La lumière naturelle et ses ambiances lumineuses,… Part. III

La lumière naturelle et ses ambiances lumineuses,… Part. III

Part. I

Part. II

Lumière !!!

Parler de l’ambiance d’un lieu nous amène à imaginer un individu plongé dans un environnement et la façon dont il est, en retour, affecté par cet environnement à la fois sonore, olfactif, lumineux, esthétique, etc. L’environnement influence le sujet qui s’y trouve et crée chez lui une réaction.

Nous définissons l’ambiance lumineuse comme la manière dont l’ensemble des aspects de l’environnement lumineux affecte un sujet.

Trois dimensions constituent cette ambiance : lumière, objet architectural et sujet.

Lumière et objet architectural forment l’environnement lumineux qui est un stimulus extérieur pour le sujet. Les deux principaux paramètres de l’environnement lumineux sont la quantité de lumière et la qualité de la lumière. Leur appréciation subjective par les sujets se construit au travers des 3 phases de la vision : enregistrement, traitement et réaction au stimulus.

Par ailleurs, la lumière naturelle a une influence sur la santé humaine.

Les paramètres de l’ambiance lumineuse

La quantité et la qualité de lumière naturelle disponibles dans un espace intérieur dépendent des éléments architecturaux tels que les caractéristiques optiques des prises de jour, la géométrie du local, les revêtements intérieurs et l’environnement extérieur ainsi que les conditions climatiques.

La quantité de lumière nécessaire pour effectuer une activité dans de bonnes conditions lumineuses est un aspect assez bien défini aujourd’hui. La qualité de l’ambiance lumineuse se caractérise par des notions de confort et d’agrément, paramètres moins bien définis qui demandent une attention particulière.

Une ambiance lumineuse est donc fonction de ces trois paramètres, son caractère dépendra de l’attention qui est portée à chacun d’eux. Si un des paramètres est défavorisé par rapport aux autres, l’ambiance lumineuse ne sera pas ou peu satisfaisante et le recours à l’éclairage électrique sera nécessaire, ce qui entraînera une architecture moins durable.

Définition de l’ambiance lumineuse dans la norme EN 12464-1 : 2011 « Éclairage des lieux de travail intérieurs »

Extrait de la norme EN 12464-1 :

Pour la réalisation d’un bon éclairage, il est essentiel, qu’en plus de l’éclairement requis, les besoins qualitatifs et quantitatifs soient satisfaits.

Les exigences relatives à l’éclairage sont déterminées par la satisfaction de trois besoins humains fondamentaux :

• le confort visuel : la sensation de bien-être ressentie par le personnel contribue d’une certaine façon à un meilleur niveau de productivité et à une meilleure qualité de travail ;

• la performance visuelle : le personnel est en mesure d’exécuter des tâches visuelles de qualité, même dans des circonstances difficiles et pendant de plus longues périodes ;

• la sécurité.

Les paramètres les plus importants qui déterminent une ambiance lumineuse en ce qui concerne, la lumière artificielle et la lumière naturelle sont :

• la distribution des luminances,

• l’éclairement,

• la direction de la lumière et l’éclairage de l’espace intérieur,

• la variabilité de la lumière (niveaux et couleur de la lumière),

• le rendu des couleurs et la couleur apparente de la lumière,

• l’éblouissement,

• le papillotement.

En plus de l’éclairage, d’autres paramètres d’ergonomie visuelle influencent la performance visuelle des opérateurs, comme :

• les propriétés intrinsèques de la tâche (la taille, la forme, la position, la couleur et la réflexion des détails et du fond),

• la capacité ophtalmique de l’opérateur (acuité visuelle, perception de la profondeur, perception de la couleur),

• une ambiance lumineuse conçue et améliorée de manière intentionnelle, un éclairage non éblouissant, un bon rendu des couleurs, des marques de contraste élevées, des systèmes de guidage optiques et tactiles peuvent améliorer la visibilité de même que la perception de la direction et la localisation. (Voir lignes directrices de la CIE qui donne les conditions de visibilité et les prescriptions d’éclairage pour l’accessibilité des personnes âgées et des personnes avec un handicap.)

Une attention particulière à ces facteurs peut améliorer la performance visuelle sans qu’il y ait besoin d’augmenter l’éclairement.

Quantité de lumière - BESOIN

Nous parlons ici de quantité de lumière minimale pour effectuer une tâche visuelle comme par exemple lire, fixer une vis ou peindre, dans des conditions de performance visuelle1 optimale. Les seuils sont différents en fonction de l’usage du local concerné et les surfaces sur lesquelles ces niveaux sont préconisés sont aussi fonction de l’activité. On introduit ici la notion de « plan de travail » ou « plan utile ».

Par exemple, pour un travail de lecture/ écriture, le plan de travail est la table ou le bureau. Mais pour les travaux mécaniques, par exemple, le plan de travail sera défini comme le plan où le travail manuel est effectué.

Classiquement la hauteur d’un plan utile horizontal est comprise entre 70 cm, hauteur d’un bureau, et 85 cm, hauteur d’un plan de travail dans un logement. Dans certains cas tels que les circulations, salles de sport ou crèches, le plan de travail utile est considéré au niveau du sol.

Par ailleurs, la quantité de lumière nécessaire pour effectuer une tache visuelle dépend également du sujet lui-même à savoir son âge, la capacité de son système visuel, ses références culturelles et sa provenance géographique.

En dépit de ces variabilités, des valeurs de niveaux d’éclairement sont définies dans les normes et recommandations internationales. La part de lumière naturelle dans ces niveaux d’éclairement n’est généralement pas précisée. Certains référentiels de certification environnementale préconisent toutefois des exigences de facteur de lumière du jour à atteindre.

Qualité de lumière CONFORT et AGREMENT

Confort et absence d’inconfort

Définitions

Dans ce contexte, une ambiance lumineuse confortable est la conséquence de l’absence d’éblouissement et d’inconfort. D’après le vocabulaire international de l’éclairage [CIE, 2011], l’éblouissement est caractérisé par des conditions de vision sous lesquelles un sujet éprouve une gêne ou une réduction de l’aptitude à distinguer les détails ou les objets, par suite d’une répartition défavorable des luminances ou d’un contraste excessif. On distingue deux formes d’éblouissement : inconfort et incapacité.

L’éblouissement d’inconfort :

L’éblouissement d’inconfort produit une sensation inconfortable sans nécessairement troubler la vision des objets, à l’inverse l’éblouissement d’incapacité trouble la vision des objets sans nécessairement provoquer une sensation inconfortable. L’éblouissement d’inconfort est une sensation et donc comme toute sensation, c’est un phénomène subjectif. Il existe plusieurs méthodes et indicateurs pour caractériser l’éblouissement inconfortable, ces méthodes sont plus ou moins validées.

L’éblouissement d’incapacité :

Lorsque l’on parle d’éblouissement d’incapacité, autrement dit d’une baisse de la performance visuelle, il s’agit d’un phénomène physiologique qui est davantage quantifiable.

Les deux phénomènes (éblouissements d’inconfort et d’incapacité) peuvent se produire simultanément, comme le cas d’un reflet sur un écran de visualisation, la lumière réfléchie peut causer une gêne à l’utilisateur tout en l’empêchant de distinguer correctement les caractères.

Un éblouissement incapacitant peut également survenir dans le cas de la saturation de la rétine, autrement dit lorsque les conditions visuelles varient drastiquement et brusquement. Le système visuel a besoin d’un temps d’adaptation de quelques secondes pour gérer ce changement des conditions lumineuses. Dans la pratique, à la sortie d’un tunnel, ces quelques secondes d’adaptation peuvent être critiques pour le conducteur.

La majorité des individus ne sait pas nécessairement identifier lorsque ceux-ci subissent une situation d’inconfort visuel de ce type, sauf dans le cas de la saturation de la rétine. En revanche, ils en subissent les conséquences : maux de têtes, picotements des yeux, stress... Ces effets ne sont pas forcément accompagnés d’une diminution de la visibilité et ne se manifestent pas immédiatement. Sans conséquence instantanée sur la performance visuelle, ils peuvent à terme la déprécier.

Quantification et appréciation de l’éblouissement en éclairage naturel

Les indices d’éblouissement :

Il existe peu d’indicateurs d’appréciation de l’éblouissement ou de caractérisation de l’inconfort en éclairage naturel. On en retiendra quelques-uns, ils sont généralement caractérisés sous forme d’indices.

Pour l’éblouissement d’inconfort, le DGI (Daylight Glare Index) [Chauvel, 1983] est une adaptation pour l’éclairage naturel de l’UGR (Unified Glare Rating) qui est un indice couramment usité pour évaluer l’inconfort en éclairage artificiel. Ces indices prennent en compte :

• la luminance moyenne du champ de vision aussi appelée luminance d’adaptation car elle caractérise les conditions lumineuses auxquelles notre système visuel est adapté à cet instant,

• la luminance des sources éblouissantes (luminaire ou fenêtre),

• la taille et position des sources éblouissantes grâce à l’indice de position de Guth et d’un angle solide,

• la luminance du ciel vu à travers la fenêtre dans le cas du DGI.

Le DGI a souvent été jugé comme peu représentatif de l’éblouissement réellement perçu car il le surestime dans la plupart des cas.

Le DGP (Daylight Glare Probability) [Wienold, 2009] a évolué en un indicateur d’estimation du potentiel d’éblouissement d’un local. Il existe trois méthodologies, le DGPs ou « DGP simplifié » basé uniquement sur l’éclairement au niveau de l’œil duquel peut être déduite la luminance d’adaptation, le DGP basé sur la position des sources éblouissantes, il est exprimé à l’aide d’une formule, ainsi qu’une méthodologie basée sur des simulations complexes utilisant notamment les techniques de lancer de rayons. Ces indices d’éblouissement sont à ce jour les plus prometteurs et font l’objet de recherches et validations en cours.

Les rapports de luminance dans le champ de vision :

Dans les diverses recommandations d’éclairage, on trouve souvent la fameuse règle du « 1:3:10 ». Le principe consiste à dire que les luminances du champ de vision d’un individu effectuant une tache de travail statique, doivent rester dans des rapports raisonnables afin de prévenir les situations d’éblouissement dues au trop fort contraste.

Ainsi, il est recommandé [Rea, 1993] [CIBSE, 1994] [CIBSE, 1996] que les rapports de luminances n’excèdent pas les valeurs suivantes :

• entre le papier et l’écran de visualisation : 3:1 ou 1:3,

• entre la tâche visuelle (écran ou papier) et les surfaces adjacentes (environnement proche ou ergorama) : 3:1 ou 1:3,

• entre la tâche visuelle et les surfaces non-adjacentes (environnement périphérique ou panorama) : 10:1 ou 1:10,

•entre les sources lumineuses (luminaires ou surfaces vitrées) et leur environnement proche : 20:1 ou 1:20.

Il a été observé dans le cadre d’une campagne de mesures dans des bureaux, que si ces rapports de luminance peuvent être respectés dans le cas de scènes éclairées électriquement, elles ne sont pas nécessairement respectées en éclairage naturel, en particulier lorsqu’une fenêtre est présente dans le champ de vision de l’individu. En effet, dans ce type de configuration, même si une tolérance peut aller jusqu’à 1:50 sur une petite surface du champ de vision (5 % environ), les rapports de luminance tolérés par les occupants de bureaux sont plutôt de l’ordre de 1:6:20. [Sutter, 2006].

Il faut cependant être prudent avec ces recommandations car le non-respect de ces ratios n’entraîne pas nécessairement l’éblouissement. L’esthétique de l’espace et la qualité de la vue vers l’extérieur peuvent entraîner une tolérance à des niveaux de contrastes plus élevés.

Le cas du travail sur écran :

Pour caractériser l’éblouissement d’incapacité dans le cas d’une tâche visuelle de lecture, l’approche de Blackwell est pertinente. L’Association Française de l’Éclairage (AFE), dans son guide « Éclairage et travail sur écrans de visualisation » [AFE, 1997], détaille cette méthode dans le cas du travail sur écran. La méthode consiste à dire que la luminance de voile (luminance parasite due à l’éclairage ambiant qui vient s’ajouter à la luminance initiale de la source) maximale acceptable sur un écran qui n’entraînera pas de dépréciation de la performance visuelle est fonction de la luminance de fond de l’écran. Ce qui revient à dire que, plus un écran a une luminance de fond élevée, moins l’éclairage ambiant viendra perturber la lisibilité des caractères. Par conséquent les besoins d’occultation de la lumière naturelle seront diminués, permettant ainsi à l’usager de profiter davantage de l’éclairage naturel sans en subir de perturbation sur son écran.

Agrément

Rappelons quelques définitions (issues du Petit Robert) avant d’entrer dans la problématique complexe de la notion d’agrément.

D’après ces définitions, le terme confortable implique l’absence de gêne, qui pourrait provoquer une difficulté, une peine et une tension psychologique, quel que soit le degré de cette tension. Ce qui est confortable n’est donc pas désagréable (car désagréable implique gêne). Mais, nous pouvons aussi remarquer que ce qui est confortable n’est pas nécessairement agréable ! Il existe des lieux dans lesquels il n’y a pas de gêne visuelle, le lieu est confortable (pas de saturations, pas de grands contrastes de luminance ni de couleur, pas de bruit, etc.). Mais dans l’ensemble, l’ambiance peut être monotone, ennuyeuse voire triste, elle n’est donc pas agréable.

Le terme agréable et la notion d’agrément impliquent une autre idée, celle de plaisir. Sans chercher à définir la notion de plaisir, une approche possible pour la notion d’agrément [Mudri, 2001] dit que : Les concepts d’agréable et de plaisant impliquent la présence d’un stimulus extérieur qui provoque une attention, une tension psycho-physiologique (dont le degré est à définir), ce qui s’oppose à la notion d’un confort lié à l’absence de tension. Pour l’ambiance lumineuse, le stimulus extérieur se traduit par des niveaux et répartitions des luminances, des contrastes et des dégradés de luminances. Ces niveaux et répartitions sont variables d’un instant à l’autre en lumière du jour. La question de la couleur joue également un rôle dans la perception du confort et de l’agrément.

La question de la nature et du degré d’une tension est importante pour qualifier une ambiance en termes de confort et d’agrément. L’absence de tension psycho-physiologique inscrit une ambiance dans le registre du confortable, mais sa présence peut parfois contribuer à l’agrément. La question des limites est subtile et dépend, dans un milieu socioculturel donné, de la sensibilité de l’individu et de la fonction de l’espace. Qualifier une ambiance de confortable signifie qu’il n’y a pas de tension due aux stimuli extérieurs. Cependant, cette ambiance risque d’être ennuyeuse, monotone ou neutre, sans caractère ni intérêt ou qualité. Le terme confortable, malgré sa précision, n’est pas suffisant pour décrire complètement une ambiance lumineuse. La limite du degré de cette tension qui fera basculer une ambiance d’agréable à désagréable est subtile et dépend, dans un milieu socioculturel donné, de la sensibilité de l’individu et de la fonction de l’espace. [Mudri, 2000].

Le sujet et les trois phases de la vision (ou le processus d’appréciation des ambiances lumineuses)

Première phase - Ce qui est enregistré

L’énergie lumineuse reçue par chaque élément de la rétine provoque une réaction photochimique qui se transforme en impulsions nerveuses. Ces impulsions sont transmises par les fibres des nerfs optiques aux différentes régions spécialisées du cortex : l’aire visuelle où sont enregistrés les stimuli, l’aire associative où sont comparées les sensations et l’aire psychique où se réalise l’évocation abstraite (naissance des idées).

L’œil peut être considéré comme le prolongement du cerveau car la région du cortex affectée à la vision possède autant d’éléments indépendants qu’il en existe sur la rétine.

L’énergie lumineuse reçue est constituée d’un ensemble de radiations définies par le terme général de rayonnement visible. Ces radiations, lorsqu’elles atteignent les deux types de photorécepteurs situés sur la rétine appelés « cônes » et « bâtonnets », déclenchent simultanément deux sensations : la sensation de l’intensité lumineuse via les bâtonnets et la sensation de la couleur via les cônes, elle-même décomposée en sensations de teinte et de saturation. Une image cérébrale est donc composée à partir de ces trois types d’informations, comme une photo du champ de vision. La réaction humaine dans cette première phase de vision est une sensation d’intensité lumineuse ou de couleur. C’est la première étape de la vision.

Seconde phase : Compréhension de ce qui est enregistré

L’image d’une ambiance lumineuse peut provoquer des réponses différentes suivant les sujets. C’est un processus complexe. Il existe différentes hypothèses de modèles pour les processus cognitifs qui conduisent à la compréhension de l’image enregistrée sur l’aire visuelle du cortex.

Le processus dans cette deuxième phase de vision est un traitement mental de l’image enregistrée dans la première phase de la vision. Le cerveau va traiter cette image et traduire la scène de manière factuelle avec des mots qui la décrivent.

Troisième phase : l’émotion en réaction au stimulus visuel

Après la première phase de réception du stimulus et la phase de compréhension, la troisième phase est celle des réactions émotionnelles et subjectives.

Ces réactions dépendent de nombreux paramètres socioculturels qui sont propres à chacun. Une personne pourra ressentir un espace comme élégant alors qu’une autre le trouvera prétentieux ou fade. L’émotion générée par une scène visuelle ne vient pas de la compréhension mentale à savoir la seconde phase de la vision, mais d’une appréciation émotionnelle qui vient ensuite. C’est cette phase qui explique nos émotions face à la « magie du lieu », par exemple, dans le panthéon de Rome (cf. section « Antiquité et Moyen-Âge » du chapitre « Architecture et lumière naturelle »).

Lumière naturelle, santé et bien-être

Dans notre contexte de promotion de l’éclairage naturel dans le bâtiment, ce phénomène complexe de réaction subjective de ce que nous voyons, peut se traduire par une tolérance plus grande à des luminances élevées ou des rapports de contrastes forts en lumière naturelle par rapport à la lumière artificielle. En effet, une fenêtre est associée, plus ou moins consciemment chez chacun de nous, à une vue vers l’extérieur, à la pénétration des rayons du soleil ou encore à une dynamique de la lumière. Autant de phénomènes que n’offre pas la lumière artificielle.

À la suite de ce processus d’appréciation des ambiances lumineuses, on pourrait ajouter une quatrième phase qui est l’impact du stimulus lumineux et du rayonnement énergétique non visuel qui lui est associé sur la santé et le bien-être du sujet. De nombreux phénomènes ont été observés et validés par des recherches poussées.

Le SAD (Seasonal Affective Disorder ou syndrome dépressif saisonnier) se manifeste par une baisse de moral et des syndromes dépressifs légers à l’entrée de l’hiver lorsque la disponibilité en lumière naturelle diminue causant un dérèglement de la production de la mélatonine, autrement appelée l’hormone du sommeil, donc des cycles circadiens. Ce syndrome affecte principalement les habitants des pays à latitudes élevées où la durée du jour pendant l’hiver peut être très faible.

La découverte récente de la mélanopsine, protéine photosensible située sur la rétine, a permis de mieux comprendre les cycles circadiens et le SAD. Les cellules photosensibles contenant la mélanopsine reçoivent une stimulation maximale par les courtes longueurs d’ondes du rayonnement lumineux, c’est-à-dire les lumières à dominante de bleu. Elles produisent un signal nerveux qui n’est pas traduit par une réponse visuelle mais par une stimulation de l’hypothalamus, une des parties du cerveau responsable de la gestion des rythmes circadiens, gérant ainsi la production de la mélatonine.

La mélatonine est sécrétée par la glande pinéale et stockée dans l’hypothalamus lorsqu’il y a un signal, c’est-à-dire un rayonnement lumineux dans les courtes longueurs d’ondes. La mélatonine est libérée par le cerveau lorsqu’il n’y a plus de stimulation, autrement dit dans l’obscurité, ce qui entraîne le sommeil.

Il a été montré également, que la lumière naturelle amplifie la production de dopamine, qui est un neurotransmetteur et élément essentiel à la bonne humeur. La dopamine est principalement synthétisée et libérée par des populations de neurones très restreintes situées dans le cortex. La dopamine joue un rôle complexe et intervient dans diverses fonctions importantes, telles que le comportement, la cognition, les fonctions motrices, la motivation, le sommeil ou la mémoire.

Enfin, il a été démontré que la vitamine D, synthétisée par la peau suite à la réception des rayons solaires sur la peau, est une vitamine qui diminue les risques de cancer chez l’homme.

Dans le contexte du lieu de travail, un bon éclairage naturel a souvent été observé comme facteur influent sur l’augmentation de la productivité et la baisse de l’absentéisme. Dans un commerce, un éclairage naturel bien dimensionné peut entraîner une augmentation des ventes et de la fréquentation.

Le rapport A Business Case for Green Buildings in Canada [Lucuik, 2005] synthétise diverses études démontrant l’impact positif de la lumière naturelle sur la productivité et le bien-être. Il y est rapporté que, selon ces études, un bon éclairage naturel (niveaux d’éclairement satisfaisant et/ou vue plaisante sur l’extérieur) peut permettre d’améliorer la productivité et la performance de 10 à 25 % ainsi que d’augmenter les ventes de 40 % dans les commerces. Il a été également observé que l’éblouissement dû aux fenêtres peut diminuer la performance entre 15 et 21 %

Dans les écoles présentant des salles de classe à éclairage naturel soigné, il a été observé que les résultats aux tests étaient meilleurs de 5 %, le taux de présence des étudiants y était supérieur d’environ 3,5 jours par an et que, sur une période de 2 ans, les problèmes dentaires des élèves étaient diminués et leur croissance améliorée grâce à l’apport de vitamine D.