Comparaison complète de la lumière naturelle et des sources de lumière électrique | Lecture indispensable pour les professionnels de l'éclairage

Knoop, M., Stefani, O., Bueno, B., et al. (2020). Daylight: What makes the difference? Lighting Research & Technology, 52(3), 423-442.

La lumière naturelle est la combinaison holistique des caractéristiques lumineuses de la lumière solaire provenant du rayonnement solaire direct et de la lumière du ciel provenant du rayonnement solaire diffus (Figure 1). Contrairement à l'éclairage électrique, la lumière naturelle est hautement dynamique, changeant au sein et entre les jours, tout au long de l'année et avec les conditions météorologiques en intensité, couleur, diffusion et direction. L'éclairage naturel fait référence à l'illumination des espaces intérieurs par la lumière naturelle fournie à travers les ouvertures de l'enveloppe du bâtiment.

Cet article est issu des discussions entre les auteurs lors d'un séminaire tenu à Berlin en juin 2018 et n'est pas destiné à être un article de revue complet. Le but du séminaire était de refléter une discussion interdisciplinaire sur les divers aspects scientifiques, techniques et créatifs des différences entre la lumière naturelle et la lumière électrique. Comme première étape, cet aperçu devrait fournir une base pour des discussions et des recherches plus spécifiques.

De nombreuses études basées sur des enquêtes ont montré que la lumière naturelle est préférée à l'éclairage électrique dans la plupart des contextes[1-5]. Boyce et al [6] affirment que ‘Il ne fait aucun doute que les gens préfèrent la lumière naturelle à l'éclairage électrique comme source principale d'illumination’ et fournissent un aperçu de la littérature qui montre qu'un pourcentage élevé des répondants aux enquêtes préfèrent travailler à la lumière naturelle. La plupart des études ont été réalisées à des latitudes autour de 50°N [2,3,7] ; une étude sous les tropiques indique que la majorité des occupants préfèrent également travailler à la lumière naturelle [8].

De nombreuses revues documentent l'importance de la lumière du jour pour la santé, le bien-être et la durabilité, ainsi que ses conséquences sur l'architecture [5-13]. Veitch et Galasiu [11] résument : 'Les revues [5,14] ont conclu que la plupart des employés souhaitent des fenêtres et un éclairage naturel et qu'ils contribuent à la santé et au bien-être’. Ici, nous montrons que les caractéristiques spécifiques et les avantages connexes de la lumière du jour, résumés dans le Tableau 1, qui produisent cette réaction humaine vont au-delà des préférences subjectives pour la lumière naturelle, comme discuté par Haans [15].

De nombreux articles de revue documentent l'importance de la lumière du jour pour la santé, le bien-être et la durabilité, ainsi que son impact sur l'architecture. Veitch et Galasiu résument : « La plupart des employés dans les espaces de bureau souhaitent des fenêtres et un éclairage naturel, qui contribuent positivement à la santé et au bien-être ». Cet article souligne également que les caractéristiques spécifiques de la lumière du jour et leurs avantages (résumés dans le Tableau 1) vont au-delà des préférences subjectives des gens pour la lumière naturelle, comme discuté par Haans.

Tableau 1 Caractéristiques de la lumière du jour et de l'éclairage électrique

Sous-jacentes à la préférence humaine pour la lumière du jour se trouvent des expériences qui transcendent les stimuli physiques immédiats, souvent orchestrées par leur nature pour s'entrelacer avec des connaissances liées au contexte. Le soleil a été adoré dans de nombreuses cultures, la lumière du soleil et les qualités des ombres et de l'obscurité étant généralement considérées comme une source d'expérience spirituelle et esthétique, ainsi que de santé et de bien-être.

La raison sous-jacente de la préférence des gens pour la lumière du jour est les expériences qui transcendent les stimuli physiques immédiats, qui sont souvent entrelacées avec des connaissances liées au contexte. Le soleil est adoré dans de nombreuses cultures, et la lumière du soleil ainsi que les qualités des ombres et de l'obscurité sont généralement considérées comme des sources d'expérience spirituelle et esthétique, ainsi que de santé et de bien-être.

Contrairement à la lumière naturelle, l'éclairage électrique est une source de lumière artificielle contrôlable associée aux avancées scientifiques et technologiques qui est plus facile à étudier et à concevoir pour obtenir des résultats spécifiques. En revanche, la lumière naturelle en tant que source naturelle est plus difficile à contrôler et les dynamiques quotidiennes, saisonnières et annuelles de la lumière naturelle produisent des résultats différents selon les lieux, modifiés en outre par les conditions météorologiques. En raison de ces différences géographiques, l'éclairage naturel (daylighting) approprié peut varier de l'exposition au soleil et à la lumière du ciel à l'exclusion complète de la lumière solaire des bâtiments.

Contrairement à la lumière naturelle, Source de lumière électrique est une source de lumière artificielle contrôlable, un produit de la science et de la technologie, plus facile à étudier, concevoir et mettre en œuvre pour obtenir des résultats spécifiques. En revanche, Éclairage naturel (daylighting) en tant que produit naturel est plus difficile à contrôler, et ses changements dynamiques quotidiens, saisonniers et annuels produisent des résultats différents selon les lieux, affectés en outre par les conditions météorologiques. En raison de ces différences géographiques, l'Éclairage naturel (daylighting) approprié varie considérablement : de l'exposition à la lumière du soleil et du ciel, au blocage complet de la lumière directe du soleil.

De plus, l'utilisation des ouvertures de lumière naturelle dans l'enveloppe du bâtiment dépend de la fonction de l'espace intérieur, ainsi que des exigences des occupants en matière de confidentialité, de vue, de protection contre l'éblouissement et de gestion du gain de chaleur solaire. Les individus répondent également différemment à la lumière naturelle, comme examiné par exemple par Pierson et al [16]. Une construction complexe de préférences et de caractéristiques individuelles, physiologiques, culturelles, géographiques et saisonnières sous-tend le désir de lumière naturelle, et la réponse humaine subséquente, ainsi que les avantages environnementaux et monétaires.

De plus, l'utilisation des ouvertures de lumière naturelle dans l'enveloppe du bâtiment dépend de la fonction de l'espace intérieur, ainsi que des exigences des occupants en matière de confidentialité, de vue, de protection contre l'Éblouissement et de gestion du gain de chaleur solaire. Les réponses individuelles à l'Éclairage naturel (daylighting) varient également, comme examiné par Pierson et al. Les raisons derrière le désir et la réponse des gens à l'Éclairage naturel (daylighting) sont complexes : elles intègrent des préférences et des caractéristiques individuelles, physiologiques, culturelles, géographiques et saisonnières, ainsi que des avantages environnementaux et économiques.

2. Performance visuelle

La vision est le sens le plus développé chez l’homme et, par conséquent, notre espèce dépend considérablement de la fourniture d’une lumière de qualité adéquate. La performance visuelle, définie comme la vitesse et la précision du traitement des informations visuelles, est influencée par les conditions d’éclairage [17]. La lumière du jour est une très bonne source de lumière pour soutenir la performance visuelle. C’est une source de lumière sans scintillement avec une distribution spectrale de puissance continue couvrant toute la gamme visible (Figure 2).

La vision est le sens le plus développé chez l’homme, nous dépendons donc considérablement d’une lumière de qualité appropriée. La performance visuelle est définie comme la vitesse et la précision du traitement des informations visuelles, et elle est influencée par les conditions d’éclairage. La lumière naturelle est une excellente source de lumière qui soutient la performance visuelle ; c’est une source de lumière sans scintillement avec une distribution de puissance à spectre continu couvrant toute la gamme du spectre visible (Figure 2).

Les éclairements élevés (Figure 3) permettent de distinguer les détails fins, soutenant ainsi l’acuité visuelle. L’éblouissement doit être contrôlé tant pour la lumière du jour que pour la lumière électrique. La distribution spectrale de puissance de la lumière du jour offre un rendu des couleurs optimal et permet une meilleure discrimination des couleurs que la plupart des éclairages électriques, tandis que la directionalité de la lumière du jour et de la lumière électrique peut produire des ombres qui mettent en valeur les détails pour les tâches tridimensionnelles.

Un éclairement élevé (Figure 3) soutient l’acuité visuelle en permettant la distinction des détails. L’éblouissement provenant à la fois de la lumière naturelle et des sources de lumière électrique doit être contrôlé. La distribution spectrale de puissance de la lumière naturelle offre un rendu des couleurs optimal et propose une meilleure discrimination des couleurs que la plupart des sources de lumière électrique ; la directionalité des sources de lumière naturelle et électrique peut produire des ombres qui mettent en valeur les détails, aidant ainsi les tâches visuelles tridimensionnelles.

3. Bonne vue

Le manque d'exposition à la lumière du jour semble être lié au développement de la myopie ou de la vue courte. La myopie est le trouble visuel le plus courant affectant les jeunes ; elle a atteint des niveaux épidémiques en Asie de l'Est et augmente ailleurs. La myopie est généralement diagnostiquée pour la première fois chez les enfants d'âge scolaire. Des études récentes ont relancé l'idée que c'est l'environnement dans lequel les enfants apprennent qui détermine s'ils deviennent myopes ou non [18]. Il semble que les enfants qui pratiquent des activités de plein air aient des niveaux de myopie plus faibles [19]. Ainsi, l'exposition à la lumière du jour à des niveaux significativement plus élevés que ceux que l'on trouve typiquement à l'intérieur (Figure 3) peut être importante pour prévenir la myopie.

Le manque d'exposition à la lumière naturelle semble être lié au développement de la myopie. La myopie est le trouble visuel le plus courant affectant les jeunes ; elle a atteint des niveaux épidémiques en Asie de l'Est et augmente ailleurs. La myopie est généralement diagnostiquée pour la première fois chez les enfants d'âge scolaire. Des études récentes ont relancé l'idée que c'est l'environnement physique d'apprentissage qui détermine s'ils deviennent myopes (Note iLLab : Pendant longtemps, le milieu universitaire a cru que la myopie était causée par une utilisation excessive des yeux, avec peu de lien avec l'environnement.). Les enfants ayant suffisamment d'activités de plein air ont également des niveaux de myopie plus faibles. Par conséquent, l'exposition à la lumière naturelle à des niveaux d'éclairement significativement plus élevés que les niveaux intérieurs typiques (Figure 3) peut jouer un rôle important dans la prévention de la myopie.

Les mécanismes biologiques précis par lesquels le fait d'être à l'extérieur peut protéger la vue des enfants ne sont pas encore entièrement compris. Les hypothèses sont que (i) la lumière vive stimule la libération du neurotransmetteur rétinien dopamine, qui inhibe la croissance axiale de l'œil qui cause la myopie ; (ii) puisque les rythmes circadiens dans l'œil affectent la croissance oculaire, la perturbation de ces rythmes par de faibles niveaux de lumière a également été proposée comme facteur de développement [20] et (iii) il existe une composante géographique et saisonnière, car tant l'allongement de l'œil que la progression de la myopie augmentent à mesure que la durée du jour diminue [21]. L'effet protecteur complexe de la lumière du jour peut dépendre de nombreux aspects interconnectés, y compris la durée et le moment de l'exposition à la lumière du jour, la longueur d'onde et l'intensité.

Les mécanismes biologiques précis de l'effet protecteur de la lumière naturelle sur la vision des enfants ne sont pas encore clairs, mais il existe trois hypothèses connexes : (i) La lumière vive peut stimuler la libération du neurotransmetteur rétinien dopamine, inhibant ainsi la croissance axiale de l'œil qui conduit à la myopie ; (ii) Étant donné que les rythmes circadiens dans l'œil affectent la croissance du globe oculaire, les faibles niveaux de lumière perturbant ces rythmes sont également considérés comme un facteur de développement ; (iii) Il existe des facteurs géographiques et saisonniers, car tant l'allongement axial que la progression de la myopie augmentent à mesure que les heures de jour raccourcissent. L'effet protecteur complexe de la lumière naturelle peut dépendre de nombreux aspects interdépendants, y compris la durée et le moment de l'exposition à la lumière naturelle, ainsi que sa longueur d'onde et son intensité.

Un travail excessif de près peut également endommager la vue des enfants ; bien que les preuves à ce sujet soient incohérentes, une revue récente de la prévention de la myopie par Lagrèze et Schaeffel [22] a rapporté que « Une personne peu exposée à la lumière du jour présente un risque cinq fois plus élevé de développer une myopie, qui peut atteindre jusqu'à 16 fois si cette personne effectue également un travail de près ».

Un travail excessif de près (Note iLLab : tâches visuelles) peut également endommager la vue des enfants ; bien que les preuves pertinentes soient incohérentes, une revue récente de la prévention de la myopie par Lagrèze et Schaeffel a rapporté : « Les personnes peu exposées à la lumière naturelle ont un risque de myopie cinq fois supérieur à la moyenne, et si elles effectuent également des tâches visuelles de près, le risque peut être jusqu'à 16 fois plus élevé. »

La composante spectrale de l'exposition à la lumière du jour (Figure 2) peut affecter la performance visuelle des couleurs. Reimchen [23] a montré que les déficiences colorimétriques sont plus courantes sous les latitudes nordiques, où le crépuscule occupe une partie plus importante de la journée qu'à l'équateur, où les déficiences colorimétriques sont très rares. Une étude sur la perception visuelle chez des individus nés en dessous et au-dessus du cercle polaire arctique, à différentes saisons, a indiqué qu'une réduction de la lumière du jour et une augmentation de l'exposition au crépuscule et à l'éclairage électrique pendant la petite enfance modifiaient la sensibilité aux couleurs ; les participants nés en automne au-dessus du cercle polaire arctique ont présenté les performances colorimétriques globales les plus faibles [24].

La composante spectrale de la lumière naturelle (Figure 2) peut affecter l'efficacité visuelle en termes de couleur. Les recherches de Reimchen indiquent que les défauts de la vision des couleurs sont plus courants sous les latitudes nordiques et rares dans les régions équatoriales. Par rapport aux régions équatoriales, le crépuscule occupe une plus grande partie de la journée sous les latitudes nordiques. Une étude sur la perception visuelle chez des individus nés près du cercle polaire arctique à différentes saisons a montré que une réduction de l'exposition à la lumière naturelle et une augmentation de l'exposition au crépuscule et aux sources de lumière électrique pendant la petite enfance modifient la sensibilité de la vision des couleurs ; les nourrissons nés en automne et vivant en dehors du cercle polaire arctique avaient l'efficacité de la vision des couleurs la plus faible.

4. Entraînement circadien

Un éclairage bien synchronisé peut entraîner le rythme circadien, ce qui est important pour influencer positivement la qualité du sommeil, la santé, l'humeur et les capacités cognitives d'un individu [25]. La lumière naturelle, en raison de ses variations temporelles dans la distribution spectrale de puissance et l'intensité (Figure 4), est le signal temporel naturel (« zeitgeber ») pour la synchronisation du rythme circadien et du cycle veille-sommeil. L'aube et le crépuscule sont des signaux importants pour l'entraînement, avec des niveaux de lumière élevés pendant la journée suivis de l'obscurité la nuit étant essentiels pour un sommeil optimal.

L'apport lumineux au système de rythme circadien se fait par l'intermédiaire de cellules ganglionnaires rétiniennes intrinsèquement photosensibles (ipRGC), particulièrement sensibles à la composante lumineuse « bleue » à courte longueur d'onde. Découvertes en 2002 [26,27], ces cellules sont connectées à l'horloge circadienne et à d'autres parties du cerveau, affectant principalement les fonctions non visuelles [28]. Pour soutenir la fonctionnalité circadienne, il est important d'être exposé à une lumière vive et à courte longueur d'onde pendant la journée, tout en évitant la lumière pendant la nuit. Une étude dans la région antarctique a montré une meilleure qualité de sommeil du personnel de la base pendant la période de l'année avec la lumière du jour, avec ses niveaux de lumière généralement plus élevés, par rapport à la qualité du sommeil pendant l'hiver polaire avec seulement un éclairage électrique. En comparant les conditions d'éclairage électrique, la lumière enrichie en bleu (17 000 K) était plus efficace que la lumière blanche vive (5 000 K) pour soutenir de bons cycles veille-sommeil [29]. À l'intérieur, une exposition réduite à la lumière du soleil pendant la journée, combinée à une exposition à la lumière électrique après le coucher du soleil, peut retarder le timing de l'horloge circadienne, entraînant des difficultés à s'endormir la nuit et des problèmes pour se lever à l'heure le matin.

L'effet de la lumière sur le système du rythme circadien est principalement obtenu grâce aux cellules ganglionnaires rétiniennes intrinsèquement photosensibles (ipRGC), qui sont particulièrement sensibles aux composantes « lumière bleue » à courte longueur d'onde. Ces cellules ont été découvertes en 2002 ; elles sont connectées à l'horloge biologique et à d'autres régions du cerveau, influençant principalement les fonctions non visuelles. Pour maintenir le rythme circadien, une lumière vive riche en courtes longueurs d'onde est nécessaire pendant la journée, tandis que l'exposition à la lumière doit être évitée la nuit. Une étude menée en Antarctique a montré que le personnel de la base avait une meilleure qualité de sommeil pendant les périodes avec lumière naturelle (niveaux d'éclairage plus élevés) et une moins bonne qualité de sommeil pendant la nuit polaire (seules des sources de lumière électrique). Lors de la comparaison des conditions des sources de lumière électrique, la lumière riche en lumière bleue (17 000 K) soutenait un bon cycle veille-sommeil plus efficacement que la lumière blanche vive (5 000 K). Dans les environnements intérieurs, une exposition réduite à la lumière du soleil pendant la journée, combinée à l'utilisation de sources de lumière électrique après le coucher du soleil, peut retarder la phase du rythme circadien, entraînant des difficultés à s'endormir la nuit et à se réveiller le matin.

L'exposition exclusive à la lumière du jour synchronise le système du rythme circadien avec l'heure solaire [30,31]. Roenneberg et Merrow [32] ont proposé de traiter et de prévenir le décalage circadien en ‘renforçant les environnements lumineux (plus de lumière pendant la journée et moins de lumière pendant la nuit). Cela nécessite de tirer parti des changements dynamiques de la composition spectrale et d'appliquer des solutions architecturales pour faire entrer plus de lumière du jour dans les bâtiments’. Fournir artificiellement la dynamique temporelle à haute amplitude de la lumière du jour au moyen de l'éclairage électrique nécessite une consommation d'énergie importante. On suppose que la lumière du jour est la source de lumière la meilleure et la plus appropriée pour l'entraînement circadien, bien que des preuves de recherche concluantes fassent défaut à cet égard.

L'exposition à la lumière naturelle pure peut synchroniser le système du rythme circadien avec l'heure solaire. Roenneberg et Merrow ont proposé de traiter et de prévenir les troubles du rythme circadien en « renforçant l'environnement lumineux » (plus de lumière pendant la journée, moins de lumière la nuit). Cela nécessite d'utiliser les changements dynamiques de la composition du spectre et d'adopter des solutions de conception architecturale pour introduire plus de lumière naturelle dans les bâtiments. Fournir une dynamique à haute amplitude similaire à la lumière naturelle par le biais de l'éclairage artificiel nécessite une consommation d'énergie élevée. La prémisse par défaut ici est que la lumière naturelle (iLLab : signifiant toute la lumière naturelle, y compris les périodes diurnes et nocturnes, y compris Zhuge Liang et Zhuge An) est la source de lumière parfaite pour la régulation du rythme circadien, mais il manque des preuves de recherche claires.

Les signaux de l'aube et du crépuscule sont les synchroniseurs les plus puissants, ne nécessitant pas une lumière de haute intensité mais un modèle de changement diurne avec le lever et le coucher du soleil. Ils dépendent du jour de l'année et de la latitude. Des études de simulation ont montré une avance de phase rapide avec une seule impulsion d'aube [33], et l'exposition à l'aube et au crépuscule naturels repositionne immédiatement le sommeil dans la nuit [31]. Par rapport à l'éclairage statique, l'éclairage dynamique simulant un lever de soleil naturel par un changement de température de couleur (de 1090 K à 2750 K) et d'éclairement au niveau de l'œil (0–250 lx) a entraîné une meilleure humeur subjective et un meilleur bien-être [34], de meilleures performances cognitives [35] et pourrait être un protecteur potentiel contre la vulnérabilité cardiaque pendant les heures critiques du matin [36]. L'éclairage dynamique qui incluait des conditions d'éclairage et des températures de couleur plus faibles le matin et le soir a entraîné une production de mélatonine significativement plus élevée 1 heure avant le coucher par rapport à la lumière statique [37].

Les signaux de l'aube et du crépuscule sont les synchroniseurs les plus puissants, ne nécessitant pas une lumière de haute intensité mais un modèle de changement au cours du cycle diurne avec le lever et le coucher du soleil. Ces signaux dépendent du jour de l'année et de l'emplacement géographique. Les études de simulation indiquent qu'une seule impulsion d'aube peut avancer rapidement la phase du rythme circadien ; l'exposition à l'aube et au crépuscule naturels peut réinitialiser immédiatement le cycle de sommeil à la nuit. Par rapport à l'éclairage statique, l'éclairage dynamique simulant un lever de soleil naturel (par des changements de température de couleur de 1090 à 2750 K et d'éclairement au niveau des yeux de 0 à 250 lx) peut améliorer l'humeur subjective et le bien-être, améliorer les performances cognitives et peut protéger contre la vulnérabilité cardiaque pendant les heures critiques du matin. L'éclairage dynamique fournissant un faible éclairement et une faible température de couleur le matin et le soir peut augmenter significativement les niveaux de sécrétion de mélatonine une heure avant le coucher par rapport à l'éclairage statique.

La lumière du jour à l'extérieur fournit intrinsèquement une dynamique temporelle. Ainsi, la solution la plus simple pour obtenir suffisamment de stimulation du rythme circadien est de sortir. Néanmoins, les personnes dans la société moderne et industrialisée passent jusqu'à 90 % de leur temps à l'intérieur [38–41]. Dans les bâtiments, la forme et la façade, ainsi que le choix des matériaux de vitrage des fenêtres et du système d'ombrage, modifient l'intensité, la couleur et la distribution de la lumière naturelle à l'intérieur. Les conditions d'éclairage naturel disponibles pour l'occupant d'une pièce dépendent également de sa distance par rapport à la fenêtre, de la géométrie de la pièce et des réflectances des surfaces. Selon la conception de l'éclairage naturel, la lumière du jour intérieure peut souvent fournir un stimulus et un soutien adéquats au système circadien, restant ainsi la source de lumière habituelle pour le soutien circadien. Les travailleurs de bureau ayant accès à des fenêtres ont signalé une meilleure qualité de sommeil que ceux sans fenêtres [42]. La qualité du sommeil augmente avec une plus grande disponibilité de la lumière naturelle en été [43], la durée au-dessus d'un seuil de 1000 lx ou 2500 lx au niveau des yeux étant un indicateur d'une meilleure qualité de sommeil [44].

La lumière naturelle extérieure peut fournir des changements dynamiques temporels intrinsèques. Par conséquent, la solution la plus simple pour obtenir un stimulus lumineux circadien est de « sortir ». Cependant, dans les sociétés industrialisées modernes, les gens passent jusqu'à 90 % de leur temps à l'intérieur. Le type de bâtiment, la façade, les matériaux de vitrage des fenêtres et les systèmes d'ombrage modifient tous l'intensité, la couleur et la distribution de la lumière naturelle entrant à l'intérieur. Les conditions de lumière naturelle disponibles pour les occupants de la pièce dépendent également de leur distance par rapport à la fenêtre, de la géométrie de la pièce et de la réflectance des surfaces. Selon la conception de l'éclairage naturel, la lumière naturelle intérieure est souvent suffisante pour stimuler et réguler le rythme circadien, de sorte que l'éclairage intérieur a toujours servi de source de lumière commune pour maintenir le rythme circadien (note iLLab : ce qui signifie qu'un éclairage supplémentaire dit « circadien » n'est pas vraiment nécessaire) . Les travailleurs dans les espaces de bureau avec fenêtres ont signalé une meilleure qualité de sommeil que ceux sans fenêtres. Si l'exposition à la lumière durant plus d'un certain seuil de 1000 ou 2500 lx (éclairement au niveau des yeux) est utilisée comme indicateur lié à la qualité du sommeil, alors la qualité du sommeil s'améliore avec l'augmentation des heures de jour en été (note iLLab : c'est aussi le principe derrière la thérapie d'intervention par lumière artificielle pour le trouble affectif saisonnier dans les régions de haute latitude du nord de l'Europe pendant l'automne et l'hiver) .

En comparant la lumière du jour aux conditions d'éclairage électrique, Turner et al. [45] déclarent : « L'éclairement résidentiel typique [en moyenne 100 lux ou moins, en raison de l'éclairage électrique] est trop faible pour les besoins du rythme circadien, même chez les jeunes adultes. Une exposition correctement synchronisée à la lumière du soleil ou à d'autres sources de lumière vive est vitale pour le bien-être mental et physique dans tous les groupes d'âge. […] En général, plusieurs heures d'exposition à au moins 2500 lux de lumière pondérée en bleu (idéalement la lumière du soleil) commençant tôt le matin profitent à la plupart des gens. La lumière vive améliore immédiatement et directement la cognition, la vigilance, la performance et l'humeur, de sorte que des environnements lumineux tout au long de la journée offrent des avantages supplémentaires, en particulier pour les adultes d'âge moyen ou plus âgés. »

Concernant la comparaison entre la lumière naturelle et les sources de lumière électrique, Turner et al. affirment : « Les niveaux d'éclairement résidentiel typiques (moyenne de 100 lux ou moins, provenant de sources de lumière électrique) sont trop faibles pour les besoins du rythme circadien, même pour les jeunes (note d'iLLab : les adultes plus âgés nécessitent des doses de lumière plus élevées). Une exposition correctement synchronisée à la lumière du soleil ou à d'autres sources de lumière vive est cruciale pour la santé mentale et physique des personnes de tous âges. […] En général, plusieurs heures d'exposition à la lumière pondérée en bleu supérieure à 2500 lux (de préférence la lumière du soleil) commençant tôt le matin sont bénéfiques pour la plupart des gens. La lumière vive peut améliorer immédiatement et directement la cognition, l'éveil, la performance et l'humeur ; par conséquent, rester dans un environnement lumineux tout au long de la journée peut apporter des avantages supplémentaires, en particulier pour les personnes d'âge moyen et âgées. »

5. Effets aigus non visuels

Les réponses du rythme circadien, telles que la régulation du moment du sommeil, sont liées aux réponses rétiniennes médiées par la lumière via les ipRGC. De plus, certains effets aigus, tels que la suppression de la mélatonine, l'augmentation de la fréquence cardiaque ou de la vigilance, peuvent également être réalisés par la lumière via les ipRGC ou une combinaison de photorécepteurs [46]. L'intensité et la composition spectrale de la lumière jouent un rôle dans l'induction ou l'évitement de ces effets. La lumière du jour peut fournir des niveaux d'éclairage élevés. Cependant, la distribution de puissance spectrale de la lumière provenant de régions spécifiques du ciel peut varier considérablement [47] ; à l'intérieur, puisque la lumière du jour reçue dépend de l'orientation d'une pièce, la température de couleur de la lumière peut être considérablement plus froide que le blanc froid de 6500 K souvent supposé. La distribution de puissance spectrale associée et la composante à courte longueur d'onde indiquent que la lumière du jour a un fort potentiel pour soutenir les effets aigus non visuels (Figure 5).

Les réponses du rythme circadien (telles que la régulation du moment du sommeil) sont liées aux réponses à la lumière médiées par la rétine, qui sont principalement réalisées par les ipRGC (cellules ganglionnaires rétiniennes intrinsèquement photosensibles). De plus, certains effets immédiats (tels que la suppression de la mélatonine, l'augmentation de la fréquence cardiaque ou l'amélioration de la vigilance) peuvent également être obtenus par la lumière agissant via les ipRGC ou une combinaison de plusieurs photorécepteurs. L'intensité lumineuse et le spectre jouent un rôle important dans l'induction ou l'évitement de ces effets. La lumière naturelle peut fournir l'intensité lumineuse requise, mais la distribution de puissance spectrale provenant de régions spécifiques du ciel peut varier considérablement ; par conséquent, en raison des différentes orientations des pièces, la température de couleur de l'éclairage naturel intérieur peut être plus froide que le blanc froid de 6500 K communément supposé. La distribution de puissance spectrale pertinente et les composants à courte longueur d'onde indiquent que la lumière naturelle a un grand potentiel pour soutenir les effets immédiats non visuels (Figure 5).

Les investigations sur ces effets aigus non visuels de la lumière ont principalement été menées avec l'éclairage électrique. Il a été démontré, par exemple, que les performances diurnes autodéclarées, la vigilance et la capacité de concentration, ainsi que la réduction de la somnolence diurne, s'améliorent sous un éclairage statique avec une température de couleur corrélée élevée[48,49]. Smolders et al. [50] ont constaté une augmentation de la vigilance subjective et de la vitalité, ainsi que des performances objectives et de l'activation physiologique, en offrant 1000 lx au lieu de 200 lx au niveau des yeux le matin. Bien que les études pertinentes avec la lumière du jour aient été limitées, on s'attend à ce que la lumière du jour produise très efficacement des effets aigus non visuels pendant la journée en raison de la disponibilité de niveaux d'éclairement élevés associés à la composante prononcée à courte longueur d'onde dans son spectre. Bien que des lampes aient été spécifiquement développées pour soutenir le rythme circadien et les effets aigus non visuels, la lumière du jour est la source de lumière naturelle pour soutenir ces effets tout en entraînant peu ou pas de consommation d'énergie.

Concernant ces effets aigus non visuels, la plupart des études sont basées sur des sources de lumière électrique. Par exemple, deux études basées sur un éclairage artificiel statique ont indiqué qu'une température de couleur élevée peut améliorer les performances de travail diurnes autodéclarées, la vigilance, la somnolence et les niveaux de concentration. Smolders et al. ont constaté que lorsque l'éclairement au niveau des yeux était augmenté de 200 lx à 1000 lx le matin, la vigilance subjective et la vitalité des sujets augmentaient, tandis que les performances objectives et l'activation physiologique s'amélioraient également. Bien qu'il y ait peu d'études sur les effets aigus non visuels basés sur la lumière naturelle, on s'attend à ce que la lumière naturelle joue un rôle important dans cet aspect en raison de sa capacité à fournir des niveaux d'éclairement élevés et des composants spectraux à courte longueur d'onde pendant la journée. Bien qu'il existe actuellement des produits de sources de lumière électrique spécialement développés pour le rythme circadien et les effets aigus non visuels, la lumière du jour reste la source de lumière naturelle qui peut soutenir ces effets avec une consommation d'énergie nulle ou quasi nulle.

6. Apparence de la pièce, des objets et des personnes

Les multiples caractéristiques de la lumière du jour (à la fois la lumière du soleil et la lumière du ciel) affectent l'apparence de la pièce, des objets et des personnes, fournissant une ambiance perçue spécifique qui peut influencer l'état émotionnel des occupants. Il n'y a pas de recherche concluante sur l'impact des changements dynamiques de directionalité et de diffusivité dus aux variations de la lumière du soleil et de la lumière du ciel entrant dans les environnements bâtis. Cependant, les utilisateurs d'un espace sont sensibles à l'intensité, à la direction et à la diffusivité de la lumière dans un espace [51].

Les multiples caractéristiques de la lumière naturelle (y compris la lumière du soleil et la lumière du ciel) affectent l'apparence des pièces, des objets et du corps humain, créant une atmosphère perçue spécifique qui influence l'état émotionnel des occupants. Il n'existe actuellement aucune recherche concluante sur les effets causés par les changements dynamiques de la directionalité et de la diffusivité de la lumière du soleil et de la lumière du ciel dans l'environnement bâti. Cependant, les personnes sont très sensibles à l'intensité, à la directionalité et à la diffusivité de la lumière dans l'espace.

Les systèmes d'éclairage électrique fournissent généralement de la lumière à partir de plusieurs points répartis dans un espace, ce qui génère des rayons lumineux de diverses intensités et directions créant des ombres superposées qui peuvent être perçues comme du bruit visuel. En revanche, la lumière naturelle pénètre par une fenêtre ou une lucarne, qui a une direction principale vers l'intérieur de la pièce depuis l'ouverture dans l'enveloppe du bâtiment. Cela crée une clarté visuelle qui peut donner une impression de sérénité de l'espace. La distribution spatiale de la lumière affecte également l'apparence de la pièce, ainsi que la représentation perçue des objets et des visages humains. Il a été démontré que l'apparence des visages des personnes assises près de la fenêtre, éclairées latéralement par la lumière naturelle, est associée à des attributs positifs, et que les contrastes de luminance élevés ne sont pas perçus comme perturbateurs [52].

Les systèmes de sources de lumière électrique fournissent généralement de la lumière à travers plusieurs points distribués dans l'espace, avec des intensités et des directions variables, formant des ombres superposées qui peuvent être perçues comme du bruit visuel. En revanche, la lumière naturelle pénètre dans la pièce par les fenêtres ou les lucarnes, projetant la lumière avec une direction principale depuis les ouvertures de l'enveloppe du bâtiment vers l'intérieur. Cette lumière crée une clarté visuelle, conférant ainsi un sentiment de tranquillité à l'espace. La distribution spatiale de la lumière affecte également l'apparence de la pièce, ainsi que la présentation visuelle des objets et des visages humains. Des études ont montré que les visages des personnes près des fenêtres, éclairées latéralement par la lumière naturelle, se voient attribuer des qualités positives, et ce contraste de luminance élevé ne cause pas de gêne (Note iLLab : le terme du dialecte Sichuan-Chongqing "naohuo" est plus précis).

En raison de la taille d'une fenêtre, les ombres sont généralement ‘douces’, ce qui est considéré comme approprié pour un bon modelé [53]. De plus, la lumière latérale, ou un ‘flux’ latéral de lumière, semble être préféré dans la perception des visages humains et des objets ; la lumière naturelle à travers les fenêtres est efficace pour réaliser de telles distributions spatiales de lumière (Figure 6)[54–56].

En raison de la plus grande taille des fenêtres, les ombres qui en résultent sont généralement ‘douces’, ce qui est considéré comme adapté à un bon modelé. De plus, la lumière latérale ou le ‘flux’ de lumière semble être plus favorisé lors de la perception des visages humains et des objets, et la lumière naturelle à travers les fenêtres peut efficacement réaliser ce type de distribution spatiale de la lumière (Figure 6).

Des recherches menées dans des conditions d'éclairage électrique ont montré que la luminosité des surfaces de la pièce, de préférence supérieure à 30–40 cd/m² dans une bande horizontale de 20° au-dessus et en dessous de la ligne de visée, confèrent légèreté visuelle et attractivité aux bureaux [57–60]. La quantité de lumière est également importante pour la perception de l'espace [61,62], l'éclairage orienté vers les murs seul ou combiné à un faible niveau d'éclairage plafond semblant bénéfique pour la sensation d'espace [61,63]. Une étude à grande échelle (Figure 7) d'une série d'attributs de qualité de la pièce a montré que des niveaux élevés de lumière naturelle provenant de grandes fenêtres sont cruciaux pour obtenir une pièce plus agréable, stimulante, complexe, lisible, cohérente et ouverte [64].

Des études menées dans des conditions de source de lumière électrique indiquent que la luminance des surfaces de la pièce (de préférence supérieure à 30–40 cd/m² dans une bande horizontale de 20° au-dessus et en dessous de la ligne de visée) peut conférer aux bureaux une sensation de légèreté visuelle et d'attractivité. La quantité d'éclairement est également importante pour la perception de l'espace ; l'éclairage orienté vers les murs seul, ou combiné à un éclairage plafond de faible niveau, semble bénéfique pour la sensation d'espace (note iLLab : sensation d'espace). Une étude à grande échelle sur les attributs de qualité spatiale (Figure 7) indique que un éclairement élevé provenant de la lumière naturelle à travers de grandes fenêtres est crucial pour créer un espace plus agréable, stimulant, complexe, cohérent et clairement lisible.

La lumière directe du soleil affecte l'apparence de la pièce avec une tache lumineuse ainsi que des ombres nettement définies produites par des faisceaux parallèles de lumière solaire. Bien que la tache lumineuse soit considérée comme un stimulus visuel, la recherche suggère qu'une pénétration appropriée de la lumière solaire peut induire la relaxation [65]. Il a été constaté que la pénétration de la lumière solaire a un effet positif sur la satisfaction au travail et le bien-être général [66]. Une enquête sociale dans quatre types de bâtiments différents par Ne’eman et al. [67] a montré que le soleil a ‘une propriété unique non physique qui induit le bien-être psychologique’.

Une étude a utilisé un ciel artificiel pour imiter la lumière du jour d'un ciel dégagé avec des ombres définies (à tonalité bleue), une tache lumineuse solaire (produisant un rapport de luminance entre les zones ensoleillées et ombragées tel qu'on le trouve à l'extérieur), ainsi qu'une source lumineuse brillante vue à travers la fenêtre (ayant la taille perçue appropriée du soleil) [68,69]. Les résultats ont indiqué que ces caractéristiques d'éclairage avaient un effet positif sur la perception de l'apparence de la pièce et sur l'humeur, les niveaux de stress et d'anxiété des participants. La lumière du soleil tombant directement sur l'occupant ou réfléchie par une surface peut causer un inconfort visuel et/ou thermique. Cet inconfort est lié à l'utilisation de stores [70], qui bloqueront ensuite (une partie de) la lumière directe du soleil et la lumière du ciel entrant dans le bâtiment.

Bien que la plupart des recherches sur l'apparence de l'espace et des objets aient été menées en utilisant un éclairage électrique contrôlé, les résultats sont applicables aux conditions de lumière du jour. Les recherches incluses dans cette section ont principalement été réalisées dans des climats tempérés et indiquent que l'éclairage spatial réalisé par la lumière du jour favorise une bonne perception de l'apparence de la pièce et des objets. La lumière directe du soleil semble améliorer l'ambiance perçue de la pièce et l'état émotionnel de l'utilisateur, lorsque le confort visuel et thermique est maintenu. Les considérations de conception de façade pour maintenir le confort dans les régions tropicales affecteront les conditions de lumière du jour à l'intérieur. Tant l'apparence résultante de la pièce et des objets que la prévalence de conditions ensoleillées pourraient entraîner différentes réponses ultérieures des occupants.

Bien que la plupart des études sur l'apparence des espaces et des objets soient basées sur des sources de lumière électrique, ces résultats s'appliquent également aux conditions de lumière naturelle. La plupart des études incluses dans cette section ont été menées dans des régions tempérées, donc les résultats indiquent que la distribution spatiale de la lumière obtenue par la lumière naturelle est favorable à la formation d'une bonne perception de l'apparence de la pièce et des objets. Lorsque le confort visuel et le confort thermique ne sont pas compromis, la lumière directe du soleil semble renforcer la perception de l'atmosphère spatiale et l'état émotionnel des utilisateurs. Pour les régions tropicales, la principale considération dans la conception des façades est d'assurer le confort, ce qui affectera les conditions de lumière naturelle à l'intérieur. L'apparence résultante de la pièce et des objets, ainsi que la probabilité de jours ensoleillés, peuvent conduire à différentes réactions des utilisateurs (note iLLab : par rapport aux régions tempérées) .

La distribution spécifique de puissance spectrale et la luminosité de la lumière naturelle peuvent également affecter le confort physique humain. Le confort physique est le sentiment de bien-être, lorsque les conditions thermiques et d'éclairage d'un environnement sont perçues comme agréables et associées à la satisfaction. La luminosité et la forte composante infrarouge de la lumière naturelle (Figure 2) peuvent être attrayantes, mais peuvent causer un inconfort visuel et thermique. Néanmoins, les entretiens dans les études de terrain ont montré que les occupants peuvent être satisfaits de la lumière naturelle même s'ils ressentent parfois un inconfort visuel [71].

La pénétration de la lumière solaire chauffe une pièce. De plus, les fenêtres sont une source de transfert de chaleur vers et depuis l'extérieur. Les différences entre les zones tempérées et les extrêmes des régions polaires ou équatoriales se reflètent généralement dans les solutions architecturales, car l'approche de conception doit être différente pour offrir des conditions environnementales intérieures confortables [72].

L'inconfort thermique dû à des températures élevées ou basses active respectivement le refroidissement biologique (par exemple, la transpiration) ou le réchauffement (par exemple, les frissons). L'inconfort peut également résulter de l'asymétrie thermique entre les températures des surfaces internes froides des fenêtres et celles des murs plus chauds [73]. Une étude sur le terrain menée par Chinazzo et al. [74] indique que la satisfaction concernant la température de la pièce est affectée par les conditions d'éclairage, avec une satisfaction moindre sous des niveaux d'éclairage plus faibles. Cela pourrait suggérer une plus grande tolérance à l'inconfort thermique dans les situations avec lumière du jour, comme l'ont précédemment proposé Veitch et Galasiu [11].

L'inconfort visuel, se référant à un « inconfort ou une douleur dans ou autour des yeux » (selon Boyce et Wilkins [75]), peut avoir plusieurs causes, notamment l'éblouissement et le scintillement de la source lumineuse. L'éblouissement peut affecter les performances visuelles, mais même un éblouissement qui n'altère pas nécessairement la vision des objets peut entraîner de la fatigue. La recherche sur l'éblouissement d'inconfort dû à des luminances élevées ou à un contraste de luminance provenant de la lumière du jour ou de l'éclairage électrique indique une plus grande tolérance lorsque l'éblouissement d'inconfort léger provient de la lumière du jour [76,77] et/ou une diversité d'exigences individuelles pour le confort visuel avec la lumière du jour [78] par rapport aux sources de lumière électrique ayant la même luminance. Il est suggéré que la culture et le climat influencent l'éblouissement perçu de la lumière du jour [79]. Le scintillement peut provoquer des maux de tête, une fatigue oculaire ou des crises, et réduire les performances visuelles [80]. L'éclairage électrique peut être une source de scintillement, tandis que la lumière du jour est exempte de scintillement.

Il existe de nombreux déclencheurs d'inconfort visuel (défini par Boyce et Wilkins comme une « gêne ou une douleur dans ou autour des yeux »), notamment l'éblouissement et le scintillement des sources de lumière. L'éblouissement peut affecter les performances visuelles ; certains éblouissements, même s'ils n'entravent pas la visibilité des objets, peuvent provoquer une fatigue visuelle. Des études montrent que pour l'éblouissement d'inconfort causé par une luminance élevée ou un contraste de luminance élevé provenant soit de la lumière naturelle, soit de sources de lumière électrique, les personnes ont une tolérance plus élevée lorsque cela provient de la lumière naturelle. Par ailleurs, les besoins individuels en confort visuel de la lumière naturelle varient davantage que ceux des sources de lumière électrique de même luminance. Les conditions culturelles et climatiques influencent également la perception de l'éblouissement de la lumière naturelle. Le scintillement peut déclencher des maux de tête, une fatigue oculaire ou des crises d'épilepsie, et réduire les performances visuelles. Les sources de lumière électrique peuvent être à l'origine du scintillement, mais la lumière naturelle est exempte de scintillement (note iLLab : la lumière naturelle présente des avantages en termes d'éblouissement, et l'avantage est encore plus prononcé en termes de scintillement).

Une fenêtre offre la lumière du jour, le renouvellement de l'air, une vue et des informations sur la météo et les activités extérieures. Les propriétés des matériaux de la fenêtre, sa conception et son utilisation offrent un contrôle sur les influences extérieures, telles que l'odeur, le son et la chaleur. De plus, les fenêtres peuvent fournir une issue de secours. Tous ces aspects jouent un rôle dans le sentiment de contrôle et de sécurité dans les environnements intérieurs. L'enfermement, l'intimité, la sécurité et la connaissance (subconsciente) des issues de secours sont liées à la fonctionnalité d'un espace. Stamps [81] affirme que la clarté d'une scène est liée à la sécurité jugée (« capacité à se déplacer et capacité à percevoir »). L'absence d'informations sur la météo et l'absence de vue étaient les raisons pour lesquelles les employées de bureau n'aiment pas les bureaux sans fenêtres, éprouvant des sentiments d'isolement, de dépression et de tension (Ruys, rapporté dans Collins [1]).

La vue depuis une fenêtre peut affecter plusieurs aspects du bien-être physique et mental. Elle peut, par exemple, soutenir les processus de restauration, soulager le stress ou augmenter la satisfaction au travail. Les recherches examinant les effets du contenu de la vue suggèrent que les zones urbaines animées et denses avec des obstacles offrant une courte portée visuelle nécessitent des processus constants d'accommodation et d'adaptation par les muscles oculaires, pour maintenir une image fixe sur la fovéa. À l'inverse, les vues vers un espace profond peuvent soulager l'œil et le tonus musculaire, et libérer le cortex cérébral du traitement de l'information, conduisant à une relaxation cognitive. Regarder une vue accélère la récupération physiologique après une expérience stressante [82,83].

Le paysage à l'extérieur de la fenêtre peut affecter plusieurs aspects de la santé physique et psychologique. Par exemple, il peut soutenir les processus de restauration, soulager le stress ou augmenter la satisfaction au travail. La recherche sur le contenu du paysage indique que les zones urbaines animées et denses, si elles sont obstruées entraînant une courte portée visuelle, exigent que les muscles oculaires s'ajustent et s'adaptent constamment pour maintenir l'image fixe sur la fovéa centrale de la rétine. En revanche, regarder au loin peut détendre les yeux et la tension musculaire, et libérer le cortex cérébral du traitement de l'information, atteignant ainsi la relaxation cognitive. Contempler le paysage peut accélérer le processus physiologique de récupération du stress.

Il y a moins d'informations disponibles comparant le bénéfice restaurateur relatif des pièces avec vue sur fenêtre, des fenêtres artificielles et des murs sans fenêtre. Les occupants de bureaux préfèrent les vraies fenêtres ou une fenêtre artificielle avec une vue dynamique sur la nature [84], mais l'effet restaurateur des fenêtres artificielles avec des «vues» dynamiques semble être inférieur [85]. Dans les espaces sans fenêtre, les occupants semblent compenser le manque de fenêtres avec des éléments naturels, sous forme de plantes ou d'images de paysages naturels. Heerwagen et Orians [86] ont constaté que les petits bureaux sans fenêtre sont décorés avec deux fois plus de matériaux visuels que les pièces avec fenêtres et vues. Le matériel visuel (dans les bureaux sans fenêtre) ne représentait pas des vues «de substitution», mais incluait des thèmes naturels.

Les fenêtres offrent également des indices contextuels sur l'heure de la journée et les conditions météorologiques, qui nous ancrent dans le temps et l'espace, consciemment et inconsciemment. Les patients d'une unité de soins intensifs avec une fenêtre translucide avaient une mémoire et une orientation plus précises et moins d'hallucinations et de délires que ceux d'une unité sans fenêtre [87]. Un questionnaire visant à comprendre la préférence pour les fenêtres a montré que la vue extérieure fournissant des informations temporelles figurait parmi les facteurs favorables les plus fréquemment cités pour les espaces résidentiels et plusieurs espaces non résidentiels [88]. Selon Veitch et Galasiu [11] « Cette fourniture d'informations est une fonction reconnue d'une fenêtre ».

Le contenu et la qualité perçue d'une vue peuvent tous deux affecter les réponses humaines à la lumière du jour. Le nombre de couches de la vue, la largeur et la distance de la vue, la qualité perçue des éléments du paysage et la composition de la vue sont des paramètres influents importants, comme le montre la Figure 8 [89]. La tolérance à l'éblouissement inconfortable de la lumière du jour à travers une fenêtre est partiellement déterminée par l'intérêt de la scène extérieure [90,91], son attractivité [92] et son contenu [93]. Une vue extérieure améliore la perception souhaitable de la lumière du jour, en particulier pour les vues naturelles, attrayantes et intéressantes, mais les mécanismes de cela ne sont pas encore entièrement compris. Bien que les indices contextuels associés à la lumière du jour puissent être émulés, la recherche indique que certains avantages pourraient ne pas être reproduits par l'éclairage électrique.

窗景的内容和感知质量都会影响人类对天然光的反应。景观的层次、视野的宽度和距离、景观元素的感知质量及其构图，都是重要的影响参数（Figure 8）。对天然光眩光的容忍程度，部分取决于窗外景观的有趣程度、吸引力及其内容。尽管窗景可以提高人们对天然光感知的预期，尤其是对自然、吸引人且有趣的景观，但其背后的机制尚不明确。天然光所提供的部分信息是可以通过电光源模拟得到，但仍有研究表明有些天然光的好处是电光源复制不来的。

L’apport de lumière naturelle offre un éclairage intérieur gratuit avec une distribution spectrale de puissance continue de 320 nm à 2600 nm, ce qui a des implications sur la demande énergétique en chauffage, refroidissement et éclairage d’un bâtiment [94]. L’éclairage naturel peut réduire directement l’énergie électrique nécessaire pour éclairer une pièce. La mesure dans laquelle la lumière naturelle peut déplacer les temps d’utilisation de l’électricité est évidemment spécifique à la conception, à l’emplacement, à la finalité et à l’utilisation d’un espace au sein d’un bâtiment. Il convient de porter une attention particulière à l’emplacement le plus approprié des activités ; par exemple, les tâches très visuelles doivent être effectuées près du périmètre du bâtiment naturellement éclairé. Une conception d’éclairage naturel doit être combinée avec des commandes d’éclairage électrique qui éteignent ou réduisent, tout en maintenant la qualité de, l’éclairage électrique afin de réduire la consommation d’électricité. Les économies d’énergie d’éclairage réalisées grâce à l’installation de commandes d’éclairage sensibles à la lumière naturelle vont de 20 % à 70 % [95–99]. Une méta-analyse de Williams et al. [100] a montré des économies moyennes d’environ 30 % dans diverses applications. Tsangrassoulis et al. [101] indiquent qu’une réduction de 40 % de la consommation d’énergie d’éclairage peut réduire la consommation totale d’énergie primaire de 17 %.

Ce n'est que lorsque tout le potentiel de ces approches intégrées à la conception aura été épuisé qu'il conviendra d'envisager l'introduction de systèmes technologiques pour acheminer la lumière naturelle plus profondément dans les espaces intérieurs par déviation au niveau des fenêtres ou par la transmission, souvent coûteuse à installer, de la lumière naturelle depuis le toit à travers les étages intermédiaires au moyen de tubes miroités ou de câbles à fibres optiques [102–104]. (Note iLLab : Quelle longue phrase !)

Les ouvertures de lumière naturelle affectent les conditions thermiques d'un bâtiment. Les pertes de chaleur en hiver peuvent augmenter lorsque la résistance thermique des fenêtres est inférieure à celle des murs. Le gain de chaleur provient du rayonnement solaire à travers les fenêtres et dépend du climat ; cela peut être bénéfique en hiver, mais peut nécessiter un refroidissement supplémentaire en été. L'énergie économisée ainsi que la rentabilité de l'éclairage naturel sont donc moindres si de l'énergie de refroidissement est requise. Les systèmes de vitrage modernes sont capables de filtrer une fraction significative de la composante infrarouge.

Les apports solaires peuvent être modulés à l’aide de dispositifs d’ombrage ou de systèmes de vitrage commutables, qui devraient idéalement équilibrer également l’apport de lumière naturelle et la vue vers l’extérieur, ainsi que la protection contre l’éblouissement [105]. Il existe de grandes différences dans la composition et la disponibilité de la lumière naturelle entre les régions tempérées et équatoriales, pour lesquelles les solutions architecturales sont généralement définies de manière appropriée. La demande énergétique globale dépend du type, de la forme et de la construction du bâtiment, des activités et des habitudes des occupants, ainsi que de l’emplacement géographique, du climat, de l’orientation et du degré d’obstruction [106–108].

L’éclairage électrique nécessite de l’énergie. Il peut également libérer de la chaleur dans le bâtiment, selon la source de lumière, ce qui peut augmenter la charge de refroidissement mais aussi diminuer les besoins énergétiques de chauffage. Un bâtiment sans fenêtres est souvent moins efficace sur le plan énergétique qu’un bâtiment avec une sélection et un contrôle appropriés de fenêtres bien situées.

Les sources de lumière électrique consomment de l’énergie, selon le type de source de lumière utilisé. En même temps, les sources de lumière électrique libèrent également de la chaleur dans le bâtiment, augmentant ainsi la charge de refroidissement ou réduisant la charge de chauffage (note iLLab : spécifiquement selon la saison) . L’efficacité énergétique des bâtiments sans fenêtres est généralement pire que celle des bâtiments avec fenêtres.

La conception en lumière naturelle peut apporter des avantages financiers en réduisant le coût énergétique de l'éclairage électrique et en améliorant la productivité des occupants du bâtiment. La lumière naturelle peut augmenter cette dernière grâce à une combinaison d'une vision plus nette due à un meilleur rendu des couleurs ou à des niveaux d'éclairement plus élevés, une meilleure modélisation visuelle des objets et des visages, une réduction du scintillement et/ou la fourniture d'indices contextuels [109]. Il a été démontré que la productivité augmente de 5 à 15 % dans les entreprises qui ont déménagé dans des bâtiments bénéficiant de plus de lumière naturelle [110,111]. Cependant, le rôle exact de la lumière naturelle sur la productivité dans ce type d'études reste sujet à de futures recherches, étant donné les nombreux autres facteurs qui changent simultanément avec un tel déménagement. L'impact de la lumière naturelle sur la productivité et les aspects connexes, tels que l'absentéisme, ne peut être étudié que dans des études de terrain et des études épidémiologiques [112,113], dans lesquelles le contrôle expérimental est difficile et l'interprétation des résultats est exigeante [5]. Pour l'instant, les résultats disponibles sont insuffisants pour tirer des conclusions concernant l'impact de la disponibilité de la lumière naturelle sur la productivité ; des recherches supplémentaires sont nécessaires.

Une analyse des données annuelles de revenus et de dépenses des bâtiments commerciaux par Kim et Wineman [114] a indiqué que les vues ont une valeur économique. Dans leur étude, les bâtiments plus élevés, susceptibles d'offrir des vues sur l'horizon et le paysage urbain, avaient des valeurs immobilières plus élevées. Lors des entretiens, la majorité des entreprises ont déclaré que la vue était un facteur pris en compte lors de la fixation des loyers. Une étude de Heschong [115] a indiqué que les employés de centres d'appels bénéficiant de la meilleure vue possible traitaient les appels plus rapidement et obtenaient de meilleurs scores aux tests de fonction mentale par rapport aux employés sans vue. Une analyse des ventes dans les magasins avec et sans puits de lumière par Heschong et al. [109] a indiqué que les magasins avec puits de lumière avaient une augmentation de leur indice de ventes. Les entretiens ont indiqué que le puits de lumière amenait inconsciemment à percevoir l'environnement visuel comme plus propre et plus spacieux.

Comme indiqué ci-dessus, les mécanismes détaillés derrière ces avantages monétaires secondaires et d'autres sont largement inconnus. De plus, une augmentation de la productivité ne peut être atteinte que lorsque les effets indésirables de l'éclairage naturel, tels que l'éblouissement, les ombres, les réflexions voilantes et la surchauffe, sont évités.

Comme mentionné ci-dessus, notre compréhension des mécanismes derrière la lumière naturelle et ses avantages économiques directs, ainsi que ses avantages secondaires, est encore superficielle. De plus, la condition préalable pour atteindre une efficacité de production accrue est d'éviter les effets négatifs apportés par la lumière naturelle, tels que l'éblouissement, les ombres, les réflexions et la surchauffe.

L’intensité, la distribution spectrale de puissance, ainsi que la direction spatiale et la diffusivité de la lumière du jour sont des caractéristiques qui favorisent l’apparence des pièces et des objets, ainsi que les effets non formateurs d’image. La dynamique des changements d’intensité et de couleur de la lumière du jour soutient naturellement l’entraînement du rythme circadien, l’humeur et la vigilance. Certaines réponses humaines, telles que les effets non formateurs d’image, semblent bien définies. De plus, le rôle de la lumière solaire sur la peau pour soutenir la production de vitamine D est bien établi. Cependant, de nombreux avantages de la lumière du jour et des fenêtres ne peuvent pas encore être expliqués aussi simplement. Le seuil plus élevé d’apparition de l’éblouissement d'inconfort dans les conditions de lumière du jour, ainsi que l’effet positif des indices contextuels fournis par une vue extérieure, sont induits par des mécanismes mal compris. Certaines réponses à la lumière semblent être médiées par des voies visuelles et non formatrices d’image, ce qui nécessite davantage de recherches [116–118].

Bien que de nombreuses caractéristiques de la lumière du jour puissent être imitées par l’éclairage électrique, il n’a pas été démontré que tous les divers résultats positifs holistiques associés à la lumière du jour peuvent être reproduits artificiellement. En effet, les caractéristiques de l’interaction complexe entre la dynamique de la lumière du jour et les réponses humaines individuelles n’ont pas été facilement quantifiables à ce jour. Elles restent des domaines clés qui nécessitent des recherches approfondies supplémentaires.

Nous suggérons que les études futures examinent l'impact de la lumière du jour sur les aspects suivants de la performance humaine, de la santé et du bien-être qui pourraient conduire à des comportements se traduisant par des avantages monétaires:

1. Impact différentiel des variations de la distribution spectrale de puissance et de l'intensité lumineuse au cours de la journée et des saisons à différents endroits géographiques, par exemple grâce à des études épidémiologiques explorant plus avant l'effet de l'apport de lumière naturelle sur une bonne vue et l'entraînement circadien, un sommeil réparateur et une meilleure santé ;

2. Différences dans l'impact de la source de lumière sur l'apparence de la pièce et des objets, en comparant l'éclairage électrique et la lumière du jour à travers les fenêtres, les puits de lumière ou les conduits de lumière, ce qui inclut les différences entre l'éclairage statique et dynamique ;

3. Estimations statistiques de la variance de l'impact de la lumière du jour avec une exposition simultanée à la lumière électrique, afin d'élaborer leurs interactions, y compris les évaluations des effets de l'historique lumineux, et d'obtenir une meilleure compréhension du potentiel aigu et non formateur d'images de la lumière du jour ;

3. Évaluation statistique de la variation de l'impact lorsque la lumière naturelle et les sources de lumière électrique sont exposées simultanément, afin de clarifier leurs interactions (y compris l'évaluation des effets de l'historique lumineux) et de comprendre plus clairement le potentiel de la lumière naturelle en termes d'aspects immédiats et non formateurs d'images.

(Note iLLab : iLLab mène simultanément des recherches connexes sur les trois points ci-dessus : Éclairage centré sur l'humain (HCL), simulation de la lumière du jour et intégration de l'éclairage naturel et artificiel.)

1. Évaluations qualitatives de la perception d’un environnement (par exemple, de travail) pour étudier le rôle du contexte et du contenu sous différents régimes d’éclairage, y compris l’absence de lumière, et déterminer si les symptômes de cette absence peuvent être quantifiés/opérationnalisés ;

2. Quantification de la vue et des indices contextuels depuis les fenêtres. Des métriques doivent être développées pour la quantité et la qualité de la vue vers l’extérieur et une mesure pour évaluer l’importance des indices contextuels, afin d’équilibrer les différentes fonctions des fenêtres, telles que la protection contre l’éblouissement, la gestion du gain de chaleur solaire et l’apport de lumière naturelle ;

3. La prévalence des conditions météorologiques et des archétypes architecturaux pourrait influencer les attentes et les réponses des occupants ; ainsi, l’impact du climat et de la culture sur la préférence pour la source lumineuse, l’apparence de la pièce et des objets, ainsi que les aspects liés au confort, devraient faire l’objet d’études approfondies.

Et enfin, peut-être ce qui est le plus urgent et le plus difficile à concevoir serait une (série de) métrique(s) pour mesurer la ‘naturalité’ de la lumière.

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