface de calculValeur relative par rapport à l’orientation Sud/ modèle BSDFCiel cumulé ÉTÉ (15 Juin)
Impact de la modélisation pour les toiles:Une modélisation mixte permet d’approcher une modélisation BSDF
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Performances confort visuelUtilisation de la lumière naturelle
Lamelles gris clair, largeur 80mm
Le profil de réflexion impacte l’apport de lumière sur la zone adjacente à la façade
PS_L03 / ρv = 55%
PS_L04 / ρv = 25%- 22%PS_L09 /ρv = 55%- 7%PS_L10 /ρv = 42%- 15%
Moyenne sur zone200 à 2800 mm
Eclairements sous ciel clair / altitude solaire 50°/ inclinaison lamelles 30°
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Performances confort visuelUtilisation de la lumière naturelle - LamellesInfluence de l’inclinaison des lamelles / altitude solaire
Des possibilités de modulation très importantes Altitude solaire / Inclinaison
30 / 30°
45 / 45°
60 / 60°
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Conversion pour d’autres facteurs de réflexion:
coefficient de conversion (β)
0,005.ρv,n-h+0,68 =β
Performances confort visuelUtilisation de la lumière naturelle - LamellesInfluence de l’inclinaison des lamelles (ρv,n-h = 60%)
Lamelles finition “brillante” (mirroir)
Lamelles finition “standard” (diffuse)
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Performances confort visuelUtilisation de la lumière naturelle
Une modélisation avec un rayonnement parallèle tend à sous-estimer les apports solaires!
Impact modèles de ciel◘ Rayonnement solaire direct (‘Beam’)◘ Ciel clair (CIE Clear Sky Type 12)
Orientation des lames à 30° / altitude solaire de 30°
30°
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Outil d’aide au choixNBN EN 14501
◘ 6 Confort visuel 6.1 Généralités 6.2 Contrôle de l’opacité 6.3 Contrôle de l'éblouissement 6.4 Intimité de nuit 6.5 Contact visuel avec l'extérieur 6.6 Utilisation de la lumière naturelle 6.7 Rendu des couleurs
La norme définit des classes de performance pour chaque critère
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Outil d’aide au choixNBN EN 14501◘ ClassificationPour chaque critère un classification est établie
Pour critère l’utilisation de la lumière naturelleClasse 0 1 2 3 4
τv, diff-h τv, diff-h < 0,02 0,02 ≤ τv, dif-h < 0,10 0,10 ≤ τv, dif-h < 0,25 0,25 ≤ τv, dif-h < 0,40 τv, dif-h ≥ 0,40
Les méthodes de mesures sont décrites dans la norme EN14500
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Outil d’aide au choix - PROSOLISOutil de comparaison des produits en ligne
Outil Prosolis (Deux tissages natté /sergé :• 2 toiles blanches• 2 toiles grises• 2 toiles noires
http://www.prosolis.be
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Outil d’aide au choix - PROSOLISOutil de comparaison des produits en ligne
Outil ProsolisToilesDeux tissages: • natté • SergéTrois couleurs:• 2 toiles blanches• 2 toiles grises• 2 toiles noiresLamellesDeux finitions:• Diffus• Brillant (spéculaire)Deux couleurs• Gris clair• Gris foncé
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Outil d’aide au choix - PROSOLIS
Simulations du flux lumineux avec caractéristiques mesurées des matériaux (BSDF data)
3D optical engineering and design software
Utilisation de la lumière naturelle
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Systèmes de gestion des protections solairespour caractérisation du confort visuelTrois types d’actionnement des protections solaires, soit ◘ manuel, la manœuvre des protections solaires se fait par manivelle, cordon,
chaînette ou autres système mécanique, ◘ motorisé, l’opération se fait à l’aide d’un moteur intégré actionné par
l’utilisateur à l’aide d’une commande (bouton poussoir ou télécommande), ◘ automatisé, c’est-à-dire que l’opération des protections solaires se fait sans
intervention de l’utilisateur. La décision d’opérer la protection solaire dépend alors d’informations récoltées par un ou plusieurs capteurs.
Source: ESTIA Performances globales en éclairage – Rapport 2014Les postions intermédiaires ont intéressantes!
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ConclusionsConfort visuel et protections solaires◘ La caractérisation détaillée des matériaux est importante Toiles: composante diffuse/directe pour toiles Lames: Modèle de diffusion en réflexion
◘ Aspects directionnels sont plus importants pour confort visuel◘ Aspects spectral sont plus importants pour le confort thermique◘ Apports d’éclairage: utiliser les bon outils et les bons métriques◘ L’éblouissement est très complexe à caractériser précisément◘ Un bon système de gestion est essentiel◘ Compléter toujours l’analyse par des observation sur le produit
réel en situation!…
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Merci de votre attention
Infos: site Antenne-Normes Eclairage / site CSTCwww.normes.be/eclairage www.cstc.be