Calculez les caractéristiques de l’éclairage dont vous avez besoin

16 mars 2018 by Eric

Si vous regrettez le temps où il suffisait de lire la consommation en watt sur la boite de votre ampoule pour choisir l’intensité lumineuse qu’il vous fallait, alors cette page est pour vous. Elle explique les principaux concepts utilisés pour décrire les caractéristiques des éclairages modernes, et en particulier :

• Comment on mesure l’efficacité énergétique d’une ampoule ;
• Que les luminaires aussi ont un rendement qui leur est propre ;
• Ce que signifient les termes techniques qui apparaissent en description des luminaires et des ampoules récentes : lumen, lux, candela.

2- Puissance lumineuse et rendement énergétique de l’ampoule

Une ampoule est comme un transformateur d’énergie : il consomme de la puissance électrique – que l’on retrouve sur sa facture d’électricité – et en transforme une partie en lumière. Cette transformation n’est pas parfaite, une proportion importante de l’énergie consommée est transformée en chaleur. Chaque technologie (fluo-compacte, halogène, incandescence traditionnelle, incandescence halogène, LED) affiche un rendement différent. En outre, deux ampoules de même technologie peuvent avoir des rendements très différents, en fonction notamment de la qualité de leur construction et des matériaux employés.

La quantité de lumière émise par une ampoule se mesure en lumen. Historiquement, le lumen a été défini par son inventeur (Perley Nutting au début du 20° siècle) comme le flux lumineux total émis par une source de longueur d’onde de 555 nanomètres dont l’intensité est de 1/683 watt (en 1979, cette définition a été simplifiée en introduisant le candela, voir ci-dessous notre paragraphe sur le candela). Notons que le lumen mesure la luminosité perçue par l’oeil humain, qui est plus sensible à la lumière au centre du spectre visible qu’à ses extrémités. Les 555 nanomètres correspondent à une fréquence jaune-verte, proche du maximum de sensibilité de l’oeil humain. Une lampe à ultra-violets par exemple, qui émet une lumière invisible pour l’oeil humain, produira une intensité lumineuse de zéro lumen, quelque soit sa puissance!

A longueur d’onde donnée (la « couleur »), plus une ampoule est efficace, plus elle produit de lumens pour une puissance électrique consommée donnée. Ce rendement se mesure en lumens produits par watt de puissance électrique consommée. (Note pour les plus techniques: une conséquence intéressante de la définition du lumen, est qu’une lampe – LED par exemple – qui émettrait une lumière de température de 4000 Kelvin avec un spectre étroit, affichera un bien meilleur rendement qu’une autre LED, de même puissance, émettant la même température de couleur moyenne, mais avec un spectre beaucoup plus large. C’est toutefois cette dernière qui serait la plus belle, et en particulier qui rendrait le mieux les couleurs. Autrement dit, les ampoules de qualité qui proposent un Coefficient de Rendu des Couleurs élevé, doivent être plus puissantes que les autres pour émettre autant de lumens.)

Le tableau ci-dessous montre la puissance électrique consommée, la quantité de lumière émise et le rendement lumineux pour quelques exemples d’ampoules :

On constate que les meilleurs rendements sont obtenus par les tubes néon – c’est pour cela qu’ils sont massivement utilisés en éclairage industriel ou de bureau – et par les ampoules fluo-compactes – qui ne sont que des néons miniatures. Avec des rendements de 50 à 60 lumens / W, ces sources lumineuses consomment 4 à 5 fois moins de courant que les ampoules à incandescence classiques.

Les meilleurs modèles de LED actuels affichent également des rendements lumineux élevés – et les progrès rapides enregistrés par les fabricants permettent de prévoir à moyen terme des niveaux bien supérieurs encore. Pendant longtemps les LED avaient à juste titre la réputation d’éclairer faiblement, mais les progrès sont rapides et il est maintenant courant de trouver des ampoules LED annoncées pour 1000 à 1500 lumens (quoique rarement avec une très bonne qualité de lumière).

Les ampoules halogènes offrent un rendement de l’ordre de 18 lumens / W – une économie d’énergie de 20% à 40% par rapport aux ampoules traditionnelles.

3- Le rendement d’un luminaire

L’attention du régulateur se concentre sur le rendement énergétique de l’ampoule. Mais la quantité de lumière produite dépend aussi du rendement du luminaire qui en est équipé.

Le rendement d’un luminaire dépend de deux facteurs:

• Les caractéristiques électriques et optiques de la source lumineuse utilisée (sujet couvert plus haut) ;
• La capacité du luminaire à transmettre cette lumière autour de lui : une simple lampe de table entourée d’un abat jour noir opaque a une efficacité inférieure à une lampe identique entourée d’un abat jour blanc semi transparent. Le problème pour un concepteur est de produire un luminaire qui soit efficace du point de vue de la restitution de la lumière produite par l’ampoule, tout en étant décoratif et conforme aux normes de sécurité. La lumière perdue par le luminaire est transformée en chaleur, contribuant ainsi au chauffage du luminaire et de la maison avec la même efficacité qu’un radiateur électrique.

Pour simplifier, l’éclairagiste « éco-responsable » préfère les ampoules nues, et évite les luminaires aux abat-jour sombres.

4- L’éclairement – mesuré en lux

Nos yeux voient des surfaces et des objets qui nous entourent, à condition qu’ils soient éclairés. L’éclairement mesure la quantité de lumière qui les illumine. Le degré d’éclairement est exprimé en lux. On le mesure facilement avec un luxmètre, utilisé les photographes professionnels pour vérifier le bon éclairement du sujet à photographier et que l’on appelle communément la « cellule ».

Le tableau ci-dessous présente plusieurs niveaux d’éclairement à titre illustratif :

Quel est le lien entre le flux lumineux (mesuré en lumens) et l’éclairement (mesuré en lux) ?

Le lux est défini comme l’éclairement d’une surface qui reçoit un lumen par mètre carré. Il s’agit d’une intensité reçue, indépendamment des caractéristiques de l’ampoule qui a émis la lumière (distance, puissance etc…).

Imaginez une pièce vide et carrée de 3 mètres de côté, dans laquelle on accroche une ampoule sur un plafond à 3 mètres de hauteur et qui génère un flux de 2000 lumens (par exemple, une ampoule halogène de 100W sans abat-jour).

La surface totale des surfaces de la pièce (murs, plafond, plancher) est de 6 x 3 x 3 = 54 mètres carrés. L’éclairement moyen de la pièce est donc de 2000 lumen divisé par 54 mètres carrés = 37 lux. Si vous ajoutez un abat-jour qui réduit la surface éclairée à un cercle de 1 mètre carré sur le sol, ce mètre carré sera toujours éclairé à 37 lux. Et le reste de la pièce sera dans le noir avec 0 lux (aux réflexions près).

En réalité, les spécialistes en éclairage pratiquent couramment le calcul inverse :

• En fonction des objectifs d’utilisation et des impératifs esthétiques retenus, ils choisissent le niveau d’éclairement à atteindre, exprimé en lux ;
• Selon la superficie des surfaces à éclairer, ils déterminent le flux de lumière total (exprimé en lumens) nécessaire pour atteindre le niveau d’éclairement retenu ;
• Un ensemble de luminaires est alors sélectionné, capable de produire le flux total nécessaire.

Comme nous l’avons remarqué avec l’exemple de la pièce, d’autres contraintes entrent en ligne de compte, et notamment la répartition de la lumière: les luminaires sont en général conçus pour filtrer ou diriger la lumière, ce qui réduit d’autant les lux reçus par la pièce. Il faut donc prendre en compte la façon dont chaque luminaire distribue dans l’espace la lumière qu’il produit – et c’est ce qu’on aborde au prochain paragraphe, avec le troisième et dernier concept important, le candela.

5- L’intensité lumineuse – exprimée en candelas

Une ampoule nue (ou une bougie) éclaire dans pratiquement toutes les directions. Mais de nombreux luminaires concentrent l’essentiel de la lumière qu’ils produisent dans un faisceau plus ou moins étroit, souvent avec l’aide de réflecteurs. En assimilant ce faisceau à un cône, on mesure souvent la largeur du faisceau par un angle exprimé en degrés (pour être exact, il s’agit d’angle « solide », mesuré en stéradian). Plus cet angle est faible, plus le faisceau est étroit.

Si nous reprenons notre pièce, mais éclairée cette fois avec un spot encastré dans notre plafond à trois mètres de hauteur, alors un faisceau d’un angle de:

• 6 degrés, produit sur le sol un cercle de 30 centimètres de diamètre ;
• 35 degrés, produit un cercle de 1.90 mètres de diamètre.

Le calculateur ci-dessous vous donnera en seconde colonne, le diamètre de la surface éclairée en fonction de la largeur du faisceau et de la distance du luminaire.

Les spécialistes mesurent l’intensité lumineuse produite par une ampoule ou un spot dans son faisceau « utile » en utilisant une autre unité de mesure, le candela: une intensité lumineuse d’un candela correspond à un flux lumineux d’un lumen réparti sur un stéradian (le stéradian correspond en gros à un cone d’angle « plan » de 65,54° – oui, ça devient un peu compliqué – mais l’éclairage, c’est vite complexe!). Vous vous souvenez que le lumen avait été défini par Monsieur Nutting à partir d’une puissance un peu curieuse de 1/683 watt? Monsieur Nutting avait fait ça pour que le candela corresponde en gros à l’intensité lumineuse émise par une bougie. Pour une référence plus récente, une ampoule incandescente traditionnelle émet environ une intensité d’un candela par watt.

Désormais, tout se tient: mieux vous voulez voir ce que vous mangez à table plus elle doit recevoir de lux. Plus votre luminaire est placé haut, plus votre ampoule devra émettre une intensité lumineuse importante pour que chaque mètre carré de la table reçoive les lux qu’il lui faut (ce sont les candelas). Plus la table est grande, plus le cone d’éclairage devra être large (à hauteur constante) et plus le nombre de lumens reçus par la table sera élevé (les lux multipliés par la surface de la table, ou les candela multipliés par la largeur du cone)… Si vous voulez en plus mettre votre nappe et votre vaisselle en valeur (choisir une ampoule qui a un CRI élevé) et chauffer au passage votre pièce (avec un rendement plus faible de l’ampoule), plus il faudra que l’ampoule consomme d’énergie (mesurée en watt) pour émettre les lumens dont vous avez besoin.

Malgré les apparences, le maniement du candela est relativement aisé : l’éclairement E en lux d’une surface à une distance D d’un projecteur de C candela est simplement égal à : E = C / (D x D). Deux exemples :

• Un projecteur de 1000 candelas placé à une distance de 10 mètres d’une surface l’illumine à raison de 1000 / (10 x 10) = 1000 / 100 = 10 lux ;
• Pour obtenir un éclairement de 50 lux par un projecteur placé à 5 mètres, il faut installer un projecteur de 50 x 5 x 5 = 1250 candelas. Naturellement, il faut aussi que le projecteur ait un faisceau suffisamment large pour éclairer, depuis sa distance, la totalité de la surface considérée.

Le calculateur ci-dessous vous permet d’estimer l’éclairement obtenu avec des luminaires types, à partir de leur puissance électrique, la technologie de leur ampoule, la largeur de leur faisceau, et la distance à la surface éclairée. Il calcule le diamètre de cette surface, la quantité de lumière en lumens produite par le luminaire, l’intensité lumineuse du faisceau en candelas et l’éclairement obtenu :

Vous pouvez aussi être intéressé par les pages suivantes:

• Nos conseils pour dimensionner votre éclairage et choisir vos luminaires: Concevoir un éclairage d’ambiance
• Quelles ampoules choisir, entre les fluorescentes, les LEDs et autres, avec les avantages et inconvénients de chacune: Quelles technologies choisir pour vos ampoules?
• Comment choisir un ampoule LED de qualité, qui réponde à vos attentes en terme de luminosité et de qualité de lumière: Comment bien choisir une ampoule LED
• Comment utiliser les différentes unités de mesure de lumière, et comprendre leur signification: Calculez en lux lumen et candela!
• Utiliser nos calculateurs pour dimensionner l'éclairage en fonction de votre pièce: Nos calculateurs de niveau d’éclairage
• Se répérer dans les différents modèles d'ampoules: SOS - les différents modèles d’ampoules
• Découvrir les luminaires connectés et comment vous équiper simplement: Les luminaires connectés

Vous trouverez aussi ci-dessous nos conseils pour choisir et installer les différents types de luminaires que Vraiment Beau vous propose:

• Les lustres et les suspensions
• Les lampes à poser
• Les appliques murales
• Les balises lumineuses

Et enfin, si vous désirez passer aux travaux pratiques, vous pouvez revenir à notre catalogue de produits avec ses différentes catégories, ou explorer toutes nos marques.