Pourquoi la lumière naturelle est-elle si importante dans la conception d’école ?

L’effet revigorant de la lumière naturelle et de la chaleur peut également être ressenti, à moindre échelle, dans toute une série d’environnements allant de la maison au bureau, en passant par les bâtiments publics, les écoles et les universités. Il n’est peut-être dès lors pas surprenant que, dans le cadre d’une récente étude¹ consacrée à l’impact de la conception physique des bâtiments d’enseignement sur les résultats des élèves, la lumière s’avère être un des paramètres individuels clés.

Pourquoi la lumière du jour ?

Plusieurs études montrent que la lumière naturelle est non seulement bénéfique pour la santé et le bien-être général des enfants, mais aussi qu’elle peut sensiblement améliorer les résultats scolaires.

Une de ces études¹ a été menée par l’université de la Sorbonne en utilisant les données de l’étude SINPHONIE qui couvre 13 pays européens et à laquelle 2 387 enfants ont participé. Elle a conclu que les résultats scolaires peuvent s’améliorer de 15 % quand les élèves travaillent dans des classes dotées de fenêtres plus grandes – en raison d’un apport plus important en lumière naturelle et d’une meilleure vue sur le monde extérieur.

La conclusion de l’étude Clever Classrooms² menée par l’université de Salford, Royaume-Uni, est qu’une bonne lumière naturelle contribue à créer une sensation de confort physique et mental dont les avantages vont bien au-delà du simple confort de vue.

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Comment concevoir avec la lumière naturelle ?

S’il est certes parfois nécessaire de renforcer la lumière naturelle grâce à un éclairage artificiel abondant et de bonne qualité quand la luminosité extérieure n’est pas suffisante, nous devons essayer de faire de la lumière du jour la principale source d’éclairage dans les écoles. Si elle est contrôlée de façon adéquate, la lumière du soleil est généralement bien accueillie comme une source d’éclairage dans les bâtiments aux quatre coins d’Europe.

Quand des fenêtres ou des verrières sont orientées au nord, la lumière naturelle qui pénètre dans une pièce a tendance à être plus douce et plus diffuse, avec de subtils changements de niveaux lumineux et de texture de couleur au fil de la journée. Avec d’autres orientations, la lumière du soleil renforce la luminosité générale des intérieurs, avec des zones spécifiques où la lumière se concentre.

Le défi que représente la conception utilisant la lumière naturelle est particulièrement évident dans les salles de cours profondes où la distance entre les fenêtres et le fond de la classe est considérable. Dans ce genre d’environnements, on remarque souvent une disparité dans les niveaux de lumière : lumineux près des fenêtres et plus sombre vers le fond.

Dans les situations où la forme ou la taille des classes ne permet pas des niveaux de lumière adéquats dans toute la pièce et/ou la possibilité d’installer une fenêtre est limitée, les verrières sont souvent la solution idéale. En l’absence d’accès direct au ciel en raison de la présence d’étages supérieurs, les puits de lumière peuvent constituer une alternative efficace.

Un des avantages collatéraux de la création d’ouvertures pour la lumière naturelle est qu’elles offrent aussi une connexion sur l’extérieur, nous permettant ainsi de suivre les changements météorologiques, l’heure de la journée et l’époque de l’année.

Il y a de nombreux facteurs à prendre en compte quand on réfléchit à la quantité de lumière qui sera obtenue grâce à des fenêtres ou verrières. Parmi ceux-ci : la transmittance du vitrage, l’épaisseur du mur, les obstacles extérieurs, les extensions en surplomb (p. ex. : avancées, balcons) et sur les côtés (p. ex. : extension du bâtiment même), la profondeur de la pièce, etc. Quand on prend en compte tous ces facteurs, une verrière offre généralement plus du double de lumière naturelle qu’une fenêtre de façade de taille égale.

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Prévenir un éblouissement excessif

L’éblouissement apparaît quand des zones trop lumineuses sont situées dans le champ de vision ou quand le contraste est trop fort. Cependant, l’éblouissement causé par la lumière naturelle n’est pas le même que celui induit par l’éclairage électrique en ce qui concerne l’ampleur, la distribution de la luminance complexe et l’acceptation par les usagers (p. ex. : les gens ont tendance à mieux tolérer l’éblouissement dans un environnement éclairé naturellement)⁴.

Dans une classe, si les niveaux élevés de lumière naturelle offerts par de grandes fenêtres et verrières sont optimums, ils doivent néanmoins être contrôlés pour éviter tout éblouissement excessif lié à la lumière directe du soleil. Ce problème devient de plus en plus critique avec la généralisation de l’utilisation en classe de tableaux blancs interactifs et de projecteurs.

Un aspect important à prendre en compte dans le cadre du contrôle de l’éblouissement et du contraste est l’orientation des fenêtres. Les grandes surfaces vitrées doivent idéalement être orientées au nord afin de permettre à une lumière naturelle diffuse de pénétrer autant que possible tout au long de la journée/de l’année.

Une autre solution efficace pour contrôler l’éblouissement est l’installation de stores opaques faciles à manipuler afin de régler les niveaux de lumière naturelle. Une alternative aux stores est une occultation extérieure permanente, mais celle-ci peut malgré tout nécessiter des dispositifs d’occultation supplémentaires, selon les conditions et nécessités particulières.

D’autres protections solaires comme des rideaux, des stores rideaux, etc. en textile, en plastique ou en matériaux opaques perforés peuvent également être utilisées. Elles réduiront toutes l’éblouissement à des degrés divers en fonction : des propriétés optiques du matériau, de l’orientation de la fenêtre, de l’emplacement géographique et des heures d’ensoleillement annuel, de la zone vitrée et de la transmittance de la vitre, et de la distance entre l’usager et la source de lumière.

Les propriétés du matériau et les niveaux de protection contre l’éblouissement de ces types de protections solaires sont définis dans la norme SN EN 14501 Fermetures et stores, et la norme EN 17037 L’éclairage naturel des bâtiments.

Le contraste est un problème tout aussi important. Quand il est question d’éblouissement et de contraste, la différence entre luminosité absolue et luminosité relative est capitale. Pensez à la manière dont les feux de route peuvent être éblouissants de nuit et à peine visibles en plein jour. De même, une puissante source de lumière provoquera un éblouissement et un contraste bien moindres dans une pièce bien éclairée de manière générale par rapport à, par exemple, une grande fenêtre unique recevant la lumière directe du soleil dans une pièce sombre.

Il a été observé qu’il valait mieux ne pas dépasser le ratio de luminance de 1:10 entre ce que l’on regardait et l’environnement immédiat (par exemple, les murs autour d’un bureau). Aujourd’hui, notamment avec les bureaux en open-space, et en particulier avec des fenêtres dans le champ visuel, le rapport peut être de 20:1 ou plus entre une fenêtre et les surfaces adjacentes. Ce rapport de luminance est une expression du rapport entre la luminance au sein de la vision centrale et la vision périphérique de l’environnement³.

Fenêtres ou verrières ?

L’idéal pour obtenir une bonne distribution de la lumière naturelle dans une pièce est souvent d’utiliser plusieurs sources de lumière naturelle, par exemple une combinaison de verrières et de fenêtres. Cela peut aussi offrir des niveaux réduits d’éblouissement et de contraste. Il ne faut toutefois pas oublier l’importance de la vue : « Quand nous sommes assis à côté d’une fenêtre, nous préférons tolérer une grande quantité de lumière naturelle et profiter de la vue extérieure que baisser les stores et utiliser un éclairage artificiel. »⁴

Pour les pièces où même de grandes surfaces de fenêtres ne laissent pas entrer suffisamment de lumière ou dans lesquelles leur installation est tout simplement impossible (dans de très grandes classes, des salles de conférence ou dans des parties communes intérieures au centre du bâtiment), les verrières sont une excellente option à envisager. Des verrières ouvrantes stratégiquement situées dans la conception d’ensemble du bâtiment laissent entrer quantité de lumière naturelle durant les sombres mois d’hiver tout en apportant de l’air frais tout au long de l’année, en améliorant la qualité de l’air intérieur et en permettant de réguler la température.

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Normes de construction et niveaux de lumière

La performance de la lumière du jour dans un espace intérieur dépend en grande partie de la disponibilité et des propriétés de la lumière du jour à l’emplacement du bâtiment (c.-à-d. les conditions climatiques dominantes). La norme européenne Lumière du jour dans les bâtiments (EN 17037) a modifié la base des évaluations de la lumière du jour. La norme spécifie une méthode d’évaluation de la quantité de lumière du jour dans un espace afin d’assurer des niveaux suffisants de lumière du jour tout au long de l’année. Pour démontrer la conformité avec la recommandation EN 17037, il est nécessaire de montrer qu’un niveau d’éclairement cible est atteint sur 50 % d’un plan de référence pendant au moins la moitié des heures de clarté annuelles. En outre, pour les espaces avec des ouvertures de lumière du jour verticales ou inclinées, un niveau d’éclairement cible minimal doit également être atteint sur 95 % du plan de référence. La norme propose deux méthodes pour évaluer l’offre de lumière du jour à l’intérieur: 

• Méthode 1 : Méthode de calcul basée sur le facteur lumière du jour et la disponibilité annuelle de la lumière du jour des puits de lumière
• Méthode 2: Méthode de calcul basée sur la prédiction directe des niveaux d’éclairement à l’aide de données climatiques horaires de puits de lumière et de lumière directe du soleil. 

Le niveau de lumière du jour cible est basé sur la fourniture d’un éclairement intérieur supérieur ou égal à 300 lux, correspondant à l’exigence d’éclairage sur les lieux de travail (voir ci-dessous). Le niveau de lumière du jour cible minimal est supérieur ou égal à 100 lux. Dans un espace éclairé uniquement par des puits de lumière dans une construction de toit presque horizontale, le niveau de lumière du jour cible de 300 lux doit être atteint sur 95% de la surface de plancher concernée. Les facteurs de lumière du jour cibles correspondants pour chaque capitale européenne sont disponibles dans la norme, mais les valeurs sont plus élevées pour les pays situés en Europe du Nord par rapport à l’Europe du Sud en raison de la diminution naturelle de la disponibilité de la lumière du jour.

Les niveaux de lumière absolus nécessaires pour une tâche visuelle particulière dépendent du caractère de la tâche et de l’environnement visuel dans lequel elle est effectuée. Une norme européenne, EN 12464-1: Lumière et éclairage — Éclairage des lieux de travail — Partie 1: Lieux de travail intérieurs, fournit des informations sur les niveaux d’éclairage intérieur applicables à un environnement scolaire.

En règle générale, les niveaux d’éclairage intérieur suivants dans les écoles sont recommandés :

• 100 lux pour les intérieurs où les tâches visuelles sont limitées au mouvement et à la perception occasionnelle, par exemple les zones de circulation, les couloirs, etc.
• 500 lux pour les intérieurs où les écoliers ont besoin d’effectuer leurs tâches visuelles et d’avoir un sentiment de bien-être, par exemple les auditoriums, les amphithéâtres, les salles pratiques et les laboratoires, les bibliothèques (zones de lecture), etc. Dans les salles de classe, cela devrait également être le niveau de lumière sur le tableau noir / blanc. Pour les salles de classe utilisées par les jeunes enfants, la norme stipule que l’exigence peut être abaissée à 300 lux par gradation.
• 750-1000 lux pour les intérieurs où les tâches visuelles sont difficiles, nécessitant de petits détails à percevoir, ou si les hypothèses diffèrent des conditions visuelles normales.

Normes européennes

EN 12464-1 « Lumière et éclairage — Éclairage des lieux de travail — Partie 1: Partie 1: Lieux de travail intérieurs »

EN 14501 « Stores et volets - Confort thermique et visuel - Caractéristiques de performance et classification »

EN 17037 « Lumière du jour dans les bâtiments »

Sources

1. Impact of Lighting on School Performance in European Classrooms (2016) C. Maesano and I. Annesi-Maesano, CLIMA 2016, 12th REHVA World Congress 2016, Aalborg
2. Clever Classrooms (2015), rapport sommaire du projet HEAD, Université de Salford, Manchester
3. CLEAR Luminance Ratios
4. « Design Innovations for Contemporary Interiors and Civic Art », Luciano Crespi, 2016