EFFETS DU VERRE TEINTÉ SUR LA QUALITÉ DE LA LUMIÈRE...
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HÉLÈNE ARSENAULT EFFETS DU VERRE TEINTÉ SUR LA QUALITÉ DE LA LUMIÈRE NATURELLE, L'ÉVEIL DES OCCUPANTS ET L'UTILISATION D'UN ÉCLAIRAGE D'APPOINT Mémoire présenté à la Faculté des études supérieures et postdoctorales de l’Université Laval dans le cadre du programme de maîtrise en sciences de l'architecture pour l’obtention du grade de Maître ès Sciences (M. Sc.) FACULTÉ D'AMÉNAGEMENT, D'ARCHITECTURE ET DES ARTS VISUELS UNIVERSITÉ LAVAL QUÉBEC 2012 © Hélène Arsenault, 2012
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HÉLÈNE ARSENAULT
EFFETS DU VERRE TEINTÉ SUR LA QUALITÉ DE
LA LUMIÈRE NATURELLE, L'ÉVEIL DES
OCCUPANTS ET L'UTILISATION D'UN
ÉCLAIRAGE D'APPOINT
Mémoire présenté
à la Faculté des études supérieures et postdoctorales de l’Université Laval dans le cadre du programme de maîtrise en sciences de l'architecture
pour l’obtention du grade de Maître ès Sciences (M. Sc.)
FACULTÉ D'AMÉNAGEMENT, D'ARCHITECTURE ET DES ARTS VISUELS
UNIVERSITÉ LAVAL
QUÉBEC
2012
© Hélène Arsenault, 2012
ii
Résumé
L'impact sur la perception de la qualité de la lumière du jour de trois vitrages de couleur différente
(bleu, neutre, bronze) mais de transmission visuelle similaire a été étudié. Les participants (n= 36,
âge moyen 23,8 ans) étaient assis avec le haut du corps dans une maquette à l'échelle 1:4,
reproduisant un bureau composé de quatre murs et une fenêtre orientée sud-est. Lors des sessions
d'évaluation, les participants devaient évaluer les conditions lumineuses de la pièce avec un
questionnaire portant sur les facteurs suivants: le confort visuel; la naturalité; l'agréabilité; le niveau
de précision des détails et textures; et le niveau de lumière. Les participants devaient également
évaluer leur état d'éveil à l'aide d'une échelle de somnolence (KSS) au début et à la fin de chaque
session. Les analyses par modèle mixte ont révélé des résultats significatifs pour les facteurs
suivants: confort visuel (p= 0,015), agréabilité (p= 0,003 et p= 0,017 lorsque les résultats des
questions écrites et orales étaient combinés), et le niveau de lumière (p= 0,044) en faveur du verre
bronze par rapport au vitrage bleu et au neutre. Le vitrage neutre a également été préféré au bleu
pour le facteur agréabilité (p= 0,021). Des test-t appariés réalisés à partir des évaluations de l'éveil
des participants (KSS) indiquent une légère baisse du niveau d'éveil en présence du vitrage bleu.
Généralement, il semble y avoir une nette préférence pour la lumière ambiante filtrée par un vitrage
bronze, lorsque comparé à un vitrage bleu.
iii
Abstract
The impact on daylight quality perception, of three windows of similar visual transmittance but
different colour (blue, neutral, bronze) was investigated. Participants (n=36, mean age 23.8 years)
were seated with their upper body immersed in a scale model (1:4) replicating an office room
composed of four walls and a changeable window (blue, neutral or bronze) oriented towards the
south-east direction. On separate sessions (one for each window glazing), participants were asked to
evaluate the luminous conditions in the room according to the following qualitative factors: visual
comfort; naturality; pleasantness; precision (of details and textures); light level. Participants were
also asked to evaluate their level of arousal using a sleepiness scale (KSS) at the beginning and end
of each session. Mixed model analyses revealed statistically significant higher scores for the factors
pleasantness (p=0,003 and p=0,017 when results from the oral and written questions were
combined), comfort (p=0,015) and daylight quality (p=0,044) for the bronze window glazing
compared to the blue and neutral glazing. The neutral glazing was also preferred over blue for
pleasantness (p=0,021). Paired t-test analysis from the KSS results indicated a slight decrease in the
level of arousal in presence of the blue glazing. Overall, the thesis shows that there appears to be a
clear preference for ambient light filtered through bronze window glazing compared to blue
window glazing.
iv
Avant-propos
Ce mémoire comprend un article principal, rédigé en anglais, qui présente les résultats de la
présente recherche. Cet article scientifique fut soumis au journal Building and Environment
le 17 octobre 2011 (annexe A), accepté avec corrections le 3 janvier 2012, soumis pour
révisions le 24 février 2012 et accepté pour publication le 29 février 2012. Les résultats ont
également été publiés dans les actes de deux conférences; soit la conférence Glass
Performing Days qui s’est tenue à Tampere, Finlande en juin 2011 (annexe B) ainsi que la
conférence CISBAT en septembre 2011 à Lausanne, Suisse (annexe C).
Annexe A : Arsenault H, Hébert M, Dubois M-C (2011). Effects of glazing colour
type on perception of daylight quality, arousal, and switch-on patterns of electric
light in office rooms. (re-soumis pour correction le 24 février 2012 au journal
Building and Environment).
Annexe B : Arsenault H, Hébert M & Dubois M-C (2011). Effects of glazing
colour types on daylight quality, arousal and switch-on patterns for electric lights in
a scaled office room. Glass Performance Days Conference, Tampere (Finlande), 17-
20 juin, pages 513-517.
Annexe C: Arsenault H, Hébert M & Dubois M-C (2011). Glazing colour types,
daylight quality, arousal and switch-on patterns for electric lights. CISBAT
Conference, Lausanne (Suisse), 14-16 septembre.
Lors de cette recherche, j’ai participé à l’élaboration des questionnaires, la fabrication de la
maquette, au recrutement des participants et au déroulement des expérimentations. J’ai
conduit et interprété les analyses statistiques pour ensuite rédiger les premières versions des
manuscrits. De plus, j’ai participé à la conférence Glass Performing Days, qui s’est
déroulée les 17-19 juin 2011 à Tampere (Finlande), où j’y ai présenté les résultats de ma
recherche.
Marie-Claude Dubois a participé à la recherche d'échantillon de verre, l'élaboration des
questionnaires ainsi qu'à la rédaction et la correction des articles présentés ici dans ce
mémoire. De plus, Marie-Claude Dubois a participé à la conférence CISBAT les 14-16
v
septembre 2011 à Lausanne (Suisse) afin de présenter les résultats de la présente recherche.
Marc Hébert a contribué aux analyses statistiques, à la préparation des questionnaires ainsi
qu'à la correction des articles ci-joints.
vi
Remerciements
Je voudrais d'abord remercier Marie-Claude Dubois pour son implication, ses précieux
commentaires et ses suggestions au cours de ces dernières années d'étude. Merci également
pour le financement lors de la conférence Glass Performing Days à Tampere (Finlande),
ainsi que pour avoir participé à la conférence CISBAT à Lausanne (Suisse). Marie-Claude
m'a grandement influencée et inspirée tout au long de mon parcours à l'école d'architecture.
Je tiens également à remercier Marc Hébert pour son aide et ses conseils à propos des
analyses statistiques ainsi que son intérêt pour la recherche que nous lui avons proposée, un
mélange entre l'architecture et les neurosciences.
Merci également à mes collègues du GRAP qui m'ont épaulée et motivée, ainsi qu'à André
Potvin et Claude Demers pour leur entrain contagieux.
Merci à Tony Allair pour la construction judicieuse de cette énorme maquette. Merci à tous
les participants qui ont accepté de passer du temps à l'intérieur de la maquette afin de
prendre part à l'étude. Un grand merci à Luc Joubert pour le financement de la maquette,
les échantillons et les analyses spectrales de chaque verre.
Je tiens à remercier aussi ma famille et mes amis qui m'ont suivie pendant ces nombreuses
années d'université et qui m'ont toujours encouragée et appuyée malgré les distances
géographiques.
Finalement, merci à mon amoureux extraordinaire, André, qui est avec moi depuis le début
de mes études et qui attend depuis longtemps la fin de ce mémoire!
vii
TABLE DES MATIÈRES
RÉSUMÉ ......................................................................................................................ii
ABSTRACT ...................................................................................................................ii
AVANT-PROPOS ..........................................................................................................iv
REMERCIEMENTS .........................................................................................................v
LISTE DES TABLEAUX .................................................................................................vi
LISTE DES FIGURES ....................................................................................................vii
Chapitre 1: Introduction du sujet ...........................................................................10 1.1 Introduction ........................................................................................................10
1.2 Sujet de recherche ..............................................................................................10 1.3 Contexte de l'étude de l'étude .............................................................................12 1.4 Objectifs .............................................................................................................14
1.5 Hypothèses .........................................................................................................15 1.6 Structure du mémoire .........................................................................................15
Chapitre 2: Cadre théorique .....................................................................................16 2.1 Verre en architecture ..........................................................................................16 2.2 Bienfaits de la lumière naturelle .........................................................................18 2.3 Effets photobiologiques ......................................................................................19
2.4 Perception d'un espace intérieur .........................................................................21
Chapitre 3: Méthodologie ..........................................................................................25 3.1 Cadre expérimental ............................................................................................25
3.2 Construction et description de la maquette ........................................................25 3.2.1 Construction et dimensions .................................................................25
3.2.2 Finition et mobilier ..............................................................................26 3.2.3 Emplacement de la maquette ...............................................................27 3.2.4 Environnement extérieur .....................................................................28
3.2.5 Éclairage à l'intérieur de la maquette ...................................................28 3.3 Échantillons de verre ..........................................................................................29
3.3.1 Choix des échantillons .........................................................................29 3.3.2 Ordre de présentation ...........................................................................30 3.4 Période de cueillette de données ........................................................................30
3.5 Évaluations des participants ...............................................................................31 3.6 Questionnaires ....................................................................................................33
3.6.1 Questions orales ...................................................................................34 3.6.2 Questions écrites ..................................................................................35 3.6.3 Questions éliminées .............................................................................37
3.7 Participants .........................................................................................................37 3.8 Évaluation de l'éveil ...........................................................................................37
3.9 Utilisation de la lumière .....................................................................................38 3.10 Organisation de la base de données ..................................................................38 3.10.1 Analyses statistiques ..........................................................................38
3.10.2 Variables ............................................................................................39
viii
3.10.3 Manipulation des variables ................................................................39 3.10.3.1 Perception ..........................................................................39 3.10.3.2 Éveil ...................................................................................40
3.10.3.3 Éclairage électrique ............................................................40
Chapitre 4. Résultats ...................................................................................................41 4.1 Résultats des analyses par modèles mixtes ........................................................42 4.2 Cinq groupes de questions écrites ......................................................................43
4.3 Effets sur l'éveil ..................................................................................................43 4.4 Effet sur l'utilisation d'un éclairage électrique d'appoint ....................................44
Chapitre 5. Discussion .................................................................................................45 5.1 Retour sur les hypothèses initiales .....................................................................45
5.2 Retour sur les résultats .......................................................................................45 5.2.1 Effets sur la qualité de l'ambiance lumineuse ......................................45
5.2.1 Effets sur l'éveil ...................................................................................46 5.2.2 Effet sur l'utilisation d'un éclairage électrique d'appoint .....................47 5.3 Limites de l'étude ...............................................................................................48
5.3.1 Temps limité pour faire l'étude ............................................................48 5.3.2 Utilisation d’une maquette à échelle réduite .......................................48
5.3.3 Choix du système d'éclairage d'appoint ...............................................49 5.3.4 Finition intérieure ................................................................................49 5.3.5 Questionnaires .....................................................................................49
5.4 Pistes pour le futur ..............................................................................................50 5.5 Conclusion ..........................................................................................................51
Bibliographie ..................................................................................................................52
Annexe A - Article: Effects of glazing colour type on................................................58
perception of daylight quality, arousal, and switch-on patterns of electric light in office
rooms
Annexe B - Actes de conférence .....................................................................................82
Glass Performing Days, 19 juin 2011, Tampere, Finlande.
Annexe C - Actes de conférence .....................................................................................94
CISBAT, 14 septembre 2011, Lausanne, Suisse.
Annexe D - Échelle des températures de la couleur en degrés Kelvin ......................103
ix
III. Liste des tableaux
Tableau 3.3 : Propriétés visuelles et thermiques des échantillons de verre ........................29
Tableau 4.1: Résultats significatifs des analyses par modèles mixtes ................................42
Tableau 4.2: Résultats des tests-t appariés pour les questions écrites ................................43
Tableau 4.3: Résultats des analyses par test-t pour le niveau d'éveil .................................43
des participants.
Tableau 4.4: Éclairement lumineux ....................................................................................44
IV. Liste des figures
Figure 1.2: Spectre électromagnétique et la portion visible à l'œil humain.........................11
Figure 3.2.2: Photo prise à l'intérieur de la maquette (verre bronze)...................................27
Figure 3.2.3: Emplacement de la maquette à l'intérieur du cadre .......................................28
de la fenêtre existante.
Figure 3.3: Distribution spectrale des trois échantillons de verre .......................................30
Figure 3.5: Dessin illustrant un participant en place avec ...................................................31
le haut du corps à l'intérieur de la maquette.
Figure 3.6.1: Questionnaire oral affichant uniquement les .................................................35
questions utilisées lors des analyses statistiques.
Figure 3.6.2: Questionnaire écrit affichant uniquement les affirmations ............................36
utilisées lors des analyses statistiques.
Figure 4.3 : Graphique illustrant le niveau d'éveil des participants ....................................44
au début (T1) et à la fin (T2) de chaque session d’évaluation, selon une
échelle à 9 niveaux où 1 est égal à "complètement éveillé" et 9 est égal à
"lutant contre le sommeil". Le chiffre -1 sur l'axe vertical est présent
uniquement afin d'illustrer l'écart négatif entre le T1 et T2 du verre bronze.
10
CHAPITRE 1. Introduction du sujet
1.1 Introduction
Les habitants des pays industrialisés passent 80 à 90% de leur temps dans des espaces
intérieurs [Leech et al. 2002]. En effet, depuis la révolution industrielle et la croissance des
milieux urbains, les activités de l'être humain sont de plus en plus restreintes à des
environnements intérieurs [Küller 2004]. Il est donc pertinent de s’interroger sur l’effet que
l'environnement intérieur peut avoir sur la santé humaine, et aussi sur les facteurs pouvant
influencer le confort des occupants en milieu de travail. Plusieurs chercheurs affirment que
la santé des gens est en partie affectée par leur environnement de travail, particulièrement
par l’éclairage ambiant [van Bommel & van den Beld 2004; Boyce et al. 2006]. À
l'intérieur de ces lieux bâtis, le contact visuel avec le monde extérieur est filtré par des
vitrages de toutes sortes, incluant des verres haute performance offrant une protection
solaire et des économies d'énergie.
1.2 Sujet de recherche
En milieu de travail et particulièrement dans les édifices à bureaux, une des tendances
architecturales de la dernière décennie fut les édifices largement vitrés, particulièrement
dans les pays européens [Poirazis et al. 2008]. Les façades composées majoritairement de
panneaux de verre sont devenues très courantes [Gratia & De Herde 2003] et entraînent
souvent des gains thermiques excessifs ainsi que des variations importantes sur les besoins
en chauffage ou climatisation [Tzempelikos & Athienitis 2007]. Une solution populaire à
ces problèmes est l'utilisation de verre teinté ou encore réfléchissant, qui permettent un
certain contrôle des gains solaires et conséquemment, des conditions climatiques
acceptables à l'intérieur des édifices. Il existe principalement deux types de verre haute
performance utilisés dans la construction des édifices à bureaux; les verres à faible-
émissivité (low-e) et les verres de protection solaire [Braüer 1999]. Les verres à revêtement
à faible émissivité sont munis d'une pellicule aidant à contrôler les transferts de chaleur
intérieurs/extérieurs par ondes infrarouges. Les propriétés optiques et la couleur des films
sont différentes selon la réflectivité du verre, la transmittance de la lumière visible et le
degré d'absorption des ondes courtes du spectre visible [Mohelnikova 2009]. Il existe aussi
11
des traitements réfléchissants qui bloquent les gains solaires par l'utilisation de pellicules
métalliques, réduisant ainsi l'éblouissement à l'intérieur du bâtiment. Finalement, il y a les
verres teintés (verre de protection solaire) qui absorbent une partie du rayonnement solaire,
permettant ainsi de réduire les gains thermiques. Cependant, la chaleur absorbée par le
verre peut tout de même occasionner un transfert de rayonnement vers l'intérieur et créer
une surchauffe dans la pièce [Braüer 1999]. Les teintes utilisées dans la fabrication de ces
verres ont des propriétés permettant de bloquer davantage une partie donnée du spectre
visible. Par exemple, le bleu et le orange sont des couleurs complémentaires sur le cercle
chromatique et lorsqu'un verre bleu (+/- 475 nm) est utilisé, la couleur orange du spectre
visible est diminuée, elle laisse alors place aux autres couleurs. Ces impacts sur la lumière
filtrée par le verre pourraient avoir des répercutions sur la perception et la performance du
système visuel. Les avancées des dernières décennies concernant les effets non-visuels de
la lumière suggèrent aussi que la couleur de la lumière peut avoir un effet sur l'horloge
biologique, la vigilance, l’éveil, et sur tout autre processus biologique régulé par
l’interaction entre la lumière et le corps humain [van Bommel & van den Beld 2004; van
Bommel 2006; Webb 2006; Veitch 2007].
Figure 1.2: Spectre électromagnétique et la portion visible à l'œil humain1. La lumière
bleue représente des longueurs d'ondes d'environs 460 nm.
1 http://science-edu.larc.nasa.gov/EDDOCS/Wavelengths_for_Colors.html
12
Ces teintes, filtres solaires et traitements à faible-émissivité utilisés dans la fabrication du
verre et dans la composition des façades vitrées engendrent une distorsion de la couleur de
la lumière naturelle et du spectre lumineux auxquels sont exposés les occupants d'édifices à
bureaux. En effet, selon certaines études recensées, les caractéristiques du verre dans un
bâtiment et l’utilisation de la lumière naturelle seraient liés au bien-être des occupants, ainsi
qu’à leur performance et leur niveau d'éveil [Leslie 2003; van Bommel & van den Beld
2004; Dogrusoy & Tureyen 2007; Pineault et al. 2008]. Parmi les nombreux attributs d'un
environnement de travail, l'éclairage est souvent considéré comme l'élément le plus
important [Ne’eman et al. 1984]. L'éclairage influence non seulement la perception d'un
individu envers son milieu de travail, mais aussi son état émotionnel, sa motivation et sa
santé en général [Katzev 1992]. Pour ces raisons, il est impératif que le choix du vitrage ne
soit pas pris à la légère, puisque celui-ci a un impact certain sur la qualité de la lumière
d’une pièce. Un environnement de travail désagréable à plusieurs niveaux peut même avoir
une influence sur le taux d’absentéisme et la productivité des travailleurs, pour ensuite se
refléter sur les finances d’une entreprise [Leslie 2003; van Bommel & van den Beld 2004].
Un piètre éclairage peut devenir une source de nuisances incluant maux de tête, fatigue
visuelle et stress oculaire pour en nommer quelques unes [Boubekri 1995]. Il importe alors
d’offrir aux employés les meilleures conditions ambiantes possibles afin de favoriser la
présence et la productivité au travail ainsi que la bonne humeur des occupants.
1.3 Contexte de l'étude
Depuis une vingtaine d'années, des découvertes majeures ont fait évoluer notre
compréhension des effets de la lumière sur la santé, le bien-être et ont même permis la
découverte d'un nouveau photorécepteur à l'intérieur de l'œil, spécialisé dans la
transmission de la lumière vers des zones du cerveau impliquées, entre autres, dans la
vigilance [Brainard et al. 2001; Cajochen et al. 2005]. En somme, les études portant sur les
effets de différents types de verre doivent être reformulées en considérant les effets de la
lumière sur les humains et les dernières recherches à ce sujet. Cette recherche a pour
objectif d’étudier ce problème en investiguant les effets de la couleur du verre (trois
options) sur la qualité de la lumière naturelle, l'éveil des occupants et la propension à
utiliser un éclairage électrique d'appoint.
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La présente étude fut entièrement réalisée à l'aide d'une maquette à échelle 1:4, représentant
un bureau de travail fermé, comportant un mur extérieur largement vitré et orienté vers le
sud-est. L'échelle choisie permettait aux participants d'être assis en ayant le haut du corps
complètement immergé à l'intérieur de la maquette, tel que proposé par Velds [2000; 2002].
Plusieurs études antérieures ont utilisé des échelles plus petites où les participants devaient
observer l'intérieur de la maquette via une petite ouverture, ce qui augmentait l'apparence
fictive ou non réaliste de la pièce [Dubois & Johnsen 2003; Dubois et al. 2007; Pineault &
Dubois 2008; Pineault et al. 2008; Dubois 2009; Pineault 2009]. Ces études ont favorisé
l’utilisation de maquettes et ont obtenu des résultats concluants à plusieurs niveaux. Pour le
type de recherche proposée ici, il semblait alors approprié d’utiliser une maquette à échelle
réduite. L'échelle choisie (1:4) a permis une évaluation précise des conditions lumineuses à
l'intérieur de la maquette, tout en évitant la pénétration de lumière provenant de l'extérieur
de la pièce. L’utilisation de simulations par ordinateur est très populaire dans le domaine de
la recherche sur le verre et la lumière, par contre, cette méthodologie peut difficilement
intégrer des évaluations subjectives, qui sont essentielles à l'étude du confort visuel et
thermique des occupants.
Ces affirmations portent à des questionnements primaires : Est-ce que le choix du vitrage
peut influencer le confort visuel et même la santé des occupants? Est-ce que le verre peut
avoir un impact sur la consommation d’énergie, par exemple en affectant la propension à
allumer l’éclairage électrique? Dans quelle mesure le choix du vitrage influence-t-il le
confort et le degré d’éveil des occupants d’édifices à bureaux? Depuis les années 70 et la
crise du pétrole, l’intérêt pour l’économie d’énergie augmente sans cesse dans les pays
industrialisés. Les différentes technologies utilisées lors de la fabrication du verre (pour la
composition de mur-rideaux ou de fenêtres de bureaux) ouvrent également des pistes vers
d’éventuelles réductions de consommation, par exemple, en limitant les gains thermiques
ou en offrant un éclairage naturel de qualité. Tel que précisé par certains chercheurs,
l'éclairage naturel offre un milieu de travail sain et stimulant aux travailleurs [Galasiu &
Veitch 2006; Gagné et al. 2010]. Afin de réduire les taux d'absentéisme élevés, il est
essentiel qu'un employeur puisse offrir le maximum de confort visuel, thermique, ou autres
14
ambiances physiques, à ses employés [Leslie 2003]. Ceci permet de réduire les coûts
associés aux ressources humaines absentes et augmente le niveau de satisfaction et de bien-
être, allant même jusqu'à améliorer la qualité du sommeil nocturne, contribuant à l'éveil
diurne. Il importe également de noter que l'éclairage électrique peut parfois représenter une
source de stress oculaire pour certaines personnes, nuisant ainsi au confort visuel des
occupants [Küller & Laike 1998; Boyce 2010]. Dans le domaine de la construction actuel,
il est courant de voir les édifices construits il y a une trentaine d’années, subirent une
transformation de leur enveloppe extérieure et autres dispositifs, qui offrent une opportunité
unique pour améliorer le confort visuel ou thermique des occupants. Dans le domaine
institutionnel et industriel, les propriétaires et employeurs peuvent ainsi réaliser des
économies d’énergie et d’argent.
Trois différents types de verre ont été évalués dans cette étude: un verre bleu, un bronze et
un neutre. Ces trois choix correspondent à une teinte chaude (bronze), une teinte froide
(bleu) et un verre neutre présentant une faible teinte verte due à la présence naturelle
d’oxyde de fer dans le verre. Ces trois types de verre ont donc permis d'étudier deux
conditions opposées ainsi qu'un verre de transition. Les effets de la lumière bleue ou à
ondes-courtes sur les occupants ont été étudiés précédemment par une variété d'études
portant sur l’éclairage électrique [Noguchi & Sakagushi 1999; Cajochen et al. 2005; Mills
et al. 2007; Goodmann 2009; Hubalek et al. 2010]. Il serait intéressant de voir si les
conséquences d’un éclairage électrique de couleur froide a des effets semblables à ceux
d’une lumière naturelle filtrée par un vitrage bleu. À ce jour, les études traitant des effets du
verre de teinte chaude ou froide sur la lumière du jour sont peu nombreuses. De plus, peu
de recherches ont utilisé une maquette expérimentale telle que proposée, afin de comparer
les effets des différents verres sur les participants, ou encore, d'observer les tendances par
rapport à l'utilisation d'un éclairage électrique optionnel. Cette maquette permettra de
réaliser une cueillette de données plus rapidement qu’en milieu réel, où les infrastructures
déjà en place ne peuvent être modifiées aussi facilement. Pareillement, peu de recherches
comme celle proposée ont été réalisées au Québec, en tenant compte de son climat et
ensoleillement spécifiques.
15
1.4 Objectifs
Cette étude s’inscrit dans la lignée de recherches menées par le Groupe de Recherche en
Ambiances Physiques (GRAP) de l’Université Laval. Elle poursuit les travaux initiés par
Nathalie Pineault ainsi que Marie-Claude Dubois [Dubois & Johnsen 2003; Dubois et al.
2007; Pineault & Dubois 2008; Pineault et al. 2008; Dubois 2009; Pineault 2009]. Elle a
comme objectif principal d’étudier l’effet du vitrage sur la perception visuelle, dans le
contexte d’un bureau, en utilisant différents facteurs qualitatifs décrivant ce que les
occupants perçoivent. Les cinq facteurs utilisés ici sont: 1) confort visuel; 2) naturalité; 3)
agréabilité; 4) précision (des détails et textures); 5) niveau de lumière. D'après la littérature,
ces facteurs couvrent des aspects importants liés à la qualité de l’éclairage naturel d’une
pièce [Küller 1991; Bülow-Hübe 1995; Dubois et al. 2007]. Cette étude a également
l'objectif de comparer trois types de verre de teinte différente (bleu, bronze et neutre) en
utilisant une maquette expérimentale, afin d'obtenir les évaluations des participants à
propos des facteurs qualitatifs énumérés ci haut. L'étude permettra également d'observer
l'éveil des participants et la propension à utiliser un éclairage électrique d'appoint, selon
l'échantillon de verre utilisé.
1.5 Hypothèses
La présente étude a pour but la contribution à l’avancement des connaissances dans le
domaine du verre, de l’éclairage et des ambiances lumineuses en milieu de travail. Elle vise
la vérification des hypothèses suivantes, en lien avec les questions de recherche
mentionnées plus bas :
Le type de vitrage influence l’ambiance perçue.
L’éveil des occupants est plus élevé en présence d'un verre clair (neutre).
Considérant un niveau de transmittance donné, plus le verre est pigmenté, plus les
occupants ont tendance à utiliser un éclairage artificiel supplémentaire.
L’étude comporte trois groupes d’interrogations fondamentales:
1. Est-ce que la qualité de la lumière naturelle perçue par les participants varie d’un
type de verre à l’autre? Les occupants ont-ils une perception de leur environnement
différente selon la teinte du verre utilisé?
16
2. En présence de quel type de verre les occupants ont-ils tendance à rester davantage
éveillés?
3. En présence de quel type de verre les occupants sont-ils portés à utiliser un éclairage
électrique d’appoint?
1.6 Structure du mémoire
Le mémoire présenté est divisé en cinq chapitres: introduction; cadre théorique;
méthodologie; résultats; et discussion. Afin de limiter la redondance, l'article principal,
Effects of glazing colour type on perception of daylight quality, arousal, and switch-on
patterns of electric light in office rooms, publié par le journal Building & Environment se
trouve à l'annexe A. Les deux actes de conférences se retrouvent également en annexe.
17
Chapitre 2: Cadre théorique
Plusieurs études recensées proposent des outils essentiels qui guideront la présente
recherche. Parmi les auteurs retenus se trouvent Boyce et ses collègues [1991; 1992; 1995;
2000; 2003; 2006; Boyce 2009; Boyce 2010], Küller [1991; Küller & Laike 1998; 2004;
Küller et al. 2009] et Van Bommel [2004; 2006], qui ont publié plusieurs études sur la
lumière, l’éclairage et le vitrage ainsi que le confort des occupants en lien avec les
ambiances lumineuses. Quelques articles par Veitch [Veitch et al. 1991; Galasiu & Veitch
2006; Veitch 2007] sont également pertinents, puisqu’ils sont basés sur des recherches
réalisées au Canada. Finalement, des articles publiés par les chercheurs du GRAP ont été
considérés, notamment ceux de Marie-Claude Dubois et de Nathalie Pineault. Les
publications recensées permettent d’établir un lien entre les connaissances et les questions
de recherche qui demeurent toujours sans réponse claire. Les articles traitant des effets du
verre sur la qualité de la lumière naturelle perçue par les occupants d’édifices à bureau ont
été privilégiés, de même que les recherches réalisées en climat nordique, ou similaire à
celui du Québec.
2.1 Verre en architecture
Les ouvertures et fenêtres représentent un aspect important du design architectural. Celles-
ci favorisent le contact entre les occupants et le monde extérieur, offrent une qualité de
lumière inégalable et permettent de réaliser des économies d’énergie par une réduction de
la consommation [Leslie 2003; Dogrusoy & Tureyen 2007]. Les études montrent que les
occupants apprécient davantage un milieu de travail où il est possible d'ajuster l'éclairage en
fonction des tâches à accomplir, ou des besoins des occupants, que ce soit en présence de
lumière naturelle ou encore dans un espace utilisant majoritairement un éclairage électrique
[Manav 2007; Hoffmann et al. 2008]. Néanmoins, la lumière naturelle peut avoir des
conséquences désagréables en milieu de travail comme par exemple l’éblouissement, qui
peut varier en fonction du climat, des saisons et de l’emplacement géographique [Zinzi
2006]. L'éblouissement peut également varier en fonction de la position du poste de travail,
du type de travail accompli et de l'occultation solaire. Différentes innovations de l'industrie
ont contribué à l'adaptation du verre selon les besoins des occupants ou selon la fonction
des lieux. Par exemple, l'éblouissement provenant de la lumière extérieure peut être limité
18
grâce à des pellicules, une composition différente du verre ou encore par la teinte du
vitrage. La transmittance du verre est aussi un aspect à considérer dans l’optique d’offrir un
espace de travail optimal tout en réalisant des économies d’énergie et une réduction des
coûts liés à la climatisation, au chauffage ou à l’utilisation d'un éclairage électrique. Les
données varient d’une étude à l’autre, mais selon les chiffres avancés dans la recension de
Leslie [2003], l’éclairage électrique représente de 25% à 40% de l’énergie consommée dans
les espaces commerciaux et dans le cas des murs rideaux, l’utilisation de la lumière
naturelle permettrait de réduire de 52% la consommation énergétique liée à l'éclairage.
Dans une étude par Boyce est ses collègues [1995] trois types de verre ont été comparés
afin de déterminer le niveau minimal de transmittance demeurant acceptable. Les trois
échantillons testés étaient un verre spectrallement neutre, un verre bronze favorisant l'effet
de luminosité et un verre réduisant la luminosité (solextra). Les niveaux de transmittance
variaient d'un échantillon à l'autre: verre neutre à 90 %; verre bronze à 54 % et verre
solextra à 77 %. Pendant l'expérience, différents filtres solaires (six en tout) ont chacun été
positionnés devant les échantillons de verre. Ces filtres avaient des niveaux de
transmittance respectif, allant de 15 % à 90 %, permettant de varier la transmittance des
trois verres. Les échantillons étaient exposés à différentes conditions météorologiques et
évalués par 25 participants à l'aide d'une maquette à l'échelle 1:12. Cette maquette
représentait un espace de travail et était placée directement à l'extérieur dans un
stationnement. Les auteurs ont conclu que pour 85 % des participants, le niveau de
transmittance minimal se situait entre 25% et 38%. Lors d'une étude semblable par Boyce
et ses collègues [1991; 1992], le verre bronze s'était toutefois démarqué des autres
échantillons en favorisant la perception d'une plus grande luminosité alors que le verre
solextra réduisait l'impression de luminosité en relation à un verre neutre, pour un même
niveau de transmittance. Cette tendance fut partiellement répliquée lors de l'étude sur le
niveau de transmittance acceptable [Boyce et al. 1995].
Certains types de verre sur le marché permettent un certain contrôle de l’éblouissement
grâce à des propriétés électrochromiques (verre EC) qui offrent un ajustement du niveau de
transmittance [Zinzi 2006; Piccolo & Simone 2009]. Piccolo & Simone ont utilisés des
19
sondes placées à l'intérieur d’une maquette (échelle 1 : 10) afin de mesurer et de contrôler
l’éblouissement perçu lorsqu'un verre EC est utilisé. Les résultats obtenus lorsque la
maquette était orientée vers le sud ont été comparés à ceux obtenus avec une orientation
vers l'ouest. La maquette était en place pendant les mois de juin et juillet (2007) à
l'université de Messine, Italie. Les données ont été recueillies uniquement sous un ciel
dégagé. Les résultats indiquent que le verre EC est souhaitable lorsqu’il est utilisé sur une
façade orientée vers le sud, puisque la lumière est davantage constante, comparée à la
lumière difficilement contrôlable de l’ouest [Piccolo & Simone 2009]. Orienté vers l'ouest,
le niveau de transmittance du verre devait être très bas (+/- 7%) afin de bloquer la lumière
rasante du soleil, impliquant l'ajout de dispositifs d'occultation solaire extérieur ou encore
l'utilisation d'un éclairage électrique pour compenser [Piccolo & Simone 2009]. Quant à
l'étude de Zinzi, l’utilisation du verre électrochromique était évaluée dans un espace de
bureau expérimentale. Pendant cette étude, trente participants ont répondu à différents
questionnaires tout en ajustant le niveau de transmittance du verre, selon leurs préférences
et leurs besoins. D’après les réponses des sujets, l’auteure a conclu que les verres EC sont
très efficaces au niveau de la transmittance et aident à améliorer le confort visuel tout en
permettant de réaliser des économies d’énergie [Zinzi 2006]. Finalement, la transmittance
peut également être affectée par des éléments extérieurs comme la poussière urbaine, qui
est à considérer notamment dans le cas des édifices à bureau situés dans les grands centres.
Dans une étude réalisée par Sharples et ses collègues [2001], il a été démontré que la
poussière s’accumulant sur la surface extérieure et intérieure du vitrage pourrait diminuer
l’indice de transmittance de 10%. Ces résultats ont été obtenus suite à un relevé effectué sur
430 vitrages dans la ville de Sheffield au Royaume-Uni [Sharples et al. 2001].
2.2 Bienfaits de la lumière naturelle
En plus de représenter une source d'éclairage durable et économique, la lumière naturelle
comporte souvent des avantages transposés sur le bien-être des occupants. Le système
oculaire et ses photorécepteurs sont sensibles à cette lumière. L'être humain a souvent peu
connaissance de ces changements physiologiques mais pourtant les effets sont notables.
Effectivement, plusieurs études ont permis de conclure que la lumière naturelle est
supérieure à un éclairage électrique conventionnel, en terme d'effets physiologiques et de
20
satisfaction des occupants, et particulièrement en milieu de travail [Robertson et al. 1989;
Boyce et al. 2003; Leslie 2003; van Bommel & van den Beld 2004; Boyce et al. 2006].
Une recension des écrits par Galasius et Veitch résume une soixantaine d'études portant sur
l'utilisation de la lumière naturelle dans les bureaux [Galasiu & Veitch 2006]. Les auteurs
synthétisent des articles traitants, entre autres, des caractéristiques de la lumière naturelle,
des types de fenêtre préférés par les occupants, du confort visuel et de l'éblouissement.
Leurs conclusions suggèrent qu'il y a une forte préférence pour la lumière naturelle en
milieu de travail, ainsi que pour les fenêtres à larges dimensions [Galasiu & Veitch, 2006].
Conjointement, le chercheur Goodman [2009] s'est intéressé à la relation entre l'exposition
à la lumière naturelle et une baisse du syndrome de trouble affectif saisonnier (TAS) chez
les humains. Attribué en grande partie à la diminution de lumière naturelle présente pendant
l’automne et l’hiver, le TAS est souvent associé à des symptômes dépressifs tels que baisse
d'énergie, changement d'humeur, besoin de sommeil plus important, augmentation de
l'appétit et gain de poids. Selon Goodman [2009], l'exposition à la lumière naturelle serait
bénéfique pour le traitement des sautes d'humeur maussade mais aussi très efficace pour
contrer la dépression saisonnière. Afin de combler ce manque temporaire, il est possible
d'avoir recours à des traitements de luminothérapie en s'exposant à une lumière vive (10
000 lux) pour une période de 30 min le matin [Gagné et al. 2010; Gagné et al. 2011]. Les
habitants des pays nordiques sont fréquemment affectés par cette diminution de la lumière
naturelle et pendant les quelques mois que représentent l'automne et l'hiver, les personnes
atteintes de TAS voient généralement leurs niveaux de productivité diminuer ou encore
s'absentent plus souvent du travail, ce qui engendre ainsi un coût socioéconomique élevé
[Gagné et al. 2010].
2.3 Effets photobiologiques
Dans un rapport écrit par van Bommel [2006], l'auteur nous rappelle que depuis la
révolution industrielle, l’homme passe la majeure partie de son temps dans des espaces
intérieurs, loin de la lumière naturelle et de tous ses bienfaits sur la santé psychologique et
physiologique des travailleurs. Certaines études ont indiqué qu’une lumière plus intense
pendant la journée serait bénéfique pour le sommeil nocturne et que les performances et
l’humeur au travail seraient ainsi améliorées, réduisant potentiellement le taux
21
d’absentéisme au travail dû au stress et au manque de sommeil [Jokl 1982; Begemann et al.
1997; Govén et al. 2006; van Bommel 2006; Hoffmann et al. 2008]. Il est donc impératif
d'étudier les paramètres qui pourraient influencer l'éveil des occupants, dans une optique
d'économie de coûts pour un employeur par une plus grande efficience des travailleurs.
Lors d'une étude dirigée par Viola et ses collègues [2008], 104 employés répartis sur deux
étages différents d'un édifice à bureaux, situé au nord de l'Angleterre, ont évalué leurs
conditions au travail. Une semaine avant le changement d'éclairage, les participants ont
répondu aux questionnaires afin d'obtenir un comparatif de base. Ensuite, les participants
étaient soumis à deux conditions d'éclairage différentes au cours des huit semaines de
l'étude: soit une lumière blanche (4 000 °K) ou une lumière blanche-bleue (17 000 °K). Les
deux étages utilisés offraient des paramètres d'éclairage distincts sur une période de quatre
semaines. Après quatre semaines, ces paramètres d'éclairage étaient échangés entre les
étages et les participants poursuivaient l'expérience. Pendant les heures de travail, plusieurs
questionnaires étaient administrés. Les questions portaient, entre autres, sur l'éveil, le
niveau d'énergie, les maux de tête, la concentration et la fatigue. Les résultats indiquent que
les effets bénéfiques de la lumière blanche enrichie de bleu sont significatifs à plusieurs
niveaux, incluant l'éveil, l'humeur et la performance au travail [Viola et al. 2008]. Toujours
en lien avec la température de la couleur de la lumière, une étude par Meesters et al. [2011]
s'est penchée sur les effets de la lumière sur la dépression saisonnière. Pour ce faire, les
chercheurs ont comparé l'efficacité d'une lumière blanche enrichie de bleu (750 lux, 17 000
°K) à une lumière vive blanche (10 000 lux, 5 000 °K) sur 22 participants souffrants du
trouble affectif saisonnier. Cette étude a démontrée que l'impression des participants était
davantage influencée par la température de la couleur que par le niveau d'éclairement. En
effet, malgré les aspects positifs d'une lumière bleue énumérés plus haut, les participants
ont tout de même jugé que la lumière vive blanche offrait un confort visuel plus élevé que
la lumière blanche enrichie de bleu et qu'avec ce type d'éclairage, les conditions de travail
de plusieurs employés seraient améliorées [Meesters et al. 2011]. Il est possible que la
composante bleue de cette lumière enrichie ait apportée une ambiance plus froide à la pièce
et pour cette raison, les participants ont préféré la lumière vive blanche.
22
Les études portant sur les effets de la lumière sur les humains sont davantage concluantes
lorsqu'elles sont réalisées le soir ou la nuit, alors que les niveaux de mélatonine sont
critiques [Viola et al. 2008]. Une équipe de chercheurs suisses a voulu mesurer la
sensibilité de dix participants envers l'éclairage auquel ils étaient exposés [Cajochen et al.
2005]. L'hypothèse principale de l'étude suggérait qu'en fin de soirée, l'exposition à une
lumière froide (460 nm) influencerait davantage la production de mélatonine, l'éveil, la
température du corps et le rythme cardiaque, comparé à un éclairage plus chaud (550 nm).
En utilisant des lunettes spécialement conçues pour l'étude, les participants étaient soumis à
quatre conditions possibles; éclairage bleuté (460 nm); éclairage jaune-vert (550 nm);
noirceur totale; et éclairage minimal de 2 lux. Les séances totalisaient une période
d'exposition de six heures, suivie d'une période de sommeil de huit heures. Les participants
devaient évaluer leur niveau d'éveil à l'aide d'une échelle de somnolence (KSS) toutes les
30 minutes, en alternance avec des prises de salive comme indicateur du niveau de
mélatonine. En fin de soirée, l'éveil des participants était plus constant en présence de la
lumière bleutée que lorsque soumis aux autres conditions. Les résultats de cette étude
concordent avec ceux de Brainard et al. [2001] qui a démontré que l'horloge biologique
humaine est sensible à la lumière à ondes-courtes (446-477 nm). Pendant cette étude,
Brainard et ses collègues [2001] ont fait appel à 37 participants soumis à des expositions
lumineuses pendant la nuit afin de mesurer les taux de mélatonine dans le sang. Ils ont
constaté que la lumière à ondes-courtes contribuerait à régulariser la sécrétion de
mélatonine, ce qui a une incidence sur l'éveil en période nocturne.
2.4 Perception d'un espace intérieur
D’après certains auteurs, il est souhaitable de privilégier la lumière du nord afin d’éviter les
rayons directs du soleil, l’éblouissement et aussi profiter d'un éclairage dont la température
de couleur est plus élevée, ce qui stimule davantage la concentration [Begemann et al.
1997; Hoffmann et al. 2008]. Dans l’évaluation d’une lumière du sud ou du nord, Hårleman
et ses collègues [2007] affirment que la lumière du sud est souvent associée à la chaleur et à
la saturation des couleurs, alors que la lumière du nord, plus froide, permet un meilleur
rendu optique [Hårleman et al. 2007]. À l’aide d’une pièce expérimentale divisée en deux
par une cloison, 72 étudiants en architecture devaient indiquer verbalement et par écrit,
23
leurs impressions sur la qualité de la lumière, des couleurs et de la précision du niveau de
détail perceptible. Selon les résultats de cette étude, la lumière naturelle peut également
créer des ambiances et varier les qualités d’un même espace. Dans un rapport écrit par van
Bommel & van den Beld [2004], les auteurs mentionnent que la couleur de la lumière
naturelle correspondrait à des besoins biologiques précis : la couleur bleutée de la lumière
matinale permettrait d’éveiller nos sens alors que la lumière rouge de fin d’après-midi
aurait plutôt un effet relaxant. De plus, plusieurs études se sont penchées sur les effets de la
température de la couleur (CCT) de la lumière et ses effets sur les occupants et la
perception de leur environnement de travail. La température de la couleur est un indice
utilisé afin d'estimer la couleur apparente d'une source lumineuse. Cet indice est basé sur le
principe qu'un corps noir (fer forgé, par exemple) chauffé à une très haute température émet
une lumière de couleur variable, selon la température à laquelle le corps noir est chauffé.
La température de couleur se mesure en degré Kelvin (°K). À titre d'exemples, la lumière
du soleil à l'horizon a une température de couleur de +/- 2 000 °K et la lumière du soleil au
zénith est d'environ 5 800 °K (voir annexe D). Plus la température de couleur est élevée,
plus la couleur de la lumière est froide ou tire vers le bleu. Une étude réalisée par Manav
[2007] portant sur l'évaluation subjective d'un milieu de travail en lien avec la température
de la couleur et le niveau d'éclairement lumineux a été réalisée à l'aide d'une pièce
expérimentale. Les participants (36 au total) devaient évaluer différents arrangements
lumineux prédéterminés selon la température de la couleur (2 700 à 4 000 °K) et/ou
l'éclairement (500 à 2000 lux), le tout était modifiable à l'aide d'une télécommande. Les
résultats de cette étude indiquent qu'une température de couleur plus élevée (4 000 °K, vers
le bleu) induirait une impression de confort et d'ouverture à une pièce, tandis qu'une
température de couleur plus basse (2 700 °K, vers le rouge) rappelle une ambiance
relaxante. Une étude par Chain [2004] visait la comparaison d'un verre bronze et d'un verre
neutre en lien avec les variations de température de couleur. Cette recherche, réalisée par
simulations informatiques à l'aide du logiciel Lightscape, avait pour objectif de mesurer les
impacts des deux vitrages sur la température de couleur. En situation réelle, ces effets se
caractérisent, entre autres, par l'agréabilité et la satisfaction des occupants. Les résultats
indiquent une différence significative sur la température de couleur à l'intérieur de la pièce
simulée, par contre, l'auteur mentionne qu'en milieu réel, il est possible que ces
24
changements soient superflus puisque les occupants s'adapteraient aux variations
chromatiques de leur environnement [Chain 2004].
Une étude pilote réalisée au Danemark [Dubois et al. 2007], s'est servie de deux maquettes
identiques (échelle 1:7,5) afin d'obtenir les comparaisons appariées de six types de verres.
Cette étude impliquait 18 participants qui ont observé et comparé l'environnement à
l'intérieur des deux maquettes alors qu'elles étaient équipées de vitrages différents. Pour ce
faire, les participants évaluaient l'ambiance perçue en répondant à un questionnaire basé sur
des facteurs qualitatifs (ombres, niveau de lumière, naturalité et couleur; température de
couleur; beauté & agréabilité; éblouissement; précision des détails). Les résultats indiquent
une corrélation entre le niveau de transmittance du verre et les moyennes des facteurs
beauté et agréabilité, naturalité, précision. Par contre, les types de verre avec un niveau de
transmittance élevé était aussi ceux avec le moins de couleur, il est donc difficile de
conclure que cette corrélation peut être attribuée à la couleur du verre, le niveau de
transmittance, ou les deux [Dubois et al. 2007].
Deux études plus récentes par Pineault [Pineault et al. 2008; Pineault & Dubois 2008] ont
été réalisées à l'école d'architecture de l'Université Laval. Lors de la première étude réalisée
sous un ciel artificiel, quinze participants ont évalué l'environnement intérieur d'une
maquette (échelle 1:6) représentant un salon. Chaque participant a évalué les différentes
ambiances perçues à l'intérieur de la maquette, à l'aide de sept échantillons de verre
distincts. Les participants, non informés des variables, devaient répondre à un questionnaire
basé sur les facteurs qualitatifs suivants : niveau de lumière; éblouissement (confort visuel);
naturalité; beauté et agréabilité; précision; distribution de la lumière; et ombres. Les
échantillons de verre avaient des niveaux de transmittance différents, allant de 38.2% à
82.5%. Les analyses ont indiqué une corrélation positive entre un niveau de transmittance
élevé et les facteurs niveau de lumière; beauté et agréabilité; et précision. De plus, les
résultats indiquent qu'une couleur de verre tirant sur le vert avait une corrélation négative
avec les facteurs beauté et agréabilité, par contre, les auteurs suggèrent qu'une
méthodologie plus poussée doit être utilisée afin de confirmer ces résultats [Pineault et al.
2008]. La deuxième étude par Pineault & Dubois [2008] s'est déroulée avec la même
25
maquette (1:6) mais cette fois, la maquette était exposée à la lumière naturelle d'une
ouverture orientée sud-est. Au total, 30 personnes ont participé à l'étude afin de réévaluer
les sept échantillons de verre avec les mêmes questions. Les résultats significatifs de cette
deuxième étude indiquent à nouveau que le type de verre peut affecter la perception du
niveau de lumière; la beauté et l'agréabilité; la précision des détails; et la naturalité.
En somme, des études antérieures ont indiqué que les occupants préfèrent une teinte de
verre davantage chaude et qu'une pièce exposée à un verre bronze donne l'impression que la
pièce est davantage lumineuse [Cuttle 1979; Boyce et al. 1991; 1992; Dubois 2009].
D'autres recherches ont indiqué que la lumière naturelle serait bénéfique pour les
occupants, notamment pour le confort visuel, la satisfaction générale des employés envers
leur milieu de travail et diminuer les syndromes liés au TAS. Les effets photobiologiques
de la lumière ont également été discutés, suggérant que la température de la couleur de la
lumière a une incidence non négligeable sur les occupants et la perception des
environnements intérieurs. Finalement, d'autres études se sont concentrées sur les
incidences du niveau de transmittance du verre; celle-ci aurait aussi un impact sur la
perception que les occupants ont de leur environnement.
En tenant compte des résultats des différentes études mentionnées plus haut, l'hypothèse
suivante fut avancée: le verre bronze est davantage apprécié des occupants, lorsque les
résultats sont comparés à ceux des verres bleu ou encore au verre neutre. Puisque certaines
études ont indiqué que la lumière bleu du spectre visible (+/- 460 nm) pourrait améliorer
l'éveil et la vigilance des travailleurs [Brainard et al. 2001; Cajochen et al. 2005], une
deuxième hypothèse proposée ici avance qu'en présence de la lumière naturelle filtrée par le
verre bleu, le niveau d'éveil des participants serait plus élevé qu'en présence du vitrage
bronze. Finalement, on pourrait penser que plus la couleur du verre est présente, plus les
occupants ont tendance à utiliser un éclairage électrique d'appoint.
26
Chapitre 3. Méthodologie
Cette recherche fut entièrement réalisée à l’École d’architecture de l’Université Laval
(Québec, Qc, latitude 46°48' N), principalement en raison de l'emplacement de la maquette,
la disponibilité des appareils de mesure et l'accès à un nombre important de participants.
3.1 Cadre expérimental
La méthodologie de la présente recherche s'inspire des expériences de Dubois et ses
collègues [2003; 2007; 2009] et de Pineault et ses collègues [2008; 2009]. La première
étude menée par Dubois & Johnsen [2003] a fait appel à une maquette à l'échelle 1:7,5 alors
que celle utilisée dans l'étude de Pineault et al. [2008] était à l'échelle 1:6. Ces études ont
convenu que l'évaluation des échantillons de verre à l'aide d'une maquette était une solution
adéquate qui offrait des niveaux de réalisme et de détail raisonnables pour les fins de ce
type de recherches. Un autre avantage important est la possibilité d'évaluer plusieurs
échantillons alors qu'en milieu réel la modification des paramètres peut être plus complexe
et plus coûteuse. Par ailleurs, des études antérieures ont démontré la pertinence de
l'utilisation de maquette expérimentale à l'échelle réduite Cowdroy 1972[Lau 1972]. Selon
Lau [1972], une maquette à l'échelle 1:6 permettrait d'obtenir des résultats similaires à
ceux obtenus à l'aide d'une maquette à l'échelle 1:1. La maquette utilisée dans la présente
étude avait une échelle de 1:4, ce qui permettait au participant d'être assis avec le haut du
corps à l'intérieur même de l'espace étudié, afin d'être submergé par les ambiances
physiques de la pièce. De plus, l'échelle choisie était plus importante que celles utilisées
dans les recherches antérieures mentionnées plus haut, elle offrait ainsi un niveau de détail
supérieur. Cependant, moins l'échelle est réduite, plus le volume de la maquette augmente,
ce qui limite les dimensions de la pièce à représenter. Au delà de l'échelle 1:4, la
manipulation de la maquette deviendrait très laborieuse.
3.2 Construction et description de la maquette
3.2.1 Construction et dimensions
27
La construction de la maquette s'est déroulée sur une période de quelques semaines, en
collaboration avec un ébéniste professionnel. Ce dernier était chargé de construire la
maquette avec un système de support permettant l'insertion des échantillons de verre tout en
considérant la manipulation de la maquette et des échantillons par une seule personne
pendant les séances. La maquette était donc fixée sur une table roulante mais pouvait
pivoter sur le dessus de la table pour être rangée ou pour être positionnée devant l'ouverture
choisie lors des séances de cueillette de données. L’assistant de laboratoire de l'étude était
chargée de la finition intérieure de la maquette, incluant la finition de plancher, la
fabrication de meubles et le décor à l'échelle réduite (1:4). À l'intérieur de la maquette, le
mur rideau totalisait 836 mm de large par 465 mm de haut, à 230 mm du sol et 75 mm du
plafond. Les trois ouvertures composant ce mur rideau étaient séparées par des meneaux
d'une épaisseur de 28 mm. Chaque section de l'ouverture mesurait 269 mm de large et 465
mm de haut. En situation réelle, ces dimensions représentent un mur extérieur de 4 200 mm
de large par 3 100 mm de haut.
3.2.2 Finition et mobilier
L'intérieur de la maquette reproduisait un local de travail comportant un mur extérieur
largement vitré avec des ouvertures allant de 900 mm du sol jusqu’au plafond. Du mobilier
et des accessoires à l'échelle 1:4. étaient disposés de façon précise, en fonction du point
d'observation du participant. Près de la fenêtre, un bureau et deux chaises placées de part et
d'autre du poste de travail faisaient face au sujet. Ces meubles étaient fabriqués en balsa,
teints puis vernis afin d'obtenir un fini réaliste. Il y avait également une tablette fixée au
mur vis-à-vis le bureau, des cadres avec photos couleurs et une noire et blanche, un
babillard, un calendrier, une corbeille en plastique noir, une tasse à café puis un pot avec
des crayons. Ces éléments représentaient une variété de couleurs et de textures qui
pouvaient ensuite servir aux participants dans l'évaluation de l'ambiance lumineuse, en
comparant ces différents éléments repères. Les murs et le plafond de la maquette étaient de
couleur blanche avec un fini semi-lustré (non réfléchissant). Le plancher était recouvert de
carton à faible texture, imitant un linoléum vernis mat, blanc cassé.
28
Figure 3.2.2: Photo prise à l'intérieur de la maquette avec le vitrage bronze.
3.2.3 Emplacement de la maquette
La maquette était située au deuxième étage de l'école d'architecture, devant une large
ouverture (1 500 mm de large par 1 700 mm de haut) orientée vers le sud-est et munie d'un
double vitrage composé d'une fenêtre fixe (à meneaux) à l'extérieur et d'une fenêtre
ouvrante à l'intérieur (charnière). Le vitrage extérieur a été enlevé pour la durée de l'étude.
La fenêtre intérieure pouvait être ouverte au complet, de sorte que les ouvertures de la
maquette étaient directement à l'extérieur. Pour combler le vide autour de la maquette et
empêcher le froid ou le vent d'entrer, des panneaux de polystyrène isolant étaient
positionnés entre le cadre de la fenêtre et la maquette. Un tissu opaque de couleur foncé
était attaché au pourtour de la maquette, afin de bloquer toute lumière qui pouvait pénétrer
par le plancher de la maquette, où les sujets devaient prendre place.
29
Figure 3.2.3: Emplacement de la maquette à l'intérieur du cadre de la fenêtre existante.
Compte tenu du poids et des dimensions encombrantes de la maquette, elle ne pouvait être
déplacée d'un étage à l'autre pendant la durée complète de la cueillette de données.
Cependant, la maquette devait être rangée en retrait de la fenêtre de l'école d'architecture
lorsqu'elle n'était pas utilisée.
3.2.4 Environnement extérieur
Par les fenêtres de la maquette, on observait une partie du stationnement derrière l’École
d’architecture, un parc avec des arbres matures, la rive sud de Québec ainsi que des
bâtiments et la ligne d’horizon. Cette vue permettait alors d'offrir un décor plaisant et des
points de repères aux participants.
3.2.5 Éclairage à l'intérieur de la maquette
Au plafond de la maquette, six rondelles de lumière au xénon étaient fixées et branchées à
un interrupteur/gradateur fixé au plancher de la maquette. Cet éclairage permettait un
ajustement de l'intensité et diffusait une lumière chaude (numéro de série: I-K303WH,
30
température de couleur: 2700°K, 220 lumens maximum par lampe avec une ampoule xénon
de 20W).
3.3 Échantillons de verre
3.3.1 Choix des échantillons
Un fabricant de verre de la région de Québec a fourni les échantillons pour cette recherche.
Ces échantillons de verre avaient pratiquement le même niveau de transmittance de lumière
(tableau 3.3), ce qui permettait d'orienter la recherche sur les effets que peut avoir la
couleur du verre sur la perception et le degré d'éveil des occupants. Les propriétés de
réflectance de la lumière visible et de l'énergie solaire, ainsi que les propriétés thermique de
chaque verre sont également indiquées dans ce tableau. Les échantillons bronze et bleu
étaient composés de verre simple de 6 mm d'épaisseur. L'échantillon de verre neutre était
un verre thermos composé d'un verre de 6 mm à l'extérieur, d'un espace d'air de 9 mm et
d'un verre intérieur de 4 mm. Afin d'avoir le même niveau de transmittance de lumière
visible que les deux autres, le verre neutre devait impérativement être un verre thermos. La
distribution spectrale (figure 3.3) de ces échantillons a été calculée par le fournisseur et
confirmée au laboratoire de photobiologie de l'Institue universitaire de santé mentale de
Québec, en utilisant un Spectromètre 8453 UV/Visible, par le fabriquant Agilent. Les
valeurs obtenues ont ensuite été compilées avec le logiciel Optique 5 LBNL (pour plus
d'informations, voir http://windows.lbl.gov/materials/optics5/default.htm). Au moment de
débuter l'étude, ces échantillons étaient représentatifs des verres utilisés dans l'industrie de
la construction d'édifices à bureaux au Québec.
Tableau 3.3 : Propriétés visuelles et thermiques des échantillons de verre.
31
Figure 3.3: Distribution spectrale des trois échantillons de verre.
3.3.2 Ordre de présentation
Chaque participant devait évaluer les trois vitrages dans un ordre prédéterminé, en
s’assurant que le vitrage neutre soit toujours présenté en deuxième afin de permettre une
transition douce entre les deux verres de couleur. L’ordre de présentation des deux verres
de couleur était alterné d’un participant à l’autre. La moitié des participants a donc débuté
l'expérience avec le verre bleu et l'autre moitié avec le verre bronze.
3.4 Période de cueillette de données
Au début de la session d’hiver 2010, les étudiants et le personnel universitaire ont été
informés de cette étude. La cueillette de données s'est ensuite déroulée du 30 mars au 28
avril, soit une période de 5 semaines. Puisque les séances d’expérimentation devaient être
réalisées pendant les heures du jour, soit entre 8h30 et 14h30, un maximum de trois séances
pouvaient donc être effectuées dans une même journée (à raison de deux heures accordées à
chaque participant). En comptant 3 séances par jours, il était possible de réaliser 15 prises
de données par semaine. Les semaines supplémentaires permettaient de s’ajuster en cas
d’imprévus (météo, tempête, disponibilité ou absence d’un participant…).
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
300 400 500 600 700 800
Tran
sm
itta
nce(%
)
Longueur d'ondes (nm)
Bronze
Neutral
Blue
32
3.5 Évaluations des participants
Avant l’arrivée des participants, la maquette et les outils de relevé devaient être en place
avec le premier vitrage. À leur arrivée, chaque participant était accueilli par l’assistant de
laboratoire et recevait des explications sur le déroulement de la séance et des outils utilisés
pendant l’expérimentation: questionnaires, luxmètre et interrupteur. Les participants
devaient également signer un formulaire de consentement avant de débuter. Prendre note
que cette recherche a été approuvée au préalable par le Comité d'éthique de la recherche de
l'Université Laval (no. d'approbation 2009-164 A-2 / 05-03-2010).
Figure 3.5: Dessin illustrant un participant en place avec le haut du corps à l'intérieur de la
maquette. Afin de bien comprendre le positionnement du participant, la jupette installée sur
le pourtour de la table n'a pas été illustrée.
33
Avant le début de chaque séance, la lumière au plafond de la maquette devait être éteinte.
Le participant prenait ensuite place à l'intérieur de la maquette en s'assoyant sur un tabouret
à hauteur ajustable. L'assistant de laboratoire s'assoyait à côté de la maquette en s'assurant
de maintenir un lient auditif avec le participant.
Premièrement, la comparaison de chaque verre était initiée par l'évaluation de l'éveil des
participants en utilisant l’échelle de somnolence du Karolinska (KSS). Cette échelle de
somnolence permet une évaluation subjective du niveau d'éveil, en utilisant un chiffre de 1
à 9, où "1" signifie complètement éveillé et "9" correspond à une personne luttant contre le
sommeil [Kaida et al. 2006]. La réponse devait être énoncée à voix haute et notée par
l'assistant de laboratoire.
Deuxièmement, quelques exercices permettaient au participant de s'adapter visuellement à
l'ambiance lumineuse de la maquette (période d'environ cinq minutes). Ces exercices
comprenaient la lecture d'un texte à voix haute, compter certaines lettres à travers un
paragraphe donné ainsi que compter des anneaux de Landolt. Ces exercices étaient affichés
sur un des murs face au participant. Les réponses recueillies lors de ces exercices n'ont pas
été analysées, leur seul but étant de permettre aux sujets de s'adapter chromatiquement à la
scène et à la lumière visible (420-480 nm).
Troisièmement, le questionnaire oral était administré (voir figure 3.6.1). Chaque question
était lue par l'assistant de laboratoire, qui prenait soin de répéter l'échelle d'évaluation
utilisée et de répéter la question au besoin. La réponse du participant était notée par
l'assistant de laboratoire. Le questionnaire oral comptait à l'origine 23 questions présentées
sous quatre catégories d'affirmations.
Quatrièmement, le questionnaire écrit devait être rempli par le participant, toujours assis à
l'intérieur de la maquette. Ce questionnaire comptait à l'origine 29 éléments à évaluer
regroupés par cinq affirmations principales (voir figure 3.6.2).
34
Une deuxième évaluation du niveau d’éveil (KSS) était effectuée avant la fin de la séance.
Finalement, le participant devait ajuster l’éclairage électrique à l’aide d’un interrupteur à
intensité variable, selon sa préférence personnelle. Le participant pouvait ensuite sortir de la
maquette et prendre une pause de cinq minutes.
Pendant la pause, le participant devait quitter les lieux de l'expérience pour ne pas être
conscient du remplacement du vitrage. L'assistant de laboratoire exigeait alors que le
participant aille prendre une marche à l'intérieur de l'école d'architecture. Lors de cette
pause, l’éclairement horizontal à l’intérieur et vertical (lux) à l'extérieur de la maquette
étaient enregistrés. La maquette était ensuite pivotée pour permettre le changement rapide
des échantillons de verre et finalement, elle était repositionnée dans l'ouverture avant le
retour du participant.
Au retour du participant, l’assistant de laboratoire lui demandait de reprendre place à
l'intérieur de la maquette et la même procédure était répétée.
3.6 Questionnaires
Les évaluations des participants ont été recueillies à l’aide de deux questionnaires
subjectifs, le premier devait être rempli oralement et le deuxième, par écrit. Les questions
orales et écrites étaient similaires et se concentraient sur cinq facteurs qualitatifs définis au
préalable: 1) confort visuel; 2) naturalité; 3) agréabilité; 4) précision (des détails et
textures); 5) niveau de lumière. Ces facteurs regroupent différents aspects d'une ambiance
lumineuse et permettent de regrouper les questions afin de faciliter l'analyse des résultats.
Des recherches antérieures [Bülow-Hübe 1995; Dubois & Johnsen 2003]; Dubois et al.
2007; Pineault et al. 2008] ont utilisé un vocabulaire semblable, inspiré d'une étude par
Küller [1991]. Ce dernier a élaboré un modèle basé sur huit qualités architecturales qui
permettaient une évaluation subjective d'un espace. Cette méthode d'évaluation porte le
nom de SMB - Semantisk miljöbeskrivning, en suédois, et propose une description
sémantique d'un environnement étudié. En ce qui concerne l’évaluation de la qualité de la
lumière, Küller suggère sept facteurs d'évaluation: le niveau d’éclairement (1), la
distribution de la lumière (2), les ombres (3), les réflexions (4), l’éblouissement (5), la
35
couleur de la lumière (6) et les couleurs (7) [1991]. Ces facteurs ont également servi de
base à l’élaboration des protocoles expérimentaux des études de Bülow-Hübe [1995], de
Dubois & Johnsen [2003] ainsi que celle de Pineault et ses collègues [2008]. En combinant
une échelle bipolaire à ces termes qualificatifs, les chercheuses Bülow-Hübe [1995] et
Pineault et al. [2008] ont réussi à quantifier les réponses subjectives des participants dans
des études qui comparaient la perception d'un espace selon différents vitrages. La recherche
présentée ici reprend cette méthode avec une échelle de Likert bipolaire à cinq niveaux
pour les questions écrites. Dans le cas des questions orales, une échelle de Likert à 9
niveaux d'accord a été utilisée.
3.6.1 Questions orales
Le questionnaire oral était administré après quelques exercices initiaux favorisant
l'adaptation visuelle des participants. Une série d'affirmations était lue à voix haute par
l’assistant de laboratoire. Pour chacune de ces affirmations, l'évaluation était notée sur une
échelle de Likert à neuf niveaux. Cette échelle comportait des niveaux allant de 1 -
"complètement d'accord" à 5 - "complètement en désaccord", en passant par des demi-
points (1.5, 2.5, 3.5, ...). Le participant devait donc répondre à voix haute par un chiffre de
1 à 5, la réponse était ensuite répétée et notée par l’assistant de laboratoire. L'échelle de
Likert permettait de faciliter la prise des réponses dans le cas du questionnaire à voix haute,
puisque les participants ne pouvaient pas voir le questionnaire oral pendant la séance. Le
questionnaire oral était divisé en quatre sections, regroupant des affirmations par thème: 1)
la facilité à lire le texte demandé pendant les exercices d'adaptation; 2) l'ambiance
lumineuse de la pièce; 3) l'ambiance générale de la pièce; 4) la perception de
l'environnement extérieur. Chaque portion du questionnaire comptait entre cinq et six
affirmations directement en lien avec les facteurs qualificatifs d'ambiance décrits plus haut
(voir 3.6.), ce qui permettait de catégoriser les réponses lors des analyses.
36
Figure 3.6.1: Questionnaire oral présentant uniquement les questions utilisées lors des
analyses statistiques.
3.6.2 Questions écrites
Le questionnaire écrit était placé à l'intérieur de la maquette et devait être rempli après le
questionnaire oral. Cinq affirmations était inscrites sur le questionnaire et pour chacune
d'elles, quatre à six termes devaient être évalués à l'aide d'une échelle bipolaire opposant
des adjectifs "positifs" et "négatifs". Chacune des échelles faisaient référence à un des cinq
facteurs qualitatifs, comme pour le questionnaire oral. Pour indiquer son choix de réponse,
le participant devait encercler un chiffre allant de un à cinq. L'utilisation de chiffre entre les
adjectifs opposés permettait de quantifier l'opinion des participants, tout en permettant de
37
comparer les réponses du questionnaire écrit et du questionnaire oral puisque dans les deux
cas, les réponses allaient de un (en accord/adjectif positif) à cinq (en désaccord/adjectifs
négatif).
Figure 3.6.2: Questionnaire écrit affichant uniquement les affirmations utilisées lors des
analyses statistiques.
38
3.6.3 Questions éliminées
Bien que les deux questionnaires aient été étudiés et testés avant les séances de cueillette de
données, quelques affirmations et/ou questions ont été mal interprétées par les participants.
Ces questions ont été supprimées pendant la compilation des résultats, avant les analyses
statistiques. Les questions portant sur la perception de l'environnement extérieur, entre
autres, ont été supprimées, puisque ces questions ne touchaient pas directement l'analyse de
l'environnement intérieur de la maquette. Certains mots à double sens comme "naturel" ou
"claire" pouvaient parfois confondre les participants, il est donc impératif d'utiliser les bons
termes.
3.7 Participants
Au total 36 personnes ont participé à l'expérience. Ils ont été recrutés parmi l'ensemble de
la communauté de l'Université Laval au cours des mois de février et mars 2010, en utilisant
des affiches à l'École d'Architecture et sur le campus principal de l'Université Laval. Les
étudiants ont également été invités à participer via e-mail, et à réserver une session avec
l'assistant de recherche. Les participants étaient âgés entre 18 et 45 ans, ne devaient pas
présenter de problème de vision majeur tel que le daltonisme. Aucun participant n'était
informé des objectifs réels de l'étude, ils étaient plutôt informés que l'étude concernait le
développement d'une méthode de recherche portant sur l'évaluation de l'environnement par
voie de maquette à l'échelle réduite. L'âge moyen des participants était de 23.8 ans et le
groupe était composé de 23 femmes et 13 hommes. Les participants étaient payés la somme
de 30,00 $ CAN. L'école d'architecture étant hors campus, il s'avéra que les étudiants déjà
sur place étaient les plus disponibles pendant la période de recrutement et la cueillette de
données.
3.8 Évaluation de l'éveil
L'échelle Karolinska Sleepiness Scale (KSS) du Karolinska Institute, Suède, a été utilisée
afin d'évaluer l'éveil des participants. Cette échelle à neuf niveaux permet une évaluation
subjective de la part du participant, en choisissant un chiffre allant de 1 - complètement
éveillé à 9 - luttant contre le sommeil. Cette échelle de somnolence est largement utilisée
39
dans le milieu de la recherche expérimentale afin d'obtenir des évaluations subjectives des
sujets et s'avère être un outil éprouvé [Kaida et al. 2006; Mairesse et al. 2007].
Lors de la présente étude, les participants devaient évaluer leur niveau d'éveil au début et à
la fin de chaque portion d'une séance de cueillette de données, afin de comparer leur état
d'éveil entre le début et la fin de l'exposition à chacun des échantillons.
3.9 Utilisation de la lumière
Un éclairage d'appoint permettait aux participants d'ajuster le niveau d'éclairement à
l'intérieur de la maquette, selon leurs besoins et leurs préférences. L'ajustement de
l'éclairage se faisait à la fin de l'évaluation de chaque condition, lorsque le participant avait
terminé de répondre aux questions écrites. L'ajustement de l'éclairage se faisait à l'aide d'un
variateur d'intensité placé sur le plancher de la maquette. Une sonde positionnée sur le
bureau à l'intérieur de la maquette permettait de mesurer le niveau d'éclairement (en lux) au
début de la séance puis avant et après l'ajustement de la lumière. Ces données étaient
enregistrées afin de comparer l'éclairement idéal selon chacun des participants et pour
chaque échantillon. Une deuxième sonde, placée à l'extérieur de la maquette, permettait
d'enregistrer l'éclairement vertical au début de chaque évaluation.
3.10 Organisation de la base de données
3.10.1 Analyses statistiques
Les résultats des différents questionnaires étaient d'abord compilés dans un classeur Excel
puis analysés plus précisément à l'aide du logiciel PASWStatistics (18.0.). Les réponses aux
affirmations orales et écrites étaient regroupées par facteurs qualitatifs, ce qui permettait
ensuite d'obtenir des moyennes pour chacun des participants et chaque condition évaluée.
Dans le cas du questionnaire écrit, puisque les questions étaient clairement divisées en cinq
groupes sur la grille, les affirmations correspondant à chacune des questions ont également
été regroupées afin d'obtenir une moyenne par question, pour chaque participant et à
chaque échantillon de verre. Finalement, afin d'analyser l'éveil des participants, les données
enregistrées au début (T1) et à la fin (T2) de chaque condition étaient comparées.
40
3.10.2 Les variables
Plusieurs variables devaient être considérées; les variables indépendantes incluaient la
couleur et les paramètres des échantillons de verre; la météo et le type de ciel; l'âge et le
sexe des participants. Les variables dépendantes incluaient la qualité de la lumière évaluée
par les participants; le niveau d'éveil des participants selon le type de verre; la propension à
utiliser l'éclairage d'appoint à la fin de chaque condition évaluée.
3.10.3 Manipulation des variables
3.10.3.1 Perception
Afin d'analyser les questions orales et écrites, en lien avec les cinq facteurs (confort visuel;
naturalité; agréabilité; précision; niveau de lumière), des analyses par modèles mixtes ont
été réalisées avec un seuil de signification de p<0,05. Ce type d'analyse est comparable à
une ANOVA à mesures répétées. Les résultats correspondants à chacun des facteurs étaient
compilés afin d'obtenir une moyenne (entre 1 et 5). Une moyenne faible (près de 1)
indiquait que le participant était en accord avec les affirmations et une moyenne plus élevée
(près de 5) indiquait que le participant était plutôt en désaccord avec les affirmations. Ces
moyennes étaient obtenues pour chacun des échantillons de verre. Les résultats des
analyses par modèles mixtes des questions écrites étaient davantage significatives que ceux
des questions orales. Il est possible que les participants aient eu une plus grande facilité à se
concentrer sur le questionnaire écrit, puisqu'ils étaient laissés à eux même pendant cette
période, isolés à l'intérieur de la maquette. Lors des questions orales, les participants
devaient concentrer leur attention sur plusieurs éléments simultanément, ce qui peut avoir
distrait certaines personnes. Des analyses plus précises ont alors été effectuées avec les
questions écrites, à l'aide de test-t appariés (Wilcox Son). Pour ce faire, les affirmations des
cinq questions du questionnaire écrit ont été regroupées afin d'obtenir cinq moyennes. Ces
moyennes par question ont ensuite été comparées pour les trois échantillons. Puisqu'il
s'agissait de comparaisons multiples, le seuil de signification était ensuite divisé par le
nombre d'échantillon et p<0,017 devenait le seuil de signification utilisé pour ce test. La
taille de l'effet était également considérée afin d'étudier la différence significative entre
chaque condition évaluée.
41
3.10.3.2 Éveil
Un test-t apparié (p<0,05) était utilisé afin de comparer les niveaux d'éveil subjectifs (KSS)
des participants obtenus au début (T1) et à la fin (T2) de chaque condition évaluée.
3.10.3.3 Éclairage électrique
Des analyses par modèles linéaires généralisés (p<0,05) ont permis d'évaluer la propension
à utiliser l'éclairage d'appoint à la fin de chaque expérience. Les réponses des participants
("oui" ou "non") étaient analysées pour voir s'il y avait une corrélation entre le type de verre
et l'utilisation de la lumière. Ensuite, les données recueillies à l'aide de la sonde placée à
l'intérieur de la maquette permettaient de comparer le niveau d'éclairement avant et après
l'ajustement du participant. Cette information était utilisée afin d'obtenir une moyenne du
niveau d'éclairement préféré par les participants.
42
Chapitre 4. Résultats
4.1 Résultats des analyses par modèles mixtes
En somme, les résultats des questions écrites étaient davantage significatifs que ceux des
questions orales. Des résultats significatifs ont été obtenus pour les facteurs qualitatifs
suivants: confort visuel (p=0,015); agréabilité (p=0,003); niveau de lumière (p=0,044), en
faveur du verre bronze lorsque comparé au verre bleu. Le verre neutre était également
préféré au verre bleu en terme d'agréabilité (p=0,021). Dans tous les cas, aucune différence
significative ne fut obtenue entre le verre bronze et le neutre (et vice versa). Les questions
orales seules n'ont révélé aucun résultat significatif statistiquement. Cependant, les
moyennes par facteur qualitatif des questions orales et écrites pouvaient être combinées
puisque la valeur des réponses respectait la même échelle (entre 1 et 5) et parce que les
affirmations concernaient les mêmes facteurs qualitatifs. La combinaison des questions
orales et écrites a permis d'analyser les réponses de manière plus approfondie afin de
confirmer les hypothèses. Pour chacun des facteurs qualitatifs, un score moyen était obtenu
en additionnant les résultats des questions orales et écrites. Des analyses par modèles
mixtes ont également été utilisées dans ce cas. Les résultats de cette deuxième analyse
étaient toujours significatifs pour les facteurs confort visuel (p=0,014) ainsi que pour le
facteur agréabilité (p=0,015) en comparant le verre bronze au verre bleu. Dans tous les cas,
les résultats indiquent que le verre bronze était perçu comme étant plus confortable
visuellement et évoquait une ambiance plus agréable que les deux autres échantillons.
43
Tableau 4.1: Résultats significatifs des analyses par modèles mixtes.
4.2 Cinq groupes de questions écrites
Les cinq groupes de questions utilisés pour analyser le questionnaire écrit ont été combinés
suite aux premières analyses concluantes. Un test-t apparié (Wilcox Son) a permis
d'analyser la moyenne des résultats de ces cinq questions (Q1 à Q5) pour chacun des
échantillons de verre. Les questions trois (Q3, p=0,013) et cinq (Q5, p=0,004) ont révélées
une préférence statistiquement significative pour le verre bronze par rapport aux autres
verres. La question trois (Q3) fait référence à l'apparence et la texture des objets dans la
pièce et la question cinq concerne l'ambiance lumineuse en général à l'intérieur de la
maquette. La taille de l'effet de ces résultats indique qu'il y a également une tendance pour
les questions 4 (Q4, p=0,022) et 2 (Q2, p=0,02), favorisant toujours le verre bronze. Ces
questions font référence à la couleur de la lumière du jour (Q4) et la lumière naturelle (Q2)
perçue à l'intérieur de la maquette.
44
Tableau 4.2: Résultats des tests-t appariés pour les questions écrites.
4.3 Effets sur l'éveil
À l'aide d'une l'échelle de somnolence (KSS), le niveau d'éveil des participants était évalué
au début (T1) et à la fin (T2) de chacune des conditions évaluées. Les données recueillies
ont été analysées à l'aide d'un test-t apparié (p<0,05). Les résultats indiquent que le niveau
d'éveil diminuait entre le temps 1 (T1) et le temps 2 (T2) lorsque le verre bleu était utilisé
(p=0,042).
Tableau 4.3: Résultats des analyses par test-t pour le niveau d'éveil des participants.
Le graphique suivant illustre les données de l'ensemble des participants pour chacun des
échantillons, au temps 1 et 2. On peut remarquer qu'au temps 2, l'état somnolent des
participants augmentait légèrement en présence du verre bleu.
45
Figure 4.3 : Graphique illustrant le niveau d'éveil des participants au début (T1) et à la fin
(T2) de chaque session d’évaluation, selon l'échelle de somnolence du KSS.
4.4 Effet sur l'utilisation d'un éclairage électrique d'appoint
Les données recueillies à l'aide du luxmètre et des deux sondes ont été compilées à l'aide
d'un classeur Excel afin d'obtenir les moyennes de niveaux d'éclairement à l'intérieur et à
l'extérieur de la maquette. Ensuite, la tendance à utiliser l'éclairage électrique fut analysée
par régression logistique (modèle linéaire généralisé). Cependant, ces analyses n'ont révélé
aucun résultat significatif lors de l'étude. Il importe de préciser que le luxmètre a été utilisé
seulement à partir du 7ième participant ce qui réduit la prise de données à 29 participants.
Tableau 4.4: Moyennes de l'éclairement lumineux pendant les séances de cueillette de
données.
1
2
3
4
Bleu Neutre Bronze
T1
T2
46
Chapitre 5. Discussion
Cette étude cherchait à évaluer trois types de verre afin d'observer les préférences des
occupants ainsi que les effets de la couleur du vitrage sur la perception visuelle, le niveau
d'éveil et la propension à utiliser un éclairage électrique. Les trois types de verre analysés
avaient un degré de transmittance visuelle similaire (+/- 53%).
5.1 Retour sur les hypothèses initiales
La cueillette de données et les analyses ont permis de valider la première hypothèse selon
laquelle le type de vitrage influence l'ambiance perçue. De plus, il a été démontré que le
verre bronze se démarque des deux autres types de verre, ce qui confirme les résultats des
études antérieures, qui ont proposé qu'un verre bronze favorisait la perception d'une plus
grande luminosité par rapport à un autre verre de même transmittance [Cuttle 1979; Boyce
et al. 1991; 1992; Dubois 2009].
La deuxième hypothèse selon laquelle les occupants seraient davantage éveillés en présence
du verre bleu n'a pas été vérifiée. Au contraire, la recherche a démontré que le verre bleu
était associé à une réduction de la vigilance au cours de l'évaluation. De plus, il a été
démontré que le verre neutre et le verre bronze n'avaient aucun effet sur la vigilance, qui
demeurait au même niveau entre le début et la fin de l'évaluation.
Finalement, contrairement à l'hypothèse de départ concernant l'utilisation de l'éclairage
électrique, la couleur du verre n'a pas eu d'incidence directe sur la propension à utiliser un
éclairage supplémentaire. Par contre, ceci pourrait être dû aux erreurs méthodologiques.
5.2 Retour sur les résultats
5.2.1 Effets sur la qualité de l'ambiance lumineuse
Les résultats obtenus lors des analyses par facteurs qualitatifs indiquent qu'il y a une
préférence pour le verre de couleur bronze en termes de confort visuel, agréabilité et niveau
de lumière. Les analyses par groupe de questions écrites ont révélé qu'en présence du verre
bronze, l'apparence et les textures ainsi que l'ambiance lumineuse de la pièce paraissaient
47
davantage naturels et agréables. D'autres résultats issus des groupes de questions écrites
concernant la couleur de la lumière du jour et la présence de lumière naturelle ont démontré
une tendance en faveur du verre bronze. Des recherches antérieures en sont arrivées à des
conclusions similaires, en utilisant une méthodologie différente [Cuttle 1979; Boyce et al.
1991; Boyce et al. 1992; Boyce et al. 1995]. En effet, dans une étude par Boyce et ses
collègues [1995] où un groupe de 25 participants ont évalué le niveau de transmittance de
trois verres différents, les résultats ont également indiqué qu'un verre bronze qui augmente
l'aspect lumineux de la pièce se démarquait du verre neutre ou du verre Solextra (bleuté) et
était jugé comme étant le plus satisfaisant des trois échantillons.
5.2.2 Effets sur l'éveil
L'analyse de l'éveil des participants a indiqué qu'en présence du verre bleu, l'éveil des
participants diminuait légèrement entre le début et la fin de l'expérience. Il est possible que
ces résultats soient en lien avec les effets psychologiques issus de la teinte bleutée présente
dans l'environnement lumineux de la pièce. En effet, la lumière naturelle filtrée par le verre
bleu serait peut être perçue comme étant plus maussade et moins stimulante que l'ambiance
lumineuse obtenue avec le verre bronze, qui donne l'impression d'un temps ensoleillé.
Cependant, il aurait été normal dans ce cas de constater une utilisation plus importante de la
lumière artificielle à la fin de l'expérience en présence du verre bleu, ce qui ne s'est pas
produit. Une hypothèse de départ stipulait qu'en présence du verre bleu, les participants
seraient plus éveillés en raison des effets positifs de la lumière à ondes-courtes sur leur
éveil, cependant, les effets d'une lumière électrique enrichie de bleu sont difficilement
comparables à ceux observés dans une situation d'éclairage naturel par un vitrage bleuté.
D'ailleurs, même si le verre bleu laissait passer plus de bleu, chacun des trois verres laissait
tout de même passer une composante bleue de la lumière naturelle. L'hypothèse de départ
(voir 2.4) formulait qu’un verre bleu aurait des effets sur l’éveil des participants similaires à
ceux d’une lumière bleu (+\ - 460 nm) était principalement basée sur les résultats de
recherches antérieures réalisées en laboratoire ou sur des participants en situation nocturne.
La méthodologie utilisée ici était donc différente de celles proposées dans les autres
recherches. Il faut cependant noter que la différence dans les résultats à propos du niveau
d'éveil était plutôt faible et que le verre bleu se démarquait de peu (p=0,042). Le verre bleu,
48
de par son apparence plus morne, a possiblement causé plus de somnolence que le verre
bronze, perçu comme étant plus stimulant et plaisant.
5.2.3 Effet sur l'utilisation d'un éclairage d'appoint
L'utilisation de l'éclairage électrique en fin d'expérience n'a indiqué aucun résultat
significatif lors de cette étude. Il est possible que l'absence de différence majeur dans la
propension à utiliser l'éclairage électrique soit en lien direct avec le fait que le niveau de
transmittance de la lumière était très similaire d'un verre à l'autre (+/- 53%), ce qui veut dire
que les participants jugeaient alors que la lumière était constamment suffisante à l'intérieur
de la maquette. Dans tous les cas, les participants devaient ajuster l'éclairage d'appoint
selon leurs préférences et leurs besoins; ils ont souvent jugé que la lumière d'appoint n'était
pas nécessaire (67 fois sur 108). Considérant que la surface vitrée du mur extérieur était
constituée de 49% de verre et que la transmittance du verre était d'environ 53%, il est
surprenant que la lumière artificielle ne fut pas utilisée davantage. Par contre, en observant
la quantité moyenne de lux enregistrée, les chiffres indiquent des niveaux d'éclairement
lumineux bien supérieurs à ceux d'une situation réelle. En effet, il y avait en moyenne 4919
lux avant ajustement et 5112 lux après ajustement à l'intérieur de la maquette. Ces niveaux
de lux élevés sont partiellement influencés par l'intérieur blanc de la maquette ainsi qu'à la
portion largement vitrée du mur extérieur. En temps normal, un éclairement d'environ 500
lux est suffisant en milieu de travail (selon CIBSE Code for Lighting2). Lorsque l'éclairage
d'appoint était utilisé, l'éclairement augmentait en moyenne de 286 lux. Ce qui est marginal
comme augmentation en présence de la lumière naturelle a 5 000 lux. De plus, puisque la
sonde du luxmètre était placée directement sur le plan de travail, près de la fenêtre et
exposée aux rayons directs du soleil, ces données sont alors peu représentatives des
conditions générales de la pièce. Il ne faut pas oublier que le type de ciel et le moment de la
journée pouvaient également influencer le jugement des participants. L'ajustement de la
lumière se faisait à la fin de l'expérience, alors que les yeux des participants étaient adaptés
chromatiquement à l'ambiance de la maquette. En situation réelle, les occupants prennent la
décision d'ajuster l'éclairage lorsqu'ils entrent dans une pièce, c'est à dire, avant même que
leurs yeux s'adaptent à l'environnement lumineux et chromatique. En général, l'espace en
2 voir http://www.cibse.org/
49
périphérie des fenêtres est suffisamment éclairé naturellement, ce qui diminue le besoin
d'utiliser un éclairage électrique [Papamichael et al. 2006]. D'ailleurs, les gens préfèrent
l'éclairage naturel, il est donc normal qu'ils essaient de minimiser leur utilisation d'éclairage
électrique si possible, afin de se sentir liés avec le monde extérieur [Escuyer & Fontoynont
2001]. Il serait donc intéressant de répéter l'expérience en utilisant une méthodologie se
rapprochant davantage de la réalité. Prendre note que les données recueillies par la sonde
placée directement à l'extérieur indiquent qu'il y avait en moyenne 39 600 lux pendant les
séances (éclairement vertical), voir tableau 4.4.
5.3 Limites de l'étude
5.3.1 Temps limité pour faire l'étude
La cueillette de données s'est déroulée sur une période de cinq semaines pour plusieurs
raisons, entre autres, dans le but de conserver une similitude entre les niveaux d'éclairage
naturel ambiant. Afin d'obtenir le plus grand nombre possible d'évaluations, un maximum
de trois séances par jour étaient réalisées (trois participants). Malgré l'orientation sud-est,
les variations entre l'ensoleillement du matin et du midi représentaient une différence
parfois importante. Lors de cette étude il était donc difficile de concilier un ensoleillement
constant avec un maximum de participants. Le maximum de trois séances par jour limitait à
deux heures le temps réservé pour chacun des participants. Répéter cette étude avec la
possibilité de mener plus d'une séance à la fois serait une alternative intéressante qui
permettrait de limiter les variations des conditions climatiques.
5.3.2 Utilisation d’une maquette à échelle réduite
L'utilisation d'une maquette à échelle réduite lors d'une étude expérimentale est jugée
adéquate selon certains auteurs [Cowdroy 1972; Lau 1972]. Pour la présente étude, une
maquette à l'échelle 1:4 fut utilisée. Bien que le niveau de réalisme à cette échelle soit
intéressant, la manipulation d'échantillon de verre ou de la maquette peut devenir ardu. Au
delà de cette échelle, il serait préférable de considérer un environnement réel. En effet, la
manipulation de la maquette par une seule personne était parfois difficile et malcommode.
50
5.3.3 Choix de l'éclairage d'appoint
La lumière artificielle au plafond de la maquette devait être ajustable afin d'évaluer les
préférences des participants face à l'éclairage d'appoint. La lumière devait donc être
branchée à un gradateur d'intensité. Dans les édifices à bureau, l'éclairage est souvent
composé de tubes fluorescents, cependant les tubes fluorescents à intensité variable et à la
taille désirée étaient impossibles à trouver au moment de la construction de la maquette.
L'éclairage utilisé était donc composé de rondelles au xénon, un système beaucoup plus
accessible et facile à utiliser. Cet éclairage était plutôt chaud en couleur, il serait alors
intéressant de tester un éclairage plus froid lors d'une prochaine étude.
5.3.4 Finition intérieure
Le plancher de la maquette était recouvert de tuiles de carton blanches vernies, imitant des
tuiles de linoléum traditionnelles. La réflectance de ce fini était peut être exagéré par
rapport à un contexte réel et ceci pourrait expliquer pourquoi les niveaux de lumière étaient
si élevés dans la maquette, et que peu de participants ont ajouté beaucoup d'éclairage
électrique. Lors d'une prochaine étude, il serait pertinent d'utiliser une finition de tapis ras,
de couleur plus foncé, ce qui est largement utilisé dans les édifices à bureaux. De plus, la
maquette était modestement meublée, ce qui permettait aux participants d'utiliser l'espace
de plancher pour s'appuyer au moment de remplir le questionnaire écrit. Par contre, ce
manque de meubles ne reflétait pas exactement un contexte réel et l'ameublement devrait
être plus généreux lors des recherches futures.
5.3.5 Questionnaires
Les échelles d'évaluation des questionnaires étaient différentes dans les deux cas. Lors de la
rédaction du questionnaire écrit, il aurait été préférable d'utiliser des petites cases plutôt que
des chiffres (1 à 5). En effet, encercler un chiffre plutôt de marquer une case pourrait
légèrement influencer l'opinion des participants. Dans le cas du questionnaire oral, les
participants devaient répondre à l'aide d'un chiffre allant de 1 à 5, incluant les demi-points
(pour un total de neuf niveaux). Il aurait été suffisant et plus simple pour le participant
d'utiliser une échelle à cinq niveaux plutôt qu'une échelle à neuf niveaux.
51
5.4 Pistes pour le futur
Cette étude poursuit les travaux de Dubois et al. [2007] ainsi que de Pineault et al. [2008]
et contribue à approfondir les connaissances sur les verres teintés et les vitrages à
revêtement et leurs effets sur la qualité de la lumière naturelle. Dans une prochaine étude, il
serait intéressant de conduire cette même expérience en utilisant une ouverture exposée à la
lumière du nord où la lumière est parfois plus constante en termes de rendu de couleur,
d'intensité et sous un ciel couvert. L'utilisation d'une maquette a permis d'obtenir des
résultats intéressants dans une courte période de temps et avec un budget limité. La
prochaine étape serait l'expérimentation en milieu existant ou à échelle réelle, dans le but de
confirmer les résultats obtenus ici. Notamment, l'évaluation de l'utilisation de l'éclairage
électrique pourrait être étudiée plus en profondeur en situation réelle, où l'éclairage
électrique peut être allumé ou éteint au moment voulu. Les occupants ont souvent tendance
à ajuster l'éclairage de leur bureau en arrivant le matin et peuvent conserver ces ajustements
le reste de la journée. Ou encore, si l'espace de travail dispose de stores ou autres
protections contre les éblouissements, les occupants peuvent ajuster l'éclairage en tenant
compte des variations de la lumière extérieure. Cependant, depuis la réalisation de la
présente étude, les auteurs Fotios et Cheal [2010] ont démontré que les préférences liées à
l'éclairement en milieu expérimental étaient largement influencées par l'étendu d’éclairage
à la disposition des sujets et que ceux-ci avaient tendance à situer leur choix au milieu des
deux extrêmes disponibles. Ils ont conclu qu'en proposant différents étendus d'éclairement
en milieu expérimental, les réponses des participants étaient significativement liées à
l'étendu proposé et que si une étude offre une seule condition variable avec un étendu très
large, les occupants préféraient un niveau d'éclairement plus élevé. La méthodologie
utilisée ici devra être peaufinée ultérieurement, en considérant les constats de Fotios et
Cheal [2010].
À propos des types de verre, il serait également intéressant de reprendre cette étude afin de
comparer un verre électrochromique à des échantillons de verre plus courant. En effet, le
marché du verre électrochromique est en pleine croissance et les recherches qui se penchent
sur le bien-être des occupants exposés à ce type de verre sont rares. Bien que les résultats
de cette recherche aient permis d’arriver à certaines constatations, il y a un besoin urgent de
52
poursuivre les travaux liés à ce sujet afin de concevoir des espaces sains et satisfaisants. Les
effets sur la santé (réponse photobiologique) devraient aussi être pris en considération dans
les recherches futures.
5.5 Conclusion
Cette étude a confirmé l'hypothèse suggérant que les occupants ont tendance à préférer les
vitrages de teinte chaude, principalement lorsque le verre bronze est comparé à un vitrage
bleu ou neutre. En effet, les résultats obtenus lors de la présente étude confirment les
conclusions avancées par des recherches antérieures, stipulant qu'un verre bronze, ou
encore un verre présentant une teinte chaude, est généralement préféré par les occupants et
que ce type de verre pourrait rendre une pièce plus lumineuse aux yeux des occupants. Au
sujet de l'éveil des participants, il fut intéressant de constater une petite différence entre le
niveau d'éveil au début et à la fin de l'exposition au verre bleu. En effet, et contrairement à
l'hypothèse initiale, le niveau d'éveil des participants avait tendance à diminuer lorsque le
verre bleu était évalué. La propension à utiliser un éclairage d'appoint n'a pas indiqué de
résultats significatifs lors de cette étude, cependant, ceci pourrait être dû à la méthodologie
utilisée. Puisque les échantillons de verre utilisés avaient un niveau de transmittance
similaire, il est probable que les résultats soient relativement différents, voir plus extrêmes,
si des teintes plus foncées étaient utilisées lors d'une recherche future.
53
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58
Annexe A
Effects of glazing colour type on perception of daylight quality,
arousal, and switch-on patterns of electric light in office rooms
Abstract:
A study is presented about the effects of three glazing colour types (blue, neutral, bronze) on
daylight quality, arousal and switch-on patterns for electric lights. This study was carried out
using a scale model (1:4) of an office room, where subjective evaluations of the luminous
conditions were performed by 36 participants (mean age 23.8 years) with their upper bodies
immersed in the model. The evaluations were achieved using questionnaires designed to assess
five light quality factors: 1) visual comfort; 2) naturality; 3) pleasantness; 4) precision (of details
and textures) and 5) light level. Mixed model analyses of the questions revealed significant
higher scores for pleasantness (p=0,003) comfort (p=0,015) and light level (p=0,044) for the
bronze glazing type compared to the blue and neutral glazing, confirming results of earlier
studies. Results from a paired t-test on the Karolinska Sleepiness Scale (KSS) scores indicated
that the level of self-reported arousal decreased in presence of the blue glazing. However, the
analysis did not reveal significant results regarding switch-on patterns of electric lights. Overall,
the study shows that there is a preference for daylight filtered through bronze window glazing
and that the glazing colour type may have a significant effect on arousal level of office workers.
Key words:
Daylight quality, electric light, glazing, scale models, visual transmittance, windows.
Introduction:
As a result of urbanization and industrialization, people spend more time indoors than ever before
[Küller 2004]. For example, research shows that Canadians spend close to 90% of their time
indoors [Leech et al. 2002]. Indoor environments, including work environments, must therefore
be studied since their design, configuration and characteristics may have a major impact on
human health, well-being and productivity. Vischer [Vischer 2007; Vischer 2008] claimed that
the effects of work environments on occupants’ performance, health and morale urgently needs to
59
be understood. A working environment can be unpleasant at different levels and have an impact
on the employee’s absenteeism from work, which can lead to significant costs for the employer
[Leslie 2003; van Bommel 2006].
Among the many environmental attributes of a workplace, lighting is considered as one of the
most important [Ne’eman et al. 1984]. Lighting does not only influence an individual’s
perception of work-related tasks, it also affects its general emotional/motivational state and health
[Katzev 1992]. Bad lighting can be the source of ill effects such as visual stress, eye fatigue, and
headaches, to name only a few [Boubekri 1995]. Results from different studies focusing on the
ambient light suggested that the occupant's health is partly affected by their working environment
[van Bommel & van den Beld 2004; Boyce et al. 2006]. Also, previous studies have indicated
that the characteristics of glass used on office façades paired with daylight quality and quantity
could have an impact on the well-being of the occupants as well as their level of arousal and
performance at work [Leslie 2003; van Bommel 2006; Dogrusoy & Tureyen 2007].
In work environments, particularly in office buildings, one strong architectural trend of the last
decades has been to design buildings with large fenestration areas (see e.g. [Poirazis et al. 2008]).
Highly glazed façades, often with poor shading, have become very common [Gratia & De Herde
2003] and often result in excessive solar gains and highly varying heating and cooling loads
[Tzempelikos & Athienitis 2007]. One solution to this problem has been to use solar-protective
glazing like reflective and tinted (or heat-absorbing) glass to allow some control of indoor
climatic conditions. In addition, modern window glass is nowadays coated with low-emissivity
coatings, in order to reduce the radiative heat losses to the outside and the heating load of
buildings.
Solar-protective coatings and tints as well as low-e coatings applied to modern glass facades
distort the natural colour of daylight, thereby modifying the spectrum of natural light which
reaches the eye and skin of building inhabitants. This may have implications for the visual
system’s performance and perception, but also for all photobiology-related or so-called non-
visual effects of light as suggested by recent research in this field [van Bommel & van den Beld
2004; Webb 2006; Veitch 2007]. The past two decades have seen a major leap forward in our
60
understanding of how light affects other aspects of our health and well-being, following the
identification of a new photoreceptor in the eye [Brainard et al. 2001]. Research concerning the
effects of window glazing types urgently needs to be reformulated in relation to this new
fundamental knowledge about non-visual effects of light on human beings.
The present study seeks to address this problem by investigating the effect of glazing colour types
on daylight quality, arousal and switch-on patterns of electric lights. The study was entirely
carried out using a large scale model (scale 1:4) of a typical individual office room with a single
window facing the south-east direction. The 1:4 scale was selected in order to allow for the
research participants to have their upper bodies completely immersed in the scaled room, as done
in previous research [Velds 2000; Velds 2002]. Earlier studies by one of the authors used smaller
scales where the participants could only look into the room through a small opening, which
resulted in an unnatural view of the space [Dubois & Johnsen 2003; Dubois et al. 2007; Pineault
& Dubois 2008; Dubois 2009; Pineault 2009]. Other researches [Lau 1972; Boyce et al. 1995]
focused on the use of scale models and had positive response from the subjects; consequently the
use of a scale model seems appropriate for the type of study proposed here. The scale used in the
present study permitted a more accurate evaluation of the luminous conditions inside the model
and avoided the penetration of light from outside the scaled room.
For the present research, three different glazing types were chosen: blue, bronze and neutral.
Those colours corresponded to a warm shift (bronze) a cold shift (blue) and a neutral glass, which
was slightly green in reality. These three glazing types allowed having two opposite conditions as
well as a transition glass between the blue and the bronze glazing. The effect of blue light or
short-wavelength radiation on the occupants has been investigated before in numerous studies
referring to artificial light [Noguchi & Sakagushi 1999; Mills et al. 2007; Goodmann 2009;
Hubalek et al. 2010]. Information related to the effects of daylight filtered through a cold or a
warm shift glazing is harder to find.
The present study was guided by three main questions:
Does the occupant's perception of daylight quality differ according to glazing colour type
and which glazing colour is preferred?
Do the three glazing colour types affect the occupant’s level of arousal, and in the
61
affirmative, in which way?
Does the glazing colour type have an effect on switch-on patterns for electric lights?
Literature review:
Scientific information regarding window glazing type and daylight quality is presently
incomplete, outdated and non-conclusive. To this day, numerous studies have focused on the
difference between the degrees of light transmittance from various glazing; the preferred window
size; the ideal correlated colour temperature (CCT) and more. Studies reporting the difference
between coloured glazing types with similar degrees of light transmittance are scarce.
Numerous studies have concluded that daylight is superior to artificial light, especially in
working environments [Robertson et al. 1989; Leslie 2003; van Bommel & van den Beld 2004;
Boyce et al. 2006]. In a literature review, Galasius & Veitch [Galasiu & Veitch 2006]
summarized over 60 research studies related to daylight use in offices. The authors discuss the
characteristics of daylight, preferred window type, visual comfort and glare among related topics.
Their conclusions suggest that there is a strong preference for daylight in workplaces, combined
with a preference for large and wide openings [Galasiu & Veitch 2006]. In a paper by Goodman
[Goodmann 2009] the author focuses on the relation between seasonal affective disorder (SAD)
and daylight. According to the author's review, the use of daylight could be beneficial in the
treatment of mood disorder and especially SAD.
Furthermore, other studies have suggested that the correlated colour temperature (CCT) could
play on the occupant's perception of their workplace. In a study focusing on the appraisal of the
visual environment at offices in relation to colour temperature and illuminance, realized in a test
room, Manav indicates that a higher CCT (4000 °K - towards blue) would give an impression of
comfort and openness to a room, and that a lower CCT (2700 °K - towards orange) would
suggest a more calming ambiance [Manav 2007]. A study by Chain [Chain 2004] used computer
simulations (Lightscape) to assess the effect of two tinted glazing (bronze and green) on indoor
CCT. The study showed that tinted glazing significantly affected the interior average CCT but the
author concluded that this effect may not be important in real life since the occupant would be
chromatically adapted to the scene.
62
Regarding the light transmittance, Boyce and his colleagues [Boyce et al. 1995] studied the
minimum acceptable transmittance by comparing three types of glass: spectrally neutral,
brightness enhancing solar bronze and brightness reducing solextra. These glazing were tested
under a range of conditions by 25 participants looking at a real sky and scenery through the
window of a 1:12 scale-model of an open space office. The authors concluded that the minimum
acceptable visual transmittance lied in the range 25-38%. However, these percentages can change
depending on the window to wall ratio and the amount of light transmittance achieved. No
significant difference was obtained between the spectrally neutral glass and the brightness
reducing solextra glass regarding the minimum acceptable transmittance. In a previous research
[Boyce et al. 1991; Boyce et al. 1992], solar bronze glass had been found to give an enhanced
perception of brightness and solextra glass had been found to give a reduced perception of
brightness relative to a spectrally neutral glass of the same transmittance.
A pilot study [Dubois et al. 2007] realized in Denmark, involved 18 participants to evaluate six
glazing types, using two identical scale models (1:75) for paired comparisons. Results from this
study also indicated a correlation between the daylight transmittance and the means for the
factors beauty and pleasantness, naturalness, and sharpness. However, the glazing types with
higher transmittance used were also the less coloured, therefore, it is difficult to see if the results
should be attributed to the colour, the transmittance or both [Dubois et al. 2007].
Recently, a study by Pineault [Pineault et al. 2008] achieved at Laval University's School of
Architecture, involved 15 participants and a scaled (1:6) living room exposed to an overcast
artificial sky. Participants answered a questionnaire focusing on seven qualitative factors: light
level; glare (visual comfort); naturalness; beauty and pleasantness; precision; light distribution;
and shadows. Seven different glazing samples were compared using a within-subject
experimental design and a random order of presentation. The samples had various level of
transmittance, ranging from 38.2% to 82.5%. Statistical analysis indicated that a higher
transmittance is positively correlated with higher scores regarding light level, beauty,
pleasantness and precision. Furthermore, the study suggested that a green shift in the glazing
colour was negatively correlated with beauty and pleasantness, but the authors admitted that the
methodology used needed to be further refined in order to support this observation more solidly
63
[Pineault et al. 2008]. A second experiment [Pineault & Dubois 2008] was performed, which
involved a scale-model (1:6) placed in a southeast-facing opening, exposed directly to the natural
sky. A group of 30 participants took part in this second experiment. The questionnaire was
repeated for each of the seven glazing being compared using a within-subject experimental
design. This time, statistical analyses indicated again that glazing types affect the perception of
light level; beauty and pleasantness; and precision, in addition to naturalness.
In summary, some previous researches have indicated that the occupants prefer warm shifts and
that a room exposed to bronze glazing appears brighter [Cuttle 1979; Boyce et al. 1991; Boyce et
al. 1992; Dubois 2009]. Considering the results from the different studies mentioned above, it
was hypothesized that the bronze glazing would be preferred by the occupants, in comparison to
the blue glazing and even to the neutral glazing. Since previous studies [Goodmann 2009;
Hubalek et al. 2010] have indicated that blue light causes melatonin suppression, it was also
hypothesized, on the other hand, that the light filtered through the blue glazing would enhance the
participant's level of arousal.
Materials:
This study was carried out using a custom-made scale model of an office room. This model was
built using medium-density fiberboard (MDF) wood and measured 1050 mm by 1650 mm by 775
mm (width by height by depth). The experimental set-up was mounted on a 860 mm-high rolling
table, which could be rotated in any arbitrary position. During the experiment, the model was
placed inside an existing opening, facing southeast, located on the third floor of Université
Laval's School of Architecture, Quebec City (46°48' north), Canada. Styrofoam boards were
placed around the model in the opening in order to avoid cold draughts and external daylight.
64
Figure 1: The scale model in the existing window opening.
Figure 2: Interior of the scale model, shown with the bronze glazing.
A local glazing manufacturer from Quebec City supplied the glazing samples for this research.
The glass samples were 6 mm thick single pane for the bronze and the blue samples, and the
neutral glass was a double pane assembly with a 6 mm exterior glass layer, 9 mm air gap, and a 4
mm interior glass. All glazing samples had almost exactly the same total visual transmittance (see
Table 1 and Figure 3). The spectral transmittance was computed using the software Optics 5 from
65
LBNL (see http://windows.lbl.gov/materials/optics5/default.htm). Inside the model, the full
window, which measured 836 mm (width) by 465 mm (height) and was located at 230 mm from
the floor, was divided in three sections surrounded by a white-coloured 28 mm-thick frame. Each
section measured 269 mm (width) by 511 mm (height).
A balanced order of presentation was used throughout the experiments by alternating the
presentation order from one participant to the other: Blue-Neutral-Bronze and Bronze-Neutral-
Blue were the two options.
Table 1: Description of the glazing samples used.
Figure 3: Spectral transmittance of the different samples.
The model was also provided with a ceiling-mounted artificial lighting system consisting of six
xenon lamps (serial number I-K303WH, CCT: 2700°K, 220 lumens per puck using 20W xenon
light bulbs) connected to a dimmer placed inside the model and accessible from the assessment
position.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
300 400 500 600 700 800
Tran
smit
tan
ce(%
)
Wavelength (nm)
Bronze
Neutral
Blue
66
The scaled room was furnished with a desk, two chairs, a trash bin and small items typically
found in workplaces (See figure 2). The floor was covered with tiles made of thick white paper
painted with a clear mate varnish (reflectance = 80%) similar to linoleum flooring. The walls and
ceiling also had a mate finish and were painted white such that the surface reflectance was around
80%. A table skirting made of dark fabric covered the participant’s lower body and floor hole
such that any external light from outside the model was completely avoided.
Methods:
The entire data collection lasted five weeks, from the end of March to the end of April 2010.
Sessions started at 8h30, 10h30 and 12h30. Because the model was facing southeast, the sun was
present throughout the experiment, which gave the opportunity to have direct sunlight filtered
through the glazing samples. Each experiment started with a verbal explanation of the procedures
by the research assistant. The experiment was then initiated by asking the participant to sit
partially inside the model and evaluate his/her level of arousal using the Karolinska Sleepiness
Scale (KSS, see [Kaida et al. 2006]). Secondly, exercises such as reading a text printed on the
wall and counting Landolt rings were performed in order to allow the subject to adapt
chromatically to the lighting conditions in the room for about 5 minutes. Thirdly, an oral
questionnaire was performed, where the research assistant asked questions verbally and recorded
the participant's answers on a grid. Fourthly, the participant was instructed to fill a written
questionnaire and then to evaluate his/her level of arousal with the KSS a second time. Finally,
he/she was instructed to adjust the electric lighting to the desired level using a dimmer accessible
from his sitting position. The participant was then instructed to exit the scaled box and go for a
short walk while the research assistant changed the glazing sample. Upon the participant’s return
to the lab, the same procedure was repeated, once with each glazing sample. The total experiment
lasted about 90 to 120 minutes. The experimental procedure is summarized in Table 2.
67
Table 2: Estimated time for each session.
Subjects:
36 subjects participated in the experiment. They were recruited within Laval University during
the months of February and March 2010 by using posters displayed at the School of Architecture
and on the main university campus. Students were also invited to participate via e-mail, and were
asked to book a session with the research assistant. The participants were required to be between
18 and 45 years old, without any major vision problems such as e.g. colour blindness. They were
not informed about the specific objectives of the study but were told instead that the study
concerned the development of a research method regarding the evaluation of indoor
environments in scale models. At the end, the mean age was 23.8, ranging from 19 to 33, and the
group was composed of 23 female and 13 male. They were paid 30,00 $CAN for taking part in
the experiments.
68
KSS evaluation:
At the beginning and end of each glazing evaluation, the participants had to evaluate their level of
arousal using the Karolinska Sleepiness Scale (KSS), which consists of a nine-level scale
evaluation of sleepiness where 1 stands for "fully alert" and 9 is for "almost sleeping". This was
repeated twice for each glass, for a total of six evaluations. The level of arousal recorded at the
beginning (time one) and at the end (time two) of each sample evaluation allowed to assess if
there was an increase or a decrease in the level of arousal when exposed to each glazing.
Oral questionnaire:
The main interest of this research concerned the evaluation of light quality, determined by five
key factors of light quality. Most of these factors have been used in previous research: 1) visual
comfort; 2) naturality; 3) pleasantness; 4) precision (of details and textures); 5) light level
[Bülow-Hübe 1995; Dubois & Johnsen 2003; Dubois et al. 2007; Pineault & Dubois 2008;
Pineault et al. 2008; Dubois 2009; Pineault 2009]. These terms were used to design the
questionnaire and subsequently analyze the participant's evaluation of daylight quality. The oral
questions contained four main parts with a number of affirmations for each part. Each question
was answered using numbers and half numbers from 1 to 5, where 1 corresponded to "fully
agree" and 5 corresponded to "fully disagree". The research assistant, who was sitting outside the
model, noted each answer. The first part of the questionnaire concerned the reading task from the
previous exercise, where participants had to read out loud a paragraph and count letters within the
text. The next group of questions focused on the ambient light conditions in the room, followed
by questions about the general atmosphere of the room and finally, a group of questions
regarding the perception of the environment as seen through the windows. Oral questions were
used primarily to familiarize the participants' sight to the lighting environment. Because the
questions were to be answered out loud, the participants could concentrate on the model's
atmosphere and components without glancing back and forth at a questionnaire. Some of the
initial questions were eliminated before statistical analysis because there were indications that
some participants did not properly understand those questions and this, despite the fact that the
questionnaire was tested before being administered. The oral questionnaire displaying only the
questions used for the analysis is presented in Table 3.
69
Table 3: Oral questionnaire.
Written questionnaire:
The written questionnaire contained a total of five groups of questions, to be answered using five-
degree Likert scales with semantic opposites. The participants had to circle a number from 1 to 5,
where 1 corresponded to the most positive and 5 to the most negative score. Written questions
concentrated on similar topics as the oral ones but were answered directly by the participants, in
order to verify their opinion. Opposite adjectives used in this exercise were picked carefully to
ensure clarity of the information with some of the words selected from previous research [Küller
1991; Pineault & Dubois 2008; Pineault et al. 2008; Pineault 2009]. The written questionnaire
was also based on the five qualitative key factors (visual comfort; naturality; pleasantness;
precision; light level). In addition, the answers from the written questionnaire were grouped
according to each of the five main questions (see Table 4). These five groups of questions and
70
answers were further analyzed in order to validate the significance of the results initially obtained
from the qualitative factor analysis.
Table 4: Written questionnaire.
Photometric measurements:
Vertical and horizontal illuminances were measured throughout the sessions using two photocells
connected to a luxmeter. One sensor was placed outside the model, above the windows (vertical
and exposed to the exterior climate) and the other sensor was placed on the model's desk
(horizontal) i.e. at 195 mm from the floor (scaled heigth). These illuminance measurements were
recorded at the beginning of each glazing evaluation as well as before and after the light had been
adjusted by the participant when they were asked to do so. Comparing the illuminance levels
before and after the lights were switched on permitted to determine the amount of electric
lighting that was added on top of the natural light present in the office.
71
Statistical procedures:
Each of the 36 participants were exposed to three glazing conditions and asked to answer
questions, evaluate their level of arousal and adjust the lighting. The complete information was
registered and used for different statistical analysis using the software PASWStatistics 18.0.
For the oral and written questions related to the five qualitative factors (visual comfort;
naturality; pleasantness; precision; light level) mixed model analyses were used at the p<0,05
significance level. The results corresponding to each factor were combined to obtain an average
score (between 1 and 5). A low mean score indicated that the participant was in favor of the
affirmation, and a higher mean score indicated a tendency towards a negative opinion. Those
average score were obtained for the three glazing conditions.
Because the written questions indicated a higher degree of significance than the oral questions
through mixed model analysis, further statistical analysis were performed by grouping the five
questions used on the written questionnaire. An average score was obtained from each question
and compared for each glazing type using a Wilcox Son paired t-test. Due to the multiple
comparisons, significance was considered only with p<0,017. The effect size was considered
when looking at the t-test's results; this indicated the significance of the difference between the
glazing conditions.
A paired t-test (p<0,05) using the data from the KSS evaluations recorded at the beginning (T1)
and the end (T2) of each glazing evaluation was used to compare the participant's level of
sleepiness in presence of the different glazing types.
Generalized linear model analyses (p<0,05) were performed to evaluate the participant's tendency
to switch-on the artificial light at the end of each portion of a session. The "on" or "off" response
from the participant was computed to see if there was a correlation between the glazing and the
switch-on pattern. Secondly, the recorded data from the sensor placed inside the model provided
the illuminance value before and after the lights were adjusted. That information was used to
obtain an average level of the preferred illuminance settings.
72
Results
Mixed model analyses for the five qualitative factors:
Overall, the level of significance ended up being higher for the written questions than for the oral
questions. Significant results for the written questions were found for: visual comfort: p=0,015;
pleasantness: p=0,003; light level: p=0,044 in favor of the bronze over the blue glazing. The
neutral glazing was also preferred over the blue one for pleasantness only (p=0,021). In all cases,
there were no significant results when comparing the bronze to the neutral glazing (or vice versa).
The oral questions alone did not show significant results. Since the oral and written
questionnaires were related to the same qualitative factors, the answers from oral and written
questions could be paired and further analyzed to validate these results. For each of these
qualitative factors, a score was obtained from combining the written and oral answers. The
combined answers remained significant for visual comfort (p=0,014) and pleasantness (p=0,015).
In all cases, these results indicate that the bronze glass was perceived as being more comfortable
for the eye and more pleasant than the two other samples.
Table 5: Results from the mixed model analysis, showing only the qualitative factors with
significant results.
73
Paired t-test for the five groups of written questions:
The average score from the five written questions were analyzed by comparing the results from
each group of questions (Q1 to Q5) .In this case, a paired t-test (Wilcox Son) was used in order to
compare the results from the same question, but using two different samples. Because there were
three types of glass (groups), the significance level was divided by three (p<0,017). From these
analyses, two groups of questions yielded significant results in favor of the bronze glass. These
questions refer to the appearance and texture of the objects in the model (Question 3, p=0,013)
and to the general lighting ambiance inside the model (Question 5, p=0,004). Looking at the
effect size, a trend was observed for two other questions; namely daylight colour (Question 4,
p=0,022) and general daylight ambiance in the room (Question 2, p=0,02), still favoring the
bronze glazing. Here, the effect size indicates that the difference between the three samples is
notable even if the significance was not achieved. In a real life situation, a comparable effect size
could reflect that the perceived daylight under the bronze glazing yields more positive results
than with the blue glazing.
Table 6: Significant results from the paired t-test analysis of the groups of written questions.
T-test for KSS evaluation:
The participant's level of arousal recorded at the beginning and at the end of each evaluation was
compared using a paired t-test analysis. Significant results (p<0,05) indicate that when the blue
glazing was being tested, the arousal level decreased over the evaluation period (p=0,042), see
Table 7.
Table 7: Results from the t-test evaluation of the level of arousal.
74
Figure 2: This figure shows the level of arousal at the beginning (T1) and the end (T2) of each
exposure, on a 9-point scale where 1 is fully awake.
The adjustment of electric lighting, recorded at the end of each glass evaluation, was analysed
with a logistic regression (generalized linear model), but no significant results were obtained at
this point for this variable. This may, however, be due to methodological limitations.
Discussion:
The objective of this study was to evaluate which of the three glazing, if any, would be preferred
by the occupants, and if the glazing type has any effect on the level of arousal, and/or the switch-
on pattern electric lights. The glazing types used had a similar degree of light transmittance (+/-
53%).
Results from the qualitative factors analysis indicate a preference for the bronze glass, in terms of
visual comfort, pleasantness and light level. Results from the grouped written questions indicate
that in presence of the bronze glass, the appearance and textures of the objects in the room and
the general lighting ambiance were perceived as more natural and pleasant. Other results from the
written questions regarding daylight’s colour and daylight presence in general indicate again a
tendency in favor of the bronze glazing. These conclusions are consistent with previous research
[Cuttle 1979; Boyce et al. 1991; Boyce et al. 1992; Boyce et al. 1995] despite differences in the
1
2
3
4
�Blue �Neutral �Bronze
T1
T2
75
method used. In the study from Boyce and his colleagues [Boyce et al. 1995], where a group of
25 volunteers evaluate the minimum acceptable transmittance of three glass types, results indicate
that the Solar Bronze (brightness enhancing glass) also differ significantly from the neutral and
brightness reducing glass (Solextra) as being the most acceptable. The oral questionnaire alone
did not indicate significant results and this could be due, in part, to the type of measuring scale
used (9 point), which was perhaps too broad. Also, the participants may have been distracted by
evaluation apprehensions or simply by being inside the model without reference points.
Alternatively, when they were asked to answer the written questionnaire, their attention was
concentrated towards a specific task, which may explain why the written questions had more
significant outcomes.
Finally, the participant’s self-reported level of arousal had a slight decrease with the blue glazing.
Perhaps those latter results could be related to the fact that the eye could perceive a bluish
ambient environment as less bright and more dull, therefore generally less stimulating than the
bronze glass environment. But, in that case, we would have expected participants to increase the
level of light at the end of the study, which was not the case: when comparing the results for each
glazing, the adjustment of the lighting level was not significant during this research. Another
explanation for this could be that visible light transmittance of the three glass samples was very
similar; therefore the participants generally felt that the lighting was sufficient inside the model.
Also, although the blue glass did admit more blue light, all three glazing types admitted a blue
light component. It is probably so that there was enough blue light in all three cases and the effect
of decreased arousal observed with the blue glazing was mainly a psychological reaction to a dull
daylight ambience. Note however, that the decrease in the level of arousal with the blue glass was
very slight when looking at the mean difference (p=0,042). The nine level scale (KSS) used for
the evaluation might have been too large for this type of research. If the scale would have been
different by suggesting only a few sate of arousal, perhaps the difference between self reported
state of sleepiness would have been different, with more extremes.
Regardless, the subjects were asked to adjust the lighting according to their needs and
preferences; they often preferred to turn on the lights (67 times out of 108), which is surprising
since the glass area was rather large (49% of façade was glazed). The type of sky and the time of
day may have also influenced the subject's decision. No effect of glazing colour type on switch-
76
patterns was found in this study but the subjects were asked to adjust the electric light levels once
they were chromatically adapted to the scene. In real life, people normally take a decision to
switch the lights on upon arrival to work i.e. before they are adapted, as mentioned in previous
studies by Hunt [Hunt 1979] and Love [Love 1998] where the authors have concluded that in
multi-person and/or private offices, occupants have a tendency to switch-on the light when
arriving for the day and to leave them on until the day is over. It would be interesting to repeat
the experiment using a more realistic experimental procedure.
It would also be interesting to carry out the experiment with a north-facing window or where the
daylight is more constant in colour and intensity as under overcast sky conditions. The use of a
scaled model gave us interesting outcomes considering the short period of time and limited
budget available. Further research is needed in order to confirm the significance of the results
presented, by reproducing a similar study using a full scale laboratory experiment and study
switch-on patterns for electric lights more in depth. Longer periods of exposition to the glass
samples could also have an impact on the results. These type of research are helpful to get a sense
of the occupant's preferences and habits as well as potential energy savings, by a limited use of
electrical lighting for instance. Note however, that after this study was terminated, Fotios &
Cheal [Fotios & Cheal 2010] demonstrated that the preferred illuminance is significantly
influenced by the range of illuminances available to the research participant (the stimulus range),
and that occupants tend to select the middle point of the range available. They concluded that
studies with different stimulus range will lead to different estimates of preferred illuminance,
with studies with large range resulting in higher preferred illuminance selected. The present
methodology will have to be refined taking into consideration this new knowledge.
Conclusion:
This study has confirmed the hypothesis suggesting that occupants tend to prefer bronze glazing,
in this case when compared to blue or neutral glazing. Results from the present research are
consistent with previous conclusions observing that bronze or warmer shift in glazing colour are
preferred by the occupants, and that it may also enhance the perception of brightness. Concerning
the level of arousal, there was interestingly a very small difference observed in arousal level from
beginning to end of experiment with the blue glazing. The blue glazing yielded a decrease in
arousal level, which was contrary to the initial hypothesis. Regarding switch-on patterns for
77
electric lights, no significant effects were observed in this study. However, this result might be
due to a methodological limitation and needs to be further investigated. Because the glass
samples used had very similar light transmittance, it is possible that the results would be
relatively different, or more extreme, if darker tints were used in a future research.
Acknowledgement:
The authors sincerely thank the research participants as well as Luc Joubert, Quebec, Canada, for
his precious financial contribution and help in this project, by providing glazing samples as well
as spectral calculations.
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83
Annexe B
Article présenté par Hélène Arsenault à la conférence Glass
Performing Days, 19 juin 2011, Tampere, Finlande.
Effects of glazing colour types on daylight quality, arousal and switch-on patterns for electric lights in a scaled office room
Hélène Arsenault* BArch MSc cand., Marc Hébert** PhD, Marie-Claude Dubois*** MArch
PhD
*École d'architecture, Université Laval, 1 Côte de la Fabrique, Québec (Québec), G1R 3V6, Canada, [email protected]
**Associate Professor, Département d'oto-rhino-laryngologie et ophtalmologie, Faculté de
Médecine, Université Laval, Québec (Québec), Canada, [email protected] ***Corresponding author: Guest researcher, Department of Energy and Building Design, Lund
University, Sweden; Associate Professor, École d'architecture, Université Laval, 1 Côte de la Fabrique, Québec (Québec), G1R 3V6, Canada, [email protected], marie-
Keywords
Glazing colour, office window, visual transmittance, daylight quality, scale-model.
Abstract
The effects of three glazing colour types (blue, neutral, bronze) of similar visual transmittance on
daylight quality, arousal and switch-on patterns of electric lights were investigated using a large-
scale model (1:4) of a typical office room. Subjective evaluations were performed by 36 research
participants (mean age 23.8 years), who were asked to evaluate the luminous conditions in the
room with their upper body immersed in the model, using a questionnaire designed to assess five
key factors of light quality: visual comfort; naturality; pleasantness; precision (of details and
textures); light level. Mixed model analyses of oral and written questions revealed statistically
significant higher scores for pleasantness (written questions p=0,003 and oral questions p=0,017),
visual comfort (written questions p=0,015) and light level (written questions p=0,044) for the
84
bronze glazing compared to the blue and neutral ones. The neutral glazing was also preferred
over the blue one for pleasantness (written questions p=0,021). Results from a paired t-test using
the Karolinska Sleepiness Scale (KSS) levels recorded indicate that the level of sleepiness
increased during the experience in presence of the blue glazing. The switch-on patterns of electric
light did not reveal any significant results at this point. Overall, the study suggests that there is a
preference for daylight filtered through bronze window glazing.
Introduction
In work environments, particularly in office buildings, one strong architectural trend of the last
decades has been to design buildings with large fenestration areas (see e.g. [1]). Highly glazed
facades, often with poor shading, have become very common [2] and often result in excessive
solar gains and highly varying heating and cooling loads [3]. One solution to this problem has
been to use solar-protective glazing like reflective and tinted (or heat-absorbing) glass. In
addition, modern window glass is nowadays coated with low-emissivity coatings in order to
reduce the radiative heat losses to the outside and the heating load of buildings. Solar-protective
coatings and tints as well as low-e coatings applied to modern glass facades distort the natural
colour of daylight, thereby modifying the spectrum of natural light which reaches the eye and
skin of building inhabitants. This may have implications for the visual system’s performance and
perception, but also for all photobiology-related or so-called non-visual effects of light as
suggested by recent research in this field [4, 5, 6].
Studies such as the one by Pineault et al [7] and Bülow-Hübe [8, 9] have intended to measure the
variation in the visual comfort of the occupants as well as the perceived light quality inside a
room, in regards to different types of glass. The rooms studied in those two cases were a living
room and a bedroom. The present study rather considers an office space, facing southeast with a
curtain wall. Three different glazing are studied: blue, bronze and neutral. Those colors
correspond to a warm shift (bronze) a colder shift (blue) and a neutral glass, which was slightly
green. Some studies suggest that warmer shifts may be preferred by the occupants [10, 11, 12,
13], therefore, a colder and a warmer shifts were tested in opposition in the present research.
85
Methods
Experimental setting
The study was entirely carried out using a large scale model (scale 1:4) of a typical individual
office room with a single window facing the south-east direction (Figure 1, 2, 3). The 1:4 scale
was selected in order to allow for the research participants to have their upper body completely
immersed in the scaled room, as done in previous research [14, 15].
Fig. 1 Blue glazing Fig. 2 Neutral glazing Fig. 3 Bronze
glazing
Figure 1, 2, 3: Photograph of the interior of the scaled office room taken from the viewpoint of
the research participant. Figure 1 shows the blue glazing, figure 2 the neutral, and figure 3 the
bronze glazing.
The scaled room was furnished with typical items found in workplaces (Figure 1, 2, 3). The floor
was covered with tiles made of thick white paper painted with a clear mate varnish (reflectance =
80%). The walls and ceiling also had a mate finish and were painted white such that the surface
reflectance was around 80%. The model was fixed on a table 860 mm high, which allowed the
participants to sit on a chair while performing their evaluation, with their upper body inside the
model from about waist-high to head through a hole in a corner of the model's floor. A skirting
made of dark fabric covered the participant's lower body and floor hole such that any external
light from outside the model was completely avoided. The model was also provided with a
ceiling-mounted artificial lighting system consisting of six xenon lamps (serial number I-
K303WH, CCT: 2700°K, 220 lumens per lamp using 20W xenon light bulbs) connected to a
dimmer. The model's window, which measured 836 mm (width) by 465 mm (heigth) and was
86
located at 230 mm from the floor, was divided into three sections surrounded by a white colored
28 mm thick frame (Figure 1). The window allowed a view of a parking lot in the foreground, of
a nice city park with many trees in the intermediate plane and of St-Lawrence River and Quebec
City's south shore in the background. The scale model box was inserted inside the opening of an
existing window of the Architecture School building and directly exposed to the natural climate
of Quebec City (46 48' N). The measurements started at the end of March 2010 and lasted five
weeks.
Glazing colour types
The glass samples evaluated in this study had similar visual transmittance but different colours:
blue (VT 0,526), neutral (VT 0,538) and bronze (VT 0,538) (see Table 1 and Graphic 1 for
detailed optical and thermal properties).
Table 1: Thermal and optical properties of the glazing samples studied.
Graphic 1: Optical properties of the glazing samples studied.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
300 400 500 600 700 800
Tra
ns
mitta
nce(%
)
Wavelength (nm)
Bronze
Neutral
Blue
87
Experimental procedure
A total of 36 persons participated in the research (23 female, aged 18-45 years, mean age 23.8).
They were recruited at Laval University during the months of February and March 2010. The
participants did not present any major vision problems such as e.g. colour blindness. They were
not informed about the specific objectives of the study and were paid 30,00$ for taking part in the
experiments.
Each experiment started with a verbal explanation of the procedures by the research assistant.
The experiment was then initiated by asking the participant to sit in the model and evaluate
his/her level of arousal using the Karolinska Sleepiness Scale (KSS, see [16]). Secondly,
exercises such as reading a text printed on the wall and counting Landolt rings were performed in
order to allow the subject to adapt chromatically to the lighting conditions in the room for about 5
minutes. Thirdly, an oral questionnaire was performed, where the research assistant asked
questions verbally and recorded the participant's answers on a grid. Fourthly, the participant was
instructed to fill a written questionnaire and then to evaluate his/her level of arousal with the KSS
a second time. Finally, he/she was instructed to adjust the electric lighting to the desired level
using a dimmer accessible from his sitting position. The participant was then instructed to exit the
scaled box and go for a five-minute walk while the research assistant changed the glazing sample.
Upon the participant’s return to the lab, the same procedure was repeated, once with each glazing
sample. The experiment with the three glazing types lasted about 90 to 120 minutes. Each
participant, with two possible orders of presentation, evaluated the three glazing samples: Blue-
Neutral-Bronze and Bronze-Neutral-Blue. This order was alternated in a balance order of
presentation.
Measurements and questionnaires
At the beginning and at the end of each glazing evaluation, the participants had to evaluate their
level of arousal using the Karolinska Sleepiness Scale (KSS), which consists of a nine-level scale
evaluation of sleepiness where 1 stands for ‘fully awake’ and 9 is for ‘very sleepy’. This was
repeated twice for each glass, for a total of six evaluations. A paired t-test analysis was performed
88
to see if the level of arousal or sleepiness was different between the first measure at the beginning
of the evaluation, and the second measure at the end, depending on the glass that was evaluated.
Oral questionnaire
The main interest of this research concerned the evaluation of light quality, determined by five
factors of light quality [9, 13, 17, 18, 19, 20] 1) visual comfort; 2) naturality; 3) pleasantness; 4)
precision (of details and textures); 5) light level. These terms were used to design the
questionnaire and subsequently analyze the participant's evaluation of daylight quality. The oral
questions contained four main parts with a number of affirmations for each part. Each question
was answered using a 9-degree scale. The research assistant, who was sitting outside the model,
noted each answer. The next group of questions focused on the ambient light conditions in the
room, followed by questions about the general atmosphere of the room and finally, a group of
questions regarding the perception of the environment as seen through the windows. Oral
questions were used primarily to familiarize the participants' sight to the lighting environment.
Since the questions were to be answered out loud, the participants could concentrate on the
model's atmosphere and components without glancing back and forth at a questionnaire. The oral
questionnaire displaying only the questions used for the analyses is presented in Table 2.
89
Table 2: Oral questionnaire.
Written questionnaire
The written questionnaire contained a total of five groups of questions, which could be answered
using a five-degree Lickert scale with semantic opposites (Table 3). The participants had to circle
a number from 1 to 5, where 1 corresponded to the most positive score and 5, to be most
negative. Written questions concentrated on similar topics as the oral ones but were answered
directly by the participants, in order to reconfirm their opinion. Opposite adjectives used in this
exercise were selected from previous research in the field [7, 19, 20, 21].
90
Table 3: Written questionnaire.
Photometric measurements
Vertical and horizontal illuminances were measured throughout the sessions using two photocells
connected to a luxmeter. One sensor was placed outside the model, above the window (vertical
and exposed to the exterior climate) and the other sensor was placed on the model's desk
(horizontal) i.e. at 195 mm from the floor (scaled heigth). These illuminance measurements were
recorded at the beginning of each glazing evaluation as well as before and after the light had been
adjusted by the participant when they were asked to do so. Comparing the illuminance levels
before and after the lights were switched on permitted to determine the amount of electric
lighting that was added on top of the natural light present in the office.
91
Results
The SPSS 18.0 software was used to perform the statistical analyses. Mixed model analyses were
used to compare groups of answers from the oral and written questions corresponding to the five
qualitative factors (visual comfort; naturality; pleasantness; precision; light level). Results
corresponding to each factor were combined to obtain an average score for written questions, oral
questions, and the two combined, for each of the glazing sample. A low average score indicated
that the participants were in favor of the affirmation, and a higher score indicated a tendency
towards a negative opinion. Generally, the level of significance was higher for the written
questions compared to the oral questions. Results were as followed for the written questions:
visual comfort: p=0.015; pleasantness: p=0.003; light level: p=0.044. In all cases, these results
indicate that the bronze tinted glass was perceived as more comfortable for the eye and more
pleasant than the two other samples. Results from oral questions alone did not show any
statistically significant results but when combined to the written questions, visual comfort
(p=0.014) and pleasantness (p=0.015) were still significantly in favor of the bronze glazing (see
Table 4)
Table 4: Results from the five groups of factors' analysis.
Because the written questions indicated a higher degree of significance than the oral questions in
the mixed model analysis, further statistical analyses were performed by grouping the five
92
questions used on the written questionnaire. The average score obtained from each question were
compared for each glazing type by performing a Wilcox Son paired t-test. Considering the effect
size (p<0.017) from those results, two groups of questions were significantly in favor of the
bronze glass. Those questions refer to the appearance and texture of the objects in the model (Q3,
p=0.013) and to the general lighting ambiance inside the model (Q5, p=0.004). The effect size
also indicates a tendency for two other questions; regarding daylight color (Q4, p=0.022) and the
general daylight ambience in the room (Q2, p=0.02) (see Table 5).
Table 5: Results from the five groups of written questions analysis.
A paired t-test (p<0.05) using the data from the KSS evaluations recorded at the beginning (T1)
and the end (T2) of each glazing exposition was used to compare the participant's level of
sleepiness in presence of the different glazing. Results indicate an increase of the participants'
sleepiness in presence of the blue glass (p= 0.042) between the beginning and the end of the
exposure. There was no statistically significant difference recorded when either the bronze or the
neutral glazings were being compared. (see Table 6).
93
Table 6: Results from analysis of sleepiness level (KSS) at time 1 and time 2
Generalized linear model analyses were performed to evaluate the participant's tendency to
switch on the artificial light at the end of each portion of the experiment. These analyses did not
show any significant result. Because the glass samples used had very similar degrees of light
transmittance, it is possible that the results would be relatively different, or more extreme, if
using darker tints in a future research.
Conclusion & Summary
Results for the qualitative factors analysis indicate a preference for the bronze glass, in terms of
visual comfort, pleasantness and light level. Results from the grouped written questions indicate
that in presence of the bronze glass, the appearance and textures of the objects in the room and
the general lighting ambiance were perceived as more natural and pleasant. Other results from the
written questions regarding the daylight's color and daylight presence in general indicate again a
tendency in favor of the bronze glazing. Finally, the participant's level of arousal had a slight
decrease when the blue glazing was being tested.
Acknowledgements
The authors thank Luc Joubert from Laurier Glass for supplying the glass samples and also for
his financial support for building the experimental setting. The authors are also grateful to all the
participants for their time and interest in this project.
94
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96
Annexe C
Article présenté par Marie-Claude Dubois à la conférence
CISBAT, 14 septembre 2011, Lausanne, Suisse.
Glazing colour types, daylight quality, arousal and switch-on patterns
for electric lights
H. Arsenault1; M. Hébert2; M.-C. Dubois1
1: Université Laval, École d'architecture, 1 Côte de la Fabrique, Québec (Québec), G1R 3V6,
Canada, [email protected], [email protected]
2: Département ophtalmologie, d'oto-rhyno-laryngologie et chirurgie cervico-faciale, Faculté de
Médecine, Université Laval, Québec (Québec), Canada, [email protected]
Abstract
A study is presented about the effects of three glazing colour types (blue, neutral, bronze) of
equal visual transmittance on daylight quality, self-reported arousal levels and switch-on patterns
for electric lights. This study was carried out using a large scale model (1:4) of a typical office
room where the luminous conditions were evaluated by subjective assessments of 36 participants
(mean age 23.8 years), who had their upper body immersed in the model. The evaluation of
daylight quality relied on a questionnaire assessing five key factors of light quality: 1) visual
comfort; 2) naturality; 3) pleasantness; 4) precision and 5) light level. The questionnaire’s oral
and written questions were then analyzed using mixed model analyses, which revealed
statistically significant higher scores for pleasantness (written questions p=0,003; combination of
oral and written questions p=0,017), comfort (written questions p=0,015) and light level (written
questions p=0,044) for the bronze glazing compared to the blue and neutral types. The neutral
glazing was also preferred over the blue one for pleasantness (written questions p=0,021). The
participants’ arousal level was also evaluated at the beginning and end of each assessment session
using the Karolinska Sleepiness Scale (KSS). A t-test performed on the KSS scores indicated that
the level of arousal decreased in the presence of the blue glazing, which was contrary to the
initial hypothesis. Finally, participants were also asked to switch-on the electric lights at the end
of each assessment session and adjust the light level according to their own preference using a
dimmer. This study did not reveal any significant effect of the glazing types on switch-on
97
patterns and preferred illuminance level at this point, but this could be due to methodological
limitations. Overall, the study shows that there is a preference for daylight filtered through bronze
window glazing, confirming results of earlier research. The study also indicates that glazing
colour type may have a significant effect on arousal with blue glass yielding a reduction in self-
reported arousal level.
Introduction
In work environments, particularly in office buildings, one strong architectural trend of the last
decades has been to design buildings with large glass facades. One consequence of this design
trend is the wide spread of solar-protective glazing (reflective and tinted or heat-absorbing glass).
Modern window glass is moreover nowadays coated with low-emissivity coatings in order to
reduce radiative heat losses to the outside and the heating load of buildings. Coatings and tints
distort the natural colour of daylight reaching the eye and skin of building inhabitants, which may
have implications for the visual system’s performance and perception, but also for all
photobiology-related or so-called non-visual effects of light.
Earlier studies by Pineault et al [1] and Bülow-Hübe [2] have intended to measure the variation in
visual comfort of occupants as well as the perceived light quality inside a room in relation to
glazing colour types. The rooms studied in those two cases were a living room and a bedroom.
The present study considers instead an office space facing southeast. Earlier studies suggest that
there is a preference for a warm shift [3, 4]. But the non visual photobiological effects of light on
vigilance and performance are better achieved with cold light such as blue light 5. Therefore, a
colder (blue) and a warmer (bronze) shift were tested in the present research along with a neutral
glazing which was slightly greenish in appearance.
Method
Experimental setting
The study was entirely carried out using a large scale model (1:4) of a typical office room with a
single window facing southeast (Fig. 1). The 1:4 scale was selected in order to allow research
participants to have their upper body completely immersed in the scaled room.
98
Figure 1: Photograph of the interior of the scaled office room taken from the viewpoint of the
research participant. Starting from left to right: views with the blue, neutral and bronze glazing).
The scaled room was furnished as a typical office space. The walls and ceiling had a white mate
finish that yielded to a surface reflectance of around 80%. The model was fixed on a table 86 cm
high, which allowed the participants to be seated on a chair with only the upper body immersed
(waist-height to head) while performing their evaluation. The model was also provided with a
ceiling-mounted artificial lighting system consisting of six xenon lamps (serial number I-
K303WH, CCT: 2700°K, 220 lumens per lamp using 20W xenon light bulbs) connected to a
dimmer. The model’s window, which measured 836 mm (width) by 465 mm (height) and was
located at 230 mm from the floor, was divided into three sections surrounded by a white coloured
28 mm thick frame. The model box was inserted inside the opening of an existing window of the
Architecture School building and directly exposed to the natural climate of Quebec City
(46°48'N). The experiment was performed over a five-week period that was completed at the end
of March 2010.
Glazing colour types
The three glass conditions that were evaluated had a similar visual transmittance but different
dominant colours: blue (VT 0,526), neutral (VT 0,538) and bronze (VT 0,538) (see Fig. 2 for
spectral transmittance properties). The three glass samples were provided by a local glass
manufacturer, who certified that these were rather common glazing types often selected by
architects in the region of Quebec City.
99
Figure 2: Spectral transmittance of the glazing samples studied.
Experimental procedure
A total of 36 persons participated in the research (23 females, aged 18-45 years). They were
recruited at Laval University during the months of February and March 2010. The participants
did not present any major vision problems. They were all naive about the objectives of the study
and were monetarily compensated for their participation.
Each experiment started with a verbal explanation of the procedures before the participant was
instructed to sit in the model and assess subjectively its level of arousal using the validated 9
points Karolinska Sleepiness Scale (KSS [6]). Reading tasks were performed in order to allow the
subject to adapt chromatically to the lighting conditions in the room for about five minutes. An
oral questionnaire was then performed followed by a written questionnaire (see next section for
details) before a second assessment of the level of arousal with the KSS scale was performed. At
the end, the participant was instructed to adjust the electric lighting to the desired level using a
dimmer. The same procedure was repeated, once with each glazing sample with the total
experiment lasting 90 to 120 minutes including a 5 to 10 min pause between conditions to change
the glazing samples while the participant was asked to go for a short walk indoors. The three
glazing samples were evaluated by each participant using a counter balanced order of
presentation (see 10 for details).
Oral and written questionnaires
The main interest of this research concerned the evaluation of light quality, as determined by five
subjective factors such as: 1) visual comfort; 2) naturality; 3) pleasantness; 4) precision (of
details and textures); 5) light level. Oral questions were used primarily to allow the participant to
100
concentrate on the model’s atmosphere without glancing back and forth at a questionnaire. The
oral questionnaire focused on the ambient light conditions in the room, the general atmosphere of
the room and finally, the perception of the environment as seen through the windows. Questions
were answered out loud using a scale from 1 to 5, where 1 stands for "fully agree" (see [10] for
details).
The written questionnaire contained a total of five groups of questions, which could be answered
with five-degree Lickert scales with semantic opposites (Table 1). The participants had to circle a
number from 1 to 5, where 1 corresponded to the most positive score and 5, to the most negative.
Written questions concentrated on similar topics as the oral ones but were answered directly by
the participants, in order to reconfirm their opinion. Opposite adjectives used in this exercise
were selected from previous research in the field [2, 7, 8, 9]. Photometric measurements were
also performed throughout the experiments (see 10 for details).
101
Table 1: Written questionnaire (freely translated from French).
Results
Mixed model analyses were used to compare groups of answers from the oral and written
questions corresponding to the five qualitative factors (visual comfort; naturality; pleasantness;
precision; light level). The results for the five factors are presented in Table 2.
Results corresponding to each factor were combined to obtain an average score for written
questions, oral questions, and the two combined, for each of the glazing condition. A low mean
score indicated that the participants were in favour of the affirmation, and a higher mean score
indicated a tendency towards a negative opinion. Statistical analyses were performed using SPSS
version 18.0.
Overall, the level of significance ended up to be higher for the written questions than for the oral
questions. Significant results for the written questions were found for: visual comfort: p=0.015;
pleasantness: p=0.003; light level: p=0.044. Since the oral and written questionnaires related to
the same factors, the answers were combined and further analysed to validate the results. The
combined answers remained significant for visual comfort (p=0.014) and pleasantness (p=0.015).
In all cases, these results indicate that the bronze glass was perceived as being more comfortable
for the eye and more pleasant than the two other samples.
Table 2: Results for the five factors analysis for the written questions and a combination of oral
and written questions.
102
The average score from each of the five written questions (see Table 1), were further analyzed by
comparing each group of questions (Q1 to Q5) performing Wilcox Son paired t-tests for each
glazing type. Due to the multiple comparisons, significance was considered only with p<0.017.
From these analyses, two groups of questions yielded to significant results in favor of the bronze
glass. Those questions refer to the appearance and texture of the objects in the model (Q3,
p=0.013) and to the general lighting ambiance inside the model (Q5, p=0.004). A trend was
observed for two other questions; namely daylight color (Q4, p=0.022) and general daylight
ambiance in the room (Q2, p=0.02), still favoring the bronze glazing.
Table 3: T-test results from the five groups of written questions: Q1-color appearance; Q2-
daylight in general; Q3- appearance & textures; Q4-daylight's colour; Q5-general ambiance.
The participant's level of arousal recorded at the beginning and at the end of each evaluation was
compared using a paired t-test analysis. Significant results (p<0,05) indicate that when the blue
glazing was being tested, the arousal level decreased over the evaluation period (p=0,042), see
Table 4.
Table 4: Analysis of arousal level with KSS scale at time 1 and time 2 of the experiment.
The adjustment of electric lighting, recorded at the end of each glass evaluation, was analysed
with a logistic regression, but no significant results were obtained.
103
Discussion
Results for the qualitative factors analysis indicate a preference for the bronze glass, in terms of
visual comfort, pleasantness and light level. Results from the grouped written questions indicate
that in presence of the bronze glass, the appearance and textures of the objects in the room and
the general lighting ambiance were perceived as more natural and pleasant. Other results from the
written questions regarding daylight’s colour and daylight presence in general indicate again a
tendency in favour of the bronze glazing. Finally, the participant’s self-reported level of arousal
had a slight decrease with the blue glazing. We believe that the latter results could be related to
the fact that the eye could perceive a bluish ambient environment as less bright and therefore less
stimulating, since in daylight, the eye is most sensitive to green-yellow light but not much to blue
light. But, in that case, we would have expected participants to increase the level of light at the
end of the study, which was not the case: the adjustment of the lighting level was not significant
during this research. An other explanation for this could be that visible light transmittance of the
three glass samples was very similar; therefore the participants generally felt that the lighting was
sufficient inside the model.
Acknowledgements
The authors thank the research participants as well as Luc Joubert, Quebec, Canada, for his
precious financial contribution in this project.
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Performance Days Conference, Tampere (Finland), 17-20 June.
105
Annexe D
Échelle des températures de la couleur en degrés Kelvin.
Source: http://pov.monde.free.fr/contributions/lumieres/lumiere_pour_vous_servir.htm#Te
mperature
![Tahar.ppt [Mode de compatibilité]´me-d... · • Etude cas témoins où 108 patients décédés ont été appariés à 108 survivants en utilisant six critères (le diagnostic,](https://static.fdocuments.fr/doc/165x107/5c2e5be109d3f2dd0b8c6b25/taharppt-mode-de-compatibilite-me-d-etude-cas-temoins-ou-108-patients.jpg)
