Protections solaires pas seulement contre la surchauffe

CCW Cycle Energie – 20/04/2017 -

Protections solaires pas seulement contre la surchauffe !

Cycle énergie et construction 20/04/2017

B. DeroisyLaboratoire Lumière

CSTC - Centre Scientifique et Technique de la Construction


CONTENU:◘ Les multiples fonctions des protections solaires◘ Systèmes typiques◘ Caractérisation des matériaux constitutifs◘ Performances au niveau du confort visuel◘ Outil d’aide au choix des protections solaires

Classification norme EN14501 Outil web PROSOLIS

◘ Eléments pour la gestion des protections solaires

Séance d’information protections solaires 20/04/2017


Les multiples fonctions

Bâtiments non-résidentiels (EU):-22 % / - 30 % pour refroidissement-14 % / - 22% pour le chauffage

Réduction des consommation énergétiques

Des économies d’énergie substantielles

Source: HIGH PERFORMANCE DYNAMIC SHADING SOLUTIONS FOR ENERGY EFFICIENCY AND COMFORT IN BUILDINGS- Sonnergy report 15/498 October 2015


L’amélioration des performance énergétique des bâtiments transforme le mix énergétique utilisé.

Bâtiments non résidentiels

ElectricityLightingCoolingHeating

Les multiples fonctionsConsommation d’énergie - répartition

Le refroidissement et l’éclairage deviennent dominants!

NZEB

?

Presenter

Presentation Notes

Ecoffice results??



Maintenir le confort thermique et le confort visuel.

Confort des occupants

Le confort des occupants n’est pas toujours garanti!

Source: Human Spaces Report – Cary Cooper 2015Posluszny residence, Shirley, Massachusetts /USA

Exigence PEB à Bruxelles: Température ne peut dépasser 25 °C que pendant 5 % de période d'utilisation


Les multiples fonctionsImpact d’un environnement intérieur sain

Source: A business case for green buildings – WGBC Report 2013



Les températures moyennes commencent seulement à augmenter.

Le changement climatique a

Note: Emissions gaz à effet de serre (objectifs EU): -15% en 2020 / -35% en 2030

2020



L’énergie pour le refroidissement surpassera l’énergie pour chauffage

Effets du changement climatique a

(Sweden)… results shows significant decrease of space heating demand and increase of cooling demand for the studied buildings.

Source : PLEA2015 - Adaptive comfort model and overheating in Europe re-thinking the future

Cooling loads are already predominant over heating loads in southern climates and will expand to northern European regions by 2050….This will have a negative impact in the hot periods if strategies to dissipate heat and prevent solar gains are not seriously addressed.

Presenter

Presentation Notes

Pas de prise en compte dans les outils de conception?



Maintenir des conditions climatiques confortables Contrôle des apports solaires Apports de chaleur secondaire Protection contre la transmission directe (confort local)

Assurer un apport suffisant de lumière Apports d’éclairage naturel Une vision à travers L’occultation totale ou partielle Limiter risques d’éblouissement Rendu des couleurs Rythme biologique (effets non-visuels de la lumière)

Confort thermique + Confort visuel

Trouver l’équilibre entre différentes exigences pour chaque contexte


Systèmes typiques

Store en toiles à enroulement (‘screen’)Store à lamelles en aluminium (‘venitian blind’)Brise soleil (‘louvres’) dispositif non rétractable… en combinaison avec vitrages

Les solutions courantes (intérieur et extérieur)

Estimation part de marché en Europe : 80 à 90%


Store en toiles


Store à lamelles


Quel matériau pour les protections solaires?

Toiles

Des possibilités innombrables …

Bois Verre Métal


Mesures CSTC τe, n-h OF τv, n-h ρ e,n-h ρ v,n-h

PS_T01 Sergé - S600 1010 Charcoal 6.6 6.0 6.6 5.3 5.4PS_T02 Natté - N380 1001 Charcoal - grey 9.0 8.2 8.8 11.1 11.6PS_T03 Sergé 2165 -108108 Grey 7.1 4.2 5.4 19.0 16.6PS_T04 Sergé 2165 -118118 Black 3.7 3.3 3.7 5.9 6.0PS_T05 Natté 2165 -108108 Grey 15.1 11.4 13.1 19.0 16.4PS_T06 Natté 2165 - 108118 Grey-black 13.6 11.8 12.8 11.9 10.9PS_T07 Natté - MHL 5060 20.4 19.8 20.4 3.5 3.5

Caractérisation des matériauxMesures transmission/réflexion hémisphérique (globale) Mesures des propriétés / rayonnement incident normal. Suivant norme EN14500 (spectrophotomètre)

Sphère intégratriceDétecteur

+ composante diffuse (τe, n-dif ) et directe (τe, n-n )

Echantillon

Rayon (λi)

Données techniques fabricants


Caractérisation des matériaux

Distribution spatiale du rayonnementProfils de diffusion réfléchi/transmis en 3 dimensions (‘scattering’)

Modèles théoriques – matériaux réels

Modèle diffus Modèle spéculaireMatériau/surface réel

Presenter

Presentation Notes

Même si r1 = r2 l’effet sur le confort visuel et thermique peut être très différent



BSDF = Bi-directional Scattering Distribution FunctionPrincipe mesures : Scanner toutes les directions d’observationScanning gonio-photometre

Mesures des propriétés optiques/radiométriques

Source: PAB Opto



BSDF – Visualisation résultats en 2 dimensions Projection orthographique sur un disque (pour chaque AOI)

Mesures des propriétés optiques/radiométriques

Alanod Miro 20.2 (Scattergloss)

ALANOD 320G (Anodized brightened aluminium)

Source: LightTools database


Mesures diffusion de rayonnement dans un plan orthogonal (2D scan)

Mesures BSDF 2D - Toiles Effet du tissage (Sergé – Natté)

Symétrie axiale de révolution autour direction de réflexion spéculaire!

3D 2D


Réflexion: ‘Parfaitement’ diffuse Transmission: Pic spéculaire et diffusion presque lambertienne

Mesures BSDF 2D - Toiles Effet du tissage (Sergé – Natté)

Le tissage influence la distribution de la lumière/énergie transmiseEchelle logarithmique!


Mesures BSDF 2D - ToilesComparaison toiles T04 / T12 / T13 (AOI 40°)

Toiles:T04 HELIOSCREENSergé 2165 -118118 BlackT12 HELIOSCREENSergé 2165 -101101 WhiteT13 HELIOSCREENNatté 2165 -101101 White

Propriétés globales:

T04 T12 T13

τv, n-h 3,7 19,9 26,4

ρv,n-h 6,0 74.6 69,1

Source: mesures CSTC (Labo EN)

La couleur d’une toile détermine la lumière/énergie transmise de façon diffuse+/- 80% de la lumière/énergie transmise par une toile blanche est diffuse


Caractérisation des toilesEffets angulaires

Toile Sergé (T12) vs. Natté (T13)Transmission/ réflexion hémisphériqueComposante directe et diffuse τv,n-h = 20% τv,n-h = 26%

La transmission lumineuse des deux toiles se vaut pour angle d’incidence de 65°


Lamelles aluminium

6 EchantillonsProduits

Lames de même couleur!PS_L01 : HELLA RAL 9007 Grey aluminium Finition standardPS_L02 : HELLA RAL 9007Grey aluminium Finition réfléchissante

Vérifier hypothèse de symétrie axiale de révolution autour de la direction de réflexion spéculaire?

PS_L01 RAL 9007 - Grey aluminiumPS_L02 RAL 9007 - Grey aluminiumPS_L03 RAL 7010 - Light GreyPS_L04 RAL 7012 - Dark GreyPS_L09 RAL 7035 - Colour 0663PS_L10 RAL 7038 - Colour 0664


Mesures BSDF 3D - Lames

Symétrie axiale de révolution? OKVérifier les hypothèses de symétrie

ρv,dir-h = 22,5 % ρv,dir-h = 34,2 %

La micro-texture de la surface influence fortement les propriétés

Presenter

Presentation Notes

Le réflexion n’est pas un propriété d’un matériau, mais dépend aussi de la texture de surface AOI 30°


Mesures BSDF 2D - LamesType 1 : Lames L04 / L09 / L10

Toiles:L04 VELUXRAL 7012 Dark greyL09 HUNTER DOUGLASRAL 7035L10 HUNTER DOUGLASRAL 7039

Propriétés globales:

L04 L09 L10

ρv,n-h - 59,3 44,7

ρv,n-h 21,1 59,2 44,5

Sources: Données fabricant/ mesures CSTC (Labo EN)

Source: mesures LightTec

“LES MACARONS”


Mesures BSDF 2D – LamesType 2 : Lames L01 / L02 / L03

Toiles:L01 HELLARAL 9007L02 HELLARAL 9007 ReflectiveL03 VELUXRAL 7010 Light grey

Propriétés globales:L01 L02 L03

ρv,n-h - 32,2 -

ρv,n-h 23,3 35,6 59,4

Sources: Données fabricant / mesures CSTC (Labo EN)

Source: mesures LightTec

“LES CUBERDONS”


Caractérisation des lamelles

Réflexion pour différents Angles d’incidence (AOI) 10° 30° 50° 70°

Effets angulaires

La distribution spatiale de la lumière/énergie réfléchie est irrégulière


Caractérisation des matériaux - SynthèseToiles Lames Vitrages

TRANSMISSION Quasi-SPECULAIRE + DIFFUSE

/ SPECULAIRE

REFLEXIONDIFFUSE VARIABLE

2 types SPECULAIRE

Modélisation

Complexe• Mesures BSDF,• Modèles empiriques

Remarques • Effets tissages spéciaux? • Variété de modèles?• Modèles anisotropie

• Effets sélectivité spectrale (‘Coatings’)

Exceptions • Toiles avec film diffusant• Ennoblissement

• Lames perforées• Lames avec géométries

particulières (profil S, Z, …)

• Vitrages sablés• Vitrages

émaillés/sérigraphiés


Performances confort visuel

Assurer un apport suffisant de lumière Apports d’éclairage naturel Une vision à travers L’occultation totale ou partielle Limiter risques d’éblouissement Rendu des couleurs (effet de transformation du spectre) Rythme biologique (effets non-visuels de la lumière)

Paramètres



Occultation partielle (écrans de projection, images de cinéma ou de vidéo, aide au sommeil dans les chambres à coucher,…)

Occultation totale (conservation des œuvres d’art et mobilier, travaux de radiologie, photochimie, photographie,…)

Occultation totale ou partielle

Opacité Obscurcissement

Opacité est une propriété d’un matériau pas d’un système complet(fuites de lumière par interstices!)

Presenter

Presentation Notes

Le degré d’occultation dépend non seulement des propriétés des remplissages mais également de leur mise en œuvre dans les systèmes. Pour offrir une solution performante il faut que le remplissage soit totalement opaque, mais il faut aussi éviter toute pénétration de lumière par des interstices ou des ouvertures latérales.


Performance confort visuel

Condition de jour : contact visuel vers l’extérieurEffet positifs: réduction la fatigue et de la monotonie et plus généralement une contribution à son bien-être

Condition de nuit : garantir l’intimité

Vue au travers une protection solaire

Vision au travers un toile de protection solaire identique en condition jour et nuit (Toile grise / Facteur d’ouverture de 11%)

Presenter

Presentation Notes

Ce qui distingue ces deux modes de perception ce sont les niveaux de luminances des objets vus à travers par rapport à la luminance du plan de la façade.


Performances confort visuelVue au travers une protection solaireStore en toile Photos sur cellule à échelle réelle sous ciel clair (05 Juin)

PS_T04 NOIR/Sergé /OF 3% PS_T09 NOIR/Natté/OF 5% PS_T07 NOIR/Natté/OF 15%

Le facteur d’ouverture est important pour la luminance de l’arrière fond (Effet d’atténuation)


Performances confort visuelVue au travers une protection solaire - toile

La couleur de la toile détermine la luminance de la toile (Effet de voile)


Performances confort visuelVue au travers une protection solaire - JOUR



Contrastes de luminance importants entre différentes zones à l’intérieur du champ de vision

Luminances trop élevées (réflexion sur les surfaces spéculaires, vue du soleil direct, …)

Risques d’éblouissement

Presenter

Presentation Notes

Mesures Cellule PASSYS (CSTC) 03/02/2014 Altitude solaire ~ 20° Azimut solaire + 20° Ouest (D 9° axe cellule) Ciel clair Eh = 34.000 lx



Photos HDR (High Density Range) avec objectif Fish-eyeCartographie des luminances (Photolux) ciel clair

Evaluation des risques d’éblouissement

PS_T04 (Toile noire sergé – OF 3%) PS_T07 (Toile noire sergé – OF 20%)

Le risque d’éblouissement varie pour chaque point et direction d’observation!


Performances confort visuelEvaluation des risques d’éblouissement - toiles

La luminance maximale de la baie dépend principalement de: • Type de toiles (couleur et facteur d’ouverture) • L’arrière fond visible

(luminances de l’environnement, ciel, soleil direct!)


Performances confort visuelEvaluation des risques d’éblouissement - lamelles

Attention : Stores à lamelles perforées! • Solution intéressante pour l’apport de lumière • MAIS, éblouissement plus difficile à maîtriser

Les stores à lamelles orientables permettent de limiter le risque d’éblouissement SI◘ Protection solaire peut être actionnée par l’occupant ◘ Pas de vue sur soleil direct ou des réflexions

spéculaires à tout moment◘ Pas d’interstices dans le système lorsqu’il est

entièrement déployé



Apport d’éclairage naturel à travers protection solaire (‘flux’)Optimiser la distribution de lumière naturelle disponible Gisement d’éclairage dépend de l’orientation et contexteExemple: Eclairements sous ciel clair pour différentes orientations

Ciel clair CIE cumulé sur une journéeFlux de lumière relatif sans protection solaire

Utilisation de la lumière naturelle


Performance confort visuelUtilisation de la lumière naturelle - Toiles

PS_T13

Composante diffuse !

Toile T04τv,n-h = 3,7%τv,n-n = 3,3%

Toile T12τv,n-h = 19,9%τv,n-n = 4,3%

Toile T13τv,n-h = 26.4%τv,n-n = 12,1%


Performance confort visuelUtilisation de la lumière naturelleModélisation BSDF / Diffus / Mixte des toiles

Exemple: Toile PS_T13 et vitrage clairModèle mixte

Composante directe et diffuse

Comparaison:Diffus/BSDF

+20 %

Mixed/BSDF+2%

Flux lumineux total sur surface de calculValeur relative par rapport à l’orientation Sud/ modèle BSDFCiel cumulé ÉTÉ (15 Juin)

Impact de la modélisation pour les toiles:Une modélisation mixte permet d’approcher une modélisation BSDF


Performances confort visuelUtilisation de la lumière naturelle

Lamelles gris clair, largeur 80mm

Le profil de réflexion impacte l’apport de lumière sur la zone adjacente à la façade

PS_L03 / ρv = 55%

PS_L04 / ρv = 25%- 22%PS_L09 /ρv = 55%- 7%PS_L10 /ρv = 42%- 15%

Moyenne sur zone200 à 2800 mm

Eclairements sous ciel clair / altitude solaire 50°/ inclinaison lamelles 30°


Performances confort visuelUtilisation de la lumière naturelle - LamellesInfluence de l’inclinaison des lamelles / altitude solaire

Des possibilités de modulation très importantes Altitude solaire / Inclinaison

30 / 30°

45 / 45°

60 / 60°


Conversion pour d’autres facteurs de réflexion:

coefficient de conversion (β)

0,005.ρv,n-h+0,68 =β

Performances confort visuelUtilisation de la lumière naturelle - LamellesInfluence de l’inclinaison des lamelles (ρv,n-h = 60%)

Lamelles finition “brillante” (mirroir)

Lamelles finition “standard” (diffuse)


Performances confort visuelUtilisation de la lumière naturelle

Une modélisation avec un rayonnement parallèle tend à sous-estimer les apports solaires!

Impact modèles de ciel◘ Rayonnement solaire direct (‘Beam’)◘ Ciel clair (CIE Clear Sky Type 12)

Orientation des lames à 30° / altitude solaire de 30°

30°


Outil d’aide au choixNBN EN 14501

◘ 6 Confort visuel 6.1 Généralités 6.2 Contrôle de l’opacité 6.3 Contrôle de l'éblouissement 6.4 Intimité de nuit 6.5 Contact visuel avec l'extérieur 6.6 Utilisation de la lumière naturelle 6.7 Rendu des couleurs

La norme définit des classes de performance pour chaque critère


Outil d’aide au choixNBN EN 14501◘ ClassificationPour chaque critère un classification est établie

Pour critère l’utilisation de la lumière naturelleClasse 0 1 2 3 4

τv, diff-h τv, diff-h < 0,02 0,02 ≤ τv, dif-h < 0,10 0,10 ≤ τv, dif-h < 0,25 0,25 ≤ τv, dif-h < 0,40 τv, dif-h ≥ 0,40

Les méthodes de mesures sont décrites dans la norme EN14500


Outil d’aide au choix - PROSOLISOutil de comparaison des produits en ligne

Outil Prosolis (Deux tissages natté /sergé :• 2 toiles blanches• 2 toiles grises• 2 toiles noires

http://www.prosolis.be

Presenter

Presentation Notes

Pour les toiles solaires : Gris = « noir clair «

http://www.prosolis.be/


Outil d’aide au choix - PROSOLISOutil de comparaison des produits en ligne

Outil ProsolisToilesDeux tissages: • natté • SergéTrois couleurs:• 2 toiles blanches• 2 toiles grises• 2 toiles noiresLamellesDeux finitions:• Diffus• Brillant (spéculaire)Deux couleurs• Gris clair• Gris foncé

Presenter

Presentation Notes

Pour les toiles solaires : Gris = « noir clair «


Outil d’aide au choix - PROSOLIS

Simulations du flux lumineux avec caractéristiques mesurées des matériaux (BSDF data)

3D optical engineering and design software

Utilisation de la lumière naturelle


Systèmes de gestion des protections solairespour caractérisation du confort visuelTrois types d’actionnement des protections solaires, soit ◘ manuel, la manœuvre des protections solaires se fait par manivelle, cordon,

chaînette ou autres système mécanique, ◘ motorisé, l’opération se fait à l’aide d’un moteur intégré actionné par

l’utilisateur à l’aide d’une commande (bouton poussoir ou télécommande), ◘ automatisé, c’est-à-dire que l’opération des protections solaires se fait sans

intervention de l’utilisateur. La décision d’opérer la protection solaire dépend alors d’informations récoltées par un ou plusieurs capteurs.

Source: ESTIA Performances globales en éclairage – Rapport 2014Les postions intermédiaires ont intéressantes!


ConclusionsConfort visuel et protections solaires◘ La caractérisation détaillée des matériaux est importante Toiles: composante diffuse/directe pour toiles Lames: Modèle de diffusion en réflexion

◘ Aspects directionnels sont plus importants pour confort visuel◘ Aspects spectral sont plus importants pour le confort thermique◘ Apports d’éclairage: utiliser les bon outils et les bons métriques◘ L’éblouissement est très complexe à caractériser précisément◘ Un bon système de gestion est essentiel◘ Compléter toujours l’analyse par des observation sur le produit

réel en situation!…


Merci de votre attention

Infos: site Antenne-Normes Eclairage / site CSTCwww.normes.be/eclairage www.cstc.be

http://www.normes.be/eclairage

http://www.cstc.be/

Protections solaires pas seulement contre la surchauffe

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