Validation de la Simulation d'Éclairage Artificiel dans CODYRUN : Application aux Cas Tests de la CIE

Table des matières

1. Introduction

Cet article présente une étude de validation des capacités de simulation de l'éclairage artificiel au sein du logiciel CODYRUN, un outil de calcul pour la simulation aéraulique et thermique des bâtiments développé par le Laboratoire de Physique et de Systèmes du Bâtiment (L.P.B.S). Cette étude a été initiée pour évaluer la fiabilité du logiciel dans la simulation de ce phénomène physique spécifique, visant à identifier ses limites et ses potentiels d'amélioration. La validation s'appuie sur des cas tests (spécifiquement les scénarios 1 et 3) développés par le Groupe de Travail TC-33 de la Commission Internationale de l'Éclairage (CIE), qui fournit des procédures standardisées pour l'évaluation des logiciels de simulation d'éclairage.

2. Nouveau modèle simplifié pour le calcul de l'éclairage intérieur

Pour déterminer quantitativement l'éclairage intérieur, CODYRUN intègre plusieurs modèles combinés prenant en compte les composantes directes et diffuses de la lumière artificielle. Le nouveau modèle simplifié introduit est conceptuellement similaire à ceux utilisés dans des logiciels d'éclairage établis comme DIALux et CALCULUX.

2.1 Hypothèses de la simulation dans CODYRUN

Le modèle fonctionne sous plusieurs hypothèses clés : la diffusion de la lumière est considérée comme lambertienne (uniforme dans toutes les directions) ; les luminaires sont caractérisés par des données photométriques fournies par le fabricant et sont réduits à une source ponctuelle située à leur centre de gravité ; et il n'y a pas d'obstruction entre la source lumineuse et le point éclairé sur le plan de travail.

2.2 Partie directe de l'éclairage (issue de la source lumineuse artificielle)

L'éclairement direct en un point du plan de travail est calculé sur la base de la morphologie de la source et de l'angle solide sous-tendu au point éclairé par rapport à la source. La figure 1 illustre ce concept, montrant la propagation de la lumière d'une source au plafond vers un point du plan de travail.

2.3 Partie diffuse de l'éclairage (issue des inter-réflexions intérieures)

La composante diffuse résulte des inter-réflexions de la lumière directe sur les surfaces intérieures de la pièce (murs, plafond, sol). Cette composante dépend de la réflectivité (couleur) de ces surfaces. Le modèle de CODYRUN la calcule en pondérant l'éclairement direct par le coefficient de réflexion moyen des parois internes, comme illustré dans la figure 2.

3. Idée centrale : Perspective de l'analyste

Idée centrale : Ce travail représente une approche pragmatique et orientée ingénierie de la validation, privilégiant l'efficacité computationnelle et l'intégration dans une plateforme multi-physique existante (CODYRUN) plutôt que la recherche de la plus haute précision physique possible. Le choix d'un modèle simplifié, semi-détaillé, par rapport à des méthodes plus rigoureuses comme la radiosité ou le lancer de rayons, est un compromis stratégique.

Enchaînement logique : La logique de l'article est simple et défendable : 1) Identifier un manque (absence de validation de l'éclairage dans un simulateur thermique). 2) Adopter/développer un modèle léger en calcul adapté à l'intégration. 3) Le valider par rapport à un référentiel standard de l'industrie (cas tests CIE). Il s'agit d'un flux de travail classique de V&V (Vérification & Validation) logicielle, similaire aux méthodologies discutées dans la norme ASHRAE 140 ou les procédures BESTEST pour la simulation énergétique des bâtiments.

Points forts et faiblesses : Le principal point fort est l'intégration elle-même. Combiner l'éclairage avec la simulation thermique et aéraulique est crucial pour une analyse holistique de la performance du bâtiment, impactant la consommation d'énergie pour l'éclairage et le refroidissement. L'utilisation des référentiels CIE ajoute de la crédibilité. La principale faiblesse, que les auteurs reconnaissent en qualifiant le modèle de "simplifié", est la simplification significative de la physique. Réduire des luminaires complexes à des sources ponctuelles et utiliser une méthode de moyenne pondérée pour les inter-réflexions (semblable à une approximation grossière des facteurs de forme) introduira inévitablement des erreurs dans des espaces complexes, non diffusants ou encombrés. Cela contraste fortement avec les techniques de rendu haute fidélité et basées sur la physique utilisées dans la recherche en infographie, comme celles fondées sur l'équation de rendu séminale de Kajiya.

Perspectives actionnables : Pour les praticiens, cet outil est précieux pour les études de conception comparatives en phase amont, où la rapidité est clé. Cependant, pour la vérification finale de la conception d'éclairage ou l'analyse détaillée du confort visuel, des logiciels d'éclairage dédiés (par exemple, basés sur Radiance) restent essentiels. La voie future est claire : le modèle sert de bonne fondation. L'étape suivante devrait être une approche à plusieurs niveaux — utiliser le modèle simple pour des itérations rapides et déclencher des calculs plus précis de radiosité ou de cartographie de photons (comme ceux de la suite open-source Radiance) pour les vues critiques ou la validation finale, créant ainsi un environnement de simulation hybride multi-fidélité.

4. Détails techniques et formulation mathématique

Le calcul principal, tel qu'impliqué par l'article, consiste à sommer les composantes directe et diffuse. L'éclairement direct $E_{direct}$ en un point est régi par la loi de l'inverse du carré de la distance et le cosinus de l'angle d'incidence, dérivé de l'intensité lumineuse de la source $I(\theta)$ donnée par son fichier photométrique :

$E_{direct} = \frac{I(\theta) \cdot \cos(\alpha)}{d^2}$

où $d$ est la distance entre le point source et le point éclairé, et $\alpha$ est l'angle entre la direction de la lumière et la normale à la surface.

L'éclairement diffus $E_{diffuse}$ est approximé comme une fonction de la composante directe et des réflectances des surfaces de la pièce. Une méthode simplifiée courante (suggérée par "pondération") utilise une réflectance moyenne $\rho_{avg}$ et un facteur d'inter-réflexion, souvent dérivé de la "méthode des lumens" ou d'approximations simples de facteurs de forme :

$E_{diffuse} \approx E_{direct} \cdot \frac{\rho_{avg}}{1 - \rho_{avg}}$ (ou une formulation similaire tenant compte de la géométrie de la pièce).

L'éclairement total $E_{total}$ est alors : $E_{total} = E_{direct} + E_{diffuse}$.

5. Résultats expérimentaux et description des graphiques

L'article applique les cas tests CIE (Scénarios 1 & 3 du TC-3-33) à CODYRUN. Bien que les résultats numériques spécifiques ne soient pas détaillés dans l'extrait fourni, l'objectif de tels cas tests est typiquement de comparer les valeurs d'éclairement calculées par le logiciel en des points de grille spécifiés avec des valeurs de référence ou des résultats d'autres logiciels validés.

Figure 1 : Source lumineuse directe – Ce schéma représente une coupe transversale simplifiée d'une pièce. Une source lumineuse ponctuelle est représentée au plafond. Une ligne droite (rayon) relie cette source à un point spécifique sur le plan de travail horizontal (par exemple, un bureau). L'angle d'incidence est indiqué. Cette figure définit visuellement les variables (distance, angle) utilisées dans le calcul de l'éclairement direct.

Figure 2 : Lumière diffuse – Ce diagramme illustre le concept d'inter-réflexion. Il montre probablement la même pièce, mais cette fois avec plusieurs flèches rebondissant entre les murs, le plafond et le sol avant d'atteindre finalement le point du plan de travail. Cela représente la composante diffuse qui ne provient pas directement de la source mais des réflexions, soulignant sa dépendance aux couleurs des surfaces (réflectivité).

6. Cadre d'analyse : Exemple de cas

Scénario : Évaluer la performance d'éclairage et l'impact associé sur la charge de refroidissement lors du remplacement de plafonniers fluorescents par des panneaux LED dans un bureau standard de 5m x 5m x 3m.

Application du cadre avec le modèle de CODYRUN :

1. Définition des entrées : Créer deux variantes du modèle dans CODYRUN. Variante A : Utiliser les données photométriques (fichier IES/LDT) du luminaire fluorescent existant. Variante B : Utiliser les données photométriques du panneau LED proposé. Définir la même hauteur de plan de travail (0,75m) et la même grille de points de calcul.
2. Exécution de la simulation : Exécuter la simulation d'éclairage pour les deux variantes. Le modèle simplifié calculera $E_{total}$ à chaque point de la grille. Simultanément, le moteur thermique de CODYRUN calculera le gain de chaleur des systèmes d'éclairage (basé sur leur puissance et leur fraction rayonnante).
3. Analyse :
   • Métriques d'éclairage : Comparer l'éclairement moyen, le rapport d'uniformité (min/moy), et la conformité avec des normes comme l'EN 12464-1.
   • Impact énergétique : Comparer la densité de puissance d'éclairage (DPE).
   • Impact thermique : Analyser la différence de charge de refroidissement sensible due au changement du gain de chaleur de l'éclairage.
4. Vérification de validation : Pour des points critiques (par exemple, sous une fenêtre, dans un coin), vérifier ponctuellement les valeurs d'éclairement par rapport à un calcul rapide utilisant DIALux ou une formule manuelle pour estimer l'erreur introduite par la simplification.

Cette analyse intégrée, bien qu'approximative, fournit une évaluation rapide et co-simulée des effets multi-domaines du changement de conception.

7. Perspectives d'application et orientations futures

L'intégration de la simulation d'éclairage dans des outils de performance globale du bâtiment comme CODYRUN ouvre plusieurs voies futures :

• Contrôle hybride éclairage naturel/artificiel : La prochaine étape logique est d'intégrer un modèle d'éclairage naturel validé (par exemple, basé sur le modèle de ciel de Perez). Cela permettrait de simuler des stratégies de contrôle dynamique des lumières électriques en fonction de la lumière naturelle disponible, crucial pour prédire les économies d'énergie réelles.
• Confort visuel et effets non visuels : Aller au-delà du simple éclairement pour prédire des métriques comme la Probabilité d'Éblouissement Diurne (DGP), l'Indice d'Éblouissement Unifié (UGR) et le stimulus circadien. Cela correspond à l'attention croissante portée à la santé et au bien-être dans les bâtiments, comme on le voit dans la norme WELL Building Standard.
• Échelle de fidélité du modèle : Développer un cadre de simulation adaptatif où le niveau de détail du modèle d'éclairage s'ajuste en fonction de la phase d'analyse — modèles simples pour l'exploration paramétrique, et déclenchement automatisé de simulations haute fidélité Radiance pour la validation finale de la conception.
• Intégration avec le BIM et le contrôle en temps réel : Utiliser le cœur de simulation pour informer les systèmes de gestion technique du bâtiment (GTB) en temps réel ou pour générer des données afin d'entraîner des modèles d'apprentissage automatique pour le contrôle prédictif de l'éclairage.

8. Références

1. Logiciel CODYRUN. Laboratoire de Physique et de Systèmes du Bâtiment (L.P.B.S).
2. CIE. (Année). Cas tests pour l'évaluation des logiciels d'éclairage. Commission Internationale de l'Éclairage, Comité Technique TC-3-33.
3. Reinhart, C. F. (2014). Daylighting Handbook I & II. Building Technology Press.
4. Kajiya, J. T. (1986). The Rendering Equation. ACM SIGGRAPH Computer Graphics, 20(4), 143–150.
5. DIALux. DIAL GmbH.
6. CALCULUX. Philips Lighting (Signify).
7. ASHRAE. (2019). Standard 140-2017, Standard Method of Test for the Evaluation of Building Energy Analysis Computer Programs.
8. Ward, G. J. (1994). The RADIANCE lighting simulation and rendering system. Proceedings of the 21st Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques (SIGGRAPH '94), 459–472.