Conception d’un dispositif de mesure de BSDF pour l’éco-conception de bâtiments

Design of a BSDF measuring device for the eco-design of buildings

• Auteur / Autrice : Anna Andreani
• Direction : Raphaël Labayrade
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance le 07/02/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire génie civil et bâtiment (Vaulx-en-Velin, Rhône)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole nationale des travaux publics de l'Etat (Vaulx-en-Velin, Rhône ; 1975-....)
• Jury : Président / Présidente : Roland Brémond
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christine Andraud
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nicolas Holzschuch, Lionel Simonot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éclairage intérieur

Mesure

Matériaux -- Propriétés optiques

Mots clés libres

Matériaux

Simulation visuelle réaliste

BSDF

BRDF

BTDF

Réflexion

Transmission

Bâtiments

Éco-conception

Éclairage

Éclairagisme

Spectre

Diffus

Brillant

Materials

Realistic visual simulation

BSDF

BTDF

BRDF

Reflection

Transmission

Buildings

Eco-design

Light

Lighting

Spectral

Diffuse

Glossy

Résumé

Dans un contexte de raréfaction des énergies primaires, il est nécessaire d’œuvrer pour la réduction des consommations énergétiques liées à l’éclairage dans les bâtiments tout en garantissant que les occupants bénéficient d'un bon confort visuel. La simulation physico-réaliste à l’aide de logiciels de simulation de la lumière constitue un outil d’évaluation de diverses variantes d’un bâtiment. Elle peut être mobilisée au sein d’approches d’optimisation multi-critères dans l’optique du déploiement de systèmes d’aide à la décision ayant vocation à identifier les meilleurs compromis possibles entre consommation énergétique et confort des usagers. Dans la mesure où les propriétés optiques des matériaux constitutifs des bâtiments (opaques, transparents, colorés, isotropes, anisotropes et présentant des textures ou des micro-reliefs) constituent une donnée d’entrée des logiciels de simulation de la lumière, leur caractérisation est un préalable essentiel à la mise en œuvre de cette démarche d'éco-conception des bâtiments. Les propriétés optiques des matériaux sont décrites par le formalisme mathématique de la BSDF (Bidirectional Scattering Distribution Function) et peuvent être intégrées dans la plupart des logiciels de simulation de la lumière sous la forme de modèles analytiques ou sous la forme de mesures tabulées. Les modèles analytiques largement utilisés permettent de caractériser des matériaux optiquement simples mais s’étendent difficilement aux matériaux plus complexes. De plus, aucun dispositif ne permet, à ce jour, de caractériser finement, via des mesures tabulées, toute la diversité des matériaux constitutifs du bâtiment en un temps opérationnel. Aussi, ce travail de thèse a pour objectif de concevoir un dispositif de mesure rapide et précis des caractéristiques optiques de matériaux pour la simulation physico-réaliste de bâtiments. Un premier dispositif de mesure a été conçu et a montré la faisabilité de l’exploitation d’un instrument muni de multicapteurs comme détecteur. Il a permis d’identifier les écueils à éviter ainsi que les obstacles à contourner pour la conception d'un second dispositif de mesure plus opérationnel, aux capacités accrues. S’appuyant sur un instrument muni de multicapteurs et sur un système de positionnement pilotable informatiquement, il permet la mesure des propriétés optiques des matériaux constitutifs du bâtiment dans un contexte opérationnel. Les phases d'acquisition et de traitement des données brutes sont supervisées informatiquement. La durée des mesures se situe entre 5 minutes 40 secondes et 3 heures 2 minutes et 30 secondes. Leur répétabilité moyenne est de 97.88%.

In a context of increasing scarcity of primary energy, it is necessary to work to reduce energy consumption related to lighting in buildings while ensuring that occupants enjoy good visual comfort. Physical-realistic simulation using light simulation software is a tool for evaluating various variants of a building. It can be used in multi-criteria optimization approaches with a view to deploying decision-support systems designed to identify the best possible trade-offs between energy consumption and user comfort. Insofar as the optical properties of building materials (opaque, transparent, coloured, isotropic, anisotropic and with textures or micro-reliefs) are an input to light simulation software, their characterization is an essential prerequisite for the implementation of this eco-design approach for buildings. The optical properties of materials are described by the mathematical formalism of the BSDF (Bidirectional Scattering Distribution Function) and can be integrated into most light simulation software in the form of analytical models or tabulated measurements. Widely used analytical models can be used to characterize optically simple materials but are difficult to extend to more complex materials. Moreover, no device currently exists that can finely characterise the full range of materials in a building in an operational time frame using tabulated measurements. Therefore, the aim of this thesis work is to design a device for the fast and accurate measurement of the optical characteristics of materials for the physico-realistic simulation of buildings. A first measuring device has been designed and has shown the feasibility of operating an instrument equipped with multi-sensors as a detector. It identified the pitfalls to be avoided as well as the obstacles to be circumvented for the design of a second, more operational measuring device with increased capabilities. Based on an instrument equipped with multi-sensors and a computer-controlled positioning system, it allows the measurement of the optical properties of the building's constituent materials in an operational context. The raw data acquisition and processing phases are supervised by computer. The duration of the measurements ranges from 5 minutes 40 seconds to 3 hours 2 minutes and 30 seconds. Their average repeatability is 97.88%.