Le document traite des principes de l'éclairagisme, en se concentrant sur l'importance de la lumière naturelle dans l'architecture et le confort des occupants. Il aborde également la photométrie, les cycles de Milankovitch affectant le climat terrestre et l'impact des saisons sur l'ensoleillement. Enfin, il décrit la trajectoire apparente du soleil et comment les masques solaires peuvent influencés les gains de lumière naturelle dans les constructions.

1. 1
Éclairagisme
1. Introduction
La lumière naturelle, appelée aussi lumière du jour,
correspond à l'éclairage direct ou indirect provenant du soleil.
Sa richesse provient de sa variabilité continue d'intensité, de
direction et de teinte au fil des heures et des saisons. C’est
le mode d'éclairement le plus agréable, le plus performant et le
plus économique. Sa variabilité se montre extrêmement bénéfique
pour le confort des occupants. Son utilisation judicieuse est un
atout majeur pour développer les qualités architecturales,
énergétiques et environnementales d'un bâtiment. La lumière
naturelle se révèle donc l'éclairage d'ambiance par excellence
2. Notions fondamentales
 L’œil :
La sensation de perception visuelle a pour cause des
mécanismes aussi bien physique que biologiques. Elle implique
tout d’abord la pénétration d’un rayon lumineux dans le globe
oculaire et son absorption par la rétine. Les récepteurs
photosensibles qui tapissent la rétine (cônes et bâtonnets)
transforment alors l’énergie lumineuse en un influx nerveux, qui
est acheminé par le nerf optique jusqu’au cerveau. Celui-ci
procède à l’interprétation du signal reçu et reconstitue
l’image.
 La Lumière :
Tous les rayonnements électromagnétiques, qui comprennent
aussi bien les rayons X, la lumière ainsi que les ondes radio,
ne sont pas perceptibles par l’œil humain. Seuls ceux dont la
longueur d’onde appartient au spectre visible (bande de 400 à
800 milliardièmes de mètre) provoquent une sensation lumineuse.
Cette particularité est liée à la sensibilité des
photorécepteurs de la rétine qui diffère pour chaque longueur
d’onde . La courbe de sensibilité spectrale V() reflète cette
propriété. Cette courbe joue en quelque sorte le rôle d’un filtre
qui attribue à chaque longueur d’onde  un poids proportionnel
à la sensation visuelle provoquée par cette dernière ; ce poids
est égal à zéro pour les longueurs d’onde qui se trouvent à
l’extérieur de la bande visible du spectre.

2. 2
La perception d’une couleur dépend de la longueur d’onde du rayon
lumineux en question. Le spectre des couleurs perçues s’étend du
violet au rouge dans le sens croissant des longueurs d’onde. Le
jaune vert, correspondant à la longueur d’onde de 555 nm (1 nm
= 1 milliardième de mètre), est la couleur la mieux perçue par
l’œil humain (sensibilité spectrale maximale).
3. Photométrie
La photométrie est l'étude énergétique des rayonnements
lumineux des sources naturelles (soleil) ou artificielles (lampe
à incandescence, tubes fluorescents......). Elle permet
d'adapter l'éclairage d'un local (pièce d'une maison, atelier
d'une usine...) à son utilisation (passage, lecture, repos...).
On distingue :
- la photométrie dite visuelle relative aux radiations qui
excitent l’œil, basée sur la réponse de l’œil standard. La
grandeur de base est le flux lumineux 𝜙 d’unité le lumen (lm).
- la photométrie dite énergétique ou radiométrie qui s’occupe de
la mesure des flux d’énergie transportés par les rayonnements
visibles, I.R. ou U.V. La grandeur de base est le flux
énergétique φ d’unité le watt (W).
 Angle solide
Avant d'aborder les différentes unités, il est nécessaire
d'introduire la notion d'angle solide. Il s'agit d'un angle
"volumique" qui se défini de la même manière que l'angle plan.

3. 3
Le tableau ci-dessous fait le parallèle entre l'angle plan et
l'angle solide :
Si la surface interceptée S par le cône de sommet O n’est pas
perpendiculaire à l’axe OM (sa normale 𝑛
⃗ n’est pas colinéaire à
OM) mais a un angle  avec OM, alors l’angle solide élémentaire
 s’exprime par :

4. 4
Avec 𝑟 = 𝑂𝑀
⃗ , 𝑢
⃗ =
⃗
⃗
et 𝑛
⃗ la normale à S en M (‖𝑛
⃗‖ = 1)
 Flux lumineux
Le flux lumineux est la puissance lumineuse émise par une
source dans toutes les directions. L’unité de flux lumineux est
le lumen, symbole lm. Le flux lumineux noté 𝝓𝒍 d'un faisceau de
lumière monochromatique, de longueur d'onde λ est proportionnel
au flux énergétique 𝝓𝒆 transporté par ce faisceau et dépend de
la longueur d'onde de la lumière :
ϕl = K(λ). ϕe
Avec K(λ) appelé efficacité lumineuse (K(λ) = 0 pour λ ∉ [400nm;
800nm])
L'efficacité de l'œil est maximale en vision diurne pour : λ =
555nm avec K(λ=555nm) = 683lm.W-1.
 Intensité lumineuse
L’intensité lumineuse décrit le flux lumineux dans une
direction bien précise. C’est en quelque sorte la capacité du
flux lumineux à éclairer dans cette direction.
𝐼 = ; s’exprime en candela (cd)

5. 5
𝜙 flux élémentaire émis par une source ponctuelle à l’intérieur
d’un cône de sommet O et d’angle solide Ω contenant la direction
Ox. Pour une source ponctuelle isotrope I=𝜙 /4𝜋
 Eclairement
L’éclairement lumineux est défini comme le flux lumineux
reçu par unité de surface.
𝐸 = ; s’exprime en lux (lx)
L’éclairement d’une surface en fonction de l’intensité lumineuse
peut s’écrire :
 Luminance
Elle est liée au confort et à l’éblouissement. Autrefois
appelée éclat puis brillance. La luminance d’une surface
élémentaire S émettant dans une direction Ox l’intensité

6. 6
lumineuse élémentaire I est le quotient de l’intensité lumineuse
par la surface apparente de la source dans une direction donnée.
𝐿 = S’exprime en cd.m-2
I est l’intensité émise par la surface S de la source.
 Émittance
L’émittance d’une source étendue représente le flux par
unité de surface émis par cette source
𝑀 = é
S’exprime en lux; S surface de la source
 Loi de Lambert
Luminance L et émittance M d’une source suivant la loi de
Lambert :
𝑀 = 𝜋 𝐿
4. Terre autour du soleil
4.1 Cycles de Milutin Milankovitch:
Le principal moteur du climat de la Terre est le Soleil.
Par conséquent le climat dépend d'une part de la puissance émise
par le soleil et d'autre part de la position de la Terre par
rapport à ce dernier. C'est le géophysicien yougoslave Milutin
Milankovitch qui a émis la théorie que les changements
climatiques de la planète au cours du dernier million d'années
étaient dus aux variations de la quantité d’énergie solaire

7. 7
captée par la Terre, basées sur les variations des paramètres
orbitaux de la Terre. Les paramètres orbitaux de la Terre sont
les éléments qui permettent de définir la forme de l'orbite
terrestre (excentricité), l'orientation de l'axe de rotation de
la Terre par rapport au plan de son orbite (obliquité) et la
position de la Terre sur son orbite à un moment donné
(précession).
 Excentricité
L'excentricité de l’orbite terrestre (qui s’effectue dans
le plan de l’écliptique), désigne la déformation de celle-ci :
l’orbite elliptique oscille entre une forme très proche du cercle
parfait et une ellipse plus allongée. Le cycle complet s’effectue
avec une période de 100.000 ans.
 Obliquité
L’obliquité de l’axe des pôles. L’angle d’inclinaison de
l’axe de rotation terrestre n’est pas constant dans le temps, il
vaut actuellement 23°27’ et varie en fait entre 21° et 24°, avec
une périodicité de 40.000 ans. Une forte inclinaison par rapport
à la verticale correspond à un contraste saisonnier important.
 Précession
La précession climatique, également appelée “précession des
équinoxes”, rend compte du fait que la Terre oscille comme une
toupie autour de son axe de rotation. Celui-ci décrit ainsi un
double cône autour de la direction perpendiculaire au plan de
l’orbite et ce mouvement décale lentement la position des
équinoxes de printemps et d'automne par rapport aux deux
positions de périhélie (point de l'orbite de la terre le plus
proche du soleil) et d’aphélie (point de l'orbite de la terre le
plus éloigné du soleil). Le cycle complet dure 26.000 ans.

8. 8
4.2 La latitude et la longitude d'un point terrestre :
Pour repérer un point à la surface de la Terre, deux angles
sont nécessaires :
– La latitude φ : la latitude astronomique est l'angle que fait
la verticale du lieu avec le plan équatorial.
– La longitude λ : la longitude est l'angle entre le méridien du
lieu et le méridien de Greenwich.
Ou retrouve-ton la latitude d'un lieu sur la voute céleste ?
Sur la figure ci-dessus, on voit que la latitude d'un lieu,
qui est l'angle entre la verticale et l'équateur, est aussi égale
à la hauteur du pôle sur l'horizon. Lorsqu'on regarde le ciel
dans la direction du nord, l'angle entre la direction de l'étoile
polaire et l'horizontale est égal à la latitude du lieu.
Les coordonnées géographiques de Tunis :
Latitude : 36°49′08″ Nord
Longitude : 10°09′56″ Est
Latitude φ et longitude λ.

9. 9
4.3 Les saisons :
L'inégalité du jour et de la nuit et le phénomène des
saisons ont pour origine commune le fait que le plan écliptique
(plan de l'orbite terrestre) et le plan équatorial terrestre
(plan perpendiculaire à l'axe des pôles) ne sont pas parallèles,
mais forment un angle de 23°27’. La figure ci-dessus représente
la Terre en quatre positions sur son orbite autour du Soleil.
Ces quatre positions (équinoxe de printemps, solstice d'été,
équinoxe d'automne, solstice d'hiver) correspondent avec le
début des quatre saisons.
Lors du solstice d’été (le 21 juin en général), c’est le
jour le plus long de l’année dans l’hémisphère nord, le plus
court dans l’hémisphère sud. A la latitude de Tunis (36°49’ N),
le jour dure 14 h 41 min, pour 9 h 18 min de nuit. Plus au nord, les
jours sont plus longs encore, et au niveau du cercle polaire
arctique (latitude 66°33’ N), le Soleil ne se couche pas ce jour-
là. On contemple alors le soleil de minuit. Au-delà, le jour
dure plus de 24 heures, et au pôle Nord, le jour dure 6 mois, de
mars à septembre ! Notez également qu’au niveau du tropique du
Cancer (latitude 23°27’ N), le Soleil passe au zénith ce jour-
là. Au nord du tropique du Cancer, c’est le moment où le Soleil
monte le plus haut dans le ciel.
Lors du solstice d’hiver (le 21 décembre en général), tout
est inversé, et ce sont les habitants de l’hémisphère sud qui
connaissent le jour le plus long de l’année. Le Soleil passe au
zénith au niveau du tropique du Capricorne (latitude 23°27’ S),
et ne se couche pas au cercle polaire antarctique.
Orbite de la Terre autour du Soleil et les saisons

10. 10
A l’équinoxe de printemps (20 ou 21 mars) et à l’équinoxe
d’automne (22 ou 23 septembre), les durées du jour et de la nuit
deviennent égales (12 heures) à toutes les latitudes, car l’axe
de rotation de la Terre est alors perpendiculaire aux rayons du
Soleil. La « ligne » qui sépare l’hémisphère éclairé de
l’hémisphère obscur, nommée terminateur, passe alors par les
pôles. Ce jour-là, le Soleil se lève exactement à l’Est, et se
couche exactement à l’Ouest. A l’équateur, il passe au zénith.
4.4 Hauteur, azimut et déclinaison du Soleil:
La position précise du soleil dans le ciel à un moment donné
se détermine à l'aide de deux coordonnées la hauteur et l'azimut:
– La hauteur du soleil (h) est l'angle entre la direction du
Soleil et le plan horizontal. h est comprise entre 0° (le Soleil
est dans l'horizon, au moment de son lever et de son coucher) et
90° (le Soleil est au zénith du lieu, ce qui n'arrive jamais
pour nos latitudes).
– L'azimut solaire (a) est l'angle mesuré entre le point cardinal
Sud (dans l'hémisphère nord) ou Nord (dans l'hémisphère sud) et
la projection sur le plan horizontal local de la droite reliant
la terre au soleil.
Hauteur h et azimut a

11. 11
Comment mesurer la déclinaison du Soleil ?
La difficulté principale est donc de pouvoir déterminer la
déclinaison du Soleil. Celle-ci change constamment au fil des
heures. Nous ne pourrons la mesurer qu'au moment du midi solaire,
lorsque le Soleil culmine (passage au méridien du lieu).
La déclinaison δ au-dessus de l'équateur céleste : c'est
l'angle entre la direction du Soleil et le plan équatorial. δ
varie de -23,43° à +23,43°.
Sur la figure suivante, on voit que :
90−φ=h−δ et donc : δ=h+φ−90. Si on mesure h et si on connait φ,
alors on peut calculer la déclinaison δ du Soleil.
La déclinaison δ du Soleil est l'angle entre la direction
du Soleil et le plan équatorial. Au cours de l'année, en fonction
de la position de la Terre sur son orbite, cette déclinaison du
Soleil évolue.
– Au solstice d'été : Le Soleil étant au-dessus de l'équateur,
il a sa déclinaison maximale : δ=+ε=23°27'.
– A l'équinoxe d'automne: Le Soleil est exactement dans le plan
de l'équateur, sa déclinaison est nulle : δ=0°.
– Au solstice d'hiver: Le Soleil étant en dessous de l'équateur,
il a sa déclinaison minimale : δ=−ε=−23°27'.
– A l'équinoxe de printemps: Le Soleil est exactement dans le
plan de l'équateur, sa déclinaison est nulle : δ=0°.
4.5 Trajectoire apparente du soleil :
Au cours de la journée, le Soleil décrit une trajectoire
circulaire dans le Ciel. Il se lève du côté de l'est, monte
graduellement jusqu'à un point culminant ou il indique la
direction du sud, puis redescend pour se coucher du côté de
l'ouest.

12. 12
Au fil de l'année, la trajectoire que le Soleil effectue
chaque jour dans le Ciel évolue : le Soleil monte plus ou moins
haut dans le ciel; il se lève et se couche à des endroits
différents et le jour dure plus ou moins longtemps. La
trajectoire du Soleil dans le Ciel change donc chaque jour mais
toutes ses trajectoires sont parallèles entre elles et
perpendiculaires à l'axe de rotation de la Terre.
On peut alors, pour différentes dates l'année et en fonction de
la latitude du lieu, visualiser les coordonnées horizontales
(hauteur et azimut) positionnant le Soleil en fonction de l'heure
Trajectoire du soleil dans le ciel

13. 13
d'observation (en convenant que le midi correspond à l'angle
horaire nul). Ainsi, pour connaitre la course solaire à un lieu
précis (fenêtre, porte, véranda, terrasse,..) on utilise le
diagramme solaire de la latitude à laquelle on se trouve.
Ce diagramme permet aussi de reporter les masques solaires
(maisons, arbres, colline,...) d'un lieu précis.
4.6 Masques et diagramme d'ombre:
Des masques solaires peuvent être occasionnés par le relief,
la végétation existante, les bâtiments voisins, ou encore par
des dispositifs architecturaux liés au bâtiment lui-même. Les
constructions constituent des écrans fixes pour leur voisinage.
Leur rôle peut être positif si l'on recherche une protection
contre le Soleil : c'est le cas des villes méditerranéennes
traditionnelles, où l'étroitesse des ruelles et la hauteur des
bâtiments réduisent considérablement le rayonnement direct et
fournissent un ombrage bienvenu. Cependant, ce rôle peut être
négatif si les bâtiments voisins masquent le Soleil alors qu'on
souhaite bénéficier d'apports solaires. En effet sous notre
climat, durant les mois d'hiver, environ 90 % des apports
solaires interviennent entre 9 h et 15 h solaire. Tous les
masques de l'environnement (immeubles ou grands arbres, qui
interceptent le Soleil pendant ces heures) gêneront grandement
l'utilisation des gains solaires.
Afin de déterminer l'impact des ombres portées par des
obstacles sur un lieu ou un observateur, on effectue un relevé
de masque solaire. Ce relevé de masque permet de déterminer les
heures de la journée et la période de l'année pendant lesquelles
ce lieu est à l'ombre. Le résultat se traduit par une ou
plusieurs surfaces hachurée, placée sur le diagramme solaire.
L'exemple décrit ci-dessous, montre tout l'intérêt fourni par la
connaissance de la trajectoire apparente du soleil. Une maison
située au point P est à l'ombre d'un immeuble. En traçant le

14. 14
diagramme d'ombre de cet obstacle, on voit bien que cette maison
est à l'ombre pendant une bonne partie de l'année. Notamment
pendant la période froide (Novembre, Décembre, Janvier et
Février).